河流水工程开发鱼类栖息地生态流修复技术探讨

常理 彭瑞 王火云

摘要：河流水工程开发对鱼类栖息地的影响问题已经成为业界普遍关注的重点，不同的鱼类栖息地保护措施体系已经基本形成并实践应用于我国河流水工程开发项目中。但从鱼类栖息地生态流的角度，将河流水工程开发项目作为对流域生态系统的外部影响分析其对鱼类栖息地“适宜性、完整性、连通性、多样性”的改变，系统探究鱼类栖息地非生物因子修复技术方面的研究还较为缺乏。研究表明：通过采取一定的工程补偿措施（鱼类栖息地保护、导鱼过鱼、生态水量调度等）能较大程度缓解水工程开发对鱼类栖息地自然生态流造成的负面影响，促进工程建设与鱼类栖息地保护协调可持续发展。

关键词：河流水工程;鱼类栖息地保护;生态流;非生物因子

中图分类号：X171 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）12-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.092

Discussion on restoration technology of fish habitat ecological flow impacted by river engineering

Chang Li，Peng Rui，Wang Huoyun

（POWERCHINA Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang Guizhou 550000，China）

Abstract：The impact of river water engineering development on fish habitat has become the focus of this industry，different systems of fish habitat protection have been basically formed and applied in Chinese river engineering projects.However，there is still a lack of research on the restoration technology of fish habitat abiotic factors considering the impact of ecological flow on four characteristics（suitability，integrity，connectivity，diversity）of fish habitat.The research shows that the negative impact of river engineering development on the natural ecological flow of fish habitat can be alleviated to a large extent by taking some engineering compensation measures （Such as fish habitat protection， fish-passing structure， ecological water flow control，etc.），and the coordinated and sustainable development of engineering construction and fish habitat protection can be promoted.

Key Words：River engineering;Fish habitat protection; Ecological flow;Abiotic factor

栖息地一般指某种生物生存繁衍所需空间生境的生物和非生物因子的总和，对于鱼类而言，鱼类栖息地包括了其完成全部生活史过程所必需的水域范围，如：产卵场、索饵场、越冬场以及连接不同生活史阶段水域的洄游通道等[1]，鱼类栖息地的保护实质是对鱼类栖息地非生物因子四个特性的保护。一是适宜性：指鱼类栖息地地形地貌、水力学、水温、水质等本底条件适宜性;二是完整性：指鱼类栖息地结构与功能的完整性;三是连通性：指鱼类栖息地中不同生活史阶段水域洄游通道的连通性;四是多样性：指基于前述三个基础的鱼类栖息地非生物因子多样性。“生态流”是指反映生态系统中生态关系的物质代谢、能量转换、信息交流、价值增减以及生物迁徙等行为的“功能流”[2]，本文以河流水工程开发鱼类栖息地非生物因子的生态流修复为基础，将河流水工程开发建设看作是对河流生态系统的一种外部人为干预因素，从而探究生态流变化对鱼类栖息地“四性”（适宜性、完整性、连通性、多样性）造成的影响，为流域鱼类保护工作提供参考依据。

1 生态流研究与应用现状

研究鱼类栖息地的生态环境保护的重要方法和模型有很多，而生态流的重点在于探索生态系统中的“物质”“能量”“信息”流动的路径和通量，从而反映人类活动对生态环境改变的影响。目前，基于生态流修复的环境保护相关研究在我国尚处于引入探索阶段，已有学者将生态流的理论方法应用于分析农田生态系统受土地整治项目的影响[3]，研究旱地生态系统价值流与生态流的耦合关系[4]等。国外的学者相关基础性研究已经具有一定的成果，并在此基础上形成了河流非生物因子修复的理论和工程实践。较为出名的河流生境修复工程为“莱茵河流域行动计划”，经过有关部门50年的努力与尝试，建设了大量人工湿地，恢复了沿岸植被，实现了莱茵河生态修复的目标，成功使鲑鱼从河口洄游至上游，是流域非生物因子成功修复的典型案例。

2 生态流变化对鱼类栖息地“四性”影响

2.1 河流生态系统生态流特征

生态流是自然生态系统各组分之间的关系纽带，是不断地进行能量、物质、信息和价值交换的循环过程。在自然生态系统中各组分、环境之间的物质、能量和信息交换的强度和通量是保持恒定的，任何新的改变都會导致原系统的平衡被打破，生态系统会根据新的环境条件通过调整系统组分之间的关系不断进行自我修复。这种内在关系用以生态流的概念理解即系统生态流平衡，就可以比较清晰的分析生态系统各组分之间“耦合关系”。

2.2 能量流改变的影响

河流生态系统的能量流动同样遵循热力学定律，生态系统的能量在自然流动时，系统内部的熵总是在不断增大，但能量的密度和强度是逐渐提高的。如在河流水工程开发建设领域，水电工程通过水轮机将流体的动能转化为电能，一方面，由于动能的利用会导致库区水流速的减小，从而导致溶解氧含量降低、河流自净能力降低，破坏了部分鱼类的生境。另一方面，由于水库运行原因导致下泄水温及水力条件的时空变化，改变了一些鱼类的产卵繁殖的时间，使鱼类经过长期形成的生长繁殖习性与自然环境的耦合关系被打破，破坏了鱼类生存环境“适宜性”。此外，由于水电工程蓄水发电，抬高了上游库区水位，库区的淹没会导致某些鱼类特有的产卵场、索饵场和越冬场不复存在，使某些鱼类需求的水生境消失，破坏了鱼类栖息地所需的“完整性”。不仅如此，高水头的水利水电工程泄流消能造成下泄水体溶解气体过饱和，致使部分鱼类患“气泡病”死亡。

2.3 物质流改变的影响

从流域整体来看，各个生命阶段周期的物质流都是平衡的，但目前基于物质流研究多数是研究单一物质的流动，事实上各种元素在伴随着物质流动的循环过程中会产生相互耦合作用，对整个生态系统的改变产生直接影响。生态系统中的物质流主要依托食物链流动，河流水工建筑的阻隔会直接影响鱼类上溯或下行的索饵行为，由于水工建筑的影响改变了河流的水文条件，形成与天然河道截然不同的两个水生生态系统，食物链和物质流动关系会发生较大的变化，生态流中物质的自然循环过程被打破，新的物质循环平衡状态的形成过程中会导致部分不适应新生境的水生生物减少或者消失，破坏整天然生态系统的“多样性”。

2.4 信息流改变的影响

生态系统内部各因子之间的信息交流构成生态系统的信息流，信息流作为生态流的基本功能流之一，可分为物理信息、化学信息和行为信息，存在于生态系统的各个层面，形成了一个相互作用的体系。生态系统中的能量和物质的流动通过个体、种群、生物与周围环境间的信息交流而协调，河流水工建筑对生态系统信息流动最直接的影响就是阻断上下游之间的信息流动，改变了河流水域环境声、光、温等物理信息，破坏了鱼类栖息地的“连通性”，对自然环境下水生生物的觅食、生长、发育、繁衍都造成一定不利理影响，破坏了鱼类栖息地的“适宜性”。

3 鱼类栖息地生态流修复

3.1 生态流“完整性”修复-栖息地保护

在实践中，鱼类栖息地保护的最理想的措施就是设立鱼类自然保护区，尽量减少天然河段的人为干预。但对于已经受到破坏的鱼类栖息地，应据实进行生态流修复治理，相关修复治理技术方案应合理利用生态流的自我平衡能力，采用自我修复和人工辅助修复相结合的方式，实现栖息地非生物因子功能流的修复目的。目前常使用的鱼类栖息地修复的技术措施较多，包括通过对沿河道路采取一定的工程措施，来减少水土流失对河道的水文形势的改变;以沿河种树植草、改变河道蜿蜒性等方式修复河岸植被带、改善堤岸的稳定性和河流内部水动力条件;在河流适宜的部位安置木块或石头，铺设产卵性砾石，重建深潭-浅谈等自然栖息地环境，改善鱼类栖息地完整性条件等[5]。

3.2 生态流“连通性”修复-导鱼过鱼

由于水工建筑的物理阻隔作用，对系统生态流的物质、能量和信息三个维度的流动造成了影响，为了充分保证系统生态流的平衡，通常采用一定的工程补偿措施（导鱼过鱼）修复鱼类各生境间的连通性。连通性的修复按照过鱼设施的功能可分为上行、下行和辅助设施，上行过鱼设施主要包括仿自然通道、升鱼机、鱼道、鱼闸和集运鱼系统等，鱼类通过人工过鱼设施的帮助，可一定程度实现其完成生命史的洄游需求，从而达到鱼类各生境间的连通性修复效果。其中鱼道是一种最为常见的上行过鱼设施，其类型和特点见表1[6]。目前在我国工程实践中大渡河枕头坝一级及沙坪二级水电站采用竖缝式鱼道，江西吉安三湖航电枢纽工程采用仿自然鱼道过鱼。雅砻江两河口水电站采用“鱼道+升鱼机+索道运输+运鱼船”的组合形式过鱼，均起到了较好的鱼类栖息地连通性修复效果。

3.3 生态流“适宜性”修复-生态流量调控

生态流量调控是一种降低河流水工程建设运行对生态系统“适宜性”造成负面影响的技术措施，通过合理规划河流水工程设施运行的时间和下泄流量，恢復部分自然条件下水文情势，实现上下游生态流“适宜性”的修复。生态水量调控的关键是保证下泄生态流通量和强度满足下游生态功能基本需要，使最低下泄流量不小于下游河道的生态基流;对于库区生态流强度降低而造成的水质下降问题，可合理上调下泄流量，加大库区水域的流动速度，缩短水库的换水时间周期，减缓水体富营养化速度，以达到修复鱼类栖息地生态流“适宜性”的目的。此外，通过河流水工程的优化调度，在下游鱼类自然产卵期间，通过调整水库的运行调度方案模拟自然环境下洪水的周期变化，也就是近自然的“信息流”修复方法，通过制造人工洪峰，刺激相应鱼类的繁殖、产卵和迁徙，确保鱼类栖息地非生物因子修复对“信息流”最小值的需求，满足鱼类生存繁衍所需的自然信号。

在三峡电站的运行实例中，为了缓解三峡大坝对以四大家鱼为首的长江鱼类繁殖产卵造成的不利影响，自2011年起开始长江防总对三峡水库实施了连续数年的生态调度实验，在长江鱼类产卵繁殖的时间段通过人工增大下泄流量的方式，形成了持续的涨水过程，为鱼类繁殖提供了良好的水文条件，有效地促进了四大家鱼的产卵繁殖，形成了“自然-人工”二元驱动下水生态系统的整体演化。

4 后续研究展望

河流水工程开发涉及生物因子和非生物因子之间影响非常复杂，尤其针对流域控制性水工程而言，其造成的河流水文节律变化及河流鱼类栖息地生态流的影响，更是需要进行长系列、多尺度、多因素、多变量等综合性基础研究，才能科学掌握其耦合关系的变化情况。目前，基于生态流理论开展的鱼类栖息地非生物因子修复研究在我国尚处于探索阶段，需要更系统地对其原理和表达方式进行更深入的发掘，未来的研究方向可能是采用统一量纲的方式，来研究生态流与外部影响的平衡关系，通过数值模拟量化分析河流水工程开发建设项目对生态流的影响，为河流水工程开发鱼类栖息地生态流修复提供更成熟理论基础和技术支撑，实现工程建设与鱼类栖息地保护的协调可持续发展。

参考文献

[1]杨宇，严忠民，乔晔，等.河流鱼类栖息地水力学条件表征与评述[J].河海大学学报：自然科学版，2007，35（2）：125-130.

[2]郭贝贝，杨绪红，金晓斌，等.生态流的构成和分析方法研究综述[J].生态学报，2015，35（5）：1630-1639.

[3]郭传新，张丽杰.基于水生态功能分区的流域水环境监测网络体系构建[J].环境与可持续发展，2018，43（02）：46-48.

[4]孟庆庆，王丽娜.基于水生态功能分区的流域水环境监测与评价研究[J].环境科学与管理，2017，42（12）：110-113.

收稿日期：2020-09-28

作者简介：常理（1983-），男，汉族，本科，高级工程师，研究方向为环境水力学。