某魚類棲息地修復工程實施效果研究

葉智峰，朱冬舟，孫 干

(1.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434；2.中國三峽建工(集團)有限公司，四川 成都 610041)

棲息地即生境，“生境”一詞由美國Grinnell首先提出，他定義生境為生物生存環境的空間范圍及生存空間中的全部環境因子。對魚類而言，其棲息地則包括其完成產卵、索餌、越冬等過程所必需的水域范圍[1]。引水式電站的建設使攔河壩至電站尾水之間河流的流量大幅下降，形成減水河段。減水對河流生態環境的突出影響表現為水生生物適宜生境區域面積的壓縮[2]，對減水河段的生態修復主要應做好對水生生境的修復。孔得兵[3]利用生境模擬法對水電站下游脫水段生態流量進行研究分析；郭明戰等[4]提出應通過滿足最小下泄流量、建立魚類增殖站、修建魚道等措施緩解引水式電站建設產生的負面影響；王國慶等[2]通過二維水力模擬計算，對減水河段設置深槽和擋水堰不同組合的生境修復方案進行研究；王銳等[5]通過一維模型計算分析錦屏二級水電站下游減水河段流速、水深、水溫變化對魚類產卵場生境的影響。韓仕清[6]將生態修復非工程措施與工程措施相結合，通過二維水力模擬計算，研究減水河段橫向、縱向上工程修復措施的改善效果。龐遠宇等[7]闡述了大藤峽水利樞紐工程中通過設立禁漁區、延長禁漁期、設置人工魚巢及人造產卵場等，實施脫水河段棲息地保護與修復。

現階段，針對魚類棲息地生境修復的相關研究對象主要是天然河流，針對引水式電站減水河段的研究較少；少數針對引水式電站減水河段生境修復的研究也僅停留在調查分析或實驗模擬階段，缺乏工程實踐經驗與效果驗證，要建立適合減水河段的魚類棲息地修復技術方案體系，還有大量工作亟待開展。本文對“松新減水河段魚類棲息地修復工程”實施效果進行分析評價，總結不同修復措施的優勢與不足，為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

黑水河是金沙江左岸一級支流，是白鶴灘水電站庫區內魚類棲息地優先保護河流[8]，位于四川省涼山彝族自治州境內，發源于昭覺縣瑪果梁子，自北向南流經昭覺、普格、寧南3縣，于寧南縣東南部葫蘆口匯入金沙江。目前，黑水河干流已建有蘇家灣、公德房、松新、老木河4座引水式電站。

黑水河魚類資源豐富，根據2018—2019年度中國水產科學研究院魚類資源調查報告表明，黑水河發現魚類44種，隸屬3目9科32屬，共計22563尾。隨著白鶴灘電站建成蓄水，黑水河下游天然河道空間被進一步壓縮[9]，可供魚類生存繁衍的棲息地面臨大幅度減少。同時，黑水河干流4座電站的建設從水文情勢、底質、餌料生物群落等方面顯著改變了河道上、下游原有生境，降低了生境適宜性。河道內多處采砂點亦對河床形態造成了改變，對棲息地質量產生影響。因此，迫切需要采取建設過魚設施、修復棲息地等措施，最大可能地減緩水電站建設造成的不利影響。

根據烏東德、白鶴灘環境影響報告書的要求以及黑水河河流生態修復規劃的總體部署，“黑水河魚類棲息地生態修復項目”建設任務為：恢復河道連通性、修復受損棲息地、保護魚類、為科研及示范宣傳提供平臺。“松新減水河段魚類棲息地修復工程”作為項目的組成部分，主要任務為修復松新電站8.2km減水河段受損棲息地。

2 設計方案

2.1 總體布置

松新減水河段總長約8.2km，河寬30～140m，蜿蜒度1.13，屬低度蜿蜒，坡降10.8‰，微地形包括12處深灘，18處淺灘，河勢穩定性一般，主要受人為活動、沖溝影響；流量5～11.5m3/s，深泓水深0.31～1.25m，平均流速0.54～1.64m/s，水面寬11.5～35.7m，底質特征為卵石覆蓋、遍布大型漂石。棲息地受損情況主要包括水流漫灘不連續、泥沙及石塊阻隔水流、硬化底質、多樣性不豐富等。針對以上情況，采取疏槽、透水堰、沖溝導堤、鎮腳、底質改善5種工程修復措施。不同修復措施適用位置及作用見表1。

表1 不同修復措施適用位置及作用

根據模型輸出結果，針對不滿足適宜生境水力參數的河段采取修復措施，全部工程內容包括：9段河道疏槽、12處新建透水堰、2段新建鎮腳、3處河道底質改善、4處新建沖溝導堤，減水河段模擬分析結果如圖1所示，工程分布示意圖如圖2所示。

圖1 減水河段模擬分析結果

圖2 工程分布示意圖

2.2 建設時序規劃

為了更好地實現項目總體目標，驗證修復措施的可行性與有效性，項目分2階段實施，2018年上半年先實施試驗工程，汛期之后對試驗工程實施效果進行評估，如達到設計效果，則開展第2階段全河段修復工程。試驗工程包括：疏槽S9(長309m)、透水堰Y12、鎮腳Z2(長66m)、底質改善D3(面積1100m2)、沖溝導堤T1(長126m)。

2.3 修復措施設計

2.3.1疏槽

對河道主槽進行疏浚，斷面總寬度25m，中部10m范圍疏浚深度0.6m，兩側7.5m范圍疏浚深度0.3m，中部與兩側1∶3斜坡連接，上、下游端與自然灘面1∶20緩坡銜接。疏槽以現狀不規則河底為基礎，統一疏浚深度，不設計固定高程，不改變現狀縱坡。疏槽設計斷面圖如圖3所示。

圖3 疏槽斷面圖(單位：m)

2.3.2沖溝導堤

距離沖溝溝口2～3m處順水流方向布置，總長度與溝口口寬相同；導堤斷面為直角梯形，頂寬3m，底寬4.5m，高3m，底面埋深1.5m，采用漿砌塊石砌筑；對沖溝出口處5～10m范圍內岸坡、溝底進行干砌石護砌。沖溝導堤設計斷面圖如圖4所示。

圖4 沖溝導堤斷面圖(單位：m)

2.3.3透水堰

堰頂寬8m，與上、下游護底段1∶5緩坡連接；護底段長10～15m，與自然灘面以1∶20緩坡順接；堰頂高于現狀地面0.3～0.4m，護底段低于堰頂0.5m；垂直于水流方向，堰軸線呈“V”形平面布置，堰頂中間低、兩邊高，河道中心20m范圍內堰頂下凹0.5m；堰體、護底均采用大粒徑塊石堆砌，石料粒徑保證最小面邊長大于25cm，單塊重量不小于25kg。透水堰設計斷面圖如圖5所示。

圖5 透水堰縱斷面圖(單位：m)

2.3.4鎮腳

布置于松散邊坡坡腳，順水流方向布置；斷面為直角梯形，頂寬1.5m，底寬3m，高3m，底面埋深0.5m，采用漿砌塊石砌筑；鎮腳墻前、墻后采用干砌石護砌3～5m。鎮腳設計斷面圖如圖6所示。

圖6 鎮腳斷面圖

2.3.5底質改善

拆除河床中水泥、混凝土等人為形成的底質，恢復為礫石、卵石、土質構成的天然底質。底質改善設計斷面如圖7所示。

圖7 底質改善斷面圖

3 評價方法

3.1 評價指標

棲息地評估是一項系統工程，首先需要確定目標保護魚類，依據目標魚類的生態學特征，通過生態水文學計算，得出適宜生境要素的量化數值，根據搜集的水文、地形地貌資料，評估棲息地適宜性[10]。河流棲息地涉及多種生境要素，主要包括水深、流速、河床糙率、坡降、底質情況等[11]。本項目中，根據前期專題研究成果，目標魚類適宜生境評價指標及特征值確定為：平均流速0.3m/s，最大流速0.6m/s，平均水深0.3m，最大水深0.6m。

3.2 綜合評價方法

本次研究采用指標評分法對不同位置、不同時期的河流生境、生境多樣性進行量化，根據量化結果評價生境適宜性。選取平均水深、最大水深、平均流速、最大流速、生境多樣性作為評價指標，每個評價指標分為3個等級，分別對應分數為1、2、3，將5個評價指標分數相加，總分越高代表生境適宜性越好，總分達到標準值大小，認為生境滿足需求。平均水深、最大水深、平均流速、最大流速根據水文監測數據評分，生境多樣性根據航拍圖評分，指標標準等級劃分見表2。5個生境適宜性評價指標分數之和總分為15分，認定總分大于等于15×0.6=9分的河流生境具有相對較好的適宜性。

表2 評價指標標準分級表

3.3 監測方法

河道航拍圖均通過無人機航拍獲得，水文數據通過以下2種方法監測獲得:

(1)針對水深較大(h>20mm)、水面寬較寬(B>10m)、水流平順且流態穩定的斷面，采用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)進行流速v、水深h、水面寬B、流量Q、地形等內容的測量；

(2)針對水深較小且水面寬較小的斷面，采用便攜式流速儀、測試桿、卷尺等進行流速v、水深h、水面寬B測量，使用”流速面積法”進行計算。

測量斷面布置如圖8所示，測速垂線數布置見表3，垂線測速點布置及流速計算方法見表4。

圖8 測量斷面布置示意圖

表3 測速垂線布置方法

表4 測速垂線上測速點布置方法

一點法：V=V0.6；三點法：V=(V0.2+V0.6+V0.8)/3；五點法：V=(V0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10。

4 工程效果評價與分析

對比分析工程建設之前(以下簡稱“工程前”)、工程建設后(以下簡稱“工程后”)2個時期試驗工程位置水文監測數據、河道航拍圖，評估各類措施的實施效果。

4.1 疏槽

疏槽S9區域工程前、工程后水文監測數據見表5，河道航拍圖如圖9—10所示。

(1)生境適宜性評價

圖9 工程前疏槽S9區域航拍圖

圖10 工程后疏槽S9區域航拍圖

依據表2和表5，采用指標評分法對疏槽S9監測斷面生境適宜性進行評價，生境評分表見表6。根據表6，工程前、工程后疏槽S9監測斷面生境總分分別為7、11分，工程前生境不滿足需求，工程后生境滿足需求。

表5 疏槽S9區域水文監測數據

表6 疏槽S9生境評分表

(2)生境影響分析

對比生境評分情況可知，工程后總分11分高于工程前7分，說明疏槽S9工程對區域生境有改善作用；對比工程前與工程后水文監測數據可知，工程建設后，疏槽S9區域在水面寬度略微減小的情況下，平均水深、最大水深、最大流速、平均流速較工程建設前均明顯增大，河床形成主槽；對比河道航拍圖可知，工程前，該區域水深較淺，部分河段水流漫灘且連續性較差，工程建設后，該區域水深增加，水面的連續性明顯改善，生境多樣性更加豐富。

4.2 沖溝導堤

沖溝導堤T1區域工程前、工程后水文監測數據見表7，河道航拍圖如圖11—12所示。

圖11 工程前疏槽S9區域航拍圖

4.2.1生境適宜性評價

依據表2和表7，采用指標評分法對沖溝導堤T1監測斷面生境適宜性進行評價，生境評分表見表8。根據表8，工程前、工程后沖溝導堤T1監測斷面生境總分均為9分，工程前、工程后生境滿足需求。

圖12 工程后疏槽S9區域航拍圖

表7 沖溝導堤T1區域水文監測數據

表8 沖溝導堤T1生境評分表

4.2.2生境影響分析

對比生境評分情況可知，工程后總分9分與工程前一致。由于沖溝導堤T1主要作用為阻隔沖溝沖積物淤積河道，是對河道生境惡化的預防，工程后總分9分與工程前一致，說明工程建設短時間內不會對生境產生明顯影響。

對比河道航拍圖可知，工程前，沖溝溝口周圍河床內存在沖積物堆積，對河道水流形成一定的阻隔。工程建設完成后，河床內沖積物清理后，河道內未出現新的沖積物。沖溝導堤T1對沖積物的阻擋、引導效果明顯，有效減少沖溝沖積物落入河床主槽，減緩河床主槽內淤積，保證了水流連續性，河流生境得到改善，生境進一步惡化風險被降低。

4.3 透水堰

透水堰Y12區域工程前、工程后水文監測數據見表9，河道航拍圖如圖13—14所示。

圖13 工程前疏槽S9區域航拍圖

圖14 工程后疏槽S9區域航拍圖

表10 透水堰Y12生境評分表

4.3.1生境適宜性評價

依據表2和表9，采用指標評分法對透水堰Y12監測斷面生境適宜性進行評價，生境評分表見表10。根據表10，工程前、工程后透水堰Y12監測斷面生境總分分別為8、12分，工程前生境不滿足需求，工程后生境滿足需求。

表9 透水堰Y12區域水文監測數據

4.3.2生境影響分析

對比生境評分情況可知，工程后總分12分高于工程前8分，說明透水堰Y12工程對區域生境有改善作用。

對比水文監測數據可知，工程建設后，透水堰Y12上游、下游平均水深、最大水深、最大流速、平均流速、水面寬度較工程建設前均明顯增大。

根據工程后水文監測數據對斷面流量估算，透水堰Y12上游流量Q1=0.8×0.24×15.2=2.92m3/s，透水堰Y12堰頂流量Q2=0.13×0.24×41=1.28m3/s，透水堰12堰體透水流量Q3=2.92-1.28=1.64m3/s。透水堰透水率=1.64/2.92=56.2%。根據計算結果可知，在生態流量的情況下，透水堰12透水效果明顯，也起到適度雍水的工程效果。

對比河道航拍圖可知，工程前，該區域水深較淺，水面漫灘且連續性較差，水流條件不滿足適宜生境要求。透水堰Y12建設完成后，堰上游形成深潭，水深較大，營造出生境多樣性；堰頂與下游原有深潭之間平順銜接，水深、流速較工程前均明顯增大，水面連續性較好，水流條件明顯改善。

4.4 鎮腳

鎮腳Z2區域工程前、工程后水文監測數據見表11，河道航拍圖如圖15—16所示。

表11 鎮腳Z2區域水文監測數據

圖15 工程前疏槽S9區域航拍圖

圖16 工程后疏槽S9區域航拍圖

4.4.1生境適宜性評價

依據表2和表11，采用指標評分法對鎮腳Z2監測斷面生境適宜性進行評價，生境評分表見表12。根據表12，工程前、工程后鎮腳Z2監測斷面生境總分均為13分，工程前、工程后生境滿足需求。

表12 鎮腳Z2生境評分表

4.4.2生境影響分析

由生境評分表可知，工程后總分13分與工程前一致。由于鎮腳Z2主要作用為保護松散邊坡、阻隔沖積物淤積河道，是對河道生境惡化的預防，工程前、工程后總分一致，說明工程建設不直接對河道生境產生明顯影響。

對比河道航拍圖可知，工程前，邊坡坡腳為松散堆積體，存在進一步滑坡的隱患，河床內幾處大石塊對河道水流形成一定的阻隔。工程建設完成后，坡腳松散堆積體和河床內石塊被清理，河道內未出現新的沖積物，河道內水面連續性較好。鎮腳Z2保護松散邊坡、穩定河勢作用明顯，河流生境得到改善，生境惡化的隱患被基本消除。

由于漿砌石鎮腳為直立邊坡并有一定高度，且透水性較差，因此鎮腳工程自身對周邊水生、兩棲動物的生境造成一定的負面影響。

4.5 底質改善

底質改善D3區域工程前、工程后水文監測數據見表13，河道航拍圖如圖17—18所示。

4.5.1生境適宜性評價

依據表2和表13，采用指標評分法對底質改善D3監測斷面生境適宜性進行評價，生境評分表見表14。根據表14，工程前、工程后底質改善D3監測斷面生境總分分別為11、12分，工程前、工程后生境均滿足需求。

表13 底質改善D3區域水文監測數據

圖17 工程前疏槽S9區域航拍圖

圖18 工程后疏槽S9區域航拍圖

表14 底質改善D3生境評分表

4.5.2生境影響分析

對比工程前、工程后生境評分情況可知，工程后總分12分高于工程前11分，說明底質改善D3工程對區域生境有改善作用。

對比河道航拍圖可知，底質改善工程D3拆除了河床中水泥、混凝土等人為形成的底質，恢復為蠻石、礫石、卵石、土質構成的天然底質，豐富了生境多樣性，改善了魚類生境。

5 結論

本文通過構建評價模型，對河流生境進行綜合定量評價，分析不同措施的實施效果，得出主要結論如下。

(1)疏槽工程使河床形成主槽，河道水深、流速加大，生境多樣性更加豐富，對區域生境改善作用明顯。

(2)沖溝導堤可有效減少沖溝沖積物落入河床主槽，減緩河床主槽內淤積，提高水流連續性，生境進一步惡化風險被降低。

(3)透水堰透水效果明顯，同時可以起到適度雍水的效果，對區域生境改善和生境多樣性營造起到積極作用。

(4)鎮腳不直接對河道生境產生明顯影響，可起到保護松散邊坡、穩定河勢、維持河道生境的作用；降低了滑坡體阻隔河道的風險，生境惡化的隱患被基本消除；生態性一般，對周邊水生、兩棲動物生境略有影響。

(5)底質改善工程直接改善了目標魚類生境。

河流棲息地涉及的生境要素中還包含河床糙率、坡降等，在后續的研究中，可在本文研究結論的基礎上，重點開展不同修復措施對河床糙率、坡降的影響分析。