水利工程下游减水河段生态修复效果研究

韩仕清

（新疆博衍水利水电环境科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

水利工程的运行改变了天然河流的连通性，使河流的生态系统结构稳定性遭受影响，过去更多考虑发电效益，而对生态环境的考虑不足，导致生态环境问题日益严峻[1]。随着社会经济的发展，在追求经济效益的同时，人类开始关注河流的生态问题，努力追求人与自然的和谐统一。为最大限度避免河流生态系统被破坏，将生态修复纳入水利工程开发利用的工作中。生态修复措施包含工程和非工程措施，目前研究较多的是非工程措施中的生态流量，将非工程措施与工程措施相结合的研究较少，这样只依靠现有计算方法得到的单一生态流量难以充分保护减水河段的生态系统，因此将生态流量与工程修复措施相结合用于缓解河段减水造成的不利影响很有必要[2]。鉴于此，以新疆和田地区某混合式开发水利枢纽工程为基础，以塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼为目标物种，开展生态流量与工程修复措施相结合保护减水河段生态系统的研究。

1 研究河段概况及修复措施

1.1 河段概况

新疆和田地区某混合式开发水利枢纽，坝址断面处多年平均流量为 66 m3/s，在坝下形成约 27 km长的减水河段，该河段的塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼为自治区Ⅱ类野生水生保护动物，其中塔里木裂腹鱼被收录在《中国濒危动物红皮书》（鱼类）[3]中，除此之外无其他特殊物种。因此本研究选定的目标物种为塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼，二者的生物学特征如表1 所示。

表1 研究河段目标鱼类生物学特征

1.2 修复措施

1.2.1 非工程措施

下泄一定生态流量对减水河段进行补水是河流生态修复的一个重要非工程措施，目前生态流量的计算方法可分为水力学、水文学、生态水力学、整体分析及生境模拟等 5 类方法。其中水文学和水力学法本身缺乏生物学基础，未考虑水量的年内分配，季节性河流不适用；整体分析法计算过程繁琐，需要公众及多领域专家参与，应用较难[4]。生态水力学法将河流流量研究与生物资料相结合，通过水生生物适应的水力生境确定合适流量，该方法假设水深、流速、湿周等水力学参数，急流、缓流、浅滩及深潭等水力形态变化对物种数量和分布有重要影响，通过水生生境描述、河道水力模拟及生态流量的决策 3 个过程综合确定河道内生态需水量，计算过程中考虑了全河段水力生境参数变化，说服力较强[5–6]。生境模拟法[7]中最为常用的是河道内流量增量法，核心是栖息地的模拟，以栖息地为参考变量，用水力学模型模拟目标物种栖息地河流底质、流速和水深等水力学参数的适宜度，目前受基础资料缺乏的影响，该方法使用相对较少。综上所述，最终选定生态水力学法对研究河段的生态流量进行计算。

1.2.2 工程措施

研究河段两岸污染源少，植被、人口稀少，生态修复的目的以改善河段水生生境状况为主。通过采取一定的工程措施，改变生态流量条件下河段的水力参数，达到修复水生生物生境的目的，同时为了改善河道景观，对河滩及裸露河床进行植被培育。该研究河段河谷深切呈 V 型，坡降较大，水深和流速容易满足鱼类的需求。减水后水生生物的制约因素主要是湿周，湿周直接影响水生生物的生存。此外受人为破坏严重，河段缺乏浅滩生境，鱼类索饵与栖息受影响。因此，工程措施主要从改善湿周和浅滩生境两方面考虑，进行以下 2 个方面的修复：

1） 横断面修复。河段减水后，绝大部分时段将保持在低流量状态。该研究河床断面大多呈 V 型，湿周较小，河流底质覆盖率低，水生生物从岸边获得的饵料及营养物质相对较少，对鱼类生存不利。通过在河流断面上进行局部挖填形成复式断面，在保证水深的前提下，构建浅滩生境。复式断面尺寸考虑挖填平衡及鱼类生存繁殖对水深的要求，并根据纵向拦水堰等因素综合确定。目标河段典型横断面修复方案如图1 所示，将研究河段划分为 32 个断面进行横断面修复。

图1 典型横断面修复示意图

2） 纵向修复。研究河段纵向坡度大，水流速度快，在沿河方向每隔一定距离设置挡水堰，可以将局部水位雍高形成供鱼类越冬的深潭，又可在堰下局部形成急流生境。挡水堰中部设置梯形过水口，采用裸露河床中的大块卵石修建。堰上过流流速及水深由鱼类生存及繁衍需求确定，挡水堰形式如图2所示。

图2 挡水堰形式图

2 生态水力学法确定生态流量

2.1 河道水力生境描述

根据研究河段鱼类繁殖要求、食性、体长、“三场”分布等生态学习性及天然状况鱼类生境水力学条件，确定鱼类生境适宜的参数低限值，具体如表2 所示，具体确定方法参见文献 [8] 和 [9]。表2中，枯水期为 10 月—翌年 3 月，丰水期为 4—9 月；要求水力参数达到最低标准的河段累计长度占总研究河段长度的百分比 ＞ 95%。

2.2 生态流量推求结果

水利枢纽坝址断面处多年平均流量为 66 m3/s，以工程坝址～厂房河段 32 个实测断面资料为基础，选取 2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，30，40 和 66 m3/s 共 13 个下泄流量进行一维水力计算，模拟这些下泄流量工况下减水河段的水力参数改变情况。各下泄流量工况的水流流态统计结果如表3所示，水力参数达标情况如图3 所示。

表2 水力生境参数低限值

由图3 可以看出，丰水期时坝址断面下泄流量为 18 m3/s，枯水期时下泄流量为 8 m3/s（当某一流量条件下所有水力参数值都等于或超过红线值时，对应的流量便是需要下泄的流量），所有断面均能满足水力生境参数的要求。由表3 可以看出，所有下泄流量工况条件下，缓、急流均存在，但是当下泄流量 ＞ 4 m3/s 时，浅滩生境便会消失。综上所述，在不考虑浅滩生境缺乏情况下，经生态水力学法计算分析，丰水期时工程坝址断面应下泄生态流量 18 m3/s，占多年平均流量的 27.3%；枯水期时下泄流量 8 m3/s，占多年平均流量的 12.1%。

表3 研究河段不同下泄流量工况下水流形态统计结果

图3 研究河段不同水期水力学参数达标统计图

3 生态修复效果

3.1 非工程措施修复效果

根据研究河段自身特征并结合河流天然来流情况，采用生态水力学法对非工程措施所需的生态流量进行计算，在忽略浅滩生境缺乏情况下，丰水期时工程坝址断面应下泄生态流量 18 m3/s，枯水期时下泄流量 8 m3/s。根据现有研究[10]及现场调查，目标鱼类适宜的流速范围为 0.3～1.0 m/s，水深大多＜ 1.0 m，多数为 0.4～0.6 m，采用加拿大 Alberta 大学开发的二维水力模型 River 2D，得到研究河段加权可使用栖息地面积（Awu）示意图如图4 所示。坝址断面下泄流量为 18 m3/s，加权可使用栖息地面积为 134837 m2；坝址断面下泄流量为 8 m3/s，加权可使用栖息地面积为 58725 m2。

3.2 非工程与工程措施相结合修复效果

敏感河段，水生生物不仅需要足够的水量，而且还需要特定的水动力学条件，如深潭、浅滩等[11]。研究河段在满足水量要求时缺乏浅滩生境，因此需采取一定的工程措施营造出浅滩生境。在下泄生态流量（非工程措施）基础上叠加考虑横、纵断面的工程修复措施，采用二维水力模型，根据研究河段加权可使用栖息地面积（Awu）变化分析修复效果。

图4 非工程措施修复效果示意图

将仅有非工程措施视作工况 1，非工程措施与工程措施结合视作工况 2，不同工况的Awu计算结果如表4 所示，工况 2 的修复效果如图5 所示。

表4 不同工况Awu计算结果

图5 非工程措施与工程措施相结合修复效果示意图

对比图4 和 5，工况 1 与 2 差异明显，进行横、纵断面工程修复后，研究河段中下游的可使用栖息地面积明显增加，可以看出，将非工程措施与工程措施相结合，生态环境得到了更好的改善。

4 结语

河道减水后，改变了天然河流的连通性，使河流的生态系统结构稳定性受到影响，加之研究河段受人为挖深破坏严重，缺乏浅滩生境，因此采取一定的生态修复措施非常必要。以新疆某水利枢纽工程坝下减水河段为例，讨论了在下泄生态流量的基础上，再将河道横断面局部挖填构建浅滩断面与纵向设置档水堰结合，对不同修复措施的Awu进行对比分析，得到以下结论：

1）减水河段生态修复效果是基于塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼的水力生境参数，以修复减水河段生态系统结构为目的，采用生态水力学法分析非工程措施修复河道生境所需的生态流量，得到丰水期时工程坝址断面应下泄生态流量 18 m3/s，占多年平均流量的 27.3 %；枯水期时坝址断面需下泄流量 8 m3/s，占多年平均流量的 12.1 %。

2）单一的非工程措施难以最大限度地避免河流生态系统被破坏，因此将非工程措施与工程措施相结合，利用研究河段的加权可使用栖息地面积将修复效果量化，通过不同修复工况的Awu变化评估生态修复效果。结果显示，枯、丰水期在下泄生态流量基础上，增加纵向工程修复可使Awu分别增加 32362和 51244 m2，增加率分别为 55.11% 和 38.00%。将非工程措施与工程措施相结合，河段生境状况能够得到更大的改善，有助于恢复河流生态系统多样性，能够为其他流域水利工程的鱼类保护提供思路和方法上的参考。

限于研究时间和条件，本研究生态修复的措施有限，在今后的研究中将研究更多非工程与工程措施，寻求最优效果搭配。此外，本研究仅基于塔里木裂腹鱼和斑重唇鱼，在今后的研究中将逐步加入其他物种。

参考文献：

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[11] 王沛芳，王超，侯俊，等. 梯级水电开发中生态保护分析与生态水头理念及确定原则[J]. 水利水电科技进展，2016，36 (5): 1-7.