某鱼类栖息地修复工程实施效果研究

2022-12-08 13:33叶智峰朱冬舟

水利规划与设计 2022年11期

叶智峰，朱冬舟，孙干

(1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2.中国三峡建工(集团)有限公司，四川成都 610041)

栖息地即生境，“生境”一词由美国Grinnell首先提出，他定义生境为生物生存环境的空间范围及生存空间中的全部环境因子。对鱼类而言，其栖息地则包括其完成产卵、索饵、越冬等过程所必需的水域范围[1]。引水式电站的建设使拦河坝至电站尾水之间河流的流量大幅下降，形成减水河段。减水对河流生态环境的突出影响表现为水生生物适宜生境区域面积的压缩[2]，对减水河段的生态修复主要应做好对水生生境的修复。孔得兵[3]利用生境模拟法对水电站下游脱水段生态流量进行研究分析；郭明战等[4]提出应通过满足最小下泄流量、建立鱼类增殖站、修建鱼道等措施缓解引水式电站建设产生的负面影响；王国庆等[2]通过二维水力模拟计算，对减水河段设置深槽和挡水堰不同组合的生境修复方案进行研究；王锐等[5]通过一维模型计算分析锦屏二级水电站下游减水河段流速、水深、水温变化对鱼类产卵场生境的影响。韩仕清[6]将生态修复非工程措施与工程措施相结合，通过二维水力模拟计算，研究减水河段横向、纵向上工程修复措施的改善效果。庞远宇等[7]阐述了大藤峡水利枢纽工程中通过设立禁渔区、延长禁渔期、设置人工鱼巢及人造产卵场等，实施脱水河段栖息地保护与修复。

现阶段，针对鱼类栖息地生境修复的相关研究对象主要是天然河流，针对引水式电站减水河段的研究较少；少数针对引水式电站减水河段生境修复的研究也仅停留在调查分析或实验模拟阶段，缺乏工程实践经验与效果验证，要建立适合减水河段的鱼类栖息地修复技术方案体系，还有大量工作亟待开展。本文对“松新减水河段鱼类栖息地修复工程”实施效果进行分析评价，总结不同修复措施的优势与不足，为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

黑水河是金沙江左岸一级支流，是白鹤滩水电站库区内鱼类栖息地优先保护河流[8]，位于四川省凉山彝族自治州境内，发源于昭觉县玛果梁子，自北向南流经昭觉、普格、宁南3县，于宁南县东南部葫芦口汇入金沙江。目前，黑水河干流已建有苏家湾、公德房、松新、老木河4座引水式电站。

黑水河鱼类资源丰富，根据2018—2019年度中国水产科学研究院鱼类资源调查报告表明，黑水河发现鱼类44种，隶属3目9科32属，共计22563尾。随着白鹤滩电站建成蓄水，黑水河下游天然河道空间被进一步压缩[9]，可供鱼类生存繁衍的栖息地面临大幅度减少。同时，黑水河干流4座电站的建设从水文情势、底质、饵料生物群落等方面显著改变了河道上、下游原有生境，降低了生境适宜性。河道内多处采砂点亦对河床形态造成了改变，对栖息地质量产生影响。因此，迫切需要采取建设过鱼设施、修复栖息地等措施，最大可能地减缓水电站建设造成的不利影响。

根据乌东德、白鹤滩环境影响报告书的要求以及黑水河河流生态修复规划的总体部署，“黑水河鱼类栖息地生态修复项目”建设任务为：恢复河道连通性、修复受损栖息地、保护鱼类、为科研及示范宣传提供平台。“松新减水河段鱼类栖息地修复工程”作为项目的组成部分，主要任务为修复松新电站8.2km减水河段受损栖息地。

2 设计方案

2.1 总体布置

松新减水河段总长约8.2km，河宽30～140m，蜿蜒度1.13，属低度蜿蜒，坡降10.8‰，微地形包括12处深滩，18处浅滩，河势稳定性一般，主要受人为活动、冲沟影响；流量5～11.5m3/s，深泓水深0.31～1.25m，平均流速0.54～1.64m/s，水面宽11.5～35.7m，底质特征为卵石覆盖、遍布大型漂石。栖息地受损情况主要包括水流漫滩不连续、泥沙及石块阻隔水流、硬化底质、多样性不丰富等。针对以上情况，采取疏槽、透水堰、冲沟导堤、镇脚、底质改善5种工程修复措施。不同修复措施适用位置及作用见表1。

表1 不同修复措施适用位置及作用

根据模型输出结果，针对不满足适宜生境水力参数的河段采取修复措施，全部工程内容包括：9段河道疏槽、12处新建透水堰、2段新建镇脚、3处河道底质改善、4处新建冲沟导堤，减水河段模拟分析结果如图1所示，工程分布示意图如图2所示。

图1 减水河段模拟分析结果

图2 工程分布示意图

2.2 建设时序规划

为了更好地实现项目总体目标，验证修复措施的可行性与有效性，项目分2阶段实施，2018年上半年先实施试验工程，汛期之后对试验工程实施效果进行评估，如达到设计效果，则开展第2阶段全河段修复工程。试验工程包括：疏槽S9(长309m)、透水堰Y12、镇脚Z2(长66m)、底质改善D3(面积1100m2)、冲沟导堤T1(长126m)。

2.3 修复措施设计

2.3.1疏槽

对河道主槽进行疏浚，断面总宽度25m，中部10m范围疏浚深度0.6m，两侧7.5m范围疏浚深度0.3m，中部与两侧1∶3斜坡连接，上、下游端与自然滩面1∶20缓坡衔接。疏槽以现状不规则河底为基础，统一疏浚深度，不设计固定高程，不改变现状纵坡。疏槽设计断面图如图3所示。

图3 疏槽断面图(单位：m)

2.3.2冲沟导堤

距离冲沟沟口2～3m处顺水流方向布置，总长度与沟口口宽相同；导堤断面为直角梯形，顶宽3m，底宽4.5m，高3m，底面埋深1.5m，采用浆砌块石砌筑；对冲沟出口处5～10m范围内岸坡、沟底进行干砌石护砌。冲沟导堤设计断面图如图4所示。

图4 冲沟导堤断面图(单位：m)

2.3.3透水堰

堰顶宽8m，与上、下游护底段1∶5缓坡连接；护底段长10～15m，与自然滩面以1∶20缓坡顺接；堰顶高于现状地面0.3～0.4m，护底段低于堰顶0.5m；垂直于水流方向，堰轴线呈“V”形平面布置，堰顶中间低、两边高，河道中心20m范围内堰顶下凹0.5m；堰体、护底均采用大粒径块石堆砌，石料粒径保证最小面边长大于25cm，单块重量不小于25kg。透水堰设计断面图如图5所示。

图5 透水堰纵断面图(单位：m)

2.3.4镇脚

布置于松散边坡坡脚，顺水流方向布置；断面为直角梯形，顶宽1.5m，底宽3m，高3m，底面埋深0.5m，采用浆砌块石砌筑；镇脚墙前、墙后采用干砌石护砌3～5m。镇脚设计断面图如图6所示。

图6 镇脚断面图

2.3.5底质改善

拆除河床中水泥、混凝土等人为形成的底质，恢复为砾石、卵石、土质构成的天然底质。底质改善设计断面如图7所示。

图7 底质改善断面图

3 评价方法

3.1 评价指标

栖息地评估是一项系统工程，首先需要确定目标保护鱼类，依据目标鱼类的生态学特征，通过生态水文学计算，得出适宜生境要素的量化数值，根据搜集的水文、地形地貌资料，评估栖息地适宜性[10]。河流栖息地涉及多种生境要素，主要包括水深、流速、河床糙率、坡降、底质情况等[11]。本项目中，根据前期专题研究成果，目标鱼类适宜生境评价指标及特征值确定为：平均流速0.3m/s，最大流速0.6m/s，平均水深0.3m，最大水深0.6m。

3.2 综合评价方法

本次研究采用指标评分法对不同位置、不同时期的河流生境、生境多样性进行量化，根据量化结果评价生境适宜性。选取平均水深、最大水深、平均流速、最大流速、生境多样性作为评价指标，每个评价指标分为3个等级，分别对应分数为1、2、3，将5个评价指标分数相加，总分越高代表生境适宜性越好，总分达到标准值大小，认为生境满足需求。平均水深、最大水深、平均流速、最大流速根据水文监测数据评分，生境多样性根据航拍图评分，指标标准等级划分见表2。5个生境适宜性评价指标分数之和总分为15分，认定总分大于等于15×0.6=9分的河流生境具有相对较好的适宜性。

表2 评价指标标准分级表

3.3 监测方法

河道航拍图均通过无人机航拍获得，水文数据通过以下2种方法监测获得:

(1)针对水深较大(h>20mm)、水面宽较宽(B>10m)、水流平顺且流态稳定的断面，采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)进行流速v、水深h、水面宽B、流量Q、地形等内容的测量；

(2)针对水深较小且水面宽较小的断面，采用便携式流速仪、测试杆、卷尺等进行流速v、水深h、水面宽B测量，使用”流速面积法”进行计算。

测量断面布置如图8所示，测速垂线数布置见表3，垂线测速点布置及流速计算方法见表4。

图8 测量断面布置示意图

表3 测速垂线布置方法

表4 测速垂线上测速点布置方法

一点法：V=V0.6；三点法：V=(V0.2+V0.6+V0.8)/3；五点法：V=(V0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10。

4 工程效果评价与分析

对比分析工程建设之前(以下简称“工程前”)、工程建设后(以下简称“工程后”)2个时期试验工程位置水文监测数据、河道航拍图，评估各类措施的实施效果。

4.1 疏槽

疏槽S9区域工程前、工程后水文监测数据见表5，河道航拍图如图9—10所示。

(1)生境适宜性评价

图9 工程前疏槽S9区域航拍图

图10 工程后疏槽S9区域航拍图

依据表2和表5，采用指标评分法对疏槽S9监测断面生境适宜性进行评价，生境评分表见表6。根据表6，工程前、工程后疏槽S9监测断面生境总分分别为7、11分，工程前生境不满足需求，工程后生境满足需求。

表5 疏槽S9区域水文监测数据

表6 疏槽S9生境评分表

(2)生境影响分析

对比生境评分情况可知，工程后总分11分高于工程前7分，说明疏槽S9工程对区域生境有改善作用；对比工程前与工程后水文监测数据可知，工程建设后，疏槽S9区域在水面宽度略微减小的情况下，平均水深、最大水深、最大流速、平均流速较工程建设前均明显增大，河床形成主槽；对比河道航拍图可知，工程前，该区域水深较浅，部分河段水流漫滩且连续性较差，工程建设后，该区域水深增加，水面的连续性明显改善，生境多样性更加丰富。

4.2 冲沟导堤

冲沟导堤T1区域工程前、工程后水文监测数据见表7，河道航拍图如图11—12所示。

图11 工程前疏槽S9区域航拍图

4.2.1生境适宜性评价

依据表2和表7，采用指标评分法对冲沟导堤T1监测断面生境适宜性进行评价，生境评分表见表8。根据表8，工程前、工程后冲沟导堤T1监测断面生境总分均为9分，工程前、工程后生境满足需求。

图12 工程后疏槽S9区域航拍图

表7 冲沟导堤T1区域水文监测数据

表8 冲沟导堤T1生境评分表

4.2.2生境影响分析

对比生境评分情况可知，工程后总分9分与工程前一致。由于冲沟导堤T1主要作用为阻隔冲沟冲积物淤积河道，是对河道生境恶化的预防，工程后总分9分与工程前一致，说明工程建设短时间内不会对生境产生明显影响。

对比河道航拍图可知，工程前，冲沟沟口周围河床内存在冲积物堆积，对河道水流形成一定的阻隔。工程建设完成后，河床内冲积物清理后，河道内未出现新的冲积物。冲沟导堤T1对冲积物的阻挡、引导效果明显，有效减少冲沟冲积物落入河床主槽，减缓河床主槽内淤积，保证了水流连续性，河流生境得到改善，生境进一步恶化风险被降低。

4.3 透水堰

透水堰Y12区域工程前、工程后水文监测数据见表9，河道航拍图如图13—14所示。

图13 工程前疏槽S9区域航拍图

图14 工程后疏槽S9区域航拍图

表10 透水堰Y12生境评分表

4.3.1生境适宜性评价

依据表2和表9，采用指标评分法对透水堰Y12监测断面生境适宜性进行评价，生境评分表见表10。根据表10，工程前、工程后透水堰Y12监测断面生境总分分别为8、12分，工程前生境不满足需求，工程后生境满足需求。

表9 透水堰Y12区域水文监测数据

4.3.2生境影响分析

对比生境评分情况可知，工程后总分12分高于工程前8分，说明透水堰Y12工程对区域生境有改善作用。

对比水文监测数据可知，工程建设后，透水堰Y12上游、下游平均水深、最大水深、最大流速、平均流速、水面宽度较工程建设前均明显增大。

根据工程后水文监测数据对断面流量估算，透水堰Y12上游流量Q1=0.8×0.24×15.2=2.92m3/s，透水堰Y12堰顶流量Q2=0.13×0.24×41=1.28m3/s，透水堰12堰体透水流量Q3=2.92-1.28=1.64m3/s。透水堰透水率=1.64/2.92=56.2%。根据计算结果可知，在生态流量的情况下，透水堰12透水效果明显，也起到适度雍水的工程效果。

对比河道航拍图可知，工程前，该区域水深较浅，水面漫滩且连续性较差，水流条件不满足适宜生境要求。透水堰Y12建设完成后，堰上游形成深潭，水深较大，营造出生境多样性；堰顶与下游原有深潭之间平顺衔接，水深、流速较工程前均明显增大，水面连续性较好，水流条件明显改善。