梯級(jí)小水電減水河道的灰線帶達(dá)標(biāo)率研究
——以大渡河右岸的一級(jí)支流Alpha河為例

劉 湘, 王小莉, 王凱利, 李 永, 於孟元, 吳 松

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065;2.四川省環(huán)境工程評(píng)估中心，成都 610031;3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065;4.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098;5.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

中國西南地區(qū)水能資源豐富，水能資源開發(fā)廣泛，而小水電作為重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施和可再生的清潔能源，其在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施上的作用極大地解決了農(nóng)村及偏遠(yuǎn)山區(qū)的用電要求，對促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，緩解能源供需矛盾，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵的作用[1]。梯級(jí)水電站的修建，很大程度上改變了河道的天然屬性，破壞了河流的健康，影響了河流的生態(tài)[2]。同時(shí)，隨著小水電的發(fā)展，小水電開發(fā)及運(yùn)行管理目前存在著如規(guī)劃滯后，無序開發(fā)，市場混亂，管理缺位，違法違規(guī)等問題導(dǎo)致生態(tài)問題日益嚴(yán)重，對河流的生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的影響。

河岸植被是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性和河岸生物多樣性保護(hù)方面發(fā)揮重要作用[3]，其維護(hù)狀況將直接影響到河岸棲息地水生生物的生存狀況。河流的水文條件和水力參數(shù)是影響河岸植被發(fā)育和生長的主要因素[4]。隨著梯級(jí)水電的建設(shè),許多河流遭到過度的開發(fā)，水壩下游流量減少甚至干涸,部分山區(qū)引水式電站在大壩下游形成明顯的減脫水段[5]，河道生境惡化，嚴(yán)重影響河道河岸植被生態(tài)系統(tǒng)維持狀態(tài)、物種豐富度和多樣性[6]。

Alpha河流域幾乎全部采用引水式電站，引水式電站筑壩引水發(fā)電, 導(dǎo)致下游河段出現(xiàn)減水甚至干涸現(xiàn)象,形成減(脫)水河段[7]。河道水生生境是影響水生生物生產(chǎn)生活質(zhì)量的直接影響因素，魚類的生存繁殖對水面寬、流速、水深等河道生境水力參數(shù)以及水文狀況也有一定的要求[8]，而隨著引水流量的加大,下泄流量減少,小水電的修建導(dǎo)致的減脫水河段水面寬等水力參數(shù)的減小將直接或間接地影響棲息地的質(zhì)量及水生生物的生長、發(fā)育、繁殖[9-10]。

1 河流灰線帶

1.1 灰線帶的提出

河流生態(tài)緩沖帶是指陸地生態(tài)系統(tǒng)與河流生態(tài)系統(tǒng)的水路交錯(cuò)區(qū)和過渡帶[11]。河流生態(tài)緩沖帶動(dòng)植物豐富，是許多物種必要的棲息地,對改善河流水質(zhì)、抗洪水沖刷及河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有重要作用[12]。小水電開發(fā)后水面寬度變化會(huì)造成生態(tài)緩沖帶的暴露，生態(tài)緩沖帶長期暴露會(huì)引起緩沖帶內(nèi)的陸生動(dòng)物及陸生植物退化甚至死亡滅絕，并影響水生生物的生存和繁殖。

因此本文引入河流灰線帶和灰線帶達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用灰線變化達(dá)標(biāo)率作為定量判斷水面寬變化對生態(tài)緩沖帶暴露影響的標(biāo)準(zhǔn)，著重研究小水電開發(fā)后水面寬度變化對河流生態(tài)緩沖帶和水生生態(tài)的影響。

灰線帶作為山區(qū)河流上一個(gè)典型的衡量陸生生態(tài)的要素，能夠推斷河道水面寬等水力參數(shù)與河道內(nèi)水生生態(tài)和河岸植物帶之間的相互聯(lián)系，反映小水電開發(fā)后河道水面寬度變化對生態(tài)緩沖帶暴露的影響，進(jìn)一步衡量小水電開發(fā)對河岸陸生生態(tài)的影響，對于生態(tài)緩沖帶內(nèi)重要的陸生動(dòng)植物保護(hù)以及衡量小水電建設(shè)運(yùn)行對其影響有重要意義。

1.2 灰線帶指標(biāo)的計(jì)算方法

1.2.1 計(jì)算公式

本文將灰線帶定義為20年一遇洪水對應(yīng)的水邊線與不同流量下的水面線之間構(gòu)成的區(qū)域?；揖€帶變化達(dá)標(biāo)率為典型斷面灰線帶變化率達(dá)標(biāo)天數(shù)占年內(nèi)陸生生物需求總天數(shù)的百分比

① 斷面灰線帶寬度變化率計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ：斷面灰線帶寬度變化率；B*：減水河段多年平均流量下對應(yīng)的灰線帶寬度，m；B：減水河段現(xiàn)狀流量下對應(yīng)的灰線帶寬度，m。

以多年平均流量下對應(yīng)的灰線帶寬度為基準(zhǔn)來計(jì)算減水河段現(xiàn)狀流量下對應(yīng)的灰線帶寬度變化率，變化率范圍的下限為ρ=0。按照陸生生態(tài)所需求的不同管理目標(biāo)設(shè)定不同的變化率上限ρ目標(biāo)，ρ目標(biāo)的變化范圍為ρ目標(biāo)≤ρ生態(tài)流量，ρ生態(tài)流量為研究河段生態(tài)流量下對應(yīng)的斷面灰線帶寬度變化率。

② 灰線帶變化達(dá)標(biāo)率：

(2)

式中：k：灰線帶變化達(dá)標(biāo)率；t1、t2、...、tn：斷面滿足管理目標(biāo)的時(shí)間，d；T：有生物保護(hù)目標(biāo)時(shí)，代表保護(hù)目標(biāo)年內(nèi)需求段時(shí)間，無生物保護(hù)目標(biāo)時(shí)，時(shí)間為一年，d。

1.2.2 計(jì)算模型

本次研究使用河道一維恒定及非恒定流計(jì)算，用于計(jì)算河道的基本水力學(xué)參數(shù)如水面寬、水深、流速等，其原理如下：

恒定流水力計(jì)算以水面線的計(jì)算為基礎(chǔ)。水面線的計(jì)算采用逐段試算法，應(yīng)用能量方程，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：WS1、WS2：上、下游斷面水位，m；V1、V2：上、下游斷面的平均流速，m/s；α1、α2：上、下游斷面動(dòng)能修正系數(shù)；he：水頭損失，m；g：重力加速度，m2/s。

兩個(gè)斷面間的水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，水頭損失表達(dá)式為：

(4)

式中：L：斷面平均距離，m；Sf：兩斷面間沿程水頭損失坡度；c：收縮或擴(kuò)張損失系數(shù)。L的計(jì)算式如下：

(5)

式中：LL、LCH、LR：左邊灘地，主槽及右邊灘地的河段長度，m；QL、QCH、QR：左邊灘地，主槽及右邊灘地的平均流量，m3/s。

根據(jù)不同糙率分界點(diǎn)劃分灘地，并通過曼寧公式計(jì)算每個(gè)分區(qū)的流量，表達(dá)式如下：

(6)

(7)

式中：K:流量模數(shù)；n:曼寧糙率系數(shù)；A：分區(qū)面積，m2；R：水力半徑，m。

動(dòng)能修正系數(shù)α由下式計(jì)算：

(8)

式中：A：過流斷面面積；K：過流斷面的流量模數(shù)。

1.3 灰線帶指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文考慮以k≥80%作為最佳狀態(tài)，將k<10%作為最差狀態(tài)，根據(jù)影響趨勢制定標(biāo)準(zhǔn)。將灰線帶變化達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、良、一般、較差、極差五個(gè)級(jí)，各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 灰線帶變化達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)等級(jí)表Tab.1 Evaluation scale of gray line changing compliance rate

2 研究目標(biāo)

Alpha河是大渡河右岸的一級(jí)支流，位于石棉縣安順鄉(xiāng)境內(nèi)，流域面積168km2，河長32km,多年平均流量為5.92m3/s。河源高程3 880m，河口高程862m，平均比降9.43%。河谷深切，高度懸殊，蜿蜒曲折，水流湍急，兩岸巖石陡峭，河谷狹窄，多呈“V”型谷，河床陡急，落差大，植被良好。Alpha河流域徑流主要來源于天然降水，徑流年內(nèi)分配不一致。降水主要集中在豐水期，多年平均徑流量1.87億m3。

Alpha河是水能資源富集的一條小型山區(qū)性河流，水電理論蘊(yùn)藏量7.36萬kW，可開發(fā)量6.62萬kW。在2006年石棉縣小水電開發(fā)規(guī)劃報(bào)告編制完成前， Alpha河流域水電開發(fā)已全面完成，全部為引水式開發(fā)。電站總裝機(jī)容量為5.1萬kW，平均每座1 900kW。Alpha河流域水電開發(fā)率高達(dá)77.0%，是全國水電開發(fā)率(25%)的3倍多，比2014年全國小水電開發(fā)率的41%也高出近一倍。

自水電站建成后，各電站引水使得壩下河道內(nèi)水量大幅度減少，水面寬度變窄，壩下出現(xiàn)不同程度的減脫水。豐水期上游來流較豐時(shí)，壩下河段維持一定流量，河道減水；枯水期上游來流較枯時(shí)，環(huán)保督查前壩下河段脫水，河道呈干枯狀態(tài)。各引水式電站基本無調(diào)節(jié)性能，且由于上一級(jí)電站尾水基本全部被下一級(jí)電站引走，環(huán)保督查前未泄放生態(tài)流量導(dǎo)致河道干涸現(xiàn)象嚴(yán)重。本研究中選用Alpha河上20座梯級(jí)水電站作為研究對象，電站分布如圖所示。

圖 Alpha河流域范圍Fig. Alpha river basin area

3 灰線帶指標(biāo)的計(jì)算及評(píng)價(jià)

采用縱向一維水動(dòng)模型，分別計(jì)算多年平均流量下、生態(tài)流量下、20年一遇洪水流量下各電站下游典型斷面對應(yīng)的水面寬，并計(jì)算出生態(tài)流量下灰線帶寬度變化率，以此作為目標(biāo)灰線帶寬度變化率。通過灰線帶寬度變化達(dá)標(biāo)率計(jì)算方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對Alpha河各梯級(jí)電站典型斷面灰線帶變化達(dá)標(biāo)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算達(dá)標(biāo)率，并對這一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表2。

表2 已建成20座水電站流量情況及灰線帶變化達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 The evaluation results of the flow condition of the 20 hydropower stations and the gray line changing compliance rate

從以上評(píng)價(jià)結(jié)果來看，所計(jì)算評(píng)價(jià)的20座小水電中，大部分小水電灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差，僅小水二級(jí)電站的評(píng)價(jià)結(jié)果為一般，表明在Alpha河流域水電建設(shè)過程中，生態(tài)流量下泄不達(dá)標(biāo)，生態(tài)緩沖帶長期暴露，灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差，破壞了其區(qū)域生物多樣性，對河流水質(zhì)、抗洪水沖刷能力及河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能造成了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致流域生態(tài)景觀惡化，緩沖帶內(nèi)的陸生動(dòng)物及陸生植物退化甚至死亡滅絕。

根據(jù)上述計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果定量判斷水面寬度變化對生態(tài)緩沖帶暴露的影響，對整個(gè)河段綜合分析可得Alpha河流域的主要生態(tài)環(huán)境問題如下。

3.1 小水電開發(fā)密度過大，流域減脫水問題突出

Alpha河流域所建水電站全部采用引水式開發(fā)，且建設(shè)十分密集，在干流上平均每1.35km就有一座水電站。在電站運(yùn)行過程中，上一級(jí)電站的尾水幾乎全部被下一級(jí)電站引走，并且較大的支溝水和區(qū)間水也被引走發(fā)電，造成河道水面寬度變窄，減脫水問題十分突出，灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示， Alpha河干流全長僅32km，園水電站取水口以下27km河道全部為減水河段，在2017年國家環(huán)保督查前， Alpha河所建電站均未按要求下泄生態(tài)流量，造成枯水期河道脫水和斷流，生態(tài)緩沖帶暴露嚴(yán)重。

3.2 河流系統(tǒng)連通性破壞，河流生境片段化、碎片化明顯

河流的連通性分為縱向連通和橫向連通，其中橫向連通包括河道、河岸帶、地表水、地下水間的連通。在Alpha河流域范圍內(nèi)修建水電站，加之Alpha河流域天然情況下存在一定程度生境片段化，改變了Alpha河天然河流的連通狀況。河道棲息地是河流水生生物生存繁殖的場所，由于生態(tài)緩沖帶長期暴露以及河岸寬度變化，破壞流域天然連通性，導(dǎo)致生物棲息地環(huán)境變化，限制了營養(yǎng)物質(zhì)的輸移條件，破壞了水生生物的生存條件，阻斷了物種間的基因交流，導(dǎo)致物種趨于單一甚至滅絕。

3.3 水生生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，魚類資源枯竭

自Alpha河流域梯級(jí)電站建成以來，河道水面寬度變窄，幾乎全河段減脫水，灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差，導(dǎo)致流域水生生境退化明顯。浮游藻類、著生藻類、浮游動(dòng)物、底棲無脊椎動(dòng)物等水生生物資源群落簡單化，資源量明顯下降。

3.4 河岸帶嚴(yán)重萎縮，陸生生物退化

由于Alpha河流域水電站建設(shè)活動(dòng)，加之流域內(nèi)開墾、采礦甚至盜伐活動(dòng)，造成森林植被受損，水土流失嚴(yán)重。生態(tài)流量下泄不達(dá)標(biāo)，灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差，導(dǎo)致河岸帶嚴(yán)重萎縮，陸生生物退化，生態(tài)景觀惡化。

4 建 議

針對灰線帶變化達(dá)標(biāo)率這一指標(biāo)而表現(xiàn)出的生態(tài)環(huán)境問題，筆者提出以下工程保障措施。

4.1 縱向連通措施

在Alpha河流域范圍內(nèi)，由于生態(tài)緩沖帶長期暴露以及河岸寬度變化，破壞了流域天然連通性，導(dǎo)致河流生境片段化、碎片化明顯。采用縱向連通措施，如構(gòu)筑廊道，建設(shè)功能良好的過魚設(shè)施(如魚道、親魚型水輪機(jī)等)或集運(yùn)魚過壩設(shè)施(如集運(yùn)魚平臺(tái)、升魚機(jī)等)、合理的閘門，讓水電大壩對河流“阻隔而未阻斷”，這是保障魚類上溯、下行，河流上下游營養(yǎng)物質(zhì)輸移的必要手段，除能減緩水電工程對水生生物(魚類)的負(fù)面影響外，還能維持河流連續(xù)性以及保障生物多樣性。

4.2 加大生態(tài)流量下泄

在2017年環(huán)保督察之前，Alpha河流域各電站未考慮生態(tài)用水需求，為追求發(fā)電效益，甚至用盡每一滴水，導(dǎo)致流域減脫水嚴(yán)重，灰線帶變化達(dá)標(biāo)率極差。環(huán)保督查以來，相關(guān)部門強(qiáng)制性采取臨時(shí)性的生態(tài)流量下泄整改措施，但干支流減水現(xiàn)象仍十分明顯。因此，建議在魚類繁殖關(guān)鍵期的3～5月應(yīng)進(jìn)一步加大下泄生態(tài)流量，確保河道流量能滿足魚類產(chǎn)卵繁殖需要，必要時(shí)，實(shí)施聯(lián)合生態(tài)調(diào)度，所有保留電站敞開放水，以此提高灰線帶達(dá)標(biāo)天數(shù)，進(jìn)一步提高灰線帶變化達(dá)標(biāo)率。

4.3 加強(qiáng)植被撫育與重建

流域河岸帶嚴(yán)重萎縮，陸生生物退化，生態(tài)景觀惡化，故建議加強(qiáng)對區(qū)域植被的撫育與重建，增加區(qū)域植被的覆蓋率，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，對受工程影響的珍稀植物采取移栽、資源保存及繁育等措施。

5 結(jié) 論

本文提出灰線帶寬度變化達(dá)標(biāo)率計(jì)算方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果對Alpha河各梯級(jí)電站進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，Alpha河已建成20座水電站中川礦園水電站、地寶洞電站、川礦興鑫電站等15座電站評(píng)價(jià)等級(jí)為極差，欣榮電站、川礦康順電站、華文電站和鎮(zhèn)龍電站4座電站評(píng)價(jià)等級(jí)為較差，僅小水二級(jí)電站評(píng)價(jià)等級(jí)為一般。通過定量計(jì)算得知：在Alpha河梯級(jí)電站開發(fā)運(yùn)營過程中河道水面寬度變化極大，生態(tài)緩沖帶暴露嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)厣锒鄻有?、河流水質(zhì)、抗洪水沖刷能力及河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能造成了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致流域生態(tài)景觀惡化，緩沖帶內(nèi)的陸生動(dòng)物及陸生植物退化甚至死亡滅絕。

通過對灰線帶達(dá)標(biāo)率的研究以及對梯級(jí)電站目前面臨嚴(yán)重生態(tài)問題的分析，為相關(guān)部門建立河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制提供了參考。Alpha河流域應(yīng)大幅提高生態(tài)流量下泄量，對梯級(jí)電站進(jìn)行生態(tài)評(píng)估和生態(tài)改造。同時(shí)采用縱向連通措施，使河流阻隔而未阻斷。除此之外，建議加強(qiáng)流域植被的撫育與重建，增加區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，提高植被覆蓋率。