雅礱江錦屏河段水電工程引發(fā)的水生生態(tài)難題及關(guān)鍵措施體系建設(shè)

劉 杰，郎 建，龍靈滋

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

河流作為生物和營養(yǎng)元素的重要交流廊道，其連通性是保障河流水生生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)性的必要條件。水電工程大壩的阻隔作用，是對天然河流水環(huán)境影響最劇烈、最廣泛的人為擾動事件之一［1］，而大壩阻隔對河流最直接的影響就是破壞其連續(xù)性和連通性。

雅礱江錦屏河段分布著錦屏一級和錦屏二級兩座大型水電站，兩個電站同期建設(shè)、同期投入運行，如此規(guī)模的河流擾動給錦屏河段乃至整個雅礱江下游河段的水生生態(tài)系統(tǒng)帶來了新的難題。因此，剖析錦屏工程所引發(fā)的水生生態(tài)難題，并構(gòu)建合理、可行的措施體系是電站開發(fā)過程中的重點和難點所在。

1 概 況

1.1 錦屏河段概況

錦屏河段起始于錦屏一級水電站庫尾（卡拉水電站壩址處），終點為錦屏二級水電站廠房，總長度約196 km。錦屏河段分布著錦屏一級和錦屏二級兩座水電站，總裝機容量8 400 MW，是雅礱江下游開發(fā)的龍頭電站和控制性工程。錦屏一級大壩到錦屏二級閘壩之間僅7.5 km，兩座電站建成后聯(lián)合運行，被譽為雅礱江上的“雙子星座”姊妹電站。

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，壩址位于鹽源縣與木里縣交界的普斯羅溝（東經(jīng)101°37′、北緯28°10′），工程建設(shè)占地和水庫淹沒涉及鹽源縣和木里縣。錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，閘址位于錦屏一級水電站壩址下游7.5 km的大河灣西端貓貓灘（屬木里縣和冕寧縣，東經(jīng)101°38′、北緯28°15′），廠址位于雅礱江大河灣東端大水溝處（屬冕寧縣，東經(jīng)101°47′、北緯28°08′）。

根據(jù)區(qū)位關(guān)系特征和工程特性，可將錦屏河段分為錦屏庫區(qū)段和錦屏大河灣段兩部分。錦屏庫區(qū)段是從錦屏一級水電站庫尾（卡拉水電站壩址處）至錦屏二級壩址之間長約67 km的河段，該河段包含了錦屏一級和錦屏二級水電站的庫區(qū)。錦屏大河灣段是從錦屏二級壩址至錦屏二級廠房之間約119 km的減水河段。錦屏大河灣段河流環(huán)繞錦屏山，形成一南北向長條形天然彎道。錦屏大河灣西端的棉沙溝至東端的大水溝直線距離約16.5 km，水面落差310m，若截彎引水平均每千米可獲得落差18.79 m，是落差最為集中的河段。錦屏河段地理位置如圖1所示。

圖1 錦屏河段位置示意

1.2 錦屏河段水生生態(tài)系統(tǒng)特征

錦屏河段處于青藏高原向四川盆地過渡地帶，為高山峽谷地貌，河床深切，落差大，水流湍急，灘潭交替。灘上水淺流急，底質(zhì)由巨礫和卵石組成；潭內(nèi)水深，水流稍緩，底質(zhì)多變、復(fù)雜，主要為卵石和礫石。為適應(yīng)急流和高氧的魚類及餌料生物提供了棲息和繁殖場所。部分河段中心多沙洲，兩岸多沙灘和磧壩。與河流生境相適應(yīng)，水生生物表現(xiàn)出典型的山區(qū)河流特征，種類組成以流水性種類為主，浮游植物、著生藻類、浮游動物、底棲動物等水生生物多樣性、密度、生物量相對較低，水體生物生產(chǎn)力不高，河流的生態(tài)功能以匯源、輸移為主。

工程建設(shè)各階段均對工程河段的魚類資源情況和生活特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查。綜合文獻(xiàn)記載和歷次調(diào)查成果，錦屏河段共分布（可能分布）有魚類53種，分屬5目10科37屬，其中鯉形目34種，占魚類種數(shù)的61.2%；鲇形目16種，占魚類種數(shù)的30.2%；此外，鳉形目、合鰓魚目、鱸形目各1種。錦屏河段無國家Ⅰ、Ⅱ級保護(hù)魚類，青石爬鮡、松潘裸鯉、鱸鯉、細(xì)鱗裂腹魚、長絲裂腹魚、西昌高原鰍、裸體異鰾鰍鮀7種為四川省重點保護(hù)魚類。長薄鰍和黃石爬鮡被《中國動物紅皮書》記錄為易危種類。錦屏河段分布有長江上游特有魚類21種，分別為紅唇薄鰍、長薄鰍、西昌高原鰍、戴氏山鰍、中華金沙鰍、四川華吸鰍、長鰭吻鮈、圓口銅魚、裸體異鰾鰍鮀、鱸鯉、短須裂腹魚、細(xì)鱗裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚、松潘裸鯉、齊口裂腹魚、擬緣、青石爬鮡、黃石爬鮡、中華鮡、前臀鮡。

2 工程引發(fā)的水生生態(tài)難題剖析

2.1 河流自然水文過程改變

河流的水文情勢是河流生物多樣性和生態(tài)完整性的主要驅(qū)動力，水文過程與河流的物理、化學(xué)和生物過程都密切相關(guān)，可以視其為河流生態(tài)系統(tǒng)的一個“主變量”［2-3］。錦屏一級水電站為典型的年調(diào)節(jié)水庫，水庫運行導(dǎo)致河流洪峰過程坦化，低流量大小增加，年水文過程趨向均一化，洪水脈沖、高流量和低流量的發(fā)生時間、持續(xù)時間、頻率和變化率均發(fā)生相應(yīng)變化，這些改變會從上到下影響到錦屏庫區(qū)段和錦屏大河灣段水文情勢，打破原有河流水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.1.1 錦屏庫區(qū)段

錦屏一級水庫蓄水后水體流速將明顯減緩，使庫區(qū)河段水域環(huán)境從急流河道型轉(zhuǎn)為緩流型，并在庫區(qū)不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的水文特性，具體表現(xiàn)為：壩前水域過水?dāng)嗝婷娣e較大，水深較大，水體流速平緩，呈現(xiàn)出湖泊水動力學(xué)特征；水庫中間水域具有一定的流速，屬于過渡段；水庫庫尾區(qū)域水體流速較大，水深較淺，接近原天然河流狀態(tài)，仍具有河流水文水動力學(xué)特征。另外，在錦屏一級水庫年最大水位變幅達(dá)80 m，且?guī)靺^(qū)水位可能會出現(xiàn)反季節(jié)上漲和消落期迅速下降等非自然的變化，顯著改變了庫區(qū)河段的水文節(jié)律。錦屏二級庫區(qū)呈現(xiàn)了同樣的改變，但影響程度遠(yuǎn)小于錦屏一級。

2.1.2 錦屏大河灣段

錦屏大河灣段119 km減水河段水文情勢主要受錦屏二級運行調(diào)度影響，而生態(tài)流量下泄過程與天然水文節(jié)律基本一致（自運行以來下泄量為48～3 368m3/s），再加上區(qū)間徑流補充，減水河段依然表現(xiàn)為中型河流特征，河段水流特性依然呈現(xiàn)多樣化。但錦屏二級運行后大部分時段減水河段流量較運行前出現(xiàn)了明顯下降，減水河段生境發(fā)生了一定程度的變化。

2.2 河流水溫改變

錦屏一級水庫具有庫大、庫深、庫短的顯著特征?！皫齑蟆笔侵杆畮鞄烊荽?，據(jù)統(tǒng)計，錦屏一級水庫正常常蓄水位1 880 m時，水庫總庫容約77.65億m3，約為原河槽水體的152倍；“庫深”意為庫區(qū)水體垂向深度大，庫區(qū)水位1 880 m時壩前水深可接近300 m，庫區(qū)平均水深超100 m；“庫短”即指水庫庫區(qū)回水長度短，在錦屏一級水庫庫容如此規(guī)模的情況下，1 880 m庫水位時，雅礱江干流回水長度僅為59.2 km，這主要是因為干流河道坡降較大，平均達(dá)4.22‰。同時，錦屏一級水電站還表現(xiàn)出了支庫規(guī)模大的特點，其中小金河支庫占比達(dá)50.1%。錦屏一級水庫的水體形態(tài)特征將引發(fā)水溫改變的問題，針對水庫引發(fā)的工程河段水溫影響，需開展水溫數(shù)值模擬和原型觀測等一系列工作，并根據(jù)影響設(shè)計水溫減緩措施，并分析措施的效果。

2.3 河流棲息地功能受損

魚類棲息地的空間形式為河床和河流水體。長期以來，自然的河流水文豐、枯節(jié)律變化，有緩流也有激流，泥沙沖淤平衡，河床底質(zhì)較為穩(wěn)定，其中的魚類與之相適應(yīng)，形成了特定的繁殖習(xí)性。水電站建設(shè)與運行不可避免地導(dǎo)致魚類生境變化，當(dāng)生境變化超出了魚類適宜的范圍，將對魚類產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)錦屏一級水電站建成運行后，原來河流蜿蜒曲折的形態(tài)在庫區(qū)中消失，干流、支流、河灣、沼澤、急流、淺灘等豐富多樣的生境被單一的水庫生境所替代，生境的異質(zhì)性大幅降低，水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能隨之發(fā)生變化，生物群落多樣性也隨之降低。另外，水電站建設(shè)對河流水文情勢和水溫造成嚴(yán)重影響，若不采取減緩措施，將對部分魚類的生存環(huán)境造成不利影響，魚類難以找到適宜生存的棲息場所。多重因素疊加影響，致使水電站工程河段的棲息地的異質(zhì)性降低，河流給魚類提供棲息地的功能遭受影響，魚類生存環(huán)境惡化。

3 水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

基于工程河段保護(hù)對象的需求分析，提出錦屏河段水生生態(tài)系統(tǒng)的總體保護(hù)目標(biāo)是保障錦屏大河灣水生生態(tài)系統(tǒng)的健康，維持河流水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能。根據(jù)河流水生生態(tài)系統(tǒng)特點，將總體保護(hù)目標(biāo)分為水生生境保護(hù)和水生生物保護(hù)。

水生生境保護(hù)要素主要包括水溫、水量、水質(zhì)、底質(zhì)和棲息地等，采取相應(yīng)措施達(dá)到如下的保護(hù)效果和目標(biāo)：①保護(hù)錦屏大河灣棲息地，使保護(hù)河流生境的自然屬性和狀況得到恢復(fù)和維持，魚類三場得到恢復(fù)和維持，功能質(zhì)量有所提高，河流廊道的連通性得到修復(fù)和保持；②對水電站運行后的下泄流量進(jìn)行生態(tài)調(diào)控，保證下游生態(tài)用水，盡量避免電站運行時水文過程對錦屏大河灣乃至雅礱江下游水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響；③有效減緩庫區(qū)水溫分層造成的低溫水下泄問題，營造適宜錦屏大河灣乃至雅礱江下游的水生生物生存繁衍的水溫條件。

在水生生境保護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展錦屏大河灣及其下游區(qū)域的水生生物保護(hù)。魚類是重要的水生生物資源，是大多數(shù)情況下的漁獲對象。同時，作為河流水生生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，魚類對其他類群的存在和豐度有著重要作用，對河流生態(tài)系統(tǒng)具有特殊作用。加之魚類對生存空間最為敏感，故將魚類作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重點保護(hù)目標(biāo)。魚類保護(hù)主要維持魚類物種多樣性水平以及維持種群規(guī)模，避免數(shù)量減少，甚至滅絕。錦屏工程根據(jù)實際情況，堅持統(tǒng)籌兼顧、突出重點的原則，考慮物種的保護(hù)價值、受工程影響程度、地理分布以及在本江段的數(shù)量、分布等因素，確定錦屏河段的魚類保護(hù)對象，包括長絲裂腹魚、短須裂腹魚、細(xì)鱗裂腹魚、四川裂腹魚、松潘裸鯉、鱸鯉、長薄鰍、裸體異鰾鰍鮀、圓口銅魚、西昌高原鰍、青石爬鮡、黃石爬鮡和中華鮡。

4 關(guān)鍵措施體系

從工程建設(shè)帶來的水生生態(tài)難題入手，梳理出錦屏河段的水生生態(tài)保護(hù)關(guān)鍵措施框架（見圖2）。

圖2 錦屏河段水生生態(tài)保護(hù)措施體系

（1）錦屏大河灣棲息地保護(hù)，爭取寶貴流水生境。棲息地保護(hù)是保護(hù)魚類自然資源最有效的措施，主要是通過保護(hù)一定范圍的、適宜的、可以保證魚類完成完整生活史的河流生境，達(dá)到有效保護(hù)魚類和維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的目的。面對錦屏工程造成的河流棲息地功能受損的問題，有必要為大多數(shù)土著魚類保留或營造一定規(guī)模的適宜生境，既有成魚適宜的生存活動場所，也有適宜的繁殖場所和幼魚索餌場所，從而維持魚類自然繁衍和種群資源穩(wěn)定性。雅礱江下游的水電開發(fā)程度較高，保留河段非常少，尋找具有流水環(huán)境的河段為土著魚類提供棲息地顯得非常困難。錦屏二級大河灣減水河段長約119 km，在采取生態(tài)流量泄放措施前提下，加上區(qū)間徑流補充，可達(dá)到山區(qū)中等河流的規(guī)模，可為適應(yīng)于流水環(huán)境的土著魚類提供棲息地，具有重要的保護(hù)價值。

錦屏工程棲息地保護(hù)研究思路如下：①首先開展了魚類資源調(diào)查、生境現(xiàn)狀調(diào)查和生境適宜性評價，診斷河流主要生態(tài)環(huán)境問題和水生生物種群制約因素，明確棲息地保護(hù)需求及保護(hù)目標(biāo)，經(jīng)綜合比選論證確定需要保護(hù)的魚類棲息地范圍；②制定棲息地保護(hù)規(guī)劃，規(guī)劃設(shè)計中明確保護(hù)范圍、保護(hù)與建設(shè)目標(biāo)、保護(hù)途徑、監(jiān)測評估、動態(tài)管理等方面的內(nèi)容和計劃；③按照規(guī)劃方案對各項棲息地保護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計、建設(shè)、運行，并在所有規(guī)劃措施有效落實后，對棲息地的保護(hù)效果開展跟蹤監(jiān)測評估和動態(tài)管理。

（2）高壩深庫的分層取水舉措，為下游水生生物保駕護(hù)航。水庫下泄水溫對水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定尤其是魚類資源保護(hù)意義重大。因此，針對水溫分層明顯的錦屏一級水電站需開展分層取水設(shè)計。對于高壩、深庫、大流量、場地狹小的錦屏一級水電站而言，開展分層取水設(shè)計難度巨大。首先，錦屏一級進(jìn)水塔體規(guī)模大、單孔取水流量大，其進(jìn)水塔規(guī)模及進(jìn)水口引用流量規(guī)模明顯大于前期及同期水電站，導(dǎo)致電站進(jìn)水口水力學(xué)問題復(fù)雜，設(shè)計對進(jìn)水口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高。其次，錦屏一級最大壩高305 m，壩前水深接近300 m，這種巨型深水庫的水溫分布規(guī)律，國內(nèi)暫無工程可類比，目前僅能通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬預(yù)測，為消除或減小水庫建成后水溫實際分布結(jié)構(gòu)與預(yù)測的差異影響，分層取水措施應(yīng)最大限度確保實用性和靈活性。第三，錦屏一級水電站是雅礱江下游河段的“龍頭電站”，其蓄水儲能作用大，水庫正常蓄水位1 880 m，死水位1 800 m，運行消落深度達(dá)80 m，電站單層取水時進(jìn)水口底板高1 779 m，正常蓄水位時取水深度達(dá)101 m，在消落幅度如此大的條件下，分層取水措施要做到保證岸塔式進(jìn)水口在不同庫區(qū)運行水位下均能取到上層水，設(shè)計難度較大。

錦屏一級水電站分層取水疊梁門措施是在國內(nèi)高壩大庫中首次應(yīng)用。為了全面系統(tǒng)分析庫區(qū)及下泄水溫分布，順利推進(jìn)分層取水疊梁門工程設(shè)計工作，通過類比二灘水電站進(jìn)行水溫觀測分析，解決了大型深水庫巨大的計算區(qū)域和極大的縱深比給數(shù)值計算帶來的穩(wěn)定性、收斂性問題，建立了模擬精度高、工程實用性好的立面二維、主庫和支庫耦合的水溫預(yù)測模型?；谒疁仡A(yù)測結(jié)果，錦屏一級水電站開展了三節(jié)疊梁門分層取水方案設(shè)計和工程建設(shè)，措施運行后效果良好，其中疊梁門運行期下泄水溫可提升0.5～1.6℃，較原單層進(jìn)水口方案更趨近于天然河道水溫過程，更有利于維持下游河道的原有水生生態(tài)環(huán)境。

在錦屏一級水電站取得的分層取水創(chuàng)新經(jīng)驗適用于水利水電工程的各種分層取水建筑物，降低了工程對場地的要求，解決了高壩、深庫、大流量、場地狹小水電站的分層取水問題，具有布置簡單、運行靈活方便、可靠性較好，且投資省、對樞紐布置影響小、對電站動能指標(biāo)影響小等優(yōu)點，并在溪洛渡、雙江口、兩河口等大中型水電站中推廣使用。

（3）國內(nèi)最大魚類增殖放流站，是魚類資源保護(hù)的強力后盾。對錦屏大河灣的減水河段進(jìn)行棲息地保護(hù)和修復(fù)工作，可以一定程度上保障魚類生境，但仍難以達(dá)到整體保護(hù)魚類資源的目的。因此，開展魚類增殖放流工作對錦屏一級水電站和雅礱江下游的魚類資源保護(hù)工作意義重大。

鑒于錦屏一級、錦屏二級及官地三個水電站影響魚類的種類基本相同，為方便管理，同時從流域角度系統(tǒng)解決魚類資源保護(hù)的問題，開創(chuàng)性地采用多電站聯(lián)合修建魚類增殖放流站的模式，修建了國內(nèi)最大的魚類增殖放流站——錦屏·官地水電站魚類增殖放流站。雅礱江錦屏·官地水電站魚類增殖放流站具有放流規(guī)模大、服務(wù)范圍廣、放流對象多的特點。工程的近期放流規(guī)模便達(dá)到了150萬尾/a，服務(wù)范圍包括錦屏一級水電站庫區(qū)、錦屏二級水電站庫區(qū)、官地水電站庫區(qū)以及庫區(qū)天然支流河段臥落河、理塘河、九龍河和小金河。根據(jù)服務(wù)區(qū)域的魚類資源分布特點，雅礱江錦屏·官地水電站魚類增殖放流站將長絲裂腹魚、短須裂腹魚、細(xì)鱗裂腹魚、四川裂腹魚、鱸鯉和長薄鰍、裸體異鰾鰍鮀、圓口銅魚、西昌高原鰍、松潘裸鯉、中華鮡和青石爬鮡等作為人工增殖放流對象。

雅礱江錦屏·官地水電站魚類增殖放流站是國內(nèi)規(guī)模最大的增殖放流站，也是國內(nèi)最早設(shè)計和建設(shè)的魚類增殖放流站之一，工程設(shè)計時無規(guī)程規(guī)范可依，也無工程案例可借鑒。工程結(jié)合區(qū)域氣候特點和水源等條件，解決了在高山峽谷地區(qū)蠕變體山坡上修建魚類增殖放流站的工程技術(shù)難題，并開創(chuàng)了多電站聯(lián)合修建魚類增殖放流站的建設(shè)模式，便于流域魚類增殖放流統(tǒng)一管理，對區(qū)域同類工程的設(shè)計、建設(shè)及運行具有較強指導(dǎo)意義和推廣價值。

（4）梯級電站聯(lián)合生態(tài)調(diào)度，給河流注入生態(tài)活力。生態(tài)調(diào)度作為一種主要的河流生態(tài)修復(fù)措施，是對傳統(tǒng)水庫調(diào)度方式的發(fā)展與完善，主要著眼于解決當(dāng)前突出存在的水生態(tài)環(huán)境問題，將生態(tài)因素納入到現(xiàn)行的水庫調(diào)度中，盡可能在保證水庫防洪興利和發(fā)電效益的條件下，減緩水庫運行的生態(tài)影響。與工程措施相比，水庫生態(tài)調(diào)度措施具有實施費用低、對下游河流生態(tài)修復(fù)的作用范圍大、生態(tài)修復(fù)效果明顯等特點。

雅礱江下游保留河段為桐子林壩下15 km流水江段，減水河段為錦屏大河灣119 km河段。雅礱江中下游河段控制性水庫有兩河口、錦屏一級和二灘3個高壩大庫，水庫形成后，改變河流徑流的年內(nèi)分配，造成豐水期水量減少和枯水期水量增加的水文情勢變化，其余的梯級電站均為日調(diào)節(jié)運行，在日內(nèi)形成不穩(wěn)定流影響。從開發(fā)格局來看，錦屏一級水電站是雅礱江干流下游河段的控制性工程，對雅礱江下游生態(tài)水文過程的作用范圍很大，工程建設(shè)者早在電站勘測設(shè)計階段，就開始思考如何通過電站調(diào)度來更好地解決雅礱江下游水生生態(tài)保護(hù)相關(guān)問題，并隨著電站建設(shè)進(jìn)度持續(xù)推進(jìn)，在工程下泄生態(tài)流量和水溫調(diào)度方案論證及措施設(shè)計方面不斷深入研究下，結(jié)合相關(guān)管理要求及雅礱江下游水電開發(fā)格局，嘗試將水生生態(tài)對水文情勢、水溫的需求融入雅礱江梯級電站聯(lián)合運行調(diào)度之中，在維護(hù)雅礱江下游生態(tài)水文過程方面取得了一系列開創(chuàng)性成果，逐漸把最初的思考付諸實踐。通過雅礱江下游梯級電站聯(lián)合運行生態(tài)調(diào)度研究和水文過程維護(hù)措施，為雅礱江下游梯級電站制定了較優(yōu)的生態(tài)調(diào)度方案，在一定程度上實現(xiàn)了水電開發(fā)和生態(tài)保護(hù)相互協(xié)調(diào)的目的。

5 結(jié)束語

（1）本文剖析了錦屏一級、錦屏二級水電站對錦屏河段乃至整個雅礱江下游河段帶來的水生生態(tài)難題，并結(jié)合保護(hù)對象的受脅狀況和生態(tài)需求，針對性提出了水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)。

（2）結(jié)合現(xiàn)行的保護(hù)方法和手段，系統(tǒng)構(gòu)建了錦屏工程的水生生態(tài)保護(hù)措施體系，并總結(jié)了棲息地保護(hù)、分層取水、魚類增殖放流和梯級電站聯(lián)合生態(tài)調(diào)度四大關(guān)鍵舉措，為同類型水電工程開發(fā)的水生生態(tài)保護(hù)工作提供借鑒。

（3）隨著大批水電站的建成投運，我國即將進(jìn)入后水電發(fā)展時代，電站和水庫的調(diào)度運行與魚類保護(hù)關(guān)系更為緊密。在后水電時代，江河脈動之中融入了人工調(diào)節(jié)的因素，水電工程水生生態(tài)保護(hù)工作應(yīng)該更加關(guān)注多梯級疊加的持續(xù)性、累積性影響研究，統(tǒng)籌開展科學(xué)調(diào)度和管理，系統(tǒng)實施修復(fù)治理工作。