水庫生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵與模型探析

王慧斌

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110166）

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水庫生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵與模型探析

王慧斌

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110166）

摘要：水庫生態(tài)環(huán)境的安全對于修河流域水質(zhì)安全、生態(tài)安全及環(huán)境安全均具有重要意義，針對部分水庫調(diào)度存在的過分重視經(jīng)濟與社會效益，忽視對流域生態(tài)環(huán)境保護的問題，本文通過分析水庫生態(tài)調(diào)度遵循的基本原則與主要調(diào)度目標(biāo)，探索了水庫生態(tài)調(diào)度的模型，相關(guān)研究可為完善水庫的生態(tài)調(diào)度模式，實現(xiàn)生態(tài)調(diào)度綜合效益的最大化提供參考。

關(guān)鍵詞：水庫；生態(tài)；調(diào)度；模型

水庫作為流域的骨干控制性工程，是實現(xiàn)區(qū)域水資源時空科學(xué)配置、提高水資源利用率的重要工程手段，擔(dān)負(fù)著區(qū)域的防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水及農(nóng)業(yè)灌溉等一系列重要任務(wù)。然而，在水庫發(fā)揮其功能與效益的同時，受庫區(qū)淹沒、徑流阻隔與調(diào)節(jié)等多重影響，容易造成水系間連通性降低、水體污染加重、濕地萎縮以及下游河流生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列問題。在水庫的經(jīng)濟、社會效益與生態(tài)效益發(fā)生相互制約的情況下，需要將水庫調(diào)度方式進一步改善，實現(xiàn)水庫的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。實施水庫的生態(tài)調(diào)度作為一定時期內(nèi)經(jīng)濟、社會效益同生態(tài)環(huán)境效益互相平衡優(yōu)化之后的產(chǎn)物，成為解決該流域生態(tài)環(huán)境問題的重要手段［1］。鑒此，筆者分析了水庫生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵以及應(yīng)遵循的主要原則，提出了相應(yīng)的調(diào)度模型構(gòu)建思路，以期為水庫生態(tài)調(diào)度模式的進一步優(yōu)化提供有益借鑒。

1　水庫生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵

1.1 水庫生態(tài)調(diào)度基本原則

1.1.1 保障基本生活與生態(tài)需水量原則

水庫調(diào)度是緩解區(qū)域水資源緊缺矛盾的重要手段，針對部分年份遭遇極端干旱缺水的狀況，仍應(yīng)堅持人與自然和諧發(fā)展的原則，通過對極端缺水狀況下居民基本生活與生態(tài)需水量，將保障居民生活的最小耗水定額定為生活需水指標(biāo)，將河道枯水期一般性水生生物所能維系生存的最小水量定為生態(tài)需水量［2］，在保障居民生活需水與生態(tài)需水雙重指標(biāo)的前提下，壓縮生產(chǎn)用水量。

1.1.2 平衡防洪與生態(tài)保護關(guān)系原則

在汛期，平衡防洪與生態(tài)保護間的關(guān)系，是水庫防洪與生態(tài)聯(lián)合調(diào)度的關(guān)鍵原則。針對大洪水具有的不可控性的特征，在大洪峰到來之前為合理防控風(fēng)險，防洪調(diào)度應(yīng)優(yōu)先于生態(tài)調(diào)度方式，而當(dāng)大洪水處于退水階段且蓄泄平衡點逐步下降時，可利用此時水庫的下泄流量對庫區(qū)淤積的泥沙實施調(diào)水調(diào)沙等生態(tài)調(diào)度［3］。另外，針對中小洪水防洪風(fēng)險基本可控的特征，在保障防洪安全前提下，通過控制水庫汛限水位之上的調(diào)洪流量，延長下泄平灘流量過程，從而實現(xiàn)下游河漫灘以及洪泛濕地區(qū)域補充涵養(yǎng)水源，改善下游沿河生態(tài)環(huán)境的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。

1.1.3 水資源調(diào)度優(yōu)先級原則

我國《水法》第21條規(guī)定，在水資源緊缺的地區(qū)，區(qū)域水資源配置應(yīng)在保障生活需水優(yōu)先滿足的前提下，考慮滿足第二位的具備公共利益屬性的生態(tài)需水量，而處于用水第三順位的生產(chǎn)用水則可通過水市場的有償轉(zhuǎn)讓與配置獲得，同時應(yīng)防止因生產(chǎn)用水?dāng)D占生態(tài)用水而造成不可逆轉(zhuǎn)的河道生態(tài)退化［4］。由此可知，在水庫部分控制區(qū)域水資源緊缺的條件下實施水庫生態(tài)調(diào)度，生態(tài)用水要優(yōu)先于生產(chǎn)用水，而生產(chǎn)用水量則應(yīng)采取臨時手段實施壓縮或通過水權(quán)轉(zhuǎn)讓等形式獲取。

1.2 水庫生態(tài)調(diào)度核心目標(biāo)

開展水庫的生態(tài)調(diào)度須統(tǒng)籌兼顧區(qū)域經(jīng)濟社會效益，以及水系生態(tài)健康等因素，水庫的多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度主要涵蓋如下核心目標(biāo)。

1.2.1 減少水庫淤積與庫區(qū)污染

水庫的蓄水導(dǎo)致其原始的河流動水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閹靺^(qū)靜水環(huán)境，導(dǎo)致庫尾與庫區(qū)淤積大量泥沙。由于水庫滯水時間長，庫區(qū)水體中浮游生物大量增殖，水體富營養(yǎng)化問題突出［5］。因此，通過水庫的生態(tài)調(diào)度將庫區(qū)內(nèi)多余的淤積泥沙與較差水質(zhì)的水體泄至下游，從而最大限度地降低庫區(qū)泥沙淤積對水庫有效庫容的影響，改善水庫水質(zhì)。

1.2.2 維持庫區(qū)下游河道生態(tài)需水量

水庫通過生態(tài)調(diào)度來滿足下游的生態(tài)用水量包含三層含義。

（1）水庫生態(tài)調(diào)水應(yīng)維持下游河槽沖洗泥沙的基本需水量，從而防止河槽淤積；

（2）水庫生態(tài)調(diào)水量還須滿足下游河口區(qū)域生物系統(tǒng)需水量，并達到防止咸潮入侵的基本河槽流量［6］；

（3）水庫生態(tài)調(diào)水還需達到維持下游河槽沿岸地下水的入滲補給量，從而為岸邊植物與水生生物的生存提供穩(wěn)定的河床水位。

1.2.3 維護下游天然流態(tài)與水文周期

通過實施水庫的生態(tài)調(diào)度以滿足庫區(qū)下游的天然流態(tài)，涵蓋維持天然洪水流態(tài)、中等流態(tài)以及枯水流態(tài)等調(diào)度目標(biāo)。其中，維護下游洪水流態(tài)可在沖洗沿岸污染物質(zhì)、涵養(yǎng)地下水源、補充土壤含水量的同時，為部分水生生物提供平日無法達到的覓食區(qū)域以及良好的洄游產(chǎn)卵條件；維護中等流態(tài)即可在為下游輸運河道泥沙的同時，為水生生物帶來必要的食物以及有機質(zhì)［7］；所謂維持枯水流態(tài)，意即維護下游河道沿岸植被生長以及水生生物群落生存所需要的最基本的限制流態(tài)。

1.2.4 降低下泄水流的過飽和程度

水庫建成蓄水之后，庫區(qū)壩前發(fā)生水溫分層，庫區(qū)原始急流生境消失或萎縮，而庫區(qū)于升溫期內(nèi)下泄的水流較自然狀態(tài)時水溫更低，造成水生生物繁殖延期、生長緩慢以及發(fā)生“氣泡病”等不利影響［8］。因此，應(yīng)通過實施水庫生態(tài)調(diào)度降低下泄水流中氮氣含量的過飽和程度。

2　水庫生態(tài)調(diào)度模型構(gòu)建

2.1 水庫生態(tài)調(diào)度綜合效益評估模型

水庫實施生態(tài)調(diào)度的最終目的是尋求區(qū)域經(jīng)濟、社會以及生態(tài)用水綜合效益的最大化，因此，有必要依據(jù)水庫及下游區(qū)域經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境同水資源之間的關(guān)系，構(gòu)建適用于水庫生態(tài)調(diào)度綜合價值的評估模型。

模型可基于指標(biāo)體系法來構(gòu)建，并采用“和諧度”的模糊數(shù)學(xué)評價方法評估生態(tài)調(diào)度的價值。由區(qū)域水資源狀況、河道水文與水質(zhì)狀況、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境狀況等方面篩選出n個評估指標(biāo)，將各評估指標(biāo)分為優(yōu)秀、良好、中等、差與極差5個標(biāo)準(zhǔn)，并分別賦值分?jǐn)?shù)為5、4、3、2、1，通過指標(biāo)賦值與加權(quán)平均的方式定量化評估水庫生態(tài)調(diào)度的綜合決策價值。其中，為確保各指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性與客觀性，可采用專家咨詢法來賦值權(quán)重。構(gòu)建基于指標(biāo)體系法的水庫生態(tài)調(diào)度綜合效益定量評估模型可由式（1）表示：

式中，S代表水庫所控制水系生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟、社會用水的生態(tài)調(diào)度和諧度，0＜S≤1，其值越接近于1，表明生態(tài)調(diào)度用水和諧度越高；n表示指標(biāo)數(shù)；k表示各指標(biāo)占整體指標(biāo)體系的權(quán)重；Mi表示第i個指標(biāo)分?jǐn)?shù)。因此，構(gòu)建水庫生態(tài)調(diào)度評估指標(biāo)體系如表1所示。

表1　水庫生態(tài)調(diào)度評估指標(biāo)體系

由式1與表1計算可知，可將水庫生態(tài)調(diào)度綜合效益評估結(jié)果劃為四等，當(dāng)S≥0.85時，表明調(diào)度較為和諧；當(dāng)0.60≤S＜0.85時，表明調(diào)度一般和諧；當(dāng)0.40≤S＜0.60時，表明調(diào)度不和諧；當(dāng)S＜0.40時，表明調(diào)度極不和諧。

2.2 特征流態(tài)調(diào)度模型

河流的特征流態(tài)對于河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，水庫針對水資源所實施的在時空方面的調(diào)度，影響著庫區(qū)下游河道的天然特征流態(tài)，造成脈沖流量、生態(tài)洪水以及漫灘、平灘流量等特征流態(tài)的衰減或者消失。因此，有必要運用水庫的生態(tài)調(diào)度，通過庫區(qū)泄流補給的形式實施人工干預(yù)，營造特征流態(tài)［11］。在庫區(qū)下游來水大于特定極限值時，可通過水庫生態(tài)調(diào)度觸發(fā)生態(tài)洪水脈沖流量，特征流態(tài)決策目標(biāo)模型可由式（2）表示：

式中，QP表示水庫的下泄決策流量，m3/s；QR表示下游河道目標(biāo)基流量，m3/s；QT表示下游支流的匯入流量，m3/s；其中，QT＞T，T表示預(yù)設(shè)脈沖所產(chǎn)生的極限值，m3/s，通常可設(shè)定兩次脈沖時間間隔最小值為5天，以防止脈沖洪水發(fā)生過于頻繁；C表示補償因子，用以調(diào)節(jié)水庫下泄洪峰峰值大小的變化范圍，以保障水庫生態(tài)調(diào)度觸發(fā)的特征流態(tài)的穩(wěn)定性。

3　水庫生態(tài)調(diào)度長效機制探析

水庫在經(jīng)過長期運營之后，已經(jīng)形成以發(fā)電、供水、養(yǎng)殖等為主的經(jīng)濟效益導(dǎo)向型調(diào)度模式，針對下游河道的生態(tài)調(diào)度考量較少，若將現(xiàn)有水庫運營方式調(diào)整為生態(tài)環(huán)境友好型的調(diào)度運行模式，在可能對下游的防洪安全帶來較大壓力的同時，勢必直接影響水庫既得效益者的利益。因此，應(yīng)通過構(gòu)筑水庫生態(tài)調(diào)度長效機制，探尋評估水庫開展生態(tài)調(diào)度后各方利益的增益損失特征，并提出科學(xué)合理的補償機制以及法規(guī)、政策與管理對策，從而平衡調(diào)整各方利益，以保障水庫生態(tài)調(diào)度機制的長效發(fā)揮。

4　結(jié)語

實施水庫的生態(tài)調(diào)度是緩解與補償現(xiàn)有調(diào)度模式對流域生態(tài)環(huán)境不利影響、修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，促進區(qū)域經(jīng)濟社會與生態(tài)健康發(fā)展的重要保障。目前，國內(nèi)外針對水庫生態(tài)調(diào)度領(lǐng)域的研究尚處于初步階段，調(diào)度技術(shù)理論與體系尚未完善。值得注意的是，在現(xiàn)有實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上應(yīng)構(gòu)建完善科學(xué)的水庫生態(tài)調(diào)度管理機制，建立健全相關(guān)法律法規(guī)，并完善針對水庫生態(tài)調(diào)度綜合效果的識別與后評價體系，從而實現(xiàn)對水庫生態(tài)調(diào)度模式的動態(tài)調(diào)整并長效保障修河流域的生態(tài)安全。

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作者簡介：王慧斌（1982年—），男，工程師。

收稿日期：2015-10-09

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.013

中圖分類號：TV213.9

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0034-02