小型梯級(jí)水電站減水河段生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

摘要：在小型梯級(jí)水電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，存在對(duì)河流截流、引水等措施，這些措施會(huì)導(dǎo)致下游河段的水量減少，河段的生物和生態(tài)多樣性會(huì)遭受破壞，為此研究小型梯級(jí)水電站減水河段生態(tài)修復(fù)技術(shù)。以某省小型梯級(jí)建成水電站為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)階段建成水電站的生態(tài)問(wèn)題，多個(gè)流域梯級(jí)水電站存在減水河段，呈現(xiàn)河段干涸和下泄流量不足情況。針對(duì)水電站減水河段生態(tài)問(wèn)題，以構(gòu)建水體和陸地景觀兩個(gè)部分，提出減水河段生態(tài)修復(fù)技術(shù)。結(jié)果表明，研究技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)ǔ伤娬镜臏p水河段進(jìn)行有效修復(fù)，使其平均水深有所改善。

關(guān)鍵詞：梯級(jí)水電站；減水河段；生態(tài)破壞；修復(fù)技術(shù)；河段健康

中圖分類號(hào)：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

國(guó)內(nèi)的小型梯級(jí)水電站建設(shè)，大多在山區(qū)和丘陵地帶，為了獲取更多的水能資源，會(huì)對(duì)河流進(jìn)行大規(guī)模的截流和引水，導(dǎo)致下游河段出現(xiàn)減水現(xiàn)象，不僅影響了河流本身的健康狀態(tài)，也對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)和人類生活帶來(lái)了負(fù)面影響。因此，為了應(yīng)對(duì)小型梯級(jí)水電站減水河段帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)施有效的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，對(duì)于恢復(fù)河流生態(tài)健康、保障區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，針對(duì)小型梯級(jí)水電站減水河段的生態(tài)修復(fù)技術(shù)被提出并付諸實(shí)踐，如基于補(bǔ)水的修復(fù)技術(shù)、利用植被的修復(fù)技術(shù)。其中，補(bǔ)水修復(fù)主要通過(guò)水電站運(yùn)行策略的調(diào)整，以及人工補(bǔ)水措施的輔助，確保下游河段能夠維持一定的生態(tài)流量，但在人工輔助中主要以雨水收集、廢水再利用為措施，具有不確定性和穩(wěn)定性，難以滿足長(zhǎng)期生態(tài)需求。水生植被的修復(fù)技術(shù)，則通過(guò)種植適宜的水生植物，恢復(fù)河段植被覆蓋，以此提升水體自凈能力恢復(fù)，主要是針對(duì)河段水質(zhì)的修復(fù)和治理。這種方式下容易受到外來(lái)物種入侵的威脅，且植被恢復(fù)后的維護(hù)管理成本較高。文章以此為研究目的，針對(duì)小型梯級(jí)水電站減水河段，提出生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究方案，為推動(dòng)小型梯級(jí)水電站減水河段的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1工程案例

1.1區(qū)域概況

選擇某省小型梯級(jí)水電站為研究對(duì)象，該水電站所在縣區(qū)的地形為山地類型，山系呈東南一西北走向，且貫穿該省全境，整體地勢(shì)呈現(xiàn)西北高、東南低特征。區(qū)域內(nèi)山巒重疊、嶺峻谷深、溝壑縱橫、谷道狹窄、坡陡流急、山多川少，山地占總面積的88.2%。

該地區(qū)為季風(fēng)季候，有明顯的垂直變化，海拔較低地帶氣候溫和且濕潤(rùn)，高山區(qū)域海拔高度較大，在1272～4608m之間，氣候較為嚴(yán)寒。受地區(qū)自然條件影響，為詳細(xì)分析小型梯級(jí)水電站的開(kāi)發(fā)條件，對(duì)其地質(zhì)地層進(jìn)行描述，見(jiàn)表1。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，研究地區(qū)的地層地質(zhì)構(gòu)造情況較為復(fù)雜，以各時(shí)代地層為分類標(biāo)準(zhǔn)，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性具有差異性，其中，基巖穩(wěn)定性差，中間發(fā)育階段相對(duì)穩(wěn)定，表層受土體堆積影響，變化較大。

基于該縣區(qū)的自然概況，其地形的復(fù)雜程度以及山地的明顯特征，保證了小型梯級(jí)水電站的建設(shè)具有天然優(yōu)勢(shì)。以現(xiàn)階段該縣區(qū)水電規(guī)劃現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，分析其水電站建設(shè)以及河段生態(tài)環(huán)境情況。

1.2開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

所選區(qū)域?yàn)樵撌∷姲l(fā)展最為密集的區(qū)域，也是該縣區(qū)人口集中居住地區(qū)，內(nèi)水能資源較為豐富，隸屬長(zhǎng)江源頭水，涵蓋流域總計(jì)43條，多年來(lái)水域平均流量為35.92億平方米。

在研究區(qū)域內(nèi)已經(jīng)建成的水電站，主要為引水式小型梯級(jí)水電站，且至少含有2個(gè)梯級(jí)數(shù)量。在建成的梯級(jí)水電站中，有河床裸露、河段斷流的問(wèn)題，且減水河段基本在梯級(jí)級(jí)數(shù)較多的水電站。

一般情況下，引水式梯級(jí)水電站建立在山高坡陡的峽谷地區(qū)，其原生植被和生態(tài)環(huán)境較為良好，但在建成的水電站中，存在較多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，說(shuō)明梯級(jí)水電站的建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)突顯，出現(xiàn)了河段河床裸露問(wèn)題，長(zhǎng)期以往下去會(huì)影響生物多樣性和區(qū)域持續(xù)發(fā)展，需要設(shè)計(jì)一個(gè)有效的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

2修復(fù)技術(shù)

小型梯級(jí)水電站的建設(shè)形成了減水河段，由此對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了非常嚴(yán)重的影響，為恢復(fù)減水河段生態(tài)系統(tǒng)，以該區(qū)域已經(jīng)建成水電站為恢復(fù)示范工程，設(shè)計(jì)生態(tài)修復(fù)方案。為滿足河流生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)目標(biāo)的前提下，保證梯級(jí)水電站充足的下泄水量以及河道的恢復(fù)。具體目標(biāo)如下：

（1）水電站各級(jí)河段的水體健康循環(huán)；

（2）梯級(jí)河道生態(tài)系統(tǒng)健康；

（3）特色的河道景觀；

（4）河道具有親水性；

（5）河道生物多樣性；

（6）充足的下泄水量；

（7）最小水量保障；

（8）合理水文過(guò)程。

由于梯級(jí)水電站的建設(shè)，不僅為工業(yè)用電以及生活用電提供動(dòng)力來(lái)源，更主要地是為周邊的工業(yè)和農(nóng)業(yè)以及居民生活提供用水，當(dāng)出現(xiàn)減水河段時(shí)，難以保證充沛的水量，為此，在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，除了滿足生態(tài)需求，還需保證水電站調(diào)度需求。

以設(shè)計(jì)的八個(gè)目標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)生態(tài)措施恢復(fù)減少河道，最大程度地接近原始狀態(tài)，以此平衡人類對(duì)河道的需求，以及河道生態(tài)環(huán)境的持續(xù)性發(fā)展。分別從水體景觀和陸地景觀兩個(gè)方法，設(shè)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)梯級(jí)水電站減水河段的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

2.1水體景觀

該措施是一個(gè)綜合性的過(guò)程，涵蓋了多個(gè)方面，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮水體功能性、美觀性、生態(tài)性，也要確保水體景觀實(shí)用性，且不能再次對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。在設(shè)計(jì)水體景觀時(shí)，主要是在水體周圍布置合適植物，基于不同類型的水生植物，再建設(shè)與之相協(xié)調(diào)的水體景觀。以生態(tài)浮床技術(shù)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)水體景觀，該技術(shù)為無(wú)土栽培技術(shù)，陸地上的植物也可以種植到水面上，不僅可以取得與陸地相仿的收獲量，也能夠與陸地景觀相匹配?？紤]到研究區(qū)域內(nèi)梯級(jí)水電站位于居民集中生活區(qū)，在打造水體景觀時(shí)要更加注重功能性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要考慮因素為：

（1）穩(wěn)定性：主要是浮床位移動(dòng)拼接形式，要避免山區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下，拼接單元之間會(huì)產(chǎn)生撞擊，以此導(dǎo)致生態(tài)浮床的破壞；

（2）耐久性：包括植物的生存和繁殖時(shí)間，以及浮床材料的使用壽命；

（3）協(xié)調(diào)性：與周圍的景觀具有配合度，形成優(yōu)美的景觀環(huán)境；

（4）經(jīng)濟(jì)性：在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，保證投資最小化，以及區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展；

（5）后期維護(hù)：構(gòu)建的浮床需便于后期的連接與維護(hù)。

通過(guò)上述給定的考慮因素，在達(dá)到生態(tài)浮床水面景觀時(shí)，不僅要保證觀賞性，也有保證經(jīng)濟(jì)性，在選擇配置植物和浮床載體材料時(shí)，盡可能選擇所研究地區(qū)內(nèi)自主生產(chǎn)，以及陸地上含有的植被。除此之外，為保證浮床的施工簡(jiǎn)易程度和后期維護(hù)，此次以可移動(dòng)性和拼接浮床為主，可以保證人工施工時(shí)的快速拼接。

綜合研究區(qū)域內(nèi)的氣候條件，目標(biāo)植物為當(dāng)?shù)氐年懮参铮廊私?、千屈菜、蘆葦?shù)龋捎陉懮参锏母递^為發(fā)達(dá)，當(dāng)形成大面積景觀時(shí)，可以吸附水體內(nèi)的藻類生物，以及降解水體中的有機(jī)污染物，甚至為創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，還可以種植有機(jī)水生蔬菜，如水芹菜和香蒲。

根據(jù)選擇的陸生植物，通過(guò)對(duì)不同植物生長(zhǎng)周期的分析，選擇高密度聚乙烯、聚酯纖維復(fù)合材質(zhì)、聚丙烯、聚苯乙烯泡沫、硬質(zhì)橡膠作為浮床材料，浮床的連接采用耐腐蝕繩索。而植物的生長(zhǎng)周期決定了浮床的種植槽深度，不同植物的種植需求，不僅會(huì)影響浮床的結(jié)構(gòu)、材料類型，還會(huì)影響種植槽深度，對(duì)選擇的幾組植物進(jìn)行舉例說(shuō)明，如下：

（1）美人蕉：選擇聚丙烯為制作材料，構(gòu)建為長(zhǎng)、寬、高為45～65 cm、35～45 cm、20～25cm的長(zhǎng)方形浮床基本單元結(jié)構(gòu)；

（2）千屈菜：將高密度聚乙烯作為制備材料，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)、寬、高尺寸為35～55 cm、25～35cm、15～20cm，額外設(shè)置固定帶；

（3）蘆葦：以聚酯纖維復(fù)合材質(zhì)制作成長(zhǎng)方形的浮床基本結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為65～85cm、寬度為50～60cm、深度為25～35cm，浮床底部設(shè)置加強(qiáng)筋和根系生長(zhǎng)空間，滿足根系發(fā)育；

（4）水芹菜：浮床基本結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬深分別為45～55cm、30～40cm、10～15cm，以輕質(zhì)且浮力充足的聚苯乙烯泡沫為浮床材料，設(shè)計(jì)有水位調(diào)節(jié)孔和分割區(qū)，用于控制水位和多株種植；

（5）香蒲：采用防水且透氣的硬質(zhì)橡膠作為浮床材料，構(gòu)成圓形的浮床單元結(jié)構(gòu)，直徑設(shè)計(jì)為35～45cm、深度為15～25cm，需設(shè)定透氣孔和固定架，保證植物根系的呼吸和穩(wěn)定；

考慮生態(tài)浮床植物的生長(zhǎng)特性，以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在浮床單元結(jié)構(gòu)中種植陸生植物，在確保植物分布均勻且生長(zhǎng)良好的基礎(chǔ)上，將組裝好的生態(tài)浮床安裝到工程區(qū)域中，并固定在適當(dāng)位置，定期檢查植物的生長(zhǎng)情況。

2.2陸地景觀

陸地景觀構(gòu)造中主要以保護(hù)河岸為基礎(chǔ)，保證減少河段的河岸與水體之間的水分調(diào)節(jié)，以往護(hù)岸工程主要采用硬性建材，雖具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，但極大損害了生態(tài)功能。以再生式生態(tài)修復(fù)方法破除硬質(zhì)岸面，根據(jù)研究地區(qū)梯級(jí)水電站所在河流的護(hù)岸功能，給出典型的護(hù)岸類型，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，根據(jù)減水河段的梯度等級(jí)設(shè)置護(hù)岸形式，從低至高布置挺水植物，在岸邊形成多級(jí)人工濕地系統(tǒng)，呈現(xiàn)層層階梯式綠色景觀。以梯級(jí)水電站自身特點(diǎn)為依據(jù)，在現(xiàn)有的減水?dāng)嗝嫣幵O(shè)置魚類洄游通道，不僅可以滿足人們隨時(shí)親水的要求，還能減緩河段的水土流失問(wèn)題。

3效果分析

此次生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要以建成水電站的減水河段為示范點(diǎn)，為驗(yàn)證所研究技術(shù)的應(yīng)用效果，對(duì)表2中涉及到的水電站運(yùn)行情況進(jìn)行分析，主要是針對(duì)減水河段的具體水力參數(shù)統(tǒng)計(jì)。

由于生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，在對(duì)所研究技術(shù)的應(yīng)用效果分析時(shí)，需要借助實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行模擬，將設(shè)計(jì)的修復(fù)技術(shù)上傳至測(cè)試平臺(tái)，分別按照1年、2年和3年的運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在研究區(qū)域內(nèi)小型梯級(jí)水電站的減水河段，未實(shí)施修復(fù)技術(shù)前，由于河流截流、引水等措施，導(dǎo)致周邊陸域植被破壞，土壤侵蝕加劇，野生動(dòng)物棲息地喪失或縮小。減水河段水量減少，導(dǎo)致水流速度變化、水溫升高或降低，影響水生生物的生存條件。水質(zhì)可能因電站運(yùn)行產(chǎn)生的廢水、泥沙等污染物而惡化，影響水生生物的繁殖和生長(zhǎng)。水質(zhì)惡化，表現(xiàn)為溶解氧降低、營(yíng)養(yǎng)鹽增加、重金屬污染等。

實(shí)施生態(tài)修復(fù)技術(shù)后，植被覆蓋率增加，土壤穩(wěn)定性提高，為野生動(dòng)物提供了更多的棲息地和食物來(lái)源。河岸恢復(fù)了綠色，植被茂盛，野生動(dòng)物活動(dòng)頻繁，生態(tài)多樣性得到提升。通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水、水質(zhì)凈化等措施，恢復(fù)了減水河段的水量和水質(zhì)。水生生物的生存環(huán)境得到改善，促進(jìn)了水生生物的繁殖和生長(zhǎng)，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。水體透明度提高，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

為直觀感受所研究方法的應(yīng)用效果，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)獲取某水電站減水河段圖片，以及技術(shù)應(yīng)用后的修復(fù)模擬圖像，見(jiàn)圖2。

如圖2所示，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)模擬修復(fù)效果，能夠保證減水河段的水體得到恢復(fù)，改善下游河段減少情況，維護(hù)生物的多樣性，具有應(yīng)用價(jià)值。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小型梯級(jí)水電站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中不可避免的生態(tài)影響，特別是對(duì)下游河段水量減少及生物生態(tài)多樣性受損的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，此研究聚焦于減水河段的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，以某省典型小型梯級(jí)水電站為例，深入剖析了當(dāng)前存在的生態(tài)問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建水體與陸地景觀相融合的生態(tài)修復(fù)策略，成功探索出一套行之有效的技術(shù)體系。實(shí)踐驗(yàn)證，該技術(shù)在實(shí)施后，顯著改善了減水河段的生態(tài)環(huán)境，具體表現(xiàn)為河段平均水深的有效提升，為水生生物提供了更為適宜的棲息環(huán)境，同時(shí)也促進(jìn)了河流生態(tài)系統(tǒng)的逐步恢復(fù)與穩(wěn)定。這一成果不僅為小型梯級(jí)水電站的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐，也為類似生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目提供了寶貴的參考與借鑒，強(qiáng)調(diào)了在能源開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)之間尋求平衡的重要性。