第1章绪论
河流建顼是人类开发利用水资源*有效的手段之一，在防洪、发电和水资源时空配置等方面发挥了重大作用，但同时不可避免地引发了一系列河流生态环境问题。在生态文明建设和长江大保护新形势下，建顼河流生态环境问题既是国际上生态水利研究的热点，也是河流生态保护亟待破解的难题。本章节重点阐述全书撰写的背景，全面梳理有关建顼对河流水文情势、水温情势、泥沙输移及河貌、生源要素迁移转化、水生生物生境及群落结构的影响，明确存在的知识与技术缺陷，概述各章节安排及其主要内容。
1.1建坝河流生态环境效应研究背景
自公元前3000年左右在约旦贾瓦的瓦迪拉吉尔建造**座石坝以来，河流建坝已对全球的水资源和能源的供应、洪水调控、灌溉以及航运做出了巨大贡献，特别是在20世纪（Best，2019）。**次全球建坝热潮发生在第二次世界大战后，在20世纪60？70年代达到顶峰，主要集中在西欧和北美[图1-1（a）和图1-2;Lehner et al.，2011]。随着人们对河流建坝造成的社会和生态影响的日益关注，全球建坝趋势在20世纪90年代有所放缓（Moran et al.，2018）。然而，为了满足社会经济发展对能源和水资源快速增长的需求，全球出现了第二次建坝热潮，主要集中在亚洲、非洲和南美洲的发展中国家和新兴经济体[图1-1（b）和图1-3;Zarfl et al.，2015]，特别是在亚马孙河、刚果河和澜沧江等大型河流流域（Winemiller et al.，2016;Zarfl et al.，2015）。根据Zarfl等（2015）的研究，全球处于建设中或规划中的大坝约有3700座，并且这个数字还会进一步增加。同时，一些国家也在因工程安全问题拆除老化的大坝，这也在一定程度上恢复了受损的河流生态系统（Habel et al.，2020；O’Connor et al.，2015）。
目前，世界上有70%以上的河流受闸坝控制，全球292个大型河流系统中，超过半数受到水库调控的影响（Nilsson et al.，2005;Liermann et al.，2012）。据国际大坝委员会（International Commission on Large Dams，ICOLD）统计，截至2023年4月，全球注册
登记的大顼（顼高大于15m或顼高在5？15m且蓄水量超过300万m3）数量已达到61988座。从全球各个地区来看，截至2021年，欧洲、北美洲地区各国水电开发程度较高，开发潜力有限；亚非拉等第三世界发展中国家（主要是南亚和中亚地区）水电开发程度较低，开发潜力巨大；东亚（主要是中国）、大洋洲地区水电开发程度接近，但依然有一定增长空间（IHA，2022）。
建顼阻碍了河流自然流动，从而导致栖息地破碎化（Grill et al.，2015，2019）。在全球范围内，63%的大型河流（>1000km）已不再自由流动（Grill et al.，2019）。全球已建成的6374座大顼已导致全球河流栖息地破碎化程度达到48%，而全球预计将继续规划和建设超过3700座大顼，这将使全球河流栖息地破碎化程度增加到93%（Grill et al.，2015;Zarfl et al.，2015）。河流流量和水温的季节性和年际动态已被大顼运行大大削弱（Poff et al.，2007）。随着水库运行时间的增加，泥沙在水库中淤积，下游河床容易被冲刷，*终改变河流形态（Kondolf et al.，2014，2018;Schmitt et al.，2019）。此外，高顼泄洪还会导致下游河道水体总溶解气体过饱和（Ma et al.，2018b;Weitkamp and Katz，1980）。
中国河流水系众多，是世界上水能资源*丰富的国家之一。进入21世纪以后，我国水电开发迎来了高速发展的黄金期，河流建顼数量逐年增加。2003年，拥有世界上*大发电能力的三峡水电站并网运行，不仅刷新了水电站装机容量的世界纪录，也标志着我国水电开发建设水平走到了世界前列。西南澜沧江、金沙江等流域的水电项目相继开工建设；其中，金沙江干流巨型水电工程一装机容量0.64X107kW的向家顼水电站、装机容量1.386X107kW的溪洛渡水电站、装容机量1.02X107kW的乌东德水电站以及装机容量1.6X107kW的白鹤滩水电站相继开发并投产发电。据《2021年全国水利发展统计公报》的统计，截至2021年底，我国的江河湖泊已建成各类水库97036座，水库总库容9853亿m3。其中，大型水库805座，总库容7944亿m3;中型水库4174座，总库容1197亿m3;小型水库92057座，总库容712亿m3，已建水电总装机容量超3.0x108kW，水电发电量达到1.3TW+h。中国已成为世界上水库大顼数量*多、农田灌溉面积*大、水电总装机容量*大的国家（IHA，2022）。
在水资源刚性需求下，河流建顼作为水资源和水能资源高效利用的重要方式，未来很长一段时间，包括中国在内的绝大多数国家仍将河流水库大顼建设作为当前发展的重要任务，河流建顼具有广泛的发展前景。河流建顼在防洪、发电、供水、航运和水资源时空配置方面发挥重大作用的同时，改变了河流的天然水文情势，影响了河流生源要素生物地球化学循环，对河流生态系统的物种构成、栖息地分布及相应的生态功能造成影响，引发一系列河流生态环境问题。生态文明建设、长江大保护、黄河高质量发展等新发展理念对生态环境保护提出了纲领性的要求。建顼河流生态环境效应已成为河流可持续开发利用的瓶颈。
围绕建顼河流生态环境效应与保护问题，探究建顼河流水环境累积效应、水生生态系统响应特征，提出建顼河流生态环境保护多维调控技术体系，具有重要应用价值及广阔的推广前景，可为建顼河流水安全与能源安全提供理论依据与技术支撑，有利于推动生态水利学科的发展，具有重要研究意义。
1.2建坝河流生态环境效应研究进展
建坝改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，对河流的水文情势、水温节律、河道功能、物质循环等一系列环境因子产生影响，导致生源要素在河流中的生物地球化学行为发生变化，*终改变河流生态系统的物种构成、栖息地分布以及相应的生态功能（陈求稳等，2020）。
1.2.1建坝对河流水文情势和水温情势的影响
水文情势（包括流量、流速、水深等水文要素）在河流生态系统中发挥着至关重要的作用（Chen et al.，2016c），建坝会显著改变河流水文状况（Timpe and Kaplan，2017）。河流建坝后，大坝上游由自然流动的河流转变为水库的静止水体，完全改变了原有的水文情势。建坝会直接降低河流流速（Yang et al.，2017），如南美洲巴拉那河的年平均流速在建坝前为0.88m/s，在建坝后降至0.56m/s（Stevaux et al.，2009）。水库蓄丰补枯的运行模式还会改变河流流量的季节性变化[图1-4（a）]。Chong等（2021）发现澜沧江枯水期流量比建库前高出63%，而丰水期下降22%。尽管径流式水电站不会改变河流流量的季节性变化[图1-4（b）]，但它们可以通过调峰操作显著增加日流量或日流量的变异性（Almeida et al.，2020）。建坝将削减天然河流高流量脉冲过程的大小并缩短其持续时间，改变水位变化的频率（Timpe and Kaplan，2017）。葛洲坝和三峡大坝建成后，长江下游的高流量脉冲次数减少了22%，*大持续时间从16d减少到4？6（Wang et al.，2016）。河流建坝降低了河流的*大流量，提高了河流的*小流量，从而减小了水位波动带的范围（Poff et al.，2007）。建坝还减小了河漫滩的范围、洪水的周期和持续时间，减少了主河道与河漫滩之间的物质交换（Jardim et al.，2020;Moi et al.，2020）。澳大利亚巴朗河的大坝建设导致23%的活跃洪泛区面积损失，降低了洪泛区营养物质的可利用性（Thoms，2003）。为了量化建坝对河流水文情势的改变，水文变异指标（indicators of hydrologicalteration，IHA）评估方法被广泛用于评估建坝河流水文情势的变化（Richter et al.，1996，1998）。基于IHA法，变异性范围（range of variability approach，RVA）法被开发用于评估特定范围内的水文情势变化程度（Richter et al.，1997）。
水温是河流生态系统中一个重要且高度敏感的因子，具有明显的规律性，而建坝会显著影响水温情势[图1-5（a）]（Cheng et al.，2015;Jung et al.，2023）。水库的水温变化受多种因素的影响，包括水库的形状、库容和深度，上游来水温度，水力停留时间（HRT）和水库的运行方式（Lessard and Hayes，2003;Prats et al.，2010;Wotton，1995）。建坝对河流水温情势的影响较为复杂，但其影响程度主要取决于大坝高度和区域气候特征（Maheu et al.，2016b）。不同气候区的水库对建坝河流的水温情势有不同的影响（Pieters and Lawrence，2012;Yang et al.，2005）。水库水温具有季节热分层性，在热带、亚热带和温带地区，大型水库通常在春、夏、秋季形成热分层，表层温度高，底层温度低[图1-5（b）];在寒冷地区，大型水库在冻结期存在热分层现象，主要发生在冬季和早春，表层温度较低，底层温度相对较高[图1-5（b）]。水库水体的季节热分层在一定程度上改变了下游水温的自然节律[图1-5（a）]，表现为冬季水温升高，春夏季水温下降，*高水温幅度减小（Long et al.，2019;Soleimani et al.，2019）。值得一提的是，下游水温的*大变化发生在旱季（Maheu et al.，2016a）。小型水库采用表层泄水方式，且水库水温不分层，因此小型水库对河流水温的影响与大型水库不同（Maheu et al.，2016b）。小型水库春夏季释放表层水会使下游河道水温升高（Webb et al.，2008），这与大型水库夏季引起的水温变化相反（Skoglund et al.，2011）。目前已建立了多种指标来量化建坝河流的水温变化，如目标物种适宜水温范围的变化、*高和*低水温的变化（Li et al.，2021;Maheu et al.，2016a）。
图1-5建坝对河流水温情势的影响1.2.2建坝对河流关键生源要素迁移转化的影响
河流建坝将异养的自然河流转变成自养的水库型河流，入库水体流速减缓、滞留时间延长，干扰了自然河流生源物质的生物地球化学循环过程，促进了碳、氮、磷、硅的固定和沉积，进而导致生源物质形态转变和组成通量发生相当大的变化（Syvitski et al.，2005;Hughes et al.，2012;邓浩俊等，2018）。当前，水库对关键生源要素的迁移转化和物质循环过程的影响及其滞留效应等问题受到广泛关注，研究重点包括水库对碳、磷、硅的拦截滞留，典型重金属沉积与转化，碳、氮温室气体释放特征及其影响机制等方面，研究对象包括库内水体、沉积物和消落带。
氮、磷元素是生物地球化学循环的物质基础，是水生生态系统中重要的营养限制元素，它们的迁移与再生过程对控制水域水生生物结构及其水体初级生产力具有重要的作用（Xu et al.，2010）。河流建顼不同程度地减少了生源要素的输出通量，导致大顼下游水体氮：磷：硅的值改变（Seitzinger et al.，2005）。目前，关于水库对生源要素循环的影响研究主要集中于对水库滞留通量和效率的估算。相关研究结果表明，全球水库对溶解性硅酸盐的年均滞留通量约为163Gmol/a（9.8TgSiO^1Tg=1x1012g），而总
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