降低水庫富營養化風險的生態調度方式探討

沙元杰，劉 斌

（1.山東黃河河務局供水局，山東 濟南 250011；2.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510611）

自20世紀80年代以來，發達國家和部分發展中國家從調整大壩的運行調度方式入手，開展了大量生態調度實踐及研究，證實了生態調度是有效修復河流生態的主要手段[1][2][3][4][5][6]。隨著我國河流生態問題日益嚴峻，自2000年開始，以塔里木河、黑河應急生態調水、黃河調水調沙試驗為開端，我國陸續進行了扎龍濕地、南四湖、引岳濟淀應急生態補水、引江濟太、淮河閘壩聯合水質調度、珠江壓咸補淡應急補水等生態調度嘗試，為我國的生態調度實踐打下了堅實的基礎。上述生態調度都是為了解決下游生態問題而進行的，目前以自身生態調度解決自身富營養化問題的生態調度理論和實踐還鮮見報道。

河流水能資源的開發一般自河流的上游起，由上而下地進行階梯狀開發。從水能利用和建庫條件的角度，大型水庫一般布置在上、中游，對于中、小流域大型水庫往往是“龍頭水庫”，即第一梯級水庫。從地理位置上，大型水庫一般位于山區；從水溫結構上，大型水庫一般常年水溫分層或季節水溫分層型；從水文特征上，大型水庫水深一般能達到幾十米甚至上百米，庫區流速緩慢（一般低于0.1 m/s），水體更新慢、水齡長；從水庫功能上，除發電外，一般還兼有防洪、供水、航運等綜合開發任務。由于庫容大、流速緩、交換律低，加上工業、生活電源及面源污染物的大量輸入，使這樣的大型龍頭水庫易發生富營養化，但由于上游缺少大型水庫，往往難以通過上游水庫調水稀釋緩解富營養化狀況，因此研究以降低自身富營養化風險為目標的大型水庫生態調度方式就顯得非常重要。

1 工程概況

萬峰湖位于南盤江干流中游河段，壩址左岸是貴州安龍縣，右岸是廣西隆林縣。庫區涉及云南省羅平縣、廣西隆林、西林縣，貴州省興義市和安龍縣。萬峰湖水庫以發電為主，其壩址以上集雨面積50 139 km2，多年平均流量616 m3/s。水庫正常蓄水位780 m，死水位731 m。水面面積173.7 km2，總庫容102.6億m3，屬多年調節水庫。裝機容量1 200 MW，年發電量52.26億kW·h。萬峰湖庫容比為1.89，為水溫分層型水庫。

2 營養物來源及富營養化狀況

2.1 營養物來源

萬峰湖的氮總負荷為47 654.95 t/a，磷總負荷為6 784.32 t/a。上游南盤江的營養物輸入萬峰湖營養物（上游+庫區）的主要來源，以工業點源為主，其中氮負荷占總負荷的67.15%，磷負荷占總負荷的91.75%。庫區污染源以農村生活面源、農田面源、水庫養殖污染為主，其中水庫養殖為萬峰湖庫區營養物的主要來源，其中氮負荷為5 254 t/a，占庫區總負荷的47.8%；磷負荷為672 t/a，占庫區總負荷的61.83%。

2.2 水質及富營養化狀況

2004—2007年萬峰湖水質超標程度較高，污染主要體現在總磷、總氮超標，枯水期超標最為嚴重。2009年開始進行綜合治理以來水質逐步好轉，富營養化情況有所減緩。萬峰湖易發生富營養化的季節為冬季，2007年曾出現網箱養魚因富營養化大量死亡而索賠的案例。

3 富營養化機制

采用2004—2009年萬峰湖氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、總磷、水齡和水溫指標分析決定葉綠素濃度的主成份。通過SPSS18.0統計軟件對監測數據進行主成分分析，確定評價主因子數，完成各監測斷面水質綜合評價。從主成分的碎石圖（圖1）和主成份分析表（表1）來看，萬峰湖葉綠素濃度的主要決定因子為總磷、水齡。

圖1 萬峰湖主成分分析碎石圖

表1 萬峰湖水庫各參數指標的主成分分析

由主成份分析結果可知，水齡是葉綠素濃度的決定因子之一。采用改進版的Comprehensive Aquatic Simulation Model（CASM）建立水庫三維生態動力模型，通過控制水庫生態系統的營養源強（IN）和水齡進行敏感性試驗，分析這些因素對藻類水平的影響見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，提高營養源強將提高系統整體物質水平，藻類、浮游動物、魚類等生物量將隨之增加。例如，水齡保持恒定而源強增加至現狀的3倍，則藻類生物量將增加至40~50 g/m3。另一方面，減少水庫水齡則有助于營養鹽和藻類等的稀釋擴散，從而降低藻類水平。若水齡減少倍數與營養源強增加倍數相當，則能維持約10 g/m3的藻類水平。數值模型同樣可以證明減少水齡可以降低富營養化發生的幾率和水平，同時水齡長短可以通過生態調度進行人工干預。

圖2 藻類生物量隨源強和水齡的變化 g/m3

圖3 源強變化時藻類、浮游動物和魚類的響應

4 調度目標與思路

萬峰湖水庫壩高水深，庫區水體流速慢，水體交換律較低，且入庫水質差、庫區有大量的投餌網箱養殖，導致庫區部分水域曾出現富營養化甚至水華現象。近幾年當地政府采取一定治理措施后，使萬峰湖水環境得到一定改善，富營養化情況得到緩解，但仍存在一定的水環境風險隱患。從水環境及水庫調度運行現狀調查結果可知，萬峰湖豐水期水質較好，但枯水期總氮、總磷超標，局部水域有水華或死魚現象；萬峰湖回蓄時間晚，水庫蓄滿率偏低，根據萬峰湖水庫近13年的運行記錄，水庫僅有2008年最高水位779.98 m及2007年最高水位779.86 m接近蓄滿外，其余年份最高水位均不足778.00 m，甚至出現2011—2012年連續兩年水庫最高水位低于汛限水位的極端情況。總的來說，萬峰湖水庫蓄滿率低，水齡時間長，水體交換律低，枯季富營養化水平較高。

本次針對萬峰湖枯季富營養化水平較高、水庫蓄滿率偏低等問題，提出以改善萬峰湖庫區水環境、提高水庫蓄滿率為主要目標的生態調度方案，在不影響水庫防洪安全條件下，通過優化萬峰湖的調度方式，加快庫區水體流動速度及水體交換律，尤其是枯水期庫區的水體流動速度，使萬峰湖水庫的水環境得以改善。

5 生態調度方案

萬峰湖枯季富營養化水平較高、水庫蓄滿率偏低，水齡時間長，水體交換律低，枯季富營養化水平較高。在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區的水體流動速度及水體交換律，降低水齡，使萬峰湖水庫的水環境得以改善。

根據水庫長系列調度調算，優化調度方式后，枯水期平均出庫流量增加57 m3/s，枯水期水體交換律由原來的1.4增加至1.53，較原來增加了0.13。可見經優化的調度方式能有效提高枯水期水體更新率，降低水庫富營養化風險。

水庫優化調度方式后，在主供水期（12～2月）加大發電流量，有利于抑制珠江三角洲咸潮上溯，改善下游水環境質量。優化后的調度方式使萬峰湖多年平均發電量增加2.13億kW·h，結合2010年萬峰湖的上網電價0.209元/kW·h，萬峰湖發電效益可增加4 452萬元。可見優化后的調度方案不僅能改善生態效益，還能帶來壓咸、發電等綜合效益。

6 結論與展望

南方大型水庫冬季一般沒有冰凍期，夏季較長、溫度高、濕度大，浮游植物生長旺盛，更容易發生富營養化狀況。同時大型水庫一般為流域開發的“龍頭”，上游缺少控制性蓄水水庫，因此一般不具備靠上游水庫調度補水解決其富營養化問題的條件。

以點源和內源為主的大型水庫（如萬峰湖），入庫營養物負荷年內變化小，夏季由于承擔防洪功能，水庫在汛限水位運行，加之降雨豐沛，一般不發生富營養化現象。冬季水位抬升、庫容增加，水庫流動性變差，水齡增長易發生富營養化狀況。

以主成份分析方法分析萬峰湖葉綠素濃度主要受總磷和水齡制約，通過三維水生態動力模型可以證明，通過調度減少水齡可以有效降低水庫發生富營養化的幾率。萬峰湖枯水期易發生富營養化狀況，在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區的水體流動速度及水體交換律，降低水齡，可使萬峰湖水庫的水環境得以改善。優化后的調度方案不僅能改善生態效益，還能帶來壓咸、發電等綜合效益。

本論文提出的生態調度方案是針對萬峰湖的富營養化問題所提出的一種調度方式，仍需進一步分析論證其與防洪、發電等其他興利調度的協調性以及如何具體實施，是對此類大型水庫在日后的規劃、設計和日常管理中提出的一種新的調度需求和思路。