大型梯级水库运行带来的累积生态水文影响及生态风险

《Journal of Hydrology》：Accumulated ecohydrological impacts and ecological risk of mega-cascade reservoir operations

研究揭示长江六级水电站 cascade 系统下游水文与生态累积效应：通过分析四 reservoir 联合运行阶段（如 Baihetan、Xiluodu 等）的流量数据，发现 cascade 扩张显著加剧水文改变，提升多尺度流动复杂性，累积生态效应指数较 Xiangjiaba–Xiluodu 阶段增强2.3倍，动态风险评估显示极端生态风险在四 reservoir 阶段集中出现。

　　

作者名单：余美秀|宋汉林|张建云|金俊良|孟青舍|陈娟|何家仪|刘小龙|任玉峰|徐子轩|闵志祥

中国河海大学水资源与水文学学院，南京 210098

摘要

大型梯级水力发电系统对全球水能安全至关重要，但它们通过复杂的累积效应深刻地改变了河流生态系统，而这些效应仍难以全面量化，尤其是在大流域范围内。长江拥有世界上最大的清洁能源走廊——由金沙江下游的四个大型水库以及三峡-葛洲坝工程组成的六座大坝组成的梯级水力系统，为研究提供了独特的自然实验室。本研究系统地分析了梯级开发不同运行阶段下游水文变化的演变、累积及其生态影响。研究结果表明：（1）梯级建设的扩展显著加剧了水文变化，增加了流量的复杂性和不确定性；（2）提出的累积生态水文效应指数有效捕捉了梯级效应的非线性传播，表明从向家坝-西卢沟配置转变为四个水库联合运行后，累积调节效应增加了2.3倍；（3）开发的生态风险分类框架能够动态评估受水库影响的河段的风险水平，揭示了生态风险在空间和时间上的显著累积。在向家坝-西卢沟阶段，中等风险情况最为频繁（平均7次），而在金沙江下游的四个水库阶段，极端高风险情况最为集中（平均3.5次）。

引言

梯级水库系统是全球水资源安全和可再生能源战略的核心，提供了水电、供水和防洪等关键服务（Hunt等人，2020年；Schmitt和Rosa，2024年）。然而，这些好处往往伴随着对自然河流生态系统的深刻破坏（Rashid等人，2022年）。 近几十年来，大量研究记录了水库梯级对下游的多方面影响，包括流量模式的变化（Yan等人，2021年；Yang等人，2024年）、泥沙输运（Li等人，2023a；Li等人，2023b）以及热动态变化（Guo等人，2022年；Yu等人，2026年）。同时，也有研究关注水动力和水质的变化，以及对水生群落（dos Santos等人，2018年；Loures和Pompeu，2019年；Ganassin等人，2021年；Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）和相邻陆地生态系统（Wang等人，2024年）的显著生态影响。方法论上，研究从利用长期监测记录和已建立的水文指标（如IHA，即水文变化指标，Zhou等人，2020年）的实证比较评估，发展到更复杂的方法。这些方法包括能够模拟复杂水文和水力响应的先进流域模型（例如SWAT、HEC-RAS，Jie等人，2024年；Zhao等人，2024a；Zhao等人，2024b），以及用于评估生物响应的统计生态模型（Loures和Pompeu，2019年；Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）。然而，尽管这些方法显著推进了我们的理解，但在应对大规模梯级系统的复杂性时，每种方法都面临独特的挑战。例如，基于指数的比较评估往往简化了梯级内部的复杂非线性相互作用，可能低估了累积效应。另一方面，虽然高度参数化的流域模型功能强大，但需要大量的数据和校准工作，对于缺乏全面历史数据的广阔互联水库系统来说，应用起来存在重大障碍。此外，许多现有的生态风险评估框架可能无法完全捕捉大规模水库梯级特有的多尺度和累积效应。研究的地理和主题范围也有所扩展，从小型梯级系统扩展到不同气候区的的大型梯级系统（Ouyang等人，2011年；Li等人，2023a；Li等人，2023b）。 尽管在方法论和实证研究方面取得了显著进展，但在理解大型水库的复杂累积效应方面仍存在重大知识空白——这些水库的规模可与世界上最大的三峡大坝（TGD）相媲美。由于这类大型、逐步开发的大型梯级系统的稀缺性以及获取反映整个系统运行的长期综合数据集的艰巨挑战，对其进行全面研究非常罕见。虽然先前的研究已经阐明了较小子区域内的累积生态水文效应（例如TGD-葛洲坝系统（Li等人，2011年；Zhang等人，2020年；Li等人，2022年）或金沙江早期的西卢沟-向家坝组合（Qin等人，2024年；Zhang等人，2023年；Wang等人，2025年），但这些研究通常未能分析整个六座大坝梯级的综合影响。这种有限的关注导致关于影响在广阔空间和时间尺度上的传播和累积的关键问题尚未得到解答，凸显了我们在累积生态水文过程理论理解上的重大局限。随着2021年6月白鹤滩水电站的投入运行，长江提供了一个独特且无与伦比的机会来填补这一空白。这一发展完成了长江主干上的六座大坝梯级建设，使其成为世界上功能最大的清洁能源走廊和水库梯级系统，其总蓄水量（403亿立方米）现已超过三峡大坝单独的蓄水量（393亿立方米）。这一前所未有的配置提出了关键问题：世界上最大的梯级系统的运行如何改变下游河流的水文状况？这些影响在空间和时间尺度上累积到何种程度？它们带来了哪些生态风险？解决这些问题不仅对于推进累积生态水文过程的理论理解至关重要，而且对于指导全球大型河流系统的可持续管理也至关重要。 在这里，我们利用涵盖不同运行阶段的全面和最新的水文记录，系统地评估了长江大型梯级的累积生态水文影响。具体而言，我们的目标是：（1）量化下游水文制度的渐进变化；（2）描述河流流量复杂性的多尺度演变；（3）通过生态亏缺分析和生态风险评估来评估相关的生态后果。本研究的结果可以为大型梯级系统引起的深刻变化提供关键见解，并建立可转移的工具，以支持全球的可持续河流管理和生态保护。

案例研究地点

我们的研究重点关注长江主干及其主要上游支流金沙江。该系统拥有世界上最大的运行中的水力发电梯级，被广泛认为是“清洁能源走廊”（图1）。该梯级由六个依次排列的大坝组成：金沙江下游新建的四个大型水库——吴东德、白鹤滩、西卢沟和向家坝，位于世界著名的三峡大坝（TGD）上游。

数据收集

本研究使用了金沙江和长江主干沿线关键水文站的连续每日流量记录（见图1，表1），数据主要由长江水利委员会提供。研究区域的上界选为位于主要梯级水库上游的桑都子站。下游站点包括吴东德、白鹤滩、向家坝、寸滩（监测流入三峡水库的流量）。

水文制度变化

通过一系列指标评估了不同水库运行阶段的水文变化，包括月流量大小、年极端流量大小和持续时间、年极端事件的发生时间、高流量和低流量条件的频率和持续时间、流量变化的速率和频率，以及整体流量制度的改变（图2）。

• （1）总体改变程度

结论

大型梯级水库系统的运行深刻改变了下游河流的水文制度。随着水库梯级规模的扩大，各种水文指标的变化加剧，导致总体改变程度显著增加。从空间上看，这些效应向下游传播；从时间上看，主要改变了流量的瞬态和短期特征。

未引用参考文献

Alrajoula等人，2016年；Chen等人，2024年；Grill等人，2019年；Habets等人，2018年；Long等人，2019年；农业农村部；Richter等人，2003年；Sofi等人，2020年；Spinti等人，2023年；Tebakari等人，2012年；长江流域渔业管理局；Yu等人，2025年。

CRediT作者贡献声明

余美秀：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，概念化。 宋汉林：可视化，验证。 张建云：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。 金俊良：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。 孟青舍：资源支持。 陈娟： 何家仪：数据整理。 刘小龙：可视化，方法论，正式分析，概念化。 任玉峰：资源支持。 徐子轩：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3203902）、国家自然科学基金（项目编号：52479008、42401050、52121006、52425902）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20242052）以及南京工程学院项目（项目编号：NJPI-RC-2024-10）的支持。