摘 要
吉林省东部山区水电资源丰富，修建了众多的小型水电站。其中引水式水电站占 50％左右，形成大范围的脱水段。脱水段改变了河道的水文连通性，影响了能量的传递和动植物生存状态，严重的将导致部分水生植物及鱼类消失，破坏了原有的生态系统。开展长白山区小型水电站脱水段修复技术研究，对于长白山区生态环境的保护，具有重要理论意义和实用价值。
本文依托吉林省科技厅发展计划项目“长白山区小型水电站脱水段生态修复技术研究”（20190303088SF）。利用 GIS 软件完成了吉林省小型水电站分布状况，分析了小型水电站的聚集区域，分析了地形、水量以及上下游小型水电站对同一区域的脱水影响。依据河流生态修复的理论及方法，分析不同水文和地貌条件下小型水电站脱水段的修复技术，针对长白山区典型引水式水电站区域内地貌和环境特点，提出小型水电站脱水段修复的影响因素。
元宝水电站位于长白山区鸭绿江流域五道沟河上，本文以河道平面形态为主要的修复影响因素，应用河道生态修复技术，搭配生态流量泄放，从元宝水电站水库水量调度出发，制定滚水坝拦蓄，生态丁坝两种修复方案，经分析比较之后采用滚水坝拦蓄修复方案，该方案在元宝水电站脱水段修复工程中得以应用，使脱水段生态环境得以改善。
关键词： 小型水电站；脱水段；长白山区；元宝水电站；生态修复。
Abstract
Jilin Province is rich in hydropower resources in the mountainous areas in the east, and many small hydropower stations have been built. Among them, the diversion type hydropower station accounts for about 50%, forming a large-scale of the river dry up section. The river dry up section changes the hydrological connectivity of the river,affects the transfer of energy and the living conditions of animals and plants, and will seriously cause some aquatic plants and fish to disappear, destroying the original ecosystem. Carrying out research on the restoration technology of the river dry up section of the small hydropower station in the Changbai Mountains has important theoretical significance and practical value for the protection of the ecological environment in the Changbai Mountains.
Based on the Jilin Province Science and Technology Department's development plan project "Research on Ecological Restoration Technology for the Dehydration Section of Changbai Mountain Small Hydropower Station" (20190303088SF), thedistribution status of small hydropower stations in Jilin Province is completed using GIS software. The area of small hydropower stations is analyzed, and the terrain and water volume are analyzed. And the impact of the river dry up section of small hydropower stations upstream and downstream on the same area. Based on the theory and method of river ecological restoration, the technologies for river dry up section of small hydropower stations under different hydrological and geomorphic conditions are analyzed. In view of the geomorphological and environmental characteristics of typical diversion hydropower stations in the Changbai Mountains, the influencing factors of the river dry up section of small hydropower stations are proposed.
Yuanbao Hydropower Station is located on the Wudaogou River in the Yalujiang River Basin of Changbai Mountain. This paper takes the river plane shape as the main influencing factor for restoration, applies river ecological restoration technology, and matches with the discharge of ecological flows. Starting from the reservoir water dispatch of the Yuanbao Hydropower Station, a rolling dam storage and ecological Two kinds of restoration schemes for spur dams were analyzed and compared, and a rolling dam storage and restoration scheme was adopted. This scheme was applied to the river dry up section restoration project of the Yuanbao Hydropower Station to improve the ecological environment of the river dry up section.
Keywords: Small hydropower station; the river dry up section; Changbai Mountain area; Yuanbao Hydropower Station; ecological restoration。
第1章 绪论
1.1 研究背景。
水是万物赖以生存的根本，是所有生物的主要组成部分，是人类文明和发展的起源，为人类生存和发展提供众多功能，如发电、航运、灌溉、泥砂输送、航运、观光等。地球上 97％的水都是海水，2％的水存在于冰川当中，仅有 1％的淡水资源可供人类使用[1]。淡水资源对于维持人类生存至关重要，河流，湖泊和湿地的改变已经带动了几个世纪的经济发展[2]。面对人为的改造，淡水生态系统从某些程度上面对扰动效应的抵抗力以及自我恢复能力已经严重下降[3]。随着经济的发展需要，我国水资源大量被开发，一座座大坝被建起，使我国成为世界上筑坝最多国家之一，修建的水利设施影响局部水文过程。小型水电站脱水断破坏河流生态是国内外普遍存在的问题，国外针对小型水电站采用坝体拆除的方法，但是坝体拆除会影响沉积物（重金属，有机物等）的沉积，导致沉积在坝体前积累的沉积物释放，造成水体的二次污染，并且坝体的拆除会影响各种重要的水力参数（流速，流量等），影响栖息地条件[4]。
吉林省小型水电站 260 余座，其中引水式水电站 140 余座，占小型水电站总数的 54％，坝后式水电站 80 余座，占小型水电站总数的 31％，混合式水电站和河床式水电站 30 余座，占小型水电站总数的 14％，合计产生 100 千米以上脱水断。其中半数电站为 2000 年之前修建，那时生态意识较差，多数电站未考虑生态基流的泄放，并且 140 余座水电站为民营，不可拆除；增加生态流量会降低电站效益。而目前尚无具体有效的解决良策，研究优化生态流量、实施生态拦蓄节约放流、水岸生态修复的综合技术是十分必要的。
2016 年 10 月，财政部、国土资源部、环境保护部联合印发了《关于推进山水林田湖生态保护修复工作的通知》对各地开展山水林田湖生态保护修复提出了明确要求。
长白山区生态安全屏障地位突出，生态产品供给潜力巨大。但由于人们修建众多的小型水电站，形成的脱水段使得长白山区生态空间遭受持续威胁，局部生态环境恶化，生态产品供给能力不足等问题日益显现，脱水段的生态修复对于长白山区的可持续性发展具有非比寻常的意义[5]。五道沟河是鸭绿江右侧的一条支流，发源于长白山系龙岗山脉，属于山区性河流，全河流蜿蜒于山谷之间，两岸山势陡峻，河道中多急滩，水面比降较陡，河道平均比降 5.7‰，河床由砂卵石组成，流域内高山群立，地形起伏较大，流域内大部分为茂密的森林，植被良好。五道沟河共建成聚宝(20000 千瓦)、东北岔(1500 千瓦)、大松树配套（800 千瓦）、大松树（4950 千瓦）、元宝（7000 千瓦）、吉源（1200 千瓦）、蓉丰（960 千瓦）、小于（375 千瓦）、梨树富民（525 千瓦）、全兴（375 千瓦）、飞于（410 千瓦）、吉运（445 千瓦）、兴源（480 千瓦）、坡口（600 千瓦）电站共十四座梯级电站，水电资源开发利用程度较高。五道沟河梯级电站较多，脱水段较长，其中以元宝电站产生长达 5.417 千米的脱水段最为显着，本题以元宝电站为例具有典型性，同时急需进行生态修复。五道沟河水资源丰富，河道蜿蜒曲折，具备生态修复的可操作性，针对元宝水电站脱水段的实现水安全、水环境、水文化、水景观、水经济“五位一体”生态修复，对于吉林东部小水电丰富地区的河流生态修复有重要的示范意义。
1.2 国内外相关研究现状。
1.2.1 小型水电站发展与生态影响。
水电能源来源于水的流动，是世界上可再生能源的主要来源，占全球可再生能源供应的近四分之三，占全部电力生产的近五分之一[6]。在全球范围内，小型水电最常用的定义是额定容量为 10 兆瓦或更低的水电机组，但在一些国家为了满足当地的需求容量高达 30 兆瓦（如巴西）或 50 兆瓦（如加拿大，中国）[7]。世界上大型水电站的修建起源于小型水电站，而水力发电开始于木质水车。水轮机的出现使得各国开始关注如何利用水电大规模发电。1878 年法国修建世界上第一座水电站，1882 年美国威斯康星州建成的水电站正式发电，1956 年我国于明姜建成第一座小型水电站，此时我国处于小水电的初步发展阶段，由于小型水电是可再生清洁能源资源，具有投入成本低，工期短，运行维护成本低廉等优点，1980年至 2000年小型水电迎来快速发展的高峰期。1977年法国有 978座小型水电站，总装机容量 49 万千瓦，日本运行的小型水电站有 1350 座，总装机容量 700 万千瓦[8]。由于经济效益原因，美国 1930 年至 1970 年间关闭了 3000 座小型水电站。“欧盟水框架指令 2002/60/CE”的出台旨在保护良好的水生态环境，使得一些河流被列入保护区范畴，进一步限制小水电的开发[9]。1995 年欧盟水电总装机容量达到 92000 兆瓦，其中小型水电站装机容量为 9500 兆瓦，占总装机容量的 10.32％[10]。1999 年，欧洲 26 个国家共有小型水电站 17400 座，总装机容量约为 12300兆瓦[11]。2006 年，欧盟 27 国共有运行小型水电站 21000 座，装机容量超过 13000兆瓦，其中 12000 兆瓦的小型水电装机容量来自欧盟 15 国，其中超过 90％的小型水电装机容量来自意大利、德国、西班牙、法国、奥地利和瑞典[12]。截至 2010年，美国大部分的水电生产主要集中在美国西部，华盛顿州是美国最大的水电生产州，占水力发电的 31％，其余几大水电生产洲分别是俄勒冈州、加利福尼亚州、纽约州和阿拉巴马州[13]。
截至2013年，亚洲占世界小型水电开发潜力的63.03％，占世界小型水电已开发的61.27％，可知在小型水电的开发潜力和已开发上，亚洲都占据着主导地位，其余几大洲小型水电开发潜力和已开发见图1-1，图1-2所示，数据来源[14-18]。
小型水电站虽然有可再生清洁能源、运行成本低等优点，但是小型水电站，面临的生态问题也及其突出。Therrien 和 Bourgeois[19]认为小型水电站面临的主要环境挑战之一与鱼类通过有关。Blanco and Gonza?lez and Elvira[20]认为水坝是影响西班牙鱼类的主要不利因素。在法国，所有水电设施，无论大小，都必须有洄游鱼类通行的设施[6]。众所周知水坝和堰会中断纵向河流连通性，孤立鱼类群落，而纵向河流连通性是基本的鱼类社区持久性的要求，因为它允许季节性运动，增强终身生殖发育[21]。Elizabethp.Anderson，Maryc.Freeman 和 Catherinem.Pringle研究了 Puerto Viejo 河脱水段上游和下游的鱼类组合成分和水生栖息地变化，研究结果表明鱼的种类在 Puerto Viejo 河上的大坝的上游和下游是不同的，小坝（<15米高）阻碍了鱼类的迁移，从研究数据上得出未来至少有一种物种面临灭绝的危机。在哥斯达黎加，几乎所有的小型水力发电厂都为引水式水电站，水从大坝那里转移到河流发电后返回至下游的主要通道，导致引水口和下游水之间的流量大量减少（通常为几公里），无法满足更多生殖需求的物种[22]。欧文斯河下游 16 公里峡谷，由于水力发电原因从 1953 年到 1991 年脱水，导致没有河岸植被和鱼类的河道[23]。Anderson 等人回顾了中小河流水电站对栖息地的影响，最明显的影响是引水式水电站大坝下游的脱水河段（进水口和发电之后水返回河道之间段），破坏鱼类等生物的栖息环境，Lange, Katharina;Meier, Philipp;Trautwein, Clemens[24]等人认为引水式水电站对河流生态系统的影响远远超出剩余流量范围。
张范平、鄢笑宇和温天福[25]对赣南地区小型水电现状进行分析，研究表明许多电站在安全、生态上面临着主要问题；周军苍[26]发现在博州小型水电的开发过程中，由生态意识的缺乏，在枯水期阶段局部河流产生脱水段，影响该河段生物的正常生长发育。青海省湟水流域和西宁地区小型水电的过度开发，水资源的过分利用，已经严重超出安全警戒线，近几年来青海省对于生态红线以内的敏感区，环境保护区和脆弱区，小型水电的开发提高要求，小型水电的开发受到限制，对于已建成并且造成生态破坏的小型水电站进行生态修复[27]。
福建省拟计划完成1000座小型水电站的关停工作，准备改善200条河流的水生态。贵定在建的两个引水式水电站均有近4公里的引水隧道，极易造成生态需水无法得到保障，影响生物环境的需水要求[28]小型水电的环境影响包括那些与大坝建设时的土地，以及后期建设改变的流量制度，栖息地连通性的丧失，造成累积效应。水电大坝的建设不仅会改变下游流动状态，通道形态和水温，同时也影响沉积物的运输和沉积[29]。小型水电梯级开发所产生的累积效应更加的深远，因为每个小水电厂的负面影响的协同作用实际上可能超过大型水电站的负面影响[24]。房珂蕙[30]认为小型水电站修建之后改变了河流的形状，引起水深水流的变化，将影响水文泥沙的运移，影响生物的生存。
小型水电产生的生态问题影响，可归纳为以下几类[31-33]：
（1）引水式水电站将水引入下游发电，形成坝后下游产生减水段甚至脱水，造成河流水深变浅影响鱼类等生物的生存，产生不连续水体阻碍鱼类的洄游，大幅度限制鱼类的活动范围，鱼类正常的生存繁衍受到影响，导致种群整体遗传多样性的丧失，区域内物种多样性的丧失，甚至有物种灭绝。脱水段内无法完成灌溉、供水等需求，并且对河段内生态环境造成不利影响。
（2）电站修建之后，库容较大时水库水温出现分层现象，对鱼类的产卵产生影响，下泄的低温水对农作物的产量产生不利影响，造成减产甚至绝产。
（3）坝体的建立，使得水流速度变慢，水体滞留周期长，水体自净能力降低，大量的营养物质在淤积，温度适宜时造成富营养化，灌溉用水出现退水时大量的营养物质流入河道，造成河道水质的变坏。
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1.2.2 脱水段相关研究
1.2.3 河流生态修复
1.3 存在问题
1.4 研究内容和技术路线
第 2 章 长白山区小型水电站脱水段生态现状调查
2.1 吉林省小型水电站分布分析
2.2 小型水电站在长白山区四个国家级保护区内的分布
2.3 典型引水式水电站脱水段生态调查
2.3.1 典型引水式水电站脱水段现状
2.3.2 脱水段对生态影响
2.4 本章小结
第 3 章 长白山区小型水电站脱水段修复方案研究
3.1 脱水段修复理论依据
3.2 河流生态修复方案
3.2.1 河流生态修复原则
3.2.2 河流生态修复方案
3.3 脱水段修复影响因素及修复方案
3.4 本章小结
第 4 章 元宝水电站脱水段修复研究
4.1 元宝水电站概况
4.1.1 水文和气候
4.1.2 区域地质
4.1.3 社会经济和城乡发展
4.2 元宝水电站脱水段影响分析
4.3 脱水段修复
4.3.1 生态修复影响因素分析及生态流量计算
4.3.2 修复方案比较
4.3.3 优选方案设计
4.3.4 修复效果
第 5 章 结论
本文通过对吉林省小型水电站进行调研，结合长白山区生态现状，分析长白山区产生脱水段的几种原因，以及脱水段产生后对生态的影响。依据国内外河流生态修复的方法，根据电站状况不同，分析脱水段修复影响因素及方案。结合元宝水电站脱水段生态问题，采取实际工程进行脱水段修复，整篇文章结论可归纳为以下几点：
（1）根据已绘制的 GIS 图，吉林省引水式水电站集中在长白山区，长白朝鲜族自治县、临江市、集安市引水式水电站分别占吉林省引水式水电站总数的 24％、10％、10％，鸭绿江流域引水式水电站占吉林省引水式水电站总数的 39％。
（2）结合长白山区地貌和环境等特点，依据河流生态修复理论及方法，长白山区小型水电站脱水段修复影响因素包括生态流量、河道平面形态、库容、降雨、蒸发、渗流。
（3）元宝水电站河道平面形态为蜿蜒型，采取滚水坝拦蓄，搭配生态流量泄放修复方案，取得良好的修复效果，使脱水段内生态环境得以改善。
参考文献
