贊比西河流域水庫實施環境適應性管理

［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，發源于安哥拉和贊比亞，終于莫桑比克三角洲;全長2 600多公里，流經8個國家，控制流域面積140萬km2，其中近40%位于贊比亞境內。卡富埃河為贊比西河的最大支流，卡富埃河平原是重要的濕地生態系統。

為滿足日益增長的電力需求，在過去50 a內，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900 MW;②伊泰濟泰濟水庫，1978年建成，裝機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1 200 MW，近期擴容至1 470 MW;④莫桑比克的卡奧拉巴薩水電站，1974年建成，裝機2 075 MW。

贊比西河仍有未開發的水電資源，近期一些新的水電開發計劃被提上日程。其水資源利用包括水力發電、防洪、航運、漁業、供水和灌溉。除為工農業生產和居民生活供水外，河流生態系統還發揮著旅游、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目－非洲大壩研究項目(ADAPT)及其主要研究成果。根據ADAPT研究成果，提出了優化大壩運行管理的建議，以改善水質和實施水資源管理。

1 非洲大壩研究項目

該項目旨在從流域和區域層面加強對贊比西河流域內大型水庫和濕地的水資源綜合管理。

(1)明確從數據采集、概念及數學模型的研究活動中獲得研究成果。

(2)構建科研—政策互動平臺，致力于能力建設(學生交流和培訓活動)及跨學科綜合研究。

參與研究的機構包括贊比亞大學水資源綜合管理中心，莫桑比克愛德華多蒙德拉納大學工程研究中心，瑞士洛桑市巴黎綜合理工學院水工實驗室，瑞士聯邦政府水科學與技術所，系統生物學、環境工程、環境決策、生物地球化學和污染物演變的研究機構，蘇黎世聯邦科技研究所的國際研究、發展和合作高級研究中心。

為實現最大程度的綜合管理，贊比西河流域政府機構、非政府組織(NGOs)和私有公司全都參與數據采集及進程討論。

2 大壩對泥沙、碳及營養物質通量的影響

在全球范圍內，水庫攔蓄泥沙的重要性體現在能減少生態系統內營養物質從陸地流失到海洋，比如有機物、碳、氮及磷。在贊比西河流域，ADAPT成果可以證明大壩建設減少泥沙向下游濕地的輸送。有機碳、磷、氮的大平衡和模擬結果被用于評價伊泰濟泰濟水庫營養物質的輸送狀況。總體上，約有50%的氮和60%的磷在水庫沉積下來。

2.1 生態效應評價

泥沙淤積不是營養物質減少的唯一原因。通過反硝化作用及有機物循環利用，氮、碳被釋發到大氣中。大平衡計算表明，測定法低估了河流營養物質的輸入量。伊泰濟泰濟水庫生物地球化學循環特點表現為初級生產力顯著提高，有機物循環較快，亦即大量的有機物被埋藏在沉積物中。卡里巴湖大平衡模型計算表明，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泰濟水庫中的有機碳、氮、磷的沉積率較低，但實際上在這些營養物質貧乏地區，河流營養物質相對減少。下游生態系統也因碳、氮、磷可用量較少而受到不利影響，如生態系統生產力降低、魚類產量降低，還有可能影響卡富埃平原的農業可持續生產。

卡富埃河漫灘為營養物質和碳循環的熱點地區，在洪水季節碳、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。大壩運行對河流－洪泛區的時空交替變化并沒有產生顯著影響，但使一個水文循環中的側流減少了50%。

在熱帶地區，水電站的水輪機和壩下游排氣，被認為是溫室氣體(甲烷)排放的重要來源。卡里巴湖匯水區有機物輸入量相對較高，釋放甲烷。在這些地方的限制區域內，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 調整大壩運行方式

伊泰濟泰濟水庫季節性分層，1 a內多數月份的滯水層氧化作用較弱，躍溫層營養物質濃度較低。因此水庫下泄水層決定著下游水質。

當前，伊泰濟泰濟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排放。即將安裝的新機組是利用深層水發電，最大引水流量為360 m3/s。在新的運行條件下，下游水質將取決于下層滯水層水的特性，這樣將對下游卡富埃平原地區漁業可持續發展產生潛在影響。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。伊泰濟泰濟水庫不同運行模式下的出水水質模擬結果，可為水輪機取水方案優化提供支撐。

3 水資源管理的水文水力學模型

至今，還未對贊比西河進行過逐月水文水力學模型研究，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用公共領域源代碼。目前在南非應用的模型已經取得了較好的效果，將有助于準確定義水文過程。土壤和水體評價模型(SWAT)是應用于公共領域的流域尺度模型，它得到了美國農業部農業研究草原土壤水服務中心的積極支持。SWAT2009是基于連續時間的半分布式物理模型，由多個子模型組成，包括水資源模型。其原理是對每個地理亞單元積雪、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。

為使模型能適應非洲河流流域的大型泛濫平原，創建了水庫源代碼。利用雙方程模型計算流出量(取決于水庫水深)和穩定的水庫下泄基流，運用敞開式頂堰流量計算公式來計算豐水期上游來水量。此外，相對于子流域來說，主要的泛濫平原和湖泊規模更大，子流域的流域面積依賴于水庫面積，因此在水預算計算中，要考慮洪水淹沒面積的擴大和縮小。總之，一個新程序被用于計算的水輪機的出流量和大壩的溢出量，均取決于庫水位和運行管理曲線。

入流數據和下泄流量觀測值的質量對模型取得理想結果至關重要。盡管如此，但在不同類型的輸入數據中，降雨量最為重要。因此，自1998年以來，一直將美國國家航空航天局的標準降水測量成果—熱帶測雨衛星3B42第6版作為降雨源。

利用美國環境預測中心、國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析資料，對溫度柵格(日最低最高氣溫)進行編譯。為了建立模型，非洲及全球大多數地區通常采用以下數據集。

(1)美國地質調查局公共領域地圖數據庫HYDRO1K的數字高程模型，該模型基于全球數字地形高程模型GTOPO30。

(2)聯合國糧農組織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格。

贊比西河流域徑流系列資料由全球徑流數據中心(GRDC)負責管理。在全球數據庫中，該河流域有67個日觀測站和30個月觀測站的資料。此外，贊比亞水行政主管部門還提供了贊比亞流域上游34個站點的徑流數據清單。贊比西河管理局負責卡里巴大壩和卡布拉·巴薩大壩的運行管理，也提供了一些關于這2座大壩運行以來的相關資料。根據以上資料，建立了405個子流域和778個水文響應單元的數據模型。

由于流域面積較大，用了2 a時間(1998～1999)來校準率定使模型穩定。為了和人工水庫歷史上的徑流相匹配，在穩定期結束時，對最初庫容量進行了調整。1998～2003年被再次用于校準期，2004～2006年則作為驗證期。

多目標優化算法(AMALGAM)作為自動優化算法，用來選擇最佳參數設置。對于現存的所有水文站和水位站，利用Nash－Sutcliffe系數、體積誤差百分比來評價觀測成果。校準模型顯示，其結果和校準期、驗證期的觀測數據有較好的一致性。

利用模型分析模擬了擬建與已建水電項目的疊加情景，以及環境流量和氣候變化過程。該情景分析的主要目的是評估新建水電站對能源生產和環境流量的影響，然后對一些重要斷面，按照年均發電量、可靠電力供應和水文情勢變化進行對比。環境流量獲得了較好的經濟學評價，同時水庫運行管理方式也得到了優化。

4 優化水資源配置

在將水文過程的控制方程作為約束條件時，水電經濟模型通常把水資源配置和經濟學結合在一起，旨在使流域內經濟效益最大化。模型的隨機雙動態規劃(SDDP)可以為經濟利益最大化提供有效指導。

以水電開發占主導地位的流域為例，蓄水設施建設對流域產生了很大的負面影響，包括移民安置、生態系統退化及水文情勢變化。但是對于電力生產來說，水電創造了明顯的經濟效益，同時減少了人類遭受洪水及干旱的威脅。已投入運行的3座最大水庫(卡里巴、伊泰濟泰濟和卡布拉巴薩水庫)，每年可產生經濟效益4.43億美元。該效益中考慮了卡布拉巴薩三角洲下游區域洪水期間的生態要求，附加經濟效益10美元/1 000 m3。通過改變水庫運行方式，可增加雨季的下游徑流。研究結果表明，上游水庫之一的卡里巴水庫受水庫群聯合調度影響較大。研究強調，以流域系統分析法全面調查評估潛在權衡需求的必要性。卡里巴湖水位波動較大，系統狀態決定下游徑流量: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，使其自身的發電量最大化。

為協調大壩運行、利益共享以及用水戶成本分攤之間的關系，需要制定一系列的政策。有效的流域層面合作管理機制也可以減輕未來與水相關的挑戰，比如人口和經濟增長、農業灌溉需求的增加等。

如果不采取有效的合作機制，流域內發展灌溉的經濟成本將達到年收益的10%。必須強調的是，沿岸各國之間的收益和損失的分布格局不均，是流域內水資源高效共享的主要障礙。

5 結論與展望

需要強調的是水電既有優點也有缺點，可持續水資源管理應該處理好能源收益和環境約束之間的平衡關系。ADAPT研究結果表明，當前大壩運行會對贊比西河流域泥沙和養分運輸產生影響;提出的水文、經濟及生物地球化學模型，是優化水資源綜合管理實踐(IWRM)的有效工具，可以通過調整水輪機尾水的高程來改善下游水質。為了優化贊比西河流域水資源配置，至關重要的是，流域范圍內主要沿岸國家之間應統籌協調水庫的運行方式。此外，需要平衡環境要求和電力生產之間的關系，以使新建水電站適應未來需要。

本文提及的模型正在建立中，以期進一步為贊比西河流域實施水資源可持續管理提供技術支撐。在ADAPT框架內，正在進一步開展有關卡富埃河流域水文情勢變化對生態影響方面的研究工作。