王沛芳，王　超，侯　俊，錢　進(jìn)，饒　磊，劉佳佳，王　洵

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098）

梯級(jí)水電開發(fā)中生態(tài)保護(hù)分析與生態(tài)水頭理念及確定原則

王沛芳1，2，王超1，2，侯俊1，2，錢進(jìn)1，2，饒磊3，劉佳佳1，2，王洵1，2

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098）

在分析水電開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響及原因的基礎(chǔ)上，歸納了近年來(lái)水電站建設(shè)運(yùn)行中生態(tài)保護(hù)措施的研究進(jìn)展，包括過(guò)魚設(shè)施的建設(shè)、魚類增殖放流站的構(gòu)建、大壩下游河道斷面生態(tài)流量的確定和梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，并闡釋了這些措施在河流梯級(jí)水電開發(fā)生態(tài)保護(hù)中的不足，提出了河流梯級(jí)水電開發(fā)水頭與生態(tài)水頭協(xié)同確定的理念，界定了基于河流自然生境和原生生態(tài)及物種保護(hù)的生態(tài)水頭的概念、內(nèi)涵與確定原則，給出了生態(tài)水頭規(guī)劃的綜合優(yōu)化方法。

梯級(jí)水電站；生態(tài)環(huán)境影響；生態(tài)保護(hù)措施；生態(tài)水頭

水能是清潔的可再生能源，依據(jù)清潔能源開發(fā)利用優(yōu)先的原則，我國(guó)水電能源在今后的10～15年仍然具有較大的開發(fā)潛力。然而，水電開發(fā)中大壩工程建設(shè)在發(fā)揮興利發(fā)電、防洪、供水、航運(yùn)等功能的同時(shí)，改變了河流的自然狀態(tài)，引起生物棲息生境的顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致物種瀕危和滅絕［1］，產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，限制了水電能源開發(fā)的進(jìn)程。基于此，本文在分析當(dāng)前梯級(jí)水電開發(fā)中大壩建設(shè)帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境影響問(wèn)題及保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)存在的生物生境保護(hù)需求，提出發(fā)電水頭與生態(tài)水頭協(xié)同確定的理念，闡釋生態(tài)水頭的定義、基本內(nèi)涵及確定的原則和方法，為可持續(xù)開發(fā)我國(guó)水電能源及降低水電工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響提供理論依據(jù)和支撐。

1　問(wèn)題的提出

近年來(lái)關(guān)于水電開發(fā)中大壩建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的研究備受關(guān)注，其影響特點(diǎn)及產(chǎn)生原因通常歸納為以下幾個(gè)方面：①水電開發(fā)中大壩建設(shè)阻斷河道水流，引起水文條件變化，造成下游河流泥沙通量顯著改變［2］，導(dǎo)致下游河道沖淤變化、床底形態(tài)改變及河道侵蝕［3-4］，并可能進(jìn)一步導(dǎo)致潰壩或者地震的發(fā)生［5］；②大壩阻隔造成水流阻斷，影響洄游魚類產(chǎn)卵繁殖，造成典型魚類數(shù)量減少和物種瀕危滅絕，逐漸改變了魚類區(qū)系組成［6］；③大壩建設(shè)后下游水文、水動(dòng)力、河道形態(tài)和斷面的變化，引起生物生境的不斷改變，逐漸引起河流原有底棲生物、水生植物及附著生物物種的選擇性變化，導(dǎo)致生物群落種群變化和結(jié)構(gòu)特征改變［7-9］?？梢姡髩瓮ㄟ^(guò)各種介質(zhì)和因素直接或者間接地影響河流的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，是水電開發(fā)必須重視和面對(duì)的問(wèn)題。

梯級(jí)水電站在我國(guó)西南地區(qū)河流中廣泛存在，特別是在金沙江、雅礱江、大渡河等河流上規(guī)劃建設(shè)的梯級(jí)水電站眾多。梯級(jí)水電站通過(guò)對(duì)入庫(kù)徑流的反復(fù)調(diào)節(jié)，連續(xù)改變河流天然徑流的時(shí)空分配過(guò)程，使河道的自然洪枯過(guò)程減弱，水溫過(guò)程均化［10］，進(jìn)而導(dǎo)致生物棲息地減少，影響魚類產(chǎn)卵、孵化和遷徙，造成魚類種群減少，生物多樣性降低［11］。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金沙江下游規(guī)劃建設(shè)的烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩水電站在下游河段形成了人工調(diào)控的水位、流量過(guò)程，改變了河流自然水文特點(diǎn)，顯著威脅著河流水生生態(tài)系統(tǒng)的安全。近年來(lái)面向生物多樣性維持和原生生態(tài)保護(hù)的梯級(jí)水電開發(fā)生態(tài)保護(hù)措施逐漸受到重視并不斷得到完善，但對(duì)流域梯級(jí)水電的滿水頭開發(fā)，這些生態(tài)保護(hù)措施仍然難以避免對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，因此需要從水電梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃這一戰(zhàn)略層面開展研究，科學(xué)合理地處理好開發(fā)和保護(hù)的關(guān)系。

2　水電開發(fā)中的生態(tài)保護(hù)措施與效果分析

2.1大壩過(guò)魚設(shè)施的建設(shè)

魚道是保持河流縱向連通性的重要工程設(shè)施，對(duì)緩解大壩阻斷影響、幫助恢復(fù)魚類和水生生物物種在河流中洄游具有重要意義。魚道建筑物運(yùn)行的成功與否是水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。20世紀(jì)60年代初期美國(guó)、加拿大以及部分西歐國(guó)家開始建設(shè)魚道建筑物，到20世紀(jì)晚期，魚道數(shù)量在北美有近400座，日本有1400余座［12］。國(guó)內(nèi)在2000年重新啟動(dòng)了魚道等過(guò)魚設(shè)施的建設(shè)，在水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)強(qiáng)調(diào)必須規(guī)劃魚道等過(guò)魚建筑物。陳凱麒等［13］歸納了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用魚道的類型和特征，認(rèn)為近自然的魚道對(duì)于魚類種類數(shù)量、魚類游泳能力及其他水生生物洄游更具有優(yōu)勢(shì)；而其他技術(shù)型魚道，包括常用的豎縫式、池式、Denil式等魚道均針對(duì)不同類型魚類特征設(shè)計(jì)，對(duì)微生物和其他水生生物沒(méi)有上溯洄游效果。此后，許多學(xué)者對(duì)魚道設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行了研究和修正，其中，毛熹等［14］借助模型試驗(yàn)對(duì)魚道中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)的三級(jí)跌坎凹槽調(diào)整了水流平穩(wěn)度，增強(qiáng)了過(guò)魚能力；陳靜等［15］采用豎縫式池室結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)了116 m壩高的魚道。這些研究為我國(guó)中小河流閘壩阻斷條件下魚類洄游設(shè)施建設(shè)起到了一定的支撐作用。

魚道的過(guò)魚效果一直以來(lái)是研究的重點(diǎn)，特別是近年來(lái)PIT（passive integrated transponder）聲學(xué)標(biāo)記技術(shù)開始應(yīng)用于過(guò)魚的監(jiān)測(cè)后相關(guān)研究更加廣泛。研究發(fā)現(xiàn)瑞典Eman河的2條仿自然魚道對(duì)10種魚類的總過(guò)魚效率可達(dá)74%［16］，加拿大Indian Creek河流低水頭水壩魚道3種魚類中通過(guò)率最高的黑斑風(fēng)魚過(guò)魚效率為38.4%［17］。國(guó)內(nèi)魚道工程中較為典型的廣西長(zhǎng)洲水利樞紐魚道，最大落差16.0 m，全長(zhǎng)1443.3 m，魚道寬5.0 m，是我國(guó)當(dāng)前最大的魚道工程。譚細(xì)暢等［18］2011—2014年通過(guò)堵截法在魚道內(nèi)采樣11個(gè)批次，共采集魚類標(biāo)本6244尾，體現(xiàn)出一定的魚道過(guò)魚能力；但該魚道設(shè)計(jì)過(guò)魚目標(biāo)原為中華鱘、鰣、七絲鱭、日本鰻鱺等，魚道監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)僅日本鰻鱺為優(yōu)勢(shì)種類，花鰻鱺偶見，其他種類尚未出現(xiàn)?？傮w上，我國(guó)魚道設(shè)施應(yīng)用時(shí)間較短，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果觀測(cè)數(shù)據(jù)少，工程設(shè)計(jì)技術(shù)還不成熟，運(yùn)行效果尚不理想。特別是200 m以上高壩中建設(shè)的魚道、壩下誘魚機(jī)、壩體升魚機(jī)、空中索道送魚機(jī)等過(guò)魚設(shè)施，因?yàn)樯胁煌耆魑~類的生活史及生態(tài)行為特性，很難達(dá)到理想的實(shí)施效果。由于河流中魚類體型差別較大、游泳能力各異且生活習(xí)性不同，對(duì)魚道流速要求差別也較大，當(dāng)需保護(hù)的不是單一魚類時(shí)，單一過(guò)魚設(shè)施很難滿足多種魚類的洄游要求；特別是梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度時(shí)，各水電站上游急流生境喪失，僅通過(guò)魚道運(yùn)送能否解決魚類上溯洄游和種群多樣性維持還值得深入探討；此外，當(dāng)前魚類下壩主要是通過(guò)溢洪道或者水輪機(jī)，對(duì)魚類生命和健康帶來(lái)很大影響，如何保證魚類的安全下壩尚未有科學(xué)合理的方法。綜上可知，現(xiàn)有的過(guò)魚設(shè)施在河流閘壩阻斷的中低水頭落差工程及單級(jí)水電開發(fā)中會(huì)有一定效果，但對(duì)多級(jí)河流大壩阻斷的梯級(jí)水電開發(fā)，整個(gè)河流失去了自然河流的生境條件，原生魚類完全失去了適宜的繁衍空間和棲息場(chǎng)所，導(dǎo)致逐漸瀕危或者滅絕，用于單個(gè)壩體的過(guò)魚設(shè)施作用并不明顯。

2.2魚類增殖放流站的構(gòu)建

魚類增殖放流站是針對(duì)水電工程開發(fā)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響而采取的魚類資源補(bǔ)償性措施，主要任務(wù)和目的是通過(guò)對(duì)開發(fā)河段野生親體的捕撈、馴養(yǎng)、人工繁殖、種苗培育及放流，并進(jìn)行苗種的標(biāo)記和建立遺傳檔案，實(shí)施增殖放流［19］。其關(guān)鍵技術(shù)包括確定增殖放流規(guī)模、進(jìn)行親魚收集捕撈、實(shí)施親魚馴養(yǎng)繁殖培育、人工孵化、苗種培育放流、放流效果監(jiān)測(cè)及引水和排水水量設(shè)計(jì)等。

我國(guó)最早針對(duì)水電工程魚類資源補(bǔ)償性的魚類增殖放流站是葛洲壩工程管理局在20世紀(jì)80年代建設(shè)的［20］，用于補(bǔ)償因葛洲壩建設(shè)阻斷長(zhǎng)江中華鱘洄游通道而導(dǎo)致種群數(shù)量減少的中華鱘人工繁殖培育增殖放流。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)當(dāng)前運(yùn)行、建設(shè)、設(shè)計(jì)的魚類增殖放流站已有數(shù)十座，主要分布在長(zhǎng)江上游的金沙江、大渡河、雅礱江及瀾滄江等河流上。例如，雅礱江錦屏梯級(jí)水電站錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站及下游的官地水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)了1座增殖放流站［21］，該放流站2011年11月29日首次放流長(zhǎng)絲裂腹魚、細(xì)鱗裂腹魚、短須裂腹魚、四川裂腹魚和長(zhǎng)薄鰍等5種魚類共計(jì)10萬(wàn)尾魚苗［22］。然而，當(dāng)前在魚類增殖放流站構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在一些不足，包括：①親魚放流量的確定通常以水電工程建設(shè)階段環(huán)境影響評(píng)價(jià)成果為依據(jù)，未考慮工程建成后水流條件和水文特征的較大變化，導(dǎo)致適應(yīng)激流的親魚喪失生存環(huán)境而無(wú)法成活；②使用單一的親魚培育池，不適合不同種類親魚的馴養(yǎng)，因?yàn)樵驹谏较院恿髦羞m宜流水生境的魚類以及珍稀魚類，需要不同的流水馴養(yǎng)環(huán)境或者微水流環(huán)境，當(dāng)前常用的單一培育池有待改進(jìn)；③放流站及放流地選址要科學(xué)，類似錦屏梯級(jí)3個(gè)水電站合并修建1座放流站，其放流地點(diǎn)如果不考慮河流上中下游生境差異、魚類種群區(qū)別、同一種類的密度差別等因素，也不利于魚類資源的保護(hù)。

綜合分析魚類增殖放流實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單級(jí)或保留一定自然河流的水電大壩阻斷工程來(lái)說(shuō)，魚類放流后會(huì)按照自身的習(xí)性，尋找適宜的生態(tài)環(huán)境，并逐漸適應(yīng)新的自然環(huán)境，能在一定程度上生存和繁衍。但對(duì)于過(guò)度密集的梯級(jí)水電開發(fā)的大壩阻斷工程來(lái)說(shuō)，魚類增殖放流效果并不明顯：魚類放流后，由于壩下和壩上均為水庫(kù)靜水水域，沒(méi)有適合于激流型魚類適宜的河流生態(tài)環(huán)境，這些魚類長(zhǎng)期生存的可能性不大，其產(chǎn)卵繁殖也會(huì)因缺乏生境條件而難以實(shí)現(xiàn)。因此，這種條件下的魚類增殖放流對(duì)生物多樣性維持與物種基因保護(hù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義。要解決這一核心問(wèn)題，關(guān)鍵是在河流梯級(jí)水電開發(fā)時(shí)保留一段能為各種魚類營(yíng)造適宜生境條件的河段，才能取得魚類增殖放流的生態(tài)效果。

2.3大壩下游河道斷面生態(tài)流量的確定

為保留一定的河道流量以維持河流中動(dòng)植物的正常生存，Tennant［23］對(duì)美國(guó)西部地區(qū)11條河流流量與生物生存、生境維持、河流景觀等方面的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究后，依據(jù)河流自然年平均流量的百分?jǐn)?shù)確定了8個(gè)不同生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，奠定了河流生態(tài)流量的研究基礎(chǔ)。實(shí)際上，河流生態(tài)需水量的確定非常復(fù)雜，相關(guān)因素涉及河流水文學(xué)、水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)等諸多學(xué)科。因此，基于水力學(xué)基礎(chǔ)的濕周法、R2-Cross法、PHABSIM法，以及基于生物棲息地保護(hù)的棲息地法、BBM法，還有綜合分析法、模型模擬法等相繼提出［24］。然而，水文學(xué)依據(jù)天然流量百分比確定的生態(tài)流量不適用于山溪性河流，因?yàn)樯较院恿饕话懔髁枯^小，依據(jù)一般用水期時(shí)河流流量不低于多年平均流量的10%控制的生態(tài)流量很難滿足生物生存需求；水力學(xué)法一般與河道特征緊密相關(guān)，其地域性較強(qiáng)，普適性低；棲息地法則需要大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，不僅復(fù)雜耗時(shí)而且河道局限性較強(qiáng)?；诖?，關(guān)于河流生態(tài)流量的研究方法也在不斷完善。邵東國(guó)等［25］在羅壩河中應(yīng)用了水域面積法計(jì)算了河道生態(tài)流量，獲得了水文法與棲息地法相結(jié)合的生態(tài)流量值。同時(shí)，針對(duì)具體生物物種及生物棲息地保護(hù)的生態(tài)流量確定方法也在不斷完善［26-28］。

當(dāng)前，對(duì)于河流大壩阻斷工程來(lái)說(shuō)，通常采用向下游排泄水量來(lái)確保下游河道斷面生態(tài)流量，維持河流中動(dòng)植物的正常生存和繁衍。如我國(guó)已建成的糯家渡大壩工程，通過(guò)加大電站放水，確保下游控制斷面生態(tài)流量大于40 m3/s以上。然而，對(duì)于河流連續(xù)梯級(jí)水電開發(fā)來(lái)說(shuō)，如果上級(jí)和下級(jí)水庫(kù)的庫(kù)頭與庫(kù)尾相接，下級(jí)水庫(kù)的生態(tài)水量是可以滿足的，但激流、緩流等水動(dòng)力條件缺失，不能滿足動(dòng)植物及魚類等物種的多樣性要求，對(duì)物種多樣性保護(hù)作用的認(rèn)識(shí)還有待深入。

2.4梯級(jí)水電站水庫(kù)生態(tài)調(diào)度

通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)水電站發(fā)電出力最佳并同時(shí)滿足河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)流量的需求，減少水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水電開發(fā)生態(tài)調(diào)度方法、模型和決策系統(tǒng)等方面進(jìn)行了大量的研究。Bednarek等［29］研究了田納西河流中大壩調(diào)度運(yùn)行對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)效應(yīng)及維持下游河段生態(tài)流量的要求；梅亞?wèn)|等［30-31］探討了考慮生態(tài)流量的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型和水庫(kù)生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度方法，認(rèn)為當(dāng)前水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的目標(biāo)和限制因子應(yīng)包括生態(tài)環(huán)境保護(hù)及河流地形、地貌等因素。在調(diào)度方法方面，李捷等［32］提出了采用逐月頻率計(jì)算生態(tài)徑流的方法；王學(xué)敏等［33］設(shè)計(jì)了精英選擇和混沌遷移機(jī)制，對(duì)三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行了研究和求解，得到了多個(gè)符合生態(tài)效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)調(diào)度方案；楊光等［34］利用改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行柔性決策，生態(tài)調(diào)度的準(zhǔn)確性和對(duì)綜合目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)意義不斷提高。

水電站水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度可以解決大壩下游斷面的最小生態(tài)需水量并人造河流水動(dòng)力過(guò)程，以滿足不同魚類或水生生物的生境需求。在敏感河段，魚類不僅需要足夠的水量，而且需要特定的水動(dòng)力條件，如急流、緩流、深潭、淺灘等，并且一些魚類需要在洪水中產(chǎn)卵、繁殖，因此水電站運(yùn)行調(diào)度時(shí)，應(yīng)按照保護(hù)魚類生長(zhǎng)和繁殖習(xí)性，人造洪峰和急流，為其提供適宜的水動(dòng)力條件。但是，在河流梯級(jí)水電站開發(fā)中，如果上級(jí)和下級(jí)水庫(kù)的庫(kù)頭與庫(kù)尾相接，壩下失去造就水動(dòng)力過(guò)程的河道空間，其優(yōu)化調(diào)度方案也很難達(dá)到預(yù)期的生態(tài)效果。

3　生態(tài)水頭的概念、內(nèi)涵及確定原則

盡管國(guó)內(nèi)外在水電工程生態(tài)環(huán)境影響方面進(jìn)行了大量的研究，但梯級(jí)水電的滿水頭開發(fā)必將給河流生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不可避免的影響。為了在未來(lái)水電清潔能源開發(fā)的同時(shí)更為科學(xué)合理地保護(hù)流域、區(qū)域及河流水生態(tài)環(huán)境，維持保護(hù)生物多樣性，本文提出河流梯級(jí)水電開發(fā)水頭與生態(tài)水頭協(xié)同確定的理念，以下闡述其基本內(nèi)涵與確定原則。

3.1生態(tài)水頭的概念和基本內(nèi)涵

水頭是表征液體恒定元流的單位位能、單位壓能、單位動(dòng)能總和的物理量［35］。在自然河流中，各斷面總水頭沿流動(dòng)方向逐漸減少，勢(shì)能水頭轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和消耗在河流濕周，水頭呈現(xiàn)出一條沿程下降的曲線。水頭是河道水面線計(jì)算中一個(gè)重要的水力學(xué)參數(shù)，自然河流水面線和水庫(kù)回水曲線的計(jì)算在河流興建水電工程或進(jìn)行航道整治規(guī)劃時(shí)非常重要，特別對(duì)于當(dāng)今河流中水電站的梯級(jí)開發(fā)，水庫(kù)回水水頭直接影響著上游水電站泄水發(fā)電出力及下游水電站蓄水發(fā)電能力，因此在水電開發(fā)中水頭規(guī)劃非常重要。當(dāng)前的水電工程開發(fā)中，水頭規(guī)劃考慮的因素重點(diǎn)集中在梯級(jí)水電站水輪機(jī)的穩(wěn)定性和發(fā)電出力（以最大為目標(biāo)）［36］，或者部分考慮區(qū)域防洪安全的要求［37］，導(dǎo)致整條河流全部水頭均由梯級(jí)水電站調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，出現(xiàn)了水庫(kù)庫(kù)頭與庫(kù)尾相接的“水庫(kù)串”，河流自然形成的流量過(guò)程和水頭平緩下降的自然河段完全消失，呈現(xiàn)以逐級(jí)大壩控制的人工階梯水面，使得河流中自然生存的各類動(dòng)植物和微生物喪失了天然生境，物種發(fā)生變異或多樣性降低。

為了保護(hù)河流的自然生境，維護(hù)河流水生生物的多樣性，本文提出“生態(tài)水頭”的概念。在高強(qiáng)度開發(fā)特別是梯級(jí)水電站建設(shè)的河流規(guī)劃中，建議設(shè)立“生態(tài)水頭”這一水力學(xué)指標(biāo)，即在梯級(jí)水電開發(fā)中，在上游水電站泄流尾水與下游水電站發(fā)電蓄水的水庫(kù)回水之間，保留一段具有天然水動(dòng)力過(guò)程的河段，形成相應(yīng)的自然河流調(diào)節(jié)的水頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)該河段自然生境的保護(hù)，并為下游水庫(kù)相關(guān)魚類上溯洄游提供目的地，這段河道的水頭是專門為生態(tài)保護(hù)所預(yù)留的，因此稱之為“生態(tài)水頭”。在預(yù)留生態(tài)水頭的河段，其河流生境保持未開發(fā)利用的河流天然特征，水流流速、流態(tài)、挾沙能力等均保持原有特點(diǎn)，維持了河道急流、緩流、環(huán)流等多樣性生境條件和河段的沖刷淤積平衡，可為底棲動(dòng)物棲息繁殖、微生物附著生長(zhǎng)和魚類自由生長(zhǎng)繁殖活動(dòng)等保留自然生存空間，保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性。當(dāng)然，生態(tài)水頭的預(yù)留會(huì)占用梯級(jí)水電站開發(fā)水頭，降低水能資源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，這是由河流梯級(jí)開發(fā)的“社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)”綜合效益決定的。

3.2生態(tài)水頭的確定原則

生態(tài)水頭是在充分開發(fā)河流水能資源的同時(shí)，有效保護(hù)河流的自然流態(tài)和自然生境而規(guī)劃設(shè)置的。本文基于河流自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)原理和生態(tài)水文學(xué)、生態(tài)水利學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合多年來(lái)水利工程生態(tài)環(huán)境影響的研究實(shí)踐，提出“水能開發(fā)有度、生態(tài)保護(hù)統(tǒng)籌、多目標(biāo)優(yōu)化”等生態(tài)水頭規(guī)劃原則，具體包括：

a.河流可利用水頭資源量需求的平衡保障原則。我國(guó)電能的需求量大，而當(dāng)前我國(guó)水能資源的開發(fā)程度僅在34%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的開發(fā)水平，面對(duì)水電能源開發(fā)的較大期望值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，做到有度開發(fā)較為困難。但同時(shí)也必須防止“絕對(duì)生態(tài)論”的思想。當(dāng)前的關(guān)鍵是在河流水能開發(fā)規(guī)劃中要重視可利用水頭資源量的綜合平衡問(wèn)題。

b.自然資源需要的生境空間統(tǒng)籌保護(hù)的原則。生態(tài)水頭規(guī)劃設(shè)置的目的就是為了在保障河流水電有效開發(fā)的同時(shí)，留有一定的河段，保持原有的自然徑流特征，保留河道的自然斷面、河床濕周形態(tài)、深潭淺灘形貌、流量流速流態(tài)、生物生長(zhǎng)環(huán)境、動(dòng)物棲息空間等，以盡可能地維持河流原生自然生境，保護(hù)生物的多樣性和敏感物種。

c.水電站大壩建設(shè)技術(shù)難度及自然條件綜合考慮的原則。一般水電站大壩均建設(shè)在峽谷型河流中，特別是我國(guó)的西南部地區(qū)的河流落差大，兩岸峽谷陡峭，適合水電站大壩的建設(shè)。但在這樣的峽谷河道中建設(shè)大壩，其技術(shù)難度和施工難度都很大，加上河床基底條件的復(fù)雜性，因此，在這樣的河流中建設(shè)梯級(jí)水電站時(shí)，設(shè)置生態(tài)水頭需考慮大壩建設(shè)技術(shù)難度、施工難度等條件，綜合各種因素確定生態(tài)水頭的設(shè)定區(qū)段和設(shè)定方法。

d.河流資源儲(chǔ)備適度預(yù)留的原則。由于能源的緊缺，近年來(lái)我國(guó)水能資源開發(fā)的程度不斷提高，部分河流中水電站層疊密布，水電站下游河道自然水頭喪失，甚至上游水電站泄水水頭受下游水電站蓄水水頭阻滯，不僅影響上游水電站發(fā)電效率，也使得水流完全受上下游水電站發(fā)電蓄水和放水控制，河流自然徑流消失，造成河流生態(tài)環(huán)境突變。河流資源的有效保護(hù)，除了通過(guò)規(guī)劃設(shè)置生態(tài)水頭河段外，還需考慮預(yù)留一定的儲(chǔ)備資源，對(duì)水頭資源的利用應(yīng)該有所保留，以備特殊情況下的開發(fā)利用。

e.河流原生生態(tài)物種、敏感物種保留的原則。河流中原生生態(tài)物種和敏感物種，是每條河流系統(tǒng)中最獨(dú)特和最基本的生態(tài)組成，也是重要的生物資源，在生態(tài)水頭規(guī)劃時(shí)需要重點(diǎn)考慮河流中原生生態(tài)物種和敏感物種的生存河段、生存條件與生境需要，保留好河段的自然空間。

3.3生態(tài)水頭的確定方法

生態(tài)水頭是基于河流水生生物生境保護(hù)目的而規(guī)劃設(shè)定的水頭，其確定的方法與河流生境特征、水文特征、河流上下游構(gòu)筑物分布等密切相關(guān)。當(dāng)前，關(guān)于河流水電站上下游水頭銜接的水力學(xué)計(jì)算方法已經(jīng)非常成熟，而在生態(tài)流量確定方法方面，也有很多的研究成果。由于生態(tài)水頭的確定方法不僅涉及自然河流常規(guī)水頭計(jì)算方法，還包括水電開發(fā)建設(shè)等人類活動(dòng)干擾下維持河流生態(tài)流量的計(jì)算方法，以及在流域河流生態(tài)系統(tǒng)中綜合考慮河道生態(tài)流量、原生生境保護(hù)、敏感物種保留、水電站發(fā)電需求和效益、沿岸居民飲水、農(nóng)田灌溉等用水需要及航運(yùn)、防洪等目標(biāo)的優(yōu)化方法。因此，生態(tài)水頭確定的方法，應(yīng)該是在以上各種方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)河流的具體生境特征和保護(hù)生物特點(diǎn)，綜合各類保護(hù)目標(biāo)的權(quán)重，選擇基于生態(tài)流量計(jì)算、各行業(yè)用水需求計(jì)算及特種生物物種保護(hù)自然水頭的確定方法，最終建立綜合決策的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和調(diào)度模型，以科學(xué)確定河流的生態(tài)水頭數(shù)值、區(qū)段位置和長(zhǎng)度等指標(biāo)。綜合國(guó)內(nèi)外研究狀況和筆者課題組多年的相關(guān)研究和實(shí)地調(diào)查認(rèn)為：河流自然總水頭中，生態(tài)水頭的比例應(yīng)該在20%～30%，梯級(jí)水電開發(fā)水頭的比例應(yīng)該在70%～80%，才能有效保留河流的原生生物生存空間。

4　結(jié) 語(yǔ)

梯級(jí)水電開發(fā)的大壩建成后，河流上下游流量、流速、水位等水力要素和泥沙、營(yíng)養(yǎng)物、水溫等理化指標(biāo)均受到電站蓄水和放水的人工干擾和控制，導(dǎo)致自然生境多樣性喪失，敏感物種和原生生態(tài)物種變異、減少或滅絕。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程單位進(jìn)行了深入研究，提出了系列生態(tài)保護(hù)、補(bǔ)償和修復(fù)措施，但對(duì)于過(guò)度密集的梯級(jí)水電站大壩及其發(fā)電蓄水和放水的人工調(diào)控，河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題仍然十分突出?！吧鷳B(tài)水頭”理念的提出，為河流梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃提供了新思路，要保留和保護(hù)好河流生態(tài)水頭，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)開發(fā)水頭與生態(tài)保護(hù)水頭協(xié)同兼顧，取得經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境綜合效益，在提高我國(guó)水電能源開發(fā)率的同時(shí)，可持續(xù)保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境和物種資源。

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Ecological protection analysis of cascade hydropower development and concept and principle for definition of ecological water head

WANG Peifang1，2，WANG Chao1，2，HOU Jun1，2，QIAN Jin1，2，RAO Lei3，LIU Jiajia1，2，WANG Xun1，2
（1.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on an analysis of impacts of hydropower development on the ecological environment，research progress in ecological protection measures during hydropower station construction and operation is summarized，including construction of fish passage facilities，establishment of fish proliferation and release stations，methods for determination of ecological flow downstream of dams，and ecological operation of cascade reservoirs，and the disadvantages of the ecological protection measures in cascade hydropower development are illustrated.Accordingly，the ideas of cooperative determination of the water head in river cascade hydropower development and the ecological water head are discussed.Furthermore，the concept，implications，and principle for definition of the ecological water head are presented based on natural river habitats，natural ecosystems，and species protection，and a comprehensive optimization method is proposed for ecological water head planning.

cascade hydropower station；ecological environmental impact；ecological protection measure；ecological water dead

TV752；X24

A

10067647（2016）05000101

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.001

國(guó)家自然科學(xué)基金（51579073，51479065）

王沛芳（1973—），女，教授，博士，主要從事水環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：pfwang2005@hhu.edu.cn

王超（1958—），男，中國(guó)工程院院士，教授，博士，主要從事水資源保護(hù)與生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：cwang@hhu.edu.cn

（20160222 編輯：熊水斌）