梯级小水电减水河道的灰线带达标率研究——以大渡河右岸的一级支流Alpha河为例

刘 湘, 王小莉, 王凯利, 李 永, 於孟元, 吴 松

(1.四川大学 水利水电学院,成都 610065;2.四川省环境工程评估中心，成都 610031;3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065;4.河海大学环境学院，南京 210098;5.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

中国西南地区水能资源丰富，水能资源开发广泛，而小水电作为重要的水利基础设施和可再生的清洁能源，其在农业基础设施上的作用极大地解决了农村及偏远山区的用电要求，对促进社会发展，缓解能源供需矛盾，优化能源结构起到了关键的作用[1]。梯级水电站的修建，很大程度上改变了河道的天然属性，破坏了河流的健康，影响了河流的生态[2]。同时，随着小水电的发展，小水电开发及运行管理目前存在着如规划滞后，无序开发，市场混乱，管理缺位，违法违规等问题导致生态问题日益严重，对河流的生态系统造成了不同程度的影响。

河岸植被是河流生态系统的重要组成部分, 在维持河流生态系统完整性和河岸生物多样性保护方面发挥重要作用[3]，其维护状况将直接影响到河岸栖息地水生生物的生存状况。河流的水文条件和水力参数是影响河岸植被发育和生长的主要因素[4]。随着梯级水电的建设,许多河流遭到过度的开发，水坝下游流量减少甚至干涸,部分山区引水式电站在大坝下游形成明显的减脱水段[5]，河道生境恶化，严重影响河道河岸植被生态系统维持状态、物种丰富度和多样性[6]。

Alpha河流域几乎全部采用引水式电站，引水式电站筑坝引水发电, 导致下游河段出现减水甚至干涸现象,形成减(脱)水河段[7]。河道水生生境是影响水生生物生产生活质量的直接影响因素，鱼类的生存繁殖对水面宽、流速、水深等河道生境水力参数以及水文状况也有一定的要求[8]，而随着引水流量的加大,下泄流量减少,小水电的修建导致的减脱水河段水面宽等水力参数的减小将直接或间接地影响栖息地的质量及水生生物的生长、发育、繁殖[9-10]。

1 河流灰线带

1.1 灰线带的提出

河流生态缓冲带是指陆地生态系统与河流生态系统的水路交错区和过渡带[11]。河流生态缓冲带动植物丰富，是许多物种必要的栖息地,对改善河流水质、抗洪水冲刷及河流生态系统的结构与功能有重要作用[12]。小水电开发后水面宽度变化会造成生态缓冲带的暴露，生态缓冲带长期暴露会引起缓冲带内的陆生动物及陆生植物退化甚至死亡灭绝，并影响水生生物的生存和繁殖。

因此本文引入河流灰线带和灰线带达标率评价指标，利用灰线变化达标率作为定量判断水面宽变化对生态缓冲带暴露影响的标准，着重研究小水电开发后水面宽度变化对河流生态缓冲带和水生生态的影响。

灰线带作为山区河流上一个典型的衡量陆生生态的要素，能够推断河道水面宽等水力参数与河道内水生生态和河岸植物带之间的相互联系，反映小水电开发后河道水面宽度变化对生态缓冲带暴露的影响，进一步衡量小水电开发对河岸陆生生态的影响，对于生态缓冲带内重要的陆生动植物保护以及衡量小水电建设运行对其影响有重要意义。

1.2 灰线带指标的计算方法

1.2.1 计算公式

本文将灰线带定义为20年一遇洪水对应的水边线与不同流量下的水面线之间构成的区域。灰线带变化达标率为典型断面灰线带变化率达标天数占年内陆生生物需求总天数的百分比

① 断面灰线带宽度变化率计算公式为：

(1)

式中：ρ：断面灰线带宽度变化率；B*：减水河段多年平均流量下对应的灰线带宽度，m；B：减水河段现状流量下对应的灰线带宽度，m。

以多年平均流量下对应的灰线带宽度为基准来计算减水河段现状流量下对应的灰线带宽度变化率，变化率范围的下限为ρ=0。按照陆生生态所需求的不同管理目标设定不同的变化率上限ρ目标，ρ目标的变化范围为ρ目标≤ρ生态流量，ρ生态流量为研究河段生态流量下对应的断面灰线带宽度变化率。

② 灰线带变化达标率：

(2)

式中：k：灰线带变化达标率；t1、t2、...、tn：断面满足管理目标的时间，d；T：有生物保护目标时，代表保护目标年内需求段时间，无生物保护目标时，时间为一年，d。

1.2.2 计算模型

本次研究使用河道一维恒定及非恒定流计算，用于计算河道的基本水力学参数如水面宽、水深、流速等，其原理如下：

恒定流水力计算以水面线的计算为基础。水面线的计算采用逐段试算法，应用能量方程，计算公式如下：

(3)

式中：WS1、WS2：上、下游断面水位，m；V1、V2：上、下游断面的平均流速，m/s；α1、α2：上、下游断面动能修正系数；he：水头损失，m；g：重力加速度，m2/s。

两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式为：

(4)

式中：L：断面平均距离，m；Sf：两断面间沿程水头损失坡度；c：收缩或扩张损失系数。L的计算式如下：

(5)

式中：LL、LCH、LR：左边滩地，主槽及右边滩地的河段长度，m；QL、QCH、QR：左边滩地，主槽及右边滩地的平均流量，m3/s。

根据不同糙率分界点划分滩地，并通过曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：

(6)

(7)

式中：K:流量模数；n:曼宁糙率系数；A：分区面积，m2；R：水力半径，m。

动能修正系数α由下式计算：

(8)

式中：A：过流断面面积；K：过流断面的流量模数。

1.3 灰线带指标的评价标准

本文考虑以k≥80%作为最佳状态，将k<10%作为最差状态，根据影响趋势制定标准。将灰线带变化达标率评价标准分为优、良、一般、较差、极差五个级，各评价标准详见表1。

表1 灰线带变化达标率评价等级表Tab.1 Evaluation scale of gray line changing compliance rate

2 研究目标

Alpha河是大渡河右岸的一级支流，位于石棉县安顺乡境内，流域面积168km2，河长32km,多年平均流量为5.92m3/s。河源高程3 880m，河口高程862m，平均比降9.43%。河谷深切，高度悬殊，蜿蜒曲折，水流湍急，两岸岩石陡峭，河谷狭窄，多呈“V”型谷，河床陡急，落差大，植被良好。Alpha河流域径流主要来源于天然降水，径流年内分配不一致。降水主要集中在丰水期，多年平均径流量1.87亿m3。

Alpha河是水能资源富集的一条小型山区性河流，水电理论蕴藏量7.36万kW，可开发量6.62万kW。在2006年石棉县小水电开发规划报告编制完成前， Alpha河流域水电开发已全面完成，全部为引水式开发。电站总装机容量为5.1万kW，平均每座1 900kW。Alpha河流域水电开发率高达77.0%，是全国水电开发率(25%)的3倍多，比2014年全国小水电开发率的41%也高出近一倍。

自水电站建成后，各电站引水使得坝下河道内水量大幅度减少，水面宽度变窄，坝下出现不同程度的减脱水。丰水期上游来流较丰时，坝下河段维持一定流量，河道减水；枯水期上游来流较枯时，环保督查前坝下河段脱水，河道呈干枯状态。各引水式电站基本无调节性能，且由于上一级电站尾水基本全部被下一级电站引走，环保督查前未泄放生态流量导致河道干涸现象严重。本研究中选用Alpha河上20座梯级水电站作为研究对象，电站分布如图所示。

图 Alpha河流域范围Fig. Alpha river basin area

3 灰线带指标的计算及评价

采用纵向一维水动模型，分别计算多年平均流量下、生态流量下、20年一遇洪水流量下各电站下游典型断面对应的水面宽，并计算出生态流量下灰线带宽度变化率，以此作为目标灰线带宽度变化率。通过灰线带宽度变化达标率计算方法及评价标准对Alpha河各梯级电站典型断面灰线带变化达标天数进行统计，计算达标率，并对这一指标进行评价，其计算评价结果详见表2。

表2 已建成20座水电站流量情况及灰线带变化达标率评价结果Tab.2 The evaluation results of the flow condition of the 20 hydropower stations and the gray line changing compliance rate

从以上评价结果来看，所计算评价的20座小水电中，大部分小水电灰线带变化达标率极差，仅小水二级电站的评价结果为一般，表明在Alpha河流域水电建设过程中，生态流量下泄不达标，生态缓冲带长期暴露，灰线带变化达标率极差，破坏了其区域生物多样性，对河流水质、抗洪水冲刷能力及河流生态系统的结构与功能造成了严重影响，导致流域生态景观恶化，缓冲带内的陆生动物及陆生植物退化甚至死亡灭绝。

根据上述计算评价结果定量判断水面宽度变化对生态缓冲带暴露的影响，对整个河段综合分析可得Alpha河流域的主要生态环境问题如下。

3.1 小水电开发密度过大，流域减脱水问题突出

Alpha河流域所建水电站全部采用引水式开发，且建设十分密集，在干流上平均每1.35km就有一座水电站。在电站运行过程中，上一级电站的尾水几乎全部被下一级电站引走，并且较大的支沟水和区间水也被引走发电，造成河道水面宽度变窄，减脱水问题十分突出，灰线带变化达标率极差。据调查数据显示， Alpha河干流全长仅32km，园水电站取水口以下27km河道全部为减水河段，在2017年国家环保督查前， Alpha河所建电站均未按要求下泄生态流量，造成枯水期河道脱水和断流，生态缓冲带暴露严重。

3.2 河流系统连通性破坏，河流生境片段化、碎片化明显

河流的连通性分为纵向连通和横向连通，其中横向连通包括河道、河岸带、地表水、地下水间的连通。在Alpha河流域范围内修建水电站，加之Alpha河流域天然情况下存在一定程度生境片段化，改变了Alpha河天然河流的连通状况。河道栖息地是河流水生生物生存繁殖的场所，由于生态缓冲带长期暴露以及河岸宽度变化，破坏流域天然连通性，导致生物栖息地环境变化，限制了营养物质的输移条件，破坏了水生生物的生存条件，阻断了物种间的基因交流，导致物种趋于单一甚至灭绝。

3.3 水生生态系统破坏严重，鱼类资源枯竭

自Alpha河流域梯级电站建成以来，河道水面宽度变窄，几乎全河段减脱水，灰线带变化达标率极差，导致流域水生生境退化明显。浮游藻类、着生藻类、浮游动物、底栖无脊椎动物等水生生物资源群落简单化，资源量明显下降。

3.4 河岸带严重萎缩，陆生生物退化

由于Alpha河流域水电站建设活动，加之流域内开垦、采矿甚至盗伐活动，造成森林植被受损，水土流失严重。生态流量下泄不达标，灰线带变化达标率极差，导致河岸带严重萎缩，陆生生物退化，生态景观恶化。

4 建 议

针对灰线带变化达标率这一指标而表现出的生态环境问题，笔者提出以下工程保障措施。

4.1 纵向连通措施

在Alpha河流域范围内，由于生态缓冲带长期暴露以及河岸宽度变化，破坏了流域天然连通性，导致河流生境片段化、碎片化明显。采用纵向连通措施，如构筑廊道，建设功能良好的过鱼设施(如鱼道、亲鱼型水轮机等)或集运鱼过坝设施(如集运鱼平台、升鱼机等)、合理的闸门，让水电大坝对河流“阻隔而未阻断”，这是保障鱼类上溯、下行，河流上下游营养物质输移的必要手段，除能减缓水电工程对水生生物(鱼类)的负面影响外，还能维持河流连续性以及保障生物多样性。

4.2 加大生态流量下泄

在2017年环保督察之前，Alpha河流域各电站未考虑生态用水需求，为追求发电效益，甚至用尽每一滴水，导致流域减脱水严重，灰线带变化达标率极差。环保督查以来，相关部门强制性采取临时性的生态流量下泄整改措施，但干支流减水现象仍十分明显。因此，建议在鱼类繁殖关键期的3～5月应进一步加大下泄生态流量，确保河道流量能满足鱼类产卵繁殖需要，必要时，实施联合生态调度，所有保留电站敞开放水，以此提高灰线带达标天数，进一步提高灰线带变化达标率。

4.3 加强植被抚育与重建

流域河岸带严重萎缩，陆生生物退化，生态景观恶化，故建议加强对区域植被的抚育与重建，增加区域植被的覆盖率，使其结构复杂化，对受工程影响的珍稀植物采取移栽、资源保存及繁育等措施。

5 结 论

本文提出灰线带宽度变化达标率计算方法及评价标准，并根据计算评价结果对Alpha河各梯级电站进行评估。评估结果显示，Alpha河已建成20座水电站中川矿园水电站、地宝洞电站、川矿兴鑫电站等15座电站评价等级为极差，欣荣电站、川矿康顺电站、华文电站和镇龙电站4座电站评价等级为较差，仅小水二级电站评价等级为一般。通过定量计算得知：在Alpha河梯级电站开发运营过程中河道水面宽度变化极大，生态缓冲带暴露严重，对当地生物多样性、河流水质、抗洪水冲刷能力及河流生态系统的结构与功能造成了严重影响，导致流域生态景观恶化，缓冲带内的陆生动物及陆生植物退化甚至死亡灭绝。

通过对灰线带达标率的研究以及对梯级电站目前面临严重生态问题的分析，为相关部门建立河流生态系统保护机制提供了参考。Alpha河流域应大幅提高生态流量下泄量，对梯级电站进行生态评估和生态改造。同时采用纵向连通措施，使河流阻隔而未阻断。除此之外，建议加强流域植被的抚育与重建，增加区域结构复杂度，提高植被覆盖率。