释放生态流量以修复受小型水电站破坏的中国河流生态系统：成效、挑战与机遇

《Ecological Engineering》：Releasing ecological flow to restore China's river ecosystem impaired by small hydropower plants: Effectiveness, challenge, and opportunity

　　王强|尚金涛|王凌河 中国重庆市西南大学生命科学学院，教育部淡水鱼类繁殖与发育重点实验室，重庆市水生科学重点实验室，邮编400715

摘要：中国境内小型水电站的过度建设严重破坏了河流生态系统，其主要原因是缺乏生态流量释放。2018年至2020年，长江流域实施了小型水电站整改计划，要求必须保证最低生态流量（为年平均径流量的10%），以减轻上述影响。本研究通过比较重庆璧溪河和武布河上16座小型水电站下游的急流区及基岩区的底栖大型无脊椎动物群落、物理栖息地状况以及水质，在三个季节（春季、夏季和冬季）评估了这一恢复措施的有效性。研究结果表明，经过两年时间，大型无脊椎动物群落的恢复仍较为有限。在三个季节中，评估区域的平均大型无脊椎动物密度分别为急流区和基岩区参考密度的66.2%和69.9%。与参考区域相比，这两种栖息地中大多数优势类群的丰度都有所下降，降幅在11.7%到63.4%之间。无论在参考区域还是大多数评估区域，蜉蝣目和毛翅目始终是急流区和基岩区的优势类群，而夏冬季节时蚊科则是基岩区的优势类群。在每个季节中，至少有一半的评估急流区区域的物种丰富度明显低于参考区域，而只有一个是基岩区区域在所有季节中都表现出较低的物种丰富度。PERMANOVA分析表明，在三个季节中，急流区的评估区域与参考区域之间的群落组成存在显著差异，而基岩区则仅在夏季和冬季存在差异。无论在参考区域还是评估区域的急流区，刮食者类群和采集者类群始终是主导的功能食性类群。相比之下，评估区域的基岩区功能食性类群结构具有高度的地域性和变化性，尤其是在夏季和冬季。冗余度分析表明，与流量相关的变量（如流量、生态流量达成率以及流速），以及水质变量（如硝酸盐、氮含量和总溶解固体）是限制大型无脊椎动物群落恢复的主要因素。我们认为，仅规定10%的年平均径流作为最低流量标准并不足以完全恢复生态系统的完整性，亟需采取更具针对性、因地制宜的管理措施，包括有效的监测、有针对性的生物评估、严格的执法以及经济激励措施，以确保相关要求的落实并促进生态系统恢复。

引言：小型水电站是一种成本较低的可再生能源，其能量转换效率较高，建设与维护成本较低，且建设周期较短（Kaunda等人，2012；Hennig和Harlan，2018；Kuriqi等人，2021）。由于人们普遍认为其与大型水坝水电站相比对环境的影响较小或没有影响，小型水电站得到了各国政府的大量资金支持和政策扶持，尤其是在发展中国家（Kuriqi等人，2021）。近几十年来，随着对可再生能源需求的增加，全球范围内小型水电站的数量急剧上升（Anderson等人，2017；Couto和Olden，2018）。尽管不同国家对小型水电站的定义存在差异，但越来越多的人认为，小型水电站指的是装机容量不超过10兆瓦的水电站（Kelly-Richards等人，2017；Zhang等人，2021）。按照这一定义，全球正在运行和在建的小型水电站总数超过8.2万座（Couto和Olden，2018），总装机容量为79.0吉瓦（联合国工业发展组织及国际小水电组织，2022）。在中国，小型水电站指的是装机容量小于50兆瓦的水电站。作为小型水电站发展领域的领先国家，中国在其发展高峰期共建造了4.7万多座小型水电站（Wang等人，2023），其装机容量占全球小型水电站总装机容量的53.1%（联合国工业发展组织及国际小水电组织，2022）。中国小型水电站的快速发展始于1980年之后，这使得中国河流中的水力资源开发程度普遍较高。此外，由于三十多年来环保措施并未得到广泛而有效的实施，尤其是几乎不存在生态流量释放，中国的小型水电站引发了诸多生态灾难（Tang等人，2012；Cui和Xu，2017），比如水质恶化、河道萎缩甚至干涸、栖息地破碎化、河岸及水生生物多样性丧失等，这些问题引发了广泛的批评（Kong等人，2015）。在21世纪，如何在满足人类日益增长的淡水需求的同时保持河流生态系统的自然功能，是科学界和管理部门面临的重要挑战（Walters和Post，2011；Salmaso等人，2018）。生态流量这一概念常与环境流量互换使用，它被定义为为维持水生（流动水域和静水水域）及陆地（河岸地区）生态系统的服务功能、各组成部分、功能过程以及生态系统的恢复能力而保留的水量、水质以及水位变化情况（Alonso等人，2007）。人们通常通过生态流量释放机制来减轻水坝蓄水对河流生物及河流生态系统造成的不良影响（Robson等人，2011；Consoli等人，2023）。对于底栖大型无脊椎动物而言，通过生态流量释放来恢复水坝下游河流的流量状况能带来诸多益处，比如维持适宜且多样的栖息地、有助于生物的迁移和扩散、促进生物多样性 的维持与增长、支持自然的沉积物输送和养分循环过程，以及提升生态系统对气候变化等外部压力因素的抵御能力（Monk等人，2008；Lim和Do，2023）。流量状况的各个要素，如流量大小、出现频率、持续时间、发生时间以及变化速率，都对水生生态系统至关重要（Poff等人，1997）。生态流量应尽可能模拟自然河流流量的变化规律，以此重新构建水生生态系统结构，减轻水坝带来的环境影响（Arthington等人，2018）。要实现这种模拟，就需要深入理解河流生态与流量状况之间的关系，而这在受到人工干预的河流中无疑是一项艰巨的任务（Larsen等人，2021）。实际上，在很多情况下，人们只考虑并要求向水坝下游释放一定的最低生态流量，因为人们认为只要保持流量在某个临界水平及以上，就能有效保护河流生态系统（Acreman和Ferguson，2010；Salmaso等人，2018）。然而，不同的水生生物以及对流量变化的反应程度存在差异。Poff和Zimmerman（2010）通过元分析发现，无论是流量增大还是减小，都会导致鱼类数量、物种多样性以及种群生长率的下降。对于大型无脊椎动物来说，无论是流量稳定还是出现极端的高流量或低流量情况，敏感物种的减少以及物种多样性的降低都是常见的生态反应，不过大型无脊椎动物的数量和多样性则可能呈现上升或下降的趋势（Lake，2003；Poff和Zimmerman，2010）。这些研究结果表明，最低生态流量要求可能会引发不同的生态反应。在发展中国家，生态流量管理措施仍然不完善，而这正是导致小型水电站带来生态问题的主要原因（Kuriqi等人，2021）。2018年至2020年间，中国开展了全国范围的小型水电站整改工作，最初针对的是重庆市以及长江沿岸的九个省份，旨在解决小型水电站运营过程中存在的环境问题（中华人民共和国水利部，2018）。该整改计划要求：（1）立即关闭位于自然保护区核心区/缓冲区内的小型水电站，或是那些已经造成严重生态危害或存在安全风险的小型水电站；（2）为剩余的小型水电站安装生态流量释放装置，最低流量标准定为年平均径流量的10%。该计划取得了显著成效：共有3541座小型水电站被永久关闭，超过2万座小型水电站得到了整改并开始实施生态流量释放，还有超过9万公里的河道得到了生态修复（Wang等人，2023）。此后，这一整改计划逐步扩展到长江流域以外的其他省份。最终，中国所有的小型水电站都在2024年底前完成了整改。底栖大型无脊椎动物在食物网、养分循环以及能量流动过程中发挥着重要作用，它们有助于维持河流生态系统的功能（Graeber等人，2017；K?dzior和Skalski，2024；Bakker等人，2025）。人们普遍认为，大型无脊椎动物对河流状况（如水质、物理栖息地、流量状况）以及环境变化（如干扰、恶化或改善）十分敏感（Carter等人，2017；Lin等人，2022；Bylak等人，2025）。正是由于这种生态敏感性，基于大型无脊椎动物的指标被广泛视为评估恢复措施效果的良好指标，尤其是在欧洲和北美的河流系统中（Roni等人，2008；Al-Zankana等人，2020）。中国开展的这项整改工作堪称小型水电站运营史上规模最大的生态修复行动，涉及全球近一半的小型水电站。其中最核心的修复措施就是生态流量释放，其目的是减轻小型水电站带来的生态影响。评估这些生态流量释放措施的效果至关重要，因为这关系到它们究竟能否真正实现生态系统的恢复，还是仅仅满足了监管要求。不过，人们也认识到，单纯依靠基于水文数据的生态流量管理方法往往不足以维持水生生物多样性以及生态系统的功能（Poff等人，1997；Quadroni等人，2017）。在本研究中，我们调查了中国重庆市璧溪河和武布河上16座小型水电站的生态流量释放口下游的急流区及基岩区的物理栖息地状况、水质以及底栖大型无脊椎动物群落的情况。我们比较了这些经过修复的区域与参考区域的大型无脊椎动物组成和多样性情况。此外，我们还分析了各种物理化学参数、栖息地条件、排放流量与大型无脊椎动物指标之间的关系，以此了解大型无脊椎动物群落对流量恢复的反应。同时，我们也探讨了实施和管理生态流量释放过程中面临的挑战，并提出了生态系统恢复以及实现水坝可持续运行的策略。本研究旨在回答以下问题：（1）在生态流量释放措施实施后，小型水电站下游的受影响河段中，大型无脊椎动物群落恢复了多少？（2）影响大型无脊椎动物恢复的主要因素是什么？我们推测，经过流量恢复后，受影响河段的河流生态系统只能实现部分恢复，未能达到预期的生态恢复效果。我们希望本研究能够增进人们对生态指标与流量大小之间关系的理解，为长期开展生态流量释放管理工作提供有益的参考。我们的研究结果也有助于小型水电站的可持续发展，尤其是在那些需要在水电发电与生态系统完整性之间找到平衡的发展中国家，这一问题依然十分紧迫。

研究区域：本研究在中国重庆市巴南区境内的璧溪河和武布河上进行（见图1）。这两条相邻的河流都是长江的一级支流。璧溪河的主干流长度为52.0公里，平均河床坡度为4.02‰，流域总面积为367.12平方公里。武布河的主干流长度为86.4公里，平均河床坡度更为陡峭，为6.91‰，流域面积则更大，为859平方公里。这两条河流的年平均径流量分别为……

水文变量EFAR和CWR：在急流区河床上的Surber采样点测得的平均水深在三个季节中通常都超过15厘米，R6和Rr2两个采样点除外（见表1）。相比之下，基岩区的平均水深通常低于10厘米，B2和B6两个采样点的平均水深甚至不到5厘米。急流区的平均流速通常大于0.3米/秒，R2和Rr2两个采样点除外（见表1）。其中，R5采样点的……

流量恢复的效果：在水质清澈的山区河流中，底栖大型无脊椎动物群落通常在流量恢复后会迅速恢复（Wood和Petts，1999；Maynard和Lane，2012），往往只需要几个生命周期就能恢复过来（Cowx等人，1984）。例如，Decker等人（2008）发现，在加拿大不列颠哥伦比亚省Bridge河上的一座导流坝下方，当持续有2 - 5立方米/秒的流量释放时，三个月内蜉蝣目就成为了该水域中占主导地位的漂浮底栖生物类群，而这一恢复措施正是通过重新湿润该水域来实现的……

结论：本研究表明，虽然为小型水电站设定10%的年平均径流作为最低生态流量要求是一项重要的政策举措，但它本身并不足以恢复受影响河段的生态系统完整性。一个关键的结论是，生态恢复的效果并非仅由流量大小决定，而是取决于水文条件、水质、栖息地类型以及执法力度等多种因素的相互作用。关键作者贡献说明：王强——写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、指导、资源提供、项目管理、方法设计、资金筹措、概念构思。尚金涛——写作——审稿与编辑、可视化处理、形式分析、数据整理。王凌鹤——写作——初稿撰写、可视化处理、调查分析、形式分析、数据整理。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了重庆市水利局（CQS23C010036）以及重庆市科技创新与应用发展专项计划重点项目的资助（CSTB2023TIAD-KPX0086）。特别感谢严冉和王松毅在野外工作中的协助。