2.3 水利工程对河流生态环境的影响
水能作为一种可再生能源，伴随着社会经济的高速发展和人类对水资源开发利用需求的不断增大，大江河流上筑建的大坝和水库越来越多，满足了人类对于供水、发电、灌溉、防洪等方面的需求，但在造福人类的同时也影响了河流的天然生态系统和环境，如使河流连续性发生变化、河流环境受到影响或水生物环境遭到破坏等，这些改变必将对流域及河流生态系统造成深刻且长远的影响。然而由于世界能源的趋紧，为满足社会的发展水库大坝的修建又是不可避免的。因此，只有充分地认识和理解水利枢纽工程对所控河流水文情势和环境的影响，才能正确地对待和治理河流生态问题，维持河流生态系统的健康生命，实现人水和谐，这同时也成为了国内外学者研究的焦点和重点。
随着大坝带来的经济效益的不断体现，大坝对生态影响的问题也变得越来越突出。大坝工程的修建造成水库淤积，影响了周围的生态环境，对水文过程带来变化，减少了河流、流域片段的链接，改变了水体的水文条件，所控河流的天然状态也发生了较大变化，上游库岸浸蚀，下游河道形态改变，水质下降，阻隔洄游通道，同时还打破了河流生态环境的初始性和稳定性。这些缓慢而长期的影响，会破坏水生栖息地，最终使浮游动植物、水生植物、底栖无脊椎动物、两栖动物和鱼类都发生不同种类的变化，导致种群数量减少，基因遗传多样性丧失，种群结构简化，生物多样性降低，还可能会改变物种的组成和丰度，许多敏感水生生物种群甚至面临灭绝的边缘。
2.3.1 水利工程对河流生态系统中非生物环境的影响
水利工程对河流生态系统中非生物环境的影响主要表现在两个层面：第一个层面是反映在河流生态系统的河道径流、泥沙特性、水质等非生物环境要素，具体表现在河道下泄流量、河道水深、含沙量、水温、溶解氧含量、有机物质含量、pH值、营养物质含量等的改变；第二个层面是反映在水利工程长时间运行后对上游库区淤积、库岸浸蚀和河道形态的影响。两个层面的共同作用影响了河流生态系统的天然性和整体性特征。
2.3.1.1 水利工程对第一层面的非生物环境影响
（1）对河道径流的影响。天然河流的径流变化是季节性的，毫无规律，而大坝蓄水后人工调节作用的产生，彻底颠覆了河流的原始径流模式，转变成为有目的的调蓄径流模式。实现了防洪、发电、灌溉、调水的综合功能。
1）防洪。汛期，大坝可拦截洪水，进而消减了洪峰、发洪频率降低，截滞洪水于水库内，有利于减轻下游大坝的防洪负担，大大减少了洪泛造成的人员伤亡和财产损失，避免了河道干涸，降解了有毒有害物质，通过合理的调节水量，同时解决了枯水期的旱灾问题，实现了人们多年期望的掌控淡水资源、与洪水和谐共存的优良局面，进而改善了人们的生活质量和居住环境，有助于和谐社会发展目标的顺利完成。
2）发电。发电型功能水库调蓄水量是根据下游的需电量为指导依据，与天然降水无关，因此下泄流量的变化是因发电量而异的，河道水位和流速自然也是随之呈波动状态变化。
3）灌溉。大坝拦截的大量水体可供往各个种植区的作物灌溉，充足的灌溉用水有助于规划用地，促进劳作积极性，提高粮食产量，从而缓解灾害地区的灾情。民以食为天，充足的灌溉用水才能保障人民安居乐业，保障社会的可持续性和谐发展。
4）调水。我国的淡水资源分布不均，使得地区水资源供求矛盾不断加深。大坝的建设缓解了这一问题，通过各个大坝的联合调水措施解决了我国水资源时空分布失衡的难题，充分实现水资源的优化配置，促进河流生态系统服务功能的全面发展。
（2）对河流泥沙特性的影响。天然的河流中夹带着大量的泥沙从发源地流向入海口，泥沙在中途流速小的区域沉积下来填补河床避免冲刷，并在河岸沉积形成冲积平原和在入海口淤积形成三角洲保护内陆，而冲积平原和三角洲是人类的重要发展资源，许多产量丰硕的农耕区和高品质油气田都散布在三角洲区域。水利工程的建成蓄水后，拦截了大量泥沙在库区堆沉淀积，下泄的水量中携带的泥沙含量大大减少，而且颗粒一般较细；下泄的“清水”容易对下游河床造成冲刷，河道形态发生变化；下游河道年含沙量降低，使得水生生物的栖息地环境遭到破坏；河流输沙的功能减弱，使得河岸无法形成冲积平原、河湖交汇处或入海口无法形成三角洲等宝贵资源。
（3）对水温及水质的影响。大坝拦截了径流流量，蓄积在水库中，流水变为了止水，随着库区水深增加，水温、有机物质分层现象显著，水温与水深呈负相关趋势发展。库区表面的水温升高和水的长时间滞留，以及大坝拦截的有机物质和营养物质富集可诱发浮游植物大量繁殖，导致大坝水库富营养化。库区水域的大量水生植物进行光合作用消耗了大量的氧气，使得水体溶解氧含量降低，同时光合作用产生的大量CO2和大量的有机物质富集，致使水体呈酸性，pH值降低。同时由于大坝的拦截作用，泥沙的运输、污染物质的转移和降解受到了限制，水体浑浊度增加，污染程度高。水温分层、水体富营养化、pH值降低和污染物质残余的综合作用导致库区水质变差，改变了库区水生动植物的生活环境，影响生态系统平衡。
2.3.1.2 水利工程对第二层面的非生物环境影响
水利工程的第二个层面影响可谓是间接性的，生态系统经过被大坝长时间的作用后产生的一系列影响。
（1）对上游库区淤积和库岸的浸蚀。水利工程蓄水投入运行，开挖了大体积的库区对上游流量进行拦蓄，导致库前水深和库后水深落差增加，容易造成上游库区淤积和库岸浸蚀的不良现象。大坝最主要的不良影响就是拦截作用，长期运行后，大量的泥沙、有机物、污染物等淤积在大坝上游，改变了河流的天然生态系统状态，使得水温和有机物分层、溶解氧含量降低、pH值降低、水库富营养化、污染物难以降解分离，水质变差的同时引起多种生态环境问题，更威胁到生物种群的生存和繁衍、生物多样性的扩展和群落结构的丰富性。水库蓄水后，开挖的库岸初期会由于流入水流的冲蚀作用对岸边进行浸蚀，破坏原始的生态环境和土地形态引起土壤流失并降低岸边植物防止库岸冲刷的功能，后期会由于库区大量的泥沙堆积作用形成新的库岸边线，且该边线会在水流冲蚀和泥沙堆积的共同影响下发生迁移。大坝的拦截改变了区域生态环境，库区水生动植物和库岸动植物的生活习惯都将引起巨大改变，对各类生物的生存和发展构成一定的威胁。
（2）对下游河道形态的影响。在河流上加筑大坝，抬高了大坝上游水位，下泄的“清水”势能增加，剧烈冲刷了靠近大坝的下游河道和河岸，造成越靠近大坝，河道深度越深的趋势，从而降低了下游水位，容易引起下游干涸，河道和岸区的横向物质能量交换减少，洪泛区、湿地、沼泽的面积也将有所下降。伴随着径流对下游河道泥沙和其他沉积物的冲刷，使泥沙和其他沉积物堆积在离大坝更远的下游河道，抬升了河床。由于下游水量的减少和输沙量的降低，丧失了冲积平原和三角洲等这类利于人类发展的地球资源，同时入海口的三角洲又是保护入海口淡水域和防止河岸侵蚀的最佳屏障。
区于大坝的功能和规模，大坝对下游河道形态的影响也有所不同。对于水电站来说，依据水库蓄调水能力分为径流式和调节式，径流式电站根据季节性径流变化发电来多少排多少，调节式电站是根据需电量调节下泄水量多蓄少补，但整体来说水电站的下泄水量是变化频繁的，变化频率的改变引起下游河道形态发生变化，下泄流量的突然增大或减少会造成河岸冲刷和浸蚀程度的强弱改变，不利于河内生境和河岸生境的维护，影响生物群落的栖息。对于供水大坝来说，下泄的水量是根据丰水期和枯水期调节的，丰水期大坝蓄水，枯水期向下游泄水，从而改变了下游河道的天然径流规律，使径流量始终保持在河流生态流量范围内，下游河流流速下降，对水生生物的产卵和繁殖造成威胁，生物多样性降低、生态完整性遭破坏。
2.3.2 水利工程对河流生态系统中初级生物的影响
水利工程对河流非生物环境的河道径流、泥沙特性、水质的一系列影响和上游库区淤积、库岸浸蚀和河道形态的变化，直接引起了植物群落生长环境的巨大改变，严重威胁到植物群落的多样性特征。
2.3.2.1 对浮游生物和附生藻类的影响
（1）浮游生物。浮游生物一般喜于静水或流速较慢的水环境生长。
1）坝前库区。大坝建造之前的天然河道往往地势较高，河道较窄，流速较快，不适宜该生物的生长，因此浮游生物种群结构较单一，种群数量较少。筑坝之后，拦截径流蓄于水库内，坝前水面流速降低近似于静水水域，导致浮游生物的大量繁殖；而水库淹没的树木、草、岩石、动物等大量的有机物分解，为浮游生物带来了大量的有机物和营养物质，为其生存和繁衍提供了丰硕的养分补给，为其规模的扩大提供了条件；有机物质分解生成的大量氮和磷，进一步对浮游生物的繁殖产生刺激，从而导致其数量呈指数型增长。
2）下游河道。大坝修筑后，下游河道的天然生境发生变化，伴随下泄流量的改变，河道内的流速、水温、含沙量、水质、有机物质等也发生着变化，不同的水文、营养物质、季节、水库运行条件都将从根本上影响着浮游生物的繁衍和结构。下游河道内的水深不及库区，流速相对库区来讲较快，营养元素也没有库区多，整体来说下游河道内的浮游生物生境条件没有库区好，但其数量发展仍为增加趋势，且整条河道内的浮游生物种类会较多，结构更为复杂。
大坝的拦截作用改变了河流的天然生境，促进了坝前库区和下游河道的浮游生物增长，且其调蓄作用下泄的种群促进了下游浮游生物的多样性发展，最终引起被人为干扰（建坝）的河流内浮游生物种群结构和数量都将高于天然河流。
（2）附生藻类。附生藻类即附生于河床和河流内淹没物质上的藻类，包括水下石块、腐木和其他大型植物表面。筑坝后的河流，水质变清，阳光照射程度高，相对水温升高，流速减缓，有机物质含量增加等一系列变化为附生藻类的生长提供了条件，再加上平时水库岸边滑落库区的生物，和枯水期下游普遍水深的增加使淹没的生物增多，导致附生藻类的规模不断扩大。附生藻类肆无忌惮的生长会诱发河流内溶解氧含量的降低，水质变差，并散发出恶臭味，破坏生态环境；河床上的附生藻类繁殖，会阻碍河床的砾石运动，不利于水生动物的栖息和产卵，降低生物多样性。
2.3.2.2 对大型水生植物的影响
大型水生植物包括除小型藻类以外的所有水生植物种群，主要包括水生维管植物。水生维管植物一般个头较大，顺着河心到岸边的顺序可分为4种植物类型，分别为沉水植物（如黑藻）、浮叶植物（如浮萍）、挺水植物（如芦苇）和湿生植物（如香蒲）。
大坝的拦截作用在一定程度上促进了大型水生植物的生长，这是由于库区内水质变好、浑浊度降低，促进了光合作用强度，水体营养物质和有机物含量增加，为其提供了更多的养料，加剧了大型水生植物的繁殖发育；另外由于减少了汛期流量对下游河道的冲刷，枯水期河道水深的保持也确保了河床的稳定性，从而减少了冲刷对大型水生植物水面下部分的影响，提高了其根的抓地性；再加上库区的类湖泊水环境和下游的河流水环境不同，下泄流量中夹带的有生长于库区内的大型水生植物物种，漂流到适宜它们生存的地带或冲积平原和三角洲区域，从而扩充了大坝下游大型水生植物的生物多样性。
大型水生植物的繁殖量过多也为生态系统带来了压力，也影响了人类的健康生活。大型水生植物的数量之多，造成散布区域面积大，促进蚊子肆虐生长，容易堵塞供水口阻碍灌溉和人类生活用水。大型水生植物的数量之多，亦消耗了大量的氧气，引起水体含氧量含量降低，影响其他水生动植物的生长。与此同时，大型水生植物的数量之多，破坏了底栖无脊椎动物、两栖动物、鱼类和岸边动物的活动场所，比如鱼类的洄游、鸟类的觅食、鳄鱼的栖息等，甚至导致物种生活习性的被迫丧失。
2.3.3 水利工程对鱼类的影响
水利工程的建成运行后，对鱼类的影响在时间的推移下缓慢而长期的被体现出来。鱼类从出生到繁殖，一系列的生物周期所需的生态环境的相对稳定，是保证鱼类生物种群生存和鱼类资源稳定的前提条件[76]。大坝阻隔了鱼类的洄游和迁徙习性，使得鱼类生境破碎化，破坏鱼类的产卵和繁殖，引起种群的基因遗传多样性丧失，长期作用下会对原始物种的生存构成威胁，种群结构改变，进而导致生物多样性降低。
秦卫华[77]等分析了小南海工程的修建对长江上游珍稀鱼类的栖息地影响，其研究结果表明，栖息地保护区部分江段的结构和功能受到了严重的破坏，珍稀鱼类如胭脂鱼、圆口铜鱼、长薄鳅等适宜的生存环境遭到破坏，直接引起适宜栖息地的萎缩。朱江译[78]等对淡水生物多样性危机进行了分析研究，总结了20世纪至21世纪期间，约1/5的世界淡水鱼类种群资源遭到威胁，甚至灭亡，造成这种现象的主要原因正是大坝的建设。
2.3.3.1 直接影响
水利工程的建造对河流的直接影响就是分割作用，是天然河道被分割为大坝上游、大坝库区和大坝下游，同时也分割了生态环境使其分散化，一条河流中出现了不同的水环境和生物群落分布和组成。对鱼类的直接影响表现在以下3个方面：
（1）洄游鱼类的阻隔。该方面的影响是最严重的。大坝的建筑破坏了河流的连续性，使极小长度的河段内产生了极大的水头差，阻碍了鱼类在河段内的迁移和产卵路径，对洄游性鱼类的洄游习性造成了影响，使其不能到达产卵场，有些甚至撞坝而亡，最终导致其产卵活动终止，严重威胁洄游鱼类的产卵繁殖，被迫改变已经习惯了的产卵区域和生存空间，甚至威胁到物种的存亡。
（2）物种基因交流的隔断。大坝破坏河流连续性的同时，原来连续分布的种群，被隔断为彼此独立的小种群，阻碍了水生种群之间的物种基因交流，造成物种单一性，改变物种结构，导致种群个体或不同个体内的基因遗传多样性的终极毁灭。
（3）对鱼类的伤害。鱼类游经溢洪道、水轮机组等大坝构造时，容易受到高压高速水流的冲击，造成休克、受伤，严重者甚至死亡。高水头大坝泄洪和溢流时，大量空气被卷入水中，造成氧气和氮气含量长时间处于超饱和状态，容易使鱼类诱发气泡病导致死亡，大大降低幼鱼和鱼卵的存活率，严重影响鱼类的生存和繁殖，造成鱼类资源的直线型下降。
2.3.3.2 间接影响
水利工程建成后，水库开始蓄水，大量的来水积蓄在库内，破坏了上游河段、库区和下游河段的天然水文情势，从而间接地影响了鱼类的生活环境，引起鱼类种群结构、生物多样性的改变。
（1）水位的改变。大坝的建成，使得所控河流分为3个河段：上游自然河段，水库库区和水库下游河段。上游自然河段在上游没有水利工程影响的情况下，仍保持天然水流情势；水库对上游来水进行拦截，水位在库区逐渐上升，水库静水区面积增大，待汛期到来之际，水库届时将进行调蓄和泄洪，水位将发生频繁变化，且变化幅度也会增大；水库下游河段则由于库区不断的调洪作用，河流自然水位变动较为稳定，水位的变化幅度降低，年内年际变化水平趋小。水库下游河段自然水位变化趋于稳定，促使河流生境产生变化，那些对水流变化敏感的鱼类的栖息地将遭到破坏。例如美国的科罗拉多河大坝的投入运行，引起下游河道日水位有2～3m的变动，导致土著鱼类种群数量的下降，并且当地鱼类在适应新的河流条件下，鲱鱼得到了繁殖和发展，使生物群种结构发生改变[79]。
经水库蓄水和泄洪，水库下游河道的水位将发生剧烈变化，这些变化使得水流对河岸的冲刷和侵蚀越来越严重，使得鱼群已适应的休憩场所受到淹没或裸露，促使鱼类的生存环境恶化，轻者影响鱼类产卵、繁殖和生长发育，繁殖日期推迟，重者将导致鱼类性腺退化，鱼群数量急剧减少，最终走向灭绝。
（2）水温的改变。水温作为鱼类栖息地环境的一个影响因子，直接影响鱼类的生长、发育、繁殖、疾病、死亡、分布、产量、免疫、新陈代谢等，鱼类的生长一般与温度成正相关[80]。筑坝蓄水后，随着库区水深增加，水温分层现象显著，库区水深越深温度越低，库区表层的水温由于太阳辐射则相对较高，特别是库岸的区域水深较浅水温分布较为均匀更适宜鱼类的繁殖和生长，加之库内静水面积增大，促使静水性鱼类的种群数量扩展较快。同时水温升高，水的长时间滞留，以及与大坝运行相关的营养物富集可诱发浮游植物大量繁殖，导致大坝水库富营养化。通常大坝下泄的水量位于水库底部，相对温度较低，对于水库下游的一些对水温变化比较敏感的鱼群来说，泄水过程将破坏其产卵信号，导致产卵时间推迟，影响产卵数量和质量，促使生长周期紊乱。例如美国的Kannifeike River，修建大坝之后，引起大坝下游的水温比原规定水温低1%～1.5%时，匙吻鲟的幼鱼就无法生存了[81]。
（3）流速的改变。水库蓄水后流速降低，对漂流性鱼卵的影响最为严重。漂流性鱼卵产出后本应吸水膨胀漂在水面，但没有适当的漂流距离，就会沉入水底，以致死亡，降低了鱼类的产卵数量。比如“四大家鱼”，亲鱼产卵后，受精卵需要约2d才能孵化，若漂流到下游库区的静止水面，没有流速推动其继续漂流，最终将沉入水底，受精卵承受过大水压致其破裂，最终导致死亡。因此，流速条件的变化严重影响了对产漂流性卵鱼类的繁殖和生长。另外，流速的降低会使某些鱼类失去方向感进而被猎食，例如幼鲑鱼[79]。
（4）流量的改变。大坝建成之后，经过水库的运行调度，季节性的洪峰流量将被削减，枯水流量变大，流量的年际变化幅度显著降低，流量的恒定流状态所处的时间逐渐变长。对于通过流量的改变作为产卵刺激因素的鱼类来说，产卵活动将受到干扰和抑制，日期将延后，有些鱼类没有受到流量的刺激，反而没有产卵活动。经水库调节，下游河道中的流量也会随之发生变动，产粘性卵的鱼类，往往会把卵排在产卵场底部粘附在砾石或泥沙中，而河道中突然增大的下泄流量，导致产卵场底部的新生卵伴随砾石和泥沙一起被冲下下游，大大降低了卵的孵化率。因此，流量的变化对产粘性卵鱼类的繁殖和生长产生巨大影响。加拿大的Dam Bell River由于下泄流量由31～133m3/s到28～263m3/s之间变动，导致鳟鱼和鲑鱼的数量减少。
（5）泥沙含量的改变。库区蓄水后，对上游来流进行拦截，使上游的泥沙沉积在库区中。由于水库下泄的是“清水”而不是原来夹带泥沙的水流，对下游河床大肆冲刷使河道内泥沙含量显著降低，泥沙组成变细。而绝大多说鱼类是在河床和河岸带进行生产和繁殖的，泥沙的来源中断了，使得在河床和河岸带生活的鱼类的生存环境受到影响，久而久之甚至威胁到其生存。
（6）水质的改变。大坝建成蓄水后，大量的上游来水被拦截在库区中，包括随水流漂来的枯树烂木、动物尸体或者其他被废弃在河流的污染物，都会被留置在库区，最终成为腐殖质，腐殖质含有大量的碳、氮、磷，污染水体，同时为藻类生长提供能源。有研究表明[79]，水质与水温也有一定关系，在气温骤降时，多在秋冬和冬春交替之际，此时N的总含量和悬浮物都迅速增多，造成库区水体浑浊，颜色发黑，透明度降低，水体的自净能力下降，水质显著下降，容易引起其他动植物的死亡。
（7）pH的改变。由于叶绿素含量的多少是鉴定水体中藻类植物含量的一个重要化学指标[52]，所以度量pH的高低，研究人员往往通过叶绿素的含量来计算碳酸盐含量的多少，而进而分析水体的pH高低。建坝蓄水后，由于太阳辐射，流速降低，水体中碳含量增多，导致藻类植物的呼吸和光合作用增强，引起藻类植物的疯狂增长，消耗大量的CO2和H+，pH值逐渐升高，最终引起pH值超标。
（8）河床底质的改变。水库建成运行后，下泄的水流冲刷下游河床，河床原有的天然底质被改变，卵石、砾石、泥沙等颗粒组成被大量冲走，泥沙含量显著降低，颗粒变细。河床的冲刷引起河床的纵向变形，含沙量的不同所引起的冲刷类型也有所不同：含沙量较小的河流，水库下泄流量时，激起泥沙的紊动冲下下游，经过河岸阻挡和水流逐渐趋于平稳，紊动的泥沙渐渐静止，造成该河道一部分被冲刺，另一部分发生淤积：含沙量较大的河流，由于水库的拦蓄作用把大量泥沙拦在库区，下泄的大量“清水”，将对下游含沙量丰富的河床进行长距离冲刷，引起河床重塑，从而引起动植物群落和生境的变化。
（9）溶解氧的改变。库区大量蓄水后，水面较平静，流速降低，导致库区里的藻类等厌氧植物和细菌疯长，特别是在气温下降时，库区水体表层与底层产生对流，水体发生翻动，底泥中动植物的腐体和腐殖质上浮，大量的溶解氧被消耗，引起水体中含氧量迅速降低，库区的底栖无脊椎动物、鱼类和其他植物将会因缺少氧气和阳光大量死亡。
（10）营养物质的改变。由库区水温、流速、溶解氧的综合影响，库区的藻类植物大量繁殖，光合作用增强，再加上有时水体的翻动现象，造成水体的碳、氮、磷含量呈总体逐渐增多趋势。氮、磷含量的增加，有助于浮游植物的发展，养育了其他底栖无脊椎动物和小型浮游动物，底栖无脊椎动物和小型浮游动物的生长和发展又为大型浮游动物和鱼类提供丰富的食物来源，该食物链过程，帮助氮和磷含量的降低，有助于水质的提高。因此，注重调整各生物之间的比例是维持水体营养物质平衡的关键举措。