河流水工程開發魚類棲息地生態流修復技術探討

常理 彭瑞 王火云

摘要：河流水工程開發對魚類棲息地的影響問題已經成為業界普遍關注的重點，不同的魚類棲息地保護措施體系已經基本形成并實踐應用于我國河流水工程開發項目中。但從魚類棲息地生態流的角度，將河流水工程開發項目作為對流域生態系統的外部影響分析其對魚類棲息地“適宜性、完整性、連通性、多樣性”的改變，系統探究魚類棲息地非生物因子修復技術方面的研究還較為缺乏。研究表明：通過采取一定的工程補償措施（魚類棲息地保護、導魚過魚、生態水量調度等）能較大程度緩解水工程開發對魚類棲息地自然生態流造成的負面影響，促進工程建設與魚類棲息地保護協調可持續發展。

關鍵詞：河流水工程;魚類棲息地保護;生態流;非生物因子

中圖分類號：X171 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）12-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.092

Discussion on restoration technology of fish habitat ecological flow impacted by river engineering

Chang Li，Peng Rui，Wang Huoyun

（POWERCHINA Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang Guizhou 550000，China）

Abstract：The impact of river water engineering development on fish habitat has become the focus of this industry，different systems of fish habitat protection have been basically formed and applied in Chinese river engineering projects.However，there is still a lack of research on the restoration technology of fish habitat abiotic factors considering the impact of ecological flow on four characteristics（suitability，integrity，connectivity，diversity）of fish habitat.The research shows that the negative impact of river engineering development on the natural ecological flow of fish habitat can be alleviated to a large extent by taking some engineering compensation measures （Such as fish habitat protection， fish-passing structure， ecological water flow control，etc.），and the coordinated and sustainable development of engineering construction and fish habitat protection can be promoted.

Key Words：River engineering;Fish habitat protection; Ecological flow;Abiotic factor

棲息地一般指某種生物生存繁衍所需空間生境的生物和非生物因子的總和，對于魚類而言，魚類棲息地包括了其完成全部生活史過程所必需的水域范圍，如：產卵場、索餌場、越冬場以及連接不同生活史階段水域的洄游通道等[1]，魚類棲息地的保護實質是對魚類棲息地非生物因子四個特性的保護。一是適宜性：指魚類棲息地地形地貌、水力學、水溫、水質等本底條件適宜性;二是完整性：指魚類棲息地結構與功能的完整性;三是連通性：指魚類棲息地中不同生活史階段水域洄游通道的連通性;四是多樣性：指基于前述三個基礎的魚類棲息地非生物因子多樣性。“生態流”是指反映生態系統中生態關系的物質代謝、能量轉換、信息交流、價值增減以及生物遷徙等行為的“功能流”[2]，本文以河流水工程開發魚類棲息地非生物因子的生態流修復為基礎，將河流水工程開發建設看作是對河流生態系統的一種外部人為干預因素，從而探究生態流變化對魚類棲息地“四性”（適宜性、完整性、連通性、多樣性）造成的影響，為流域魚類保護工作提供參考依據。

1 生態流研究與應用現狀

研究魚類棲息地的生態環境保護的重要方法和模型有很多，而生態流的重點在于探索生態系統中的“物質”“能量”“信息”流動的路徑和通量，從而反映人類活動對生態環境改變的影響。目前，基于生態流修復的環境保護相關研究在我國尚處于引入探索階段，已有學者將生態流的理論方法應用于分析農田生態系統受土地整治項目的影響[3]，研究旱地生態系統價值流與生態流的耦合關系[4]等。國外的學者相關基礎性研究已經具有一定的成果，并在此基礎上形成了河流非生物因子修復的理論和工程實踐。較為出名的河流生境修復工程為“萊茵河流域行動計劃”，經過有關部門50年的努力與嘗試，建設了大量人工濕地，恢復了沿岸植被，實現了萊茵河生態修復的目標，成功使鮭魚從河口洄游至上游，是流域非生物因子成功修復的典型案例。

2 生態流變化對魚類棲息地“四性”影響

2.1 河流生態系統生態流特征

生態流是自然生態系統各組分之間的關系紐帶，是不斷地進行能量、物質、信息和價值交換的循環過程。在自然生態系統中各組分、環境之間的物質、能量和信息交換的強度和通量是保持恒定的，任何新的改變都會導致原系統的平衡被打破，生態系統會根據新的環境條件通過調整系統組分之間的關系不斷進行自我修復。這種內在關系用以生態流的概念理解即系統生態流平衡，就可以比較清晰的分析生態系統各組分之間“耦合關系”。

2.2 能量流改變的影響

河流生態系統的能量流動同樣遵循熱力學定律，生態系統的能量在自然流動時，系統內部的熵總是在不斷增大，但能量的密度和強度是逐漸提高的。如在河流水工程開發建設領域，水電工程通過水輪機將流體的動能轉化為電能，一方面，由于動能的利用會導致庫區水流速的減小，從而導致溶解氧含量降低、河流自凈能力降低，破壞了部分魚類的生境。另一方面，由于水庫運行原因導致下泄水溫及水力條件的時空變化，改變了一些魚類的產卵繁殖的時間，使魚類經過長期形成的生長繁殖習性與自然環境的耦合關系被打破，破壞了魚類生存環境“適宜性”。此外，由于水電工程蓄水發電，抬高了上游庫區水位，庫區的淹沒會導致某些魚類特有的產卵場、索餌場和越冬場不復存在，使某些魚類需求的水生境消失，破壞了魚類棲息地所需的“完整性”。不僅如此，高水頭的水利水電工程泄流消能造成下泄水體溶解氣體過飽和，致使部分魚類患“氣泡病”死亡。

2.3 物質流改變的影響

從流域整體來看，各個生命階段周期的物質流都是平衡的，但目前基于物質流研究多數是研究單一物質的流動，事實上各種元素在伴隨著物質流動的循環過程中會產生相互耦合作用，對整個生態系統的改變產生直接影響。生態系統中的物質流主要依托食物鏈流動，河流水工建筑的阻隔會直接影響魚類上溯或下行的索餌行為，由于水工建筑的影響改變了河流的水文條件，形成與天然河道截然不同的兩個水生生態系統，食物鏈和物質流動關系會發生較大的變化，生態流中物質的自然循環過程被打破，新的物質循環平衡狀態的形成過程中會導致部分不適應新生境的水生生物減少或者消失，破壞整天然生態系統的“多樣性”。

2.4 信息流改變的影響

生態系統內部各因子之間的信息交流構成生態系統的信息流，信息流作為生態流的基本功能流之一，可分為物理信息、化學信息和行為信息，存在于生態系統的各個層面，形成了一個相互作用的體系。生態系統中的能量和物質的流動通過個體、種群、生物與周圍環境間的信息交流而協調，河流水工建筑對生態系統信息流動最直接的影響就是阻斷上下游之間的信息流動，改變了河流水域環境聲、光、溫等物理信息，破壞了魚類棲息地的“連通性”，對自然環境下水生生物的覓食、生長、發育、繁衍都造成一定不利理影響，破壞了魚類棲息地的“適宜性”。

3 魚類棲息地生態流修復

3.1 生態流“完整性”修復-棲息地保護

在實踐中，魚類棲息地保護的最理想的措施就是設立魚類自然保護區，盡量減少天然河段的人為干預。但對于已經受到破壞的魚類棲息地，應據實進行生態流修復治理，相關修復治理技術方案應合理利用生態流的自我平衡能力，采用自我修復和人工輔助修復相結合的方式，實現棲息地非生物因子功能流的修復目的。目前常使用的魚類棲息地修復的技術措施較多，包括通過對沿河道路采取一定的工程措施，來減少水土流失對河道的水文形勢的改變;以沿河種樹植草、改變河道蜿蜒性等方式修復河岸植被帶、改善堤岸的穩定性和河流內部水動力條件;在河流適宜的部位安置木塊或石頭，鋪設產卵性礫石，重建深潭-淺談等自然棲息地環境，改善魚類棲息地完整性條件等[5]。

3.2 生態流“連通性”修復-導魚過魚

由于水工建筑的物理阻隔作用，對系統生態流的物質、能量和信息三個維度的流動造成了影響，為了充分保證系統生態流的平衡，通常采用一定的工程補償措施（導魚過魚）修復魚類各生境間的連通性。連通性的修復按照過魚設施的功能可分為上行、下行和輔助設施，上行過魚設施主要包括仿自然通道、升魚機、魚道、魚閘和集運魚系統等，魚類通過人工過魚設施的幫助，可一定程度實現其完成生命史的洄游需求，從而達到魚類各生境間的連通性修復效果。其中魚道是一種最為常見的上行過魚設施，其類型和特點見表1[6]。目前在我國工程實踐中大渡河枕頭壩一級及沙坪二級水電站采用豎縫式魚道，江西吉安三湖航電樞紐工程采用仿自然魚道過魚。雅礱江兩河口水電站采用“魚道+升魚機+索道運輸+運魚船”的組合形式過魚，均起到了較好的魚類棲息地連通性修復效果。

3.3 生態流“適宜性”修復-生態流量調控

生態流量調控是一種降低河流水工程建設運行對生態系統“適宜性”造成負面影響的技術措施，通過合理規劃河流水工程設施運行的時間和下泄流量，恢復部分自然條件下水文情勢，實現上下游生態流“適宜性”的修復。生態水量調控的關鍵是保證下泄生態流通量和強度滿足下游生態功能基本需要，使最低下泄流量不小于下游河道的生態基流;對于庫區生態流強度降低而造成的水質下降問題，可合理上調下泄流量，加大庫區水域的流動速度，縮短水庫的換水時間周期，減緩水體富營養化速度，以達到修復魚類棲息地生態流“適宜性”的目的。此外，通過河流水工程的優化調度，在下游魚類自然產卵期間，通過調整水庫的運行調度方案模擬自然環境下洪水的周期變化，也就是近自然的“信息流”修復方法，通過制造人工洪峰，刺激相應魚類的繁殖、產卵和遷徙，確保魚類棲息地非生物因子修復對“信息流”最小值的需求，滿足魚類生存繁衍所需的自然信號。

在三峽電站的運行實例中，為了緩解三峽大壩對以四大家魚為首的長江魚類繁殖產卵造成的不利影響，自2011年起開始長江防總對三峽水庫實施了連續數年的生態調度實驗，在長江魚類產卵繁殖的時間段通過人工增大下泄流量的方式，形成了持續的漲水過程，為魚類繁殖提供了良好的水文條件，有效地促進了四大家魚的產卵繁殖，形成了“自然-人工”二元驅動下水生態系統的整體演化。

4 后續研究展望

河流水工程開發涉及生物因子和非生物因子之間影響非常復雜，尤其針對流域控制性水工程而言，其造成的河流水文節律變化及河流魚類棲息地生態流的影響，更是需要進行長系列、多尺度、多因素、多變量等綜合性基礎研究，才能科學掌握其耦合關系的變化情況。目前，基于生態流理論開展的魚類棲息地非生物因子修復研究在我國尚處于探索階段，需要更系統地對其原理和表達方式進行更深入的發掘，未來的研究方向可能是采用統一量綱的方式，來研究生態流與外部影響的平衡關系，通過數值模擬量化分析河流水工程開發建設項目對生態流的影響，為河流水工程開發魚類棲息地生態流修復提供更成熟理論基礎和技術支撐，實現工程建設與魚類棲息地保護的協調可持續發展。

參考文獻

[1]楊宇，嚴忠民，喬曄，等.河流魚類棲息地水力學條件表征與評述[J].河海大學學報：自然科學版，2007，35（2）：125-130.

[2]郭貝貝，楊緒紅，金曉斌，等.生態流的構成和分析方法研究綜述[J].生態學報，2015，35（5）：1630-1639.

[3]郭傳新，張麗杰.基于水生態功能分區的流域水環境監測網絡體系構建[J].環境與可持續發展，2018，43（02）：46-48.

[4]孟慶慶，王麗娜.基于水生態功能分區的流域水環境監測與評價研究[J].環境科學與管理，2017，42（12）：110-113.

收稿日期：2020-09-28

作者簡介：常理（1983-），男，漢族，本科，高級工程師，研究方向為環境水力學。