烏東德水電站庫尾棲息地水力生境優(yōu)化調(diào)度

樊皓　張登成

摘要：金沙江烏東德水電站庫尾河段是烏東德、白鶴灘水電站棲息地保護體系的重要組成部分，該河段受上游觀音巖、金沙以及桐子林等水電站非恒定流下泄影響，河段流速、水深等水力條件變化頻繁且復(fù)雜，河段棲息地保護功能和效果難以保障。為調(diào)控棲息地保護河段水位變幅和流速，改善魚類產(chǎn)卵適宜的水力生境，采用MIKE21進(jìn)行模擬計算，研究在3-4月裂腹魚類產(chǎn)卵期對上游梯級下泄流量過程和下游烏東德水庫運行水位的控制要求。結(jié)果表明，從水深適宜度看，在3-4月特定流量條件下，烏東德水電站運行水位應(yīng)在974.0～974.5 m；為營造較為適宜的流速，裂腹魚類產(chǎn)卵繁殖期間，烏東德水電站庫水位應(yīng)維持在974.5 m附近。當(dāng)上游梯級下泄流量時段內(nèi)變幅小于1 600 m3/s，下游烏東德水庫庫水位保持在974.0～974.5 m，可控制河段水深在0.5～1.5 m、流速在1.5～2.5 m/s的適宜閾值區(qū)間變動。研究可為進(jìn)一步提升烏東德庫尾棲息地保護河段功能及其保護價值提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：烏東德水電站；庫尾河段；棲息地；水力生境；調(diào)度

中圖分類號：TV741，X24? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2023）05-0018-07

水利水電工程的建設(shè)會對河流連通性、水文情勢、水溫、水質(zhì)以及河床底質(zhì)等產(chǎn)生一定程度的影響，而大型河流的開發(fā)通常以梯級的方式展開，形成典型的河湖分相格局（陳求穩(wěn)等，2020），河段魚類重要棲息生境也隨之發(fā)生變化。為減緩或降低河流筑壩對魚類的影響，可采取棲息地保護、過魚設(shè)施、增殖放流等措施。但由于過魚設(shè)施涉及不同學(xué)科，融合度不夠、運行管理機制不健全等問題，效果有待進(jìn)一步提升（陳求穩(wěn)等，2020；Shi et al，2015）；魚類增殖放流受部分魚種繁育技術(shù)、規(guī)?；B(yǎng)殖技術(shù)限制，難以完全達(dá)到保護的要求。因此，選擇合適的河段或支流作為棲息地或替代生境，是保護魚類資源相對可靠、有效的途徑。魚類棲息地保護應(yīng)選擇合適的河段或水域，再結(jié)合保護對象特征，營造適應(yīng)的水流條件（楊宇等，2007）。國內(nèi)棲息地保護河段水域一般遵循“干流開發(fā)、支流保護”的原則，如金沙江上游將藏曲、定曲等支流作為棲息地保護河流，金沙江下游將黑水河作為棲息地保護河流。此外，如果無法找到適宜的支流作為替代生境，也可將干流不受開發(fā)影響或受影響程度較弱的河段，甚至是水庫的庫尾河段作為棲息地保護河段。而然，水庫庫尾棲息地保護河段，在開發(fā)強度較高的水域，尤其是以水電開發(fā)為主的流域，一般會受上下游梯級發(fā)電調(diào)度影響，適宜的水力生境無法保證，進(jìn)而影響到棲息地保護的效果。

20世紀(jì)80年代以來，學(xué)者們在微觀尺度上對棲息地進(jìn)行了研究，Kemp 等（1999） 提出功能性棲息地和水力棲息地的基本概念。許多學(xué)者通過研究功能性棲息地與水流參數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建棲息地性能曲線（Scruton et al，1998；Nykanen et al，2002；Vilizzi， et al，2004；Barmuta，1989）， 研究以底質(zhì)定義的棲息地，測量了流速、水深、含氧量、溫度等多種理化數(shù)據(jù)，分析不同水力條件對河床底質(zhì)、地形的作用。已有研究表明，魚類棲息地與水力學(xué)條件之間關(guān)系密切，如裂腹魚類在產(chǎn)卵期需要保障適宜的水深、流速等，在受精卵的孵化期則需要相對穩(wěn)定的水位過程。對于水電站庫尾棲息地河段，如何通過上下游聯(lián)合調(diào)度，使得棲息地保護河段在魚類產(chǎn)卵、繁殖時段水位過程和水深相對穩(wěn)定，是當(dāng)下需要研究和解決的問題。

烏東德水電站庫尾河段地處金沙江中、下游銜接處，受上游觀音巖、金沙以及雅礱江桐子林等電站建設(shè)影響，下游河道河流泥沙通量顯著改變，河床底質(zhì)、水力條件、水文情勢與天然情況發(fā)生了較為顯著的變化（王沛芳等，2016）。攀枝花地處金沙江干熱河谷，高溫、暴曬以及上游梯級調(diào)度導(dǎo)致的產(chǎn)卵場水域水陸邊界頻繁變化，在一定程度上影響了江段分布的齊口裂腹魚（Schizothorax prenanti）、短須裂腹魚（Schizothorax wangchiachii）等產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵、繁殖，也影響了該河段作為魚類棲息地的效果。究其原因，上游觀音巖、金沙等水電梯級的調(diào)度導(dǎo)致其下游河段流量日內(nèi)、日際間變化達(dá)1 600 m3/s以上，導(dǎo)致烏東德庫尾河段水位變化幅度大，水陸邊界頻繁變化，不能提供魚類偏愛的穩(wěn)定的水位過程和水深要求。為此，本文擬通過研究梯級聯(lián)合調(diào)度，以營造相對穩(wěn)定的水位過程和適宜的流速，改善棲息地保護效果。

1? ?研究方法

1.1? ?研究區(qū)域概況

攀枝花河段位于金沙江中下游，雅礱江在此匯入。匯入前干流河段多年平均流量1 870 m3/s（攀枝花水文站），匯入后為3 790 m3/s（三堆子水文站）。河段建設(shè)有觀音巖、金沙、銀江（在建）、烏東德等多個水電梯級（圖1）。觀音巖水電站為周調(diào)節(jié)；金沙、銀江水電站均為日調(diào)節(jié)，在枯水時段（3月）和平水時段（4月、11月），受電網(wǎng)調(diào)度影響，電站下泄流量日內(nèi)變幅較大；烏東德為季調(diào)節(jié)水庫，水庫7月按防洪限制水位952 m運行，8月初開始蓄水，逐步蓄水至正常蓄水位975 m，9月以后維持高水位方式運行，直至次年6月底消落至防洪限制水位或死水位。上下游各梯級調(diào)節(jié)能力不一，導(dǎo)致河段水文情勢復(fù)雜多變。

烏東德庫區(qū)支流龍川江、塵河、勐果河、鲹魚河等均存在開發(fā)利用程度高、水質(zhì)差、流量小甚至存在斷流現(xiàn)象等問題，不具備作為替代生境的條件；而庫尾攀枝花河段具有較復(fù)雜的流水生境，急緩流、灘涂潭交錯分布。因此烏東德水電站環(huán)境影響報告書選擇將庫尾變動回水區(qū)江段作為齊口裂腹魚、重口裂腹魚和短須裂腹魚等長江上游特有魚類的棲息地保護河段，并為庫區(qū)喜緩流和靜水生境但需流水刺激產(chǎn)卵的魚類提供適宜的水生生境。通過實地勘測，從生境適宜性、建設(shè)條件、管理維護、外部制約因素、場址代表性等5個方面進(jìn)行綜合分析，選擇位于雅礱江匯口以下9 km的大沙壩邊灘作為微觀改造的適宜區(qū)域。該區(qū)域現(xiàn)狀為廢棄采砂區(qū)，灘地面積約3.11萬m2。灘地底質(zhì)以礫石為主，中部分布有數(shù)個采砂坑，邊灘水深較淺，流速較大。通過設(shè)置挑沙潛堤、降低邊灘淤砂速度，豐富水流多樣性進(jìn)行局部修復(fù)，塑造產(chǎn)卵場，營造適宜的底質(zhì)和水流條件。

1.2? ?棲息地水力生境需求分析

魚類繁殖需要依靠某種特定的水力學(xué)條件，如四大家魚產(chǎn)卵的發(fā)生和水位的漲落有較顯著的相關(guān)性；裂腹魚喜棲息于急緩流交界處，其產(chǎn)卵場分布于水流相對較急的沙礫地質(zhì)區(qū)域，適當(dāng)?shù)牧魉倌艽碳~類產(chǎn)卵，同時提供魚類發(fā)育需要的溶氧。陳求穩(wěn)（2016）針對魚類棲息地保護和生態(tài)流量需求以及生態(tài)調(diào)度進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述；Han等（2013）通過魚類生態(tài)水力學(xué)物理模型實驗理論與方法以確定魚類對關(guān)鍵水動力指標(biāo)的喜好；陳明千等（2013）研究指出，流速、水深等用來描述魚類產(chǎn)卵場水利生境具有很好的代表性；韓仕清等（2016）提出，齊口裂腹魚、重口裂腹魚等魚類產(chǎn)卵繁殖流速一般介于1.5～2.5 m/s較適宜，水深介于0.5～1.5 m較適宜。裂腹魚類成魚繁殖所需的生境條件（樊皓等，2016）如表1。

1.3? ?研究方法

基于對裂腹魚類適宜的水力生境參數(shù)分析，結(jié)合棲息地保護河段所在區(qū)域水電梯級開發(fā)情況，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，確定聯(lián)合調(diào)度條件下的適宜水力參數(shù)營造研究方法。模擬計算區(qū)域以金沙水電站壩址為上邊界，以拉鲊水位站為下邊界，采用MIKE21進(jìn)行模擬計算，重點對大沙壩位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。模型計算原理如下：

式中：h為總水深；[u]、[v]分別為流速在深度上的平均值，h[u]=[-dηudz]，h[v]=[-dηvdz]；τbx、τby為x，y方向的底面摩阻應(yīng)力；f為柯氏力系數(shù)；g為重力加速度；η為水面高程；ρ為水的密度；ρ0為（淡）水的參考密度；pa為大氣壓強；t為時間；S為源匯項的流量，us、vs分別為源匯處的流速。

研究江段為金沙江中、下游銜接段，該棲息地保護河段主要保護魚類為齊口裂腹魚、短須裂腹魚等產(chǎn)粘沉性卵魚類，其主要產(chǎn)卵時段分布在3-4月。因此，選擇3-4月的不同來流情況和烏東德不同運行水位進(jìn)行組合計算。分析在現(xiàn)狀、烏東德按正常蓄水位975 m調(diào)度運行后，棲息地保護河段生境變化情況，確定烏東德水電站上游來流與水庫運行水位的最優(yōu)組合，保障產(chǎn)卵場位置有效水力生境。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?棲息地水力生境現(xiàn)狀

2.1.1? ?河段水文站實測數(shù)據(jù)? ?現(xiàn)狀情況下，烏東德庫尾江段受上游觀音巖、金沙以及雅礱江桐子林電站非恒定流下泄影響。據(jù)統(tǒng)計，一般情況下，3-4月份河段日均流量1 810 m3/s，日內(nèi)最小流量與最大流量間相差199～1 910 m3/s。根據(jù)三堆子水文站實測數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀情況下（烏東德未蓄水、銀江）三堆子斷面日變幅在0.12～3.43 m。即在上游觀音巖、金沙、桐子林等電站調(diào)節(jié)情況下，在枯水、平水時段三堆子斷面日內(nèi)最大水位變幅達(dá)3.43 m，平均日變幅為1.72 m，如圖2。

2.1.2? ?大沙壩人工產(chǎn)卵場分析? ?大沙壩人工產(chǎn)卵場位于三堆子水文站下游約5 km位置，所在水域流速為1.4～2.7 m/s，水深為0.1～1.2 m，部分時段水深難以滿足裂腹魚類產(chǎn)卵繁殖較適宜的水力學(xué)生境條件，且受上游非恒定流下泄影響，河段流速、水深波動幅度較大，棲息地保護效果受到一定程度的影響。

2.2? ?梯級聯(lián)合調(diào)度方案

2.2.1? ?烏東德水庫運行水位? ?根據(jù)烏東德水電站運行調(diào)度規(guī)則，裂腹魚類產(chǎn)卵時段（3-4月），庫水位基本維持在973～975 m運行。據(jù)三堆子水文站實測流量統(tǒng)計，3-4月份該河段流量為940～3 710 m3/s。烏東德壩前水位自973.0 m起，按0.5 m為步長遞增至975 m。

據(jù)統(tǒng)計，3月至4月上旬，上游來流一般小于2 500 m3/s，當(dāng)庫水位在974.0 m以下，烏東德水庫回水不涉及產(chǎn)卵場所在河段。因此，該水位下運行時，通過水庫調(diào)蓄無法改變河段棲息地水力生境條件。

（1）水深變化

基于表1中關(guān)于魚類適宜水深的閾值，結(jié)合河段水深實際情況，將水深適宜區(qū)間細(xì)分為<0.3、0.3～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～3.0 m等。

當(dāng)庫水位在974.0 m以上運行時，水庫回水涉及產(chǎn)卵場所在河段。受烏東德水電站回水頂托，上游非恒定流下泄影響有所緩解。大沙壩產(chǎn)卵場日內(nèi)（24 h以內(nèi)）所有時段水深均集中在0.5～1.5 m區(qū)間及以上（圖3）。從不同水深區(qū)間分布時長占總統(tǒng)計時長比例的熱點圖（圖4）可以看出，庫水位達(dá)到974.0 m及以上時，0.5～1.0 m、1.0～1.5 m為該水位運行期間水深分布時長較為密集的區(qū)域，其中28%的時段在0.5～1.0 m之間，56%的時段在1.0～1.5 m。產(chǎn)卵場位置最小水深從無水庫調(diào)節(jié)的0.2 m增加至0.5 m，且穩(wěn)定維持在0.5 m以上；水位日內(nèi)變幅基本可控制在1.5 m以內(nèi)。

當(dāng)庫水位在975 m時，產(chǎn)卵場所在水域水深日內(nèi)全時段在1.0 m以上。其中28%的時段河段水深在1.0～1.5 m，32%的時段在1.5～2.0 m，40%的時段在2.0～3.0 m（圖5）。水位日內(nèi)變幅控制在1.5 m以內(nèi)。

因此，從水深適宜度來看，在3-4月特定的流量條件下，烏東德水電站運行水位應(yīng)在974.0～974.5 m。

（2）流速變化

基于表1中關(guān)于魚類適宜流速的閾值，結(jié)合河段流速實際情況以及河流緩流、較緩流、較急流、急流劃分，將水深適宜區(qū)間細(xì)分為<0.3、0.3～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5 m/s等。庫水位處于974.0～974.5 m時，大沙壩河段最大流速由現(xiàn)狀的2.4 m/s減小至2.1 m/s，最小流速在1.0 m/s以上，是裂腹魚類產(chǎn)卵較偏愛的流速環(huán)境。隨著庫水位進(jìn)一步抬升至975 m左右時，河段流速進(jìn)一步減小，日內(nèi)流速在0.9～1.5 m/s（表2）。

齊口裂腹魚、重口裂腹魚等魚類產(chǎn)卵繁殖流速一般介于1.5～2.5 m/s較適宜。因此，為營造較為適宜的流速，在裂腹魚類產(chǎn)卵繁殖期間，烏東德水電站庫水位應(yīng)維持在974.5 m附近較為適宜。

（3）烏東德水電站庫水位運行方案

烏東德庫尾棲息地保護河段受上游觀音巖、金沙以及雅礱江桐子林水電站非恒定流下泄影響，河段水力生境參數(shù)變化劇烈。經(jīng)計算分析，烏東德水電站庫水位在3月下旬至4月上旬維持974.0～974.5 m高水位運行，可以營造較為適宜的棲息地水力生境條件。若烏東德水電站運行水位超過974.5 m，大沙壩產(chǎn)卵場位置水深則超過了適宜的閾值范圍。

2.2.2? ?上游梯級下泄流量? ?根據(jù)魚類習(xí)性特征，齊口裂腹魚、短須裂腹魚等集中繁殖期在3月下旬至4月上旬，孵化時間約10 d。在此期間，棲息地保護河段同樣需要保持相對穩(wěn)定的水位過程。而棲息地保護河段穩(wěn)定的水位過程同時受上游來流和下游烏東德運行水位的影響，即在控制下游烏東德水電站運行水位的同時，也需要控制上游下泄流量。據(jù)三堆子近10 a實測流量統(tǒng)計，在觀音巖、金沙、桐子林等電站正常運行情況下，3月下旬至4月上旬日均流量為940～2 500 m3/s，瞬時流量為902～2 750 m3/s。根據(jù)各電站生態(tài)流量泄放要求，烏東德庫尾河段最小來流量為902 m3/s。

河段梯級均以發(fā)電為主，電站出力受電網(wǎng)調(diào)度影響較大，且基本同頻。根據(jù)上文計算，當(dāng)上游來流量小于2 500 m3/s，烏東德水庫水位維持在974.0～974.5 m運行時，烏東德水電站回水可影響大沙壩水域。在烏東德水庫運行水位基本確定的情況下，3月下旬至4月上旬魚類繁殖期間，若電網(wǎng)調(diào)度要求各梯級電站加大下泄，最大下泄流量應(yīng)不高于3 700 m3/s；同時，為避免3月下旬至4月上旬時段內(nèi)日際、日內(nèi)水位變幅過大，時段內(nèi)最大流量與最小流量差應(yīng)不大于1 600 m3/s，以營造較適宜的水力生境。

3? ?討論

烏東德水電站工程前期論證過程中，基于江段主要魚類繁殖習(xí)性，結(jié)合庫區(qū)江段干支流水文、水質(zhì)特征，從宏觀上選擇烏東德水電站庫尾作為棲息地保護河段。庫尾河段地處金沙江中、下游銜接處，在觀音巖、金沙、雅礱江桐子林以及烏東德等電站的共同影響下，河段水文情勢、水動力條件發(fā)生明顯改變。江段水位變幅大，嚴(yán)重影響了河段作為棲息地的功能。國內(nèi)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度技術(shù)大都是針對壩下河段魚類保護開展，如對于產(chǎn)粘沉性卵魚類實施基荷運行保障壩下河段水位的穩(wěn)定，以滿足受精卵孵化和仔幼魚發(fā)育的需求；針對產(chǎn)漂流性卵魚類通過人造洪峰以營造適宜的流量漲落過程，刺激其產(chǎn)卵繁殖，而針對庫尾河段的水力生境條件營造尚未有較為深入的研究。

在魚類水力生境指標(biāo)方面，研究發(fā)現(xiàn)，水深、流速等水力參數(shù)是影響產(chǎn)粘沉性卵魚類的主要因素，明確了水深0.5～1.5 m、流速1.5～2.5 m/s的參數(shù)閾值（韓仕清等，2016），但對于維持水深、流速的方法未有深入研究。對受非恒定流影響的烏東德庫尾河段來說，控制如此穩(wěn)定的水深和流速是難以實現(xiàn)的。為此，針對這一特殊情況，本文通過篩選、甄別齊口裂腹魚、短須裂腹魚等保護對象產(chǎn)卵繁殖對水深、流速等的水力參數(shù)，明確水力參數(shù)適宜的變化區(qū)間，并通過調(diào)控下游水庫水位，以達(dá)到緩解因上游非恒定流下泄而導(dǎo)致棲息地保護河段劇烈的水位變化的目的，同時考慮保護對象產(chǎn)卵繁殖對流速、水位的需求，對上游梯級下泄流量及過程、下游梯級運行水位提出量化的要求，明確梯級聯(lián)調(diào)的原則，形成了以保護庫尾棲息地為主要目的生態(tài)調(diào)度方案。

此外，本文通過對上游不同流量和下游烏東德水庫運行水位進(jìn)行多工況分析，并對水深、流速分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計，找出不同運行水位水深、流速集中分布的區(qū)間，可以形象地表現(xiàn)河段水深、流速分布的時空差異。通過更精細(xì)化的分區(qū)間統(tǒng)計方法，為后續(xù)水庫精準(zhǔn)調(diào)度運行提供一定的參考。但在實際運行調(diào)度過程中，依然存在以下幾個問題：

（1）現(xiàn)階段烏東德水庫按965 m水位控制運行，在獲得生態(tài)環(huán)境主管部門環(huán)境影響報告書批復(fù)以后，方可按975 m正常蓄水位運行。即本文提出的通過高水位運行緩解非恒定流下泄影響的方案短期之內(nèi)無法實現(xiàn)。在此期間，可通過開展庫尾棲息地保護河段的水文、水溫以及魚類早期資源監(jiān)測，進(jìn)一步明確保護對象繁殖對水深、流速等的需求及響應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)實施上下游梯級精準(zhǔn)聯(lián)合調(diào)度，營造有效水力生境提供指導(dǎo)。

（2）上游觀音巖、金沙、桐子林、烏東德等水電站分屬不同的運行管理單位，電站均以發(fā)電為主，觀音巖、金沙、桐子林等電站調(diào)峰基本同頻，在沒有烏東德高水位運行調(diào)節(jié)的情況下，烏東德庫尾棲息地保護河段劇烈的水位變化還將持續(xù)。在生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的基本原則下，在烏東德水電站解決運行水位問題的前提下，如何構(gòu)建協(xié)調(diào)機制，協(xié)調(diào)好烏東德庫尾棲息地保護與發(fā)電經(jīng)濟效益的關(guān)系，是我們今后需要深入研究的課題。

（3）本文僅從流速、水深兩要素進(jìn)行分析計算，影響魚類產(chǎn)卵、繁殖的水力要素還包括濕周率、過水?dāng)嗝婷娣e、水面寬度等。要營造各要素適宜的水力生境需要開展更加深入和精細(xì)的研究。此外，本文以營造大沙壩產(chǎn)卵場河段的水力生境為目的，為魚類繁殖創(chuàng)造有利條件，但魚類完成整個生活史還需要適宜的棲息、索餌和越冬等條件，對水文條件和水力生境具有更加復(fù)雜多樣的需求，這也將是今后需要深入研究的課題。

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（責(zé)任編輯? ?鄭金秀）

Optimization of Hydraulic Conditions in the Tailwater Habitat

of Wudongde Hydropower Station

FAN Hao， ZHANG Deng‐cheng

（Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan? ?430051， P.R. China）

Abstract：The tailwater flowing from Wudongde hydropower station is an important part of the habitat protection system of Wudongde and Baihetan hydropower stations and it is affected by variable discharges from upstream hydropower stations， particularly in March and April. Hydraulic conditions of the tailwater reach， including velocity and water depth， frequently change， producing complex effects on habitat quality and complicating habitat protection. In this study， we analyzed changes in the hydraulic parameters in tailwaters from Wudongde hydropower station using the curvilinear flow model MIKE21. The results were then used to explore appropriate threshold ranges of water depth and velocity necessary to trigger spawning of Schizothoracinae species during March and April， to be obtained by coordinating the operation of upstream and downstream reservoirs. The average daily water flow at Sanduizi hydrographic station was in the range 940-2 500 m3/s from late March to late April. Conditions for spawning and breeding of Schizothoracinae species include a water depth range of 0.5-1.5 m and a flow velocity range of 1.5-2.5 m/s. This， in turn， requires a daily variation of downstream cascade discharge < 1 600m3/s， and a water level range in Wudongde reservoir of 974.0-974.5 m. This study provides technical guidance for improving habitat function and value in the reservoir tailwater reach of Wudongde hydropower station.

Key words：Wudongde hydropower station; reservoir tailwater reach; habitat; hydraulic habitat;

regulation

收稿日期：2021-09-15? ? ? 修回日期：2023-08-18

基金項目：中國三峽建設(shè)管理有限公司公司科研項目（合同編號：JG/18011B）。

作者簡介：樊皓，1985年生，男，高級工程師，主要從事水資源保護研究。E-mail：fanhaohhu@163.com