控制漢江丹江口至王甫洲區(qū)間伊樂藻的生態(tài)調度及其效果評估

辛小康 熊斌 顏劍 李建 田曉敏

摘要：為科學有效控制漢江丹江口至王甫洲區(qū)間伊樂藻（Elodea nuttallii）過度生長繁殖，研究生態(tài)調度的實施效果，采用生物量調查法、分布面積統計法、數學模型模擬法等方法分析生態(tài)調度實施前后伊樂藻總生物量和分布面積的變化情況，并探討對丹江口水庫下泄流量的需求。結果表明，連續(xù)3年實施生態(tài)調度，伊樂藻總生物量由2019年的4.8萬t減少至2022年的40.11 t，分布面積由11.60 km2減少至0.23 km2，減幅均達到了95%以上；伊樂藻生物量占沉水植物總生物的比重從99.99%減少至17%，生態(tài)調度效果較好；春季生態(tài)調度應重點從增加流量極值比出發(fā)進行中度干擾，夏秋季生態(tài)調度重點從滿足0.14 m/s臨界流速出發(fā)進行大流速沖刷。研究結果明確了王甫洲水庫伊樂藻的生態(tài)調度需求，為持續(xù)開展伊樂藻“災害”防控提供了參考基礎。

關鍵詞：伊樂藻；生態(tài)調度；效果評估；王甫洲水庫

中圖分類號：Q948? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）01-0152 -08

生態(tài)系統結構穩(wěn)定是生態(tài)系統持續(xù)發(fā)揮功能的基本前提（欒建國和陳文祥，2004），然而部分物種異常增殖，打破生態(tài)平衡，不僅危及水生態(tài)系統結構本身的安全，而且對人類生產生活帶來不利影響。近年來，漢江王甫洲庫區(qū)伊樂藻大量生長繁殖給生產、生態(tài)帶來了嚴重影響。伊樂藻（Elodea nuttallii）隸屬于水鱉科伊樂藻屬，是一種原產于美洲的多年生沉水草本植物，雌雄異株，既可有性繁殖，也可營養(yǎng)繁殖；能忍受一定程度低溫，長期高溫條件下會死亡。伊樂藻最適合的光照強度為3 500～5 600 lx，光合補償點在400～500 lx（周曉紅等，2008），一般可在3.5 m水深以下區(qū)域生長。當水溫高于10℃時，伊樂藻開始快速生長，水溫長期高于30℃時，其冠層開始凋亡分解，而當水溫重新低于30℃后，伊樂藻進行年內第2次萌發(fā)生長（Kunii，1982；霍大兵，2008）。伊樂藻主要分布在低流速的區(qū)域（Mazej Grudnik ＆ Germ，2013），在平均流速0.09 m/s的河流中為優(yōu)勢物種，蓋度達57.5%，而在平均流速為0.14 m/s的河流僅占7%的蓋度（Heidbüchel & Hussner，2020）。伊樂藻莖稈較脆，流速超過一定范圍，易形成斷枝。伊樂藻常分布于中營養(yǎng)或寡營養(yǎng)水體（靳萍等，2013；Hoffmann et al，2015），是螃蟹、小龍蝦和部分魚類的主要食物（Pine ＆ Anderson，1991）。多年以來，人們主要關注其如何在河湖水體中繁殖建群（霍大兵，2008；成小英和雍佳君，2014），對如何控制伊樂藻的研究并不多見。2014年以來，漢江干流丹江口至王甫洲區(qū)間（王甫洲庫區(qū)）持續(xù)出現伊樂藻大量生長繁殖，導致航道阻塞，影響水力發(fā)電設備正常運行，阻礙洪水演進，減小河道泄洪能力。在伊樂藻生長末期，莖稈死亡后迅速分解，成為內源污染，對老河口水廠飲用水水源地水質造成影響（謝林伸和莫妙興，2012）。因此，有必要對丹江口至王甫洲區(qū)間過度生長的伊樂藻群落進行適度控制。

相關文獻對控制沉水植物過度生長進行了一些研究（張嘉琦等，2013），采用草魚（Ctenopharyngodon idellus）、鳊（Parabramis pekinensis）等生物控藻（蔡樹伯等，2015；王曉平等，2016）雖然具有生態(tài)損傷小的優(yōu)勢，但是魚類增多后，其排泄物會對水源地水質造成潛在風險。王甫洲庫區(qū)伊樂藻量大面廣，機械打撈成本高，在深水條件下實施難度大，目前在研究區(qū)域被用作應急處置措施。作為老河口市的飲用水源地，化學方法也不宜實施。生態(tài)調度方法具有影響范圍廣泛、作用效果直接、副作用小的特點，對于相對敏感的丹江口至王甫洲江段而言較合適。

李建等（2023）總結了伊樂藻的生長特性，利用2020年的水文、水生態(tài)調查數據，結合中洲島區(qū)域流速模擬初步分析了防控丹江口至王甫洲江段伊樂藻的生態(tài)調度需求，為開展生態(tài)調度試驗提供了基礎。本文基于2020-2022年近3年的生態(tài)調度試驗及2019-2022年4年現場生態(tài)調查結果，分析討論了生態(tài)調度試驗效果，進一步明確了控制研究區(qū)域內伊樂藻的生態(tài)調度需求，為持續(xù)開展伊樂藻“災害”防控提供借鑒。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為丹江口大壩至王甫洲大壩區(qū)間的漢江干流段，河長30 km，見圖1。丹江口水庫正常蓄水位170.0 m（黃海高程，下同），相應庫容290.5億m3，是一座以防洪、供水為主，結合發(fā)電、航運等綜合利用的大型水利工程。王甫洲水利樞紐設計洪水位88.11 m，正常蓄水位86.23 m，調節(jié)庫容0.28億m3（王現正等，2020）。本河段屬于順直微彎河段，河道彎曲系數1.2，水深范圍0～9.0 m，平均水深4.1 m，從上至下分布有羊皮灘、木排港、中洲島、水岸新城凸岸等淺灘。

1.2? ?研究方法

1.2.1? ?平面二維水動力數學模型? ?采用MIKE21水動力模型評估丹江口水庫不同下泄流量（王甫洲水庫不同入庫流量）對研究河段流速的影響，MIKE21水動力模型控制方程為納維―斯托克斯方程，并采用有限體積法求解計算得出流速場（DHI，2012）。

1.2.2? ?水生態(tài)調查與監(jiān)測方法? ?分別于2019年8月，2020年6月、7月、8月、10月，2021年1月、2月、5月、7月、8月、11月，2022年2月、3月、5月、6月、8月、10月開展現場調查共16次，調查了水深、流速、水溫、氣溫、生物量和水草分布范圍，調查時期重點選擇春季萌發(fā)期及生態(tài)調度前、后時期。各指標監(jiān)測采用規(guī)范推薦的分析方法，見表1。

2? ?生態(tài)調度試驗過程

2.1? ?2020年生態(tài)調度試驗

2020年針對伊樂藻實施了第1次生態(tài)調度試驗，調度時間從3月23日至4月30日。（1）調度流量過程：丹江口水庫采用波動式下泄流量過程，分2次增加至1 100 m3/s，每次5 d，其余時間按照650 m3/s進行調度，整個調度歷時39 d。丹江口水庫下泄流量過程和王甫洲水庫入庫流量過程基本一致。（2）王甫洲水庫水位調度過程：在水庫正常蓄水位86.23 m基礎上，采用波動式水位變化過程，分2次降低至85.8 m，每次5 d，其余時間按照正常蓄水位86.23 m進行調度。期間王甫洲入庫流量及水位日均值過程見圖2。

2.2? ?2021年生態(tài)調度試驗

2021年針對研究區(qū)域的伊樂藻實施了3次生態(tài)調度試驗，其中春季調度2次，夏季調度1次。2021年2月22-26日通過丹江口電廠日間調峰方式實施了第1次生態(tài)調度，期間丹江口水庫下泄流量在591～1 280 m3/s波動，平均下泄流量941 m3/s；2021年3月8-12日實施了第2次生態(tài)調度，期間丹江口水庫下泄流量在464～1 240 m3/s波動，平均下泄流量873 m3/s；2021年7月26-31日，結合丹江口庫區(qū)和上游地區(qū)降雨及漢江中下游防洪需求，丹江口水庫加大下泄流量，首次開展了夏季生態(tài)調度試驗，期間丹江口水庫最大下泄流量達到3 500 m3/s，調度持續(xù)5 d，期間王甫洲入庫流量及水位日均值過程見圖3。

2.3? ?2022年生態(tài)調度試驗

2022年2月1-15日，實施了春季生態(tài)調度試驗，期間王甫洲水庫日均入庫流量在578～1 500 m3/s之間波動，日均流量極值比（最大流量與最小流量比值）2.60，王甫洲壩前水位最高達到86.20 m，最低85.85 m。生態(tài)調度期間王甫洲水庫入庫流量及水位日均值變化見圖4。

3? ?結果與分析

3.1? ?生態(tài)調度控制伊樂藻的效果

3.1.1? ?伊樂藻總生物量變化? ?比較統計年內伊樂藻最大生物量以評估生態(tài)調度控藻工作實施效果。2019年8月份研究區(qū)域伊樂藻最大總生物量達到了4.8萬t，在丹江口水庫大流量下泄期間發(fā)生水草災害，大量伊樂藻被沖刷至王甫洲水電站進水口，嚴重影響水電站正常運行。經過2020年春季生態(tài)調度，2020年8月份研究區(qū)域伊樂藻最大總生物量減少至1.3萬t，為2019年同期的27%。2021年春季持續(xù)開展生態(tài)調度，2021年8月份研究江段伊樂藻最大總生物量進一步下降至0.58萬t，是2020年同期的45%，2019年同期的12%。經過2021年夏秋季生態(tài)調度以及2022年春季生態(tài)調度作用，研究區(qū)域2022年伊樂藻最大總生物量僅為40.11 t，遠小于2019-2021年最大總生物量，見圖5?？梢钥闯?，生態(tài)調度控藻后，近4年伊樂藻最大總生物量呈逐年減小趨勢，生態(tài)調度效果比較明顯。

3.1.2? ?伊樂藻空間分布面積變化? ?為了進一步說明生態(tài)調度實施效果，根據現場調查結果統計了2019-2022年度伊樂藻生長高峰期的分布面積（圖5），2019年8月份，伊樂藻分布區(qū)域遍布整個丹江口至王甫洲江段，總面積約為11.60 km2，2020年經過春季生態(tài)調度后，伊樂藻面積減少至2.02 km2，2021年經過生態(tài)調度之后，面積減少至0.48 km2，2022年伊樂藻分布總面積進一步減少至0.23 km2，伊樂藻生長高峰季節(jié)的分布面積呈現出逐年減小趨勢，進一步印證了生態(tài)調度效果明顯的結論。

3.2? ?生態(tài)調度機理討論

目前關于生態(tài)調度控制伊樂藻的機理研究并不多，經過現場持續(xù)監(jiān)測，推測可能的原因主要有中度擾動機制和大流速沖刷機制。

3.2.1? ?中度擾動機制? ?中度干擾假說（intermediate disturbance hypothesis）是由美國生態(tài)學家Connell等于1978年提出的一個生態(tài)學假說，認為一個生態(tài)系統處在中等程度干擾時，其物種多樣性最高（Connell，1978；Ward ＆Stanford，1983）。從生態(tài)調度過程中的流量變化來看，春季生態(tài)調度試驗流量并不大，并未達到伊樂藻根莖斷裂所需的沖刷流量1 500 m3/s以上（李建，2023），但仍然起到抑制伊樂藻生長的效果，特別是生態(tài)調度實施后，王甫洲庫區(qū)的伊樂藻春季萌發(fā)時間比未開展生態(tài)調度時期推遲1個月左右，其原因正是入庫流量的波動干擾作用。統計2016年以來王甫洲入庫流量在春季的極值比（最大流量與最小流量比值）（表2），可以看出，2017年和2019年發(fā)生水草災害年份，1-3月份水草萌發(fā)季節(jié)的流量波動不足，流量極值比僅為1.32和1.34，而2016年、2018年、2020年、2021年未發(fā)生水草災害年份，其1-3月流量極值比均大于2.0。說明在春季沉水植物萌發(fā)季節(jié)，實施中等尺度干擾，能夠限制某些優(yōu)勢物種過度生長，促進生物多樣性。

3.2.2? ?大流速沖刷機制? ?伊樂藻莖稈較脆，遇到較大流速沖刷時極易斷裂，這也是2017年和2019年在秋汛來臨時大量斷枝堆積到電站取水口前的原因?；蔽男诺龋?020）、Heidbüchel和Hussner（2020）開展原位觀測和室內試驗認為流速是影響沉水植物在水中覆蓋度的重要因素，這主要是由于大流速易使伊樂藻莖稈斷裂，從而減少生物量，也減少了第2次萌發(fā)的繁殖體。通過對2011年以來王甫洲水庫入庫流量過程進行分析發(fā)現，2017年和2019年發(fā)生水草災害年份的上一年度甚至前幾個年度長時間來水偏枯，其中2012-2016年出現連續(xù)5個枯水年，伊樂藻在連續(xù)枯水環(huán)境下可以跨年度累積生長，形成了基數很大的繁殖體，在2017年夏季達到了很高的生物量，當2017年秋季洪水到來時，在大流量沖刷作用下，大量伊樂藻被沖刷至王甫洲電廠取水口前，形成水草災害。2019年水草災害發(fā)生前，在2018年也遭遇了較枯水文過程，全年未出現大流量洪水脈沖，同時2019年1-3月份水草萌發(fā)季節(jié)和4-6月份水草快速生長季節(jié)的流量過程缺少波動性，秋季洪水到來時即發(fā)生了水草災害，見圖6。而在2021年，夏秋季借助大洪水過程開展生態(tài)調度，王甫洲水庫最大入庫流量超過了3 500 m3/s，大量伊樂藻通過泄水閘被沖走，庫區(qū)伊樂藻殘留量不多，下一年伊樂藻大量繁殖已不具備條件。

3.3? ?生態(tài)調度需求分析

采用平面二維水動力數學模型計算研究區(qū)域生態(tài)調度前后的垂線平均流速分布，分析靠沖刷抑制伊樂藻生長繁殖的臨界流速閾值及調度流量需求。模擬2020年3月20日（春季生態(tài)調度前）區(qū)域整體平均流速為0.09 m/s，4月10日（調度期間）區(qū)域整體平均流速增加至0.14 m/s，增幅55.6%，整體水動力改善效果較為明顯。2021年春季生態(tài)調度前整體流速約為0.12 m/s，最大流速2.53 m/s。2月22-26日第1次生態(tài)調度期間區(qū)間平均流速增加至0.21 m/s，最大值增加至3.07 m/s；3月8-12日第2次生態(tài)調度期間區(qū)間平均流速增加至0.15 m/s，最大值增加至2.88 m/s。7月27-30日丹江口水庫單次大流量下泄期間，丹江口至王甫洲區(qū)間整體平均流速從調度前約0.27 m/s增加至調度期間0.41 m/s，最大流速從調度前3.01 m/s增加至調度期間3.51 m/s。伊樂藻分布比較集中的3個典型區(qū)域調度前后平均流速及最大流速變化見表3。根據模擬分析結果，生態(tài)調度試驗期間，中洲島、木排港流速基本達到了0.14 m/s的臨界流速閾值，而水岸新城由于其特殊地形構造，春季生態(tài)調度流速未能達到閾值。

進一步設計了不同入庫流量和王甫洲水庫水位下降相結合的調度工況，用數學模型模擬重點調控區(qū)域水岸新城和中洲島區(qū)域的流速，統計結果見表4，可以看出，考慮到王甫洲水庫水位降幅超過0.5 m不利于電站本身的安全，要達到沖刷中洲島伊樂藻0.14 m/s的臨界流速，丹江庫水庫下泄流量應不低于1 500 m3/s，要達到沖刷水岸新城伊樂藻臨界流速，丹江口水庫下泄流量應不低于3 000 m3/s，同時王甫洲水庫調節(jié)水位降幅不應小于0.5 m。

結合中度擾動機制和大流速沖刷機制，研究提出春季和夏秋季調度需求如下：（1）春季考慮到南水北調中線工程供水需求，丹江口水庫下泄流量受限，建議丹江口水庫采用波動式下泄方式，其峰值流量按照2月份最低流量（生態(tài)流量490 m3/s）的2.0～3.0倍進行設定，并且應保證峰值流量不小于1 000 m3/s，峰值流量盡可能達到沖刷中洲島伊樂藻的臨界流量1 500 m3/s。調度持續(xù)時間不少于5 d，峰值流量過程不少于2次。（2）結合夏秋季防洪需求，丹江口水庫下泄峰值流量盡量達到3 000 m3/s，同時王甫洲水庫水位采用降低水位運行方式，水位從正常蓄水位86.23 m降低0.5 m左右，保證水岸新城淺灘處達到0.14 m/s臨界流速，調度持續(xù)時間不少于5 d，峰值流量過程不少于2次。

3.4? ?生態(tài)調度對生物群落的影響

2019-2022年現場調查結果顯示，漢江干流丹江口至王甫洲區(qū)間水生植物物種組成發(fā)生了較大變化（圖7），從2019年伊樂藻生物量占比最大，逐漸演替為穿葉眼子菜（potamogeton perfoliatus linn）、竹葉眼子菜（Potamogeton wrightii Morong）、菹草（Potamogeton crispus）等本土物種的比例大于伊樂藻，特別是2021年大洪水過后，本土物種在演替競爭中成功戰(zhàn)勝了外來入侵種伊樂藻。伊樂藻占比從2019年的99.99%減少至2022年的17%，穿葉眼子菜、竹葉眼子菜、菹草等本土物種生物量占比從2019年不到1%增加至2022年約70%。對比分析伊樂藻生物量和分布面積以及水生植物物種結構變化，生態(tài)調度引起的中等尺度擾動對水生植物的影響是全面的，對于外來入侵物種具有較強的抑制作用，對于提高水生植被的生物多樣性具有促進作用。

4? ?結論

伊樂藻在漢江干流丹江口至王甫洲區(qū)間過度繁殖對生態(tài)和生產造成不利影響，適度控制伊樂藻生長具有重要意義，生態(tài)調度方法具有可行性。

（1）控制漢江干流丹江口至王甫洲區(qū)間伊樂藻生長繁殖的臨界流速為0.14 m/s左右。

（2）生態(tài)調度抑制伊樂藻生長繁殖的機制主要是中度擾動機制和大流速沖刷機制，中度擾動機制使得春季伊樂藻萌發(fā)受到影響，促進水生植物的多樣性；大流速沖刷機制主要利用伊樂藻莖稈易折斷特點，減少現存繁殖體。

（3）2020-2022年丹江口水庫聯合王甫洲水庫的生態(tài)調度試驗效果表明：生態(tài)調度控制伊樂藻過度繁殖的效果很好，總生物量和分布面積減少95%以上，生態(tài)調度實施后王甫洲庫區(qū)水生植物物種組成呈現出多樣性增加趨勢。

（4）生態(tài)調度有春季、夏秋季2個時期，春季受限于丹江口水庫下泄流量限制，可采用波動幅度較大的流量過程（極值比大于2）進行干擾，峰值流量不小于1 000 m3/s；夏秋季利用丹江口水庫泄洪過程，可采用大流量沖刷，峰值流量不低于3 000 m3/s，將斷枝從泄洪閘排走。

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（責任編輯? ?熊美華）

Ecological Regulation and Effectiveness Evaluation of Elodea nuttallii

Controlling in Danjiangkou-Wangfuzhou Section of Hanjiang River

XIN Xiao‐kang1，2， XIONG Bin3， YAN Jian3， LI Jian1， TIAN Xiao‐min3

（1. Changjiang water Resources Protection Research Institute， Wuhan? ? ?430051， P.R. China;

2. Changjiang River Water Resources Commission Innovation Team for Flood and

Drought Disaster Prevention， Wuhan? ? ?430010， P.R. China;

3. Hubei Hanjiang Wangfuzhou Hydropower Co.， Ltd.， Laohekou? ?441800， P.R. China）

Abstract：In recent years， excessive growth of Elodea nuttallii in the Wangfuzhou reservoir area of Hanjiang River has adversely effected the ecological environment and services. It is therefore important to control E. nuttallii growth. Previous research has shown that ecological control of E. nuttallii， is feasible and reliable， and it was used in the Wangfuzhou reservoir area during the period 2020-2022. We studied Hanjiang River from Danjiangkou to Wangfuzhou， measured the effectiveness of ecological control and identified the Danjiangkou reservoir discharge pattern that most effectively controlled E. nuttallii. The study was based on data collected over the 3 years （2020-2022） of monitoring ecological regulation in Wangfuzhou reservoir and 4 years of in situ ecological monitoring in the study area （2019-2022）. Biomass surveys， statistics on the area of distribution， and mathematical model simulations were used to analyze and evaluate the changes in biomass， and distribution area before and after implementation of ecological control. The total biomass of E. nuttallii decreased from 48 000 tons in 2019 to 40.11 tons in 2022 and， after ecological control for 3 years， the distribution area decreased from 11.60 km2 to 0.23 km2， a decrease of over 95%. The proportion of E. nuttallii biomass in the total biomass of submerged plants decreased from 99.99% to 17%， indicating effective control. We recommend ecological discharge regulation that focuses on moderate E. nuttallii control by increasing the extreme flow ratio in spring， and focuses on high flow velocity erosion with a critical flow velocity of 0.14 m/s in summer and autumn. Our study identified the optimal discharge flows from Danjiangkou reservoir for controlling E. nuttallii， and provides a reference for preventing excessive E. nuttallii growth.

Key words：Elodea nuttallii; ecological regulation; effectiveness evaluation; Wangfuzhou reservoir

收稿日期：2023-11-11

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2021YFC3200304）。

作者簡介：辛小康，1985年生，男，博士，高級工程師，研究方向為流域水資源保護。E-mail：xin.xiaokang@163.com