兼顧魚類保護與發電需求的秦嶺湑水河觀音峽電站段生態修復設計

侯姝君 劉海龍

據世界自然基金會(World Wildlife Fund,WWF)《地球生命力報告》(2020年)統計[1]，1970—2016年，全球物種數量平均以68%的速度下降，淡水物種數量卻平均以84%的速度下降，遠高于陸地和海洋生態系統，其中淡水魚類是20世紀全球滅絕速度最快的脊椎動物物種[2]。聯合國環境署在2019年《全球環境的新型問題》報告[3]中指出導致全球淡水生物多樣性下降的主要原因是淡水棲息地的急劇喪失，其中人類筑壩導致的“水庫效應”使河流生態系統破碎化，直接導致珍稀魚類物種數量下降乃至滅絕。據統計[4]，全球幾乎一半(48%)的河流流量已經被控制，所有正在計劃或建設水壩的建成意味著全球所有河流93%的自然水文流量將喪失。河流上的水壩阻止魚類和其他水生物種的運動，淹沒河流棲息地，影響水質，并改變了維持河流活力所必需的自然流淌狀態。水壩的老化，也可能為公共安全帶來隱患。在此背景下自然流淌河流(Free-Flowing Rivers，FFRs)已成為愈加稀缺的自然資源。2019年國際淡水生態系統專家組提出全球淡水生物多樣性的6項“緊急恢復計劃”[5]，其中允許河流自然流淌和保護并恢復河流連通性2項關鍵措施，都對淡水生物多樣性有重要支撐性作用。河流生態修復是通過調整生態環境要素，修復受損河流的結構、功能或生態系統的過程，并以近自然化、可持續為導向，提升河流系統的生態價值和生物多樣性，以使生態修復后的河流更加趨近健康和穩定的狀態[6]。

秦巴山脈位于中國地理中央。獨特的地理環境與氣候特征使之成為各類珍稀動植物分布相對集中的區域，是全球生物基因寶庫，對于我國乃至全球生物多樣性保護都具有巨大價值。國家公園與自然保護地體系的完善，有利于解決動植物棲息地環境惡化的現實問題，為生物保護提供有力支持[7-8]。近年從生態保護的角度，秦嶺開展了小水電拆除工作：2021年，陜西省秦嶺辦《關于對秦嶺區域小水電整治意見進行公示的函》(陜秦嶺辦函〔2021〕75號)中涉及整治的省內秦嶺區域小水電站多達447個，在陜西省需拆除水電站中占比達90%。

目前，世界許多國家都在探討通過拆除水壩來恢復河流生態系統[9-10]。美國河流協會(American Rivers)認為拆除大壩是使河流恢復生機最有效的方法。1912—2022年，美國共拆除水壩2013座[11-12]。國內近年來出臺了系列強制性政策、規范和標準，通過河流生境修復(建立自然保護區、限制捕撈、仿自然生境、拆除大壩等)、生態流量泄流、過魚設施建設、綠色水電評價機制、生態補償政策等方法保護建壩河流生態環境。但目前相關研究仍未成熟，定量研究與具可操作性的技術規范較少[13]。

本研究借助HEC-RAS(River Analysis System)軟件，進行湑水河觀音峽水電站拆除前后水文水動力特征量化分析，并綜合運用水文學、河流生態學、生態水工學、風景園林學等領域的思路與方法，從洄游性珍稀瀕危魚類保護、社會經濟發展及人居環境構建等方面，對脫水河段及退水后的觀音峽水庫進行生態修復及景觀規劃設計。同時本研究也在探討景觀水文學這一交叉研究領域的理論與方法途徑。

1 場地概況

湑水河位于陜西省寶雞市太白縣南部，河長167.5km，流域面積2 307km2，多年平均流量40m3/s，自然落差1 636m。作為長江最大支流——漢江的中上游重要支流之一，從秦嶺石質山區流出，區間以原始森林為主，年降雨量充沛。陜西太白湑水河珍稀水生生物國家級自然保護區(以下簡稱“湑水河保護區”)地處湑水河及其支流，總面積5 343hm2，屬水生野生動物類型自然保護區，保護對象是以國家I級保護動物川陜哲羅鮭、國家II級保護動物秦嶺細鱗鮭、大鯢等為代表的珍稀水生生物[14]。

1.1 近年來湑水河保護區內珍稀魚類種群變化及原因

秦嶺細鱗鮭生活在山區溪流冷水中，春天河水解凍時，開始集體向上游和支流等出生地洄游，尋找良好產卵場；在冬季來臨時，返回大江深潭處過冬。秦嶺細鱗鮭產卵時間為2—3月，一般選擇支流深潭下段急流處作為產卵場。在湑水河保護區內，秦嶺細鱗鮭分布范圍呈現出明顯的減小趨勢，且低齡化嚴重，體型有所下降[16-20]。川陜哲羅鮭在2017年文獻中沒有記載，可能因其數量極為稀少而未能被監測到，不排除已滅絕的可能性。究其原因，較多文獻指出與近年來保護區內外村落、旅游設施建設，以及游客量增多、水電站攔水有密切關系[14，21]。

本文以秦嶺細鱗鮭(圖1)作為主要指示物種，聚焦于水電站攔水導致河流連通度降低這一重要原因進行研究。

圖1 秦嶺細鱗鮭[15]

1.2 湑水河保護區內閘壩分布及河流連通性影響分析

在湑水河保護區內，從干流上游到下游共有3座閘壩：觀音峽水電站、二郎壩水電站與金龍水電站。通過對比3座閘壩對秦嶺細鱗鮭“三場”及支流數量的影響(表1)，發現觀音峽水電站對秦嶺細鱗鮭影響最大。因此，恢復觀音峽水電站段河流連通性是解決以秦嶺細鱗鮭為主的珍稀魚類生存問題的重要突破口。

表1 湑水河保護區內閘壩對秦嶺細鱗鮭的影響情況

觀音峽水電站大壩(圖2)為砼拱壩，壩高49m，于2009年7月建成，同年8月底開始蓄水。目前大壩攔蓄水庫控制流域面積431km2，總庫容703萬m3。觀音峽水電站是1座徑流引水式電站，設計引水流量14.88m3/s，設計裝機容量2.6萬kW，多年平均發電量9 451萬kW/h，年利用小時數為3 625h[22-23]。

圖2 觀音峽水電站衛星圖及現狀照片(2-1引自Google地圖；2-2、2-3由作者攝)

1.3 研究范圍

研究范圍為漢江支流湑水河上游觀音峽水電站段，河段總長近18km，覆蓋河流、道路、農田及少量硬質場地及構筑物(圖3)。

圖3 研究范圍

2 觀音峽水電站段河流連通性恢復方法探討

2.1 基本思路

拆除觀音峽水電站大壩可以恢復河流連通性，但目前觀音峽水電站仍具備發電功能，且為當地帶來經濟效益。需要尋找一種既滿足生態需求又兼顧經濟的解決方法。觀音峽水電站大壩通過攔蓄水引入引水口發電，若將此功能轉移，便可拆除。

在引水口上游設置“流量控制器”，使河流生態流量順利通過；在引水口處設置“1天發電量排蓄水裝置”，使生態流量外的所有流量(以下簡稱“剩余流量”)流入。根據河流流量調控，夜間蓄水，日間發電，原理如圖4。

圖4 河內結構原理平面示意圖

其中，生態流量及平均流速決定了圖4中A處橫截面的面積S值；剩余流量與水電站設計引水流量的關系決定了“1天發電量排蓄水裝置”的庫容V。即：

S=生態流量/平均流速

V=(月平均流量-生態流量)×(24h-可發電時長)×3 600s/h

目前，已知水電站設計引水流量為14.88m3/s，另需水庫大壩處的河流流量、生態流量及平均流速等數據。

2.2 數據收集、整理及計算

選擇位于陜西省洋縣的漢江支流酉水河酉水街水文站為參照站，運用水文比擬法計算湑水河水電站水庫大壩處徑流量。根據水文站1959—1998年徑流實測資料，并計算2座水電站水庫的面積比例，整理得到觀音峽水電站水庫大壩處的徑流量數據[24](表2)。

表2 觀音峽水電站水庫大壩處徑流量多年平均年內分配表[24]

在計算河道生態流量時，以保證區域內秦嶺細鱗鮭的繁衍生息為重點。魚類適宜水深下限約為其體長的3倍，觀音峽水電站附近秦嶺細鱗鮭體長約9.6～30.3cm，取最大值30.3cm計算得到出水深至少為91m。據相關研究，大多數魚類產卵適宜流速在0.3～1.5m/s，根據河道斷面參數，通過曼寧公式的計算和修正可得出生態流量為1.48m3/s，約占多年平均流量的23%[24-26]，大于以其他參數為參照所計算出的生態流量，具有可行性。

平均流速參考《2017監測報告》中所述各監測點流速(表3)，對比各監測點及研究范圍內的河道坡度，可估算出平均流速為0.5m/s。

表3 3種方案指標對比

2.3 可行性探討

將上節數據代入公式計算，得出S值為15m2，V值為29.47萬m3，即經過“流量控制器”分流后下泄水流的橫截面面積為15m2，“1天發電量排蓄水裝置”的庫容為29.47萬m3。

若拆除水庫大壩后僅依靠自然流量發電，河流流量需要達到生態流量與水電站設計流量之和，即16.36m3/s，而河流流量最高月流量僅為15.90m3/s，故無法實現。若拆除水庫大壩后在發電站引水口的河流處設置“流量控制器”及“1天發電量蓄排水裝置”，在不考慮誤差的情況下，每年可以發電2 484h(103.5天)。此發電可利用小時數是水庫大壩拆除前的68.54%。

按照陜西電網上網電價0.33元/度來計算，水庫大壩拆除前年均發電量為9 451萬kW/h，共計年產值約為3 118.83萬元人民幣；水庫大壩拆除后年均發電量為6 478萬kW/h，共計年產值約為2 137.74萬元人民幣，相比減少981.09萬元人民幣。

觀音峽水電站水庫大壩拆除及河道改造方案可恢復河流連通性，是保護湑水河自然保護區內以秦嶺細鱗鮭等珍稀水生動物為主的野生動物棲息地的重要舉措，且在一定程度上保證了水電站的發電量，具有可行性。

2.4 其他方案對比

除了上述河內結構方案外，還可以通過魚道建設、魚類轉移等方法對秦嶺細鱗鮭等進行保護。

河內結構方案可以恢復河流自然流淌，但水庫蓄水受到影響，水電站的發電功能受一定影響；魚道方案可以保證水電站的發電功能，但槽式魚道過長(發電廠房和大壩相距13km)，魚類通過率變低，且因魚道需與近50m的水庫大壩頂端相接，故魚道會有相當長一段架高于河道之上，對景觀造成影響；魚類轉移方案可保留水庫大壩，且水電站發電功能不受影響，同時可與現有黃柏塬保護站的增殖放流等魚類保護措施相結合，但河流斷流仍然存在，魚類生境及洄游通道仍不完善。

分別從魚類保護、水電站發電能力、景觀美感度、生態效益4個方面進行評價，按照“優”1分、“良”0.5分、“差”0分進行打分。由表3可知，河內結構方案分數最高，相對最具優勢。

3 觀音峽水電站水庫大壩拆除計劃

冬季湑水河流量小，便于開展水庫大壩拆除及后續生態修復工作，選擇11月—次年3月施工。在施工前，通過水電站引水口排空蓄水，以最大化利用蓄水并減少河道泥沙運動。施工時，對壩體需拆除部分按照從上到下、從中間到兩邊的順序拆除，對保留部分加固。施工所產生的建筑垃圾分類后回收或在地利用。

4 HEC-RAS水文模擬與河流生態修復方法

美國工程兵團河流分析系統(HEC-RAS)軟件由恒定流計算分析、非恒定流計算分析、泥沙移動及水質模擬4個模塊構成，可制作一維及二維水力模型，本文通過二維水力模型進行非恒定流計算分析。非恒定流計算分析采用UNET模型，基本方程包括連續方程和動量方程，運用四點隱式有限差分法求解[27]。建立二維水力模型需要高質量的地形數據、曼寧參數、水文數據及一些水利工程的維度參數。將以上數據輸入HEC-RAS中，即可計算出河流形態、水深、流速等相關數據。

4.1 HEC-RAS模擬在場地的應用邏輯

4.1.1 確定“1天發電量蓄排水裝置”位置

通過HEC-RAS模擬，明晰水庫大壩拆除后河流達到穩態時，引水口附近河流水深、流速等基礎條件，將“1天發電量排蓄水裝置”布置在合適位置。

4.1.2 提供規劃基礎條件

利用HEC-RAS對大壩拆除前后河流水文變化進行動態模擬，為河流的生態修復規劃設計提供思路及要求。

4.2 HEC-RAS模擬過程及結果分析

4.2.1 基礎數據準備

選擇規劃范圍河段模擬，通過地理信息系統獲得5m精度dem模型，加載HEC-RAS模型，獲得二維地形，流量數據參考表2。

4.2.2 模擬1：確定“1天發電量蓄排水裝置”位置

1)范圍選定及網格設置。

選擇水庫及大壩上下游區域為模擬1的模擬計算范圍，在HEC-RAS中的2D flow area模塊中設置5m×5m的計算網格。

2)流量設置。

按照表2中12月平均流量1.81m3/s進行計算。

3)模擬結果及分析

由軟件模擬得出模擬1范圍內的河流水深、流速數據。

由圖5左可知，大壩拆除后，在靠近引水口處形成深達20m的較大面積深潭(紅線框)。根據圖5右可知，河道越窄流速越大，河道凹岸側流速越大。將最大流速連接起來，找出范圍內河道的最大流速線(黃色虛線)。

圖5 模擬1河流穩態后最大水深(左)；模擬1河流穩態后最大流速(右)

結合上述分析，確定“1天發電量排蓄水裝置”位置(圖6左藍色框)，表面積約為8.8萬m2，庫容約為29.27萬m3。沿“1天發電量排蓄水裝置”縱向中心線剖切(圖6左白色實線)，地形狀態如圖6右中黑色曲線，將原地形改造成紅色曲線所示新地形，水深最深處約為9m。

圖6 “1天發電量排蓄水裝置”位置(左)；池底地形塑造方法及水深(右)

4.2.3 模擬2：水庫大壩下游規劃基礎條件

1)范圍選定及網格設置。

選擇水庫大壩上游“流量控制器”位置到下游二郎壩區域為模擬2的模擬計算范圍。在HEC-RAS中的2D flow area模塊中設置5m×5m計算網格。

2)流量設置。

據表4可知，7—9月流量可充分滿足發電且有富余。故此，3個月在用電低谷期(23：00—次日7：00)按當月流量進行模擬。其他時間均按照生態流量1.48m3/s來模擬計算。

表4 “1天發電量排蓄水裝置”24小時內可蓄發電時長及流量對照表

3)模擬結果及分析。

由軟件模擬得出模擬2范圍內的河流水深、流速數據。

由圖7可知，河流恢復自然流淌后，深潭淺灘交錯，有新深潭產生，最深處可達30m。深潭處流速相對較低，淺灘處流速較高，流速高低交替，深潭個別區域流速相對過緩。

圖7 模擬2最大水深(左)；模擬2最大流速(右)

4.2.4 模擬結果分析

根據以上模擬結果，“1天發電量排序水裝置”庫容約為29.27萬m3，與2.3節所探討的庫容值相近。河流連通性恢復，大壩下游河段深潭淺灘交錯，具備良好的魚類棲息地營建潛力。深潭個別區域流速相對過緩，應制定針對魚類棲息環境營建的河流生態修復策略。

4.3 “1天發電量排蓄水裝置”及周邊區域規劃設計

根據HEC-RAS模擬結果，對“1天發電量排蓄水裝置”及周邊區域進行規劃設計(圖8)。在大壩上游通過地形塑造及地下水流通道布置設置“1天發電量排蓄水裝置”；大壩部分拆除以保證河流通過，并將剩余部分改造成集科普、娛樂、旅游、休閑于一體的標志性景點；大壩下游河流恢復自然流淌，通過河岸塑造及河內結構設計營造魚類適宜的索餌場。

圖8 “1天發電量排蓄水裝置”及其周邊區域平面圖

4.4 HEC-RAS模擬結果對河流生態修復方法的指導

從河道空間、珍稀魚類生境、生態游憩3個層面進行河流生態修復綜合設計。

4.4.1 河道空間營建

水庫大壩拆除后，水庫區域水位整體降低，下游河道水位升高，個別區域河道改道。根據對比現狀河道及HEC-RAS模擬結果得出水庫大壩拆除后河流水位變化分布圖(圖9)。

圖9 水庫大壩拆除后河流水位變化分布圖

1)水位升高河道修復策略。

水庫大壩拆除后，下游河道水位升高，對駁岸、山體、構筑物造成影響，故分類討論生態修復方法。

針對駁岸及山體植被被淹沒區域，在大壩拆除前，首先將新水位線以下樹木進行分類移植及再利用，對于具有保護價值及泄水后仍適宜生長的樹木進行保留及保護；然后塑造駁岸及河道地形，在適當位置用石籠做骨架，并用本土砂礫做表面覆層[28-29](圖10)。

圖10 駁岸及山體植被被淹沒區域修復策略

針對道路、房屋被淹沒區域，在水庫大壩拆除前，將新水位線下道路進行架高或改道；對可能被淹沒的房屋采取搬遷，或建設擋墻、土坡等固定防洪設施(圖11)。

圖11 道路(11-1)、房屋(11-2)被淹沒區域修復策略

針對其他非特殊水位升高河段，若駁岸坡度較陡，可在大壩拆除并恢復河流自然流淌后，分層種植浮游植物及挺水植物，或不做處理；若駁岸坡度平緩且面積寬闊，可設置濱水可淹沒漫灘，種植適宜樹種，便于魚類產卵棲息；在人類可達區域，可以設置生態親水平臺或踏步[30-31]。

2)水位降低河道修復策略。

水位降低區域主要集中在原水庫位置，水位下降10～50m，整個水庫流域面積及庫容減少，水域邊緣退回10～120m，水位降低區域坡度最大為0.69，最小為0.34。根據場地情況，可整體構建土工布生態修復系統，種植柳、櫟、楊等本土植物。在坡度較小且面積較大區域，避開水流湍急處，通過對水位變化的分析，設置可活動親水平臺[32](圖12)。

圖12 水位降低河道修復策略圖

4.4.2 魚類生境構建

1)魚類“三場”位置及修復策略。

根據《2017監測報告》繪制魚類“三場”棲息地示意圖，魚類“三場”分布位置見圖13。

圖13 規劃范圍內魚類“三場”分布圖

產卵場：水流平緩，水深0.5～1.0m，岸邊多雜草，人為干擾輕，河床底質主要為礫石；索餌場：水流平緩，水面寬闊，水質清澈，岸邊有低矮灌叢及挺水植物，水草茂盛，河床底質主要為礫石；越冬場：水流平緩，水質清澈，水深在1m以上的峽谷、深潭，周圍分布矮灌叢覆蓋，河床底質主要為礫石(圖14)。

圖14 魚類“三場”棲息地示意圖

規劃河段最下游2處相鄰產卵場可合二為一，并通過人流組織減少人類干擾。另一處產卵場，可通過重塑駁岸，增種山體植被的方式進行生態修復；現有索餌場位置合理，可繼續沿用，并通過修復河道底質、增種植被等方式進行生態修復；現有越冬場在原水庫位置，水壩拆除后水深仍能滿足越冬場需求，可以通過岸邊增種矮灌叢的方法改善魚類越冬環境。

通過HEC-RAS水深及流速模擬結果可知，規劃范圍內有新深潭產生，整條河段急流、緩流交錯，可結合現狀，構建深潭、急流棲息地(圖15)。

圖15 魚類新河道內棲息地分布規劃分析圖

在新深潭河流河岸單側交替設置下挑非淹沒式透水短丁壩折流結構，丁壩高于新深潭水位0.15～0.30m，與岸邊夾角45°，共設置2組，每組由5～10個丁壩組成，2組折流結構間距約為5～7倍河寬。折流結構束窄河道，增加流速，積累泥沙，在岸邊形成淺灘，構成深潭-淺灘的健康河流模式。雙岸對側折流結構使水流方向產生小角度偏移，減少河道中心線下切情況[33]。

2)秦嶺細鱗鮭生境構建。

秦嶺細鱗鮭作為湑水河自然保護區的重要保護物種及本研究的重要指示物種，在構建魚類生境時需要對其生境著重考慮。根據秦嶺細鱗鮭生態習性研究可知，坡度、跌水區密度、海拔、粗糙度和遮蔽度等是影響秦嶺細鱗鮭分布貢獻率大于50%的環境因子。對這5個環境因子進行單因素適合度曲線擬合，結果顯示，最適宜坡度為5%～10%，最適宜跌水區(按照落差大于30cm的標準統計個數)密度為12～18個/100m，最適宜海拔分布為1 500～2 000m，最適底質粗糙度為0.3～0.4，最適遮蔽度為0.5及以上[34](圖16)。

圖16 秦嶺細鱗鮭理想生境模型

根據秦嶺細鱗鮭理想生境模型，在前述魚類生境構建策略的基礎上，通過利用石籠或大石塊塑造地形的方法，對河道坡度、跌水區個數及底質粗糙度進行塑造，通過淺灘、駁岸及水面種植達到合適的遮蔽度。

4.4.3 生態游憩規劃

規劃范圍上游緊鄰黃柏塬風景區，隸屬黃柏塬村。多年來，黃柏塬村在省內外的知名度和影響力不斷提升，先后被命名為“全國生態文化村”“陜西省鄉村旅游示范村”“寶雞最美鄉村”等。

結合現狀良好生態旅游基礎，規劃一條以黃柏塬風景區為起點、二郎壩村為終點，全長約12km的河流漂流線。漂流線選擇在湑水河主河道內，在1m/s的水流速度下，漂流全程需3h20min。

在整條漂流道中規劃多處節點供游客?？?。第一個?？奎c設在原水庫大壩處，可到壩上體驗科普及游樂設施。第二個?？奎c設在田壩處，作為整條漂流線的中點，提供能量補給。第三個?？奎c設在高家壩村，作為湑水河支流貓耳溝的匯入口，景觀豐富，可開展湑水河動植物生境自然體驗及教育活動。

漂流選線在空間上避開魚類產卵場等需減輕人類干擾的重要魚類生境，在時間上春季不開放，避開魚類產卵及洄游季節，最大限度降低人類游憩活動對生態的影響。

5 結論與討論

本研究借助水力學軟件HEC-RAS對山地河流進行基礎條件模擬，獲取大壩拆除前后河流水位、流量、流速、泥沙等數據。通過河內結構改造的方式，拆除大壩的同時利用用電峰期及谷期進行引水發電及蓄水，既恢復了河流連通性，又保留了發電功能，兼顧生態與經濟。本研究從多學科維度更全面、科學地探索面向魚類保護的山地河流生態修復設計思路，探索針對河流生態修復的多學科融合途徑。

景觀水文學作為風景園林學與水文學、河流生態學等的交叉研究領域，通過綜合相關科學分析在河道物理結構與生境修復的空間組織及游線組織等方面發揮重要作用。本研究結果尚停留在軟件模擬階段，從模擬到落地仍需多方考慮及實際驗證。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝清華大學水利水電工程系、清華大學建筑設計院有限公司水利所高級工程師方坤對水利數據處理及HEC-RAS模型分析提供的建議。