|
在人类文明的发展历程中，人与自然的关系经历了依存、开发、掠夺、和谐四个时期。在原始社会，人类被动地依附于自然，从自然中获取所需一切的同时，又承受着自然界带来的各种威胁。随着生产力水平的提高及至农业、畜牧业出现后，人类开始开发利用自然资源，不过能力有限，并没有造成大的破坏。但在近现代大工业生产出现后，科技的进步让人类能够毫无节制地向大自然索取和掠夺，这也招致了大自然对人类报复与惩罚。而到了现代，人类日趋理性，开始追求人与自然和谐相处的新境界。 水被称为生命之源、生产之要、生态之基，是人与自然最为重要的纽带。对于当前我国的治水事业而言，正需要用人水和谐的理念来破解洪涝灾害、干旱缺水、水土流失和水污染严重等问题。对此，我国划定了用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”。推进水资源管理从供水管理向需水管理转变；确立用水效率控制红线，坚决遏制用水浪费；争取到2020年主要江河湖泊水功能区水质明显改善。当然，人水和谐绝非要回到任由江河泛滥的远古时期，而是要运用行政、工程、经济、技术等手段，实现水资源的可持续利用，保障经济社会可持续发展。 在人水和谐的背景下，水库大坝作为综合利用水资源的核心工程，不仅需要能够改造、利用自然，也要能够保护和适应自然。不但重视技术和经济上合理可行，也要重视生态安全、环境友好。如何趋利避害，把水库大坝建成真正的生态工程，是我们必须面对的重大课题。让我们剖析一些典型工程与环境的关系，看看怎样才能兼顾人类需求和环境保护。 “大坝新闻”继续推出系列专题：大坝与生态（中），欢迎收藏和转发！ 总策划：贾金生、陈祖煜 编写人员：周虹、郭军、杨小庆、程晓陶、郑璀莹、袁玉兰、杨会臣、王永旭、张垚、王晓、张炬 单位：中国大坝工程学会、中国水利水电科学研究院 鸣谢：李翀、李哲、朱法君、张博庭
第2部分 保护流域生物 水是生态的根本，不同河流的水文特征孕育了很多独特的生物物种。从水生生物、鱼类植被到禽鸟等，都是经历若干地质年代，适应特殊的水文环境演化而来的。其中有些物种具有明显的地域性。比如，有些鱼类需要洄游，有些需要洪水的刺激才能产卵繁殖，等等。水库大坝的建设，深刻改变了河流天然的水文过程，进而影响到流域自然生态。水库防范旱涝、改善库区气候、扩大水体等因素通常对生态有着正面效应。但水库同时也会对生态造成显著风险，特别是大坝让河流连通受阻，截断河流生态系统，对水生生物尤其是鱼类的风险尤大，洄游鱼类的多样性和丰富度可能会有明显下降。 我国有多条大江大河，诸多淡水鱼类在其中生存繁衍，其中特有鱼类达783种。但近几十年来，我国天然淡水鱼类种质资源和渔业资源均陷入严重衰退。特别是拥有鱼类350种、其中特有鱼类142种的长江流域，近年来多种鱼类的栖息地和产卵场缩小或丧失，导致种群数量显著下降，不少鱼类更是濒于绝境。 当前对鱼类最大的威胁是酷渔滥捕。在一些地区，“绝户网”、“迷魂阵”四布，甚而使用电鱼、毒鱼等非法手段，使得鱼类陷入灭顶之灾。其次，工农业污染、围湖造田、物种入侵、内河航运等也对鱼类造成了较大危害。在这些方面亟需有效的渔政、环保管理。水利水电工程在带来种种效益的同时，也对鱼类会产生显著影响。因此在工程设计时，就需要谨慎考虑生态效应，为洄游鱼类提供适宜的过鱼设施，让大坝上下的鱼类可以开展物种交流，维持河道生态系统中的物种多样性。此外，采取分层取水、人造洪峰等手段帮助鱼类正常繁殖。必要时建设增殖放流站维持种群数量。在一些生态敏感地区，设立鱼类保护区开展栖息地保护，在保护区内拆除小水电站恢复天然河道、营建鱼类产卵场、修复河道生态系统。
中华鲟人工放流 图/黎明 分层取水 大型水库的水体相对平静，往往会产生水温分层现象。而水电站多自底层取水，导致春夏季节下泄水水温较天然水温为低。鱼类的生长繁殖需要一定的水温条件，青、草、鲢、鳙四大家鱼在水温低于18℃时便难以性成熟，同时过低的水温也会降低鱼类的新陈代谢能力。例如丹江口水利枢纽兴建后，下泄的低温水使得下游江段鱼类的繁殖时间推后了20天左右，且出生幼鱼生长速度缓慢。此外，低温水对农作物的生长也有不利影响。为此，雅砻江锦屏一级、北盘江光照、澜沧江糯扎渡、瓯江小溪滩坑等多座水电站均修建了分层取水设施，让发电用水主要来自水库表层，减少底部低温水的下泄。滩坑水电站的运行结果显示，分层取水能让下泄水水温平均升高5.7℃，与天然水温的最大降幅由原先的15.3℃缩小至6.0℃，升温效果良好。 人造洪峰 除了对温度的要求，四大家鱼等鱼类的产卵繁殖还需要涨水信号的刺激。而水库对径流的调节作用会让天然洪峰明显放缓、峰值减小，进而导致鱼类的产卵量减少。为此，自2011年以来，三峡水库每年都在四大家鱼的繁殖时节展开生态调度，制造人造洪峰。以2015年的生态调度为例，当年6月8～9日三峡下泄流量分别增加了7500与13100立方米/秒。6月8日即发现餐条、鳊、银鲴、鳅类等鱼类产卵，产卵密度达到230粒/千立方米；6月9日凌晨，四大家鱼和铜鱼、鳡等鱼类大量产卵，最大产卵密度超过1200粒/千立方米。根据监测数据推算，此次生态调度期间鱼类繁殖总量超过15亿尾，其中四大家鱼繁殖量超过3亿尾（2000年以来宜昌江段四大家鱼年均繁殖规模为2亿尾），对鱼类资源的保护作用明显。 增殖放流 对于珍稀、濒危以及受水利水电工程严重威胁的鱼类而言，自然繁殖有可能不足以维持种群数量。这时就需要建立增殖放流站来人工繁殖。如美国的国家鱼类育苗场系统，现有72所育苗场，人工繁殖鲑鱼、鳟鱼以及其他多种珍稀鱼类，除保护外也补充了渔业资源。我国葛洲坝水利枢纽的中华鲟增殖放流已持续了30余年，放流中华鲟超过500万尾。目前，金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江等流域的开发均设置了多处增殖放流站，如大渡河黑马鱼类增殖放流站一期工程设计放流规模55.5万尾/年，自2010至2015年累计放流355万尾鱼苗，目前正在建设二期工程，设计放流规模达41.8万尾/年。 帮助鱼类翻过大坝 水库大坝的建设阻隔了鱼类的洄游，可能会导致某些洄游鱼类的灭绝，另外上下游鱼类的物种交流被大坝隔断，影响了种群的遗传多样性，也会对鱼类造成不利影响。例如在瓯江中、上游间建设的石塘水库大坝，使得溯河洄游的鳗鲡等鱼类无法进入瓯江上游。而大量在瓯江进行河川洄游生活的鱼类的迁徙之路也被切断，不少鱼类的幼鱼需要在上游浅水区觅食，而水库大坝的建设使幼鱼失去了上游670万平方米的索饵场。 2012年对瓯江鱼类的调查发现，上游鱼类种群以流水鱼类为主，且生物多样性较高；中下游鱼类种群以静水性鱼类为主，生物多样性较低。相比于1972年的调查，此次有34种鱼类未采集到，其中一部分如中华鲟、鲥、香鱼、花鳗鲡可能已经绝迹；新增19种鱼类，其中2种为外来鱼类，其他可能是养殖引入或者历史调查遗漏的；每日单船渔获量下降了75%，鱼类资源严重衰退。造成这一局面的固然有酷渔滥捕和采砂的因素，但大坝的影响也是不容忽视的。 为了帮助鱼类翻过大坝，近年来，我国大量水利水电项目均开展了鱼道、鱼闸、升鱼机、集运鱼系统等鱼类保护措施建设。 鱼道 鱼道是历史最为悠久的过鱼设施，最早的记载出现在17世纪的法国。鱼道有阶梯式鱼道、槽式鱼道（丹尼尔鱼道）、仿自然河道等多种类型，均为在溢流坝和水轮机外，另行修建适合鱼类通过的水道来过坝，坡度最大一般不超过20°。鱼道的优点在于不需要人工操作, 运行费用较低，鱼类可以自行上溯，和自然状态相似。但鱼道的设计难度和造价均较高，且鱼类在上溯过程中需要消耗很大能量，通常只有游泳跳跃能力很强的鲑鱼、鳟鱼等才易于通过，甚至有报道鲑鱼在通过鱼道时由于过于疲劳而乳酸中毒死亡的。游泳能力较弱的鲤鱼类、鲱鱼类、鳗鲡类需采用特殊鱼道或其他方法过坝。 决定鱼道成败的最关键因素，在于能否让鱼类迅速找到鱼道的入口。因此需要均匀的诱鱼水流来引导鱼类，其流量通常应为总流量的1%～5%。鱼道入口最好设计于水坝的出水口，如水电站的尾水处。为了应对水流变化，有时需要为鱼道配置多个入口与出口。截至2010年，我国共建有鱼道约80条。不少新建与建设中的落差较小的水利水电工程选用了鱼道过鱼，如落差为30米大渡河流域的枕头坝一级水电站。
鱼闸 鱼道多用于落差较小的水坝，特别是小型拦河堰，在落差超过30米的工程中很少能够建设鱼道。如美国的哥伦比亚河流域是鲑鱼的主要洄游河流，政府就规定流域中下游河段修建的大坝高度不能超过30米，且必须配以鱼道，获得了很好的效果，最下游的邦纳维尔水电站鱼道多年平均过鱼达72万尾。而对于落差较大的水坝，可以采用鱼闸过鱼。 鱼闸由下池和上池组成，中间由竖井或斜管相连接。运行周期和船闸类似，分为诱鱼、充水上升、鱼类引出和排空4个阶段。鱼类通过水位上升过坝，不需要自行溯游，因此可以适用于游泳能力较差的鱼类。使用鱼闸最重要的步骤在于引诱鱼群进入下池和驱赶鱼群离开上池。相比于鱼道，鱼闸投资较低，耗水量小；但不能连续运行，运行周期约为1～2小时，每次过鱼的数量有限。目前鱼闸主要运用于美国东部、英国和澳大利亚。此外，对修建有船闸的闸坝而言，也可在航运负荷较轻的时节，将船闸作为鱼闸使用。 升鱼机 升鱼机可以克服鱼闸运行周期较长的缺点。与鱼闸相同，升鱼机也有下池和上池，诱鱼进入下池后，还需要进一步通过隔板等设施将鱼赶入与下池相连的转运水箱中，而后用绞车把转运水箱提升到坝上，再把鱼类排入上池中放流。整个流程与鱼闸类似，唯独用升鱼设备取代了充水上升过程，使得运行周期可缩短到15分钟。 升鱼机有着造价较低、对坝高不敏感、工程占用体积小等优点，被认为是最适合大落差水坝的过鱼设施之一，如美国在134米高的朗德布特坝上修建的运输距离长达182米的升鱼机。不过，由于需要机械提升，因此升鱼机的运行成本相对较高，而且对小型个体如鳗鲡幼鱼等的效率较低。目前，我国正在建设的大渡河双江口水电站和雅砻江两河口水电站等一系列大型枢纽工程中均设有升鱼机。以高达314米的未来世界第一高坝双江口大坝而言，将在坝址下游利用电站尾水将鱼诱导进入升鱼机，通过起吊设备及滑道将转运水箱运送至隧洞洞口高程，再通过地下隧洞滑道将转运水箱运送至滑道高平台，最后将运鱼箱转移至滑轨上，并运至水库内的转运鱼船，运至库尾及上游天然河道放流。
捕捞放流与集运鱼系统 在一些情况下，以上所述的繁复工程方案未必是最有效的，有时简洁易行的办法会有更好的效果。新西兰的玛塔希那水电站就是一个颇为有趣的例子。玛塔希那水电站架设了一条管状鳗鲡鱼道，以便让那些在海洋中孵化的鳗鲡幼鱼溯流而上；另外为满足当地毛利人的愿望，在大坝另一边安装了桶装鳗鲡捕捞装置，待桶装满后就运到水坝另一边放流。1998年的测试表明，昂贵复杂的鱼道在高峰时每天仅能通过3000尾鳗鲡；而水桶捕捞放流每天竟可以运送10万尾鳗鲡。此外，通过鱼道的鳗鲡吸引了大量捕食者守候在出口处，导致过坝幼鳗大量死亡；水桶捕捞放流相对随机和分散，幼鳗更易于存活下来。因此，有时传统的方法就已足够有效，并且更容易被当地居民接受并参与进来。 规模更大的捕捞放流就是集运鱼系统。集鱼船可以移动到鱼类高度集中的地方，制造水流来诱鱼、集鱼。收集到的鱼可以转移到运渔船中，而后通过船闸过坝放流。如果没有船闸，则可以利用升鱼机或者运鱼车过坝。相比于固定的鱼道、鱼闸、升鱼机等，集运鱼系统有着机动灵活、造价相对低廉、与坝体关系小等优点；但其作业周期比较长、需要人员较多、运行费用较大。目前，位于重庆市乌江之上的彭水水电站已采用了集运鱼系统，多座建设中的水利水电工程也将采用这一过鱼方法。
鱼类下行 洄游鱼类不但要溯河而上，还需要降河而下，这同样会被大坝阻隔。有些溯河洄游鱼类，如欧美重要的经济鱼类鲑鱼、鳟鱼等，在产卵后绝大多数死亡, 亲鱼没有下坝的问题，但它们的后代仍需要回到海洋生长。通常，鱼类可以通过大坝的溢洪道和水轮机顺流而下，一些鱼类能够利用鱼道、鱼闸等过鱼设施下行。在鱼类经过溢洪道时，在落差低于10米的情况下，死亡率较低。对美国哥伦比亚河的研究显示，幼鲑通过30米高的溢洪道时死亡率在0～4%之间，通过60米高的溢洪道时死亡率为8%。当鱼类经过水轮机时，由于流速的突变以及与设备撞击的可能，会遭受伤害乃至死亡。一般来说，大直径低转速的大型轴流式水轮机对鱼类存活较为有利，加拿大和法国的研究表明成熟鳗鲡通过时的死亡率在10%～20%，而在小型水轮机中死亡率可超过50%。如果死亡率过高以至威胁鱼类生存，则需要安装拦鱼屏障防止鱼类通过此类溢洪道和水轮机，另设旁路过鱼水道，引诱洄游鱼类通过旁路进入下游。
库区生态的变迁与保护 大坝建成后囤积蓄水，抬升水位，形成水库。使得大坝上游区域由浅水、急流环境变为深水、静流环境。库区环境的剧变会对生物种群产生一系列影响，最终使得库区的生物群落由河流生态系统变为人工湖泊生态系统。同时库区周边的陆生生态系统和鸟类群落也随之产生复杂的变化。 水域中的生物 鱼类是水生生态系统中的顶级群落。水库建成后，库区内适应激流的鱼类会显著减少，偏好静水的鱼类数量将大幅增加。如彭水水电站蓄水后，原先河道中适应急流的优势种群白甲鱼、瓣结鱼和中华倒刺鲃的数量急剧减少，对流速要求不高的瓦氏黄颡鱼和鲤成为优势物种。三峡的情况与之类似，水库运行后，圆口铜鱼、圆筒吻、长鳍吻等喜急流的鱼类逐渐从库区向上游江段迁徙，鲢、南方鲇、鲤、黄颡鱼等适应静水的鱼类成为库区主要经济鱼类。 在水生生态系统中，浮游植物是最重要的初级生产者。水库运行后，由于库区水温上升、水体稳定、营养物质富集，常会引起浮游植物种类与生物量的大幅上升，同时群落组成发生变化。如三峡蓄水后，部分断面浮游植物数量显著增加，库区香溪河段蓄水仅半年，绿藻的种类就达到了蓄水前的3倍。随着浮游植物的增多，以其为食的浮游动物，以及水生昆虫、甲壳动物等都会增加。底栖生物也同样如此，随着库区水域面积扩大，泥沙沉降、水流变缓，其种类与生物量通常都会上升。 对澜沧江中游漫湾水电站库区的采样与监测显示，相比于蓄水前，库区内寡毛纲、软体动物等底栖动物的物种数、生物密度和生物量均明显上升。而在上下游的梯级水坝运行后，上升趋势更为显著。 这些生物的繁盛给摄食浮游生物的鲢和鳙、主食昆虫以及小鱼小虾的黄颡鱼、杂食的鲤和鲫等鱼类提供了丰富的饵料，因此水库中的渔获量会有明显上升。水库养鱼多不需投喂人工饲料，也没有药物、激素、施肥等污染，通常品质较高。同时水库渔业充分利用了水面，减少了挖地养鱼对我国宝贵耕地资源的威胁。渔业让水体中营养盐增加，使水库灌溉的作物增产，改善水稻品质。同时鲢、鳙等滤食性鱼类还可以控制水体的富营养化，遏制水华现象，改善水质。如千岛湖通过放流鲢、鳙，来达到“以鱼养水、鱼水共生”的目的。正因为水库渔业有着种种优点，所以世界上很多著名水库都是重要的渔业基地。如沃尔特水库每年产鱼4万吨，卡里巴水库每年产鱼3.5万吨，英国很多水库都因盛产鳟鱼而闻名，美国多座水库以休闲垂钓为特色。我国水库渔业从1978～2000年产量增长了12倍，每年递增14%，同期世界渔业增长率仅为3.1%。在2002年，我国约70%的水库面积均开展了渔业，为居民提供了优质的蛋白质来源，也改善了库区民众的生活水平。 水库渔业有着诸多优点，然而为了进一步提高渔获量，人们往往会引入速生鱼种。如千岛湖自1963年开始放流的鲢、鳙，迅速成为了库区鱼类的主导种类，目前每年上万吨渔获量中，约60%为人工投放增殖的四大家鱼。黄河上游的刘家峡水库中，引进的四大家鱼和鲤、鲫等养殖鱼类也已成为了主要的渔获物，土著鱼类数量逐渐减少。在黄河上游，土著鱼类多为特有鱼类，一旦在原产地消失，往往等同于全球性灭绝。因此，水库渔业开展后，鱼类生物量的增加不能被认为都对生物多样性有利。面对渔业和鱼类保护的这一矛盾，可以采取开发土著经济鱼类、保护珍稀鱼类种质资源等多种方法。如刘家峡水库大力推行黄河鲤鱼、兰州鲶、似鲶高原鳅、甘肃金鳟等土著鱼类的养殖；同时建立国家级水产种质资源保护区，开展土著鱼类的增殖放流和濒危鱼类救护，并加强水库生态保护与修复。
陆生生物与鸟类 水库淹没上游部分地区的天然植被，其范围内的植物群落失去生存空间。地形复杂的峻山幽谷是植物群落多样化较高的地区，位于峡谷区的水库蓄水后产生的库汊分割了原有群落，对群落内物种的散布和迁移造成障碍，特别是对风媒植物影响较大。同时工程修建过程中也会破坏原有植被。因此，水利水电工程的建设要辅以对珍稀植物的保护。以澜沧江的梯级开发为例，景洪电站建设了珍稀植物移栽保护点五处，移栽珍稀植物35000余株；糯扎渡电站建设的珍稀植物园，移植珍稀植物共13400余株；小湾电站的珍稀植物移栽区，移植国家二级保护植物千果榄仁66株，红椿11株；协助澜沧江上游珍稀植物保护园的建设，以促进生物多样性保护。而水库对周边地区气温和湿度的改善又有利于植被的生长，如澜沧江上的漫湾水库蓄水后，河谷季雨林生长得更好, 同时范围向海拔稍高处扩大。 同时，水库又给周边的陆生生物和过往鸟类提供了水源和食物，尤其在干旱区、半干旱区意义重大。内蒙古乌兰诺尔（又名乌兰泡）是乌尔逊河的牛轭湖，位于亚洲七大湿地之一的呼伦湖湿地的核心区域。20世纪70年代后，因修筑公路破坏水源补给条件使得乌兰诺尔逐渐干涸，原先近30平方千米的水面和湿地变为荒滩，水生生物灭绝，鸟类迁徙。周边毒草丛生，约3.3万公顷的草场牲畜无法取食。为此，水利部门于1997年兴建了引水渠、拦河坝等工程，引乌尔逊河入乌兰诺尔，将之恢复为乌兰诺尔水库，水域面积和蓄水量更胜以往。水库蓄水后，解决了200余人、约40万头牲畜的饮水问题。水库抬高了地下水位，周边草场逐渐恢复。沿岸生长了多种水生植物，其中芦苇面积达1700公顷。水体内浮游生物繁盛，为鱼类提供了丰富的饵料。水利部门在水库内放流鲫、鲤，养殖收入用来保障水库管理和工程维修。水生生态的恢复又让数十万只鸟类迁回，让乌兰诺尔水库成为呼伦湖国家级自然保护区中鸟类数量和种群最为兴盛的地方。保护区内的20种珍稀濒危水禽中，分布于乌兰诺尔水库周边的有18种。2014年，乌兰诺尔水库由水利部门交给呼伦湖国家级自然保护区管理，以便更好地发挥其生态效益。 在西南地区，水库与鸟类的关系较为复杂。在三峡库区支流小江对冬季鸟类种群进行的调查显示，以水生植物为主食的游禽类数量和种类均有显著上升，2010年较蓄水前的2002年数量增幅达14.8倍，种类由5种上升到18种。涉禽数量下降约30%，由于原有滩涂的淹没导致5种小型涉禽消失，而以鱼类为主食的苍鹭、小白鹭数量有显著上升。依赖特定水文条件的傍水栖息类型鸟类数量急剧下降，种类也从10种下降到4种。 人类文明的发展，必然伴随着改造环境。水利工程的建设，也确实会给流域生物群落带来种种影响。随着科学技术的进步，全球各国都在以前所未有的审慎态度研究水库大坝的生态效应，并通过工程措施和生态调度等手段扩大其有利的影响，避免或减小其不利的影响。
|
|
|
来自： shanshuiwanshi > 《水利水电工程》
