長江上游水庫群生態(tài)調(diào)度需求分析與研究現(xiàn)狀

辛小康，李迎喜，尹 煒

（長江水資源保護科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051）

0 前 言

截至2011年，長江流域已建成各類水庫4.6萬座，總庫容達2500億m3，興利庫容超過1200多億m3，其中大型水庫166座，總庫容1900億m3，興利庫容980億m3，分別占全流域的76%和81%。根據(jù) 《長江流域綜合規(guī)劃 （2012～2030）》，到2020年，長江上游干支流將建成烏東德-向家壩梯級電站，雅礱江流域?qū)⒔ǔ蓛珊涌?二灘梯級，岷江-大渡河流域?qū)⒔ǔ勺掀戒?瀑布溝梯級，嘉陵江流域?qū)⒔ǔ蓪氈樗?亭子口梯級，烏江干流將建成洪家渡-彭水梯級。結(jié)合長江上游控制樞紐三峽-葛洲壩梯級，將形成總庫容近1000億m3，防洪庫容達到500億m3，中下游總調(diào)節(jié)庫容達到300億m3的干支流水庫群。

大型水利水電工程在防洪、發(fā)電、供水、航運、灌溉等方面發(fā)揮了重要的作用，推動了人類社會的發(fā)展與進步，但它們同時又對河流生態(tài)環(huán)境有顯著影響。相關(guān)研究認為: “在河流上大規(guī)模筑壩攔截河流水量 （發(fā)電、灌溉、控制洪水等），是河流生態(tài)環(huán)境受人為影響最顯著、最廣泛、最嚴重的事件之一[1]”，研究者將這種影響分為兩類:一是生物棲息地特征變化，主要指庫區(qū)淹沒、泥沙淤積、下游河道沖刷引起河勢變化、河湖聯(lián)通關(guān)系的變化等。二是水文、水動力因子影響，即流量、流速、水溫、水質(zhì)等水文情勢變化[2]；并進一步提出改善第一類影響主要依靠生態(tài)修復(fù)工程，改善第二類影響需要優(yōu)化現(xiàn)行水庫的運行調(diào)度方式[3]，實施生態(tài)調(diào)度。因此，水庫生態(tài)調(diào)度成為目前水文水資源領(lǐng)域的研究熱點[4-6]。雖然長江流域水資源豐富，總體開發(fā)利用水平僅為17.8%，但長江流域大型水庫群開發(fā)建設(shè)引起的生態(tài)環(huán)境問題逐步顯現(xiàn)，實施水庫群防洪、興利與生態(tài)環(huán)境保護綜合調(diào)度，合理安排蓄泄水時機，協(xié)調(diào)興利、防洪及生態(tài)環(huán)境保護之間的關(guān)系，使總體效益最大化，是十分必要和迫切的[7]。

1 水庫運行對生態(tài)環(huán)境的影響分析

（1）水文情勢發(fā)生改變。水庫對水文情勢的直接影響是改變了下游河道水量分配過程，水量的年內(nèi)變化趨于平坦，下游河道原有的水文節(jié)律被打破。Lauterbach等人研究發(fā)現(xiàn)，歐洲中部許多河流受水庫的調(diào)節(jié)，50年一遇的洪水流量減少20%[8]。美國科羅拉多河格倫峽水庫下游10年一遇的洪流流量減少了75%[9]。部分水庫蓄水未考慮下游河道生態(tài)需水要求，導(dǎo)致河流水生境破壞，甚至發(fā)生河道斷流[10]。同時，大壩的擋水作用改變了庫區(qū)水流條件，使庫區(qū)從急流 （流水）區(qū)轉(zhuǎn)化成靜水 （滯水）區(qū)[11]。

（2）水體溫度發(fā)生變化。水庫蓄水后水深增加，水體的透光性能差，熱量向下傳遞減少，庫區(qū)深水區(qū)水體溫度會下降，表現(xiàn)出溫度分層現(xiàn)象[3]；多數(shù)水庫都有強弱不同的水溫分層現(xiàn)象。Orlod根據(jù)水庫的調(diào)節(jié)性能，將水庫水溫分層分為穩(wěn)定分層型、混合型和過渡型[12]。另外，由于高壩大庫一般在大壩底部泄流，下游河道水溫呈現(xiàn)出冬季升高和夏季降低的勻化過程，較天然過程存在滯后性，影響距離可達到數(shù)百千米[13-14]。而梯級水庫對河道水溫的影響更為復(fù)雜，存在波動性和累積性[15-16]。張黎明[17]采用數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)果表明:三峽庫區(qū)4月～6月水體分層較強，垂向溫差大于8℃。

（3）庫區(qū)納污能力減弱。水庫建成后，庫區(qū)水體流速明顯降低，污染物極易產(chǎn)生富集。李錦繡等人計算分析后認為，三峽水庫建成以后，隨著水位抬高，流速減緩，單位時間內(nèi)BOD5等有機污染物降解速率明顯減小[18]。袁弘任等認為，隨著三峽水庫蓄水位的增加，水域納污能力逐步減少，且支流回水區(qū)末端受庫水位頂托影響，形成相對靜止的庫灣，不利于氮、磷等物質(zhì)的擴散和交換，易導(dǎo)致富營養(yǎng)化[19]。監(jiān)測結(jié)果表明，從2003年三峽水庫首次蓄水開始，香溪河庫灣已發(fā)生多次春季水華現(xiàn)象[20]。

（4）水生態(tài)系統(tǒng)脆弱化。水庫對水生態(tài)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在三個層級:第一個層級是對生源要素的影響，因為河道水力條件的變化，直接對物質(zhì)流、能量流和信息流產(chǎn)生影響，這些都是水生生物的生源要素；第二個層級是對棲息地環(huán)境產(chǎn)生影響，主要是水流、泥沙條件發(fā)生變化以后，河道形態(tài)、泥沙沖淤過程、棲息地面積隨之發(fā)生變化；第三個層級是河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，如水生生物種群結(jié)構(gòu)、種群數(shù)量、物種密度等發(fā)生變化，這也是生源要素、棲息地環(huán)境發(fā)生變化的生態(tài)響應(yīng)結(jié)果?？梢姡畮斓倪\行，無論是對生態(tài)系統(tǒng)的非生命物質(zhì)環(huán)境還是對生物群落都產(chǎn)生了影響，使得水庫上下游生態(tài)系統(tǒng)脆弱化。

2 實施水庫生態(tài)調(diào)度的需求分析

以維護健康生態(tài)環(huán)境為目標，制訂水庫的優(yōu)化調(diào)度方式，實施水庫的運行管理，被稱作水庫的生態(tài)調(diào)度。董哲仁認為: “水庫生態(tài)調(diào)度就是指在實現(xiàn)防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運等社會經(jīng)濟多種目標的前提下，兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水庫調(diào)度方法”[3]。蔡其華指出: “水庫生態(tài)調(diào)度，是在滿足壩下游生態(tài)保護和庫區(qū)水環(huán)境保護的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮水庫的防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運、旅游等各項功能，使水庫對壩下游生態(tài)和庫區(qū)水環(huán)境造成的負面影響控制在可承受范圍內(nèi)，并逐步修復(fù)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)[10]?！币虼?，實施水庫生態(tài)調(diào)度，首先必須明確水環(huán)境和水生態(tài)的保護需求，然后再確定水庫生態(tài)調(diào)度的合理目標，最后確定水庫生態(tài)調(diào)度方案。根據(jù)長江流域的基本情況，水庫生態(tài)調(diào)度主要存在以下幾個方面的需求。

（1）維持河道基本生態(tài)需水量。河流基本生態(tài)需水量是指維護生態(tài)系統(tǒng)健康、保護物種的多樣性及生態(tài)系統(tǒng)的完整性的一定數(shù)量和質(zhì)量的徑流[21]。或者是指保證濕地、河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性的最小凈水量[22]。水的連續(xù)性是維持河道健康生命的最低要求，水量萎縮則會導(dǎo)致河流死亡。在過去一段時間里，岷江流域過度擠占生態(tài)用水的代價十分沉痛。由于多數(shù)水電站采用引水發(fā)電模式，各水電站為了獲取最大的發(fā)電效益，基本未考慮河道內(nèi)生態(tài)用水，導(dǎo)致干流約80 km、支流約60 km的河段出現(xiàn)間歇性脫水。因此，在制定長江上游水庫群綜合調(diào)度規(guī)程時，首先應(yīng)考慮河道基本生態(tài)需水量。

（2）維系下游河道洪水脈沖。脈沖式洪水具有重要的生態(tài)效應(yīng)，是生物生命史中的必要條件。洪水的發(fā)生也是生物開始新一輪生命周期的驅(qū)動力，特別是對產(chǎn)漂流性卵的 “四大家魚”而言，洪水脈沖水文條件十分重要，具體而言有7個重要的水文因子:洪峰過程數(shù)、洪峰發(fā)生時的初始水位、水位的日上漲率、斷面初始流量、流量的日漲率、漲水持續(xù)時間和前后兩個洪峰的事件間隔[23]。長江上游水庫群建設(shè)以后，必然對下游洪水會產(chǎn)生 “削峰補枯”的水文效應(yīng)，適度維系水庫下游洪水脈沖是實施水庫生態(tài)調(diào)度的必然需求。

（3）調(diào)節(jié)下泄水流的水溫。長江上游大中型水庫通常會存在水溫分層問題，水庫低溫水的下泄將影響魚類的產(chǎn)卵、繁殖和生長，以三峽水庫為例，10月～11月份中華鱘繁殖期間，水庫調(diào)節(jié)后下泄水水溫比自然情況有所升高，這對中華鱘的產(chǎn)卵及孵化具有一定程度的正面影響，但是在5月～6月份“四大家魚”繁殖期間，水溫比天然情況下有所降低，導(dǎo)致 “四大家魚”開始產(chǎn)卵的時間被推遲，產(chǎn)卵期被縮短。目前，長江上游一些水庫根據(jù)水庫水溫的垂直分層結(jié)構(gòu)，結(jié)合下游河段水生生物 （特別是魚類）的生物學(xué)特性，通過制定大壩不同高程泄水空口的運行調(diào)度規(guī)則，滿足魚類產(chǎn)卵、繁殖和生長的需要。

（4）適度抑制水庫庫灣水華。水華是水體富營養(yǎng)化的惡性病理反映。通常認為，藻類水華發(fā)生條件為充足的營養(yǎng)鹽 （主要是氮、磷物質(zhì)）、低流速水體環(huán)境以及合適的溫度和光照。由于長江流域TP的本底濃度較高，TN又難以控制，所以長江上游的大型水庫多已達到中營養(yǎng)-輕富營養(yǎng)狀態(tài)。而水華易發(fā)期3月～4月份，溫度和光照適宜，長江上游的水庫則均處于高水位運行期，庫區(qū)流速較緩，特別是支流庫灣區(qū)域，成為準靜止區(qū)。這給水華的暴發(fā)提供了條件。優(yōu)化水庫運行過程，通過增加水位波動和水流紊動，打破水華暴發(fā)的臨界流速，被認為是抑制水庫庫灣水華的有效措施。

（5）維持河道輸沙平衡。河道形態(tài)是泥沙與水流條件長期相互作用的產(chǎn)物。穩(wěn)定條件下的河流基本可達到輸沙平衡，河道形態(tài)不會發(fā)生明顯變化；但是人類活動的干擾使這種自然平衡被打破。特別是水庫群的建設(shè)運行，表現(xiàn)出的基本規(guī)律就是庫區(qū)泥沙發(fā)生淤積，壩下游河道由于清水下泄發(fā)生長距離沖刷。三峽工程在設(shè)計時，就考慮采用 “蓄清排渾”的運行方式，以緩解庫區(qū)泥沙淤積，同時也可以對下游 “補沙”。

（6）突發(fā)水污染事故應(yīng)急調(diào)控。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展水平的提高，水環(huán)境污染和水資源保護之間的矛盾越來越突出，發(fā)生突發(fā)水污染事件的幾率隨之增加。突發(fā)水污染事件對居民飲用水安全、河道生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成極大威脅。另外，長江口咸潮入侵也是困擾上海市居民飲用水安全的重大隱患，如何啟動應(yīng)急調(diào)度方案降低突發(fā)水污染事件和長江口咸潮入侵帶來的不利影響成為全流域?qū)λ畮烊禾岢龅钠惹幸蟆?/p>

3 水庫生態(tài)調(diào)度國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 水庫生態(tài)調(diào)度需求分析

早期的研究成果并未形成水庫生態(tài)調(diào)度的概念，研究者們從不同角度對水庫優(yōu)化調(diào)度提出了生態(tài)環(huán)境需求。如烏江洪家渡水庫設(shè)計時，考慮下游航運和生態(tài)要求，需保證下泄水量不小于75 m3/s，這是從基本生態(tài)需水量的角度提出的水庫調(diào)度方式[24]；又如在三峽水庫設(shè)計時，充分認識到水庫建設(shè)后庫區(qū)泥沙淤積和下游河道泥沙沖刷問題，提出了水庫“蓄清排渾”的運行方式，這是從泥沙調(diào)度的需求探討水庫調(diào)度方式[25]。

3.2 水庫生態(tài)調(diào)度目標分析

目前關(guān)于生態(tài)需水量調(diào)度目標分析研究最為系統(tǒng)，形成了多種計算生態(tài)需水量的方法。這主要為:①水文學(xué)方法，如Tennant法，7Q10法，Texas法，RVA法等；②水力學(xué)方法，如濕周法，R2CROSS法等；③棲息地模擬法，如IFIM法，PHABSIM法，RCHARC法等；④整體分析法，如南非BBM法，澳大利亞基準測量法等[26]。

在洪水脈沖調(diào)度目標方面，目前大多數(shù)研究仍以定性研究為主，提出從洪峰流量、洪峰水位、洪水歷時、洪水過程線、洪水總量、洪水頻率等指標保護洪水脈沖規(guī)律[27]。有研究通過天然水文過程分析，得出中華鱘產(chǎn)卵場所需要的生態(tài)水文學(xué)特征，從而提出中華鱘產(chǎn)卵的水位要素目標和流量要素目標[28]。曾宗祥對長江中游四大家魚產(chǎn)卵場的水文水動力特性進行了分析，提出了水位增長0.5～1 d后，流速增加至1.5～2.0 m/s時，宜昌產(chǎn)卵場開始產(chǎn)卵；中游產(chǎn)卵場流速多為1～1.3 m/s，漲水后需要1～2 d甚至3 d才開始產(chǎn)卵[29]。

在水溫調(diào)節(jié)調(diào)度目標方面，目前只是針對單一的保護物種開展了一些水溫耐受性實驗，提出物種產(chǎn)卵、孵化適宜水溫需求。如天然情況下，四大家魚在20～30℃產(chǎn)卵活動最為頻繁，同時胚胎發(fā)育適宜水溫為22～28℃[30]。

在適度控制庫區(qū)水華的調(diào)度目標方面，針對不同的河流、不同藻類水華，提出了水庫生態(tài)調(diào)度目標。如有研究以三峽庫區(qū)香溪河為例，提出適度控制香溪河水華的臨界流速為0.05 m/s，控制三峽水庫纖維藻的臨界流速為0.01 m/s[31]。

3.3 水庫生態(tài)調(diào)度方法研究

水庫優(yōu)化調(diào)度方案通過建立水庫調(diào)度模擬模型分析后提出，水庫調(diào)度模擬模型根據(jù)對入庫、出庫徑流描述方法可分為確定性模型、隨機模型和隱隨機模型；按照水庫生態(tài)調(diào)度的目標可分為單目標模型和多目標模型，按照模型的求解方法，可分為規(guī)劃優(yōu)化模型和智能優(yōu)化模型。規(guī)劃優(yōu)化模型已由線性規(guī)劃算法發(fā)展到非線性規(guī)劃算法和動態(tài)規(guī)劃算法，后來又將逐步優(yōu)化算法 （POA）應(yīng)用到水庫優(yōu)化調(diào)度中[32－33]。在過去20年間，智能優(yōu)化算法以其杰出的魯棒性和高效性被廣泛地應(yīng)用到水庫生態(tài)調(diào)度中，主要研究有粒子群優(yōu)化算法 （PSO）[34-35]、遺傳算法（GA）[36]、差分進化算法 （DE）[37]、蟻群算法 （ACO）[38]、混沌優(yōu)化算法等 （COA）[39]。

3.4 水庫生態(tài)調(diào)度示范情況

20世紀70年代，美國哥倫比亞河上的一些水庫通過增加下泄流量模擬自然條件下的洪水脈沖，以加快幼魚向大海遷徙。90年代，田納西河上的20余座水庫改變調(diào)度方式，以保證下游最小流量和最小溶解氧濃度需求。其中，最小流量目標是根據(jù)下游水環(huán)境、棲息地、供水等方面的綜合需求確定的，最小溶解氧目標是冷水漁場不小于6 mg/L，溫水漁場不小于4 mg/L。1996年，美國科羅拉多河格倫峽水庫在3月末至4月初，實施了維持14 d、流量達到1270 m3/s的 “人造洪峰”，以重建下游沙洲和河灘，沉積營養(yǎng)物質(zhì)，修復(fù)河汊。2003年，美國大自然保護協(xié)會與50多為科學(xué)家共同推薦了東南部啥瓦爾河環(huán)境流量方案。該方案綜合考慮了河道、河漫灘、河口生態(tài)系統(tǒng)的水流需求，針對豐、平、枯3種水文年分別提出了3種環(huán)境水流組分的發(fā)生時間、頻率、持續(xù)時間、流量大小和變化率[39]。

進入21世紀，隨著 “維持河流健康生命”新治水思路的提出，我國在水庫生態(tài)調(diào)度方面也開展了多項研究示范工作。如黃河干流實施的以 “調(diào)水調(diào)沙”為核心的水庫群生態(tài)調(diào)度，使年年發(fā)生斷流的黃河重獲新生。長江流域的烏江梯級，設(shè)計之時就考慮了基本生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量的保障方案，水庫群運行調(diào)度狀況良好。2011年，長江三峽水庫實施以促進四大家魚產(chǎn)卵繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗，從6月16日起，三峽下泄流浪保持每天2000 m3/s流量的增幅，形成持續(xù)4 d的漲水過程。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，宜都江段出現(xiàn)1次家魚產(chǎn)卵過程，魚卵徑流量為0.22億粒[40]。2005年～2008年，珠江流域?qū)?個枯水期實施骨干水庫群統(tǒng)一調(diào)度，有效抑制了河口咸潮，確保了珠海、澳門等地的供水安全。

4 長江上游水庫群生態(tài)調(diào)度研究展望

（1）建立水庫生態(tài)調(diào)度需求整體框架。水庫的建設(shè)必然會對河流生態(tài)環(huán)境造成影響，實施水庫生態(tài)調(diào)度是對受損生態(tài)系統(tǒng)的一種補償措施。但是，生態(tài)環(huán)境保護的概念十分寬泛，必須對長江流域存在的生態(tài)環(huán)境問題進行詳細診斷，然后分析哪些生態(tài)環(huán)境問題可通過優(yōu)化水庫調(diào)度方式來緩解或解決，評價其生態(tài)、經(jīng)濟效益和社會效益，最后針對長江流域?qū)嶋H情況建立水庫生態(tài)調(diào)度需求整體框架。歸納前面的分析可知，長江流域水庫生態(tài)調(diào)度主要有以下幾個方面的需求:①維持河道基本生態(tài)流量；②維持河道洪水脈沖過程；③水質(zhì)調(diào)控調(diào)度；④泥沙調(diào)控調(diào)度；⑤生物棲息地修復(fù)調(diào)度等。

（2）建立水庫多目標調(diào)度協(xié)同方案。首先，需要深入研究長江流域水庫生態(tài)調(diào)度各需求對應(yīng)的調(diào)度目標。對于維持河道基本生態(tài)流量而言，就是要正確核算長江干支流主要控制斷面的最小生態(tài)需水量值。對于維持河道洪水脈沖過程而言，就是要研究水庫所在河段敏感物種、敏感種群、敏感群落的生活史，提出準確合理的水動力條件及典型洪水過程線。而對于水質(zhì)調(diào)控而言，就是要研究提出長江干支流控制斷面的環(huán)境需水量，以及水污染事故應(yīng)急調(diào)控下泄流量和持續(xù)時間。對于泥沙調(diào)控而言，就是提出水庫排沙時機和排沙流量，以及提出維持下游河道輸沙平衡的水流條件。對于修復(fù)生物棲息地來說，就是提出滿足 “兩湖”以及 “長江口”等重要濕地生境的適宜水位。這些調(diào)度目標有的要求高、有的要求低，而且對調(diào)度的時序要求不同，并且可能與水庫的防洪、興利調(diào)度目標相互矛盾。因此，必須對水庫的調(diào)度方案進行合理的安排，建立水庫多目標調(diào)度的協(xié)同方案或優(yōu)先層級。

（3）研發(fā)水庫群綜合調(diào)度模擬技術(shù)。一方面，需進一步開發(fā)長江上游干支流水庫群聯(lián)合調(diào)度調(diào)算模型，計算不同來水條件下的水庫群防洪、發(fā)電、航運、供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護相統(tǒng)一的水庫群綜合調(diào)度方案。另一方面，亟需建立適合長江流域的，兼顧水庫上下游、左右岸的數(shù)學(xué)模型或物理模型，對備選的水庫群綜合調(diào)度方案進行模擬、預(yù)測，評價其技術(shù)經(jīng)濟效益，為正確制定水庫群運行調(diào)度規(guī)程提供技術(shù)支撐。

（4）研究水庫群綜合調(diào)度管理方案。水庫生態(tài)調(diào)度與興利調(diào)度往往存在矛盾和沖突，特別是水庫維持河道基本生態(tài)流量、調(diào)整水庫蓄泄過程、特枯年份向下游補水，都會影響水庫的興利效益。另外，由于長江上游干支流水庫群分屬于電力、交通、水利等部門，主體關(guān)系復(fù)雜、多元，對水行政主管部門而言，實施水庫群的綜合調(diào)度管理困難較大。因此，必須深入研究長江上游干支流水庫群綜合調(diào)度管理方案，理順管理體制，按照 “興利服從防洪、電調(diào)服從水調(diào)、專業(yè)服從綜合、局部服從整體”的原則，制訂以協(xié)商為基礎(chǔ)的長江上游水庫群綜合調(diào)度管理方案。

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