海勃灣水庫初期蓄水對魚類的影響及其對策研究

王秀英,王東勝,2,范 權(quán)

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心,北京 100038;3.內(nèi)蒙古烏海市水務(wù)局,內(nèi)蒙古烏海 016000)

0 引 言

魚類是河流生命健康狀況的重要表征。近年來由于水利工程建設(shè)、河流污染、河道水量減少等人為因素的影響,天然河流漁業(yè)資源遭到極大破壞。上世紀(jì)70～80年代漁業(yè)資源豐富的黃河、長江等大型河流,進入21世紀(jì)之后魚類數(shù)量下降較快,已經(jīng)引起了社會各界的重視。魚類資源保護與恢復(fù)的研究廣泛開展,針對不同河流水文特點、開發(fā)情況、魚類生活特性等,很多研究成果提出了保護措施[1-2],如控制大壩工程,保持水體連通性、嚴(yán)禁酷漁濫捕、建立保護區(qū)、維持魚類生存空間、增殖放流等等。這其中對水利工程建設(shè)應(yīng)配備的魚類保護措施、保護方案的實踐較多,各國過魚設(shè)置、魚類增殖措施相關(guān)工程及管理方案的實施取得了一定效果[3],研究也在不斷深入。但是目前的研究多是為水利工程運行期的魚類保護考慮,而水庫初期蓄水這一特殊敏感階段可能對魚類造成的影響以及減緩影響的措施、方案的研究很少涉及。雖然相對于水庫運行而言,初期蓄水時間較短,然而其影響可能是長久的,甚至對于某些魚類而言是致命的。水庫初期蓄水期間下游河段一旦出現(xiàn)脫水,則水生生態(tài)環(huán)境所受影響極大,即使不出現(xiàn)脫水段,驟然的流量變化也將對魚類棲息、產(chǎn)卵等生理過程造成不良影響。

本文以黃河內(nèi)蒙古河段海勃灣水利樞紐工程為例,探討了該工程初期蓄水方案對魚類的影響,以減小流量波動為目標(biāo),提出了降低對魚類影響的改善方法,以此為考慮魚類棲息環(huán)境的水庫初期科學(xué)蓄水提供參考。

1 黃河內(nèi)蒙段魚類保護現(xiàn)狀

1.1 黃河內(nèi)蒙段魚類保護

魚類目前已經(jīng)成為黃河具有優(yōu)先保護意義的生物類群[1]。黃河水系魚類資源比較豐富,但衰退趨勢明顯。建國前在黃河內(nèi)蒙古段以捕魚為業(yè)的漁民有數(shù)百人之多,產(chǎn)鮮魚＞350 t/a,建國后,捕撈力度逐步加大,1980年黃河捕撈量在100 t/a左右,進入21世紀(jì)以后,黃河的捕撈量進一步減少,黃河鯉捕量＜40 t/a,蘭州鯰只有5 t/a左右。黃河內(nèi)蒙段魚類保護迫在眉睫。

在黃河內(nèi)蒙古段30種魚類中,北方銅魚、大鼻吻鮈被錄入 《中國野生動物紅皮書》,瓦氏雅羅魚被列入 《中國瀕危動物紅色名錄》,蘭州鯰、黃河鯉是內(nèi)蒙古自治區(qū) 《實施 〈漁業(yè)法〉辦法》中規(guī)定的地方性保護水生野生動物,需重點保護。黃河內(nèi)蒙古段是這些魚類的集中分布區(qū),其生境保持在相對較好的水平。2008年,農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)建立了國家級“黃河鄂爾多斯段黃河鯰(蘭州鯰)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)”,對蘭州鯰、黃河鯉進行重點保護。保護區(qū)在黃河鄂爾多斯段的786 km范圍內(nèi),設(shè)置了4個核心區(qū)和實驗區(qū)。黃河內(nèi)蒙古河段首部烏海段是該保護區(qū)的實驗區(qū),河段內(nèi)分布有一定數(shù)量的黃河鯉、蘭州鯰,該河段河道寬泛、水草豐富,較為適宜這兩種魚類的棲息和產(chǎn)卵。因此內(nèi)蒙古烏海段黃河鯉、蘭州鯰等魚類資源的保護十分重要。

1.2 主要保護魚類的生活史

黃河鯉是指生活在黃河河道中的一個特殊的地方鯉魚種群。繁殖力強、耐寒、抗鹽堿、不易捕撈,生長較慢。該魚喜于水草叢中,流速緩慢的松軟河底游動,常棲息水底,很少上浮。有生殖洄游習(xí)性,每年4～8月當(dāng)水溫穩(wěn)定在16℃以上時,游于河灘淺水處自然繁殖產(chǎn)卵,受精卵黏附于水草上,3～5 d即可孵出,生長較快。

蘭州鯰為底層魚類,常潛伏于洞穴或隱藏于水草中。肉食性兇猛魚類,捕食底層小型魚類、蝦類和水生昆蟲等。一般3～4齡可達性成熟。繁殖期為5月下旬至6月中旬,水溫穩(wěn)定在20℃以上,所產(chǎn)卵粒大,墨綠色,黏性。

此外黃河內(nèi)蒙古段干流中還有北方銅魚,一種中下層魚類,喜棲息于水底多砂石處,4～5齡可達性成熟,繁殖期為6月,產(chǎn)沉性卵;赤眼鱒,喜棲息于水體上層,在河流中繁殖,繁殖期在5～8月,產(chǎn)漂浮性卵。

綜合看來,黃河內(nèi)蒙古河段主要保護魚類黃河鯉、蘭州鯰等多喜棲息于水流較緩的淺水區(qū),主要繁殖季節(jié)在4～8月。

2 海勃灣水利樞紐工程概況

2.1 工程修建的必要性

黃河內(nèi)蒙古河段地處黃河流域最北端,出寧夏的石嘴山市,在內(nèi)蒙古烏海市的巴彥陶亥入境,至鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗馬柵的榆樹灣出境,干流全長830 km,總落差僅162.5 m。內(nèi)蒙古河段特殊的地理位置形成該河段封河自下而上、開河自上而下的規(guī)律,這種封開河順序,使冰厚由上而下逐漸增厚,極易形成冰塞和冰壩,凌汛期沿程流量加大,造成河水上漲,淹灘漫地,形成特殊的凌汛現(xiàn)象。由1990～2003年度烏海市凌災(zāi)統(tǒng)計資料可知,烏海市有2個年度封、開河期均發(fā)生凌災(zāi),分別是1995～1996、1999～2000;6個年度發(fā)生凌災(zāi),其中封河期發(fā)生凌災(zāi)4個年度,分別是1992～1993、1993～1994、1994～1995、2001～2002年;開河期發(fā)生凌災(zāi) 2個年度,分別是 1991～1992、1998～1999年。

氣溫條件、地形河勢等河道邊界條件以及上游來水條件(即動力條件)是黃河內(nèi)蒙古河段凌汛致災(zāi)的3個主要因素。在不能改變河道地理地形條件、無法控制氣候因素的情況下,通過水庫調(diào)控凌汛期河道流量是防凌的重要手段之一。

在烏海市興建海勃灣水利樞紐,近期內(nèi)蒙古河段可具備較為完善的防凌工程體系,海勃灣水庫配合上游劉家峽水庫的防凌調(diào)度,適時調(diào)控凌汛期流量,與下游經(jīng)過除險加固后的堤防工程共同構(gòu)成防凌工程體系,可以進一步緩解或減輕下游凌汛負(fù)擔(dān),基本可以滿足內(nèi)蒙古河段近期的防凌要求。

2.2 工程建設(shè)規(guī)模

黃河海勃灣水利樞紐是以防凌為主要任務(wù),兼顧發(fā)電的不完全年調(diào)節(jié)水庫。工程主要由土石壩、泄洪閘、電站等建筑物組成。壩頂總長 6 864.2 m,壩頂高程1 078.7 m,土石壩段最大壩高18.2 m,泄洪閘壩段最大壩高19.6 m,電站壩段最大壩高35.7 m。水庫正常蓄水位1 076.0 m,水庫總庫容4.87×108m3,死水位1 069 m,死庫容0.44 ×108m3,電站裝機3臺,總裝機容量90 MW。工程位置及樞紐布置見圖1、圖2。

圖1 海勃灣水利樞紐地理位置圖Fig.1 Location of the Haibowan Dam

2.3 水庫初期蓄水方案

圖2 海勃灣水利樞紐工程布置Fig.2 Arrangement of the Haibowan Project

在流域水環(huán)境問題、生態(tài)問題日漸突出的背景下,黃河水利委員會于2002年開展了重點治黃專項 “黃河干流生態(tài)環(huán)境需水研究”[4]。研究采用Tennant法計算的石嘴山站生態(tài)流量分別為:4～6月335 m3/s,11～翌年3月140 m3/s,采用90%保證率最枯月流量法計算生態(tài)流量為 330 m3/s;考慮黃河河道邊界條件的復(fù)雜性,采用一維水質(zhì)模型計算環(huán)境水量,獲得目標(biāo)控制水平下和污染可控水平下所需環(huán)境基本水量為360 m3/s。依據(jù)全河段綜合考慮、不考慮河段取水及水量損失、水質(zhì)保證優(yōu)先、水資源可調(diào)控性和河口生態(tài)優(yōu)先等環(huán)境水量與生態(tài)水量耦合原則,研究成果推薦石嘴山站最小生態(tài)環(huán)境流量為330 m3/s。因該流量已應(yīng)用于黃河水量調(diào)度預(yù)案中,可作為研究河段生態(tài)環(huán)境需水量的依據(jù)值。海勃灣水利樞紐下游磴口水文站缺乏水文資料,而石嘴山與磴口水文站之間沒有分匯流,枯水期區(qū)間取水量較少,可用石嘴山站生態(tài)環(huán)境需水量代替磴口站。

海勃灣水利樞紐初期蓄水如果選擇在枯水期,河道流量較小,魚類處于越冬期,在保證下游生態(tài)環(huán)境需水量的前提下對魚類的影響不大。但由于枯水期冰凌情況影響及工程建設(shè)進度,工程初期蓄水主要還是發(fā)生在非汛期,這就可能對魚類的棲息及產(chǎn)卵產(chǎn)生影響。

依據(jù)工程設(shè)計單位的初步方案,本工程自2012年5月10日開始初期蓄水,推算入庫流量為535 m3/s,按生態(tài)環(huán)境需水量330 m3/s由泄洪閘控泄,水庫蓄水流量為 205 m3/s,初期蓄水至1 071 m,蓄水庫容為1.288×108m3/s,初期蓄水期為5.96 d。初期蓄水至1 071 m后,由電站和泄洪閘共同向下游泄水,入庫流量與出庫量相等。

3 初期蓄水水文情勢變化對魚類的影

海勃灣水利樞紐工程在初期蓄水期間,通過閘門調(diào)度,閘門尺寸寬×高為15 m×10.75 m,閘孔數(shù)為16孔,需要開啟2～3孔閘門可滿足下游最小生態(tài)環(huán)境需水要求,因此工程完全能夠保證水庫下游最小生態(tài)環(huán)境需水要求。

根據(jù)分析,2012年初期蓄水期間入庫水文條件與90%保證率典型年接近,自5月10日開始,控制下泄流量為330 m3/s,蓄水時間為 5.96 d。對照90%保證率典型年5月10日～5月14日建庫前流量分別為 535 m3/s、569 m3/s、575 m3/s、556 m3/s、548 m3/s、601 m3/s、679 m3/s。5月9日流量為495 m3/s,按照330 m3/s控制蓄水初期下泄流量,則5月10日流量驟然減少202 m3/s,壩址下游1.5 km左右的下海勃灣斷面水位下降0.6 m左右,距壩址32 km左右的老磴口斷面水位約降低0.3 m;5.96 d后,水庫下泄恢復(fù)到679 m3/s,流量增加344 m3/s,壩址下游河段水位迅速增加0.8 m左右,老磴口斷面增加0.4 m左右。

修建水庫前天然情況下,90%保證率典型年魚類產(chǎn)卵期的4～8月下海勃灣斷面水位波動最大值為0.67 m,平均值為0.09 m,水位變幅與出現(xiàn)頻率關(guān)系見圖3,老磴口斷面見圖4。從圖中可以看出,下海勃灣斷面＞0.6 m的水位變幅出現(xiàn)頻率很小,老磴口斷面4～8月水位波動＞0.4 m的情況出現(xiàn)頻率比較小。

圖3 下海勃灣斷面4～8月水位變幅與出現(xiàn)頻率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between water level amplitude and its frequency at the Xiahaibowan section from Apr to Aug

圖4 老磴口斷面4～8月水位變幅與出現(xiàn)頻率關(guān)系圖Fig.4 Relationship between water level amplitude and its frequency at the Laodengkou section from Apr to Aug

與天然情況下魚類產(chǎn)卵期水位波動情況對比看,初期蓄水造成的下海渤灣斷面水位波動0.6～0.8 m,老磴口斷面0.3～0.4 m的幅度已屬于較大變幅。初期蓄水的5月正是黃河內(nèi)蒙河段魚類產(chǎn)卵的高峰期。黃河鯉、蘭州鯰產(chǎn)卵黏附在水草上,如果水位驟然降低,魚卵來不及孵化就會因缺水死亡;北方銅魚等產(chǎn)沉性卵,水位的快速下降容易使得大量魚卵擱淺在灘地上無法孵化。而幾天內(nèi)的水位大幅度波動也會對成魚產(chǎn)生影響,影響產(chǎn)卵。在不到6 d的時間內(nèi),庫區(qū)水位升至1 071 m,漲幅達5 m,這對于庫區(qū)魚類棲息及產(chǎn)卵的影響同樣不可忽視。

4 蓄水初期魚類保護方案

水庫蓄水初期,應(yīng)考慮到庫區(qū)及下游河段水生生物的需求,避免快速蓄水給河流生態(tài)環(huán)境造成不利影響。初步估計水庫初期蓄水時間自5月10日開始,考慮到4～6月是黃河干流魚類的重要產(chǎn)卵季節(jié),按照壩址下游最小生態(tài)需水量下泄水流勢必會對下游魚類產(chǎn)卵造成影響。

為與初期蓄水方式計算成果對應(yīng),選用90%保證率典型年對水庫初期蓄水進行分析,從流量波動角度,減小對庫區(qū)及壩址下游魚類棲息及產(chǎn)卵的影響。根據(jù)石嘴山站流量統(tǒng)計結(jié)果,90%保證率典型年 5月份,5月10日之后入庫流量為 418～825 m3/s,逐日流量波動2～145 m3/s,見表1。

水庫修建前,5月10日～31日流量最大變幅為145 m3/s,相應(yīng)下海渤灣水位波動約為0.3 m,為使壩址下游水位波動不超過天然水位波動,出庫流量日變幅＜145 m3/s,即蓄水第一天與前一天和蓄水最后一天和之后的一天流量日變幅＜145 m3/ s。以此為控制條件,可對初期蓄水方案進行優(yōu)化。以下為90%保證率典型年考慮壩下游魚類產(chǎn)卵影響的初期蓄水方案。

表1 水庫修建前5月10日至5月31日日入庫流量及其變化Table 1 Discharge and daily amplitude at Haibowan dam location from 10 May to 31 May before the project

初期蓄水可分兩個階段,5月10日開始以530 m3/s下泄,蓄水至 5月15日,16日開始以630 m3/s控制下泄至26日,5月26日水庫蓄水至1 071 m后,初期蓄水完成,蓄水時間為17 d。按照這一蓄水過程,5月10日下泄流量與天然流量十分接近,不會產(chǎn)生較大水位波動,5月15日～16日,下泄流量由530 m3/s增加到630 m3/s,下海渤灣斷面水位變幅相應(yīng)增加約0.2 m,至老磴口斷面,水位變幅更小,對應(yīng)建庫前下海勃灣水位波動出現(xiàn)頻率為11%,對魚類產(chǎn)卵影響顯著降低。5月26日流量由630 m3/s增加到679 m3/s,流量變幅較小,對應(yīng)下游水位變化也很小,這一水位波動基本不影響下游魚類產(chǎn)卵。下泄530～630 m3/s的流量,閘門開啟4～5孔即可滿足要求。

逐步蓄水過程水庫下游水位波動接近于天然情況下的水位波動,流量波動曲線平坦化,庫區(qū)內(nèi)魚類棲息及產(chǎn)卵有一個逐步適應(yīng)水位升高的過程,因此對于庫區(qū)魚類的影響較5.9 d內(nèi)蓄水至1 071 m的影響小很多。

考慮對魚類影響初期蓄水方案可分階段進行,主要原則是以蓄水當(dāng)日流量為基準(zhǔn),分階段調(diào)整下泄流量,使得蓄水期間及蓄水結(jié)束日與次日流量變化平穩(wěn)過渡。具體蓄水時間、每個時段的控制下泄流量等與所劃分的蓄水階段及所控制的下游水位波動幅度有關(guān),因此解不是唯一的。在不同河流、不同蓄水時間,河段魚類生態(tài)過程所能承受的水位波動幅度不同,控制下泄流量波動不同,蓄水時間、蓄水階段自然存在差別,實際中可確定多個蓄水過程,再通過其他控制條件選擇最優(yōu)的方案。

5 結(jié)論與建議

雖然水庫初期蓄水的時間較短,但是由于蓄水選擇時機等原因,很可能會對河段魚類產(chǎn)卵、棲息等造成較大影響。保證水庫初期蓄水時段下泄流量不小于生態(tài)環(huán)境需水量只是最基本的要求,同時還應(yīng)注意初期蓄水時段與魚類特殊生活史的關(guān)系,最大限度地將蓄水過程中的水位波動控制在與天然情況下波動較為接近的范圍內(nèi),適當(dāng)延長蓄水時間,使得庫區(qū)及壩址下游魚類逐步適應(yīng)水位升高和水位波動?？刂菩钏鸬乃蛔兓脑瓌t主要是以蓄水當(dāng)日流量為基準(zhǔn),分階段調(diào)整下泄流量,使得蓄水期間及蓄水結(jié)束日與次日流量變化平穩(wěn)過渡。

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