丹江口-王甫洲區(qū)間生態(tài)調(diào)度認(rèn)識與實(shí)踐

丁洪亮 程孟孟 胡永光 顏劍 朱丹

摘要： 自南水北調(diào)中線一期工程通水以來，丹江口水利樞紐調(diào)度任務(wù)及調(diào)度方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，丹江口-王甫洲區(qū)間水溫降低、水流量及流速減小，導(dǎo)致伊樂藻等沉水植物大量繁殖，嚴(yán)重影響王甫洲樞紐的行洪與發(fā)電安全。為抑制水草過度生長，2020～2021年丹江口水庫連續(xù)2 a開展生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。綜述了丹江口-王甫洲區(qū)間水草災(zāi)害現(xiàn)象、危害、原因，介紹了2020～2021年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)實(shí)施情況，評價了實(shí)施效果。結(jié)果表明：丹江口-王甫洲區(qū)間生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)改善了漢江中下游的水生態(tài)環(huán)境，有效抑制了王甫洲庫區(qū)水草過度生長，加快了汛前庫水位消落，為水庫安全度汛奠定了基礎(chǔ)，同時提高了水資源利用效率，增加了發(fā)電效益。最后就進(jìn)一步做好生態(tài)調(diào)度防控水草過度生長危害提出了建議。

關(guān) 鍵 詞： 生態(tài)調(diào)度; 伊樂藻; 丹江口水庫; 王甫洲水庫; 南水北調(diào)中線一期工程

中圖法分類號： ?TU697.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.011

0 引 言

丹江口水利樞紐是漢江控制性骨干工程，也是南水北調(diào)中線工程水源地。丹江口水利樞紐大壩加高后工程任務(wù)調(diào)整為以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用。王甫洲水利樞紐是以發(fā)電為主，結(jié)合航運(yùn)，兼有灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大（2） 型水利工程，為丹江口水利樞紐的反調(diào)節(jié)電站，位于湖北省老河口市漢江干流上，上距丹江口水利樞紐30 km，是漢江干流上16級開發(fā)中的第10級。丹江口至王甫洲樞紐區(qū)間面積686 km 2，區(qū)間無較大支流，二者具有緊密的水力聯(lián)系。自南水北調(diào)中線一期工程通水以來，丹江口水利樞紐調(diào)度任務(wù)及調(diào)度方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，丹江口-王甫洲區(qū)間水溫降低、流量及流速減小，導(dǎo)致伊樂藻及其他沉水植物大量繁殖，當(dāng)?shù)そ谒麡屑~開閘泄洪時，大量水草被沖刷堆積于王甫洲水利樞紐壩前，嚴(yán)重影響了王甫洲樞紐的行洪與發(fā)電安全。相關(guān)學(xué)者對伊樂藻進(jìn)行了生物學(xué)特性研究：霍大兵? [1] 對其溫度適應(yīng)性及栽培技術(shù)進(jìn)行了研究;陳燦等? [2] 對不同光強(qiáng)下pH對伊樂藻光合機(jī)能的影響進(jìn)行了研究;李迪等? [3] 對伊樂藻對水體磷濃度的生理響應(yīng)開展了試驗(yàn)研究;成小英等? [4] 針對伊樂藻對硝氮、磷脅迫的急性響應(yīng)開展了試驗(yàn)研究。但缺少對伊樂藻在河道內(nèi)異常增殖的危害、成因、防控措施和生態(tài)調(diào)度調(diào)控的系統(tǒng)研究?；诖耍疚年U述了漢江丹江口-王甫洲區(qū)間水草災(zāi)害現(xiàn)象、危害、成因，介紹了2020～2021年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)實(shí)施情況，評價了實(shí)施效果，并針對進(jìn)一步做好生態(tài)調(diào)度、防控水草過度生長提出了建議。

1 丹江口-王甫洲區(qū)間水草過度生長現(xiàn)象

伊樂藻（ Elodea nuttallii ）原產(chǎn)于北美洲加拿大，為多年生沉水植物，與我國的苦草、輪葉黑藻同屬于水鱉科（ Hydrocharitaceae ）伊樂藻屬（ Elodea ）? [1] ，20世紀(jì)90年代由水產(chǎn)養(yǎng)殖戶引進(jìn)后便在漢江繁殖，自丹江口水利樞紐大壩加高蓄水運(yùn)行后，水文環(huán)境的變化使伊樂藻在丹江口至王甫洲區(qū)間河道以及崔家營庫區(qū)大量生長，形成茂密的“水下森林”，對王甫洲水利樞紐的行洪、機(jī)組安全運(yùn)行和下游水生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。這些影響包括：① 丹江口-王甫洲區(qū)間伊樂藻生物量非常大，水量大時被連根拔起或折斷，沖刷到王甫洲泄水閘至電廠攔污排區(qū)間，堵塞泄水閘弧門泄水口、淤積到攔污排前導(dǎo)致水下錨固的鋼絲繩和鏈接件松動或斷裂，嚴(yán)重影響水利工程功能和效益的發(fā)揮。2017年和2019年漢江秋汛期間大量伊樂藻斷枝在河道內(nèi)聚集，隨水流漂移至王甫洲電站和崔家營電站壩前，導(dǎo)致取水口攔污排外堆積大量水草，降低發(fā)電水頭，影響發(fā)電效力，2017年和2019年王甫洲電站發(fā)電損失5 100萬kW·h和2 400萬kW·h。② 洪澇期間大量的水草會阻礙水流，淤積阻塞航道，使船舶的螺旋槳被纏繞而難以航行，影響行船安全。③ 伊樂藻大量生長后覆蓋水面，阻礙大氣對水體的復(fù)氧作用，導(dǎo)致水體下部溶解氧不足，間接影響底棲水生生物群落的動態(tài)平衡。大量水草死亡沉落水中腐爛、分解，在生長期吸收的營養(yǎng)鹽又釋放回水體，成為水體營養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)源污染，腐爛發(fā)臭漂浮的水草影響河道水環(huán)境，堵塞城市取水口。④ 丹江口壩下至王甫洲江段水草物種生境被大量侵占，導(dǎo)致“生態(tài)失衡”。

2 丹江口-王甫洲區(qū)間水草增殖原因

2.1 丹江口大壩加高運(yùn)行后水溫變化

相關(guān)研究表明，伊樂藻具有耐寒性，高溫條件下易死亡，因此在冬春時空競爭中擁有明顯優(yōu)勢，而南水北調(diào)中線一期工程通水以后，王甫洲庫區(qū)水溫的變化朝著更有利于伊樂藻生長的溫度區(qū)間發(fā)展，為伊樂藻跨年度生長提供了有利條件。丹江口至王甫洲區(qū)間黃家港水文站水溫資料顯示，丹江口大壩加高運(yùn)行前后王甫洲水庫年平均水溫出現(xiàn)明顯變化（見圖1），整體呈下降趨勢，2014年之前均溫16 ℃左右，2014年之后降到14 ℃左右。夏季平均水溫明顯降低，冬、春季節(jié)平均水溫變化不明顯（見圖2）。主要原因是大壩加高后，水庫運(yùn)行水位提高，低溫水下泄導(dǎo)致區(qū)間水溫下降。據(jù)分析，大壩正常蓄水位加高至170 m后，5～8月深孔下泄水溫為8.6～9.5 ℃，較初期降低1.5～2.3 ℃，水庫下泄水溫與河道天然水溫的溫差總體是增大的? [5] ，減少了30 ℃以上水溫的發(fā)生概率。

2.2 丹江口大壩加高運(yùn)行后下泄流量變化

丹江口-王甫洲區(qū)間黃家港站流量資料顯示，丹江口大壩加高運(yùn)行前后年平均下泄流量明顯變化（見圖3），整體呈下降趨勢。流量極值比減小，多年平均流量和豐水期月均最大流量、枯水期月均最小流量的減少均較為明顯（見圖4）。主要原因是南水北調(diào)中線一期工程通水以后，為保證北調(diào)水量，水庫減少了向漢江中下游下泄水量，水量下泄過程趨于均勻。峰值流量的減少導(dǎo)致水動力條件減弱，使得伊樂藻等水草更容易生長存活。

3 丹江口-王甫洲區(qū)間生態(tài)調(diào)度實(shí)踐

3.1 生態(tài)調(diào)度方案確定

王甫洲月度運(yùn)行資料顯示，2017～2019年4～6月丹江口水庫向漢江中下游平均供水流量分別為540，1 340，519 m 3/s，實(shí)際運(yùn)行中王甫洲電站2017及2019年發(fā)生草災(zāi)，而2018年未發(fā)生草災(zāi)，初步說明汛前丹江口水庫下泄流量越大，對草災(zāi)防控越有利（見表1）。

根據(jù)王甫洲年度資料可知，當(dāng)春季丹江口水庫下泄流量較大且具有一定的波動性（極值比大于2）時，例如2016，2018年春季1～3月最大流量分別為593 m 3/s和1 030 m 3/s，大小流量極值比分別為2.07和2.15時，王甫洲電站則未發(fā)生草災(zāi)，因此流量波動性大小也對草災(zāi)防控有影響? [6] （見表2）。

由于丹江口水庫最小下泄流量不低于日均490 m 3/s，因此擬定生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)方案為：當(dāng)下泄流量均值一定的情況下，在不低于500 m 3/s基礎(chǔ)上，丹江口水庫采用波動式下泄，峰值流量按照2月份最低流量的2.0～3.0倍進(jìn)行設(shè)定，并保證不低于1 100 m 3/s。峰值流量每次持續(xù)時間不少于5 d，峰值過程不少于2次。

3.2 2020年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)情況

漢江集團(tuán)公司于2020年3月23日至4月30日組織實(shí)施了丹江口-王甫洲區(qū)間生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，歷時39 d，期間湖北省電力公司采用日間調(diào)峰方式對丹江口水庫進(jìn)行控制運(yùn)用，使?jié)h江中下游供水流量在641～ 1 270 ?m 3/s，最大流量與最小流量之比接近2倍，平均供水流量1 014 m 3/s（見圖6）。相較試驗(yàn)前（2020年1月1日至3月22日），雖然極值比有所減小，但是平均流量、最大流量、最小流量均增大較多，分別為試驗(yàn)前的 1.6 ，1.3，1.8倍。試驗(yàn)期間，漢江中下游河道水位明顯抬升，流速增加，3月20日模擬區(qū)域整體平均流速為 0.09 ?m/s，4月10日區(qū)域整體平均流速增加至伊樂藻正常生長的臨界流速值 0.14 ?m/s，增幅55.6%，整體水動力條件明顯改善，有效控制了丹江口-王甫洲區(qū)間水草過度生長。但是，伊樂藻分布較為密集的水岸新城和中洲島等關(guān)鍵典型位置，在調(diào)度期間區(qū)域平均流速未達(dá)到臨界流速值 0.14 m/s ，這說明生態(tài)調(diào)度的流量仍偏小，為后續(xù)生態(tài)調(diào)度的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。

3.3 2021年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)情況

2021年2月22～26日丹江電廠通過日間調(diào)峰方式實(shí)施了2021年第一次生態(tài)調(diào)度，期間丹江口水庫向漢江中下游供水流量在591～1 280 m 3/s波動，最大流量與最小流量之比超過2倍，平均供水流量941 m 3/s;3月8～12日實(shí)施了第二次生態(tài)調(diào)度，期間漢江中下游供水流量在464～1 240 m 3/s波動，最大流量與最小流量之比接近3倍，平均供水流量873 m 3/s。兩次生態(tài)調(diào)度，丹江口下泄流量超過方案設(shè)定值（849 m 3/s）6.8%，圓滿完成既定試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)前（2020年1月1日至3月22日），雖然極值比接近3倍，但是平均供水流量只有664 m 3/s，水動力不足，試驗(yàn)期間，平均流量是試驗(yàn)前的1.4倍、最大流量、最小流量均大于試驗(yàn)前，水動力學(xué)條件明顯改善，第二次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，伊樂藻高發(fā)區(qū)斷面平均流速由0.121 m/s提高至0.564 m/s，遠(yuǎn)高于伊樂藻生產(chǎn)臨界流速0.140 m/s。試驗(yàn)期間中下游流量控制情況見表3～5，以及圖7。

4 生態(tài)調(diào)度效果評價

控制伊樂藻的方式主要包括生態(tài)調(diào)度、物理攔截和機(jī)械打撈、生物操控（投放草食性魚類）、化學(xué)方法（主要是草甘膦等除草劑）、漂浮式光伏? [7] 。物理攔截方法已在王甫洲水利樞紐應(yīng)用，在電站取水口格柵前布置一道攔污排，但隨著水草堆積數(shù)量越來越多，部分水草擠過攔污排進(jìn)入取水口攔污柵導(dǎo)致攔截效果有限;機(jī)械打撈方法也被作為應(yīng)急措施加以應(yīng)用，但由于庫區(qū)水草量大面廣，打撈船晝夜不停作業(yè)也難以解決水草瘋長問題，而且經(jīng)濟(jì)成本較高;化學(xué)方法無法在此河段應(yīng)用，因?yàn)橥醺χ迬靺^(qū)是老河口市飲用水水源地，漢江干流是下游襄陽市、鐘祥市等地區(qū)的飲用水水源地，采用化學(xué)方法的環(huán)境風(fēng)險較大;生物操控方法在庫區(qū)大范圍增殖放流草食性魚類是否有效果具有不確定性。2020～2021年，在目前水庫水草危害防治缺乏可供借鑒和可供選擇的成功經(jīng)驗(yàn)的情況下，首次嘗試用生態(tài)調(diào)度方法防控水草，取得了良好的效果，為水庫水草防治積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2020～2021年度生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)是在保障南水北調(diào)中線一期工程用水需求的前提下實(shí)施的，生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)的實(shí)施不僅改善了漢江中下游的水生態(tài)環(huán)境，并且有效抑制了丹江口-王甫洲區(qū)間水草過度生長，同時也加快了丹江口水庫汛前水位削落，為水庫安全度汛奠定基礎(chǔ)。

（1） 在確保南水北調(diào)供水的前提下，改善了漢江中下游的水生態(tài)環(huán)境，有效抑制王甫洲庫區(qū)水草過度生長。2020～2021年度生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)是在確保南水北調(diào)供水安全的前提下開展的。2020年4月長江委批復(fù)陶岔渠首供水流量為350 m 3/s（含生態(tài)供水流量190 m 3/s），生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，陶岔渠首實(shí)際平均供水流量為346 m 3/s，與長江委批復(fù)流量基本一致;2021年2月和3月長江委批復(fù)陶岔渠首供水流量分別為180 m 3/s和270 m 3/s，2月和3月生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，陶岔渠首實(shí)際平均供水流量分別為210 m 3/s和267 m 3/s，保障了北方用水需求。

2020年生態(tài)調(diào)度期，漢江中下游平均供水流量達(dá)到1 010 m? 3 /s，2021年兩次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，漢江中下游平均供水流量分別達(dá)到941 m 3/s和873 m 3/s，較2014年通水以來同期平均流量594 m 3/s和609 m 3/s分別偏多58%和43%。生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，漢江中下游河道水位明顯抬升，流速增加，通過加大水流速和加大波動幅度，加強(qiáng)對沉水植物生長的干擾，有效抑制了王甫洲庫區(qū)水草增長，為魚類自然繁殖創(chuàng)造了有利水文條件，改善了漢江中下游水生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在生態(tài)調(diào)度影響下，丹江口-王甫洲江段伊樂藻總生物量呈逐年減少趨勢。同期相比，伊樂藻峰值生物量從2019年4.8萬t，減少至2020年1.3萬t和2021年0.58萬t。2021年伊樂藻峰值總生物量是2020年同期約45%，僅為2019年草災(zāi)年份同期約12%。

（2） ?加快庫水位削落，為水庫安全度汛奠定基礎(chǔ)。2020年3月23日生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)啟動時庫水位162.41 m，4月30日試驗(yàn)結(jié)束時庫水位160.23 m，已基本消落至汛限水位。如按年度供水計劃，則4月30日水位162.22 m，試驗(yàn)多降低庫水位2 m;2021年兩次生態(tài)調(diào)度丹江口水庫水位多消落0.36 m，第二次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)結(jié)束時庫水位已降至159.97 m，低于夏季防洪限制水位。生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)的實(shí)施加快了庫水位的消落，及時騰出了防洪庫容，為水庫汛期安全度汛奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3） 充分利用水資源，增加了發(fā)電效益。2020年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間，丹江口水庫向漢江中下游平均供水流量1 010 m 3/s，較年度供水計劃多490 m 3/s，多下泄水量16.51億m 3，折算增發(fā)電量約3億kW·h。2021年兩次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，丹江口水庫向漢江中下游平均供水流量較年度供水計劃（2月600 m 3/s、3月520 m 3/s）分別偏多57%和67%，多下泄水量2.91億m 3，也增加了電廠的發(fā)電效益。

5 結(jié)論與建議

以伊樂藻為主的沉水植物在丹江口-王甫洲區(qū)間大量增殖，對王甫洲電廠生產(chǎn)運(yùn)行安全和王甫洲庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全造成了影響，南水北調(diào)中線一期工程通水運(yùn)行以后，丹江口水庫實(shí)施了170 m蓄水位運(yùn)行，低溫水下泄和春、秋季低流量穩(wěn)定運(yùn)行為伊樂藻的生長繁殖提供了條件。從2020年和2021年丹江口水庫針對丹江口至王甫洲區(qū)間水草防控的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)來看，生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)不僅改善了漢江中下游的水生態(tài)環(huán)境，并且有效抑制了丹江口-王甫洲區(qū)間水草過度生長，同時也加快了丹江口水庫汛前水位削落，是防控區(qū)間伊樂藻異常增殖的有效途徑。

下一步建議持續(xù)開展伊樂藻植株脫落與水流流速和流量對應(yīng)關(guān)系的研究、深入開展生態(tài)調(diào)度方式研究等，為水草防控提供科學(xué)依據(jù)。有條件的情況下，開展秋季生態(tài)調(diào)度，同時王甫洲庫區(qū)以伊樂藻為主的沉水植物大量增殖是漢江流域新出現(xiàn)的生態(tài)現(xiàn)象，除目前已經(jīng)實(shí)施的物理攔截和生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)外，還可以嘗試開展王甫洲洲灘微地形改造，實(shí)施庫底清淤等措施進(jìn)行水草防控綜合治理。

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（編輯：黃文晉）

Understanding and practice of ecological operation in Danjiangkou-Wangfuzhou ?section in Hanjiang River

DING Hongliang 1，CHENG Mengmeng 1，HU Yongguang 1，YAN Jian 2，ZHU Dan 1

（ 1.Hanjiang Water Resources and Hydropower （Group） Co.，Ltd.，Wuhan 430048，China; 2.Hubei Hanjiang Wangfuzhou Hydropower Co.，Ltd.，Xiangyang 441800，China ）

Abstract：

Since the working of the first phase of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project，the operation task and mode of Danjiangkou Reservoir have been changed.The water temperature，water flow and velocity of Danjiangkou-Wangfuzhou section have decreased，resulting in the rapid growth of submerged plants such as Elodea，which has seriously affected the safety of flood discharge and power generation of Wangfuzhou Reservoir.In order to control the excessive growth of proposed aquatic plants，from 2020 to 2021，Danjiangkou reservoir carried out ecological operation tests.This paper summarized the phenomena，hazards and causes of water and grass disasters in Danjiangkou-Wangfuzhou section，introduced the ecological operation test from 2020 to 2021，and evaluated the implementation effect.The results showed that the ecological operation tests in Danjiangkou-Wangfuzhou section have improved the water ecological environment in the middle and lower reaches of Hanjiang River，effectively inhibited the development of aquatic plants in Wangfuzhou Reservoir area，accelerated the reduction of reservoir water level before flood season，thus laying a solid foundation for the safe operation of the reservoir in flood season，making full use of water resources and increasing the benefit of power generation.Suggestions on further ecological regulation and prevention and control of aquatic plant hazards are put forward.

Key words：

ecological operation; Elodea ;Danjiangkou Reservoir;Wangfuzhou Reservoir;first phase of the middle route of the Diversion Project