王沛芳，王　超，侯　俊，錢　進，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)教育部重點實驗室，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）

梯級水電開發(fā)中生態(tài)保護分析與生態(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)教育部重點實驗室，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)對生態(tài)環(huán)境影響及原因的基礎(chǔ)上，歸納了近年來水電站建設(shè)運行中生態(tài)保護措施的研究進展，包括過魚設(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)流量的確定和梯級水電站水庫生態(tài)調(diào)度，并闡釋了這些措施在河流梯級水電開發(fā)生態(tài)保護中的不足，提出了河流梯級水電開發(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。

梯級水電站；生態(tài)環(huán)境影響；生態(tài)保護措施；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、航運等功能的同時，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)的進程?；诖?，本文在分析當(dāng)前梯級水電開發(fā)中大壩建設(shè)帶來的生態(tài)環(huán)境影響問題及保護技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對存在的生物生境保護需求，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)我國水電能源及降低水電工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響提供理論依據(jù)和支撐。

1　問題的提出

近年來關(guān)于水電開發(fā)中大壩建設(shè)對生態(tài)環(huán)境影響的研究備受關(guān)注，其影響特點及產(chǎn)生原因通常歸納為以下幾個方面：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^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)必須重視和面對的問題。

梯級水電站在我國西南地區(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)的梯級水電站眾多。梯級水電站通過對入庫徑流的反復(fù)調(diào)節(jié)，連續(xù)改變河流天然徑流的時空分配過程，使河道的自然洪枯過程減弱，水溫過程均化［10］，進而導(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、流量過程，改變了河流自然水文特點，顯著威脅著河流水生生態(tài)系統(tǒng)的安全。近年來面向生物多樣性維持和原生生態(tài)保護的梯級水電開發(fā)生態(tài)保護措施逐漸受到重視并不斷得到完善，但對流域梯級水電的滿水頭開發(fā)，這些生態(tài)保護措施仍然難以避免對河流水生態(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)和保護的關(guān)系。

2　水電開發(fā)中的生態(tài)保護措施與效果分析

2.1大壩過魚設(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。魚道建筑物運行的成功與否是水利水電工程環(huán)境影響評價中生態(tài)環(huán)境保護的重要評價指標(biāo)。20世紀(jì)60年代初期美國、加拿大以及部分西歐國家開始建設(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］。國內(nèi)在2000年重新啟動了魚道等過魚設(shè)施的建設(shè)，在水利水電工程環(huán)境影響評價時強調(diào)必須規(guī)劃魚道等過魚建筑物。陳凱麒等［13］歸納了當(dāng)前國內(nèi)外常用魚道的類型和特征，認(rèn)為近自然的魚道對于魚類種類數(shù)量、魚類游泳能力及其他水生生物洄游更具有優(yōu)勢；而其他技術(shù)型魚道，包括常用的豎縫式、池式、Denil式等魚道均針對不同類型魚類特征設(shè)計，對微生物和其他水生生物沒有上溯洄游效果。此后，許多學(xué)者對魚道設(shè)計的參數(shù)進行了研究和修正，其中，毛熹等［14］借助模型試驗對魚道中的技術(shù)參數(shù)進行了優(yōu)化，設(shè)計的三級跌坎凹槽調(diào)整了水流平穩(wěn)度，增強了過魚能力；陳靜等［15］采用豎縫式池室結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了116 m壩高的魚道。這些研究為我國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。

魚道的過魚效果一直以來是研究的重點，特別是近年來PIT（passive integrated transponder）聲學(xué)標(biāo)記技術(shù)開始應(yīng)用于過魚的監(jiān)測后相關(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10種魚類的總過魚效率可達74%［16］，加拿大Indian Creek河流低水頭水壩魚道3種魚類中通過率最高的黑斑風(fēng)魚過魚效率為38.4%［17］。國內(nèi)魚道工程中較為典型的廣西長洲水利樞紐魚道，最大落差16.0 m，全長1443.3 m，魚道寬5.0 m，是我國當(dāng)前最大的魚道工程。譚細(xì)暢等［18］2011—2014年通過堵截法在魚道內(nèi)采樣11個批次，共采集魚類標(biāo)本6244尾，體現(xiàn)出一定的魚道過魚能力；但該魚道設(shè)計過魚目標(biāo)原為中華鱘、鰣、七絲鱭、日本鰻鱺等，魚道監(jiān)測發(fā)現(xiàn)僅日本鰻鱺為優(yōu)勢種類，花鰻鱺偶見，其他種類尚未出現(xiàn)。總體上，我國魚道設(shè)施應(yīng)用時間較短，科學(xué)實驗和實際應(yīng)用效果觀測數(shù)據(jù)少，工程設(shè)計技術(shù)還不成熟，運行效果尚不理想。特別是200 m以上高壩中建設(shè)的魚道、壩下誘魚機、壩體升魚機、空中索道送魚機等過魚設(shè)施，因為尚不完全明晰魚類的生活史及生態(tài)行為特性，很難達到理想的實施效果。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，對魚道流速要求差別也較大，當(dāng)需保護的不是單一魚類時，單一過魚設(shè)施很難滿足多種魚類的洄游要求；特別是梯級水電站聯(lián)合調(diào)度時，各水電站上游急流生境喪失，僅通過魚道運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溢洪道或者水輪機，對魚類生命和健康帶來很大影響，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)有的過魚設(shè)施在河流閘壩阻斷的中低水頭落差工程及單級水電開發(fā)中會有一定效果，但對多級河流大壩阻斷的梯級水電開發(fā)，整個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所，導(dǎo)致逐漸瀕?；蛘邷缃^，用于單個壩體的過魚設(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水電工程開發(fā)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響而采取的魚類資源補償性措施，主要任務(wù)和目的是通過對開發(fā)河段野生親體的捕撈、馴養(yǎng)、人工繁殖、種苗培育及放流，并進行苗種的標(biāo)記和建立遺傳檔案，實施增殖放流［19］。其關(guān)鍵技術(shù)包括確定增殖放流規(guī)模、進行親魚收集捕撈、實施親魚馴養(yǎng)繁殖培育、人工孵化、苗種培育放流、放流效果監(jiān)測及引水和排水水量設(shè)計等。

我國最早針對水電工程魚類資源補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］，用于補償因葛洲壩建設(shè)阻斷長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)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國當(dāng)前運行、建設(shè)、設(shè)計的魚類增殖放流站已有數(shù)十座，主要分布在長江上游的金沙江、大渡河、雅礱江及瀾滄江等河流上。例如，雅礱江錦屏梯級水電站錦屏一級、二級水電站及下游的官地水電站規(guī)劃設(shè)計了1座增殖放流站［21］，該放流站2011年11月29日首次放流長絲裂腹魚、細(xì)鱗裂腹魚、短須裂腹魚、四川裂腹魚和長薄鰍等5種魚類共計10萬尾魚苗［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)境影響評價成果為依據(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)，因為原本在山溪性河流中適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；③放流站及放流地選址要科學(xué)，類似錦屏梯級3個水電站合并修建1座放流站，其放流地點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。

綜合分析魚類增殖放流實踐發(fā)現(xiàn)，對于單級或保留一定自然河流的水電大壩阻斷工程來說，魚類放流后會按照自身的習(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。但對于過度密集的梯級水電開發(fā)的大壩阻斷工程來說，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靜水水域，沒有適合于激流型魚類適宜的河流生態(tài)環(huán)境，這些魚類長期生存的可能性不大，其產(chǎn)卵繁殖也會因缺乏生境條件而難以實現(xiàn)。因此，這種條件下的魚類增殖放流對生物多樣性維持與物種基因保護沒有實質(zhì)意義。要解決這一核心問題，關(guān)鍵是在河流梯級水電開發(fā)時保留一段能為各種魚類營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植物的正常生存，Tennant［23］對美國西部地區(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個不同生態(tài)保護標(biāo)準(zhǔn)，奠定了河流生態(tài)流量的研究基礎(chǔ)。實際上，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，因為山溪性河流一般流量較小，依據(jù)一般用水期時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，普適性低；棲息地法則需要大量的現(xiàn)場觀測，不僅復(fù)雜耗時而且河道局限性較強。基于此，關(guān)于河流生態(tài)流量的研究方法也在不斷完善。邵東國等［25］在羅壩河中應(yīng)用了水域面積法計算了河道生態(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，針對具體生物物種及生物棲息地保護的生態(tài)流量確定方法也在不斷完善［26-28］。

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

2.4梯級水電站水庫生態(tài)調(diào)度

通過優(yōu)化水庫調(diào)度可以實現(xiàn)水電站發(fā)電出力最佳并同時滿足河流生態(tài)系統(tǒng)對流量的需求，減少水庫調(diào)節(jié)對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，國內(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)度運行對生態(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；梅亞東等［30-31］探討了考慮生態(tài)流量的水庫優(yōu)化調(diào)度模型和水庫生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度方法，認(rèn)為當(dāng)前水庫生態(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算生態(tài)徑流的方法；王學(xué)敏等［33］設(shè)計了精英選擇和混沌遷移機制，對三峽水庫優(yōu)化調(diào)度模型進行了研究和求解，得到了多個符合生態(tài)效益評價標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)調(diào)度方案；楊光等［34］利用改進動態(tài)規(guī)劃法對水庫進行柔性決策，生態(tài)調(diào)度的準(zhǔn)確性和對綜合目標(biāo)實現(xiàn)的指導(dǎo)意義不斷提高。

水電站水庫的生態(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力過程，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，因此水電站運行調(diào)度時，應(yīng)按照保護魚類生長和繁殖習(xí)性，人造洪峰和急流，為其提供適宜的水動力條件。但是，在河流梯級水電站開發(fā)中，如果上級和下級水庫的庫頭與庫尾相接，壩下失去造就水動力過程的河道空間，其優(yōu)化調(diào)度方案也很難達到預(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

盡管國內(nèi)外在水電工程生態(tài)環(huán)境影響方面進行了大量的研究，但梯級水電的滿水頭開發(fā)必將給河流生態(tài)環(huán)境帶來不可避免的影響。為了在未來水電清潔能源開發(fā)的同時更為科學(xué)合理地保護流域、區(qū)域及河流水生態(tài)環(huán)境，維持保護生物多樣性，本文提出河流梯級水電開發(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、單位動能總和的物理量［35］。在自然河流中，各斷面總水頭沿流動方向逐漸減少，勢能水頭轉(zhuǎn)化為動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算中一個重要的水力學(xué)參數(shù)，自然河流水面線和水庫回水曲線的計算在河流興建水電工程或進行航道整治規(guī)劃時非常重要，特別對于當(dāng)今河流中水電站的梯級開發(fā)，水庫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)劃考慮的因素重點集中在梯級水電站水輪機的穩(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水電站調(diào)節(jié)運行轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，出現(xiàn)了水庫庫頭與庫尾相接的“水庫串”，河流自然形成的流量過程和水頭平緩下降的自然河段完全消失，呈現(xiàn)以逐級大壩控制的人工階梯水面，使得河流中自然生存的各類動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。

為了保護河流的自然生境，維護河流水生生物的多樣性，本文提出“生態(tài)水頭”的概念。在高強度開發(fā)特別是梯級水電站建設(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)電蓄水的水庫回水之間，保留一段具有天然水動力過程的河段，形成相應(yīng)的自然河流調(diào)節(jié)的水頭，實現(xiàn)對該河段自然生境的保護，并為下游水庫相關(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，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，可為底棲動物棲息繁殖、微生物附著生長和魚類自由生長繁殖活動等保留自然生存空間，保護河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性。當(dāng)然，生態(tài)水頭的預(yù)留會占用梯級水電站開發(fā)水頭，降低水能資源開發(fā)的經(jīng)濟效益，這是由河流梯級開發(fā)的“社會、經(jīng)濟、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，有效保護河流的自然流態(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)合多年來水利工程生態(tài)環(huán)境影響的研究實踐，提出“水能開發(fā)有度、生態(tài)保護統(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。我國電能的需求量大，而當(dāng)前我國水能資源的開發(fā)程度僅在34%左右，遠低于發(fā)達國家的開發(fā)水平，面對水電能源開發(fā)的較大期望值和顯著的經(jīng)濟效益，做到有度開發(fā)較為困難。但同時也必須防止“絕對生態(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題。

b.自然資源需要的生境空間統(tǒng)籌保護的原則。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，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)、生物生長環(huán)境、動物棲息空間等，以盡可能地維持河流原生自然生境，保護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)梯級水電站時，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.河流資源儲備適度預(yù)留的原則。由于能源的緊缺，近年來我國水能資源開發(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，除了通過規(guī)劃設(shè)置生態(tài)水頭河段外，還需考慮預(yù)留一定的儲備資源，對水頭資源的利用應(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)劃時需要重點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)水頭計算方法，還包括水電開發(fā)建設(shè)等人類活動干擾下維持河流生態(tài)流量的計算方法，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、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、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，針對河流的具體生境特征和保護生物特點，綜合各類保護目標(biāo)的權(quán)重，選擇基于生態(tài)流量計算、各行業(yè)用水需求計算及特種生物物種保護自然水頭的確定方法，最終建立綜合決策的動態(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)段位置和長度等指標(biāo)。綜合國內(nèi)外研究狀況和筆者課題組多年的相關(guān)研究和實地調(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

梯級水電開發(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。盡管國內(nèi)外學(xué)者和工程單位進行了深入研究，提出了系列生態(tài)保護、補償和修復(fù)措施，但對于過度密集的梯級水電站大壩及其發(fā)電蓄水和放水的人工調(diào)控，河流生態(tài)環(huán)境問題仍然十分突出?！吧鷳B(tài)水頭”理念的提出，為河流梯級開發(fā)規(guī)劃提供了新思路，要保留和保護好河流生態(tài)水頭，實現(xiàn)梯級開發(fā)水頭與生態(tài)保護水頭協(xié)同兼顧，取得經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境綜合效益，在提高我國水電能源開發(fā)率的同時，可持續(xù)保護河流生態(tài)環(huán)境和物種資源。

［1］CHENG F，LI W，CASTELLO L，et al.Potential effects of dam cascade on fish：lessons from the Yangtze River［J］. Reviews in Fish Biology&Fisheres，2015，25（3）：569-585.

［2］YAN Q，BI Y，DENG Y，et al.Impacts of the Three Gorges Dam on microbial structure and potential function［J］. Scientific Reports，2015（5）：1-9.

［3］汪恕誠.論大壩與生態(tài)［J］.水力發(fā)電，2004，30（4）：1-7.（WANG Shucheng.On dams and ecology［J］.Water Power，2004，30（4）：1-7.（in Chinese））

［4］KONDOLF G M.Hungry water：effects of dams and gravel mining on river channels［J］.Environmental Management，1997，21：533-551.

［5］厲占財.水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響綜述［J］.黑龍江科技信息，2008（31）：84.（LI Zhancai.Summary of the influence ofwaterconservancyprojectonecological environment［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2008（31）：84.（in Chinese））

［6］李蓉，鄭垂勇，馬駿，等.水利工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響綜述［J］.水利經(jīng)濟，2009，27（2）：12-16.（LI Rong，ZHENG Chuiyong，MA Jun，et al.Summary of influence of hydraulicengineeringconstructiononecological environment［J］.JournalofEconomicsofWater Resources，2009，27（2）：12-16.（in Chinese））

［7］COPEMAN V A.The impact of micro-hydropower on the aquatic environment［J］.Water and Environment Journal，1997，11（6）：431-436.

［8］KUBECKAJ，MATENAJ，HARTVICHP.Adverse ecological effects of small hydropower stations in the Czech Republic：bypass plants［J］.Regulated Rivers：Research &Management，1997，13（2）：101-113.

［9］OUYANG W，HAO F H，ZHAO C，et al.Vegetatioresponses to 30 years hydropower cascade exploitation in upper stream of Yellow River［J］.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2010，15（7）：1928-1941.

［10］黃薇，陳進，王波.梯級開發(fā)對河流徑流過程和水溫過程均化作用的研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2010，19（3）：335-339.（HUANG Wei，CHEN Jin，WANG Bo. Studyonaverageeffectofcascadehydropower development on flow and water temperature process［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin，2010，19（3）：335-339.（in Chinese））

［11］李陳.長江上游梯級水電開發(fā)對魚類生物多樣性影響的初探［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［12］曹慶磊，楊文俊，周良景.國內(nèi)外過魚設(shè)施研究綜述［J］.長江科學(xué)院院報，2010，27（5）：39-43.（CAO Qinglei，YANGWenjun，ZHOULiangjing.Formation mechanism analysis of collapse occurring in underground powerhouse［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（5）：39-43.（in Chinese））

［13］陳凱麒，常仲農(nóng)，曹曉紅，等.我國魚道的建設(shè)現(xiàn)狀與展望［J］.水利學(xué)報，2012，42（2）：182-189.（CHEN Kailin，CHANG Zhongnong，CAO Xiaohong，et al.Recent progress in studies of overland flow resistance［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2012，42（2）：182-189.（in Chinese））

［14］毛熹，李嘉，易文敏，等，魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2011，43（增刊1）：54-59.（MAO Xi，LI Jia，YI Wenmin，et al.Study on optimizing the structure of the fish way［J］.Journal of Sichuan University（EngineeringScienceEdition），2011，43（Sup1）：54-59.（in Chinese））

［15］陳靜，郎建，何濤，等.高壩魚道工程設(shè)計案例分析［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2013，34（4）：19-25.（CHEN Jing，LANG Jian，HE Tao，et al.Analysis on engineering design of fishway in high dam［J］.Journal of Hydroecology，2013，34（4）：19-25.（in Chinese））

［16］CALLES E O.GREENBERG L A.The use of two naturelike fishways by some fish species in the Swedish River Eman［J］.Ecology of Freshwater Fish，2007，16（2）：183-190.

［17］STEFFENSEN S M，THIEM J D，STAMPLECOSKIE K M. Biological effectivenessofaninexpensivenature-like fishway for passage of warmwater fish in a small Ontario stream［J］.Ecology of Freshwater Fish，2013，22（3）：374-383.

［18］譚細(xì)暢，黃鶴，陶江平，等.長洲水利樞紐魚道過魚種群結(jié)構(gòu)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2015，26（5）：1548-1552.（TAN Xichang，HUANG He，TAO Jiangping，et al.Fish population structure in the fishway of Changzhou Hydrojunction［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2015，26（5）：1548-1552.（in Chinese））

［19］施家月，廖琦琛，梁因銓，等.功果橋和苗尾水電站魚類增殖放流站設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2009，2（6）：51-55.（SHI Jiayue，LIAO Qichen，LIANG Yinquan，et al.Key technique of fis-hatchery designing in the Gongguoqiao and Miaowei Hydropower Station［J］.Journal of Hydroecology，2009，2（6）：51-55.（in Chinese））

［20］單婕，薛聯(lián)芳，周祥林.水電工程魚類增殖放流站設(shè)計淺析［J］.水力發(fā)電，2015，41（12）：10-12.（SHAN Jie，XUE Lianfang，ZHOU Xianglin.Analysis on design of fish restocking station of hydropower projects［J］.Water Power，2015，41（12）：10-12.（in Chinese））

［21］高峰，張湘隆.雅礱江錦屏梯級水電站魚類增殖放流站設(shè)計［J］.水利水電技術(shù)，2011，42（2）：21-24.（GAO Feng，ZHANG Xianglong.Design of fish-breeding and releasing station of Jinping Cascade Hydropower Station on Yalong River［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2011，42（2）：21-24.（in Chinese））

［22］陳云華.雅礱江錦屏大河灣水生生態(tài)環(huán)境保護研究［J］.水力發(fā)電，2012，38（10）：5-7.（CHEN Yunhua. Study on aquatic environment protection of Jinping Bend of Yalong River［J］.Water Power，2012，38（10）：5-7.（in Chinese））

［23］TENNANT D L.Instream flow regimens for fish，wildlife，recreation andrelatedenvironmentalresources［J］. Fisheries，1976，4（4）：6-10.

［24］張輝.河流生態(tài)需水理論研究與進展［J］.天津科技，2014，41（8）：86-88.（ZHANG Hui.Review of theoretical researches on river ecological water demand and relevant progress［J］.Tianjin Science&Technology，2014，41（8）：86-88.（in Chinese））

［25］邵東國，穆貴玲，易淑珍，等.基于水域面積法的山區(qū)河流水電站下游生態(tài)流量定值研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，35（9）：2982-2988.（SHAO Dongguo，MU Guiling，YI shuzhen，et al.Calculation of ecological flow setting for hydropower station of mountainous river based on water surface area method［J］.Acta Science Circumstantiae，2015，35（9）：2982-2988.（in Chinese））

［26］CLARK J S，RIZZON D M，WATZIN M C，et al.Spatial distribution and geomorphic condition of fish habitat in streams：ananalysisusinghydraulicmodelingand geostatistics［J］.River Research and Applications，2008，24（7）：885-899.

［27］李永，盧紅偉，李克鋒，等.考慮齊口裂腹魚產(chǎn)卵需求的山區(qū)河流生態(tài)基流過程確定［J］.長江流域資源與環(huán)境，2015，24（5）：809-815.（LI Yong，LU Hongwei，LI Kefeng，et al.Determination of ecological base flow process of mountainous rivers by taking into account the Prenant's schizothoracin's spawing requirement［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2015，24（5）：809-815.（in Chinese））

［28］楊志峰，于世偉，陳賀，等.基于棲息地突變分析的春汛期生態(tài)需水閾值模型［J］.水科學(xué)進展，2011，21（4）：567-574.（YANG Zhifeng，YU Shiwei，CHEN He，et al. Model for defining environmental flow thresholds of spring flood period using abrupt habitat change analysis［J］. Advances in Water Science，2011，21（4）：567-574.（in Chinese））

［29］BEDNAREK A T，HART D D.Modifying dam operations to restore rivers：ecological responses to Tennessee River dam mitigation［J］.Ecological Application，2005，15（3）：997-1008.

［30］梅亞東，楊娜，翟麗妮.雅礱江下游梯級水庫生態(tài)友好型優(yōu)化調(diào)度［J］.水科學(xué)進展，2009，20（5）：721-725.（MEI Yadong，YANG Na，ZHAI Lini.Optimal ecological sound operation of the cascade reservoirs in the Lower Yalong River［J］.Advances in Water Science，2009，20（5）：721-725.（in Chinese））

［31］陳端，陳求穩(wěn)，陳進.考慮生態(tài)流量的水庫優(yōu)化調(diào)度模型研究進展［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（5）：248-256.（CHEN Duan，CHEN Qiuwen，CHEN Jin.Review on optimizationmodelsofreservoiroperationwith consideration ecological flow［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2011，30（5）：248-256.（in Chinese））

［32］李捷，夏自強，馬廣慧，等.河流生態(tài)徑流計算的逐月頻率計算法［J］.生態(tài)學(xué)報，2007，27（7）：2916-2921.（LI Jie，XIA Ziqiang，MA Guanghui，et al.A new monthly frequency computation method for instream ecological flow［J］.Acta Ecologica Sinica，2007，27（7）：2916-2921.（in Chinese））

［33］王學(xué)敏，周建中，歐陽碩，等.三峽梯級生態(tài)友好型多目標(biāo)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型及其求解算法［J］.水利學(xué)報，2013，44（2）：155-163.（WANGXuemin，ZHOU Jianzhong，OUYANG Shuo.TGC eco-friendly generation multi-objective optimal dispatch model and its solution algorithm［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2013，44（2）：155-163.（in Chinese））

［34］楊光，郭生練，李立平.考慮生態(tài)流量的梯級水庫柔性決策研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（9）：114-116.（YANG Guang，GUO Shenglian，LI Liping.Flexible decision-making for cascade reservoir operation considering ecological flow［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2015，43（9）：114-116.（in Chinese））

［35］李家星，趙振興.水力學(xué)：上冊［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2001.

［36］黃奮杰，黃駿.關(guān)于水輪發(fā)電機組額定水頭選擇的探討［J］.云南水力發(fā)電，2004，20（1）：72-75.（HUANG Fenjie，HUANG Jun.Discussion on the selection of rated head of hydroelectric generating set［J］.Yunnan Water Power，2004，20（1）：72-75.（in Chinese））

［37］肖學(xué)友.水庫調(diào)度在低水頭電廠中的經(jīng)濟效益分析［J］.水電站機電技術(shù)，2013，36（1）：65-68.（XIAO Xueyou.Economic benefit analysis of reservoir operation in low head power plant［J］.Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station，2013，36（1）：65-68.（in Chinese））

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)境保護與生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：pfwang2005@hhu.edu.cn

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

（20160222 編輯：熊水斌）