水利水电建设项目对河流生态的影响及保护修复对策

刘湘春,彭金涛

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

为了满足水力发电、供水、防洪和灌溉的需要,通常选择在河流的上中游地区布置和修建水利水电工程设施。然而,这些工程必然会改变河流原始的水文过程,进而影响河流生态系统的自然过程[1]。随着水利水电工程的建设和运行,原河流生境发生了较大的变化,给水生生物特别是鱼类的生存与繁衍带来一些不利影响,严重时会导致物种消失、河流生态系统恶化等问题,河流的生态价值也因此而遭到破坏,因此应采取积极措施避免或减缓这些不利影响。

如何减小不利影响,充分发挥水利水电建设项目在流域经济发展和生态环境建设中的积极作用,有效地利用水资源,以实现河流及流域的经济、社会和生态环境的可持续发展,这是水利水电建设必须应对的一个挑战。近30年来,随着我国环境保护法律法规体系的不断完善,水利水电工程生态保护日益得到加强。2003年国家环保总局颁布了《环境影响评价技术导则—水利水电工程》,为水利水电工程环境影响评价和生态保护提供了技术基础。近年来,金沙江、怒江、大渡河、雅砻江、澜沧江流域等水电开发相继开展了战略或规划环境影响研究或评价工程,其中针对鱼类保护提出了资源补偿等措施,相关实践正在开展之中[2]。三峡总公司开展中华鲟人工繁殖与放流的基础建设和科学研究,在中华鲟人工繁殖技术方面取得重要进展[3]。魏国良等人以澜沧江漫湾水电工程为例,在分析河流生态系统服务功能内涵特征的基础上,通过建立评价指标体系评估了水电开发对各生态功能的影响,从而为水电开发提供参考[4]。总之,对河流生态环境保护的理论与实践正在不断完善之中。本文通过分析水利水电建设对河流生态的影响,结合河流生态系统的基本理论及保护实践,从中总结一些河流生态保护措施与修复对策。

2 工程建设对河流生态的影响

河流生态系统是河道内以及河道外所有生物与其环境不断进行物质循环和能量流动而形成的统一整体,它包括生物群落和生境[5]。

河流生态系统的基本要素包括流态、沉积物及化学营养物质、光热条件和生物群落,其中流态是河流生境的重要因素,由水文和河床地貌长期的相互作用形成并不断演替,具有动态性,在一定的时空尺度上,表现为相对稳定的水文情势和水力条件。这些要素依靠物种流动、能量流动、物质循环、信息传递和价值流动,而相互联系、相互制约,形成具有自调节功能的复合体(见图 1)。

图1 河流生态系统基本要素

从生态学角度来看,生物经过长期的进化过程,形成了与其栖息生境相适应的生理特性及生活习性,同时对外在干扰具有自我调整和适应的能力。当环境改变时,不能适应新环境的物种死亡或被迫迁移,适应性较强的物种得以存留而与环境演变为新的关系,新的生境中将渐渐形成新的生物群落,生态系统于是完成了更新。当河流处于天然状态下,这种更新一般是较为缓慢的,而人类对河流的开发利用则大大加快了这种自然过程[6]。

修建水利水电工程首先影响河道的水文情势、水域形态及流态等,由此导致了河流的营养物质、沉积物、光热条件等变化,这些因素综合起来对河流生物产生影响,从而干扰了河流生态的自然过程。河流内生物包括水生植物和水生动物。水生植物主要包括藻类和水生维管束植物;水生动物可分为浮游动物、底栖动物和鱼类。其中鱼类是最敏感的生物,常用作指示河流生态的变化情况,也是水利水电工程影响下河流生态主要的保护目标。鱼类同时作为人类利用的一种资源,受自然环境和人类活动的双重影响,种类、数量及其分布易发生变化。水利水电工程对鱼类等水生生物的影响主要反映在分隔阻隔、生存空间、水体环境和人为干扰这些方面。

2.1 分割阻隔的变化影响

对于水生生物的上下游活动,大坝的分割阻隔效应是明显的。受大坝分割阻隔影响的鱼类一般是洄游性种类。一些河段因下游存在坝体阻隔,江海洄游性鱼类实际上已无分布,但其中生活的一些鱼类具有在繁殖期上溯至上游源头或支流产卵的习性,如行程中受坝体或减水河段的阻隔,可能失去繁殖的机会而渐至绝迹。

一些河流上的多梯级电站还使得鱼类原有的生存空间被分割为多个破碎段,鱼类基因交流的范围缩小,削弱了上、下种群的生存力,同时也大大降低了鱼类选择新栖息环境的可能。

2.2 生存空间的变化影响

水库形成后,河流生态特征向湖泊生态特征转变,水域面积增大,水流变缓,大部分库区透明度显著增加,光、热条件得到改善,利于库区藻类、原生动物、轮虫等浮游动物的生存,其种类和数量将显著增加。其中流水种类的硅藻将会减少,静水种类如绿藻、蓝藻增加而可能成为优势种,浮游动物亦可能新增种类。库区水深增加,含氧量在一定程度上降低,原自然河道的滩、槽、沱等河床地貌完全消失。这将对底栖动物群落产生显著的负面影响,总的趋势是种类和数量都将减少,如原有适应于急流浅滩生活的蜉蝣类、石蚕、石蝇等将在深水区完全消失,仅在库缘和侧沟口残存。

库区的缓流环境对流水性鱼类种群影响较大。例如,一些适应急流冷水环境的鮡科鱼类、鲤科裂腹鱼类、鳅科鱼类将上移到库尾急流水域,因生存的空间缩小,其种群也相应减小;而鳅类和适应性较强的鲤科鱼类因水体空间的增大、饵料生物的增多,在该段水域内的种群数量将大幅度提高;一些珍稀或特有鱼类由于对原生境有较强的依赖性,因环境改变而一时难以适应,将会消失甚至灭绝。

引水式电站运行和水库引水灌溉将在坝下形成一定长度的减水河段。由于坝下河段流量大幅减小和流速减小,很大部分河床出露而形成浅滩、河湾的不连续水体;水量、营养来源的减少大大地缩小了鱼类等水生生物的生存、繁衍空间。减水河段内,藻类、浮游动物的种类组成将趋于简单,底栖动物的密度和生物量将减少。其中着生藻类和水草等水生植物将有所增加,如在岷江上游的一些减水河段内着生藻类十分丰富,常形成大面积的以丝状体为优势的周丛群落,其生物量远远大于浮游藻类。

据调查,减水河段内以小型鱼类生活为主,其种类及数量均很少。鱼类的减少主要原因是河道大幅度的减水、挖沙取石以及电鱼、毒鱼捕捞等人为破坏所致。随着减水河道向下游伸长,两侧支沟流水汇集增大,鱼类的栖息条件将逐渐好转,但与水利水电工程兴建前相比,鱼类的生存空间仍减少很大,仅能维持适应性较强的鱼类生存。

2.3 水体环境的变化影响

水利水电工程施工期产生的废水可能使局部水体 pH值和 SS含量升高、溶解氧降低,对鱼类生长、繁殖造成一定影响。在水环境容量较大的情况下,影响不大,但在水环境容量较小的河段,生产废水及生活污水若不进行处理直接排入水体,将对河流生态产生较大的影响。工程施工期对鱼类的不利影响是暂时的,施工结束后,绝大部分影响将随之消失;但一些工程的施工期较长,对鱼类自然生命进程的干扰超过了其承受范围,种群的恢复将很困难。

水利水电工程在运行期对河流水质一般不产生污染。对于一些库容较大的水库,库下层水体温度变化较原天然河水温度变化滞后,下泄低温水将影响到坝下河段水生生物的繁殖及幼体成长;但这种影响只存在于水温分层型水库,与水库出水条件和物种适应性等因素有关,通常采用分层取水等措施后,其不利影响是有限的。

2.4 人为活动的变化影响

水利水电工程施工期间产生的大量噪声、爆破振动等惊扰了鱼类等生物的栖息,致使其活动空间减少。一些鱼类(如裂腹鱼类、爬鮡类)是肉质鲜美的经济食用鱼,施工人员等可能大量捕食这些鱼类,过度捕捞将使鱼类资源趋于枯竭。

在引水式开发形成的减水河段内,较小的流量为电鱼、毒鱼等鱼类捕捞提供了机会,这是对鱼类的潜在威胁;河床暴露后,河道内挖沙采石等也严重地扰动了河床底质。这些人为破坏与水量减少一起将导致鱼类在减水河段内消失。

3 河流生态保护与修复对策

人类社会发展与河流系统密不可分,河流系统不可避免地受到人为活动的干扰。河流生态保护并非是不加利用、保守的保护,而应该从维持河流生态系统健康的角度,既保护河流生态系统的基本结构和功能不受到伤害,生态系统的各种功能(物种流、能量流、物质流、信息流和价值流)都能正常进行,又能够提供各种人类需要的服务,使其具有可持续性。对于水资源的开发利用,人类活动产生的干扰是发生、传播到消散的一个过程,应尽量减少不利影响的发生,保护原河流生态系统功能和结构的基本稳定,对于不可避免的影响,应采取积极的治理或补偿措施,使损失降至最低。

生态系统的健康应包含两个方面:一是满足人类社会合理要求的能力;二是生态系统自我维持与更新的能力。前者是后者的目标,而后者是前者的基础。健康的生态系统能满足人类的合理要求,并且具有可持续性[7]。

3.1 保护原则

针对不同的水利水电建设项目对河流生态的影响程度,应因地制宜地制定相应的生态保护措施。修复性保护措施主要采取栖息地保护、补偿性增殖放流、修建过鱼设施等,在强化渔政管理的基础上,使鱼类资源得到有效保护[8]。

(1)针对水生生物资源在河流水生生态系统中的主体地位和不同水生生物的特点,以资源保护为重点,实行多目标管理;在保护措施上,立足当前,着眼长远,分阶段、有步骤地加以实施。

(2)坚持因地制宜的原则,根据资源的区域分布特征,确定水生生物资源保护措施;以资源增殖、水域污染防治及生态补偿为重点,保护水生生物多样性和水域生态的完整性。

3.2 修建过鱼设施

为了保护鱼类资源,维护河流水生生态环境的完整性,减缓闸坝阻隔对鱼类种群遗传交流的影响,在河流上建坝时应考虑建设相应的过鱼设施。过鱼设施的设计与应用,可使生态受损流域的天然渔业资源得到保护与恢复,流域上下的鱼类种质通过过鱼设施得以交流,实现渔业生产与生物多样性的可持续发展。

鱼道是水利枢纽中为鱼类洄游而兴建的一种过鱼设施。在闸坝的下游,鱼类常依靠水流的吸引进入鱼道。我国第一座鱼道建于 1960年,位于黑龙江省兴凯湖,长70m,宽11m,运行初期效果良好,后毁于洪水。1962年又建成鲤鱼港鱼道。1963年,水电部和水产部联合颁发了《在水利建设和管理上注意保护增殖水产资源的通知》。1974年水电部和农林部又联合召开了“水利工程过鱼设施经验交流会”,进一步总结经验,推动了水利建设中水产资源的保护、增殖以及鱼道建设研究工作。在此期间,鱼道水工水力学模型试验不断开展,斗龙港、太平闸、浏河及洋塘等鱼道相继建成。据不完全统计,我国已建鱼道约 80座,主要分布在东南沿海各省。我国已建的鱼道,对江河(湖)渔业资源的保护起到了一定的积极作用[9]。

3.3 下泄生态流量

引水式电站的运行和从水库引水灌溉时将使坝下原本连续的自然河流水量急剧减少,形成减水河段。减水河段水量小,枯期大部分呈小溪状的浅滩,阻断鱼类的正常通行。虽然水库或减水河段河湾水较深,水流平缓,基本保证了鱼类隐蔽、越冬场所,但这又与喜急流鱼类难适应缓流的特性相矛盾,因此,河段的大幅减水对鱼类的生存及过流是一个极大的威胁。保证鱼类过流活动及生存必须的水深、流速条件,是枯期鱼类栖息地需水的要求。而在繁殖期的丰水期,应保证栖息地内足够的水流条件刺激以满足鱼类繁殖的要求。

由我院设计的四川华能宝兴河民治水电站采用引水式开发[10],电站建成后将形成 8.79km的减水河段,工程河段大水沟以上 1km河段除丰水年的 7～9月有少量流量下泄外,其它时间完全脱水。在脱水河段内,水环境及食物来源的丧失将使鱼类完全丧失了这段生存空间。大水沟以下河段,由于桦溪林沟、快乐沟等沟水汇入,小型鱼类能够存活,但在鸟、兽的猎食和人为影响下,数量将大幅度减少。随着河道向下游延伸,两侧支沟流水汇集增大,饵料生物量亦增多,能为鱼类提供基本的生存条件,但相比电站兴建前,鱼类的生存空间也大幅减小。

为保护该河段水生生物,特别是鱼类的多样性,维护区域生态环境的总体质量,经综合分析确定,下泄 4.82m3/s的生态流量,占坝址多年平均流量的14.7%;在水工布置方案上,采取在闸坝上专门设置生态放水孔,放水孔的进口中心高程为 1576.42m,低于死水位 8.08m,可保证常年放水。下泄生态流量后,减水河段将满足基本的鱼类栖息条件,同时亦满足环境用水及景观用水的要求。

流水性鱼类除需要基本的水力条件维持生存外,还需要在鱼类繁殖季节有适当的激流刺激其排卵。因此,本工程的设计还考虑在各种鱼类不同的繁殖期间,利用泄洪闸下泄 30m3/s的水流,为鱼类的繁殖营造急流环境,刺激鱼类产卵繁殖。

3.4 增殖放流措施

鱼类人工种群建立及增殖放流是目前保护物种、增加鱼类种群数量的重要措施之一。实践证明,建立鱼类资源增殖放流站,实行人工繁育苗种、放流鱼种是补偿因水利水电工程造成渔业资源损失而行之有效的措施。

鱼类的增殖措施包括天然增殖和人工增殖。天然增殖主要是从保护的角度出发,如保护鱼类产卵场、栖息地等,人工增殖主要采用放流措施。对于人工增殖放流,亲鱼在整个繁殖过程中都受人工控制,从而大大提高了亲鱼的繁殖率、鱼苗的成活率,只需要少量亲鱼即可得到足够的鱼苗。因此,采取人工繁殖和放流措施,不仅可以对一些种群数量已经减少或面临各种影响将减少的鱼种进行人工增殖,补充其资源数量,还可以部分解决水库上下游鱼类种质交流问题。但限于目前的技术水平等原因,人工增殖站通常只能在需要保护的鱼类中选出较有价值的种类进行增殖保护。

增殖放流规模、人工培育水体环境等一般与增殖放流目标、放流水体自然环境、饵料生物资源、鱼类资源现状以及放流对象生物学特性等相关。水利水电工程建设后实施的增殖放流保护措施,属补偿性放流,目前还没有规范的计算方法,放流量一般按电站建成后因库区上下游天然生境损失而带来的鱼类损失量进行计算。人工培育水体环境一般分亲鱼、鱼苗和孵化车间设置,其相应要求不同。同时,由于鱼类的水力学适宜条件等研究相对滞后,鱼类增殖站同时应开展相关的研究。

以大渡河猴子岩水电站为例[11],为保护受工程影响河段的鱼类资源,在电站所在江段设计建设一座鱼类人工增殖放流站。其主要任务是对放流对象野生亲本捕捞、运输、驯养,实施人工繁殖和苗种培育,进行放流苗种的标志(或标记),建立遗传档案,提供苗种进行放流,并开展相关科研及监测工作。

猴子岩水电站建成后,其影响为库区河段和坝下至长河坝库尾河段,因此鱼类资源补偿量主要考虑上述两河段,其中库区河道长 43.89 km,坝址至长河坝库尾河段长0.57～4.45km。根据受影响水域和渔业资源现状,拟把齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼、大渡裸裂尻作为近期放流对象,计划放流鱼苗数量为 20万尾 /年,考虑各苗种成活率等情况,初期需产出鱼苗约40万尾/年。齐口裂腹鱼和重口裂腹鱼的放流地点初步考虑在库尾以上大渡河和小金河的天然河段,以及坝址以下至长河坝库尾以上河段;大渡裸裂尻可放在猴子岩库区内。鱼类增殖站规划占地面积 7884m2,包括建设多功能生产车间、亲鱼池、苗种池,饵料池、蓄水池、生活用房、进水系统(含沉砂池)、供能设施、围墙和道路等。其中,较重要的是亲鱼池和苗种池。亲鱼池总面积 962m2(1尾/1m2),容积约 1155m3(设计水深 1.2m),池水交换量控制在 3h交换一次,满负荷运行时亲鱼池每小时需水 385m3。苗种培育池总面积 2000m2(200尾/1m2),幼鱼阶段鱼苗摄食能力较弱,为使饵料在池内有足够长的停留时间但又不至影响水质,池水交换量控制在4h交换一次,满负荷运行时苗种池每小时需水 500m3。

3.5 加强防范措施

(1)加强宣传,制定《水生生态环境保护手册》,在工程施工区设置水生生物保护警示牌,增强施工人员的环保意识。

(2)建立和完善鱼类资源保护规章制度,根据工程进展与流域鱼类生长繁殖实际状况,划定禁渔期及禁渔区,施工期间严禁施工人员电鱼、炸鱼等各种非法作业,保证鱼类在产卵期和生长期的正常繁殖,确保鱼类资源可持续利用。

(3)加强监管,严格按环保要求施工,生产废水及生活污水按环保要求达标排放或综合利用,杜绝影响水生生境的污染事故发生;建立鱼类保护应急方案,防止严重水污染等风险的发生及危害的扩散。

4 结 论

人类活动与河流系统密切相关,水利水电工程在利用河流水资源的同时,也改变了河道流量的时空分布规律,由此引起了营养物质、沉积物、光热条件等变化,这些因素综合起来会改变原有的河流生态系统。其不利影响主要表现为,减水河段的溪流状态及大坝阻断制约了鱼类的上下游交流;因水库或减水河段河湾水较深,水流平缓,基本保证了鱼类隐蔽、越冬场所,但这又与喜急流鱼类难适应缓流特性相矛盾,限制了鱼类的生存与繁殖。另外,工程施工污染和人为活动也对水生生物及鱼类生存构成了威胁。对于这些影响,如控制不当,鱼类种群将锐减甚至绝迹。

针对水利水电工程对河流生态的不利影响,应因地制宜地制定相应的生态保护措施。一方面应采取栖息地保护及防范措施,最大程度地避免或减缓不利影响,如修建过鱼设施、下泄生态流量等,以保证鱼类的栖息条件;另一方面采取积极的补偿性措施,对原河流生态进行有益的改造,如建立鱼类资源增殖放流站,实行人工繁育苗种、放流鱼种,可有效地补偿因水利水电工程建设造成的渔业资源损失。总之,在水利水电工程建设中,应充分重视对河流生态的保护与修复,进一步探索最佳的河流生态保护修复对策,以实现水利水电建设与环境保护的科学、协调发展。

[1]董哲仁.河流保护的发展阶段及思考[J].中国水利,2004(17):16-17,32.

[2]王东胜,彭静.我国水利水电开发的生态保护实践与启示[J].中国水利,2007(2)29-31.

[3]任红,等.寂静的秋天:中华鲟保护进行时[J].中国三峡(生态保护),2009(1):44-55.

[4]魏国良,等.水电开发对河流生态系统服务功能的影响—以澜沧江漫湾水电工程为例[J].2008,28(2):235-242.

[5]董哲仁,孙东亚,等.生态水利工程原理及技术[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[6]肖建红.水坝对河流生态系统服务功能影响及其评价研究[D].南京:河海大学,2007.

[7]王西琴,等.河流生态需水的理论、方法与应用[M].北京:中国科学出版社,2007.

[8]付意成,等.河流生态补偿研究进展[J].中国水利,2009(3):27-30.

[9]王兴勇,郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报,2005,3(3):222-228.

[10]四川华能宝兴河民治水电站环境影响报告书[R].成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,2008.

[11]四川大渡河猴子岩水电站环境影响报告书[R].成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,2009.