海勃湾水库初期蓄水对鱼类的影响及其对策研究

王秀英,王东胜,2,范 权

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.国家水电可持续发展研究中心,北京 100038;3.内蒙古乌海市水务局,内蒙古乌海 016000)

0 引 言

鱼类是河流生命健康状况的重要表征。近年来由于水利工程建设、河流污染、河道水量减少等人为因素的影响,天然河流渔业资源遭到极大破坏。上世纪70～80年代渔业资源丰富的黄河、长江等大型河流,进入21世纪之后鱼类数量下降较快,已经引起了社会各界的重视。鱼类资源保护与恢复的研究广泛开展,针对不同河流水文特点、开发情况、鱼类生活特性等,很多研究成果提出了保护措施[1-2],如控制大坝工程,保持水体连通性、严禁酷渔滥捕、建立保护区、维持鱼类生存空间、增殖放流等等。这其中对水利工程建设应配备的鱼类保护措施、保护方案的实践较多,各国过鱼设置、鱼类增殖措施相关工程及管理方案的实施取得了一定效果[3],研究也在不断深入。但是目前的研究多是为水利工程运行期的鱼类保护考虑,而水库初期蓄水这一特殊敏感阶段可能对鱼类造成的影响以及减缓影响的措施、方案的研究很少涉及。虽然相对于水库运行而言,初期蓄水时间较短,然而其影响可能是长久的,甚至对于某些鱼类而言是致命的。水库初期蓄水期间下游河段一旦出现脱水,则水生生态环境所受影响极大,即使不出现脱水段,骤然的流量变化也将对鱼类栖息、产卵等生理过程造成不良影响。

本文以黄河内蒙古河段海勃湾水利枢纽工程为例,探讨了该工程初期蓄水方案对鱼类的影响,以减小流量波动为目标,提出了降低对鱼类影响的改善方法,以此为考虑鱼类栖息环境的水库初期科学蓄水提供参考。

1 黄河内蒙段鱼类保护现状

1.1 黄河内蒙段鱼类保护

鱼类目前已经成为黄河具有优先保护意义的生物类群[1]。黄河水系鱼类资源比较丰富,但衰退趋势明显。建国前在黄河内蒙古段以捕鱼为业的渔民有数百人之多,产鲜鱼＞350 t/a,建国后,捕捞力度逐步加大,1980年黄河捕捞量在100 t/a左右,进入21世纪以后,黄河的捕捞量进一步减少,黄河鲤捕量＜40 t/a,兰州鲶只有5 t/a左右。黄河内蒙段鱼类保护迫在眉睫。

在黄河内蒙古段30种鱼类中,北方铜鱼、大鼻吻鮈被录入 《中国野生动物红皮书》,瓦氏雅罗鱼被列入 《中国濒危动物红色名录》,兰州鲶、黄河鲤是内蒙古自治区 《实施 〈渔业法〉办法》中规定的地方性保护水生野生动物,需重点保护。黄河内蒙古段是这些鱼类的集中分布区,其生境保持在相对较好的水平。2008年,农业部批准建立了国家级“黄河鄂尔多斯段黄河鲶(兰州鲶)水产种质资源保护区”,对兰州鲶、黄河鲤进行重点保护。保护区在黄河鄂尔多斯段的786 km范围内,设置了4个核心区和实验区。黄河内蒙古河段首部乌海段是该保护区的实验区,河段内分布有一定数量的黄河鲤、兰州鲶,该河段河道宽泛、水草丰富,较为适宜这两种鱼类的栖息和产卵。因此内蒙古乌海段黄河鲤、兰州鲶等鱼类资源的保护十分重要。

1.2 主要保护鱼类的生活史

黄河鲤是指生活在黄河河道中的一个特殊的地方鲤鱼种群。繁殖力强、耐寒、抗盐碱、不易捕捞,生长较慢。该鱼喜于水草丛中,流速缓慢的松软河底游动,常栖息水底,很少上浮。有生殖洄游习性,每年4～8月当水温稳定在16℃以上时,游于河滩浅水处自然繁殖产卵,受精卵黏附于水草上,3～5 d即可孵出,生长较快。

兰州鲶为底层鱼类,常潜伏于洞穴或隐藏于水草中。肉食性凶猛鱼类,捕食底层小型鱼类、虾类和水生昆虫等。一般3～4龄可达性成熟。繁殖期为5月下旬至6月中旬,水温稳定在20℃以上,所产卵粒大,墨绿色,黏性。

此外黄河内蒙古段干流中还有北方铜鱼,一种中下层鱼类,喜栖息于水底多砂石处,4～5龄可达性成熟,繁殖期为6月,产沉性卵;赤眼鳟,喜栖息于水体上层,在河流中繁殖,繁殖期在5～8月,产漂浮性卵。

综合看来,黄河内蒙古河段主要保护鱼类黄河鲤、兰州鲶等多喜栖息于水流较缓的浅水区,主要繁殖季节在4～8月。

2 海勃湾水利枢纽工程概况

2.1 工程修建的必要性

黄河内蒙古河段地处黄河流域最北端,出宁夏的石嘴山市,在内蒙古乌海市的巴彦陶亥入境,至鄂尔多斯市准格尔旗马栅的榆树湾出境,干流全长830 km,总落差仅162.5 m。内蒙古河段特殊的地理位置形成该河段封河自下而上、开河自上而下的规律,这种封开河顺序,使冰厚由上而下逐渐增厚,极易形成冰塞和冰坝,凌汛期沿程流量加大,造成河水上涨,淹滩漫地,形成特殊的凌汛现象。由1990～2003年度乌海市凌灾统计资料可知,乌海市有2个年度封、开河期均发生凌灾,分别是1995～1996、1999～2000;6个年度发生凌灾,其中封河期发生凌灾4个年度,分别是1992～1993、1993～1994、1994～1995、2001～2002年;开河期发生凌灾 2个年度,分别是 1991～1992、1998～1999年。

气温条件、地形河势等河道边界条件以及上游来水条件(即动力条件)是黄河内蒙古河段凌汛致灾的3个主要因素。在不能改变河道地理地形条件、无法控制气候因素的情况下,通过水库调控凌汛期河道流量是防凌的重要手段之一。

在乌海市兴建海勃湾水利枢纽,近期内蒙古河段可具备较为完善的防凌工程体系,海勃湾水库配合上游刘家峡水库的防凌调度,适时调控凌汛期流量,与下游经过除险加固后的堤防工程共同构成防凌工程体系,可以进一步缓解或减轻下游凌汛负担,基本可以满足内蒙古河段近期的防凌要求。

2.2 工程建设规模

黄河海勃湾水利枢纽是以防凌为主要任务,兼顾发电的不完全年调节水库。工程主要由土石坝、泄洪闸、电站等建筑物组成。坝顶总长 6 864.2 m,坝顶高程1 078.7 m,土石坝段最大坝高18.2 m,泄洪闸坝段最大坝高19.6 m,电站坝段最大坝高35.7 m。水库正常蓄水位1 076.0 m,水库总库容4.87×108m3,死水位1 069 m,死库容0.44 ×108m3,电站装机3台,总装机容量90 MW。工程位置及枢纽布置见图1、图2。

图1 海勃湾水利枢纽地理位置图Fig.1 Location of the Haibowan Dam

2.3 水库初期蓄水方案

图2 海勃湾水利枢纽工程布置Fig.2 Arrangement of the Haibowan Project

在流域水环境问题、生态问题日渐突出的背景下,黄河水利委员会于2002年开展了重点治黄专项 “黄河干流生态环境需水研究”[4]。研究采用Tennant法计算的石嘴山站生态流量分别为:4～6月335 m3/s,11～翌年3月140 m3/s,采用90%保证率最枯月流量法计算生态流量为 330 m3/s;考虑黄河河道边界条件的复杂性,采用一维水质模型计算环境水量,获得目标控制水平下和污染可控水平下所需环境基本水量为360 m3/s。依据全河段综合考虑、不考虑河段取水及水量损失、水质保证优先、水资源可调控性和河口生态优先等环境水量与生态水量耦合原则,研究成果推荐石嘴山站最小生态环境流量为330 m3/s。因该流量已应用于黄河水量调度预案中,可作为研究河段生态环境需水量的依据值。海勃湾水利枢纽下游磴口水文站缺乏水文资料,而石嘴山与磴口水文站之间没有分汇流,枯水期区间取水量较少,可用石嘴山站生态环境需水量代替磴口站。

海勃湾水利枢纽初期蓄水如果选择在枯水期,河道流量较小,鱼类处于越冬期,在保证下游生态环境需水量的前提下对鱼类的影响不大。但由于枯水期冰凌情况影响及工程建设进度,工程初期蓄水主要还是发生在非汛期,这就可能对鱼类的栖息及产卵产生影响。

依据工程设计单位的初步方案,本工程自2012年5月10日开始初期蓄水,推算入库流量为535 m3/s,按生态环境需水量330 m3/s由泄洪闸控泄,水库蓄水流量为 205 m3/s,初期蓄水至1 071 m,蓄水库容为1.288×108m3/s,初期蓄水期为5.96 d。初期蓄水至1 071 m后,由电站和泄洪闸共同向下游泄水,入库流量与出库量相等。

3 初期蓄水水文情势变化对鱼类的影

海勃湾水利枢纽工程在初期蓄水期间,通过闸门调度,闸门尺寸宽×高为15 m×10.75 m,闸孔数为16孔,需要开启2～3孔闸门可满足下游最小生态环境需水要求,因此工程完全能够保证水库下游最小生态环境需水要求。

根据分析,2012年初期蓄水期间入库水文条件与90%保证率典型年接近,自5月10日开始,控制下泄流量为330 m3/s,蓄水时间为 5.96 d。对照90%保证率典型年5月10日～5月14日建库前流量分别为 535 m3/s、569 m3/s、575 m3/s、556 m3/s、548 m3/s、601 m3/s、679 m3/s。5月9日流量为495 m3/s,按照330 m3/s控制蓄水初期下泄流量,则5月10日流量骤然减少202 m3/s,坝址下游1.5 km左右的下海勃湾断面水位下降0.6 m左右,距坝址32 km左右的老磴口断面水位约降低0.3 m;5.96 d后,水库下泄恢复到679 m3/s,流量增加344 m3/s,坝址下游河段水位迅速增加0.8 m左右,老磴口断面增加0.4 m左右。

修建水库前天然情况下,90%保证率典型年鱼类产卵期的4～8月下海勃湾断面水位波动最大值为0.67 m,平均值为0.09 m,水位变幅与出现频率关系见图3,老磴口断面见图4。从图中可以看出,下海勃湾断面＞0.6 m的水位变幅出现频率很小,老磴口断面4～8月水位波动＞0.4 m的情况出现频率比较小。

图3 下海勃湾断面4～8月水位变幅与出现频率关系图Fig.3 Relationship between water level amplitude and its frequency at the Xiahaibowan section from Apr to Aug

图4 老磴口断面4～8月水位变幅与出现频率关系图Fig.4 Relationship between water level amplitude and its frequency at the Laodengkou section from Apr to Aug

与天然情况下鱼类产卵期水位波动情况对比看,初期蓄水造成的下海渤湾断面水位波动0.6～0.8 m,老磴口断面0.3～0.4 m的幅度已属于较大变幅。初期蓄水的5月正是黄河内蒙河段鱼类产卵的高峰期。黄河鲤、兰州鲶产卵黏附在水草上,如果水位骤然降低,鱼卵来不及孵化就会因缺水死亡;北方铜鱼等产沉性卵,水位的快速下降容易使得大量鱼卵搁浅在滩地上无法孵化。而几天内的水位大幅度波动也会对成鱼产生影响,影响产卵。在不到6 d的时间内,库区水位升至1 071 m,涨幅达5 m,这对于库区鱼类栖息及产卵的影响同样不可忽视。

4 蓄水初期鱼类保护方案

水库蓄水初期,应考虑到库区及下游河段水生生物的需求,避免快速蓄水给河流生态环境造成不利影响。初步估计水库初期蓄水时间自5月10日开始,考虑到4～6月是黄河干流鱼类的重要产卵季节,按照坝址下游最小生态需水量下泄水流势必会对下游鱼类产卵造成影响。

为与初期蓄水方式计算成果对应,选用90%保证率典型年对水库初期蓄水进行分析,从流量波动角度,减小对库区及坝址下游鱼类栖息及产卵的影响。根据石嘴山站流量统计结果,90%保证率典型年 5月份,5月10日之后入库流量为 418～825 m3/s,逐日流量波动2～145 m3/s,见表1。

水库修建前,5月10日～31日流量最大变幅为145 m3/s,相应下海渤湾水位波动约为0.3 m,为使坝址下游水位波动不超过天然水位波动,出库流量日变幅＜145 m3/s,即蓄水第一天与前一天和蓄水最后一天和之后的一天流量日变幅＜145 m3/ s。以此为控制条件,可对初期蓄水方案进行优化。以下为90%保证率典型年考虑坝下游鱼类产卵影响的初期蓄水方案。

表1 水库修建前5月10日至5月31日日入库流量及其变化Table 1 Discharge and daily amplitude at Haibowan dam location from 10 May to 31 May before the project

初期蓄水可分两个阶段,5月10日开始以530 m3/s下泄,蓄水至 5月15日,16日开始以630 m3/s控制下泄至26日,5月26日水库蓄水至1 071 m后,初期蓄水完成,蓄水时间为17 d。按照这一蓄水过程,5月10日下泄流量与天然流量十分接近,不会产生较大水位波动,5月15日～16日,下泄流量由530 m3/s增加到630 m3/s,下海渤湾断面水位变幅相应增加约0.2 m,至老磴口断面,水位变幅更小,对应建库前下海勃湾水位波动出现频率为11%,对鱼类产卵影响显著降低。5月26日流量由630 m3/s增加到679 m3/s,流量变幅较小,对应下游水位变化也很小,这一水位波动基本不影响下游鱼类产卵。下泄530～630 m3/s的流量,闸门开启4～5孔即可满足要求。

逐步蓄水过程水库下游水位波动接近于天然情况下的水位波动,流量波动曲线平坦化,库区内鱼类栖息及产卵有一个逐步适应水位升高的过程,因此对于库区鱼类的影响较5.9 d内蓄水至1 071 m的影响小很多。

考虑对鱼类影响初期蓄水方案可分阶段进行,主要原则是以蓄水当日流量为基准,分阶段调整下泄流量,使得蓄水期间及蓄水结束日与次日流量变化平稳过渡。具体蓄水时间、每个时段的控制下泄流量等与所划分的蓄水阶段及所控制的下游水位波动幅度有关,因此解不是唯一的。在不同河流、不同蓄水时间,河段鱼类生态过程所能承受的水位波动幅度不同,控制下泄流量波动不同,蓄水时间、蓄水阶段自然存在差别,实际中可确定多个蓄水过程,再通过其他控制条件选择最优的方案。

5 结论与建议

虽然水库初期蓄水的时间较短,但是由于蓄水选择时机等原因,很可能会对河段鱼类产卵、栖息等造成较大影响。保证水库初期蓄水时段下泄流量不小于生态环境需水量只是最基本的要求,同时还应注意初期蓄水时段与鱼类特殊生活史的关系,最大限度地将蓄水过程中的水位波动控制在与天然情况下波动较为接近的范围内,适当延长蓄水时间,使得库区及坝址下游鱼类逐步适应水位升高和水位波动。控制蓄水引起的水位变化的原则主要是以蓄水当日流量为基准,分阶段调整下泄流量,使得蓄水期间及蓄水结束日与次日流量变化平稳过渡。

[1]高玉玲,连 煜,朱铁群.关于黄河鱼类资源保护的思考[J].人民黄河,2004,(10):12-14.

[2]沈红保,李科社,张 敏.黄河上游鱼类资源现状调查与分析[J].河北渔业,2007,(6):10-14.

[3]周世春.美国哥伦比亚河流域下游鱼类保护工程 [J].水力发电,2005,(8):15-18.

[4]郝伏勤,黄锦辉,李 群.黄河干流生态环境需水研究[M].郑州:黄河水利出版社,2005.