导读

在全球范围内，小型水电站的数量正在激增，但与大型水电站相比，其对鱼类的洄游和繁衍生存的累积威胁程度远远被低估了。近期，由佛罗里达国际大学环境研究所（原华盛顿大学水产渔业科学学院）Couto等发表在《Nature Sustainability》期刊上一项最新研究量化分析了巴西水电能源发展与生态系统功能服务（其境内数千座目前和未来计划中的大坝对河流连通性的影响）之间的利弊。研究结果发现：（1）小型水电站是河流破碎化的主要原因，其造成的平均连通性损失是大型水电站的四倍以上；（2）小型水电站造成的河流碎片化预计在未来将增加21%，2/3的洄游物种（191种洄游鱼类）所出现的流域将因小型水电站而遭受比大型水电站更严重的连通性损失；（3）帕累托前沿(Pareto frontier)分析指出：与最差解决方案相比，未来的大坝规划战略可以在满足相同发电能力前提下使水电站数量减半，同时降低河流破碎化程度，保护众多未受损流域。该研究结果强调了巴西未来小型水电开发战略在洄游鱼类保护中的必要性，即考虑小型水电站的增加数量和累积效应。

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文章信息

期刊：Nature Sustainability

第一作者兼通讯：Thiago B. A.Couto

ORCID：http://orcid.org/0000-0002-2485-4970

单位：佛罗里达国际大学环境研究所

Published：11 January 2021

Doi：10.1038/s41893-020-00665-4

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前言

水电大坝的迅速扩张威胁着世界上生物多样性丰富的热带地区的许多自由流动的河流，阻断了鱼类的洄游。因此，越来越需要在水电发展和生态系统功能之间进行谨慎的权衡，以避免生物多样性的损失，并确保长期的粮食安全和收入。大量的科学活动和国际审查仍然集中在大型水电站上，而小型水电站的环境影响在很大程度上被忽视了，很少得到公众的关注。尽管（也许是由于）这种监督，世界各地已经实施了一系列可再生能源的政治和经济激励措施，以使那些被称为小型水电站的项目受益，这些项目通常被定义为发电能力低于10MW的电厂。新的科学证据表明，小型水电站的生态影响可能比它们的社会效益高得多。快速发展的小型水电站的主要问题是它们的数量远超大型水电站。今天，在至少150个国家（大型水电站数量的11倍）有8万多座小水电站在运行，并有数万座水电站仍在规划中。尽管小型水电站的应用范围很广，但它对电网的总体贡献却很低。例如，根据巴西的规定，小型水电站被定义为发电能力低于30MW。虽然它们占全国1517座水电站的85%以上，但它们只占总发电量的7%。在水力发电标准下，小型水电站对全流域水文和栖息地连通性的累积影响可能超过大型水电站。由于小型水电站的数量之多和地理分布范围之广，它们的存在是一个重要的但未得到充分重视的威胁。水坝限制了洄游鱼类沿着河网的移动，并隔离了它们的生活史所必需的关键栖息地(例如产卵和觅食场)，导致局部物种灭绝、种群减少和渔业资源崩溃。因此，洄游鱼类是热带地区水电开发最脆弱的生物之一，考虑到它们在生态和社会经济方面的高度重要性，这令人担忧。例如，洄游物种在食物网和生态系统功能中起着关键作用，并根据市场价值和文化偏好被列入顶级内陆渔业。水电站的建设通过多重累积效应，极大地加剧了树状河网中栖息地的丧失和破碎化，威胁到洄游鱼类的持续生存和渔业的恢复能力。在试图平衡水力发电和威胁洄游鱼类的河流破碎化之间的平衡时，新大坝的选址至关重要，但许多国家的能源计划显然没有考虑到这一点。管理者和决策者有广泛的选择，以帮助指导未来水电项目可能建设的最佳位置。因此，这些分析确定了小型水电站和大型水电站的最佳组合，最大限度地提高了发电量，同时又最大限度地减少了河流连通性的损失。发展中国家对未来能源供应日益增长的水电需求和洄游鱼类的主要社会生态价值具有双重性，因此有必要对未来小型水电站和大型水电站开发之间做出权衡，以及对由此造成的河流破碎化进行调查。在本文中，将探讨巴西这个全球领先的水电开发国家的这一问题。在巴西，有2200个新的水电站在规划中。首先，比较了当前和未来的小型水电站和大型水电站对巴西河流网络连通性的累积效应。其次，量化了191种洄游鱼类在整个范围内的连通性损失，其中包括被列入国际自然保护联盟（IUCN）红色名录的鱼类和那些对商业或休闲渔业非常有价值的鱼类。第三，探讨了能源发电能力增长与河流连通性损失之间的权衡，为该国新水电建设发展的战略规划提供信息，因此，该研究采用树突连接性指数（DCI）度量河流连通性，它指鱼类可以在河道中两个随机点之间自由游动的概率。实证研究表明，DCI能够准确描述河流破碎化和扩散限制对鱼类物种空间分布的影响，并已被世界不同地区用于评估水坝破碎化的影响。该研究根据现在（2018年）和预计的未来（2050年左右）水坝分布计算了巴西所有流域的DCI，对比了小型水电站和大型水电站在时间和空间上的各自贡献。研究结果包括了对当前和未来水力发电带来的破碎化的评估，通过探索大量可能的未来情景的权衡分析，为未来的能源和环境政策提供科学依据。

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数据与方法

大坝的分布和属性。将水文数据与水电站的空间位置相结合，以确定破碎的河网，并量化整个巴西的河流连通性。使用HydroSHEDS 和 HydroBASINS全球水文测绘产品，其中包含11万条流入巴西的河流，以及在十个空间层次上划分流域的多边形。接下来，从巴西能源机构ANEEL的存储库检索了一个全面的巴西水电站数据集，包含3,795个具有相关属性的电厂，包括规模类别（即大型、中型或小型）、发电能力、启动日期和状态（即运行、在建、退役、规划阶段）。

河流连通性是流域的一种属性。河段被定义为一个制图单元，由两个相邻汇合点之间的线段表示。河流碎片是流域网络（即一组完全连通的河段）的子集，在建造屏障（水坝）后，这些河段与网络的其他部分断开。对8级流域（平均每个流域包含731平方公里河流）进行了分析。对直接流入海洋的两个或两个以上不相连网的沿海流域的河网（作为子流域）分别进行分析，以确保河网完全连通。

洄游鱼类。尽管有报道称大坝可以改变鱼类的栖息地，并限制具有广泛生活史的鱼类的扩散和基因流动，但该研究选择将重点放在洄物种上，因为它们更容易受到河流破碎化的影响，并具有重要的社会经济价值。该研究将在巴西登记的3130种淡水鱼分类为洄游鱼类和非洄游鱼类，依据是它们是否在河流中表现出一定程度的纵向洄游，以进入摄食区或完成繁殖（即沿主河道的上游和下游洄游）。不幸的是，大多数鱼类缺乏关于自然史和洄游行为的基本知识。因此，编制了南美洲纵向迁移的分类群（科属水平），最终得到了505种洄游物种的初步名单。巴西的两名鱼类学专家随后审查了这份最初的名单，最终列出了365个极有可能洄游的物种（补充表1）和24种被认为是具有高度商业和娱乐价值的物种。

由于缺乏有关鱼类通道结构性能和水电规模类别的证据，该研究假设小型水电站和大型水电站具有相同的通过性。虽然较小的水坝似乎比大型水电站更容易通过或绕过，但这是不可能的，主要有三个原因。第一，以水力发电能力为基础的规模分类并不一定反映限制鱼类运动的生态相关属性（例如，大坝高度、水库面积和水流变化）。例如，许多小型水力发电厂作为引水计划运作，对长主槽段进行脱水，并最终限制除水坝外的鱼类移动。第二，据报道，与小型水电站有关的鱼道中有很大一部分存在严重的结构和维护问题，完全丧失了它们的功能。第三，小型水电站对环境缓解的要求没有大型水电站那么严格，这意味着存在鱼类通道及其监测和定期维护的可能性也较小。为了检验小型水电站和大型水电站的通过性对结果的影响，进行了敏感性分析，结果显示没有重大变化。值得注意的是，即使将小型水电站的通过性提高到50%，将大型水电站的通过性降低到0%，小型水电站仍然占了大部分预计的未来DCI损失。

DCI分析针对单独包含小型水电站、大型水电站以及两种大坝类型在两个时间段（当前和未来）的情况。根据收集数据集中1211座（97%）大坝的运行日期，对过去一个世纪巴西河流的DCI趋势进行了研究。选择单独探索仅存在小型水电站或仅存在大型水电站的情况，因为每个水坝屏障对流域级DCI的贡献是不可加性的。因此，进行了两种单独的DCI分析，每一种都包含一种水坝类型，但忽略了另一种水坝类型（小型水电站和大型水电站）的存在。

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研究结果

1. 小型水电站和大型水电站对河流破碎化的贡献在过去的一个世纪里，水电大坝的建设导致巴西河流流域的广泛破碎化，流域的平均河流连通性（DCI）从100下降到83。单是小型水电站就平均减少了14±21个单位，是大型水电站的4倍多。与历史上小水电建设相关的河流连通性下降反映了总体趋势，表明小水电在上个世纪对河流破碎化做出了不成比例的贡献。破碎化速率一直保持相对稳定，直到最近几十年显著增加（图1）。尽管大型水电站造成的破碎化速率保持不变，但自2000年以来，由小型水电站造成的破碎化增加了7倍。

本研究评估了2268个新水电项目，这些项目目前处于不同的建设阶段，这将影响巴西未来的河流连通性，主要是由新的小型水电站建设引起的。总体而言，未来的大坝建设预计将导致河流连通性平均损失24%（从目前的平均DCI到2050年左右的预测值为83到62），单个流域的损失从0%到89%（图2a）。这一预测损失主要是由预期的小型水电站建设引起的（平均DCI下降20%）。历史上，水力发电造成的河流破碎化更多地集中在该国东南部和南部的巴拉那、乌拉圭和东大西洋流域（图3）。随着时间的推移，小型水电站对这些流域的破碎化将继续增加，并在中西部和北部地区扩大。

河流碎片化的影响日益扩大，主要是由于预计新建的小型水电站将在全国范围内更广泛地分布，其数量远远超过大型水电站（图3）。因此，424个目前没有水电站的流域将在未来拥有新的电站，这是未来全国范围内河流连通性丧失的主要原因。对目前没有水电站的流域进行更仔细的研究发现，由于未来的大坝建设，河流连通性将减少三分之一以上(35%±22%)，这一结果同样是由小型水电站造成的（图2b）。已经受到水力发电影响的流域连通性也会下降（图2c）。

2. 河流连通性丧失对洄游鱼类的影响预计计划中的小水电站也会导致河流进一步破碎化，包括面临灭绝风险的物种和具有高商业价值或休闲渔业的物种。未来的小型水电站和大型水电站对洄游物种的破碎化贡献目前相对相似(图4a)。但小水电的相对破碎效应预计会上升。近三分之二（62%）的洄游物种占据着由于小水电建设带来的破碎化的流域。

3. 水电能源发展与河流破碎化之间的权衡能源法规规定，发电能力是水电站潜在环境影响的一个指标。然而，未来单个水电项目的发电能力与其对河流连通性的预测影响之间几乎没有联系(图5)。我们模拟了430万个情景，以评估不同数量和特性的规划水电项目组合，以优化巴西的水电能源发展，同时平衡其河流连通性。虽然河流连通性和发电能力的增加是成反比的，但两者之间的这种关系存在相当大的变异性(图6a)。帕累托前沿分析确定了207个有利的和221个最无利的水坝规划方案（其余被认为是中间解决方案），其中33个和45个分别属于巴西2030-2040年期间的水电需求预测范围。

对未来水电能源发展的详细调查表明，最不利的投资组合通常涉及数百个小型水电站的过度建设，以实现相同的总发电能力（图6b）。最有利的组合平均有430个小型水电站(±174)和58个大型水电站(±21)，而最不利的投资组合平均有1138个小型水电站(±243)和118个大型水电站(±30)，其数量均超过最佳方案的两倍。

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启示与建议

近几十年来，小型水电站在巴西全国范围内的扩散已经造成了河流连通性的严重破坏，威胁着生态系统和洄游鱼类的繁衍生存。在巴西的大多数流域中，连通性的损失主要是由小型水电站造成的，超过了大型水电站的影响。尽管大型水坝在河网中通常具有空间中心性，但高密度的小水坝总体上可以超过大型水坝对河流连通性的影响。随着人口和能源需求不断增长，水资源冲突日益加剧，发展中国家生态上可持续的水电开发将需要对河流进行管理，以实现多种共同利益。

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参考文献

Couto, T.B.A., Messager, M.L. & Olden, J.D. Safeguarding migratory fish via strategic planning of future small hydropower in Brazil. Nat Sustain (2021). https://doi.org/10.1038/s41893-020-00665-4

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