针对土著鱼类保护的库尾反调节方法与流程

本发明属于环境水利工程技术及生态环境保护技术领域，特别是涉及一种针对梯级水库坝下河段土著鱼繁殖场修复的库尾反调节方法。

背景技术：

水电作为清洁能源，是未来能源开发的重点方向之一，规划中我国2020年的水电装机容量将达4.2亿千瓦。为实现这一目标，中国西南各大河流域密集进行了水电梯级开发。然而，梯级水电开发导致了原有河道土著鱼类生存环境的剧烈变化，能源开发与环境保护产生巨大矛盾。水电大坝阻断了河流，直接改变了原有河流的水位、流态、泥沙含量、水温等水文情势及河床形态，尤其是梯级水电建设，其开发特性是“高效用尽”每一寸水头的势能，在相邻电站间，下一水库库尾静水河段抵达上一级水库坝下，导致原天然河道系统转变为“河-库”系统，极大地改变了河流形态和生源要素通量。原本适应河流形态、具有洄游特性的土著鱼类，生存环境发生极大改变，加之外来喜静水鱼类的竞争，其生存状态日益恶化。

如何在梯级水电开发情景下，保护土著鱼类种质资源，已受到包括水电开发方在内的各方广泛关注。现有土著鱼类保护措施主要包括：网捕过坝、增殖放流和鱼梯鱼道建设，但均不能从根本上解决栖息地环境改变导致的鱼类种群退化、繁殖场消失等问题。因此，着眼于土著鱼类繁殖特性，研究如何恢复具有天然河流属性的鱼类繁殖场、摄食场，规划建立鱼类保护栖息地，推进我国西南生态屏障区环境友好型梯级电站建设和绿色水电能源基地建设，为子孙后代保留珍贵鱼类种质资源，已成为国家、地方和电力集团的重大科技需求和亟需解决的现实难题。另外，现有各类调控技术还有以下缺点：1.不能解决山区河流鱼类物种多样性保护问题；2.现有各类调控技术，特别是兴建鱼梯、鱼道技术，对于坝高超过30m的大坝，效果极差。西南山区河流干流大坝，绝大数都高于100m，200-300m的高坝大库也较为常见；3.调控满足鱼类洄游、产卵和繁殖的水动力条件(急流、险滩和回水流态)，是世界性难题。

技术实现要素：

针对现有水电梯级大坝建设导致土著鱼类生境受到剧烈影响，繁殖生境消失问题，本发明要解决的技术问题是建立一种针对土著鱼类保护的库尾反调节方法，基于此方法能够实现库尾河道水文情势满足土著鱼类繁殖期所需水文条件，繁殖生境重现，从而达到保护土著鱼类种质资源的目的。

本发明所采用的技术方案是，针对土著鱼类保护的库尾反调节方法，按照以下步骤进行：

步骤1，确定梯级水电大坝库尾土著鱼类繁殖栖息地；

步骤2，进行洄游土著鱼类繁殖特性的确定及库尾繁殖栖息地河段生态保育工程；

步骤3，梯级水电库尾反调节，通过野外调查的方式，确定梯级水电工程下游水电站3-5月库尾长度，从而判识出上游梯级电站坝下天然河道最大范围，即反调节河段；为保证电站库尾，即土著鱼类繁殖栖息地河段满足鱼类繁殖产卵所需水文情势，开展库区河床高程测量、梯级水电库容、水位与下泄流量计算；根据计算结果，联合调度上游水电大坝和下游水电大坝的下泄流量，对库尾河段的流态进行反调节以实现库尾天然河道出露和保证其天然流态为目标。

进一步的，所述步骤1中，土著鱼类繁殖栖息地需布置在梯级水电工程河段，两座水电站之间，上游水电大坝坝下，即下游水电大坝库尾位置；3-5月，开展库尾位置野外调查和水文环境数据采集，结合河流形态、地貌和河道流量、水位、流速、泥沙含量、底质的状况，进一步筛选出明显有别于湖库水体特性、具备天然河道特性的河段，作为反调节河段。

进一步的，所述步骤2包括通过野外考察和资料分析，查清拟保护土著鱼类的种类，其生存与繁殖特性，包括种群数量、结构，产卵时间以及繁殖场所需的水温、流速、水体透明度、泥沙含量；根据其繁殖特性，在步骤1确定的土著鱼类繁殖栖息地布置人工鱼类繁殖生态修复措施，包括人工开挖河道浅槽和深潭，建设护滩和植被护坡，布设鱼巢及河汊整治，在此栖息地进行重要土著鱼类的人工增值放流。

进一步的，所述步骤3中，调节过程基于上游水电大坝模拟天然河流流态和下游水电大坝控制库尾天然河道出露实现，上、下游梯级水电大坝下泄流量通过以下方法求出：

(1)上游梯级水电大坝下泄流量计算方法

取繁殖产卵河段，天然状况下枯水年3-5月的逐旬来水过程，作为保证鱼类正常繁衍产卵时河段所需最低来水条件要求；丰水年3-5月的逐旬来水过程，作为保证鱼类正常繁衍产卵时河段所需的最高来水条件要求；

其中，枯水年3-5月逐旬来水过程采用以下方式求的：收集邻近鱼类产卵河段3-5月份的实测逐日流量资料，资料序列长度n须大于30年；统计逐年3-5月的总来水量wi(i＝1,2,…，n)，对3-5月来水总量wi序列通过皮尔逊ⅲ型曲线进行水文频率分析计算；英国生物学家皮尔逊通过众多观测资料分析研究，提出一种概括性的曲线族，包括13种分布曲线，其中第ⅲ型曲线被引入水文计算中，成为当前水文计算中常用的频率曲线；皮尔逊ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰、正偏曲线，数学上称为伽玛分布，其概率密度函数为：

式中：γ(α)为α的伽马函数；α、β、α0分别为皮尔逊ⅲ型分布的形状、尺度和位置参数，α>0，β>0，取来水保证率p＝90％对应的来水量wsdry(p为设计的保证频率，即长期来看，90％年份的来水量大于等于wsdry)；因流域断面来水量与其控制的流域面积和平均降水量成正比，因此根据公式(1)进行鱼类产卵场来水量的推算；

其中：wfdry为鱼类产卵场3-5月份设计枯水年来水量；wsdry为参证水文站3-5月份设计枯水年来水量；af、as分别为鱼类产卵场以上流域面积、参证水文站以上流域面积；pf、ps分别为鱼类产卵场以上流域多年平均降水量、参证水文站以上流域多年平均降水量；

根据实测流量资料，统计出每年3-5月份，逐旬的流量过程；根据来水总量相近，且利于鱼类繁衍产卵的原则，从资料序列中选出3-5月来水量逐旬分配典型过程，根据此典型过程和确定的3-5月份的来水总量wfdry根据公式(2)得到设计保证率p＝90％下的来水过程，作为上游水库生态调节的最低目标过程；

其中，qdryij为上游水库第i月第j旬的生态调节最低目标流量；wfdry为鱼类产卵河段设计保证率p＝90％的来水量；

同理可确定丰水年3-5月逐旬来水过程qwetij；

上游水库第i月第j旬的生态调节流量qeij由公式(3)确定，当上游水库的发电流量qpij大于等于生态调节目标流量qdryij，小于等于qwetij时，不需要增加生态调节流量；当上游水库的发电流量qpij小于生态调节目标流量qdryij，需通过水库生态调节增加生态调节流量；

在3-5月水库的生态调节期，水库下泄的旬均流量不应超过丰水年同期的流量；

其中：qeij为上游水库第i月第j旬的生态调节流量；qpij为上游水库第i月第j旬的发电流量；

(2)下游梯级水电大坝下泄流量计算方法

下游水电大坝，下泄流量根据水位进行调控，即在3-5月的土著鱼类繁殖产卵期，调节下游大坝静水库区水位线不高于库尾反调节河段末端水面高程。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明基于土著鱼类繁殖特性、库区因防洪需要而出露的天然河道等有利条件，利用梯级水电的联合调度能力，结合生态修复和鱼类保育工程技术，提出水库库尾鱼类繁殖栖息地反调节方法。在无需拆坝、无需实施大规模基建工程措施条件下，该方法可满足梯级水电水生生态系统保护和流域可持续发展需要，填补和完善河流鱼类栖息地保护理论和技术体系，并为已建梯级水电工程的生态修复提供简便易行的补救措施和操作思路。已建的水电梯级大坝，因地形、技术和投资条件限制，多数未建设过鱼设施(鱼梯和鱼道等)，即便布置了过鱼设施，也仅仅针对少数鱼种，存在投资大、效果不明显和维护困难等弊端。多数鱼类的繁殖期在每年3-5月，本发明提出的库尾反调节方法，理论基础在于实现土著鱼类繁殖期的原生生境再造，无差别对待库区土著鱼类类群，结合适当的生境保育措施，有助于提高土著鱼类上溯繁殖成功率，实现野生种质资源保护。每年3-5月因防汛需要，水电站需降低水位，因此，实施库尾反调节方法无需付出额外经济和维护成本，相对梯级水电建成后补建过鱼设施，水电集团更易于接受和实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明库尾反调节技术总体布置示意图。

图2为反调节前梯级水库水位示意图。

图3为反调节后梯级水库水位示意图。

图4为本发明实施例示意图。

图中：1-上游水电大坝，2-下游水电大坝，3-反调节河段，4-下游大坝静水库区水位线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种针对土著鱼类保护的库尾反调节方法，包括梯级电站大坝下游河段土著鱼类栖息地确定、土著鱼类繁殖特性确定、鱼类栖息地保育工程和梯级电站反调节。其技术原理为利用每年3-5月，梯级水电电站为迎接汛期而降低库容，库尾湖泊型河道转变为天然径流型河道，时间上与土著鱼类上溯繁殖期吻合；此时，人工调节相邻梯级电站的下泄水量，使库尾河段接近天然水文情势，辅以人工鱼巢、人工洪峰等生态修复措施，创造适宜的鱼类繁殖栖息地场所，从而实现保护土著鱼类种质资源之目的。

梯级电站大坝下游河段土著鱼类栖息地确定，是指通过调查，识别出相邻两座梯级电站大坝之间，上游大坝坝下河段每年3-5月，河道形态(包含急流区、缓流区、深槽区、浅水区)及水文特征(水温无明显分层、河床底质丰富等)具备天然河道特性，与水库静水河段有显著差异的河段。

土著鱼类繁殖特性确定，是指通过查阅技术实施河流历史鱼类资源调查技术文件、报告(包括但不局限于鱼类志和水电开发环境影响报告)和野外实际调查，确定土著鱼类种类及其生活史特性；包括繁殖期、交配繁殖水层、繁殖适宜水体流速和水温、鱼卵附着物材质、鱼卵孵化适宜水温等。

鱼类栖息地保育工程，是指涵盖生态措施、水环境措施、保育工程措施和效果评估措施。生态措施包括鱼类栖息地库区河道两岸生态护坡、护岸及护滩生态修复；水环境措施包括鱼类生境水质保护(确保河道水质满足鱼类生存与繁殖要求)、水污染源控制等；保育工程措施包括人工增殖放流、人工鱼巢布设、人工浅滩工程和繁殖期禁渔措施等；效果评估措施包括土著鱼类资源种类、数量监测，栖息地水环境及生态系统监测等。

梯级电站反调节，是指通过调节相邻两座梯级电站的下泄流量，确保每年3-5月间，坝下河段河道形态呈现天然河流状态。尤其通过联合调度，下游电站反向调节其库尾水位。技术处理过程包括库区河床高程测量、防洪水位计算、库容计算、下泄流量计算等，结合所在河段鱼类洄游繁殖特性和保护要求，针对性的采取下泄水量控制，从而控制库尾河段和水位、流量等水文情势。

如图1至图3所示，确定梯级电站大坝库尾土著鱼类繁殖栖息地河段，根据土著鱼类繁殖特性，在确定的库尾繁殖栖息地河段布置生态保育工程，利用梯级水电的水资源联合调度能力调节大坝库尾流量、水位等水文情势，从而在鱼类繁殖期恢复天然河道系统，促进鱼类种群繁殖，达到保护土著鱼类种质资源目的，具体实施步骤为：

步骤1，确定梯级水电大坝库尾洄游鱼类繁殖栖息地，包括：土著鱼类繁殖栖息地需布置在梯级水电工程河段，两座水电站之间，上游水电大坝1坝下，即下游水电大坝2库尾位置；3-5月，开展库尾位置野外调查和水文环境数据采集，结合河流形态、地貌和河道流量、水位、流速、泥沙含量、底质等状况，进一步筛选出明显有别于湖库水体特性、具备天然河道特性的河段，作为反调节河段3。

步骤2，洄游土著鱼类确定及库尾繁殖栖息地河段生态保育工程，包括：通过野外考察和历史资料分析，查清拟保护土著鱼类的种类，其生存与繁殖特性，包括种群数量、结构，产卵时间以及繁殖场所需的水温、流速、水体透明度、泥沙含量等环境需求；根据其繁殖特性，在上一步确定的土著鱼类繁殖栖息地布置人工鱼类繁殖生态修复措施，包括人工开挖河道浅槽和深潭，建设护滩和植被护坡，布设鱼巢及河汊整治等；作为优选，可在此栖息地进行重要土著鱼类的人工增值放流。

步骤3，梯级水电库尾反调节，包括：通过野外调查的方式，确定梯级水电工程下游水电站3-5月库尾长度，从而判识出上游梯级电站坝下天然河道最大范围，即反调节河段3；为保证电站库尾，即土著鱼类繁殖栖息地河段满足鱼类繁殖产卵所需水文情势，开展梯级水电库容、水位与下泄流量计算；根据计算结果，联合调度上游水电大坝1和下游水电大坝2的下泄流量，尤其是下游水电大坝2的下泄流量，对库尾河段的流态等水文情势进行反调节。

梯级水电调控时，需收集库区来水、水库特性、发电负荷及常规调度等资料，反调节以实现库尾天然河道出露和保证其天然流态为目标，具体地，调节过程基于上游水电大坝模拟天然河流流态和下游水电大坝控制库尾天然河道出露实现，梯级上、下游水电大坝下泄流量调节通过以下方法求出：

(1)上游水电大坝下泄流量计算方法

3-5月逐渐增大的流量及流速是刺激鱼类进行繁衍的重要外部条件。调节上游水库下泄流量，目的在于使鱼类繁殖产卵河段的水深及流速达到刺激鱼类繁衍产卵的外部流场条件。

取繁殖产卵河段，天然状况下枯水年(p＝90％)3-5月的逐旬来水过程，作为保证鱼类正常繁衍产卵时河段所需最低来水条件要求；即为上游水库生态调节的最低目标值。丰水年(p＝10％)3-5月的逐旬来水过程，作为保证鱼类正常繁衍产卵时河段所需的最高来水条件要求；即为上游水库生态调节的最高目标值。

现以枯水年(p＝90％)鱼类产卵期(3-5月)逐旬流量为例，将其计算方法阐述如下：

收集邻近鱼类产卵河段(上游、下游或邻近流域)3-5月份的实测逐日流量资料，资料序列长度(n)须大于30年；并对资料的可靠性、代表性及一致性进行分析。统计逐年3-5月的总来水量wi(i＝1,2,…，n)，对3-5月来水总量wi序列通过皮尔逊ⅲ型曲线进行水文频率分析计算，取p＝90％作为枯水年，并确定枯水年的3-5月份的来水总量wsdry。根据公式(1)进行鱼类产卵场来水量的推算。

其中：

wfdry为鱼类产卵场3-5月份设计枯水年来水量；

wsdry为参证水文站3-5月份设计枯水年来水量；

af、as分别为鱼类产卵场以上流域面积(km²)、参证水文站以上流域面积(km²)；

pf、ps分别为鱼类产卵场以上流域多年平均降水量(mm)、参证水文站以上流域多年平均降水量(mm)。

统计出逐年3-5月份，逐旬的流量过程；并根据来水总量相近，利于鱼类繁衍产卵的原则，从资料序列中选出3-5月来水量逐旬分配典型过程(q31，q32，q33，q41，q42，q43，q51，q52，q53)。根据此典型过程和确定的3-5月份的来水总量wfdry；根据公式(2)得到设计保证率(p＝90％)下的来水过程(qdry31，qdry32，qdry33，qdry41，qdry42，qdry43，qdry51，qdry52，qdry53)，作为上游水库生态调节的最低目标过程。

其中

qdryij为上游水库第i月第j旬的生态调节最低目标流量；

wfdry为鱼类产卵河段设计保证率p＝90％的来水量；

同理，可确定丰水年(p＝10％)3-5月逐旬来水过程qwetij。

上游水库第i月第j旬的生态调节流量qeij由公式(3)确定。当上游水库的发电流量qpij大于等于生态调节目标流量qdryij，小于等于qwetij时，不需要增加生态调节流量；当上游水库的发电流量qpij小于生态调节目标流量qdryij，需通过水库生态调节增加生态调节流量。

在3-5月水库的生态调节期，水库下泄的旬均流量不应超过丰水年同期的流量。

其中：

qeij为上游水库第i月第j旬的生态调节流量(m³/s)；

qpij为上游水库第i月第j旬的发电流量(m³/s)；

其它符号意义同前。

(2)下游水电大坝下泄流量技术方法

下游水电大坝，下泄流量根据水位进行调控。即在3-5月的土著鱼类繁殖产卵期，调节下游大坝静水库区水位线4不高于库尾反调节河段末端水面高程。

实施例

1.工程概况

如图4所示，澜沧江流域作为我国十三大水电能源基地之一，水能资源丰富，其干流规划开发15个梯级电站，总装机容量超过2600万千瓦。在率先开发的中下游电站中，小湾水电站是其“龙头水库”，电站位于云南省大理州南涧县与临沧市凤庆县交界的澜沧江中游河段，上游为功果桥水电站，下游为漫湾水电站。电站总库容约150亿立方米，调节库容近100亿立方米，具多年调节能力，电站装机容量420万千瓦，电站坝顶高程1245米，最低建基面高程953米，最大坝高292米，坝顶长992.74米，拱冠梁底宽69.49米，拱冠梁顶宽13米。坝身设5个开敞式表孔溢洪道、6个泄水中孔和2个放空底孔。枢纽总泄量在设计洪水位时为17680立方米/秒，校核洪水位时为20680立方米/秒(其中：坝身表孔泄8625立方米/秒，中孔泄6730立方米/秒，左岸泄洪洞泄5325立方米/秒)，干流回水长198千米，2010年8月投产。

小湾水电站采用梯级水电方式开发，电站运行造成其库尾回水直抵上游功果桥水电站坝下。为保护澜沧江珍贵的土著鱼类种质资源，维护河流生态健康，澜沧江水电股份有限公司与云南大学联合开展了小湾电站库尾洄游鱼类保护反调节研究。

2.库尾反调节技术措施

①根据实地野外调查和查阅《小湾水电站环境影响评价书》、《云南鱼类志》等资料基础上，确定了小湾库区需要开展保护的土著鱼类主要包括光唇裂腹鱼、灰裂腹鱼和后背鲈鲤等急流适生性鱼类。土著鱼类繁殖期集中在3-5月间，繁殖所需水体必要条件为流动性水体、最适水温14-18℃、溶解氧含量不低于8.0mg/l。②通过对此时期小湾水电站库尾河段调查，确定了多个历史土著鱼类繁殖产卵场位置，判识出功果桥水电站坝下至小湾水电站库尾36千米河段,在3-5月间，其河流形态、地貌和河道流量、水位、泥沙、流速、底质等状况具备天然河道特性，符合土著鱼类繁殖栖息地建立条件。③根据对小湾、功果桥梯级水电站库容、水位与下泄流量计算，在满足防洪和发电等约束条件前提下，对小湾水电站的下泄流量进行了调节，增加了下泄流量，保证其库尾反调节的36千米河段在3-5月保持天然河道形态；同时控制上游功果桥水电站下泄流量，并在反调节河段的坡脚村整治河道，营造适宜鱼类产卵场；在汤涧乡实施了人工繁殖土著鱼子一代增殖放流措施。

基于山区土著鱼类保护和枯水期河槽型水库库尾河道生态恢复时机，利用梯级水库联合调度能力，在土著鱼类繁殖产卵期，人工调控相邻两个上下游大坝的泄水过程，辅以生态修复工程，使库尾消落带河道生态系统尽可能恢复天然形态(急流、险滩、回水等天然流态再现)，恢复适合土著鱼类繁殖特性的生境，从而保护天然鱼类种质资源的水电站生态调控技术。

根据梯级水库的联合调度能力、电站大坝坝下河段的地形地貌、水动力、水文情势、土著洄游性鱼类繁殖特性所需环境条件，在不拆坝、基本不影响电站发电效益的条件下，利用高坝大库枯水期加大调节发电和汛前防空防洪库容的有利条件，通过河段上下游水电站的优化生态调度，满足鱼类繁殖的生境需求，针对性地提出库尾反调节技术，从而保护土著鱼类种质资源，达到经济效益、环境效益和社会效益兼顾和协调发展。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。