引調水工程對漢江中下游生態(tài)環(huán)境的累積疊加影響研究

王中敏，劉金珍，劉揚揚，樊　皓

(長江水利委員會長江水資源保護科學研究所，武漢 430051)

0　引　言

漢江是長江最大的支流, 全長1 577 km，多年平均天然年徑流量為560 億m3。干流丹江口以上為上游,丹江口以下為中下游。漢江流域水利工程眾多，如從漢江調出水資源的工程有引漢濟渭工程、南水北調中線工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程，還有水資源調入漢江的引江濟漢工程(圖1)。漢江中下游河段是漢江流域乃至湖北省經濟發(fā)展的中心,南水北調中線工程實施一度引起較多社會關注[1-4]，引漢濟渭、鄂北地區(qū)水資源配置等工程相繼實施后，將對漢江中下游的生態(tài)環(huán)境產生新的累積影響。

上游引漢濟渭工程在漢江干流黃金峽和支流子午河三河口分別修建水利樞紐蓄水，通過秦嶺輸水隧洞輸水至陜西省渭河流域關中地區(qū)；2010年底開工建設，工程一次建成，分期引水。近期水平年2025年，取水規(guī)模多年平均為10 億m3；遠期水平年2030年(在實施南水北調中線后續(xù)水源工程建設后)，取水規(guī)模多年平均為15 億m3。

南水北調中線工程于2003年9月正式啟動，該工程從漢江丹江口水庫引水，中線工程主要由水源地工程和輸水工程組成。水源地工程是在丹江口水利樞紐初期規(guī)模的基礎上大壩壩頂高程從162.0 m加高至176.6 m, 設計蓄水位由157 m提高到170 m, 總庫容達290.5 億m3，水源地丹江口水庫的調度模式將由年調節(jié)改為不完全多年調節(jié)。中線一期工程向北方年供水量95 億m3，已于2014年12月12日通水；遠景考慮從長江三峽水庫或以下長江干流引水增加北調水量，年均調水量達到130 億m3，工程預計在2030年完成。

引江濟漢工程是南水北調中線的配套工程，工程目的是從長江引水補充漢江興隆水利樞紐至河口段和東荊河灌區(qū)的流量, 以滿足該河段灌溉、航運和生態(tài)用水要求, 并解決東荊河灌區(qū)的灌溉水源問題。工程設計流量為350 m3/s，加大流量為500 m3/s。該工程已于2014年建成并運行。

鄂北地區(qū)水資源配置工程以丹江口水庫為水源，年引水量7.7 億m3，供湖北省鄂北地區(qū)的襄陽、隨州和孝感市的大悟縣，解決城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水和唐東地區(qū)農業(yè)供水問題。該工程于2015年7月取得環(huán)評批復，2016年開工建設，工程預計2020年完成。

引調水工程緩解了受水區(qū)水資源短缺問題，然而卻對調水水源下游區(qū)生態(tài)環(huán)境產生較大影響。南水北調中線工程實施一度引起較多社會關注[1-4]，引漢濟渭、鄂北地區(qū)水資源配置等工程相繼實施后，將對漢江中下游的生態(tài)環(huán)境產生新的累積影響。漢江中下游河段是漢江流域乃至湖北省經濟發(fā)展的中心，分布著多處“四大家魚”等產漂流性卵魚類的產卵場，2處國家級水產種質資源保護區(qū)和6處國家級濕地公園，故漢江中下游生態(tài)環(huán)境的重要性不言而喻，因此，有必要研究漢江上中游引調水工程對中下游生態(tài)環(huán)境的累積影響。

圖1　漢江流域引調水工程分布示意圖Fig.1 Distribution of water diversion project in Hanjiang river basin

1　研究方法與工況

1.1　模型與方法

本文采用MIKE11 HD模塊計算水文情勢和水環(huán)境變化，該模塊是基于垂向積分的質量和動量守恒方程即圣維南方程組建立的，由明渠不穩(wěn)定流隱式格式有限差分解，其差分格式采用了六點中心隱式差分格式。該模型在進行完全水動力學模擬的同時，也可進行各種簡化的水流模擬，如擴散波、運動波及準穩(wěn)定流的計算。MIKE11可以模擬各種水土建筑物(如箱涵、堰或泄流閘)及其運用規(guī)則。

采用生態(tài)機理分析法、系統(tǒng)分析法等研究水生生態(tài)、濕地生態(tài)的影響范圍和程度。

1.2　研究工況設置

在丹江口大壩加高已完成的背景工況基礎上，考慮漢江已建引調水工程(S2)和規(guī)劃引調水工程均實施(S3)兩種工況，分S2-S1和S3-S1兩種情形預測對漢江中下游可能產生的累積影響，S1、S2、S3三種工況設置如下。

S1：丹江口大壩加高完成，不考慮調水的背景工況；

S2：考慮南水北調一期調水95 億m3、引漢濟渭調水10 億m3、引江濟漢工程均建成運行；

S3：在S2情景調水量的基礎上，鄂北工程建成運行，年引水7.7 億m3。

1.3　模型率定與驗證

基于仙桃和襄陽水文站逐日實測流量與水位資料，對一維水動力模型進行率定和驗證，并采用納什效率系數(NSE)來判定模擬流量過程與實測流量過程的擬合程度，具體的模型率定與驗證結果詳見參考文獻[14]。由模型率定與驗證結果來看，NSE均可達0.7以上。由此可見，模型能夠較好地模擬漢江中下游水文情勢。

2　引調水工程對漢江中下游生態(tài)環(huán)境的累積影響

2.1　對漢江中下游水文情勢的影響

本文基于1956-1998年黃家港水文站徑流量資料，分別計算三種工況下黃家港、皇莊、仙桃三個代表斷面多年平均逐月流量，通過對比分析逐月流量變化，定量分析引調水工程實施對三個斷面水文過程的影響程度。

丹江口水庫建成以后, 水庫對徑流的調節(jié)能力很強, 極大地改變了徑流的年內分配[5]，使洪水期流量減小，枯水期流量增大，流量過程變得比較均勻平緩。南水北調中線一期工程、引漢濟渭工程通水后，必將導則漢江中下游水資源量減少，肖嬋等研究南水北調中線工程對漢江中下游的水文情勢影響結果表明，南水北調中線一期運行后，漢江中下游多年平均流量減少24%[1]。

總體來看，受丹江口水庫調蓄、引江濟漢工程實施的影響，除黃家港、仙桃斷面9月份流量有不同程度的增加，其余月份引調水工程實施均造成各斷面流量不同程度地減小(圖2)。南水北調中線一期和引漢濟渭實施后，黃家港、皇莊、仙桃斷面逐月流量最大降幅分別為67.17%、58.59%、45.38%；鄂北地區(qū)水資源配置工程實施后，黃家港、皇莊、仙桃斷面逐月流量進一步減少，與不調水工況相比降幅分別達67.3%、60.05%、46.87%(表1)?？傮w來看，各項引調水工程實施后，對漢江中下游水文情勢的累積影響明顯增大，但隨著中下游唐白河、蠻河、竹皮河等支流水量的不斷匯入，從上至下減水的累積效應逐漸變小。

圖2　黃家港、皇莊、仙桃斷面多年平均逐月流量過程變化圖Fig.2 The average monthly flow process changes map for Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section for many years

2.2　對漢江中下游水環(huán)境的影響

根據漢江中下游近年水質監(jiān)測結果，漢江中下游水質污染主要表現(xiàn)為干流總磷、氨氮和高錳酸鹽指數的濃度呈上升趨勢，總磷、氨氮污染問題突出，中線工程通水后，漢江中下游發(fā)生“水華”風險較大[6-8]。

通過對比分析3種工況下高錳酸鹽指數、氨氮濃度變化，引調水工程實施后，各典型斷面污染物濃度均有不同程度的增加，其中尤以襄陽江段影響顯著，河流水質較現(xiàn)狀呈變差趨勢，但斷面水質類別均未改變，保持在Ⅱ類。引調水工程對漢江中下游水環(huán)境的累積影響趨勢與水文情勢影響結論一致，各項引調水工程實施的累積影響較大，鄂北地區(qū)水資源配置工程本身實施的影響較小。以格壘嘴斷面為例，南水北調中線一期、引漢濟渭工程實施后，氨氮濃度增加39.13%，進一步疊加鄂北地區(qū)水資源配置工程實施的影響后，氨氮濃度較不調水工況增加43.48%。

表1　各對比工況下黃家港、皇莊、仙桃斷面流量減少幅度表Tab.1 The comparison table of flow reduction rate for the Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section

表2　各對比工況下格壘嘴、皇莊、仙桃斷面典型污染物濃度增加幅度表Tab.2 The comparison table of increase rate of typical pollutants for the Geleizui, Huangzhuang and Xiantao section

2.3　對漢江中下游水生生態(tài)的影響

對水生生態(tài)的影響主要是基于水文情勢的變化，丹江口大壩加高工程對水生生態(tài)的影響已經有所顯現(xiàn)，水庫下泄低溫水和王甫洲、崔家營兩級樞紐的阻隔作用及水文情勢發(fā)生改變，對丹江口～崔家營之間的魚類資源產生較大影響[9]，區(qū)域喜靜水魚類和產黏沉性卵魚類的比例明顯增加。興隆電站已經運行，新集、雅口均已取得相關批復，秦烜等[10]在漢江中下游梯級開發(fā)回顧性評價調查中發(fā)現(xiàn)，梯級開發(fā)對四大家魚自然繁殖已經產生了明顯影響，原有的三官殿、王甫洲、茨河、襄樊等四大家魚產卵場基本消失，僅剩經濟型魚類和小型魚類產卵場，魚類產卵量和資源數量大大下降。

從漢江中下游魚類資源調查可知，魚類組成、分布和資源數量已受到梯級樞紐建設的明顯影響，庫區(qū)適合靜水棲息的魚類種群數量和生物量有所增加，天然流水江段減少，產漂流性卵魚類的繁殖難度加大。引調水工程通水運行后，丹江口～興隆江段部分月份流量減少，一定程度上縮小了魚類棲居空間，但對魚類種類組成影響不大，已形成的魚類種類組成及分布格局受引調水工程影響相對較小，但到規(guī)劃水平年，喜靜水魚類和產黏沉性卵魚類的比例將增加，魚類資源量有所減少。

2.4　對漢江中下游濕地生態(tài)的影響

漢江中下游干流范圍內濕地生境類型多樣，植被發(fā)育良好，濕地生物多樣性高，植物群落類型豐富，濕地動物也較為豐富。引調水工程改變了漢江中下游的水文情勢，勢必給河道內濕地生態(tài)帶來間接影響。

本文研究范圍為漢江干流一級堤防內，將濕地分為永久性河流濕地、洪泛平原濕地、庫塘濕地和稻田濕地，基于三種工況多年平均水文情勢變化，采用典型斷面水位變化量，分河段估算各類型濕地面積，分析引調水工程對漢江中下游干流濕地結構和濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

引調水工程實施不會改變濕地總面積，水量減少水位下降使永久性河流濕地轉化為洪泛平原濕地，丹江口～興隆段河段內濕地總面積約3.85 萬hm2，引調水工程累積影響(S3-S1)導致永久性河流濕地面積減少了0.10 萬hm2(與原河流濕地面積相比降幅3.7%)，洪泛平原濕地增加了0.15 萬hm2(與原洪泛平原濕地面積相比增幅43.4%)，稻田濕地面積減少0.05 hm2(降幅4.9%)，庫塘濕地面積未發(fā)生變化，其中由南水北調中線和引漢濟渭工程帶來的永久性河流濕地面積減少量為734.4 hm2，洪泛平原濕地面積增加量為0.13 萬hm2。

引調水工程實施后漢江中下游濕生植物種類會發(fā)生一定變化，在部分裸露河床區(qū)域，白茅灌草叢、水蓼灌草叢等濕生植被將面積有所增加，阿齊薹草沼澤、藨草沼澤、香蒲沼澤、蘆葦沼澤、菖蒲沼澤等沼澤植被面積減少。工程運行一段時間后，各類型植被將達到新的平衡。漢江中下游各類型濕地面積發(fā)生一定變化，濕地總面積沒有發(fā)生變化，濕地植物和濕地動物優(yōu)勢種種類沒有發(fā)生變化，因此漢江中下游濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能不會發(fā)生變化。

3　漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護的建議

3.1　保障河道生態(tài)環(huán)境需水，推進節(jié)水型社會建設

根據《漢江流域綜合規(guī)劃報告》(長江水利委員會)，黃家港、皇莊斷面生態(tài)基流分別為174、200 m3/s，考慮航運要求，黃家港斷面最小下泄流量為490 m3/s，皇莊斷面最小下泄流量為500 m3/s。漢江中下游地區(qū)在上游來水被進一步削減的情況下，漢江流域管理機構應加強漢江流域綜合管理，結合丹江口水庫調度，合理配置水資源，協(xié)調引水水源上、下游生態(tài)環(huán)境需水的關系，在不同時間尺度和不同空間尺度滿足河流基本生態(tài)環(huán)境需水的要求，維護漢江中下游生態(tài)系統(tǒng)健康。其次，應按照國務院《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》的要求，從體系建設、制度建設、機制建設等多方面著手[11]，提高全民水資源保護意識，推進節(jié)水型社會建設?？煞e極探索爭取調水工程的國家相關生態(tài)補償資金[12]，通過農業(yè)灌溉用水設施改造、提高中水回用率等提高水資源利用率，達到節(jié)水目標。

3.2　加強水污染防治，落實水環(huán)境治理工程

1999年，湖北省頒布了《湖北省漢江流域水污染防治條例》，將漢江流域水污染防治的目標責任提升到一個新的高度；南水北調中線工程對漢江中下游點源和面源治理均布設了相應措施，實施城市污水收集處理和農業(yè)生態(tài)示范區(qū)建設。漢江中下游水污染防治力度加大，漢江干流水質得到改善，2010-2012年漢江中下游干流以Ⅱ類水質為主，部分斷面水質數據超標，超標的主要因子是氨氮和總磷。

引調水工程實施后，漢江干流污染物濃度進一步增加，應加強水行政主管部門職能，加大對入河排污口的監(jiān)管[13]。同時，根據《水污染防治行動計劃》，應提高城市污水收集和處理率，積極推動漢江中下游沿岸污水處理廠提標改造率，2017年底前全面達到一級A排放標準。農業(yè)方面調整農業(yè)布局及農業(yè)結構，發(fā)展高效、無污染的肥料和農藥，減少面源污染。

3.3　強化流域統(tǒng)一管理，開展生態(tài)調度

隨著漢江中下游梯級電站和航運樞紐的建設，相關主管部門均提出了水庫下泄生態(tài)流量的要求；為減輕“水華”發(fā)生幾率，仙桃斷面要求流量不小于500 m3/s，在每年的7、8月份，四大家魚繁殖要求漢江中下游水位上漲時間需持續(xù)3～8 d。為減輕水資源開發(fā)利用對水環(huán)境和水生生態(tài)的影響，實施漢江中下游聯(lián)合生態(tài)調度尤為必要。

漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護涉及防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)、灌溉等各方用水權益，南水北調中線工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程、引江濟漢工程、王甫洲、崔家營等梯級均有不同的管理單位負責運行管理，各部門存在一定的爭水利益糾葛，需要漢江流域管理機構組織建立協(xié)調機制，在生態(tài)優(yōu)先的前提下協(xié)商解決漢江中下游水量調度，開展生態(tài)調度，保證丹江口水庫一定的下泄流量，同時雅口、碾盤山、興隆三個已建梯級開啟全部閘門泄水，滿足四大家魚和鳡、鳤、鯮等珍稀魚類的繁殖需求，滿足水質保護和水生生物生境要求。

3.4　維護庫岸穩(wěn)定，開展生態(tài)修復

調水后丹江口水庫下泄水量減少，將使河道內常年裸露灘地面積增加，短期內如果植被沒有得到及時恢復，將造成河床下切，寬淺河段河槽游蕩頻繁，影響庫岸穩(wěn)定。因此，應實施一定的濕地保護和生態(tài)修復工程措施。針對漢江這樣的大型河流，在常水位以下應采取較為合理的護岸結構，利用非生物的網籠結構或生態(tài)混凝土進行岸坡防護，以抵御強烈的水流沖刷和頻繁水位變動的環(huán)境。在水位變動區(qū)及以上高海拔灘地輔以植物措施，濕地植物應選擇耐水淹、鄉(xiāng)土植物或具有水質凈化和景觀功能的物種，形成能夠調蓄洪水、滯留積物、凈化水質、為動植物提供棲息場所的生態(tài)岸坡。

4　結　語

漢江流域引調水工程解決了區(qū)域水資源分配不均的問題，將產生很大的經濟效益和社會效益，同時也將對漢江中下游的水文情勢、水環(huán)境、水生生態(tài)、濕地生態(tài)帶來不同程度影響。

通過不同工況條件下的對比分析發(fā)現(xiàn)，南水北調中線一期、引漢濟渭工程、鄂北水資源配置工程均實施后，對漢江中下游的累積影響較大，鄂北水資源配置工程實施對漢江中下游的影響相對較小。

為做好漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護工作，建議構建節(jié)水型社會，加強漢江流域綜合管理，保障河流生態(tài)流量；加強水行政主管部門職能，加大對入河排污口的監(jiān)管，減少點源和面源排放量和入河量；盡快建立流域協(xié)調機制，在生態(tài)優(yōu)先的前提下開展?jié)h江中下游生態(tài)調度；部分河段及時實施庫岸穩(wěn)定和生態(tài)修復工程，促進濕地生態(tài)得到有效保護。

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