長江上游水庫群生態調度需求分析與研究現狀

辛小康，李迎喜，尹 煒

（長江水資源保護科學研究所，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 《長江流域綜合規劃 （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，雅礱江流域將建成兩河口-二灘梯級，岷江-大渡河流域將建成紫平鋪-瀑布溝梯級，嘉陵江流域將建成寶珠寺-亭子口梯級，烏江干流將建成洪家渡-彭水梯級。結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，中下游總調節庫容達到300億m3的干支流水庫群。

大型水利水電工程在防洪、發電、供水、航運、灌溉等方面發揮了重要的作用，推動了人類社會的發展與進步，但它們同時又對河流生態環境有顯著影響。相關研究認為: “在河流上大規模筑壩攔截河流水量 （發電、灌溉、控制洪水等），是河流生態環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，主要指庫區淹沒、泥沙淤積、下游河道沖刷引起河勢變化、河湖聯通關系的變化等。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修復工程，改善第二類影響需要優化現行水庫的運行調度方式[3]，實施生態調度。因此，水庫生態調度成為目前水文水資源領域的研究熱點[4-6]。雖然長江流域水資源豐富，總體開發利用水平僅為17.8%，但長江流域大型水庫群開發建設引起的生態環境問題逐步顯現，實施水庫群防洪、興利與生態環境保護綜合調度，合理安排蓄泄水時機，協調興利、防洪及生態環境保護之間的關系，使總體效益最大化，是十分必要和迫切的[7]。

1 水庫運行對生態環境的影響分析

（1）水文情勢發生改變。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，水量的年內變化趨于平坦，下游河道原有的水文節律被打破。Lauterbach等人研究發現，歐洲中部許多河流受水庫的調節，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需水要求，導致河流水生境破壞，甚至發生河道斷流[10]。同時，大壩的擋水作用改變了庫區水流條件，使庫區從急流 （流水）區轉化成靜水 （滯水）區[11]。

（2）水體溫度發生變化。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，庫區深水區水體溫度會下降，表現出溫度分層現象[3]；多數水庫都有強弱不同的水溫分層現象。Orlod根據水庫的調節性能，將水庫水溫分層分為穩定分層型、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，影響距離可達到數百千米[13-14]。而梯級水庫對河道水溫的影響更為復雜，存在波動性和累積性[15-16]。張黎明[17]采用數學模型計算的結果表明:三峽庫區4月～6月水體分層較強，垂向溫差大于8℃。

（3）庫區納污能力減弱。水庫建成后，庫區水體流速明顯降低，污染物極易產生富集。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、磷等物質的擴散和交換，易導致富營養化[19]。監測結果表明，從2003年三峽水庫首次蓄水開始，香溪河庫灣已發生多次春季水華現象[20]。

（4）水生態系統脆弱化。水庫對水生態系統的影響主要體現在三個層級: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，直接對物質流、能量流和信息流產生影響，這些都是水生生物的生源要素；第二個層級是對棲息地環境產生影響，主要是水流、泥沙條件發生變化以后，河道形態、泥沙沖淤過程、棲息地面積隨之發生變化；第三個層級是河流生態系統結構和功能發生變化，如水生生物種群結構、種群數量、物種密度等發生變化，這也是生源要素、棲息地環境發生變化的生態響應結果。可見，水庫的運行，無論是對生態系統的非生命物質環境還是對生物群落都產生了影響，使得水庫上下游生態系統脆弱化。

2 實施水庫生態調度的需求分析

以維護健康生態環境為目標，制訂水庫的優化調度方式，實施水庫的運行管理，被稱作水庫的生態調度。董哲仁認為: “水庫生態調度就是指在實現防洪、發電、供水、灌溉、航運等社會經濟多種目標的前提下，兼顧河流生態系統需求的水庫調度方法”[3]。蔡其華指出: “水庫生態調度，是在滿足壩下游生態保護和庫區水環境保護的基礎上，充分發揮水庫的防洪、發電、灌溉、供水、航運、旅游等各項功能，使水庫對壩下游生態和庫區水環境造成的負面影響控制在可承受范圍內，并逐步修復生態與環境系統[10]。”因此，實施水庫生態調度，首先必須明確水環境和水生態的保護需求，然后再確定水庫生態調度的合理目標，最后確定水庫生態調度方案。根據長江流域的基本情況，水庫生態調度主要存在以下幾個方面的需求。

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

（2）維系下游河道洪水脈沖。脈沖式洪水具有重要的生態效應，是生物生命史中的必要條件。洪水的發生也是生物開始新一輪生命周期的驅動力，特別是對產漂流性卵的 “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、洪峰發生時的初始水位、水位的日上漲率、斷面初始流量、流量的日漲率、漲水持續時間和前后兩個洪峰的事件間隔[23]。長江上游水庫群建設以后，必然對下游洪水會產生 “削峰補枯”的水文效應，適度維系水庫下游洪水脈沖是實施水庫生態調度的必然需求。

（3）調節下泄水流的水溫。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，水庫調節后下泄水水溫比自然情況有所升高，這對中華鱘的產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，導致 “四大家魚”開始產卵的時間被推遲，產卵期被縮短。目前，長江上游一些水庫根據水庫水溫的垂直分層結構，結合下游河段水生生物 （特別是魚類）的生物學特性，通過制定大壩不同高程泄水空口的運行調度規則，滿足魚類產卵、繁殖和生長的需要。

（4）適度抑制水庫庫灣水華。水華是水體富營養化的惡性病理反映。通常認為，藻類水華發生條件為充足的營養鹽 （主要是氮、磷物質）、低流速水體環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-輕富營養狀態。而水華易發期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，庫區流速較緩，特別是支流庫灣區域，成為準靜止區。這給水華的暴發提供了條件。優化水庫運行過程，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。河道形態是泥沙與水流條件長期相互作用的產物。穩定條件下的河流基本可達到輸沙平衡，河道形態不會發生明顯變化；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運行，表現出的基本規律就是庫區泥沙發生淤積，壩下游河道由于清水下泄發生長距離沖刷。三峽工程在設計時，就考慮采用 “蓄清排渾”的運行方式，以緩解庫區泥沙淤積，同時也可以對下游 “補沙”。

（6）突發水污染事故應急調控。隨著經濟社會發展水平的提高，水環境污染和水資源保護之間的矛盾越來越突出，發生突發水污染事件的幾率隨之增加。突發水污染事件對居民飲用水安全、河道生態環境安全構成極大威脅。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，如何啟動應急調度方案降低突發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對水庫群提出的迫切要求。

3 水庫生態調度國內外研究現狀

3.1 水庫生態調度需求分析

早期的研究成果并未形成水庫生態調度的概念，研究者們從不同角度對水庫優化調度提出了生態環境需求。如烏江洪家渡水庫設計時，考慮下游航運和生態要求，需保證下泄水量不小于75 m3/s，這是從基本生態需水量的角度提出的水庫調度方式[24]；又如在三峽水庫設計時，充分認識到水庫建設后庫區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，這是從泥沙調度的需求探討水庫調度方式[25]。

3.2 水庫生態調度目標分析

目前關于生態需水量調度目標分析研究最為系統，形成了多種計算生態需水量的方法。這主要為:①水文學方法，如Tennant法，7Q10法，Texas法，RVA法等；②水力學方法，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]。

在洪水脈沖調度目標方面，目前大多數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律[27]。有研究通過天然水文過程分析，得出中華鱘產卵場所需要的生態水文學特征，從而提出中華鱘產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，宜昌產卵場開始產卵；中游產卵場流速多為1～1.3 m/s，漲水后需要1～2 d甚至3 d才開始產卵[29]。

在水溫調節調度目標方面，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，提出物種產卵、孵化適宜水溫需求。如天然情況下，四大家魚在20～30℃產卵活動最為頻繁，同時胚胎發育適宜水溫為22～28℃[30]。

在適度控制庫區水華的調度目標方面，針對不同的河流、不同藻類水華，提出了水庫生態調度目標。如有研究以三峽庫區香溪河為例，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 水庫生態調度方法研究

水庫優化調度方案通過建立水庫調度模擬模型分析后提出，水庫調度模擬模型根據對入庫、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；按照水庫生態調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，可分為規劃優化模型和智能優化模型。規劃優化模型已由線性規劃算法發展到非線性規劃算法和動態規劃算法，后來又將逐步優化算法 （POA）應用到水庫優化調度中[32－33]。在過去20年間，智能優化算法以其杰出的魯棒性和高效性被廣泛地應用到水庫生態調度中，主要研究有粒子群優化算法 （PSO）[34-35]、遺傳算法（GA）[36]、差分進化算法 （DE）[37]、蟻群算法 （ACO）[38]、混沌優化算法等 （COA）[39]。

3.4 水庫生態調度示范情況

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下游水環境、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，沉積營養物質，修復河汊。2003年，美國大自然保護協會與50多為科學家共同推薦了東南部啥瓦爾河環境流量方案。該方案綜合考慮了河道、河漫灘、河口生態系統的水流需求，針對豐、平、枯3種水文年分別提出了3種環境水流組分的發生時間、頻率、持續時間、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，我國在水庫生態調度方面也開展了多項研究示范工作。如黃河干流實施的以 “調水調沙”為核心的水庫群生態調度，使年年發生斷流的黃河重獲新生。長江流域的烏江梯級，設計之時就考慮了基本生態流量和適宜生態流量的保障方案，水庫群運行調度狀況良好。2011年，長江三峽水庫實施以促進四大家魚產卵繁殖的生態調度試驗，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4 d的漲水過程。監測發現，宜都江段出現1次家魚產卵過程，魚卵徑流量為0.22億粒[40]。2005年～2008年，珠江流域對4個枯水期實施骨干水庫群統一調度，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調度研究展望

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

（2）建立水庫多目標調度協同方案。首先，需要深入研究長江流域水庫生態調度各需求對應的調度目標。對于維持河道基本生態流量而言，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。而對于水質調控而言，就是要研究提出長江干支流控制斷面的環境需水量，以及水污染事故應急調控下泄流量和持續時間。對于泥沙調控而言，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。這些調度目標有的要求高、有的要求低，而且對調度的時序要求不同，并且可能與水庫的防洪、興利調度目標相互矛盾。因此，必須對水庫的調度方案進行合理的安排，建立水庫多目標調度的協同方案或優先層級。

（3）研發水庫群綜合調度模擬技術。一方面，需進一步開發長江上游干支流水庫群聯合調度調算模型，計算不同來水條件下的水庫群防洪、發電、航運、供水、灌溉、生態環境保護相統一的水庫群綜合調度方案。另一方面，亟需建立適合長江流域的，兼顧水庫上下游、左右岸的數學模型或物理模型，對備選的水庫群綜合調度方案進行模擬、預測，評價其技術經濟效益，為正確制定水庫群運行調度規程提供技術支撐。

（4）研究水庫群綜合調度管理方案。水庫生態調度與興利調度往往存在矛盾和沖突，特別是水庫維持河道基本生態流量、調整水庫蓄泄過程、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，主體關系復雜、多元，對水行政主管部門而言，實施水庫群的綜合調度管理困難較大。因此，必須深入研究長江上游干支流水庫群綜合調度管理方案，理順管理體制，按照 “興利服從防洪、電調服從水調、專業服從綜合、局部服從整體”的原則，制訂以協商為基礎的長江上游水庫群綜合調度管理方案。

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