梯级电站规划环境评价中生态指标体系的建立和量化[J].doc

梯级电站规划环境评价中生态指标体系的建立和量化
牛天祥， 万帆， 李家勇
（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安市丈八东路18号，710065）

摘要
本文构建了流域梯级电站规划环境评价的生态指标体系，以“3S”技术为支持手段结合调查、统计建立了生态指标的获取和量化方法。该方法可以为评价水电工程对流域生态系统的影响提供定量的分析依据。
关键词：梯级电站规划；环境评价；生态指标体系；“3S”技术
1 引言
水利水电等大型工程的建设对我国经济的迅速发展、社会进步和人民生活水平的提高起到重要作用，两者之间相互促进，协同发展。而这些工程的建设规模大，牵涉到陆地、河流、居民、等多个方面，影响范围大，其对于自然生态环境的作用也更加明显，具有强烈的潜在影响[1]。尤其是流域水电梯级开发，对流域生态环境的现状改变更为深远和显著。因此，对流域水电梯级开发对区域生态的影响及其评价具有重要的理论意义与实践意义。《中华人民共和国环境影响评价法》规定：有关部门对其组织编制的区域、流域的建设、开发利用规划，应当在规划编制过程中组织进行环境影响评价，编写该规划有关环境影响的篇章或者说明，对规划实施后可能造成的环境影响作出分析、预测和评估[2]。
流域水电开发规划环评工作以促进环境保护与经济社会可持续发展为目标，从社会经济发展需求、区域环境承载力等方面分析水电开发规划的必要性和可行性；分析不同开发方案可能产生的环境问题，从环境角度推荐河段最优开发方案；充分考虑规划方案可能涉及的环境问题，对规划河段推荐开发方案可能产生的不利环境影响提出预防、减量化和修复补救措施，使水电开发对环境的不利影响控制在最小程度。在规划环评工作中，生态环境方面的问题更是一个重要的内容。《环境影响评价技术导则 水利水电工程》中要求水电规划环评应包括陆生生物、水生生物、生态完整性与敏感生态环境问题等生态环境指标的评价。
目前，全国陆续开展了多个流域水电开发规划的环境影响评价，但在规划环评工作中均未针对生态环境方面的评价建立比较统一的生态评价指标体系。为了能更好地进行流域水电开发规划生态环境影响评价工作，方便从生态环境角度分析并推荐最优开发方案，本文试图在借鉴国内有关规划环评指标体系研究及我院相关研究的基础上，探索建立一个梯级电站规划环境评价的生态指标体系，并进行指标量化方法的讨论。
2梯级电站规划环评生态指标体系的建立
生态指标体系（Ecological Indicator System，EIS）是监测、评估和管理生态系统的一种有效方法和工具，它由一系列有一定层次结构的指标构成，用来代表生态系统复杂的成分、结构和功能及其之间的联系，体现生态系统的层次性和完整性。构建完整的指标体系结构，是利用生态指标体系进行评价的关键问题[3]。
在“3S”技术日益广泛地被应用到生态环境领域的情况下，区域尺度上兼备评价、预测与预警功能的生态研究是将来有望取得重大进展的领域。由梯级水电规划环评推动的生态评价，可在“3S”技术，即卫星定位（GPS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）的技术和数据支持下，来构建合适的指标体系。
2.1 指标体系建立的原则
由于河段开发规划涉及多座水电站，范围广、影响因子复杂，生态环境评价需要一个多类型、多层次的指标体系。指标体系必须全面、准确，突出水电开发影响的特点，并易于量化[4]。建立指标体系应该遵循以下原则：（1）系统性原则。所选指标必须形成一个完整体系，全面地反映出生态环境的本质特征。（2）科学性原则。评价指标明确反映学科和专业的科学内涵，能反映评价的系统特征。（3）完整性原则。评价指标体系应将工程系统和生态系统作为一个整体，全面地反映水电开发规划与生态环境的相互联系、相互影响的状况及发展趋势。（4）指标差异性。选择的指标应尽可能地反映不同功能的差异，以确保选取的指标反映流域生态系统不同的过程特征及其功能。（5）可操作性。所选指标的原始数据具有易获取性，即通过调查、统计、遥感等手段可迅速获得，并且易于定量计算，且现实意义明确[5]。
2.2 指标体系建立的过程
生态指标是综合反映生态环境某一方面情况的物理量，是评价的基本尺度和衡量标准，指标体系是生态环境综合评价的基础。建立评价指标体系一般要经过指标初步选取、专家咨询评议和最终确定阶段[6]。步骤如下：
2.2.1确定目标
生态环境评价应综合多种因素，确定评价的总目标。
2.2.2确定主体生态系统
在某一个区域内，能代表区域生态环境主体特征的生态系统称为主体生态系统，有一种或几种。主体生态系统的现状和变化趋势可反映出整个区域生态环境的现状和变化。我们研究区域生态环境质量，主体生态系统的分析是重要的一步。流域水电规划的主体生态系统一般主要由陆地生态系统、水生生态系统组成。
2.2.3确定评价因子
根据己确定的主体生态系统，确定生态环境评价的因子，并根据各因子间的相互关系、影响力、信息量与可靠性等来确定主导因子。
2.2.4确定指标体系
根据评价因子的指标性质，构建确定指标体系。指标体系通常为树状结构，可反映出评价因子之间的等级关系。
通过系统分析，初步拟出评价指标体系后，应进一步征询有关专家意见，对指标体系进行筛选，修改和完善，以最终确定指标体系。
2.3生态指标体系的建立
水电开发会进行河道阻断、山体开挖、施工作业等一系列活动，对区域生态环境多个方面都会造成影响。因此在水电工程建设的生态环境评价指标体系构建中应综合考虑各个方面的因素。在建立指标体系时，应重点考虑通过对这些指标的评价是否能如实反映区域生态环境现状和流域水电梯级开发对生态环境产生的累积影响。
本文构建的生态指标体系包括目标层、系统层、子系统层和指标层。该体系的目标层为水电开发对区域生态环境的影响，以综合表征生态系统的程度和水平；系统层为开展评价的区域生态系统的主要因素，如陆生生态、水生生态、自然保护区、水土流失等反映目标层的指标构成；子系统层为各环境要素中主要开展的环境影响因子；指标层是由可直接度量的指标构成，反映系统层各部分要素的单项指标。通过对这些要素的评价，基本能如实地反映流域水电开发规划对生态环境产生的影响度。在确定指标层具体指标时，应遵循指标体系构建的原则，选择的指标要具有差异性，以确保选取的指标反映流域生态系统不同的过程特征及其功能。指标要容易获取，数据来源要可靠，并且易于定量计算。最终本文选择了30个指标层指标，作为开展水电规划环境影响评价的生态指标（表1）。
表1 流域电站规划环境评价生态指标体系
目标层
系统层 A
子系统层 B
指标层 I
生态环境影响
生态完整性 A1
景观生态格局 B11
景观和植被类型 I01

自然系统生产力 B12
评价区生物量I02

评价区自然生产力 I03

评价区生产量I04

自然系统稳定性 B13
景观缀块优势度I05

景观多样性指数I06

景观格局稳定性I07

生态环境状况指数I08
陆生生态 A2
陆生植物 B21
植物区系I09

植物种类I10

珍稀植物种类和分布I11

陆生动物 B22
动物种类I12

珍稀动物种类和分布I13
水生生态 A3
水生生物区系 B31
区系组成I14

浮游生物 B32
浮游植物I15

浮游动物I16

底栖生物 B33
底栖生物I17

水生植物 B34
高等水生植物I18

鱼类 B35
鱼类生境I19

鱼类种类I20

鱼类“三场”分布I21

渔业状况I22

珍稀及特有鱼类I23

对鱼类的累积影响I24
自然保护区 A4
国家、省级保护区 B41
保护区类型I25

保护对象I26

功能分区与工程距离I27

受影响面积I28

水土流失 A5
水土流失类型B51
土壤侵蚀类型及面积 I29

水土流失程度B52
土壤侵蚀模数I30
本文提出的关于流域水电开发规划生态评价指标体系的建立方法，可为规划环评提供参考。在开展具体的某一个流域的规划环评时，应根据流域的实际情况及水电规划的特点，对上述指标进行适当调整。
3“3S”技术与生态指标的获取和量化
“3S”技术是RS(遥感)、GIS(地理信息系统)和GPS(全球卫星定位系统)三位一体的现代信息技术的简称。 GIS、GPS、RS三者之问相互依赖相互补充，只有把三者作为一个统一的整体来研究和应用，才能充分发挥各自的作用。目前遥感信息已成为生态环境研究的主要信息源，为大范围、动态、周期性的区域生态环境监测评价提供了数据、技术支持和成果精度保证[7-8]。在梯级水电规划生态环境评价和生态指标体系构建的过程中，采用3S技术和地面监测、统计、社会调查相结合的手段，才能获取较为全面的生态环境评价所需要的各项数据。
3.1生态完整性
3.1.1景观和植被类型及面积
采用3S技术进行地面植被类型的调查取样和遥感影像解译，完成数字化植被类型图和土地覆盖图，提取各类型面积进行定量分析。
3.1.2 评价区生物量（万t）
参照植被生物量估计模型，根据调查资料，得出评价区不同植被类型单位生物量指标，并计算得到评价区域各植被类型生物量和总生物量。
3.1.3 自然生产力[g/(m2·a)]
采用H.lieth生物生产力经验公式计算评价区的现状生产力。

式中: Y1——根据年均温度t估算的热量生产力[g/(m2·a)]
Y2——根据年降水量p估算的水分生产力[g/(m2·a)]
3.1.4 生物生产量（万t/a）
可根据评价区相关部门资源调查成果，不同植被类型年生长量统计资料，结合植被类型面积，计算出评价区域内不同植被类型年实际生产量和总生产量。
3.1.5 生态系统景观组成
景观结构中的“缀块”类型，采用遥感影像得到的植被类型和土地覆盖类型制图中的单元，从中得到各景观类别的缀块数和面积。采用植被生态学中确定植被重要值的方法来确定缀块在景观中的优势度。景观优势度计算的数学表达式如下：
密度Rd = （缀块i的数目 / 缀块总数）×100%
频率Rf = （缀块i出现的样方数 / 总样方数）×100%
景观比例Lp = （缀块i的面积 / 样地总面积）×100%
优势度Do ={[(Rd+Rf)/2+Lp] / 2}×100%
3.1.6 景观多样性指数
采用景观多样性指数(Landscape Diversity Index)来衡量评价区景观体系的复杂程度。
(1) Shannon 多样性指数(Shannon Landscape Diversity Index)

公式中Pi：第i种景观类型的面积占总面积的比例。
(2) Simpson 多样性指数(Simpson Landscape Diversity Index)

公式中Pi：第i种景观类型的面积占总面积的比例
3.1.7 生态环境状况指数（EI）
采用GIS技术将评价区划分为若干个评价小单元，选择生物丰度指数、植被覆盖指数和土地退化指数作为生态环境状况评价的指标。通过遥感手段提取评价区域各土地利用类型面积和土地侵蚀面积进行定量分析。
（1）生物丰度指数
对各土地利用类型进行生物丰度指数分权重，如表2。
表2 生物丰度指数分权重

林地
草地
水域湿地
耕地
建筑用地
未利用地
权重
W1
W2
W3
W4
W5
W6
结构类型
有林地
灌木林地
疏林地
高覆盖度草地
中覆盖度草地
低覆盖度草地
河流
湖泊
滩涂湿地
水田
旱地
城镇建筑用地
农村居民点
沙地
盐碱地
裸土地
分权重
W11
W12
W13
W21
W22
W23
W31
W32
W33
W41
W42
W51
W52
W61
W62
W63
生物丰度指数 = Abio×（W1×林地面积+W2×草地面积+W3×水域面积+W4×耕地面积+W5×建筑用地面积+W6×未利用地面积）/ 区域面积
Abio：生物丰度指数的归一化系数。
（2）植被覆盖指数
对各土地利用类型进行植被覆盖指数分权重，如表3。
表3 植被覆盖指数分权重

林地
草地
耕地
建筑用地
未利用地
权重
W1
W2
W3
W4
W5
结构类型
有林地
灌木林地
疏林地
高覆盖度草地
中覆盖度草地
低覆盖度草地
水田
旱地
城镇建筑用地
农村居民点
沙地
盐碱地
裸土地
分权重
W11
W12
W13
W21
W22
W23
W31
W32
W41
W42
W51
W52
W53
植被覆盖指数 = Aveg×（W1×林地面积+W2×草地面积+W3×耕地面积+W4×建筑用地面积+W5×未利用地面积）/ 区域面积
Aveg：植被覆盖指数的归一化系数。
（3）土地退化指数
对各土地退化类型进行分权重，如表4。

表4 土地退化指数分权重
土地退化类型
轻度侵蚀
中度侵蚀
中度侵蚀
权重
W1
W2
W3
土地退化指数 = Aero×（W1×轻度侵蚀面积+W2×中度侵蚀面积+W3×重度侵蚀面积）/ 区域面积
Aero：土地退化指数的归一化系数。
（4）生态环境状况指数（EI）
对各项评价指标进行权重赋值，如表5。

表5 各项评价指标权重
指标
生物丰度指数
植被覆盖度指数
土地退化指数
权重
U1
U2
U3
EI = U1×生物丰度指数+ U2×植被覆盖指数+ U3×土地退化指数
3.2 陆生生态
通过收集和整理评价区及邻近地区的现有资料，在综合分析现有资料的基础上，确定实地考察区域和路线。结合GPS定位取样，得到野生动植物的区系组成、种类和分布，以及珍稀动植物的分布、数量和生存状况，并在此基础上进行生态环境影响评价。
3.3 水生生态
水电工程建设生态评价须对工程区域主要干流和支流进行详细的实地考察采样，考察内容包括水生生境现状、水生生物调查和渔业现状、珍稀特有鱼类及鱼类资源调查等。对各类水生生物进行标本采集，统计各采样点的种类数、种类密度和多样性指数；通过实际采集和结合现有资料，对流域鱼类种类、区系组成、生活史特点进行统计，对珍稀特有鱼类现状和工程影响预测进行评价；对鱼类“三场”分布进行调查和定位。
3.4 自然保护区
通过对现有资料的收集整理和实地调查，确定规划流域所涉及到的自然保护区名称、级别、主要保护对象。调查保护区的概况、面积、生态系统构成和区内珍稀保护动植物，分析保护区内的功能分区。结合地理信息系统GIS，对自然保护区与水电规划的关系进行分析，确定自然保护区与水电工程的距离、是否会受到工程影响以及受影响面积。
3.5 水土流失
各梯级电站工程建设过程中可能造成的新增水土流失由两部分组成：一是因工程建设扰动原地貌造成水土保持功能降低甚至丧失，导致土壤侵蚀加剧而增加的水土流失量；二是因工程弃渣、弃土堆放不当而增加的水土流失。工程建设造成的新增水土流失量可采用数学模型与类比法相结合进行预测估算。根据工程相关技术资料，利用工程布置和施工设计图纸，结合现场调查，统计工程可能扰动的原地貌面积；计算工程开挖与回填量，进行工程弃渣量预测。
（1）加速侵蚀量估算（万t）
根据扰动地表加速侵蚀的定义，按照水保监方案涵[2002]118号推荐的扰动地表侵蚀量计算公式：

式中：W加——扰动地表侵蚀总量（万t）；
M i ——原生地貌侵蚀模数（t / km2·a）；
A i ——加速侵蚀系数；
F i ——加速侵蚀面积（km2）；
T i ——加速侵蚀期；
n ——扰动原生地貌方式数量。
（2）弃渣流失量估算
弃渣流失量可采用类比法估算，计算公式为：

式中：Ws——可能产生的弃渣流失量（万m3）；
α ——流失系数（%）；
Vs——弃渣量（万m3）。
4 流域水电规划环评工程实例
以我院进行的某河段水电规划环境影响评价为例，通过运用上述生态指标体系的建立和量化方法，不同开发方案的生态环境影响评价指标比较如下：
表6 不同开发方案生态指标对比
生态指标

一级高坝开发
二级高坝开发
多级开发
景观类型变化
耕地
- 37.5%
-32.1%
-8.3%

林地
- 61.8%
-61.8%
0

果园地
-68.9%
-68.9%
-10%

草地
- 11.8%
-6.8%
-0.8%

农村居民地
- 44.1%
-44.1%
-6.9%

水面
+389.4%
+270%
51.5%
水生生态变化
河道形态
向湖泊转变
向湖泊转变
形态变化不大

水生生物组成
向湖泊型特征演化
向湖泊型特征演化
保持明显的河流生物特征

生境变化对鱼类影响
土著类和喜流水类鱼类减少
土著类和喜流水类鱼类减少
一定程度保留鱼类生活史

下泄低温水对鱼类影响
对产卵孵化影响很大
对产卵孵化影响很大
相对较小
水土流失预测
弃渣水土流失量
179.14万t
264.65万t
415.4万t

侵蚀水土流失量
8.69万t
13.64万t
24.5万t
环境敏感区
国家地质公园
几乎全部淹没
几乎全部淹没
可以保存

自然保护区
不构成影响
不构成影响
不构成影响
由上表可以看出，在三种不同开发方案中，多级开发方案在景观类型变化、水生生态变化、环境敏感区各项生态指标中均优于一级、二级开方案；只在可能造成的水土流失量这一项劣于一级、二级开方案，但只要通过严格的防护措施，水土流失量的影响可以大大降低。三种开发方案的多年平均发电量分别为76.2
亿kW.h、77.5亿kW.h和68.6亿kW.h，在发电指标上多级开发方案低于一、二级方案10.5%-13.6%，但在淹没、生态环境影响方面远低于一、二级方案。因此，从生态环境的角度，多级开发方案为推荐的最优方案。
5 结论与展望
流域水电梯级开发建设对区域生态环境现状会造成影响，对景观格局、生态系统多样性和动植物分布都会造成改变。本文分析了对流域水电梯级开发的区域生态影响评价的重要性，以及流域梯级水电开发规划环评的目标，说明了构建完整的生态指标体系在评价中的必要性，确立了工程影响评价的指标选取原则和指标构建的一般过程，构建流域梯级电站规划环境评价的生态指标体系。同时，引入“3S”技术的概念和优势，针对水电工程引起的景观格局和多样性变化以及陆生、水生动植物种类和分布变化等指标，在定位和遥感数据支持下，对生态指标建立了获取和量化的方法，来构建完整的指标体系。这些方法可以为我们评价水电工程对流域生态系统的影响提供定量的分析依据。

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作者简介：牛天祥，男，生于1960年3月，理学学士学位，教授级高级工程师，主要从事水电工程环境影响评价和环保设计工作。
电子邮箱：NTX2008@
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