河流生態修復技術在水利水電工程中的應用

張東亞，王 浩，常 毅

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

0 前 言

水是生命之源、生產之要、生態之基，水生態文明是生態文明的重要組成和基礎保障。為了滿足水力發電、供水、防洪、灌溉和航運等方面的需要，通常選擇在河流的上中游地區布置和修建水利水電工程設施，開發利用水資源。水利水電工程在推動社會經濟發展中起到了非常重要的作用。但長期以來，由于缺乏環保意識，過度開發、無序開發與利用，以及水資源的開發不當造成了諸多環境問題。水體污染、河道斷流、水生態系統破壞、生境破碎、河道嚴重渠化、濕地萎縮消亡、綠洲退化等現象也在很多地方出現，直接影響著河流的健康。為了有效地利用水資源，實現河流及流域的經濟、社會和生態環境的可持續發展，亟需從源頭扭轉水生態環境惡化趨勢。對河流生態系統進行修復，恢復河流健康，促進人水和諧共處，是加快推動生態文明建設的重要實踐。

河流生態修復是指利用生態系統原理，采取各種方法，修復受損傷的水體生態系統的生物群體及結構，重建健康的水生生態系統，改善河流生態系統的主要功能和過程，并使生態系統實現整體協調、自我維持、自我演替的良性循環[1-2]。

1 水利水電工程帶來的環境問題

1.1 水文情勢改變

引水式電站運行和水庫引水將在壩下形成一定長度的減水河段。由于壩下河段流量大幅度減少，河流水深變淺、流速降低、水面下降，下游區的河流濕地將出現萎縮，一些荒漠區的河流將出現綠洲退化；由于河流減水，很大部分河床出露形成淺灘、河灣的不連續水體，阻斷魚類的正常活動；水量、營養來源的減少大大地縮小了魚類等水生生物的生存、繁衍空間。減水河段內，藻類、浮游動物的種類組成將趨于簡單，底棲動物的密度和生物量將減少。對于一些具有日調節能力的電站，由于頻繁的調峰運行，導致下游水文情勢變化較大。部分時段下游河道水量較小，河床裸露，對下游生態環境影響較大。

1.2 水溫分層

對于庫容較大的水庫，庫下層溫度變化較原天然河水溫度變化滯后。由于對庫內熱量的調節作用，水庫在沿水深方向上呈現出有規律的水溫分層，表現為冬季庫區趨于等溫分布，下泄水溫較天然情況高；春夏季庫表水溫高，庫底水溫低，下泄水溫較天然情況低。下泄低溫水對壩下河段水生生物的繁殖及幼體成長造成不利影響。水溫變冷，水體的溶氧量和水化學成分將發生變化，影響魚類和餌料生物的衍生，致使魚類區系組成發生變化。下泄低溫水將使魚類產卵季節推遲、影響魚卵孵化甚至造成不產卵。下泄低溫水還會對水稻等農作物產生“冷害”影響，造成減產甚至絕產。

1.3 水質影響

水利水電工程在運行期，其自身對河流水質不產生污染，但會因其改變了水體形態和降低河流的自凈能力而導致水質變化。①水庫水體富營養化。河流梯級開發，改變河流流態，降低水體流速，總磷、總氮等營養鹽在水庫中聚集，緩慢的水流流態，適宜的溫度條件，容易導致富營養化的發生[3]。②河段減水對水質的影響。由于引調水工程導致下游河道流量減少，河流自凈能力降低，對下游河道水質造成影響。③農業灌溉退水對水質造成影響。灌溉退水由于攜帶大量的氮、磷等有機污染物，進入受納水體后對水質造成影響。④引調水工程在水體通過河道輸送的過程中，沿線排污容易對水質造成影響；另外，有些水庫工程，由于庫區存在有工礦企業排放污染物，對水庫水質容易造成影響。

1.4 河流片段化

河流筑壩形成水庫，造成水流的不連續性，有的河流進行梯級開發，形成多座水庫串連的格局。水庫形成以后，原來河流上中下游蜿蜒曲折的形態從庫區消失，干流、支流、河灣、沼澤、急流和淺灘等豐富多樣的生境代之以較為單一的水庫生境，生物群落多樣性在不同程度上受到影響。水庫的淡水生態系統是一個相對封閉的系統，與河流生態系統相比較為脆弱，表現為抗逆性較弱，自我恢復能力也弱。同時，筑壩對河流造成阻隔影響，阻礙壩上下游種群的基因交流，導致種群遺傳多樣性降低，生存延續能力下降。

1.5 河道渠化

為了確保河道防洪以及航運安全，河流整治工程往往將一些河段裁彎取直或直線化處理。蜿蜒曲折的天然河流被改造成直線或折線型的人工河流，急流、緩流、彎道及淺灘相間的格局消失，橫斷面上的幾何規則化，改變著深潭、淺灘交錯的形勢，生境的異質性降低，水域生態系統的結構與功能隨之發生變化。特別是生物群落多樣性的隨之降低，甚至能引起淡水生態系統退化，導致河流廊道的植被也受到單一化影響。為了河道堤防與邊坡安全，河床邊坡的迎水面常常被硬質化，隔斷了地表水和地下水的聯系通道，使大量水陸交錯帶的植物失去生存條件，同時影響岸坡內的土壤大量微生物的生存[4]。

2 河流生態修復技術及應用

河流生態系統修復的主要任務是水質改善，水文情勢改善(包括生態流量、流量過程的修復以及洪水脈沖作用)，河流地貌修復(沿河流縱向連續性修復、沿水流側向的河道-河漫灘連通性與河流-湖泊連通性修復及沿垂向河床和岸坡透水性和多孔性的修復；在平面上河流形態蜿蜒性修復；橫斷面上河床斷面幾何形態多樣性修復)和生物群落多樣性的維持與恢復[5]，具體技術如下。

2.1 水文過程修復

為了維持水生生態系統穩定，常用水文學法、水力學法、組合法、生境模擬法、綜合法等方法計算所需水量。所需最小水量，非汛期一般不應小于河道控制斷面多年平均流量的10%，汛期一般不應小于20%。不同地區、不同規模、不同類型河流，同一河流不同河段的生態用水要求差異較大，在生態系統有更多、更高需要時，應加大流量。在保證下游生態流量的同時，為確保下游魚類的產卵繁殖，還應開展生態調度。一般每年4～7月是魚類的主要產卵繁殖時期，需要加大流量的下泄，模擬自然洪峰過程，刺激魚類的產卵繁殖[6]。如已經批復的瑪爾擋水電站、巴拉水電站、巴塘水電站，為了裂腹魚、虎嘉魚等均設置了具體的生態調度方案，恢復魚類產卵期的水文過程，保證魚類的正常繁殖。目前已建的一些水利水電項目也正在開展生態放水設施的改造和生態調度試驗。三峽水庫2011年至今，通過人造洪峰調度，連續7年實施針對四大家魚自然繁殖的生態調度試驗，有效促進了四大家魚的產卵繁殖活動[7]。

2.2 水溫恢復

為減輕水庫下泄低溫水對下游造成的不利影響，保護下游生態系統的良性循環，通常采取分層取水、合理利用水庫洪水調度運行方式、寬淺式過水斷面的灌溉渠道、“田間調溫”等措施，其中分層取水是目前緩減低溫水影響的最有效辦法。分層取水建筑物主要有多層平板門、疊梁門、翻板門、浮筒等豎井式、斜涵臥管式以及多個不同高程取水口布置等形式[8]。目前，對于多年調節、年調節、不完全年調節及季調節等調節性能好的水庫均采取有分層取水措施，如光照水電站、糯扎渡水電站、錦屏一級水電站等對水溫進行恢復，減緩水溫的影響，都取得了一定的效果。2017年，溪洛渡水庫通過操作疊梁門取上中層水的方式，調節出庫水溫，以促進產粘沉性卵魚類(如達氏鱘、胭脂魚)正常產卵繁殖[9]。

2.3 水質凈化

水質凈化技術包括原位凈化和異位凈化兩種。水質原位凈化技術包括人工打撈等物理方法，也包括向水體中投放化學藥劑或生物藥劑，在水面設置生物浮床和曝氣設施[10]，還包括近年來廣泛被人們研究和應用的利用生物膜法凈化水質的生物法、水生植物控制技術、人工濕地技術、生物操縱技術、石墨烯光催化技術等[11]。其中，水質原位凈化由于其就地凈化、不占用土地的特點，近年來備受關注。相關研究尤其是石墨烯催化技術處理水質近年來被越來越廣泛地應用，其特點為：工藝簡單、時間短、見效快、操作方便，并且降解徹底、無二次污染。異位凈化主要采用管道截污、導流，將受污染河流經過人工濕地或污水處理廠處理等技術。

2.4 河流連通性修復

河流連通性修復和恢復分為部分恢復和完全恢復。部分恢復主要通過技術型魚道、近自然旁通道、魚坡技術等，恢復河流上下游連通性。技術型魚道主要有槽式、豎縫式、導墻式、隔板式等；近自然旁通道通過模擬自然河流形態和結構以及天然河流急流或緩流形態而構造建立的魚道形式，所選建筑材料與自然條件下的河流基本一致[12]。近期建的長洲水利樞紐魚道、安谷水電站魚道和仿自然旁通道，以及藏木魚道，在河流連通和魚類洄游上均起到了相應的作用。較早建的洋塘魚道、瀏河魚道、團結河魚道曾經在過魚上也起到了較好的作用。完全恢復主要通過拆除擋水建筑物，恢復河流天然生境，包括水流、自然生境等，一般應用小型河流中，對已建小型水利水電工程實施拆除，并完全恢復河流天然生境。如瀾滄江基獨河連通性的修復，通過拆除已建的水電工程，恢復河流的天然特征[13]。河流連通性修復工程是水利水電工程建設采取的重要環保措施，2016年，生態環境部印發《關于以改善環境質量為核心加強環境影響評價管理的通知》，要求加強項目環評審批與區域環境質量聯動機制，開發干流，保護支流，支流基本均采用連通或拆除修復。

2.5 河流形態修復

通過構建淺灘-深潭、丁壩、溢流堰、人工濕地島嶼等工程措施對河流形態的多樣性進行修復。淺灘-深潭結構可在河流中形成不同流速和水深的水流形態，為水生生物提供不同類型棲息環境。淺灘可增加河流溶解氧含量，深潭為魚類提供越冬、避難以及繁殖場所。構建丁壩是保護河岸和改善水生生境的重要工程措施，在丁壩間可形成緩流區以及丁壩壩頭形成急流區，增加河流流態多樣性，從而營造多樣化的水生生境[14]。構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條件，營造多樣化河流生境，為魚類提供棲息生境；豐水期營造跌水效果，增加流態，為流水性魚類產卵、繁殖創造條件，同時增加河流自然景觀效果。人工濕地島嶼構建，利用河流漫灘進行人工濕地島構建，從而增加河口空間異質性，為鳥類、魚類提供棲息環境。為了保護云南裂腹魚等珍稀魚類生境，2012年通過對基獨河進行河流連通性修復、河流蜿蜒形態多樣性修復、河流橫向斷面多樣性修復、淺灘-深潭結構營造、人工濕地修復和河道內部棲息地強化修復等多種工程措施，恢復其自然生態和魚類棲息地環境[13]。在未來的河流修復過程中，根據河流的情況，有些小支流逐漸進入采取拆除修復的方式，大江大河主要采取工程措施進行恢復。

3 結 語

隨著現代社會的快速發展，人類活動的過度干擾以及對河流的不合理開發使自然水體產生了一系列的生態環境問題，并且日趨嚴重。隨著對河流生態研究工作的不斷深入和治理工作的不斷展開，生態修復理念正在不斷地貫穿于整個工作之中，水利水電工程生態修復技術隨著研究和實踐工程的深入也逐漸得到了發展與完善，在河流污染防治與生態修復中發揮了積極的作用。為了更好地理解和應用生態修復技術，改善河流生態環境，必須了解各項技術的基本特點，結合特定的河流環境特征，因地制宜地選用合適的修復方法，以最經濟合理的配置，構建穩定、可持續發展的河流水生態環境系統。