贊比西河流域水庫實(shí)施環(huán)境適應(yīng)性管理

［瑞士］J.默滕斯 等

贊比西河為非洲大陸流域面積最大的河流之一，發(fā)源于安哥拉和贊比亞，終于莫桑比克三角洲;全長(zhǎng)2 600多公里，流經(jīng)8個(gè)國(guó)家，控制流域面積140萬km2，其中近40%位于贊比亞境內(nèi)?？ǜ话：訛橘澅任骱拥淖畲笾Я鳎ǜ话：悠皆侵匾臐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)。

為滿足日益增長(zhǎng)的電力需求，在過去50 a內(nèi)，贊比西河及支流卡富埃河上已修建了4座樞紐:①贊比亞的卡富埃峽水電站，1971年建成，裝機(jī)900 MW;②伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫，1978年建成，裝機(jī)120 MW;③位于贊比亞和津巴布韋邊境處的卡里巴水電站，1958年建成，初始裝機(jī)1 200 MW，近期擴(kuò)容至1 470 MW;④莫桑比克的卡奧拉巴薩水電站，1974年建成，裝機(jī)2 075 MW。

贊比西河仍有未開發(fā)的水電資源，近期一些新的水電開發(fā)計(jì)劃被提上日程。其水資源利用包括水力發(fā)電、防洪、航運(yùn)、漁業(yè)、供水和灌溉。除為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活供水外，河流生態(tài)系統(tǒng)還發(fā)揮著旅游、娛樂、防洪和降解污染物等作用。

本文介紹了水資源綜合管理研究項(xiàng)目－非洲大壩研究項(xiàng)目(ADAPT)及其主要研究成果。根據(jù)ADAPT研究成果，提出了優(yōu)化大壩運(yùn)行管理的建議，以改善水質(zhì)和實(shí)施水資源管理。

1 非洲大壩研究項(xiàng)目

該項(xiàng)目旨在從流域和區(qū)域?qū)用婕訌?qiáng)對(duì)贊比西河流域內(nèi)大型水庫和濕地的水資源綜合管理。

(1)明確從數(shù)據(jù)采集、概念及數(shù)學(xué)模型的研究活動(dòng)中獲得研究成果。

(2)構(gòu)建科研—政策互動(dòng)平臺(tái)，致力于能力建設(shè)(學(xué)生交流和培訓(xùn)活動(dòng))及跨學(xué)科綜合研究。

參與研究的機(jī)構(gòu)包括贊比亞大學(xué)水資源綜合管理中心，莫桑比克愛德華多蒙德拉納大學(xué)工程研究中心，瑞士洛桑市巴黎綜合理工學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)室，瑞士聯(lián)邦政府水科學(xué)與技術(shù)所，系統(tǒng)生物學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境決策、生物地球化學(xué)和污染物演變的研究機(jī)構(gòu)，蘇黎世聯(lián)邦科技研究所的國(guó)際研究、發(fā)展和合作高級(jí)研究中心。

為實(shí)現(xiàn)最大程度的綜合管理，贊比西河流域政府機(jī)構(gòu)、非政府組織(NGOs)和私有公司全都參與數(shù)據(jù)采集及進(jìn)程討論。

2 大壩對(duì)泥沙、碳及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通量的影響

在全球范圍內(nèi)，水庫攔蓄泥沙的重要性體現(xiàn)在能減少生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從陸地流失到海洋，比如有機(jī)物、碳、氮及磷。在贊比西河流域，ADAPT成果可以證明大壩建設(shè)減少泥沙向下游濕地的輸送。有機(jī)碳、磷、氮的大平衡和模擬結(jié)果被用于評(píng)價(jià)伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送狀況?？傮w上，約有50%的氮和60%的磷在水庫沉積下來。

2.1 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

泥沙淤積不是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少的唯一原因。通過反硝化作用及有機(jī)物循環(huán)利用，氮、碳被釋發(fā)到大氣中。大平衡計(jì)算表明，測(cè)定法低估了河流營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入量。伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫生物地球化學(xué)循環(huán)特點(diǎn)表現(xiàn)為初級(jí)生產(chǎn)力顯著提高，有機(jī)物循環(huán)較快，亦即大量的有機(jī)物被埋藏在沉積物中?？ɡ锇秃笃胶饽Ｐ陀?jì)算表明，約70%的氮和90%的磷通過沉積(氮和磷)及反硝化作用(氮)被去除。與世界上其他水庫相比，盡管卡里巴湖及伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫中的有機(jī)碳、氮、磷的沉積率較低，但實(shí)際上在這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)貧乏地區(qū)，河流營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)減少。下游生態(tài)系統(tǒng)也因碳、氮、磷可用量較少而受到不利影響，如生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低、魚類產(chǎn)量降低，還有可能影響卡富埃平原的農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)。

卡富埃河漫灘為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和碳循環(huán)的熱點(diǎn)地區(qū)，在洪水季節(jié)碳、氮、磷大量輸出和河水中氧含量降低。超過80%的洪水被河漫灘吸收。大壩運(yùn)行對(duì)河流－洪泛區(qū)的時(shí)空交替變化并沒有產(chǎn)生顯著影響，但使一個(gè)水文循環(huán)中的側(cè)流減少了50%。

在熱帶地區(qū)，水電站的水輪機(jī)和壩下游排氣，被認(rèn)為是溫室氣體(甲烷)排放的重要來源?？ɡ锇秃R水區(qū)有機(jī)物輸入量相對(duì)較高，釋放甲烷。在這些地方的限制區(qū)域內(nèi)，甲烷主要通過氣泡排放到大氣中。與其他熱帶水庫相比，水輪機(jī)和溢洪道表層水中的甲烷含量低，所以其釋放總量居中。

2.2 調(diào)整大壩運(yùn)行方式

伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫季節(jié)性分層，1 a內(nèi)多數(shù)月份的滯水層氧化作用較弱，躍溫層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較低。因此水庫下泄水層決定著下游水質(zhì)。

當(dāng)前，伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫通過溢洪道泄洪，下泄的幾乎都為表層水，深層水僅在庫水位低時(shí)排放。即將安裝的新機(jī)組是利用深層水發(fā)電，最大引水流量為360 m3/s。在新的運(yùn)行條件下，下游水質(zhì)將取決于下層滯水層水的特性，這樣將對(duì)下游卡富埃平原地區(qū)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生潛在影響。此外，排放的深層水中甲烷濃度較高，將成為加劇全球氣候變暖的因素之一。因此建議阻止深層水流出，以限制熱帶水庫溫室氣體排放。伊泰濟(jì)泰濟(jì)水庫不同運(yùn)行模式下的出水水質(zhì)模擬結(jié)果，可為水輪機(jī)取水方案優(yōu)化提供支撐。

3 水資源管理的水文水力學(xué)模型

至今，還未對(duì)贊比西河進(jìn)行過逐月水文水力學(xué)模型研究，所開展的水資源管理研究中，也未采用全球降雨徑流模型。

水資源管理研究模型必需是應(yīng)用公共領(lǐng)域源代碼。目前在南非應(yīng)用的模型已經(jīng)取得了較好的效果，將有助于準(zhǔn)確定義水文過程。土壤和水體評(píng)價(jià)模型(SWAT)是應(yīng)用于公共領(lǐng)域的流域尺度模型，它得到了美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究草原土壤水服務(wù)中心的積極支持。SWAT2009是基于連續(xù)時(shí)間的半分布式物理模型，由多個(gè)子模型組成，包括水資源模型。其原理是對(duì)每個(gè)地理亞單元積雪、土壤剖面、淺含水層和深含水層的蓄水量進(jìn)行水平衡模擬，并考慮降水、截留、蒸散、地表徑流、滲透、過濾和地下徑流等因素。

為使模型能適應(yīng)非洲河流流域的大型泛濫平原，創(chuàng)建了水庫源代碼。利用雙方程模型計(jì)算流出量(取決于水庫水深)和穩(wěn)定的水庫下泄基流，運(yùn)用敞開式頂堰流量計(jì)算公式來計(jì)算豐水期上游來水量。此外，相對(duì)于子流域來說，主要的泛濫平原和湖泊規(guī)模更大，子流域的流域面積依賴于水庫面積，因此在水預(yù)算計(jì)算中，要考慮洪水淹沒面積的擴(kuò)大和縮小?？傊粋€(gè)新程序被用于計(jì)算的水輪機(jī)的出流量和大壩的溢出量，均取決于庫水位和運(yùn)行管理曲線。

入流數(shù)據(jù)和下泄流量觀測(cè)值的質(zhì)量對(duì)模型取得理想結(jié)果至關(guān)重要。盡管如此，但在不同類型的輸入數(shù)據(jù)中，降雨量最為重要。因此，自1998年以來，一直將美國(guó)國(guó)家航空航天局的標(biāo)準(zhǔn)降水測(cè)量成果—熱帶測(cè)雨衛(wèi)星3B42第6版作為降雨源。

利用美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心、國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析資料，對(duì)溫度柵格(日最低最高氣溫)進(jìn)行編譯。為了建立模型，非洲及全球大多數(shù)地區(qū)通常采用以下數(shù)據(jù)集。

(1)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公共領(lǐng)域地圖數(shù)據(jù)庫HYDRO1K的數(shù)字高程模型，該模型基于全球數(shù)字地形高程模型GTOPO30。

(2)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織10 km分辨率的土壤類型圖。

(3)全球土地覆蓋特征圖1 km分辨率的土地利用網(wǎng)格。

贊比西河流域徑流系列資料由全球徑流數(shù)據(jù)中心(GRDC)負(fù)責(zé)管理。在全球數(shù)據(jù)庫中，該河流域有67個(gè)日觀測(cè)站和30個(gè)月觀測(cè)站的資料。此外，贊比亞水行政主管部門還提供了贊比亞流域上游34個(gè)站點(diǎn)的徑流數(shù)據(jù)清單。贊比西河管理局負(fù)責(zé)卡里巴大壩和卡布拉·巴薩大壩的運(yùn)行管理，也提供了一些關(guān)于這2座大壩運(yùn)行以來的相關(guān)資料。根據(jù)以上資料，建立了405個(gè)子流域和778個(gè)水文響應(yīng)單元的數(shù)據(jù)模型。

由于流域面積較大，用了2 a時(shí)間(1998～1999)來校準(zhǔn)率定使模型穩(wěn)定。為了和人工水庫歷史上的徑流相匹配，在穩(wěn)定期結(jié)束時(shí)，對(duì)最初庫容量進(jìn)行了調(diào)整。1998～2003年被再次用于校準(zhǔn)期，2004～2006年則作為驗(yàn)證期。

多目標(biāo)優(yōu)化算法(AMALGAM)作為自動(dòng)優(yōu)化算法，用來選擇最佳參數(shù)設(shè)置。對(duì)于現(xiàn)存的所有水文站和水位站，利用Nash－Sutcliffe系數(shù)、體積誤差百分比來評(píng)價(jià)觀測(cè)成果。校準(zhǔn)模型顯示，其結(jié)果和校準(zhǔn)期、驗(yàn)證期的觀測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性。

利用模型分析模擬了擬建與已建水電項(xiàng)目的疊加情景，以及環(huán)境流量和氣候變化過程。該情景分析的主要目的是評(píng)估新建水電站對(duì)能源生產(chǎn)和環(huán)境流量的影響，然后對(duì)一些重要斷面，按照年均發(fā)電量、可靠電力供應(yīng)和水文情勢(shì)變化進(jìn)行對(duì)比。環(huán)境流量獲得了較好的經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)，同時(shí)水庫運(yùn)行管理方式也得到了優(yōu)化。

4 優(yōu)化水資源配置

在將水文過程的控制方程作為約束條件時(shí)，水電經(jīng)濟(jì)模型通常把水資源配置和經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合在一起，旨在使流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最大化。模型的隨機(jī)雙動(dòng)態(tài)規(guī)劃(SDDP)可以為經(jīng)濟(jì)利益最大化提供有效指導(dǎo)。

以水電開發(fā)占主導(dǎo)地位的流域?yàn)槔?，蓄水設(shè)施建設(shè)對(duì)流域產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響，包括移民安置、生態(tài)系統(tǒng)退化及水文情勢(shì)變化。但是對(duì)于電力生產(chǎn)來說，水電創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少了人類遭受洪水及干旱的威脅。已投入運(yùn)行的3座最大水庫(卡里巴、伊泰濟(jì)泰濟(jì)和卡布拉巴薩水庫)，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益4.43億美元。該效益中考慮了卡布拉巴薩三角洲下游區(qū)域洪水期間的生態(tài)要求，附加經(jīng)濟(jì)效益10美元/1 000 m3。通過改變水庫運(yùn)行方式，可增加雨季的下游徑流。研究結(jié)果表明，上游水庫之一的卡里巴水庫受水庫群聯(lián)合調(diào)度影響較大。研究強(qiáng)調(diào)，以流域系統(tǒng)分析法全面調(diào)查評(píng)估潛在權(quán)衡需求的必要性?？ɡ锇秃徊▌?dòng)較大，系統(tǒng)狀態(tài)決定下游徑流量:因卡里巴水庫庫容大，能在旱季加大水庫的下泄量，從而使該水庫可以釋放更多的水到三角洲。在雨季，卡里巴水庫不需要特意向下游加大下泄量，因此可以保持較高的庫水位，使其自身的發(fā)電量最大化。

為協(xié)調(diào)大壩運(yùn)行、利益共享以及用水戶成本分?jǐn)傊g的關(guān)系，需要制定一系列的政策。有效的流域?qū)用婧献鞴芾頇C(jī)制也可以減輕未來與水相關(guān)的挑戰(zhàn)，比如人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉需求的增加等。

如果不采取有效的合作機(jī)制，流域內(nèi)發(fā)展灌溉的經(jīng)濟(jì)成本將達(dá)到年收益的10%。必須強(qiáng)調(diào)的是，沿岸各國(guó)之間的收益和損失的分布格局不均，是流域內(nèi)水資源高效共享的主要障礙。

5 結(jié)論與展望

需要強(qiáng)調(diào)的是水電既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，可持續(xù)水資源管理應(yīng)該處理好能源收益和環(huán)境約束之間的平衡關(guān)系。ADAPT研究結(jié)果表明，當(dāng)前大壩運(yùn)行會(huì)對(duì)贊比西河流域泥沙和養(yǎng)分運(yùn)輸產(chǎn)生影響;提出的水文、經(jīng)濟(jì)及生物地球化學(xué)模型，是優(yōu)化水資源綜合管理實(shí)踐(IWRM)的有效工具，可以通過調(diào)整水輪機(jī)尾水的高程來改善下游水質(zhì)。為了優(yōu)化贊比西河流域水資源配置，至關(guān)重要的是，流域范圍內(nèi)主要沿岸國(guó)家之間應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水庫的運(yùn)行方式。此外，需要平衡環(huán)境要求和電力生產(chǎn)之間的關(guān)系，以使新建水電站適應(yīng)未來需要。

本文提及的模型正在建立中，以期進(jìn)一步為贊比西河流域?qū)嵤┧Y源可持續(xù)管理提供技術(shù)支撐。在ADAPT框架內(nèi)，正在進(jìn)一步開展有關(guān)卡富埃河流域水文情勢(shì)變化對(duì)生態(tài)影響方面的研究工作。