丁壩對整治河段生態(tài)影響及對策研究

楊苗苗，陳一梅

（東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

丁壩對整治河段生態(tài)影響及對策研究

楊苗苗，陳一梅

（東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

摘要：丁壩是常用的航道整治建筑物，在發(fā)揮整治功能的同時，也會影響所在河段的生態(tài)質(zhì)量。丁壩對河段生態(tài)的影響機理比較復(fù)雜，通過改變流場、流速、水深和河床沖淤情況，影響河段生境質(zhì)量，其中壩田間的回流區(qū)是控制生態(tài)影響有利或有害的關(guān)鍵水域。文章以西江底棲動物和魚類對棲息地流速、水深和底質(zhì)的要求為依據(jù)，分析西江廣東段的虎跳門口門淺灘和界首灘淺段，以及北江洪奇門水道玉米地段航道整治工程中丁壩對河段生態(tài)的影響。最后從合理選擇丁壩壩址和構(gòu)建生態(tài)保護型丁壩兩個方面提出生態(tài)保護對策。

關(guān)鍵詞：丁壩；河段生態(tài)；棲息地特征；生態(tài)保護；生態(tài)設(shè)計

航道整治的主要工程措施有拋壩、疏浚、護岸、裁彎切灘、炸礁等，其中丁壩是經(jīng)常使用的一種整治建筑物。丁壩在發(fā)揮束水攻沙的整治作用的同時，也會影響所在河段的生態(tài)質(zhì)量，且影響過程復(fù)雜，時間跨度較長。隨著人們對生態(tài)保護的重視，關(guān)于丁壩對生態(tài)影響的研究開始受到關(guān)注，但目前多是針對山區(qū)急流河段、小溪流及湖濱帶［1-3］，探討通航河段丁壩對生態(tài)影響的研究鮮有報道。

本文以廣東省西江界首至虎跳門段和北江洪奇門水道航道整治工程為例，探討丁壩對整治河段生態(tài)的影響，提出生態(tài)保護對策，為今后航道整治工程丁壩的設(shè)計和建設(shè)提供指導(dǎo)。

1　底棲動物、魚類的棲息地特征

水生生物種類繁多、生長周期不一，對生境變化的響應(yīng)各異。底棲動物是底層生活魚類的重要餌料來源，它們壽命較長，遷移能力有限，常被用作環(huán)境長期變化的指示生物［4］；魚類處于河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端，能較好地反映河流綜合生態(tài)條件［5］。所以，這里選擇底棲動物和魚類，對其棲息地特征進行分析。

流速、水深和底質(zhì)是影響水生生物的主要物理棲地條件。根據(jù)王兆印等［6-7］學(xué)者對西江魚類和底棲動物的研究成果，西江魚類對最小耐受流速需求低，即使靜水中也有50%種類生存；當(dāng)流速增至1.0 m/s時約40%魚類不適合生存，當(dāng)流速增至1.5 m/s時約85%魚類不適合生存，當(dāng)流速增至2.0 m/s時幾乎不適合魚類生存；魚類最適流速范圍為0.2～0.8 m/s。一般來講，魚類對極大水深的耐受范圍大，即使水深較大尚有某些種類生存，當(dāng)水深小于0.2 m時魚類也難以生存，魚類最適水深范圍為2～8 m。

河床底質(zhì)在底棲動物豐度和分布上起著尤為重要的作用。不穩(wěn)定的底質(zhì)（如細沙或粗沙）中底棲動物數(shù)量較小，而較為穩(wěn)定的底質(zhì)（如卵石）中底棲動物數(shù)量較大。環(huán)節(jié)動物的絕對數(shù)量在淤泥底質(zhì)中最大，達121 ind/m2；節(jié)肢動物的絕對數(shù)量在卵石底質(zhì)中最大，達197 ind/m2；而軟體動物在礫石、卵石和基巖中所占比例和絕對數(shù)量均較大［4］。各種底質(zhì)中底棲動物種數(shù)從小到大的順序依次是粗沙＜細沙＜粘土＜基巖＜淤泥＜卵石［4］。

2　丁壩對河段生態(tài)的影響機理

丁壩通過改變所在河段的流場分布、水深條件，使河床沖淤、底質(zhì)情況發(fā)生變化，進而影響多種生境因子，從而對底棲動物和魚類生存產(chǎn)生有利或不利的影響。在實際工程中，丁壩設(shè)置的情況多種多樣，對所在河段水流的影響也各不相同。

丁壩建成后，其附近形成不同的流態(tài)區(qū)域（圖1），主流區(qū)流速顯著增強，壩前、壩后的回流區(qū)流速減小成為緩流區(qū)甚至靜水區(qū)。主流區(qū)流速大，壩頭處流態(tài)復(fù)雜、水流紊亂，河床均處于沖刷狀態(tài)，底質(zhì)不穩(wěn)定，影響底棲動物生存；回流區(qū)生境條件相對良好，流速和水深較適宜，有穩(wěn)定的底質(zhì)供底棲動物棲息和水生植物扎根，魚類等其他動物也會選擇在此生活。王兆印、陸彥等學(xué)者［7］在西江調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，丁壩壩前和壩頭的底棲動物生物量和密度顯著小于壩后（圖2）。

回流區(qū)是丁壩設(shè)置的重要水域，在丁壩生態(tài)設(shè)計中也占有相當(dāng)重要的位置，可以作為生態(tài)補償?shù)闹攸c區(qū)域，其大小受丁壩挑角的影響。在非淹沒情況下，正挑單丁壩的回流區(qū)范圍最大，上挑和下挑單丁壩的回流區(qū)范圍都會隨丁壩偏離正挑角度的增大而逐漸減小，其中下挑單丁壩的回流區(qū)減小更明顯［8］。在非淹沒情況下，回流區(qū)的長度有正挑＞下挑＞上挑［9］，淹沒情況下回流區(qū)的長度有下挑＞正挑＞上挑［10］。丁壩群形成的回流區(qū)范圍與丁壩群規(guī)模和壩間距有關(guān)，丁壩群規(guī)模越大，回流區(qū)形成的壩田范圍越長，合理的壩間距可使各丁壩回流區(qū)邊線的連線形成平順的整治線，防止壩田沖刷，有利于壩田淤積區(qū)的形成。

丁壩通過改變所在河段的流場分布和河床形態(tài)，從而改變周圍生物的分布格局。倘若丁壩設(shè)置得當(dāng)，回流區(qū)對主流區(qū)的生境損失進行補償，并在受影響河段營造出深潭、淺灘、急流、緩流相間的多樣化河段形態(tài)，則有利于增加生物多樣性，改善河段生態(tài)。從這個角度講，丁壩將對河段生態(tài)產(chǎn)生顯著的有利影響。但值得注意的是，如果壩田過度淤積甚至淤死，反而使魚類等喪失生存空間。

魚類產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場（俗稱“三場”）是野生魚類生存的關(guān)鍵場所，當(dāng)丁壩所在區(qū)域涉及到“三場”，或珍稀魚類及種質(zhì)資源的保護區(qū)，工程完工后又缺乏有效的補救措施，將使受影響的魚類資源因棲息地破壞而導(dǎo)致種類和數(shù)量在短時間內(nèi)下降。

圖1　建壩后流場示意圖Fig.1Flow field after building the spur dike

圖2　丁壩區(qū)域底棲動物密度和生物量比較圖Fig.2Density and biomass comparison of benthic animal in spur dike area

3　丁壩對河段生態(tài)的影響調(diào)查

3.1西江廣東段

西江在廣東境內(nèi)河段自界首大源沖始，在三水思賢滘與北江相互溝通后向南偏東流入珠江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，經(jīng)多次分汊后，主流在珠海市磨刀門入海。為了提高航道等級，需要進行淺灘整治，不同河段修建了許多丁壩。

虎跳門口門淺灘航道整治［11］于1996年12月開始施工，共建了12座丁壩（圖3）。整治后的流速是整治前的1.4～2.0倍，水流的沖刷能力顯著增強，原來雷珠洲所在的地方，出現(xiàn)了最大沖刷厚度達3.6 m的現(xiàn)象，洲外另一處地方最大沖刷厚度達4.2 m。雷珠洲不斷下移、左移，且變小、變低，現(xiàn)狀已成為壩田的一部分。

雷珠洲的演變過程使其所在水域缺乏穩(wěn)定的水流和底質(zhì)條件，河床長期處于沖刷狀態(tài)，床沙粗化，水深增加，流速也較大，使得原本適應(yīng)沙洲枯水出露、豐水淹沒的穩(wěn)定周期性水文變化的底棲動物和魚類等水生生物難以繼續(xù)生存下去。沖刷的泥沙不斷進入下游壩田淤積，壩田淺水區(qū)（水深小于0.2 m）已不適合魚類生存。但是，魚類具有遷移的能力，雷珠洲局部河段的生境改變對較長河段的生態(tài)影響不大。

界首灘淺段長11.6 km，歷經(jīng)1953年、1968年、1971年、1985～1990年、1996～2001年的5次航道整治，共建丁壩34座，到2007年，河道內(nèi)淺灘、深槽相間；河床質(zhì)以中粗沙為主，部分含有沙卵石，屬于沙卵石淺灘。淺灘內(nèi)礁石密布，底質(zhì)類型相對多樣，其中卵石底質(zhì)穩(wěn)定性高，在各底質(zhì)類型中底棲動物種數(shù)最多，礁石是魚類喜愛的場所，可為底棲動物和魚類提供遮蔽空間。界首灘河段生境類型多樣，適宜多種底棲動物和魚類生存，生態(tài)良好，說明適度的丁壩布置，對河段生境幾乎沒有影響。

2008年界首灘淺段開始第6次整治，將航道等級由III級提升到II級，新建丁壩33座，并將原來的34座丁壩加高加長。2010年航道整治竣工后，界首灘11.6 km的河段共形成丁壩67座（圖4），水流受兩岸丁壩群的約束，整治水位較高，促使水流提早歸槽，中、枯水水流對泥沙的沖刷歷時和強度增加。流向與水深分布單一，流速較大的水域集中在航槽區(qū)，河床沖刷，緩流或靜水區(qū)集中在壩田，泥沙淤積。界首淺灘在流量3900m3/s時，主流區(qū)流速較整治前增大15%～30%，達到1.1～1.3 m/s，超過了魚類承受的上限流速1 m/s。但是，壩田緩流區(qū)可為魚類提供生存空間。整治后的界首淺灘段河床形態(tài)改變較大，引起魚類、底棲動物的棲息地環(huán)境發(fā)生變遷，其數(shù)量和位置也隨之發(fā)生變化。

綜上，丁壩對整治河段生態(tài)的影響視丁壩對整治河段河床形態(tài)干預(yù)的程度而定，當(dāng)丁壩規(guī)模和尺度合理，河床形態(tài)調(diào)整適度時，丁壩對整治河段的生境影響可以忽略。近年虎跳門口門雷珠洲整治和界首灘整治工程中，丁壩群形成大面積的近岸區(qū)，水流平緩，在不遭受嚴(yán)重淤積甚至被淤死的情況下，可為水生生物提供長期穩(wěn)定的棲息場所。但是，由于受兩岸丁壩群的約束，水流集中歸向航槽，主流區(qū)流速較大，形成只適合少數(shù)喜急流生物棲息的環(huán)境。

圖3　虎跳門口門淺灘整治及雷珠洲變化圖（1995～1998）Fig.3Hutiaomen entrance shoal regulation and Leizhu sandbar development(1995～1998)

圖4　界首灘整治設(shè)計平面布置圖（2010）Fig.4Design plane layout of Jieshou shoal regulation(2010)

圖5　洪奇門水道玉米地段平面圖Fig.5Plane layout of the cornfield section of Hongqimen waterway

3.2北江洪奇門水道

如圖5所示，洪奇門水道鴨仔沙進口河段的玉米地段［12］，由于飛機沙的束窄作用，水流流速突然增大，玉米地段成為頂沖點，而且上下游存在大規(guī)模盲目采沙，導(dǎo)致玉米地段150 m范圍內(nèi)的坡腳經(jīng)常遭受嚴(yán)重淘刷，不僅危及河岸穩(wěn)定和航行安全，也破壞該處水域的生境條件，水流流速過大，超出魚類適宜流速范圍，且底質(zhì)不斷沖刷粗化，適宜生存的底棲動物種類和數(shù)量不斷減少。

為改善玉米地段的河岸條件，設(shè)計采用如圖5所示的拋石丁壩布置形式，起到了抬升水位、減緩流速和促進壩田淤積的作用。施工完成1 a后的水下地形測量結(jié)果表明，河岸坡腳逐漸穩(wěn)定下來，壩田區(qū)域有明顯回淤，平均回淤厚度約1 m。流速和底質(zhì)的穩(wěn)定，改善了該處的水生生境。

4　生態(tài)保護對策

綜上分析，丁壩影響范圍內(nèi)不同區(qū)域的流場、水深和底質(zhì)條件發(fā)生不同的變化，某個區(qū)域的生境惡化可能會被另一個區(qū)域的生境改善所補償，某個種類的生物不適宜生存可能會被另一個種類的生物適宜生存所補償。利用這一原理，通過合理設(shè)計、規(guī)范施工和適當(dāng)維護，在丁壩保護區(qū)的緩流水域創(chuàng)造適宜生物生存的生境，可以補償因主流區(qū)流速過大、底質(zhì)沖刷造成的生境損失，使負面影響降到最低甚至消除。

4.1合理選擇丁壩壩址

丁壩壩址應(yīng)盡量回避自然保護區(qū)和關(guān)鍵生境區(qū)，以免水生生物因無法完成正常的生活史而出現(xiàn)種群衰退。當(dāng)無法避免時，生態(tài)保護工程應(yīng)與丁壩整治主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時投產(chǎn)使用。預(yù)先建立生態(tài)補償機制，恢復(fù)或重建重要生境，如在岸邊設(shè)置人工魚巢，營造小型人工生態(tài)系統(tǒng)，補償因工程建設(shè)而損失的重要生境；另擇水域設(shè)立人工產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場，補償因工程侵占而損失的魚類“三場”。當(dāng)重要魚類的洄游通道受影響時，可考慮在丁壩與航槽之間的過渡區(qū)域預(yù)留空間，供魚類洄游通過。

4.2構(gòu)建生態(tài)保護型丁壩

生態(tài)保護型丁壩的設(shè)計參數(shù)包括壩高、壩長、數(shù)量、挑角、材料種類、結(jié)構(gòu)型式、壩間距、坡度等，其中坡度（上、下游側(cè)坡度和端坡）對河段生態(tài)影響很小，可忽略不計。

4.2.1丁壩壩高和有效長度

丁壩壩高和有效長度是由整治河段所需要達到的沖淤效果決定的。一般而言，丁壩的壩高越高，束水攻沙時間越長，為達到同樣的整治效果，丁壩的有效長度可以短些，反之則需要增加丁壩的有效長度。就壩高和壩長對整治河段的生境影響而言，丁壩的有效長度對生境的影響更大，丁壩的有效長度越大，丁壩阻水作用越強，主流愈加束窄，流速增大，河床沖刷嚴(yán)重，底質(zhì)條件不穩(wěn)定，生境惡化到即使喜急流的底棲動物和魚類也無法生存。因此，在整治工程設(shè)計時，應(yīng)注意優(yōu)化丁壩壩高和有效長度的組合，盡可能減小丁壩的有效長度。例如，在西江虎跳門水道（百頃頭至虎跳門口）整治中，通過河演分析和模擬試驗，優(yōu)化整治設(shè)計方案，拆短了橫山段的丁壩長度，基本消除了因長丁壩產(chǎn)生的河床下切幅度過大的不利影響，穩(wěn)定了河床和底質(zhì)條件。

4.2.2丁壩數(shù)量和挑角

從西江廣東段整治工程實踐看，丁壩設(shè)置的數(shù)量和挑角對河段生態(tài)的影響比較復(fù)雜，不能分開地一概而論，它們是聯(lián)合起作用的，不同組合對河段生態(tài)的影響范圍和強度不同。

利用丁壩數(shù)量和挑角共同控制河段水文情況和泥沙沖淤進而影響河段生態(tài)的原理，創(chuàng)造多樣化的河段形態(tài)，以此增加河段生物多樣性，提高河段生態(tài)質(zhì)量。

4.2.3丁壩結(jié)構(gòu)

丁壩的結(jié)構(gòu)主要通過近自然性、透水率和空隙來影響河段生態(tài)。應(yīng)盡量選擇近自然的材料和結(jié)構(gòu)型式，并保持適宜的透水率。壩體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，還體現(xiàn)在保留一定的空隙，為魚類等提供生存和遮蔽空間。20世紀(jì)70年代以來，透水丁壩在我國內(nèi)河航道整治及河口整治中均有使用。雖然透水丁壩（適宜透水率）比實體丁壩更有利于河段生態(tài)的保護，但在整治工程中采用透水丁壩還是實體丁壩，必須考慮河段實際條件，如在沖刷嚴(yán)重的部分河段，考慮到壩體的安全性，最好采用實體型式。

5　結(jié)論

丁壩作為航道整治的一種重要的工程措施，不僅要發(fā)揮出其整治功能，還要兼具生態(tài)功能。本文結(jié)合相關(guān)工程實例，分析了丁壩對河段生態(tài)的影響機理，提出了生態(tài)保護對策，有助于從源頭理解和控制整治工程建筑物對河段生態(tài)的影響。

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中圖分類號：X 171.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0545-05

收稿日期：2013-10-08；修回日期：2013-12-27

作者簡介：楊苗苗（1990-），女，河南省漯河市，碩士研究生，主要從事港口、航道及海岸工程研究。Biography：YANG Miao?miao(1990-),female,master student.

Research on influences and countermeasures of spur dike on ecology of regulation river reach

YANG Miao?miao，CHEN Yi?mei
（Transportation College，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract:Spur dike is a kind of frequently used waterway regulation structure.It plays regulation function，and influences the ecological quality of its located river reach.Influence mechanism of spur dike on the river reach ecol?ogy is quite complex，by changing the flow field，flow velocity，water depth and riverbed erosion or deposition condi?tions to affect the quality of river habitat.Recirculation region in spur dike field is a key water area of controlling the advantages or disadvantages of these ecological influences.According to flow velocity，water depth and substrate requirement in the habitat of benthic animal and fish in Xijiang River，taking Hutiaomen entrance shoal and Jie?shou shoal reaches of Xijiang River in Guangdong，and the cornfield section of Hongqimen waterway of Beijiang River for example，the influences of practical spur dike projects on river reach ecology were analyzed.The ecologi?cal protection countermeasures focused on selecting dike site reasonably and ecological designing of spur dike were put forward.

Key words:spur dike;river reach ecology;habitat characteristic;ecological protection;ecological design