雅砻江锦屏河段水电工程引发的水生生态难题及关键措施体系建设

2024-01-02龙灵滋

水电站设计 2023年4期

刘杰，郎建，龙灵滋

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

河流作为生物和营养元素的重要交流廊道，其连通性是保障河流水生生态系统连续性的必要条件。水电工程大坝的阻隔作用，是对天然河流水环境影响最剧烈、最广泛的人为扰动事件之一［1］，而大坝阻隔对河流最直接的影响就是破坏其连续性和连通性。

雅砻江锦屏河段分布着锦屏一级和锦屏二级两座大型水电站，两个电站同期建设、同期投入运行，如此规模的河流扰动给锦屏河段乃至整个雅砻江下游河段的水生生态系统带来了新的难题。因此，剖析锦屏工程所引发的水生生态难题，并构建合理、可行的措施体系是电站开发过程中的重点和难点所在。

1 概况

1.1 锦屏河段概况

锦屏河段起始于锦屏一级水电站库尾（卡拉水电站坝址处），终点为锦屏二级水电站厂房，总长度约196 km。锦屏河段分布着锦屏一级和锦屏二级两座水电站，总装机容量8 400 MW，是雅砻江下游开发的龙头电站和控制性工程。锦屏一级大坝到锦屏二级闸坝之间仅7.5 km，两座电站建成后联合运行，被誉为雅砻江上的“双子星座”姊妹电站。

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，坝址位于盐源县与木里县交界的普斯罗沟（东经101°37′、北纬28°10′），工程建设占地和水库淹没涉及盐源县和木里县。锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，闸址位于锦屏一级水电站坝址下游7.5 km的大河湾西端猫猫滩（属木里县和冕宁县，东经101°38′、北纬28°15′），厂址位于雅砻江大河湾东端大水沟处（属冕宁县，东经101°47′、北纬28°08′）。

根据区位关系特征和工程特性，可将锦屏河段分为锦屏库区段和锦屏大河湾段两部分。锦屏库区段是从锦屏一级水电站库尾（卡拉水电站坝址处）至锦屏二级坝址之间长约67 km的河段，该河段包含了锦屏一级和锦屏二级水电站的库区。锦屏大河湾段是从锦屏二级坝址至锦屏二级厂房之间约119 km的减水河段。锦屏大河湾段河流环绕锦屏山，形成一南北向长条形天然弯道。锦屏大河湾西端的棉沙沟至东端的大水沟直线距离约16.5 km，水面落差310m，若截弯引水平均每千米可获得落差18.79 m，是落差最为集中的河段。锦屏河段地理位置如图1所示。

图1 锦屏河段位置示意

1.2 锦屏河段水生生态系统特征

锦屏河段处于青藏高原向四川盆地过渡地带，为高山峡谷地貌，河床深切，落差大，水流湍急，滩潭交替。滩上水浅流急，底质由巨砾和卵石组成；潭内水深，水流稍缓，底质多变、复杂，主要为卵石和砾石。为适应急流和高氧的鱼类及饵料生物提供了栖息和繁殖场所。部分河段中心多沙洲，两岸多沙滩和碛坝。与河流生境相适应，水生生物表现出典型的山区河流特征，种类组成以流水性种类为主，浮游植物、着生藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物多样性、密度、生物量相对较低，水体生物生产力不高，河流的生态功能以汇源、输移为主。

工程建设各阶段均对工程河段的鱼类资源情况和生活特性进行了较为详细的调查。综合文献记载和历次调查成果，锦屏河段共分布（可能分布）有鱼类53种，分属5目10科37属，其中鲤形目34种，占鱼类种数的61.2%；鲇形目16种，占鱼类种数的30.2%；此外，鳉形目、合鳃鱼目、鲈形目各1种。锦屏河段无国家Ⅰ、Ⅱ级保护鱼类，青石爬鮡、松潘裸鲤、鲈鲤、细鳞裂腹鱼、长丝裂腹鱼、西昌高原鳅、裸体异鳔鳅鮀7种为四川省重点保护鱼类。长薄鳅和黄石爬鮡被《中国动物红皮书》记录为易危种类。锦屏河段分布有长江上游特有鱼类21种，分别为红唇薄鳅、长薄鳅、西昌高原鳅、戴氏山鳅、中华金沙鳅、四川华吸鳅、长鳍吻鮈、圆口铜鱼、裸体异鳔鳅鮀、鲈鲤、短须裂腹鱼、细鳞裂腹鱼、长丝裂腹鱼、四川裂腹鱼、松潘裸鲤、齐口裂腹鱼、拟缘、青石爬鮡、黄石爬鮡、中华鮡、前臀鮡。

2 工程引发的水生生态难题剖析

2.1 河流自然水文过程改变

河流的水文情势是河流生物多样性和生态完整性的主要驱动力，水文过程与河流的物理、化学和生物过程都密切相关，可以视其为河流生态系统的一个“主变量”［2-3］。锦屏一级水电站为典型的年调节水库，水库运行导致河流洪峰过程坦化，低流量大小增加，年水文过程趋向均一化，洪水脉冲、高流量和低流量的发生时间、持续时间、频率和变化率均发生相应变化，这些改变会从上到下影响到锦屏库区段和锦屏大河湾段水文情势，打破原有河流水生生态系统的稳定。

2.1.1 锦屏库区段

锦屏一级水库蓄水后水体流速将明显减缓，使库区河段水域环境从急流河道型转为缓流型，并在库区不同区域呈现出不同的水文特性，具体表现为：坝前水域过水断面面积较大，水深较大，水体流速平缓，呈现出湖泊水动力学特征；水库中间水域具有一定的流速，属于过渡段；水库库尾区域水体流速较大，水深较浅，接近原天然河流状态，仍具有河流水文水动力学特征。另外，在锦屏一级水库年最大水位变幅达80 m，且库区水位可能会出现反季节上涨和消落期迅速下降等非自然的变化，显著改变了库区河段的水文节律。锦屏二级库区呈现了同样的改变，但影响程度远小于锦屏一级。

2.1.2 锦屏大河湾段

锦屏大河湾段119 km减水河段水文情势主要受锦屏二级运行调度影响，而生态流量下泄过程与天然水文节律基本一致（自运行以来下泄量为48～3 368m3/s），再加上区间径流补充，减水河段依然表现为中型河流特征，河段水流特性依然呈现多样化。但锦屏二级运行后大部分时段减水河段流量较运行前出现了明显下降，减水河段生境发生了一定程度的变化。

2.2 河流水温改变

锦屏一级水库具有库大、库深、库短的显著特征。“库大”是指水库库容大，据统计，锦屏一级水库正常常蓄水位1 880 m时，水库总库容约77.65亿m3，约为原河槽水体的152倍；“库深”意为库区水体垂向深度大，库区水位1 880 m时坝前水深可接近300 m，库区平均水深超100 m；“库短”即指水库库区回水长度短，在锦屏一级水库库容如此规模的情况下，1 880 m库水位时，雅砻江干流回水长度仅为59.2 km，这主要是因为干流河道坡降较大，平均达4.22‰。同时，锦屏一级水电站还表现出了支库规模大的特点，其中小金河支库占比达50.1%。锦屏一级水库的水体形态特征将引发水温改变的问题，针对水库引发的工程河段水温影响，需开展水温数值模拟和原型观测等一系列工作，并根据影响设计水温减缓措施，并分析措施的效果。

2.3 河流栖息地功能受损

鱼类栖息地的空间形式为河床和河流水体。长期以来，自然的河流水文丰、枯节律变化，有缓流也有激流，泥沙冲淤平衡，河床底质较为稳定，其中的鱼类与之相适应，形成了特定的繁殖习性。水电站建设与运行不可避免地导致鱼类生境变化，当生境变化超出了鱼类适宜的范围，将对鱼类产生不利影响。

当锦屏一级水电站建成运行后，原来河流蜿蜒曲折的形态在库区中消失，干流、支流、河湾、沼泽、急流、浅滩等丰富多样的生境被单一的水库生境所替代，生境的异质性大幅降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化，生物群落多样性也随之降低。另外，水电站建设对河流水文情势和水温造成严重影响，若不采取减缓措施，将对部分鱼类的生存环境造成不利影响，鱼类难以找到适宜生存的栖息场所。多重因素叠加影响，致使水电站工程河段的栖息地的异质性降低，河流给鱼类提供栖息地的功能遭受影响，鱼类生存环境恶化。

3 水生生态保护目标

基于工程河段保护对象的需求分析，提出锦屏河段水生生态系统的总体保护目标是保障锦屏大河湾水生生态系统的健康，维持河流水生生态系统结构及功能。根据河流水生生态系统特点，将总体保护目标分为水生生境保护和水生生物保护。

水生生境保护要素主要包括水温、水量、水质、底质和栖息地等，采取相应措施达到如下的保护效果和目标：①保护锦屏大河湾栖息地，使保护河流生境的自然属性和状况得到恢复和维持，鱼类三场得到恢复和维持，功能质量有所提高，河流廊道的连通性得到修复和保持；②对水电站运行后的下泄流量进行生态调控，保证下游生态用水，尽量避免电站运行时水文过程对锦屏大河湾乃至雅砻江下游水生生态系统造成严重影响；③有效减缓库区水温分层造成的低温水下泄问题，营造适宜锦屏大河湾乃至雅砻江下游的水生生物生存繁衍的水温条件。

在水生生境保护的基础上，进一步开展锦屏大河湾及其下游区域的水生生物保护。鱼类是重要的水生生物资源，是大多数情况下的渔获对象。同时，作为河流水生生态系统中的顶级群落，鱼类对其他类群的存在和丰度有着重要作用，对河流生态系统具有特殊作用。加之鱼类对生存空间最为敏感，故将鱼类作为水生生态系统的重点保护目标。鱼类保护主要维持鱼类物种多样性水平以及维持种群规模，避免数量减少，甚至灭绝。锦屏工程根据实际情况，坚持统筹兼顾、突出重点的原则，考虑物种的保护价值、受工程影响程度、地理分布以及在本江段的数量、分布等因素，确定锦屏河段的鱼类保护对象，包括长丝裂腹鱼、短须裂腹鱼、细鳞裂腹鱼、四川裂腹鱼、松潘裸鲤、鲈鲤、长薄鳅、裸体异鳔鳅鮀、圆口铜鱼、西昌高原鳅、青石爬鮡、黄石爬鮡和中华鮡。

4 关键措施体系

从工程建设带来的水生生态难题入手，梳理出锦屏河段的水生生态保护关键措施框架（见图2）。

图2 锦屏河段水生生态保护措施体系

（1）锦屏大河湾栖息地保护，争取宝贵流水生境。栖息地保护是保护鱼类自然资源最有效的措施，主要是通过保护一定范围的、适宜的、可以保证鱼类完成完整生活史的河流生境，达到有效保护鱼类和维持河流生态系统健康的目的。面对锦屏工程造成的河流栖息地功能受损的问题，有必要为大多数土著鱼类保留或营造一定规模的适宜生境，既有成鱼适宜的生存活动场所，也有适宜的繁殖场所和幼鱼索饵场所，从而维持鱼类自然繁衍和种群资源稳定性。雅砻江下游的水电开发程度较高，保留河段非常少，寻找具有流水环境的河段为土著鱼类提供栖息地显得非常困难。锦屏二级大河湾减水河段长约119 km，在采取生态流量泄放措施前提下，加上区间径流补充，可达到山区中等河流的规模，可为适应于流水环境的土著鱼类提供栖息地，具有重要的保护价值。

锦屏工程栖息地保护研究思路如下：①首先开展了鱼类资源调查、生境现状调查和生境适宜性评价，诊断河流主要生态环境问题和水生生物种群制约因素，明确栖息地保护需求及保护目标，经综合比选论证确定需要保护的鱼类栖息地范围；②制定栖息地保护规划，规划设计中明确保护范围、保护与建设目标、保护途径、监测评估、动态管理等方面的内容和计划；③按照规划方案对各项栖息地保护措施进行设计、建设、运行，并在所有规划措施有效落实后，对栖息地的保护效果开展跟踪监测评估和动态管理。

（2）高坝深库的分层取水举措，为下游水生生物保驾护航。水库下泄水温对水生生态系统稳定尤其是鱼类资源保护意义重大。因此，针对水温分层明显的锦屏一级水电站需开展分层取水设计。对于高坝、深库、大流量、场地狭小的锦屏一级水电站而言，开展分层取水设计难度巨大。首先，锦屏一级进水塔体规模大、单孔取水流量大，其进水塔规模及进水口引用流量规模明显大于前期及同期水电站，导致电站进水口水力学问题复杂，设计对进水口结构稳定性要求更高。其次，锦屏一级最大坝高305 m，坝前水深接近300 m，这种巨型深水库的水温分布规律，国内暂无工程可类比，目前仅能通过数学模型进行模拟预测，为消除或减小水库建成后水温实际分布结构与预测的差异影响，分层取水措施应最大限度确保实用性和灵活性。第三，锦屏一级水电站是雅砻江下游河段的“龙头电站”，其蓄水储能作用大，水库正常蓄水位1 880 m，死水位1 800 m，运行消落深度达80 m，电站单层取水时进水口底板高1 779 m，正常蓄水位时取水深度达101 m，在消落幅度如此大的条件下，分层取水措施要做到保证岸塔式进水口在不同库区运行水位下均能取到上层水，设计难度较大。

锦屏一级水电站分层取水叠梁门措施是在国内高坝大库中首次应用。为了全面系统分析库区及下泄水温分布，顺利推进分层取水叠梁门工程设计工作，通过类比二滩水电站进行水温观测分析，解决了大型深水库巨大的计算区域和极大的纵深比给数值计算带来的稳定性、收敛性问题，建立了模拟精度高、工程实用性好的立面二维、主库和支库耦合的水温预测模型。基于水温预测结果，锦屏一级水电站开展了三节叠梁门分层取水方案设计和工程建设，措施运行后效果良好，其中叠梁门运行期下泄水温可提升0.5～1.6℃，较原单层进水口方案更趋近于天然河道水温过程，更有利于维持下游河道的原有水生生态环境。

在锦屏一级水电站取得的分层取水创新经验适用于水利水电工程的各种分层取水建筑物，降低了工程对场地的要求，解决了高坝、深库、大流量、场地狭小水电站的分层取水问题，具有布置简单、运行灵活方便、可靠性较好，且投资省、对枢纽布置影响小、对电站动能指标影响小等优点，并在溪洛渡、双江口、两河口等大中型水电站中推广使用。

（3）国内最大鱼类增殖放流站，是鱼类资源保护的强力后盾。对锦屏大河湾的减水河段进行栖息地保护和修复工作，可以一定程度上保障鱼类生境，但仍难以达到整体保护鱼类资源的目的。因此，开展鱼类增殖放流工作对锦屏一级水电站和雅砻江下游的鱼类资源保护工作意义重大。

鉴于锦屏一级、锦屏二级及官地三个水电站影响鱼类的种类基本相同，为方便管理，同时从流域角度系统解决鱼类资源保护的问题，开创性地采用多电站联合修建鱼类增殖放流站的模式，修建了国内最大的鱼类增殖放流站——锦屏·官地水电站鱼类增殖放流站。雅砻江锦屏·官地水电站鱼类增殖放流站具有放流规模大、服务范围广、放流对象多的特点。工程的近期放流规模便达到了150万尾/a，服务范围包括锦屏一级水电站库区、锦屏二级水电站库区、官地水电站库区以及库区天然支流河段卧落河、理塘河、九龙河和小金河。根据服务区域的鱼类资源分布特点，雅砻江锦屏·官地水电站鱼类增殖放流站将长丝裂腹鱼、短须裂腹鱼、细鳞裂腹鱼、四川裂腹鱼、鲈鲤和长薄鳅、裸体异鳔鳅鮀、圆口铜鱼、西昌高原鳅、松潘裸鲤、中华鮡和青石爬鮡等作为人工增殖放流对象。

雅砻江锦屏·官地水电站鱼类增殖放流站是国内规模最大的增殖放流站，也是国内最早设计和建设的鱼类增殖放流站之一，工程设计时无规程规范可依，也无工程案例可借鉴。工程结合区域气候特点和水源等条件，解决了在高山峡谷地区蠕变体山坡上修建鱼类增殖放流站的工程技术难题，并开创了多电站联合修建鱼类增殖放流站的建设模式，便于流域鱼类增殖放流统一管理，对区域同类工程的设计、建设及运行具有较强指导意义和推广价值。

（4）梯级电站联合生态调度，给河流注入生态活力。生态调度作为一种主要的河流生态修复措施，是对传统水库调度方式的发展与完善，主要着眼于解决当前突出存在的水生态环境问题，将生态因素纳入到现行的水库调度中，尽可能在保证水库防洪兴利和发电效益的条件下，减缓水库运行的生态影响。与工程措施相比，水库生态调度措施具有实施费用低、对下游河流生态修复的作用范围大、生态修复效果明显等特点。

雅砻江下游保留河段为桐子林坝下15 km流水江段，减水河段为锦屏大河湾119 km河段。雅砻江中下游河段控制性水库有两河口、锦屏一级和二滩3个高坝大库，水库形成后，改变河流径流的年内分配，造成丰水期水量减少和枯水期水量增加的水文情势变化，其余的梯级电站均为日调节运行，在日内形成不稳定流影响。从开发格局来看，锦屏一级水电站是雅砻江干流下游河段的控制性工程，对雅砻江下游生态水文过程的作用范围很大，工程建设者早在电站勘测设计阶段，就开始思考如何通过电站调度来更好地解决雅砻江下游水生生态保护相关问题，并随着电站建设进度持续推进，在工程下泄生态流量和水温调度方案论证及措施设计方面不断深入研究下，结合相关管理要求及雅砻江下游水电开发格局，尝试将水生生态对水文情势、水温的需求融入雅砻江梯级电站联合运行调度之中，在维护雅砻江下游生态水文过程方面取得了一系列开创性成果，逐渐把最初的思考付诸实践。通过雅砻江下游梯级电站联合运行生态调度研究和水文过程维护措施，为雅砻江下游梯级电站制定了较优的生态调度方案，在一定程度上实现了水电开发和生态保护相互协调的目的。