水利水电工程维持河流连通性的思考

史云鹏，曹晓红

（1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；2.上海勘测设计研究院，上海 200434）

水利水电工程在防洪、灌溉、供水、发电、航运和旅游等诸多方面对于保障社会安全、促进经济可持续发展发挥着巨大的作用。但另一方面，水利水电工程的建设也产生一系列生态问题，大坝阻隔是其中一个重要的方面。水利水电工程的生态影响问题越来越引起社会各界的关注和重视，逐渐成为制约水利水电工程建设的瓶颈问题。因此，如何坚持可持续发展的原则，趋利避害,通过工程措施、生物措施和管理措施，尽量避免、缓解或补偿水利水电工程对于河流生态系统的负面影响，维持河流的连通性，协调好工程建设与生态环境之间的关系，成为当前水生态领域和水利工程的迫切需求。

1 河流连通性的基本内涵

河流是一个连续的、流动的、独特而完整的系统，其连通性不仅指地理空间上的连续，更重要的是指生态系统中生物学过程及其物理环境的连续[1]。河流连通性包括了水文-水力学过程空间连通性、营养物质流和能量流空间连通性、生物群落结构空间连通性以及信息流空间连通性等四个方面。河流连通性包含两个基本要素：一是要有能满足一定需求的保持流动的水流；二是要有水流的连接通道。

1.1 水文-水力学过程空间连通性

河流的流动是水体一种不可逆的单向运动,其水文-水力学因子如流量、流速、脉动压力、水温等均是沿程连续分布的,反映了河流顺水流方向的连续性。河流与周边湿地、河流岸坡等的水力联系，形成了河流横向的连通性。由于天然河床材料的透水性,河流与地下水之间存在着补给关系，可以理解为河流垂向的连通性。没有水流就不能成为河流，水文-水力学上的连通性是河流连通性的内在需求，是其它连通性的基础。

1.2 营养物质流和能量流空间连通性

河流同时也是生态系统营养物质输移、扩散的通道。随着河流水文-水力学过程的连通，营养物质以河流为载体，也在河流纵向、横向和垂向进行交换、扩散、转化、积累和释放，形成了营养物质流与能量流在空间与时间上的连续性，使得河流下游的生态过程与上游的生态过程直接相关。

1.3 生物群落结构空间连通性

河流不仅是一个流动的物理系统,更是一个动态的生态系统。由于生物群落对河流生境的不断适应和调整，生物群落随河流水文-水力学以及营养物质流和能量流的变化而生存繁衍，形成了上、中、下游多样而有序的生物群落。这不仅反映在沿河流廊道植被的连续性分布，而且浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类等也都遵循连续分布的规律，形成了丰富有序的食物链。

1.4 信息流空间连通性

河流还肩负着传递生命信息的任务，河流的诸多水文-水力学因子，如水位、流速、水温等，为鱼类和其它水生生物提供了生命的信号，鱼类和其它水生生物正是依据这些生命信号进行繁殖、产卵和迁徙。

2 水利水电工程对河流连通性的影响

河流的连通性是河流生态系统的最基本特点，是河流生态系统保持其生态结构和执行其生态功能的重要前提条件和基础。河流及其支流犹如一个人的身体，它们彼此密切相关并互相依赖。水系的连通就相当于人体的血液循环，如果没有了水系连通，河流生命将消亡；如果河流某一部位的连通性受阻，河流的那一组成部分也不再健康。

国际水电协会(IHA)于2010年8月正式发布了《水电可持续评价规范》，该规范体现了国际水电界对水电可持续发展的新认识，将来可能在世界范围内成为水电行业管理和决策的依据。其中“水生物种的迁徙通道、与重要栖息地的连接、生态系统的完整性和连通性”等均是评价水电项目环境影响的重要指标。

水利水电工程拦河筑坝将河流拦腰斩断，改变了河流连续性的规律，从而破坏了河流的连通性。首先大坝的修建使流动的河流变成了相对静止的人工湖，无论是库区还是大坝下游河段的流速、水深、水温及水流边界条件都发生了变化。工程建成后，根据防洪、供水和发电等需要进行工程调度，坝下形成减水或断流，从而破坏了河流水文-水力学的连通性。河流的水文-水力学连通性直接影响水体的物理化学条件，如水温、流速、流量、含沙量及溶解氧等因素，从而影响污染物的迁移和降解特征。水体连通性降低，污染物降解系数越小，水体纳污能力越差，水环境容量相应降低。

其次，由于大坝的阻隔作用，河流生态系统中物质循环和能量流动的空间大量减少，基于河流水文-水力学连通性及营养物质流和能量流连通性的生态连通性也相应的降低，增加了河流的破碎度，大幅度降低了生态系统的自我恢复能力，使自然生态过程的景观稳定性降低，相应地不同程度损害了河流生态系统的结构和功能。对鱼类而言，由于觅食、繁殖、越冬等原因，按照自然习性大多数鱼类要在河流上下游自由游动。修建大坝后，鱼类无法越过大坝到水库上游的产卵场进行产卵，部分鱼类无法回归大海，对鱼类的生长繁殖产生了严重的影响，这种阻隔对需要进行大范围迁移的洄游性或半洄游性鱼类的影响往往是毁灭性的。大坝的拦蓄不但阻断了河流中洄游鱼类的通道，同时也影响了上游营养物质的向下输移和上游产卵区鱼苗对下游渔业资源的补充，进而造成近亲繁殖和遗传退化。

3 河流连通性的恢复手段

随着河流连续性理论的发展，水利水电工程对河流连通性的影响日益受到重视。因此，寻找一种有效地恢复或提高河流连通性的手段，对河流生态进行修复，成为水利水电环保领域的迫切需求。

3.1 船闸和泄水闸

对于水利枢纽，船闸和泄水闸是其主要建筑物，虽以通航和排水为目的，但在实际运行过程中也起到了沟通上下游的通道作用。从湘江航电枢纽建设和鱼类资源变化来看，尽管大源渡和株洲航电枢纽均未建设鱼道，但其船闸频繁过船，每年洪水期泄水闸畅泄，上下游水位差仅0.1m，流速达到自然状态，鱼类可上溯到坝上或洄游至坝下，航电枢纽对鱼类的洄游通道只是阻隔而未阻断，使湘江“四大家鱼”并未因航电枢纽建设消失。因此，在船闸和泄水闸的设计、运行时兼顾考虑河流的连通性，也可以起到一定的生态保护效果。

3.2 鱼道

鱼道是在水利水电枢纽中修建的过鱼建筑物，它本身就是一个生态工程，根本目的是为了防止鱼类洄游受阻。最早关于鱼道建设的记载是在17世纪的欧洲，我国1958年在富春江七里垄电站中首次设计建设了鱼道[2]。经过多年的发展，鱼道目前已成为水利水电工程一项重要的生态环境保护措施。

作为修复河流连通性的工程手段，鱼道有其不可替代的优势。首先，鱼道建立了基本的物理联系，它是唯一以保护水生生物为目的而设计的水利工程，在物理上构成了水生生物可以通过的通道。在鱼道运行的时段，鱼类可以随时通过鱼道顺利的洄游。此外，各种营养物质也可以通过鱼道从大坝上游区传递到下游区。其次，鱼道的运行是相对独立的。在运行过程中，它虽然受到发电、灌溉、防洪等多方面的影响，但是它的运行是按照生态原则进行调度的，相对于工程调度是独立的。

特别是近年来受到高度重视的仿自然旁通道，模拟了自然河流形态和结构，除了能够实现上溯、下行多目标过鱼外，还具有较好的生态廊道功能，从而维持上下游河的流连通性和连续性，确保河流生态系统的完整性。

3.3 鱼闸、升鱼机和集运鱼设施

鱼闸的运行方式与船闸相似，采用控制水位升降的方法来输送鱼类通过拦河闸坝。鱼闸所需空间不大，便于在枢纽中布置，适用于游泳能力较弱的鱼类，但是需要较高的设计和建造技术，维护与监测要求也较高，对底层鱼类和小型鱼类不适用。

升鱼机采用机械提升的方式将鱼输送过坝，适用于坝高非常高的大坝，对鱼的个体大小和种类的适应性好，对鱼类的上溯能力没有要求。但提运时间长，不利于大批鱼类过坝，并且运行管理费用偏高。

集运鱼设施包括集鱼设施和运鱼设施两部分，集鱼设施包括可连续集鱼的集鱼平台和间断性集鱼的集鱼船，运鱼设施包括运鱼船、运输车等。集运鱼设施机动性好，可在较大范围内诱鱼集鱼，将鱼运到上游安全的地方投放，与枢纽布置无干扰，适用于已建大坝没有预留鱼道位置或无法补充建设的情况。此外，集运鱼设施可在重要鱼类的繁殖季节有针对性地捕获亲鱼，将它们放置于适合生活的区域，效果较好。但是其运行管理费用较大，对于在底层活动的鱼类，集鱼比较困难。

鱼闸、升鱼机和集运鱼设施等过鱼设施虽然对上下游的鱼类和其它水生生物的交流有一定的作用，但是存在运行不连续、过鱼量有限等弊端，而且仅仅是保持了大坝上下游鱼类种质基因的交换，没有实现上下游河流的自由沟通，对河流的生境的改善作用有限。

4 目前我国水利水电工程连通性恢复存在的问题

4.1 相关法律、技术规范和制度不健全

目前，水利水电工程建设中对恢复河流连通性的工程尚无明确的法律或技术上的要求。虽然《水法》和《渔业法》为过鱼设施的修建提供了法律依据，但过鱼设施的建设、运行和监督管理等相关的法律法规尚不健全，目前我国过鱼设施的设计方法尚无规范、标准、指南可循，对鱼道的设计还只是停留在借鉴外国经验的阶段，过鱼设施建成后的运行也缺少必要的监管措施。

4.2 鱼道设计目标单一，未充分发挥其生态廊道的功能

目前我国鱼道设计目标单一，在过鱼对象方面，只是针对某一、二种主要鱼类，没有考虑底栖鱼类对河床质的要求，也没有考虑其它水生生物、有机质等在闸坝上下游的输移和交换，对于维护河流水生态系统完整性和连通性的贡献极为有限，这种局限于小范围、单一物种的保护极易失败。在功能方面，没有考虑鱼类对产卵繁殖的要求，在诱鱼效果和保持过道鱼类体力及延续过道鱼类的发育过程方面也有较大的缺陷[3]。在设计上，施工材料和方法未考虑环保要求，鱼道环境与天然河流环境相差甚远，形式上没有考虑通过鱼道本身与两岸环境的融合以构成完整的生态模式。

4.3 鱼类下行问题目前研究尚少，尚无有效的解决措施

国外鲑鱼和鳟鱼的亲鱼产后绝大多数死亡，没有亲鱼下坝的问题。但是我国的鱼类基本是多次产卵的鱼类，所以如何保证鱼类的安全下坝也是恢复河流连通性的一项重要内容。

目前我国鱼类的下行主要通过溢洪道或者水轮机直接下坝，对鱼类影响较大。溢洪道泄洪时，下泄水流流速、流态变化情况极其复杂，并且易产生空气过饱和情况，含氧含氮量超标。发电时，水轮机内的流场非常复杂，局部的水流甚至会急剧升温、汽化，对金属制造的叶片都具有很大的破坏力，其对鱼类的伤害可想而知。由于压力的急剧变化，鱼类的内脏、血管都受到很大破坏，甚至爆裂；而且由于鱼类鱼鳔的反应跟不上外界压力变化的速度，很多鱼类在通过水轮机后会失去平衡。因此当鱼类从溢洪道出口或发电尾水出来时，往往已经遭受到较严重的机械创伤，在下游紊乱的水流中再遭受碰撞和过饱和空气的伤害，鱼类死伤情况较多发生。有关研究表明，对于水头大于40m的大坝，鱼类通过泄洪孔以及水轮机下行成活率为零[4～5]。

4.4 缺少必要的科技支撑

河流连通性的概念和理论近年来才被引入我国，在水利水电环保领域其研究才刚刚起步，科研基础薄弱，更缺少工程实践。我国的鱼道的建设虽然已有50多年的历史，但其中有20多年的停滞期，相关基础研究非常薄弱，已建鱼道缺少必要的跟踪监测和效果评估，其它过鱼设施仍处于研究或设计阶段，缺少实践经验的指导。

5 对策及建议

5.1 加快相关法规的制定与完善

建立和完善相关的法律、制度和政策，以法律的方式明确水利水电工程保持河流连通性的责任，并建立各部门之间的协调机制，协调各方利益。出台“绿色水电”认证、“生态补偿”等相关环境经济政策，推动河流连通性恢复工程的开展。加快制定颁布鱼道设计、施工、管理的专业规范、导则和标准，实现鱼道设计原则和技术要求的统一，更好地指导水利水电工程的鱼道设计工作。

5.2 开展河流连通性恢复关键技术研究

加大对河流连通性恢复研究方面的科研投入，加强基础设施建设，建立高水平研究机构和技术交流平台，培养专门人才，加强国内外的技术交流与合作，不断提升科研能力。对已建过鱼设施进行跟踪监测和效果评估，总结经验教训，提升设计水平。

5.3 推动生态保护设计的专业化

连通性恢复工程的设计牵涉众多专业学科，是一项相对独立、复杂和系统的工作，是多方面协调、多专业学科交叉的设计，应将水利水电工程生态保护设计从主体工程设计中独立出来，成立由环保、生态、渔业、水文和水利等多学科相关人员共同组成的设计和科研机构，实行联合攻关，及时解决技术难题。

5.4 强化过鱼设施的连通性修复功能

在鱼道设计中应创新理念，不仅仅把鱼道当成过鱼的通道，只考虑过鱼的水力学问题，还要考虑景观完整性和生态完整性问题，进一步发展鱼道的设计理念、思想、功能及形式，结合生态学原理，运用生态工法从水流流态、建筑材料、底部结构、断面形式、河岸带等方面优化鱼道的设计，设计和建造生态鱼道，扩大鱼道的适用范围，充分发挥其生态廊道的功能，为鱼道的广泛使用开拓新的空间。对鱼类和其它水生生物的习性进行深入研究，科学开展生态调度，在鱼类的生长繁殖期加大鱼道、升鱼机和集运鱼设施的使用频率，以减少工程对河流阻隔效应。

5.5 开展鱼类下行问题的研究

目前我国对下行过鱼设施的研究和实践远没有上行过鱼设施深入。国外对鱼类下行的研究开展较早，以与拦栅相结合的旁路系统应用较为广泛。比较有名的是美国哥伦比亚河流域下游鱼类保护工程，通过幼鱼下行旁路系统、溢洪道泄流、驳船卡车运输以及加大洄游季节河道流量等综合措施保护鱼类安全下行[6]。美国研究机构对不同的水轮机对鱼类的影响进行研究，研制“鱼友（Fish Friendly）水轮机”又称作“生态水轮机”，让鱼类能够安全通过水轮机，先后设计了最小间隙转轮水轮机、ARL/NREC水轮机、涡旋形水轮机，这些水轮机的流道面积大，叶片对鱼的打击率小，能大大提高通过的鱼类的生存率。实验证明，最小间隙转轮的伤鱼率仅为1.5%，而计算表明ARL/NREC转轮的伤鱼率接近0[7]。

然而即使我国借鉴国外经验修建了幼鱼下行旁路系统、采用“生态水轮机”等措施保证了幼鱼的下坝，亲鱼的安全下坝依然存在很大的问题。如何保证鱼类安全下坝的问题，还需结合我国的实际情况进行专题攻关。

5.6 强化流域统筹

因受其它梯级的制约，单个工程对河流连通性的恢复效果往往有限，仅凭一个工程难以解决全流域的阻隔问题。因此，需要从流域的角度出发，根据流域的水生生态分布特点，结合流域的实际情况，全面统筹干流上、中、下游及重要支流的关系，开展流域连通性的影响评价，制定流域连通性的恢复方案。同时在流域综合规划和水电开发规划阶段就应考虑河流连通性的问题，将流域连通性的恢复作为流域开发的前置条件。

6 结语

水利水电工程大坝建设阻断了河流的连通性，阻碍了正常的水生生物交流，如何恢复和提高河流的连通性已经成为缓解水利水电工程对生态环境的影响，维护河流健康，保护生态环境的基础。在我国水利水电建设中，不仅需要正视大坝阻隔这种负面影响，更重要的是主动研究对于河流连通性恢复的补偿政策、技术和管理手段，探索与环境友好的大坝建设的新模式，维护河流生态系统的健康，实现水利水电工程建设和生态环境保护的协调发展。

[1]蔡庆华, 唐涛, 刘建康. 河流生态学研究中的几个热点问题[J]. 应用生态学报, 2003, 14(9): 1573-1577.

[2]刘洪波. 鱼道建设现状、问题与前景[J]. 水利科技与经济, 2009, (6): 477-479.

[3]洪峰, 陈金生. 浅议长江水电开发修建鱼道的价值[J]. 水利渔业, 2008, 28(4): 72-74.

[4]Bell M C. Updated compendium on the success of passage of small fish through turbines[R]. U.S. Army Corps of Engineers,North Pacific Division, Portland, Oregon, USA, 1981.

[5]Bell M C, Delacy A C. A compendium on the survival of fish passing through spillways and conduits[R]. U.S. Army Corps of Engineers, North Pacific Division, Portland,Oregon, USA, 1972.

[6]周世春. 美国哥伦比亚河流域下游鱼类保护工程、拆坝之争及思考[J]. 水电站设计, 2007, 23(3): 21-26.

[7]余孟. 水坝≠鱼类的鬼门关[J]. 百科知识, 2005, (5): 35-36.