2025年3月16日，地理科学学部人地系统耦合研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Ecological restoration in the Yellow River Basin enhances hydropower potential”的论文，揭示了黄河流域生态恢复对小浪底水库水力发电潜力的积极影响。
水电一直是全球主要的可再生能源来源，是实现可持续发展目标7“经济适用的清洁能源”的关键。截至2023年，全球水力发电装机容量已达到1268 GW，占全球总装机容量的14%和全球可再生能源装机容量的33%。与风能和太阳能发电的间歇性和不稳定性相比，水力发电可以通过水库调节水量来平衡电力输出，从而减少电网波动，是对这两类可再生能源的有力补充。尽管水力发电技术成熟，但其长期运行面临水库淤积等突出挑战。水库淤积会减少水库库容，削弱水库的使用寿命。如果没有足够的调节库容，水力发电量将取决于季节性流量，发电的稳定性和灵活性受到影响，从而丧失相较于其他可再生能源的主要优势。
流域土地利用变化会影响产流和产沙过程，从源头上影响水库淤积和水力发电。然而，土地利用变化通过水沙变化对水力发电产生的影响截然相反：森林增加可以减少河流泥沙和水库淤积，延长水库的使用寿命和发电总时间；但随之而来的蒸散发增加导致的径流减少会降低水库的平均发电量。综合考虑这两条截然相反的路径对水力发电影响的定量研究仍很有限，流域土地利用变化对水力发电的净效应尚无定论。
针对这一研究局限，研究团队选择黄河流域为案例，研究流域大规模生态恢复对小浪底水库水电潜力的影响。黄河一度是世界上泥沙含量最大的河流，随着一系列治理措施与生态建设工程的开展，特别是1999年实施退耕还林还草工程后，黄河流域生态环境发生了巨大变化。截至2020年，流域累计造林12.64万km2，种草2.34万km2，修建梯田6.08万km2，建成淤地坝5.81万座。小浪底水库是黄河干流上三门峡以下唯一具有较大库容的控制性工程，控制着黄河流域92.3%的面积、约90%的水量和近100%的沙量，于2001年底主体工程全面完工，总装机容量1800 MW，设计总库容126.5亿m3，其中拦沙库容75.5亿m3。尽管当前研究分析了生态恢复对黄河水沙的影响，但生态恢复带来的输沙和径流同步下降如何影响黄河的水力发电潜力仍未被探索。
研究设计了有/无生态恢复两个情景，使用清华大学杨大文教授团队发展的含水土保持工程参数化的基于地形地貌的生态水文模型GBEHM-SWC（Geomorphology-Based Eco-Hydrological Model with Soil and Water Conservation parameterization）定量模拟两个情景下黄河流域2000-2019年水沙情况。研究发现，在不考虑上游水库运行和社会经济用水的情况下，有生态恢复情景下进入小浪底水库的多年平均天然径流量为401.35亿m3，比无生态恢复情景降低了7.9%，而多年平均输沙量为4.61亿t，比无生态恢复情景降低了38.9%（图1）。
图1 有生态恢复和无生态恢复情景下小浪底水库天然径流量和输沙量
研究基于随机森林模型和实测数据构建了小浪底水库的运行规则，进而模拟了不同情景下小浪底水库的发电和淤积过程，并以水库拦沙库容淤满为截止时间计算和比较两个情景下的累计发电量。根据累计淤积量与累计发电量的关系（图2），研究发现，有生态恢复情景下，在拦沙库容耗尽影响水力发电的灵活性和效率之前，小浪底水库能够产生总计约2700亿kWh的电能。这比无生态恢复情景提升了57.3%，相当于额外产生了约1000亿kWh的电能。
图2 有生态恢复和无生态恢复情景下小浪底水库累计淤积量和累计发电量
研究认为，黄河流域的水沙异源是上述现象产生的主要原因。黄河约60%的径流来自于兰州以上的流域，而约90%的泥沙来自于中游的黄土高原。大规模生态恢复主要集中在黄河中游，使得进入小浪底的水沙呈现不成比例的下降。尽管有生态恢复情景下径流减少导致多年平均发电量下降了6.9%，但输沙减少带来的水库淤满时间大幅推迟抵消了这一负向影响，极大提升了水电潜力。研究进一步比较了模拟结果与小浪底水库实际淤积情况，发现实际淤积量小于模拟结果，表明研究中没有考虑的水库联合调度等因素在小浪底水库淤积减少中也发挥着重要的作用。按照原设计，到2020年，小浪底水库75.5亿m3的设计拦沙库容就将全部淤满。由于科学精细的水沙调度和流域生态恢复带来的来沙量减少，截至2019年小浪底水库泥沙淤积量仅为32.97亿m3，大大延长了小浪底水库的使用寿命。
研究通过揭示黄河流域生态恢复对小浪底水库水电潜力的积极影响，阐明了“生态恢复-水沙变化-水力发电”的关联机制，为水-粮食-能源-生态系统关联研究和流域综合管理提供了新的视角和思路。气候变化和人类活动导致的土壤侵蚀和河流输沙量增加，可能比预期更快地带来水库淤积问题，进而威胁水力发电的可持续性。黄河流域的案例证明了流域生态系统服务付费项目的可行性，水电公司可以使用增加的水电收益补偿上游土地所有者，鼓励其采取减少土壤侵蚀的土地利用措施以减缓水库淤积、提高发电能力。黄河流域的水库群联合调度也为尼罗河、湄公河等其他存在梯级水库的流域提供了示范。
地理科学学部武旭同研究员为论文第一作者，王帅教授为通讯作者。论文合作者包括中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士，清华大学杨大文教授和博士生严子涵、杨海燕，北京师范大学刘焱序副研究员、宋爽博士和博士生张皓宇，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心郭英副研究员和博士生申一林。研究得到了国家自然科学基金项目（42041007、42430505、42201306）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57891-7