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重大水利水电工程生态保护技术及标准规范研究

2017-03-21

“十二五”国家科技支撑计划项目“重大水利水电工程生态恢复与环境保障技术及示范”主要针对我国水利水电等重大工程建设对河岸及水生生态系统的影响,开展工程区河岸植被恢复、重要水生物种栖息和产卵生境恢复、洄游生物通道构建、生态需水调控等关键、共性技术研发,旨在为促进大型水利水电工程建设与生态环境保护的协调发展提供技术支撑。该项目下设四个课题,其中,由水利水电规划设计总院承担的“重大水利水电工程生态保护技术及标准规范研究”课题以多学科理论为指导,运用理论研究、数值模拟、模型模拟、相似系统论等多种方法,开展了重大水利水电工程生态保护技术研究,完善了水电工程生态保护的理论和方法体系,构建了涵盖河流生境保护、生态流调控、过鱼技术、增殖放流等一整套水利水电工程生态保护关键技术,集成、更新了替代生境、多目标生态调度、数据库等生态保护管理工具,综合协调了河流水电开发与生态保护的关系,推动了水电行业的可持续发展。

课题研究获得国家发明专利“一种评估鱼类游泳能力的方法及应用”(专利号;ZL201410123389.9),获实用新型专利“用于高寒地区的鱼池”(专利号:ZL 201520081034.8)、“水电工程鱼类增殖放流站循环水处理塔以及处理系统 ”(专利号:201420610373.6)、“一种山区河道水深测量系统”(专利号:ZL201420464174.9)、“可调控竖缝式鱼道结构”(专利号:ZL201120307777.4);发表学术论文25篇,其中SCI论文6篇;培养博士后2名、博士研究生2名、硕士研究生2名。

一、课题完成情况

1.鱼类通道及种群交流技术研究

选择大渡河作为典型水电能源基地,建立了代表鱼类生态习性基础数据库。数据库针对水电水利工程建设对鱼类及其生境影响的性质、范围与程度,集中选择了鱼类分布、生境选择、食性、繁殖生物学、洄游习性、游泳能力、年龄与生长等主要生态特征进行构建。以流域为单元系统,整理了大渡河122种鱼类的相关信息,可为大渡河流域水电开发过程中鱼类优先保护物种的选择,栖息地保护规划、设计,洄游通道恢复,人工驯育繁殖等保护措施的决策提供支撑,并指导具体方案的制定。在充分总结已有研究成果的基础上,针对大渡河水电梯级开发过程中评估与监测的要求,数据库中设置了动态监测数据录入表格与接口,有利于长期监测资料的持续输入,并有望利用水电工程建设运行后根据鱼类资源变动特征对保护措施进行调整,实现河流鱼类的适应性管理。

在研究各类过鱼设施的过鱼特点的基础上,制定了《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054-2015)。该标准作为中华人民共和国能源行业标准已于2015年4月2日发布,2015年9月1日实施。

在《水电工程过鱼设施设计规范》研究与编制期间,依托相关成果,指导设计了大渡河枕头坝一级水电站与安谷水电站过鱼设施的设计。

2.鱼类增殖放流关键技术研究与示范

依托大渡河流域,从鱼类人工繁殖技术、鱼类驯养技术以及鱼类放流技术三个方面全面开展了河流重要鱼类规模化繁育技术研究。在相关研究的基础上,制定了《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》(NB/T 35037-2014)。该标准作为中华人民共和国能源行业标准已于2014年6月29日发布,2014年11月1日实施。在《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》研究与编制期间,依托相关成果,在大渡河瀑布沟水电站黑马鱼类增殖站与猴子岩水电站鱼类增殖站开展了河流鱼类增殖放流、效果评价技术及应用示范。课题还提出了《河流水电梯级生态流量调控技术评估指南》的建议稿。

3.筑坝河流生态需水调控技术研究与示范

开展了关于筑坝河流生态需水的文献调研,了解了河流类型、生态需求状况、生态需水的计算方法、生态需水调控的国内外主要实践。针对案例研究的需要,调研了长江上游保护区河道的水文、水环境现状,并进行了详细的分析;调研了长江上游保护区内的主要鱼类以及鱼类的主要习性,研究了关键生活史过程对环境因子的需求,并进行了总结;调研了关于长江上游保护区生态需水研究的主要成果。

分析了在河流上筑坝的主要生态环境影响,总结了筑坝河流生态需水调控中尚待解决的问题,提出了生态流的定义,并评估了生态流确定方法的主要进展。总结提出了开展筑坝河流生态需水调控的主要步骤,梳理了生态流调控所需用到的主要技术方法,并有所发展。以服务于筑坝河流生态需水调控研究及管理为目标,提出了我国筑坝河流(河段)的分类方法;分析了河流生态流组分的主要构成及现行方法存在的问题,提出了广义的水文过程的概念以及基于水文-近岸区尺度涨落关系改进生态流组分划分的方法;服务于建立较具通用性的确定敏感生态需水的方法这一需求,分类提炼和总结了我国筑坝河流的河流生态系统关键过程。

针对开展金沙江下游梯级水库提高长江上游保护区鱼类保护水平的生态流调控的需求,选择了长江上游保护区的典型鱼类;基于对已有研究成果广泛的调研以及现场监测成果,研究提出了长江上游保护区典型鱼类繁殖生长的关键环境因子需求;建立了溪洛渡-向家坝梯级水库调度模型,提出了该梯级水库开展生态流调控的技术方案,对调度结果进行了分析。总结提出了河流水电梯级生态流量调控技术评估指南的建议稿。

4.河流生境(替代生境)保护关键技术与应用研究

课题对金沙江下游河流梯级开发情况、干支流关系、干支流生物种群结构、物种丰富度、河流连通性、水文、水动力、水环境、河流地形地貌等方面进行了大量的文献调研并收集了相关数据资料,归纳总结了河流生态系统的结构特征、功能和生态价值,界定了河流(替代)生境保护的概念,从“可替代、可保护、可持续”三个方面凝练了河流(替代)生境保护的内涵。明确了河流(替代)生境保护的生物目标和非生物目标,从影响鱼类生存繁殖的直接因子和间接因子这两个角度出发,分析了河流(替代)生境保护的主要环境要素。在此基础上,构建了河流(替代)生境保护的可行性与适宜性评价理论体系和技术方法体系,并以金沙江下游河段和赤水河为案例区域,开展了赤水河作为金沙江下河段替代生境保护的可行性分析和适宜性评价案例应用。

二、主要创新点

1.理论方法创新方面

(1)构建了一套河流(替代)生境保护的可行性分析与适宜性评价的理论与方法体系,提出了关键生态过程需水计算方法,系统论述了以保护鱼类生物多样性和维护鱼类种群规模的河流鱼类适应性管理对策。

(2)完善了亲鱼池型式、保温防晒、水质调控、放流规模等增殖放流站设计的理论与方法。在增殖放流方面,针对增殖放流站设计理论和方法的不足,完善了亲鱼池型设计的理论,提出了高寒地区鱼类增殖站的保温、防晒以及水质调控方法;针对现有增殖放流规模确定方法的缺陷,通过对饵料生物量预测修正系数和适宜生境折减系数的研究,修正了增殖放流规模计算参数,得到了一套适合目前实际的增殖放流规模确定方法。

2.关键技术创新方面

(1)提出了基于生态-水文响应关系的筑坝河流生态需水调控技术。提出了包括识别河流生态环境问题、确定保护目标、识别河流生态系统关键过程和关键期、提炼生态流组分、建立兼顾生态保护的水库单目标或多目标调度模型、优化求解改进生态调度方案、开展试验性调度、监测河流生态系统对试验性调度的响应、评估调度效果、改进调度方案的筑坝河流生态需水调控技术。

(2)提出以数值模拟设计亲鱼池的技术,设计了低成本、集约化的保温和循环水处理系统。提出通过数值模拟的方式设计增殖放流站鱼类亲鱼池池型、尺寸以及进出水方式;建立了适用于水电工程鱼类增殖放流站的太阳能驱动保温循环系统;设计了一套适用于增殖放流站的沸石流化床循环水处理系统,具有成本低、集约化、处理效果好的优势。

3.管理应用创新方面

(1)对赤水河进行了河流生境保护理论与技术的全面评价,初步形成了金沙江下游梯级水库联合调度决策支持系统。将河流(替代)生境保护效果评价理论和技术在金沙江下游河段和赤水河区域进行案例应用,较全面地评价了赤水河作为金沙江下游(替代)生境保护的可行性和适宜性。研究提出了长江上游保护区河段的生态基流以及典型鱼类生活史关键过程的水文需求,并依据河流生态敏感目标的需求,建立了不同情景下的生态调度方案,初步形成了金沙江下游梯级水库群联合调度决策支持系统和多目标联合调度系统。

(2)发布了《水电工程过鱼设施设计规范》和《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》等行业标准,在过鱼设施和增殖放流站的设计与建设中进行了广泛的应用。

(3)以流域为单元,进行模块化设计和鱼类生态习性与增殖放流数据库整理,基于GIS直观展示鱼类分布现状,图形化展示相关成果,整合鱼类资源历史资料与现状数据,支撑流域与工程环保措施设计与综合效果评价,数据库的后期应用范围与功能具有可拓展性。

三、成果应用情况

该课题根据相关研究成果,形成《水电工程过鱼设施设计规范》《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》以及《兼顾生态保护的水库调度指南》3部规范。相关规范已经成功应用于枕头坝、猴子岩等水电工程的过鱼设施、鱼类增殖放流站以及生态调度设施的设计与建设中。规范的应用将推进水电工程生态保护,增强环境效益,同时,由于应用方案合理,课题的经济效益也较为突出。

课题过鱼设施示范工程选择了枕头坝一级鱼道以及安谷水电站仿自然旁通道的设计。目前两个工程过鱼设施均已建成,通过应用课题成果,过鱼的运行将更为合理,在很大程度上保障了鱼类通道及种群交流的畅通,提高了过鱼通道的利用效率。

课题鱼类增殖放流示范工程选择了黑马鱼类增殖放流站一期工程的设计改进项目以及猴子岩鱼类增殖放流站的设计项目。改造完成后,瀑布沟鱼类增殖放流站的运行效果大大提升。猴子岩鱼类增殖放流站在设计过程中应用了该课题的研究成果,在优化设计的基础上,将为鱼类创造更加合理的人工生境,提高增殖放流的效果。