王秀英,王東勝,2,范 權(quán)

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.國(guó)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(yú)類是河流生命健康狀況的重要表征。近年來(lái)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(zhǎng)江等大型河流,進(jìn)入21世紀(jì)之后魚(yú)類數(shù)量下降較快,已經(jīng)引起了社會(huì)各界的重視。魚(yú)類資源保護(hù)與恢復(fù)的研究廣泛開(kāi)展,針對(duì)不同河流水文特點(diǎn)、開(kāi)發(fā)情況、魚(yú)類生活特性等,很多研究成果提出了保護(hù)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(hù)區(qū)、維持魚(yú)類生存空間、增殖放流等等。這其中對(duì)水利工程建設(shè)應(yīng)配備的魚(yú)類保護(hù)措施、保護(hù)方案的實(shí)踐較多,各國(guó)過(guò)魚(yú)設(shè)置、魚(yú)類增殖措施相關(guān)工程及管理方案的實(shí)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(yùn)行期的魚(yú)類保護(hù)考慮,而水庫(kù)初期蓄水這一特殊敏感階段可能對(duì)魚(yú)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(duì)于水庫(kù)運(yùn)行而言,初期蓄水時(shí)間較短,然而其影響可能是長(zhǎng)久的,甚至對(duì)于某些魚(yú)類而言是致命的。水庫(kù)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(duì)魚(yú)類棲息、產(chǎn)卵等生理過(guò)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(duì)魚(yú)類的影響,以減小流量波動(dòng)為目標(biāo),提出了降低對(duì)魚(yú)類影響的改善方法,以此為考慮魚(yú)類棲息環(huán)境的水庫(kù)初期科學(xué)蓄水提供參考。

1 黃河內(nèi)蒙段魚(yú)類保護(hù)現(xiàn)狀

1.1 黃河內(nèi)蒙段魚(yú)類保護(hù)

魚(yú)類目前已經(jīng)成為黃河具有優(yōu)先保護(hù)意義的生物類群[1]。黃河水系魚(yú)類資源比較豐富,但衰退趨勢(shì)明顯。建國(guó)前在黃河內(nèi)蒙古段以捕魚(yú)為業(yè)的漁民有數(shù)百人之多,產(chǎn)鮮魚(yú)＞350 t/a,建國(guó)后,捕撈力度逐步加大,1980年黃河捕撈量在100 t/a左右,進(jìn)入21世紀(jì)以后,黃河的捕撈量進(jìn)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(yú)類保護(hù)迫在眉睫。

在黃河內(nèi)蒙古段30種魚(yú)類中,北方銅魚(yú)、大鼻吻鮈被錄入 《中國(guó)野生動(dòng)物紅皮書》,瓦氏雅羅魚(yú)被列入 《中國(guó)瀕危動(dòng)物紅色名錄》,蘭州鯰、黃河鯉是內(nèi)蒙古自治區(qū) 《實(shí)施 〈漁業(yè)法〉辦法》中規(guī)定的地方性保護(hù)水生野生動(dòng)物,需重點(diǎn)保護(hù)。黃河內(nèi)蒙古段是這些魚(yú)類的集中分布區(qū),其生境保持在相對(duì)較好的水平。2008年,農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)建立了國(guó)家級(jí)“黃河鄂爾多斯段黃河鯰(蘭州鯰)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)”,對(duì)蘭州鯰、黃河鯉進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。保護(hù)區(qū)在黃河鄂爾多斯段的786 km范圍內(nèi),設(shè)置了4個(gè)核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)。黃河內(nèi)蒙古河段首部烏海段是該保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)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(yú)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(yú)類資源的保護(hù)十分重要。

1.2 主要保護(hù)魚(yú)類的生活史

黃河鯉是指生活在黃河河道中的一個(gè)特殊的地方鯉魚(yú)種群。繁殖力強(qiáng)、耐寒、抗鹽堿、不易捕撈,生長(zhǎng)較慢。該魚(yú)喜于水草叢中,流速緩慢的松軟河底游動(dòng),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(shí),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(zhǎng)較快。

蘭州鯰為底層魚(yú)類,常潛伏于洞穴或隱藏于水草中。肉食性兇猛魚(yú)類,捕食底層小型魚(yú)類、蝦類和水生昆蟲(chóng)等。一般3～4齡可達(dá)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(yú),一種中下層魚(yú)類,喜棲息于水底多砂石處,4～5齡可達(dá)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(lái),黃河內(nèi)蒙古河段主要保護(hù)魚(yú)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(shù)灣出境,干流全長(zhǎng)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(kāi)河自上而下的規(guī)律,這種封開(kāi)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(jì)資料可知,烏海市有2個(gè)年度封、開(kāi)河期均發(fā)生凌災(zāi),分別是1995～1996、1999～2000;6個(gè)年度發(fā)生凌災(zāi),其中封河期發(fā)生凌災(zāi)4個(gè)年度,分別是1992～1993、1993～1994、1994～1995、2001～2002年;開(kāi)河期發(fā)生凌災(zāi) 2個(gè)年度,分別是 1991～1992、1998～1999年。

氣溫條件、地形河勢(shì)等河道邊界條件以及上游來(lái)水條件(即動(dòng)力條件)是黃河內(nèi)蒙古河段凌汛致災(zāi)的3個(gè)主要因素。在不能改變河道地理地形條件、無(wú)法控制氣候因素的情況下,通過(guò)水庫(kù)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(kù)配合上游劉家峽水庫(kù)的防凌調(diào)度,適時(shí)調(diào)控凌汛期流量,與下游經(jīng)過(guò)除險(xiǎn)加固后的堤防工程共同構(gòu)成防凌工程體系,可以進(jìn)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(kù)。工程主要由土石壩、泄洪閘、電站等建筑物組成。壩頂總長(zhǎng) 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(kù)正常蓄水位1 076.0 m,水庫(kù)總庫(kù)容4.87×108m3,死水位1 069 m,死庫(kù)容0.44 ×108m3,電站裝機(jī)3臺(tái),總裝機(jī)容量90 MW。工程位置及樞紐布置見(jiàn)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(kù)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(wèn)題、生態(tài)問(wèn)題日漸突出的背景下,黃河水利委員會(huì)于2002年開(kāi)展了重點(diǎn)治黃專項(xiàng) “黃河干流生態(tài)環(huán)境需水研究”[4]。研究采用Tennant法計(jì)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(jì)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(jì)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(méi)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(yú)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(duì)魚(yú)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(jìn)度,工程初期蓄水主要還是發(fā)生在非汛期,這就可能對(duì)魚(yú)類的棲息及產(chǎn)卵產(chǎn)生影響。

依據(jù)工程設(shè)計(jì)單位的初步方案,本工程自2012年5月10日開(kāi)始初期蓄水,推算入庫(kù)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(kù)蓄水流量為 205 m3/s,初期蓄水至1 071 m,蓄水庫(kù)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(kù)流量與出庫(kù)量相等。

3 初期蓄水水文情勢(shì)變化對(duì)魚(yú)類的影

海勃灣水利樞紐工程在初期蓄水期間,通過(guò)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(kāi)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(kù)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(kù)水文條件與90%保證率典型年接近,自5月10日開(kāi)始,控制下泄流量為330 m3/s,蓄水時(shí)間為 5.96 d。對(duì)照90%保證率典型年5月10日～5月14日建庫(kù)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(kù)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(kù)前天然情況下,90%保證率典型年魚(yú)類產(chǎn)卵期的4～8月下海勃灣斷面水位波動(dòng)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(jiàn)圖3,老磴口斷面見(jiàn)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(dòng)＞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(yú)類產(chǎn)卵期水位波動(dòng)情況對(duì)比看,初期蓄水造成的下海渤灣斷面水位波動(dòng)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(yú)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(yú)卵來(lái)不及孵化就會(huì)因缺水死亡;北方銅魚(yú)等產(chǎn)沉性卵,水位的快速下降容易使得大量魚(yú)卵擱淺在灘地上無(wú)法孵化。而幾天內(nèi)的水位大幅度波動(dòng)也會(huì)對(duì)成魚(yú)產(chǎn)生影響,影響產(chǎn)卵。在不到6 d的時(shí)間內(nèi),庫(kù)區(qū)水位升至1 071 m,漲幅達(dá)5 m,這對(duì)于庫(kù)區(qū)魚(yú)類棲息及產(chǎn)卵的影響同樣不可忽視。

4 蓄水初期魚(yú)類保護(hù)方案

水庫(kù)蓄水初期,應(yīng)考慮到庫(kù)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(jì)水庫(kù)初期蓄水時(shí)間自5月10日開(kāi)始,考慮到4～6月是黃河干流魚(yú)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(shì)必會(huì)對(duì)下游魚(yú)類產(chǎn)卵造成影響。

為與初期蓄水方式計(jì)算成果對(duì)應(yīng),選用90%保證率典型年對(duì)水庫(kù)初期蓄水進(jìn)行分析,從流量波動(dòng)角度,減小對(duì)庫(kù)區(qū)及壩址下游魚(yú)類棲息及產(chǎn)卵的影響。根據(jù)石嘴山站流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,90%保證率典型年 5月份,5月10日之后入庫(kù)流量為 418～825 m3/s,逐日流量波動(dòng)2～145 m3/s,見(jiàn)表1。

水庫(kù)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(dòng)約為0.3 m,為使壩址下游水位波動(dòng)不超過(guò)天然水位波動(dòng),出庫(kù)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(duì)初期蓄水方案進(jìn)行優(yōu)化。以下為90%保證率典型年考慮壩下游魚(yú)類產(chǎn)卵影響的初期蓄水方案。

表1 水庫(kù)修建前5月10日至5月31日日入庫(kù)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(gè)階段,5月10日開(kāi)始以530 m3/s下泄,蓄水至 5月15日,16日開(kāi)始以630 m3/s控制下泄至26日,5月26日水庫(kù)蓄水至1 071 m后,初期蓄水完成,蓄水時(shí)間為17 d。按照這一蓄水過(guò)程,5月10日下泄流量與天然流量十分接近,不會(huì)產(chǎn)生較大水位波動(dòng),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(duì)應(yīng)建庫(kù)前下海勃灣水位波動(dòng)出現(xiàn)頻率為11%,對(duì)魚(yú)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(duì)應(yīng)下游水位變化也很小,這一水位波動(dòng)基本不影響下游魚(yú)類產(chǎn)卵。下泄530～630 m3/s的流量,閘門開(kāi)啟4～5孔即可滿足要求。

逐步蓄水過(guò)程水庫(kù)下游水位波動(dòng)接近于天然情況下的水位波動(dòng),流量波動(dòng)曲線平坦化,庫(kù)區(qū)內(nèi)魚(yú)類棲息及產(chǎn)卵有一個(gè)逐步適應(yīng)水位升高的過(guò)程,因此對(duì)于庫(kù)區(qū)魚(yú)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(duì)魚(yú)類影響初期蓄水方案可分階段進(jìn)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(guò)渡。具體蓄水時(shí)間、每個(gè)時(shí)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(dòng)幅度有關(guān),因此解不是唯一的。在不同河流、不同蓄水時(shí)間,河段魚(yú)類生態(tài)過(guò)程所能承受的水位波動(dòng)幅度不同,控制下泄流量波動(dòng)不同,蓄水時(shí)間、蓄水階段自然存在差別,實(shí)際中可確定多個(gè)蓄水過(guò)程,再通過(guò)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(kù)初期蓄水的時(shí)間較短,但是由于蓄水選擇時(shí)機(jī)等原因,很可能會(huì)對(duì)河段魚(yú)類產(chǎn)卵、棲息等造成較大影響。保證水庫(kù)初期蓄水時(shí)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(shí)還應(yīng)注意初期蓄水時(shí)段與魚(yú)類特殊生活史的關(guān)系,最大限度地將蓄水過(guò)程中的水位波動(dòng)控制在與天然情況下波動(dòng)較為接近的范圍內(nèi),適當(dāng)延長(zhǎng)蓄水時(shí)間,使得庫(kù)區(qū)及壩址下游魚(yú)類逐步適應(yīng)水位升高和水位波動(dòng)?？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(guò)渡。

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