水利工程建设对流域水生生态的影响调查与研究——以黑河黄藏寺水利枢纽工程为例

靳会姣，韩艳利，李 勇，孙晓娟

(黄河水资源保护科学研究院，郑州 450004)

前 言

河流水利水电开发会对水生态产生不同程度的影响[1]，尤其是流域水电梯级开发产生的影响更为显著，对流域水生生态及其相关联的陆生生态完整性、稳定性和生态系统结构、功能、生物多样性等均会产生累积、复杂的不利影响[2]。黑河流域是我国西北干旱地区重要的内陆河流域之一，全长928km，流域面积11.6万km2，横跨3种不同的自然环境单元[3]。黑河流域水资源匮乏，近年来随着流域内工农业快速发展，人口增加，污染物排放增加，导致流域中下游地区水资源供需矛盾尖锐、水环境污染问题、经济社会发展和生态保护用水问题日趋严峻[4]。黄藏寺水利枢纽工程为《黑河流域综合规划》(2012～2030年)确定的核心工程，2014年已经列入国务院重点推进的172项重大水利工程，主要通过水库调度运行，优化水资源配置，促进流域生态环境改善，但工程施工、水库淹没、大坝阻隔和水文情势变化，也会对局部生态环境产生不利影响。

黑河黄藏寺水利枢纽工程环境专项试验水生生态环境监测及观测研究工作自2016年3月黄藏寺开工建设以来已开展并持续5年，已掌握丰富的调查成果资料。文章拟通过分析近几年来的水生生物和鱼类资源监测成果及变化情况，及时了解掌握黄藏寺水利枢纽工程建设对黑河不同河段水生生态系统的影响，提出有效减缓措施，为后续持续开展水生生态调查与监测以及工程建成运行后实施的生态调度等提供理论和技术支撑。

1 研究区域及工程概况

1.1 流域概况

黑河是我国西北地区第二大内陆河，发源于青藏高原北部的祁连山区，流经青海、甘肃和内蒙古三省(区)，以及我国重要的国防科研基地，南起祁连山分水岭，北止居延海。根据黑河流域的自然环境特征，以莺落峡、正义峡为界，将黑河干流分为上、中、下游三个河段。黄藏寺水利枢纽工程地处青海省海北藏族自治州祁连县境内，位于黑河上游东(八宝河)西(黑河干流)两岔交汇处以下11km的黑河干流上，上距青海省祁连县城约19km，下距莺落峡80km。

1.2 流域水电开发及水生生境概况

黄藏寺坝址上游23km黑河支流八宝河河段，已建成天桥山水电站(径流式)，开发任务为发电；黄藏寺坝址上游15km黑河干流河段，2004年建成地盘子水电站(引水式)，开发任务为发电，无任何径流调节能力；黄藏寺至莺落峡峡谷河段梯级水电开发密度大，已建成宝瓶河(径流式)、三道湾(径流式)、二龙山(引水式)、大孤山(引水式)、小孤山(引水式)、龙首二级(径流式)、龙首一级(径流式)等7座梯级电站，开发任务均为发电。已建电站首尾相连，且均为径流式或引水式发电，不具备流域水资源调蓄能力，均未配套建设过鱼设施，均未配套建设生态流量设施。据现场调查，发现枯水期已建成的引水式电站坝下存在严重减脱水河段，大面积河床裸露，河床周边植被覆盖度低，水体面积严重缩减，水生生物的生存空间进一步减小。

黑河水电梯级开发对鱼类资源影响显著，主要表现为生境阻隔和鱼类栖息环境的破坏或消失[5]，这对于需要在大范围内迁徙来完成生活史的鱼类，往往是毁灭性的；对于需要在局部水域内能完成生活史的种类则可能影响不同水域群体之间的遗传交流，从而导致种群整体遗传多样性丧失[6]。黑河上游梯级水电站建设已产生了鱼类阻隔环境影响问题，高原保护性冷水鱼类生境的压缩和破碎化问题突出，黄藏寺水利枢纽工程实施的生态调度对坝下河段鱼类产卵环境可起到改善作用，但会加剧对上游及施工影响区域祁连裸鲤等保护物种栖息地的胁迫作用和不利环境影响。

1.3 工程施工进展概况

2016年为黄藏寺水利枢纽工程施工的第一年，主要施工活动为施工供电干线、变电站和场内道路施工；2017年主要施工活动包括左右坝肩开挖、场内道路施工、导流洞开挖和对外道路、桥梁及涵洞的开挖和浇筑等；2018年导流洞已实现贯通，主要施工活动包括左右坝肩开挖、对外道路、桥梁及涵洞的开挖和浇筑等；2019年大坝已经截流，主要施工活动为大坝边坡开挖、基坑开挖和坝基清理、桥梁及涵洞的开挖和浇筑等；2020年主要施工内容为大坝混凝土浇筑、厂房工程、进场交通洞、永久道路边坡治理以及砂石料加工系统与混凝土生产系统等；2021年继续大坝混凝土浇筑、帷幕灌浆、厂房工程，预计2022年安装机组、导流洞下闸、水库开始蓄水。

2 研究内容与方法

2.1 断面的布设与采样时间

根据黄藏寺水利枢纽工程2016～2020年施工进展情况，根据每年施工导流、截流等不同情况，增设不同的代表性断面。截止到2020年黄藏寺水生生物(包括浮游植物、浮游动物、底栖动物)采样共布设9个有代表性的断面，其中上游从野牛沟湿地至莺落峡口，共布设6个断面，除野牛沟湿地为正常河段，黄藏寺坝址为施工、导截流影响河段外，其余4个断面均为库区或库尾河段；中游莺落峡至正义峡河段，共布设2个断面，均为正常河段；下游东居延海为河流尾闾，布设1个断面，水体特征参照湖库。调查断面布设情况图1。

采样时间为2016～2020年，每年5月底～7月中旬。

图1 调查断面位置示意图Fig.1 Location schematic of survey sections

2.2 调查研究内容

浮游生物是生态系统中物质循环及能量流动的重要环节，在水域生态环境系统中担任着重要的角色。浮游植物作为水域环境中的初级生产者[7]，其组成和丰度是水域生态系统中的重要生物学指标之一；浮游动物作为生物链中重要的次级生产者，为中上层鱼类和其他经济动物等高级消费者提供物质和能量来源，同时也决定了高级消费者的种类组成、分布及丰度[8]；河流及湖库浮游生物群落结构与其水生生境关系密切，外界环境条件的改变会直接或间接的影响浮游生物的组成、分布和丰度，对水生态环境的变化有指示性作用，水生生态评价可间接反映水质状况[9]。相较于浮游生物等对环境变化响应快速的生物类群，底栖动物运动能力弱，迁移能力弱，生活周期长，常被用于指示生态系统的变化，尤其是受到的人为干扰的影响[10]，可以更为稳定地反映生态系统的变化及其受到的影响因素[11]以及生态系统的稳定性和变异性[12]。

通过近几年来开展的水生生态调查，可以确定浮游动植物、底栖动物的种群组成、密度与生物量和分布等变化情况；开展鱼类现场调查，同时对当地水产部门及市场进行走访，可以掌握调查区域鱼类的资源情况，鱼类区系组成、种类、生态习性、“三场一道”分布，保护性鱼类的种类、分布、生态习性等；据此分析黑河黄藏寺坝址及上下游河段的鱼类种类、区系组成、资源量、珍稀濒危与土著鱼类变化情况及主要原因。

2.3 样品采集及分析

水生生物样品的采集包括定性采集和定量采集。按照“河流水生态环境质量监测技术指南”要求进行监测区域样品中大型底栖生物和/或藻类的定性(或定量)采集和鉴定分析，记录定性定量分析数据。以浮游植物样品采集为例，定性采集采用25号筛绢制成的浮游生物网在水中拖曳采集；定量采集则采集充分混合的2 000mL水样，加入鲁哥氏液固定，经过48h静置沉淀，浓缩至约30mL，保存待检；鱼类资源调查采用现场地笼、刺网捕捞调查与走访当地水产部门及市场相结合。

2.4 评价方法

目前我国生物监测中经常用到的生物评价方法主要有Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Hilsenhoff指数、Palmer藻类污染指数、IBI指数、Pielou均匀度指数等，可选择其中一种或几种评价方法对监测河流进行评价。文章选择在我国有比较长的应用历史的Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数进行水生生物评价。

3 调查及研究结果

通过2016～2020年连续5年对黄藏寺水利枢纽工程影响河段的水生生物及鱼类资源调查和监测，充分掌握了黑河上中下游不同河段的水生生态概况及变化情况，尤其是莺落峡以上的上游河段和莺落峡-正义峡之间的中游河段，以下重点对上述两个河段的浮游植物、浮游动物、底栖动物及鱼类资源变化情况进行对比分析。

3.1 浮游植物

2016～2020年莺落峡以上河段分别检出浮游植物4门45种、3门29种、3门27种、5门28种、4门101种，种类组成均以硅藻为主，其次是蓝藻和绿藻；莺落峡-正义峡河段分别检出浮游植物5门46种、3门31种、5门33种、5门20种、7门93种，种类组成同上游河段一致。浮游植物种类、生物量和密度调查结果详见图2(a)、(b)。

图2 浮游植物调查结果Fig.2 Survey results of phytoplankton

3.2 浮游动物

2016～2020年莺落峡以上河段分别检出浮游动物3类11种、2类3种、1类7种、2类11种、3类37种，种类组成均以原生动物为主，其次是轮虫类；莺落峡-正义峡河段分别检出浮游动物3类18种、3类13种、4类18种、2类10种、3类22种，种类组成同上游河段一致。浮游动物种类、生物量和密度调查结果详见图3(a)、(b)。

图3 浮游动物调查结果Fig.3 Survey results of zooplankton

3.3 底栖动物

2016～2020年莺落峡以上河段分别检出底栖动物19种、0种、13种、5种、8种，种类组成均以节肢动物为主；莺落峡-正义峡河段分别检出底栖动物12种、10种、9种、4种、9种，种类组成同上游河段一致，均以节肢动物为主。底栖动物种类、生物量和密度调查结果详见图4(a)、(b)。

图4 底栖动物调查结果Fig.4 Survey results of benthic animals

3.4 鱼类资源

2016～2020年莺落峡以上河段分别检出鱼类资源4种134尾、4种867尾、4种781尾、7种557尾、6种398尾。鱼类种类前3年保持不变，2019年新增短尾高原鳅、东方高原鳅、祁连高原鳅3种，捕获数量和重量呈先增加后减少趋势；2020年未捕捞到新疆高原鳅，新增黄河裸裂尻、斯氏高原鳅、拟硬刺高原鳅3种；渔获物的组成以高原鳅和祁连裸鲤为主；莺落峡-正义峡河段分别检出鱼类资源5种56尾、8种80尾、6种78尾、9种54尾、17种391尾。2016年、2017年渔获物的组成以高原鳅为主；2018年、2019年调查到祁连裸鲤，渔获物的组成以高原鳅和祁连裸鲤为主，2020年渔获物的组成中新增硬刺高原鳅，祁连裸鲤捕捞数量有所减少。鱼类资源种类、数量和重量等调查结果详见图5(a)、5(b)。

图5 鱼类资源调查结果Fig.5 Survey results of fish resources

3.5 水生生态调查与研究结果

整体上2016～2020年近5年水生生物的种类、数量呈先下降后上升的趋势，其中浮游植物2020年种类数量为近5年最多；浮游动物和底栖动物种类和数量2018～2020年较2017年增幅较大，但仍达不到2016年水平；近5年调查到的鱼类种类、数量及重量总体呈增加趋势，其中2020年调查到的鱼类种类、数量和重量均为最多。从上游到下游各断面渔获物种类、数量和重量变化规律不明显，总体上中下游河段鱼类种类较上游丰富，库区河段及居延海较一般河段渔获物种类相对丰富。

4 分析与讨论

水生生物是江河中重要的自然资源，影响水生生物生存、繁衍和栖息的因素有很多，主要有水文情势、地理经纬度和海拔高度、水温、光照、透明度、水质等水体理化环境的非生物因素以及水生生物之间赖以生存的生物环境因素[13]，以上因素均有可能对水生生物的繁衍造成不利影响。2016～2020年黑河上中游代表性河段浮游动植物、底栖动物以及鱼类的种类与数量监测结果存在一定的差异，这和黄藏寺水利枢纽工程施工活动的增加有一定的关系，同时也与水生生物个体特征、降水、上游来水、泥沙等因素有关。

4.1 水文情势变化情况

河流水利水电工程的建设可以进行水资源的有效调配并保障能源的可持续利用，但水利水电工程在修建时也会改变江河及周边的水文情势，对重要水生生物的繁衍造成不利影响，影响机理主要为物理阻隔和水文水质条件的改变[14]。目前黄藏寺水利枢纽工程大坝尚未建成，未形成完全阻隔，主要是导截流改变了黑河的天然径流，导致坝址上下游的径流条件在时空分布、水沙条件等发生变化，会对水生生物的繁衍和丰度产生不利的影响。

4.1.1 汛期日均流量变化分析

根据近几年黑河上游札马什克站、支流八宝河祁连站、黄藏寺坝址站、下游莺落峡和正义峡5个水文站在调查期间的日均流量均值及日均流量过程线的变化情况，上述水文站2016～2019年调查期间日均流量均呈现逐年增加趋势，2020年有所减小，日均流量均值与2017年相差不大；从上下游来看，除八宝河祁连站外，黑河上游札马什克站至黄藏寺站、莺落峡站流量因上下游来水关系，呈递增趋势，莺落峡至正义峡河段因农田灌溉用水量增加，正义峡站流量呈下降趋势。结合近几年来水生生态调查断面的生境概况来看，水体流速整体表现为2016年、2020年较小，2019年最大，2017年和2018年流速居中，这主要与2017年～2019年调查期间正值汛期，降水增多及支流来水增加有关。上述5个水文站汛期(5月～9月)日均流量变化过程线如图6所示。

图6 上中游5个水文站2016～2020年日均流量变化过程Fig.6 Change process of the average daily flow on the five hydrological stations in the upper and middle reaches from 2016 to 2020

4.1.2 水生生物变化分析

以中游莺落峡-正义峡河段水生生物变化趋势分析为例，黑河临泽湿地、黑河湿地高台保护区核心区2个调查断面所在的中游河段区间没有水库和大坝等水利工程，仅考虑上游莺落峡来水和降水即可。水文资料显示2016～2020年调查期间“莺落峡站”流量均值依次为49.2m3/s、92.9m3/s、133m3/s、162.1m3/s、100.1m3/s，前4年呈逐渐递增趋势，且增幅明显，2020年流量降幅较大；据水生生态调查结果来看，黑河临泽湿地、黑河湿地高台保护区核心区2个调查断面2016～2019年浮游生物和底栖动物种类逐年减少，2020年种类大幅增加，密度和生物量有增有减，总体上还是较2016年有所减少。有研究表明，水流是河流生境的主要决定因素，也是水生生物组成的重要决定性因素[15]。王庆等研究表明珠江丰水期的高径流量导致各种轮虫数量大幅减少，轮虫密度在丰水期一直较低，生物量两次高峰期时段均为枯水期[16]；曾辉等对长江和三峡库区浮游植物的研究表明，雨季藻类优势种为隐藻类，旱季藻类优势种为硅藻类，长江干流的藻类数量与水流量呈负相关[17]。以上研究表明，河流径流量、流速等的增加，可能会造成水生生物种类和数量的减少，雨量的多少，优势种也有所不同。

4.2 气温、水温等非生物环境因素变化情况

地理经纬度和海拔高度主要通过气温影响水温，从而间接影响水生植物生长，在同一温度带内气候因素对水生生物的影响比较小。由于近5年来调查断面的位置基本一致，地理经纬度和海拔高度均没有改变，2016年、2017年调查日期分别为5月底和6月初，较2018～2020年提早30天左右，黄藏寺坝址及以上河段气温和水温较低，根据2016年、2017年调查结果显示，气温、水温并未对水生生物造成较大影响；龙首一级水电站库尾及临泽湿地、高台湿地这3个监测断面近5年来水温相差很小，未造成水生生物多样性和生产力发生较大改变。

4.3 光照和透明度等水体理化环境变化情况

光照强度会影响水生生物的生长、繁殖速度以及抗病能力；同时与透明度的变化也不无关系，光照强度高，水体透明度高，才使得水体底层有足够强度的光照，满足某些特定水生生物的生长需求[13]；根据调查期间水体颜色及实测透明度数据来看，莺落峡以上河段由于地处峡谷河段，河宽较窄，水深较大，再加之上游降水、泥沙含量大，水体呈泥黄色，透明度较低，近5年平均透明度在13.8cm～28.5cm之间；其中坝址河段由于坝肩开挖产生的砂石碎屑，防护不当会落入黑河中，可能会造成局部河段水体浑浊呈泥黄色，透明度降低，2018～2020年透明度在8cm～20cm之间，影响坝址河段水生生物的栖息和繁殖；莺落峡以下河段，黑河出山后地势平坦，河宽水浅，临泽湿地近5年平均透明度为72.5cm，水色为浅绿色，高台湿地近5年平均透明度为33.5cm，水体呈浅黄色，水体透明度整体高于上游河段，水生生物种类和数量明显高于上游河段。

4.4 综合分析

基于上述调查结果之间存在的差异，本次结合工程建设情况和黑河流域水情及水温、透明度等变化趋势，综合分析如下：①工程建设活动对坝址河段的水生生物的种类和数量造成了一定程度的影响；对远离坝址的干流河段及其支流河段基本未产生影响；②由于2017～2019年调查期间正值汛期，降雨量较大，日均流量呈现逐年增加趋势。受坝址上游降雨以及工程大坝截流施工的影响，坝址及上游河段的悬浮物含量和泥沙含量增大，透明度较低，不利于浮游动植物的生长繁殖，导致浮游动植物资源贫乏；③水体泥沙含量及流速是影响调查区域底栖动物种类、数量分布的制约因子。黄藏寺坝址河段工程扰动巨大，原有河床形态已基本不再，现有河床多大型砺石，水流湍急，底栖生物在该河段较难留存；龙首一级库尾因水库运行调度，水位变幅较大且频繁，调查时段库区水位抬升，淹没消落带，消落带不适宜底栖生物生存；以上原因造成黄藏寺坝址和龙首一级库尾2个断面未采集到底栖动物；④水生生物密度和生物量从2016～2020年整体有增有减，甚至2017年、2020年浮游动物和底栖动物在定量样品检测中出现未检出的情况；从生物学角度上来看，由于浮游动植物和底栖动物类别不多，个体、大小、重量等相差很大，上述变化属正常现象。

5 结 语

近几年来黄藏寺水利枢纽工程施工建设整体上尚未对黑河水生生态系统造成较大影响，但随着大坝混凝土浇筑的完成，导流洞开始下闸、水库开始蓄水发电，将会对黑河干流上下游的水生态系统进行分割，致使河道阻隔，阻断鱼类上溯的自然通道，对鱼类觅食洄游和生殖洄游会产生一定程度的影响；水库蓄水后水生生物生境面积扩大、水文条件的改变引起水生生物及鱼类资源种类和分布的变化。为使黑河流域水生生态得以修复及养护水生生物资源，除了持续开展水生生态保护、下游调水区生态影响与保护观测和专项研究工作外，还应在以下几个方面继续深入研究。

5.1 根据祁连山国家级自然保护区、黑河湿地自然保护区、黑河特有鱼类国家级水产种质资源保护区等不同生态功能区的开发与保护定位、生态保护目标要求等；以黑河整个流域为单元，统筹考虑干支流、上下游之间的水力联系，从满足生态系统结构完整性和功能可持续性保护的角度出发，开展科学系统的长远规划研究[6,18]。

5.2 全面考虑河流水电开发与生态保护之间的关系，通过分析水利水电工程运行方式、流量、流速、水温、水质等要素对重要水生生物栖息及繁殖的影响机理[14]，选取工程要素、水生生境、水生生态、水环境质量等多种指标[19]，开展黄藏寺水利枢纽工程生态调控研究，建立面向重要水生生物产卵栖息地的生境评价体系及模型，探索能够满足黑河流域重要水生生物栖息繁殖需求的水库调控方法[20-21]。同时针对上游梯级水电开发比较密集，考虑到水利水电工程群对部分珍稀特有鱼类会产生累积影响，非常有必要实施流域梯级联合生态调度研究。

5.3 在库区及大坝下游河段继续开展祁连裸鲤、黄河裸裂尻等重要鱼类的增殖放流；开展增殖放流标志跟踪监测和评估研究，根据长期监测结果调整增殖放流对象及规模。

5.4 结合我国及黑河流域水生态环境法律保护的发展进程及要求，充分调研黄藏寺水利枢纽工程施工对黑河某些河段的水体干扰及污染的范围和影响程度，分别从法律规范、裁判适用等方面保障黑河水生态环境损害赔偿措施的真正落实[22]。