兼顾鱼类保护与发电需求的秦岭湑水河观音峡电站段生态修复设计

侯姝君 刘海龙

据世界自然基金会(World Wildlife Fund,WWF)《地球生命力报告》(2020年)统计[1]，1970—2016年，全球物种数量平均以68%的速度下降，淡水物种数量却平均以84%的速度下降，远高于陆地和海洋生态系统，其中淡水鱼类是20世纪全球灭绝速度最快的脊椎动物物种[2]。联合国环境署在2019年《全球环境的新型问题》报告[3]中指出导致全球淡水生物多样性下降的主要原因是淡水栖息地的急剧丧失，其中人类筑坝导致的“水库效应”使河流生态系统破碎化，直接导致珍稀鱼类物种数量下降乃至灭绝。据统计[4]，全球几乎一半(48%)的河流流量已经被控制，所有正在计划或建设水坝的建成意味着全球所有河流93%的自然水文流量将丧失。河流上的水坝阻止鱼类和其他水生物种的运动，淹没河流栖息地，影响水质，并改变了维持河流活力所必需的自然流淌状态。水坝的老化，也可能为公共安全带来隐患。在此背景下自然流淌河流(Free-Flowing Rivers，FFRs)已成为愈加稀缺的自然资源。2019年国际淡水生态系统专家组提出全球淡水生物多样性的6项“紧急恢复计划”[5]，其中允许河流自然流淌和保护并恢复河流连通性2项关键措施，都对淡水生物多样性有重要支撑性作用。河流生态修复是通过调整生态环境要素，修复受损河流的结构、功能或生态系统的过程，并以近自然化、可持续为导向，提升河流系统的生态价值和生物多样性，以使生态修复后的河流更加趋近健康和稳定的状态[6]。

秦巴山脉位于中国地理中央。独特的地理环境与气候特征使之成为各类珍稀动植物分布相对集中的区域，是全球生物基因宝库，对于我国乃至全球生物多样性保护都具有巨大价值。国家公园与自然保护地体系的完善，有利于解决动植物栖息地环境恶化的现实问题，为生物保护提供有力支持[7-8]。近年从生态保护的角度，秦岭开展了小水电拆除工作：2021年，陕西省秦岭办《关于对秦岭区域小水电整治意见进行公示的函》(陕秦岭办函〔2021〕75号)中涉及整治的省内秦岭区域小水电站多达447个，在陕西省需拆除水电站中占比达90%。

目前，世界许多国家都在探讨通过拆除水坝来恢复河流生态系统[9-10]。美国河流协会(American Rivers)认为拆除大坝是使河流恢复生机最有效的方法。1912—2022年，美国共拆除水坝2013座[11-12]。国内近年来出台了系列强制性政策、规范和标准，通过河流生境修复(建立自然保护区、限制捕捞、仿自然生境、拆除大坝等)、生态流量泄流、过鱼设施建设、绿色水电评价机制、生态补偿政策等方法保护建坝河流生态环境。但目前相关研究仍未成熟，定量研究与具可操作性的技术规范较少[13]。

本研究借助HEC-RAS(River Analysis System)软件，进行湑水河观音峡水电站拆除前后水文水动力特征量化分析，并综合运用水文学、河流生态学、生态水工学、风景园林学等领域的思路与方法，从洄游性珍稀濒危鱼类保护、社会经济发展及人居环境构建等方面，对脱水河段及退水后的观音峡水库进行生态修复及景观规划设计。同时本研究也在探讨景观水文学这一交叉研究领域的理论与方法途径。

1 场地概况

湑水河位于陕西省宝鸡市太白县南部，河长167.5km，流域面积2 307km2，多年平均流量40m3/s，自然落差1 636m。作为长江最大支流——汉江的中上游重要支流之一，从秦岭石质山区流出，区间以原始森林为主，年降雨量充沛。陕西太白湑水河珍稀水生生物国家级自然保护区(以下简称“湑水河保护区”)地处湑水河及其支流，总面积5 343hm2，属水生野生动物类型自然保护区，保护对象是以国家I级保护动物川陕哲罗鲑、国家II级保护动物秦岭细鳞鲑、大鲵等为代表的珍稀水生生物[14]。

1.1 近年来湑水河保护区内珍稀鱼类种群变化及原因

秦岭细鳞鲑生活在山区溪流冷水中，春天河水解冻时，开始集体向上游和支流等出生地洄游，寻找良好产卵场；在冬季来临时，返回大江深潭处过冬。秦岭细鳞鲑产卵时间为2—3月，一般选择支流深潭下段急流处作为产卵场。在湑水河保护区内，秦岭细鳞鲑分布范围呈现出明显的减小趋势，且低龄化严重，体型有所下降[16-20]。川陕哲罗鲑在2017年文献中没有记载，可能因其数量极为稀少而未能被监测到，不排除已灭绝的可能性。究其原因，较多文献指出与近年来保护区内外村落、旅游设施建设，以及游客量增多、水电站拦水有密切关系[14，21]。

本文以秦岭细鳞鲑(图1)作为主要指示物种，聚焦于水电站拦水导致河流连通度降低这一重要原因进行研究。

图1 秦岭细鳞鲑[15]

1.2 湑水河保护区内闸坝分布及河流连通性影响分析

在湑水河保护区内，从干流上游到下游共有3座闸坝：观音峡水电站、二郎坝水电站与金龙水电站。通过对比3座闸坝对秦岭细鳞鲑“三场”及支流数量的影响(表1)，发现观音峡水电站对秦岭细鳞鲑影响最大。因此，恢复观音峡水电站段河流连通性是解决以秦岭细鳞鲑为主的珍稀鱼类生存问题的重要突破口。

表1 湑水河保护区内闸坝对秦岭细鳞鲑的影响情况

观音峡水电站大坝(图2)为砼拱坝，坝高49m，于2009年7月建成，同年8月底开始蓄水。目前大坝拦蓄水库控制流域面积431km2，总库容703万m3。观音峡水电站是1座径流引水式电站，设计引水流量14.88m3/s，设计装机容量2.6万kW，多年平均发电量9 451万kW/h，年利用小时数为3 625h[22-23]。

图2 观音峡水电站卫星图及现状照片(2-1引自Google地图；2-2、2-3由作者摄)

1.3 研究范围

研究范围为汉江支流湑水河上游观音峡水电站段，河段总长近18km，覆盖河流、道路、农田及少量硬质场地及构筑物(图3)。

图3 研究范围

2 观音峡水电站段河流连通性恢复方法探讨

2.1 基本思路

拆除观音峡水电站大坝可以恢复河流连通性，但目前观音峡水电站仍具备发电功能，且为当地带来经济效益。需要寻找一种既满足生态需求又兼顾经济的解决方法。观音峡水电站大坝通过拦蓄水引入引水口发电，若将此功能转移，便可拆除。

在引水口上游设置“流量控制器”，使河流生态流量顺利通过；在引水口处设置“1天发电量排蓄水装置”，使生态流量外的所有流量(以下简称“剩余流量”)流入。根据河流流量调控，夜间蓄水，日间发电，原理如图4。

图4 河内结构原理平面示意图

其中，生态流量及平均流速决定了图4中A处横截面的面积S值；剩余流量与水电站设计引水流量的关系决定了“1天发电量排蓄水装置”的库容V。即：

S=生态流量/平均流速

V=(月平均流量-生态流量)×(24h-可发电时长)×3 600s/h

目前，已知水电站设计引水流量为14.88m3/s，另需水库大坝处的河流流量、生态流量及平均流速等数据。

2.2 数据收集、整理及计算

选择位于陕西省洋县的汉江支流酉水河酉水街水文站为参照站，运用水文比拟法计算湑水河水电站水库大坝处径流量。根据水文站1959—1998年径流实测资料，并计算2座水电站水库的面积比例，整理得到观音峡水电站水库大坝处的径流量数据[24](表2)。

表2 观音峡水电站水库大坝处径流量多年平均年内分配表[24]

在计算河道生态流量时，以保证区域内秦岭细鳞鲑的繁衍生息为重点。鱼类适宜水深下限约为其体长的3倍，观音峡水电站附近秦岭细鳞鲑体长约9.6～30.3cm，取最大值30.3cm计算得到出水深至少为91m。据相关研究，大多数鱼类产卵适宜流速在0.3～1.5m/s，根据河道断面参数，通过曼宁公式的计算和修正可得出生态流量为1.48m3/s，约占多年平均流量的23%[24-26]，大于以其他参数为参照所计算出的生态流量，具有可行性。

平均流速参考《2017监测报告》中所述各监测点流速(表3)，对比各监测点及研究范围内的河道坡度，可估算出平均流速为0.5m/s。

表3 3种方案指标对比

2.3 可行性探讨

将上节数据代入公式计算，得出S值为15m2，V值为29.47万m3，即经过“流量控制器”分流后下泄水流的横截面面积为15m2，“1天发电量排蓄水装置”的库容为29.47万m3。

若拆除水库大坝后仅依靠自然流量发电，河流流量需要达到生态流量与水电站设计流量之和，即16.36m3/s，而河流流量最高月流量仅为15.90m3/s，故无法实现。若拆除水库大坝后在发电站引水口的河流处设置“流量控制器”及“1天发电量蓄排水装置”，在不考虑误差的情况下，每年可以发电2 484h(103.5天)。此发电可利用小时数是水库大坝拆除前的68.54%。

按照陕西电网上网电价0.33元/度来计算，水库大坝拆除前年均发电量为9 451万kW/h，共计年产值约为3 118.83万元人民币；水库大坝拆除后年均发电量为6 478万kW/h，共计年产值约为2 137.74万元人民币，相比减少981.09万元人民币。

观音峡水电站水库大坝拆除及河道改造方案可恢复河流连通性，是保护湑水河自然保护区内以秦岭细鳞鲑等珍稀水生动物为主的野生动物栖息地的重要举措，且在一定程度上保证了水电站的发电量，具有可行性。

2.4 其他方案对比

除了上述河内结构方案外，还可以通过鱼道建设、鱼类转移等方法对秦岭细鳞鲑等进行保护。

河内结构方案可以恢复河流自然流淌，但水库蓄水受到影响，水电站的发电功能受一定影响；鱼道方案可以保证水电站的发电功能，但槽式鱼道过长(发电厂房和大坝相距13km)，鱼类通过率变低，且因鱼道需与近50m的水库大坝顶端相接，故鱼道会有相当长一段架高于河道之上，对景观造成影响；鱼类转移方案可保留水库大坝，且水电站发电功能不受影响，同时可与现有黄柏塬保护站的增殖放流等鱼类保护措施相结合，但河流断流仍然存在，鱼类生境及洄游通道仍不完善。

分别从鱼类保护、水电站发电能力、景观美感度、生态效益4个方面进行评价，按照“优”1分、“良”0.5分、“差”0分进行打分。由表3可知，河内结构方案分数最高，相对最具优势。

3 观音峡水电站水库大坝拆除计划

冬季湑水河流量小，便于开展水库大坝拆除及后续生态修复工作，选择11月—次年3月施工。在施工前，通过水电站引水口排空蓄水，以最大化利用蓄水并减少河道泥沙运动。施工时，对坝体需拆除部分按照从上到下、从中间到两边的顺序拆除，对保留部分加固。施工所产生的建筑垃圾分类后回收或在地利用。

4 HEC-RAS水文模拟与河流生态修复方法

美国工程兵团河流分析系统(HEC-RAS)软件由恒定流计算分析、非恒定流计算分析、泥沙移动及水质模拟4个模块构成，可制作一维及二维水力模型，本文通过二维水力模型进行非恒定流计算分析。非恒定流计算分析采用UNET模型，基本方程包括连续方程和动量方程，运用四点隐式有限差分法求解[27]。建立二维水力模型需要高质量的地形数据、曼宁参数、水文数据及一些水利工程的维度参数。将以上数据输入HEC-RAS中，即可计算出河流形态、水深、流速等相关数据。

4.1 HEC-RAS模拟在场地的应用逻辑

4.1.1 确定“1天发电量蓄排水装置”位置

通过HEC-RAS模拟，明晰水库大坝拆除后河流达到稳态时，引水口附近河流水深、流速等基础条件，将“1天发电量排蓄水装置”布置在合适位置。

4.1.2 提供规划基础条件

利用HEC-RAS对大坝拆除前后河流水文变化进行动态模拟，为河流的生态修复规划设计提供思路及要求。

4.2 HEC-RAS模拟过程及结果分析

4.2.1 基础数据准备

选择规划范围河段模拟，通过地理信息系统获得5m精度dem模型，加载HEC-RAS模型，获得二维地形，流量数据参考表2。

4.2.2 模拟1：确定“1天发电量蓄排水装置”位置

1)范围选定及网格设置。

选择水库及大坝上下游区域为模拟1的模拟计算范围，在HEC-RAS中的2D flow area模块中设置5m×5m的计算网格。

2)流量设置。

按照表2中12月平均流量1.81m3/s进行计算。

3)模拟结果及分析

由软件模拟得出模拟1范围内的河流水深、流速数据。

由图5左可知，大坝拆除后，在靠近引水口处形成深达20m的较大面积深潭(红线框)。根据图5右可知，河道越窄流速越大，河道凹岸侧流速越大。将最大流速连接起来，找出范围内河道的最大流速线(黄色虚线)。

图5 模拟1河流稳态后最大水深(左)；模拟1河流稳态后最大流速(右)

结合上述分析，确定“1天发电量排蓄水装置”位置(图6左蓝色框)，表面积约为8.8万m2，库容约为29.27万m3。沿“1天发电量排蓄水装置”纵向中心线剖切(图6左白色实线)，地形状态如图6右中黑色曲线，将原地形改造成红色曲线所示新地形，水深最深处约为9m。

图6 “1天发电量排蓄水装置”位置(左)；池底地形塑造方法及水深(右)

4.2.3 模拟2：水库大坝下游规划基础条件

1)范围选定及网格设置。

选择水库大坝上游“流量控制器”位置到下游二郎坝区域为模拟2的模拟计算范围。在HEC-RAS中的2D flow area模块中设置5m×5m计算网格。

2)流量设置。

据表4可知，7—9月流量可充分满足发电且有富余。故此，3个月在用电低谷期(23：00—次日7：00)按当月流量进行模拟。其他时间均按照生态流量1.48m3/s来模拟计算。

表4 “1天发电量排蓄水装置”24小时内可蓄发电时长及流量对照表

3)模拟结果及分析。

由软件模拟得出模拟2范围内的河流水深、流速数据。

由图7可知，河流恢复自然流淌后，深潭浅滩交错，有新深潭产生，最深处可达30m。深潭处流速相对较低，浅滩处流速较高，流速高低交替，深潭个别区域流速相对过缓。

图7 模拟2最大水深(左)；模拟2最大流速(右)

4.2.4 模拟结果分析

根据以上模拟结果，“1天发电量排序水装置”库容约为29.27万m3，与2.3节所探讨的库容值相近。河流连通性恢复，大坝下游河段深潭浅滩交错，具备良好的鱼类栖息地营建潜力。深潭个别区域流速相对过缓，应制定针对鱼类栖息环境营建的河流生态修复策略。

4.3 “1天发电量排蓄水装置”及周边区域规划设计

根据HEC-RAS模拟结果，对“1天发电量排蓄水装置”及周边区域进行规划设计(图8)。在大坝上游通过地形塑造及地下水流通道布置设置“1天发电量排蓄水装置”；大坝部分拆除以保证河流通过，并将剩余部分改造成集科普、娱乐、旅游、休闲于一体的标志性景点；大坝下游河流恢复自然流淌，通过河岸塑造及河内结构设计营造鱼类适宜的索饵场。

图8 “1天发电量排蓄水装置”及其周边区域平面图

4.4 HEC-RAS模拟结果对河流生态修复方法的指导

从河道空间、珍稀鱼类生境、生态游憩3个层面进行河流生态修复综合设计。

4.4.1 河道空间营建

水库大坝拆除后，水库区域水位整体降低，下游河道水位升高，个别区域河道改道。根据对比现状河道及HEC-RAS模拟结果得出水库大坝拆除后河流水位变化分布图(图9)。

图9 水库大坝拆除后河流水位变化分布图

1)水位升高河道修复策略。

水库大坝拆除后，下游河道水位升高，对驳岸、山体、构筑物造成影响，故分类讨论生态修复方法。

针对驳岸及山体植被被淹没区域，在大坝拆除前，首先将新水位线以下树木进行分类移植及再利用，对于具有保护价值及泄水后仍适宜生长的树木进行保留及保护；然后塑造驳岸及河道地形，在适当位置用石笼做骨架，并用本土砂砾做表面覆层[28-29](图10)。

图10 驳岸及山体植被被淹没区域修复策略

针对道路、房屋被淹没区域，在水库大坝拆除前，将新水位线下道路进行架高或改道；对可能被淹没的房屋采取搬迁，或建设挡墙、土坡等固定防洪设施(图11)。

图11 道路(11-1)、房屋(11-2)被淹没区域修复策略

针对其他非特殊水位升高河段，若驳岸坡度较陡，可在大坝拆除并恢复河流自然流淌后，分层种植浮游植物及挺水植物，或不做处理；若驳岸坡度平缓且面积宽阔，可设置滨水可淹没漫滩，种植适宜树种，便于鱼类产卵栖息；在人类可达区域，可以设置生态亲水平台或踏步[30-31]。

2)水位降低河道修复策略。

水位降低区域主要集中在原水库位置，水位下降10～50m，整个水库流域面积及库容减少，水域边缘退回10～120m，水位降低区域坡度最大为0.69，最小为0.34。根据场地情况，可整体构建土工布生态修复系统，种植柳、栎、杨等本土植物。在坡度较小且面积较大区域，避开水流湍急处，通过对水位变化的分析，设置可活动亲水平台[32](图12)。

图12 水位降低河道修复策略图

4.4.2 鱼类生境构建

1)鱼类“三场”位置及修复策略。

根据《2017监测报告》绘制鱼类“三场”栖息地示意图，鱼类“三场”分布位置见图13。

图13 规划范围内鱼类“三场”分布图

产卵场：水流平缓，水深0.5～1.0m，岸边多杂草，人为干扰轻，河床底质主要为砾石；索饵场：水流平缓，水面宽阔，水质清澈，岸边有低矮灌丛及挺水植物，水草茂盛，河床底质主要为砾石；越冬场：水流平缓，水质清澈，水深在1m以上的峡谷、深潭，周围分布矮灌丛覆盖，河床底质主要为砾石(图14)。

图14 鱼类“三场”栖息地示意图

规划河段最下游2处相邻产卵场可合二为一，并通过人流组织减少人类干扰。另一处产卵场，可通过重塑驳岸，增种山体植被的方式进行生态修复；现有索饵场位置合理，可继续沿用，并通过修复河道底质、增种植被等方式进行生态修复；现有越冬场在原水库位置，水坝拆除后水深仍能满足越冬场需求，可以通过岸边增种矮灌丛的方法改善鱼类越冬环境。

通过HEC-RAS水深及流速模拟结果可知，规划范围内有新深潭产生，整条河段急流、缓流交错，可结合现状，构建深潭、急流栖息地(图15)。

图15 鱼类新河道内栖息地分布规划分析图

在新深潭河流河岸单侧交替设置下挑非淹没式透水短丁坝折流结构，丁坝高于新深潭水位0.15～0.30m，与岸边夹角45°，共设置2组，每组由5～10个丁坝组成，2组折流结构间距约为5～7倍河宽。折流结构束窄河道，增加流速，积累泥沙，在岸边形成浅滩，构成深潭-浅滩的健康河流模式。双岸对侧折流结构使水流方向产生小角度偏移，减少河道中心线下切情况[33]。

2)秦岭细鳞鲑生境构建。

秦岭细鳞鲑作为湑水河自然保护区的重要保护物种及本研究的重要指示物种，在构建鱼类生境时需要对其生境着重考虑。根据秦岭细鳞鲑生态习性研究可知，坡度、跌水区密度、海拔、粗糙度和遮蔽度等是影响秦岭细鳞鲑分布贡献率大于50%的环境因子。对这5个环境因子进行单因素适合度曲线拟合，结果显示，最适宜坡度为5%～10%，最适宜跌水区(按照落差大于30cm的标准统计个数)密度为12～18个/100m，最适宜海拔分布为1 500～2 000m，最适底质粗糙度为0.3～0.4，最适遮蔽度为0.5及以上[34](图16)。

图16 秦岭细鳞鲑理想生境模型

根据秦岭细鳞鲑理想生境模型，在前述鱼类生境构建策略的基础上，通过利用石笼或大石块塑造地形的方法，对河道坡度、跌水区个数及底质粗糙度进行塑造，通过浅滩、驳岸及水面种植达到合适的遮蔽度。

4.4.3 生态游憩规划

规划范围上游紧邻黄柏塬风景区，隶属黄柏塬村。多年来，黄柏塬村在省内外的知名度和影响力不断提升，先后被命名为“全国生态文化村”“陕西省乡村旅游示范村”“宝鸡最美乡村”等。

结合现状良好生态旅游基础，规划一条以黄柏塬风景区为起点、二郎坝村为终点，全长约12km的河流漂流线。漂流线选择在湑水河主河道内，在1m/s的水流速度下，漂流全程需3h20min。

在整条漂流道中规划多处节点供游客停靠。第一个停靠点设在原水库大坝处，可到坝上体验科普及游乐设施。第二个停靠点设在田坝处，作为整条漂流线的中点，提供能量补给。第三个停靠点设在高家坝村，作为湑水河支流猫耳沟的汇入口，景观丰富，可开展湑水河动植物生境自然体验及教育活动。

漂流选线在空间上避开鱼类产卵场等需减轻人类干扰的重要鱼类生境，在时间上春季不开放，避开鱼类产卵及洄游季节，最大限度降低人类游憩活动对生态的影响。

5 结论与讨论

本研究借助水力学软件HEC-RAS对山地河流进行基础条件模拟，获取大坝拆除前后河流水位、流量、流速、泥沙等数据。通过河内结构改造的方式，拆除大坝的同时利用用电峰期及谷期进行引水发电及蓄水，既恢复了河流连通性，又保留了发电功能，兼顾生态与经济。本研究从多学科维度更全面、科学地探索面向鱼类保护的山地河流生态修复设计思路，探索针对河流生态修复的多学科融合途径。

景观水文学作为风景园林学与水文学、河流生态学等的交叉研究领域，通过综合相关科学分析在河道物理结构与生境修复的空间组织及游线组织等方面发挥重要作用。本研究结果尚停留在软件模拟阶段，从模拟到落地仍需多方考虑及实际验证。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：感谢清华大学水利水电工程系、清华大学建筑设计院有限公司水利所高级工程师方坤对水利数据处理及HEC-RAS模型分析提供的建议。