河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

張東亞，王 浩，常 毅

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

0 前 言

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，水生態(tài)文明是生態(tài)文明的重要組成和基礎(chǔ)保障。為了滿足水力發(fā)電、供水、防洪、灌溉和航運(yùn)等方面的需要，通常選擇在河流的上中游地區(qū)布置和修建水利水電工程設(shè)施，開(kāi)發(fā)利用水資源。水利水電工程在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了非常重要的作用。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏環(huán)保意識(shí)，過(guò)度開(kāi)發(fā)、無(wú)序開(kāi)發(fā)與利用，以及水資源的開(kāi)發(fā)不當(dāng)造成了諸多環(huán)境問(wèn)題。水體污染、河道斷流、水生態(tài)系統(tǒng)破壞、生境破碎、河道嚴(yán)重渠化、濕地萎縮消亡、綠洲退化等現(xiàn)象也在很多地方出現(xiàn)，直接影響著河流的健康。為了有效地利用水資源，實(shí)現(xiàn)河流及流域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，亟需從源頭扭轉(zhuǎn)水生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)。對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)河流健康，促進(jìn)人水和諧共處，是加快推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)的重要實(shí)踐。

河流生態(tài)修復(fù)是指利用生態(tài)系統(tǒng)原理，采取各種方法，修復(fù)受損傷的水體生態(tài)系統(tǒng)的生物群體及結(jié)構(gòu)，重建健康的水生生態(tài)系統(tǒng)，改善河流生態(tài)系統(tǒng)的主要功能和過(guò)程，并使生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)、自我維持、自我演替的良性循環(huán)[1-2]。

1 水利水電工程帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題

1.1 水文情勢(shì)改變

引水式電站運(yùn)行和水庫(kù)引水將在壩下形成一定長(zhǎng)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(qū)的河流濕地將出現(xiàn)萎縮，一些荒漠區(qū)的河流將出現(xiàn)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(xù)水體，阻斷魚(yú)類的正?；顒?dòng)；水量、營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的減少大大地縮小了魚(yú)類等水生生物的生存、繁衍空間。減水河段內(nèi)，藻類、浮游動(dòng)物的種類組成將趨于簡(jiǎn)單，底棲動(dòng)物的密度和生物量將減少。對(duì)于一些具有日調(diào)節(jié)能力的電站，由于頻繁的調(diào)峰運(yùn)行，導(dǎo)致下游水文情勢(shì)變化較大。部分時(shí)段下游河道水量較小，河床裸露，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境影響較大。

1.2 水溫分層

對(duì)于庫(kù)容較大的水庫(kù)，庫(kù)下層溫度變化較原天然河水溫度變化滯后。由于對(duì)庫(kù)內(nèi)熱量的調(diào)節(jié)作用，水庫(kù)在沿水深方向上呈現(xiàn)出有規(guī)律的水溫分層，表現(xiàn)為冬季庫(kù)區(qū)趨于等溫分布，下泄水溫較天然情況高；春夏季庫(kù)表水溫高，庫(kù)底水溫低，下泄水溫較天然情況低。下泄低溫水對(duì)壩下河段水生生物的繁殖及幼體成長(zhǎng)造成不利影響。水溫變冷，水體的溶氧量和水化學(xué)成分將發(fā)生變化，影響魚(yú)類和餌料生物的衍生，致使魚(yú)類區(qū)系組成發(fā)生變化。下泄低溫水將使魚(yú)類產(chǎn)卵季節(jié)推遲、影響魚(yú)卵孵化甚至造成不產(chǎn)卵。下泄低溫水還會(huì)對(duì)水稻等農(nóng)作物產(chǎn)生“冷害”影響，造成減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。

1.3 水質(zhì)影響

水利水電工程在運(yùn)行期，其自身對(duì)河流水質(zhì)不產(chǎn)生污染，但會(huì)因其改變了水體形態(tài)和降低河流的自凈能力而導(dǎo)致水質(zhì)變化。①水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化。河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)，改變河流流態(tài)，降低水體流速，總磷、總氮等營(yíng)養(yǎng)鹽在水庫(kù)中聚集，緩慢的水流流態(tài)，適宜的溫度條件，容易導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生[3]。②河段減水對(duì)水質(zhì)的影響。由于引調(diào)水工程導(dǎo)致下游河道流量減少，河流自凈能力降低，對(duì)下游河道水質(zhì)造成影響。③農(nóng)業(yè)灌溉退水對(duì)水質(zhì)造成影響。灌溉退水由于攜帶大量的氮、磷等有機(jī)污染物，進(jìn)入受納水體后對(duì)水質(zhì)造成影響。④引調(diào)水工程在水體通過(guò)河道輸送的過(guò)程中，沿線排污容易對(duì)水質(zhì)造成影響；另外，有些水庫(kù)工程，由于庫(kù)區(qū)存在有工礦企業(yè)排放污染物，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)容易造成影響。

1.4 河流片段化

河流筑壩形成水庫(kù)，造成水流的不連續(xù)性，有的河流進(jìn)行梯級(jí)開(kāi)發(fā)，形成多座水庫(kù)串連的格局。水庫(kù)形成以后，原來(lái)河流上中下游蜿蜒曲折的形態(tài)從庫(kù)區(qū)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(kù)生境，生物群落多樣性在不同程度上受到影響。水庫(kù)的淡水生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，與河流生態(tài)系統(tǒng)相比較為脆弱，表現(xiàn)為抗逆性較弱，自我恢復(fù)能力也弱。同時(shí)，筑壩對(duì)河流造成阻隔影響，阻礙壩上下游種群的基因交流，導(dǎo)致種群遺傳多樣性降低，生存延續(xù)能力下降。

1.5 河道渠化

為了確保河道防洪以及航運(yùn)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(guī)則化，改變著深潭、淺灘交錯(cuò)的形勢(shì)，生境的異質(zhì)性降低，水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能隨之發(fā)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(tài)系統(tǒng)退化，導(dǎo)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(zhì)化，隔斷了地表水和地下水的聯(lián)系通道，使大量水陸交錯(cuò)帶的植物失去生存條件，同時(shí)影響岸坡內(nèi)的土壤大量微生物的生存[4]。

2 河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用

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

2.1 水文過(guò)程修復(fù)

為了維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，常用水文學(xué)法、水力學(xué)法、組合法、生境模擬法、綜合法等方法計(jì)算所需水量。所需最小水量，非汛期一般不應(yīng)小于河道控制斷面多年平均流量的10%，汛期一般不應(yīng)小于20%。不同地區(qū)、不同規(guī)模、不同類型河流，同一河流不同河段的生態(tài)用水要求差異較大，在生態(tài)系統(tǒng)有更多、更高需要時(shí)，應(yīng)加大流量。在保證下游生態(tài)流量的同時(shí)，為確保下游魚(yú)類的產(chǎn)卵繁殖，還應(yīng)開(kāi)展生態(tài)調(diào)度。一般每年4～7月是魚(yú)類的主要產(chǎn)卵繁殖時(shí)期，需要加大流量的下泄，模擬自然洪峰過(guò)程，刺激魚(yú)類的產(chǎn)卵繁殖[6]。如已經(jīng)批復(fù)的瑪爾擋水電站、巴拉水電站、巴塘水電站，為了裂腹魚(yú)、虎嘉魚(yú)等均設(shè)置了具體的生態(tài)調(diào)度方案，恢復(fù)魚(yú)類產(chǎn)卵期的水文過(guò)程，保證魚(yú)類的正常繁殖。目前已建的一些水利水電項(xiàng)目也正在開(kāi)展生態(tài)放水設(shè)施的改造和生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。三峽水庫(kù)2011年至今，通過(guò)人造洪峰調(diào)度，連續(xù)7年實(shí)施針對(duì)四大家魚(yú)自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，有效促進(jìn)了四大家魚(yú)的產(chǎn)卵繁殖活動(dòng)[7]。

2.2 水溫恢復(fù)

為減輕水庫(kù)下泄低溫水對(duì)下游造成的不利影響，保護(hù)下游生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，通常采取分層取水、合理利用水庫(kù)洪水調(diào)度運(yùn)行方式、寬淺式過(guò)水?dāng)嗝娴墓喔惹?、“田間調(diào)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(mén)、疊梁門(mén)、翻板門(mén)、浮筒等豎井式、斜涵臥管式以及多個(gè)不同高程取水口布置等形式[8]。目前，對(duì)于多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、不完全年調(diào)節(jié)及季調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)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(jí)水電站等對(duì)水溫進(jìn)行恢復(fù)，減緩水溫的影響，都取得了一定的效果。2017年，溪洛渡水庫(kù)通過(guò)操作疊梁門(mén)取上中層水的方式，調(diào)節(jié)出庫(kù)水溫，以促進(jìn)產(chǎn)粘沉性卵魚(yú)類(如達(dá)氏鱘、胭脂魚(yú))正常產(chǎn)卵繁殖[9]。

2.3 水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化技術(shù)包括原位凈化和異位凈化兩種。水質(zhì)原位凈化技術(shù)包括人工打撈等物理方法，也包括向水體中投放化學(xué)藥劑或生物藥劑，在水面設(shè)置生物浮床和曝氣設(shè)施[10]，還包括近年來(lái)廣泛被人們研究和應(yīng)用的利用生物膜法凈化水質(zhì)的生物法、水生植物控制技術(shù)、人工濕地技術(shù)、生物操縱技術(shù)、石墨烯光催化技術(shù)等[11]。其中，水質(zhì)原位凈化由于其就地凈化、不占用土地的特點(diǎn)，近年來(lái)備受關(guān)注。相關(guān)研究尤其是石墨烯催化技術(shù)處理水質(zhì)近年來(lái)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，其特點(diǎn)為：工藝簡(jiǎn)單、時(shí)間短、見(jiàn)效快、操作方便，并且降解徹底、無(wú)二次污染。異位凈化主要采用管道截污、導(dǎo)流，將受污染河流經(jīng)過(guò)人工濕地或污水處理廠處理等技術(shù)。

2.4 河流連通性修復(fù)

河流連通性修復(fù)和恢復(fù)分為部分恢復(fù)和完全恢復(fù)。部分恢復(fù)主要通過(guò)技術(shù)型魚(yú)道、近自然旁通道、魚(yú)坡技術(shù)等，恢復(fù)河流上下游連通性。技術(shù)型魚(yú)道主要有槽式、豎縫式、導(dǎo)墻式、隔板式等；近自然旁通道通過(guò)模擬自然河流形態(tài)和結(jié)構(gòu)以及天然河流急流或緩流形態(tài)而構(gòu)造建立的魚(yú)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(zhǎng)洲水利樞紐魚(yú)道、安谷水電站魚(yú)道和仿自然旁通道，以及藏木魚(yú)道，在河流連通和魚(yú)類洄游上均起到了相應(yīng)的作用。較早建的洋塘魚(yú)道、瀏河魚(yú)道、團(tuán)結(jié)河魚(yú)道曾經(jīng)在過(guò)魚(yú)上也起到了較好的作用。完全恢復(fù)主要通過(guò)拆除擋水建筑物，恢復(fù)河流天然生境，包括水流、自然生境等，一般應(yīng)用小型河流中，對(duì)已建小型水利水電工程實(shí)施拆除，并完全恢復(fù)河流天然生境。如瀾滄江基獨(dú)河連通性的修復(fù)，通過(guò)拆除已建的水電工程，恢復(fù)河流的天然特征[13]。河流連通性修復(fù)工程是水利水電工程建設(shè)采取的重要環(huán)保措施，2016年，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于以改善環(huán)境質(zhì)量為核心加強(qiáng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理的通知》，要求加強(qiáng)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批與區(qū)域環(huán)境質(zhì)量聯(lián)動(dòng)機(jī)制，開(kāi)發(fā)干流，保護(hù)支流，支流基本均采用連通或拆除修復(fù)。

2.5 河流形態(tài)修復(fù)

通過(guò)構(gòu)建淺灘-深潭、丁壩、溢流堰、人工濕地島嶼等工程措施對(duì)河流形態(tài)的多樣性進(jìn)行修復(fù)。淺灘-深潭結(jié)構(gòu)可在河流中形成不同流速和水深的水流形態(tài)，為水生生物提供不同類型棲息環(huán)境。淺灘可增加河流溶解氧含量，深潭為魚(yú)類提供越冬、避難以及繁殖場(chǎng)所。構(gòu)建丁壩是保護(hù)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(qū)以及丁壩壩頭形成急流區(qū)，增加河流流態(tài)多樣性，從而營(yíng)造多樣化的水生生境[14]。構(gòu)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(yíng)造多樣化河流生境，為魚(yú)類提供棲息生境；豐水期營(yíng)造跌水效果，增加流態(tài)，為流水性魚(yú)類產(chǎn)卵、繁殖創(chuàng)造條件，同時(shí)增加河流自然景觀效果。人工濕地島嶼構(gòu)建，利用河流漫灘進(jìn)行人工濕地島構(gòu)建，從而增加河口空間異質(zhì)性，為鳥(niǎo)類、魚(yú)類提供棲息環(huán)境。為了保護(hù)云南裂腹魚(yú)等珍稀魚(yú)類生境，2012年通過(guò)對(duì)基獨(dú)河進(jìn)行河流連通性修復(fù)、河流蜿蜒形態(tài)多樣性修復(fù)、河流橫向斷面多樣性修復(fù)、淺灘-深潭結(jié)構(gòu)營(yíng)造、人工濕地修復(fù)和河道內(nèi)部棲息地強(qiáng)化修復(fù)等多種工程措施，恢復(fù)其自然生態(tài)和魚(yú)類棲息地環(huán)境[13]。在未來(lái)的河流修復(fù)過(guò)程中，根據(jù)河流的情況，有些小支流逐漸進(jìn)入采取拆除修復(fù)的方式，大江大河主要采取工程措施進(jìn)行恢復(fù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)的過(guò)度干擾以及對(duì)河流的不合理開(kāi)發(fā)使自然水體產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，并且日趨嚴(yán)重。隨著對(duì)河流生態(tài)研究工作的不斷深入和治理工作的不斷展開(kāi)，生態(tài)修復(fù)理念正在不斷地貫穿于整個(gè)工作之中，水利水電工程生態(tài)修復(fù)技術(shù)隨著研究和實(shí)踐工程的深入也逐漸得到了發(fā)展與完善，在河流污染防治與生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮了積極的作用。為了更好地理解和應(yīng)用生態(tài)修復(fù)技術(shù)，改善河流生態(tài)環(huán)境，必須了解各項(xiàng)技術(shù)的基本特點(diǎn)，結(jié)合特定的河流環(huán)境特征，因地制宜地選用合適的修復(fù)方法，以最經(jīng)濟(jì)合理的配置，構(gòu)建穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的河流水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。