河流生态修复技术在水利水电工程中的应用

张东亚，王 浩，常 毅

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100)

0 前 言

水是生命之源、生产之要、生态之基，水生态文明是生态文明的重要组成和基础保障。为了满足水力发电、供水、防洪、灌溉和航运等方面的需要，通常选择在河流的上中游地区布置和修建水利水电工程设施，开发利用水资源。水利水电工程在推动社会经济发展中起到了非常重要的作用。但长期以来，由于缺乏环保意识，过度开发、无序开发与利用，以及水资源的开发不当造成了诸多环境问题。水体污染、河道断流、水生态系统破坏、生境破碎、河道严重渠化、湿地萎缩消亡、绿洲退化等现象也在很多地方出现，直接影响着河流的健康。为了有效地利用水资源，实现河流及流域的经济、社会和生态环境的可持续发展，亟需从源头扭转水生态环境恶化趋势。对河流生态系统进行修复，恢复河流健康，促进人水和谐共处，是加快推动生态文明建设的重要实践。

河流生态修复是指利用生态系统原理，采取各种方法，修复受损伤的水体生态系统的生物群体及结构，重建健康的水生生态系统，改善河流生态系统的主要功能和过程，并使生态系统实现整体协调、自我维持、自我演替的良性循环[1-2]。

1 水利水电工程带来的环境问题

1.1 水文情势改变

引水式电站运行和水库引水将在坝下形成一定长度的减水河段。由于坝下河段流量大幅度减少，河流水深变浅、流速降低、水面下降，下游区的河流湿地将出现萎缩，一些荒漠区的河流将出现绿洲退化；由于河流减水，很大部分河床出露形成浅滩、河湾的不连续水体，阻断鱼类的正常活动；水量、营养来源的减少大大地缩小了鱼类等水生生物的生存、繁衍空间。减水河段内，藻类、浮游动物的种类组成将趋于简单，底栖动物的密度和生物量将减少。对于一些具有日调节能力的电站，由于频繁的调峰运行，导致下游水文情势变化较大。部分时段下游河道水量较小，河床裸露，对下游生态环境影响较大。

1.2 水温分层

对于库容较大的水库，库下层温度变化较原天然河水温度变化滞后。由于对库内热量的调节作用，水库在沿水深方向上呈现出有规律的水温分层，表现为冬季库区趋于等温分布，下泄水温较天然情况高；春夏季库表水温高，库底水温低，下泄水温较天然情况低。下泄低温水对坝下河段水生生物的繁殖及幼体成长造成不利影响。水温变冷，水体的溶氧量和水化学成分将发生变化，影响鱼类和饵料生物的衍生，致使鱼类区系组成发生变化。下泄低温水将使鱼类产卵季节推迟、影响鱼卵孵化甚至造成不产卵。下泄低温水还会对水稻等农作物产生“冷害”影响，造成减产甚至绝产。

1.3 水质影响

水利水电工程在运行期，其自身对河流水质不产生污染，但会因其改变了水体形态和降低河流的自净能力而导致水质变化。①水库水体富营养化。河流梯级开发，改变河流流态，降低水体流速，总磷、总氮等营养盐在水库中聚集，缓慢的水流流态，适宜的温度条件，容易导致富营养化的发生[3]。②河段减水对水质的影响。由于引调水工程导致下游河道流量减少，河流自净能力降低，对下游河道水质造成影响。③农业灌溉退水对水质造成影响。灌溉退水由于携带大量的氮、磷等有机污染物，进入受纳水体后对水质造成影响。④引调水工程在水体通过河道输送的过程中，沿线排污容易对水质造成影响；另外，有些水库工程，由于库区存在有工矿企业排放污染物，对水库水质容易造成影响。

1.4 河流片段化

河流筑坝形成水库，造成水流的不连续性，有的河流进行梯级开发，形成多座水库串连的格局。水库形成以后，原来河流上中下游蜿蜒曲折的形态从库区消失，干流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境代之以较为单一的水库生境，生物群落多样性在不同程度上受到影响。水库的淡水生态系统是一个相对封闭的系统，与河流生态系统相比较为脆弱，表现为抗逆性较弱，自我恢复能力也弱。同时，筑坝对河流造成阻隔影响，阻碍坝上下游种群的基因交流，导致种群遗传多样性降低，生存延续能力下降。

1.5 河道渠化

为了确保河道防洪以及航运安全，河流整治工程往往将一些河段裁弯取直或直线化处理。蜿蜒曲折的天然河流被改造成直线或折线型的人工河流，急流、缓流、弯道及浅滩相间的格局消失，横断面上的几何规则化，改变着深潭、浅滩交错的形势，生境的异质性降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化。特别是生物群落多样性的随之降低，甚至能引起淡水生态系统退化，导致河流廊道的植被也受到单一化影响。为了河道堤防与边坡安全，河床边坡的迎水面常常被硬质化，隔断了地表水和地下水的联系通道，使大量水陆交错带的植物失去生存条件，同时影响岸坡内的土壤大量微生物的生存[4]。

2 河流生态修复技术及应用

河流生态系统修复的主要任务是水质改善，水文情势改善(包括生态流量、流量过程的修复以及洪水脉冲作用)，河流地貌修复(沿河流纵向连续性修复、沿水流侧向的河道-河漫滩连通性与河流-湖泊连通性修复及沿垂向河床和岸坡透水性和多孔性的修复；在平面上河流形态蜿蜒性修复；横断面上河床断面几何形态多样性修复)和生物群落多样性的维持与恢复[5]，具体技术如下。

2.1 水文过程修复

为了维持水生生态系统稳定，常用水文学法、水力学法、组合法、生境模拟法、综合法等方法计算所需水量。所需最小水量，非汛期一般不应小于河道控制断面多年平均流量的10%，汛期一般不应小于20%。不同地区、不同规模、不同类型河流，同一河流不同河段的生态用水要求差异较大，在生态系统有更多、更高需要时，应加大流量。在保证下游生态流量的同时，为确保下游鱼类的产卵繁殖，还应开展生态调度。一般每年4～7月是鱼类的主要产卵繁殖时期，需要加大流量的下泄，模拟自然洪峰过程，刺激鱼类的产卵繁殖[6]。如已经批复的玛尔挡水电站、巴拉水电站、巴塘水电站，为了裂腹鱼、虎嘉鱼等均设置了具体的生态调度方案，恢复鱼类产卵期的水文过程，保证鱼类的正常繁殖。目前已建的一些水利水电项目也正在开展生态放水设施的改造和生态调度试验。三峡水库2011年至今，通过人造洪峰调度，连续7年实施针对四大家鱼自然繁殖的生态调度试验，有效促进了四大家鱼的产卵繁殖活动[7]。

2.2 水温恢复

为减轻水库下泄低温水对下游造成的不利影响，保护下游生态系统的良性循环，通常采取分层取水、合理利用水库洪水调度运行方式、宽浅式过水断面的灌溉渠道、“田间调温”等措施，其中分层取水是目前缓减低温水影响的最有效办法。分层取水建筑物主要有多层平板门、叠梁门、翻板门、浮筒等竖井式、斜涵卧管式以及多个不同高程取水口布置等形式[8]。目前，对于多年调节、年调节、不完全年调节及季调节等调节性能好的水库均采取有分层取水措施，如光照水电站、糯扎渡水电站、锦屏一级水电站等对水温进行恢复，减缓水温的影响，都取得了一定的效果。2017年，溪洛渡水库通过操作叠梁门取上中层水的方式，调节出库水温，以促进产粘沉性卵鱼类(如达氏鲟、胭脂鱼)正常产卵繁殖[9]。

2.3 水质净化

水质净化技术包括原位净化和异位净化两种。水质原位净化技术包括人工打捞等物理方法，也包括向水体中投放化学药剂或生物药剂，在水面设置生物浮床和曝气设施[10]，还包括近年来广泛被人们研究和应用的利用生物膜法净化水质的生物法、水生植物控制技术、人工湿地技术、生物操纵技术、石墨烯光催化技术等[11]。其中，水质原位净化由于其就地净化、不占用土地的特点，近年来备受关注。相关研究尤其是石墨烯催化技术处理水质近年来被越来越广泛地应用，其特点为：工艺简单、时间短、见效快、操作方便，并且降解彻底、无二次污染。异位净化主要采用管道截污、导流，将受污染河流经过人工湿地或污水处理厂处理等技术。

2.4 河流连通性修复

河流连通性修复和恢复分为部分恢复和完全恢复。部分恢复主要通过技术型鱼道、近自然旁通道、鱼坡技术等，恢复河流上下游连通性。技术型鱼道主要有槽式、竖缝式、导墙式、隔板式等；近自然旁通道通过模拟自然河流形态和结构以及天然河流急流或缓流形态而构造建立的鱼道形式，所选建筑材料与自然条件下的河流基本一致[12]。近期建的长洲水利枢纽鱼道、安谷水电站鱼道和仿自然旁通道，以及藏木鱼道，在河流连通和鱼类洄游上均起到了相应的作用。较早建的洋塘鱼道、浏河鱼道、团结河鱼道曾经在过鱼上也起到了较好的作用。完全恢复主要通过拆除挡水建筑物，恢复河流天然生境，包括水流、自然生境等，一般应用小型河流中，对已建小型水利水电工程实施拆除，并完全恢复河流天然生境。如澜沧江基独河连通性的修复，通过拆除已建的水电工程，恢复河流的天然特征[13]。河流连通性修复工程是水利水电工程建设采取的重要环保措施，2016年，生态环境部印发《关于以改善环境质量为核心加强环境影响评价管理的通知》，要求加强项目环评审批与区域环境质量联动机制，开发干流，保护支流，支流基本均采用连通或拆除修复。

2.5 河流形态修复

通过构建浅滩-深潭、丁坝、溢流堰、人工湿地岛屿等工程措施对河流形态的多样性进行修复。浅滩-深潭结构可在河流中形成不同流速和水深的水流形态，为水生生物提供不同类型栖息环境。浅滩可增加河流溶解氧含量，深潭为鱼类提供越冬、避难以及繁殖场所。构建丁坝是保护河岸和改善水生生境的重要工程措施，在丁坝间可形成缓流区以及丁坝坝头形成急流区，增加河流流态多样性，从而营造多样化的水生生境[14]。构建溢流堰可抬高枯水期上游水位，增加上游水深，在上游形成一定水面条件，营造多样化河流生境，为鱼类提供栖息生境；丰水期营造跌水效果，增加流态，为流水性鱼类产卵、繁殖创造条件，同时增加河流自然景观效果。人工湿地岛屿构建，利用河流漫滩进行人工湿地岛构建，从而增加河口空间异质性，为鸟类、鱼类提供栖息环境。为了保护云南裂腹鱼等珍稀鱼类生境，2012年通过对基独河进行河流连通性修复、河流蜿蜒形态多样性修复、河流横向断面多样性修复、浅滩-深潭结构营造、人工湿地修复和河道内部栖息地强化修复等多种工程措施，恢复其自然生态和鱼类栖息地环境[13]。在未来的河流修复过程中，根据河流的情况，有些小支流逐渐进入采取拆除修复的方式，大江大河主要采取工程措施进行恢复。

3 结 语

随着现代社会的快速发展，人类活动的过度干扰以及对河流的不合理开发使自然水体产生了一系列的生态环境问题，并且日趋严重。随着对河流生态研究工作的不断深入和治理工作的不断展开，生态修复理念正在不断地贯穿于整个工作之中，水利水电工程生态修复技术随着研究和实践工程的深入也逐渐得到了发展与完善，在河流污染防治与生态修复中发挥了积极的作用。为了更好地理解和应用生态修复技术，改善河流生态环境，必须了解各项技术的基本特点，结合特定的河流环境特征，因地制宜地选用合适的修复方法，以最经济合理的配置，构建稳定、可持续发展的河流水生态环境系统。