目標生態需求下的梯級水庫生態銜接水位指標構建及運用方式初探

王 琨，周 波，郭 衛，邵 駿，歐陽碩

（長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430000）

0 引 言

河流生境、河流生態流量、河流生態系統健康評價、河流生態修復等為當前河流生態的熱點研究問題［1］。其中，水文學領域常以Tennant 法、流量歷時曲線法、水文指數法等方法計算的生態流量為指標開展河流生態研究。當前研究多側重于生態流量的內涵、目標需求、計算方法及保障措施等［2-4］。隨著梯級水庫群的開發建設，天然水文情勢被改變，對河流生態系統造成不可忽視的威脅，生態流量相關研究也更加復雜。國內關于河流生態指標和河道內生態保護目標的關系的研究中，葛懷鳳［5］確定了基于生態-水文響應機制的小浪底水庫壩下生態流量方案；沈忱［6］基于保護區魚類關鍵繁殖時期及不同河段水文過程，制定了保護區內梯級水庫調控的下泄流量范圍及過程；何奇鍇［7］通過設置變區間生態需水閾值的方法，來滿足3-5 月份三峽水庫的魚類產卵。在關于生態調度的研究中，郭衛［8］根據梨園水電站尾水河段魚類繁殖所需流量、水溫條件，確定適宜生態調度時機；龍凡［9］針對溪洛渡和向家壩水庫，建立了包含4 種生態流量約束方案的發電優化調度模型；模擬了不同來水情景下的試驗性生態調度；王祥［10］以水溫和來水量為約束條件，通過量化三峽-葛洲壩梯級水庫運行約束，構建模型，得出6月下旬-7月較適宜開展生態調度的結論。

目前國內用于表征水生生境健康程度的水文指標仍是以流量為主，結合水庫的蓄放水策略和水溫的季節性變化規律來開展生態調度。但是對應不同的生態保障目標，其水生生境需求也是不同的。以魚類為例，其生存、繁殖對水流特征的響應，不僅在于流量，還在于水深/水位；此外，不同魚類的分布具有顯著的地理特征。水電站壩下～尾水這一區間是一段十分敏感的區域，既是部分魚類的產卵場，又是電站下泄水量和梯級銜接的關鍵位置。

水位銜接常用于水電開發工程規劃設計中水能計算及正常蓄水位的比選，不僅與梯級開發河段水能資源的利用與共享有關，還關系到河流生態環境安全及河流航運等方面。本文以金沙江中游干流為研究區域，以滿足魚類產卵繁殖為目標，提出一種可操作性較強的、基于相鄰梯級水庫水位銜接和生態流量下泄運用的聯合調控方式，將河流生態健康的評估指標由流量進一步拓展到水深，將運用方式從僅由上一梯級控制下泄轉變為相鄰梯級通過下泄流量和庫水位聯控，以期在盡量少損失水電站發電效益的情況下，更精準地保障梯級間具體河段位置的目標生態需求。

1 生態銜接水位

本文所指生態銜接水位，是面向被水利工程阻斷的河段的基本生態需求，在生態控制斷面處判別上下兩個梯級水庫是否銜接的臨界水位。下游庫水位應能達到所述生態銜接水位，使其與上游水庫銜接；當不滿足生態銜接水位時，應結合生態流量的保障措施，通過梯級水庫調度運用，以滿足河段基本生態需求，這一概念涉及以下幾個關鍵問題。

1.1 生態控制斷面的選擇

按照傳統的水庫水位銜接的定義，銜接位置通常考慮為上游水庫壩下或尾水。當下游水庫在某一運行水位下回水末端可達到上游水庫壩下/尾水出口，認為此時兩水庫銜接，否則認為不銜接。

對壩下和尾水這兩個位置比較可知，尾水位置通常在壩址下游一定距離，對于某些長尾水水庫，尾水出口距壩址較遠。若以尾水出口作為生態銜接水位的控制斷面，則即便尾水與下游庫水位銜接，也無法保障壩下至尾水之間河段的水位、流量，從而無法滿足河道內生態需求的連貫性。只有將壩下作為控制斷面時，水位銜接才可保證兩水庫間無脫水河段，進而滿足生態需求。因此，將水庫壩下河道斷面作為生態控制斷面。

1.2 生態需求

金沙江是長江流域生態多樣性最豐富的地區，珍稀和特有魚類有112種，占長江特有魚類總數的79%，在維持生態系統的結構和功能方面具有不可替代的作用［11］。因此，選取金沙江中游河段（以下簡稱“金中河段”）為研究區，將關鍵生態需求對象確定為魚類。

產卵繁殖是魚類生命周期中的關鍵生物過程，對水文過程的響應十分敏感。以繁殖習性劃分，金沙江主要魚類可分為產漂流性卵和產黏沉性卵兩類，產漂流性卵魚類產卵需要一定洪水過程，關鍵控制要素包括水溫狀態、起始流量與日均漲水率；產黏沉性卵魚類則對水文水動力特征條件有更明顯的選擇性［8］。

金中河段分布的重要魚類集中于各梯級庫尾的干流江段及支流匯口附近，因此梯級水位的銜接情況及生態流量下泄情況直接影響著目標魚類的產卵乃至種群數量和結構。

因此，本次研究總的目標生態需求為目標魚類的生存繁殖所需的水生生境，目標江段為各梯級壩下至庫尾江段，目標生態銜接水位為適宜重要魚類產卵的水位。

1.3 生態銜接水位的運用方法

生態控制斷面處的生態銜接水位，由上游梯級（A）的下泄流量和下游梯級（B）的運行水位共同控制，以使壩下～尾水區間保有一定淹沒水深，而該水深適宜目標魚類的產卵、繁殖。以生態控制斷面處剛好達到這一淹沒水深所對應的水位作為生態銜接水位，通過下游梯級回水頂托下的尾水水位流量關系推算至壩下，與適宜的淹沒水深相協調。該水位通過上游梯級泄放生態流量的措施和下游梯級以某一水位運行共同實現。

通過上下游梯級水庫聯合調控，以生態控制斷面的水位H滿足生態銜接水位H銜接為目標，形成生態銜接水位與生態流量的聯動響應機制。

（1）當H≥H銜接時，若H已超過目標魚類產卵場適宜水深上限，采取適當減少梯級A的下泄流量或降低B運行水位的措施；若H位于適宜水深區間，A可維持生態流量下泄，并可短時間內小于生態流量下泄，B可適當降低運行水位，但應以H下降至接近H銜接的某一位置作為預警信號，準備啟動（2）方案調度運用。

（2）當H＜H銜接時，可通過A 及時加大下泄流量或B 適當抬高運行水位或兩種方式并行，將H逐步恢復至H銜接。

1.4 生態銜接水位的適用范圍

以生態銜接水位來約束梯級水庫的調度運用這一方法，在梯級地理位置關系和時段方面均有其適用范圍。

（1）對于最低運行水位（死水位/極限死水位）已經可以回水至上游梯級壩下且已可以達到生態銜接水位，該調控手段不發揮作用。

（2）對于最高運行水位尚無法回水至壩下、與上游梯級間有一段天然河段的水庫，也不適用該方法。

綜合（1）和（2），生態銜接水位適用于兩個部分銜接的水庫。該方法對金中梯級的適用性較好。

（3）魚類產卵通常發生在某一時段。以金中河段為例，目標魚類產卵季節通常在汛前的幾個月，產卵期為實現上述生態需求的關鍵時期。

2 梯級水庫適宜淹沒水深指標構建

計算生態銜接水位，關鍵在于構建適宜淹沒水深指標。根據各梯級庫尾河段重要魚類種群構成，分別識別產卵期所需的河道水生境條件，尋找其適宜淹沒水深的交叉區間，構建尾水河段的淹沒水深指標，再結合最小下泄流量和水位流量關系確定生態控制斷面處的生態銜接水位。

2.1 金中河段重要魚類種群分布

金沙江中游河段生態調度種常見的目標魚類主要有圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、長絲裂腹魚和細鱗裂腹魚等。其中，圓口銅魚、長鰭吻鮈、長薄鰍為產漂流性卵類群魚類，長絲裂腹魚、細鱗裂腹魚為產黏沉性卵類群魚類。

上述目標魚類的產卵場分布見表1。

表1 金沙江中游河段目標魚類產卵場分布表Tab.1 Distribution of target fish spawning grounds in the middle Jinsha River

2.2 目標魚類產卵適宜淹沒水深指標構建

金沙江中游河段目標魚類產卵所需的水生生境，與流量、水位、水溫等水文要素緊密相關。其中，適宜流速和水深是刻畫生態銜接水位的關鍵。

滿足目標魚類的產卵水文條件時，其他金沙江中游重要魚類（如各種裂腹魚、各種鮡等）的產卵條件通常也能夠滿足。裂腹魚類和長鰭吻鮈在金沙江中游分布最廣，裂腹魚類喜在淺水礫石灘涂上進行產卵繁殖，長鰭吻鮈產卵場底質為通常為砂、卵石，其他重點魚類產卵水深范圍類似［8］。因此以長絲裂腹魚、細鱗裂腹魚和長鰭吻鮈為代表，來構建適宜淹沒水深指標。

魚類有其最適產卵水深范圍，而當水深超出某更大區間時，則難以發現該魚類產卵繁殖活動。因此將適宜淹沒水深指標分為分別為適宜區間(d1，d2)和極限區間(dmin，dmax)，分別對應最適產卵水深范圍和可見產卵繁殖活動的水深范圍。對上述3種魚類的產卵水深范圍取外包，結果見表2。

表2 適宜淹沒水深指標構建表 mTab.2 Construction of suitable inundation depth index

從表中可知，適宜淹沒水深指標的適宜區間為（0.6 m，3.3 m），在該區間內，較適宜至少一種魚類的產卵活動；極限區間為（0.1 m，5.7 m），在該區間內，可見至少一種魚類的產卵活動。

3 生態銜接水位適應性指標

3.1 金中梯級水庫回水長度及減脫水河段

統計金沙江中游梨園～觀音巖電站壩址間距離及河底高程見表3。梨園～觀音巖河段梯級兩兩相接，在下游水庫以正常蓄水位運行時，回水末端都可至上游梯級壩下；而下游水庫以死水位運行時，僅龍開口和魯地拉可回水至上游梯級壩下，其中龍開口剛剛回水至金安橋壩下，魯地拉與龍開口壩下河底還留有1 m的淹沒水深。

表3 金中梯級回水長度統計表 mTab.3 Backwater length statistics of the cascade reservoirs on the middle Jinsha River

以上各電站中，僅魯地拉尾水出口與大壩距離較遠，其余電站尾水出口均緊鄰壩下位置。此外，各電站壩下均布置有泄水建筑物。因此，金中梯級泄放生態流量可分別依托尾水及大壩泄洪建筑物，保證壩下河段不斷流。

3.2 生態銜接水位指標構建

阿海～觀音巖電站在正常運用的狀態下，必有介于死水位～正常蓄水位之間的庫水位可回水至上游梯級壩下，使得壩下水深滿足適宜淹沒水深的范圍，相應的壩下（生態控制斷面處）水位即為生態銜接水位。其中龍開口死水位剛剛回水至金安橋壩下，魯地拉死水位與龍開口壩下河底還留有1 m的淹沒水深，尚留有抬高水位、增加淹沒水深以適宜魚類產卵的空間，因此金中梯級滿足生態銜接水位的適用條件。同時由各梯級的泄放水措施，可以滿足上游泄水、下游回水的銜接位置可以在壩下～尾水間。

除了龍開口和魯地拉外，其余梯級在低水位運行時，通過上游水庫泄放水，還會形成一定長度的天然河段。如各水庫死水位運行時，梨園、阿海、魯地拉壩下分別可形成2.5、5.0、5.8 km的天然河段，通過尾水水位流量關系，可求得在某一流量區間內，壩下河段水深可以維持在適宜淹沒水深的范圍內。而在其余庫水位運行條件下，上游水庫也可通過相應泄水量達到生態控制斷面處的生態銜接水位和壩下某一區段內的適宜淹沒水深目標。

梨園～觀音巖壩下生態銜接水位指標構建見表4。

表4 生態銜接水位指標構建表Tab.4 Construction of ecological connected water level

3.3 滿足適宜淹沒水深的河段

壩下生態銜接水位的取值在最低值至最高值之間，對應滿足適宜淹沒水深的河長區間。此處分別考慮魚類可產卵河段長度最大和適宜產卵區間最靠近壩下兩種典型情形，推算壩址下游滿足適宜淹沒水深的河段長度。

（1）魚類可產卵河段長度最大。以適宜淹沒水深極限區間（0.1 m，5.7 m）作為起點（壩下生態控制斷面）和終點（下游某一斷面）的水深，得到的至少可見一種魚類產卵的河段長度最大，此時生態銜接水位處于下限值，但該區間內適宜魚類產卵的河段距壩下相對較遠。

式中:H壩下為壩下生態銜接水位，m；Z為壩下河底高程，m；dmin、dmax為極限區間的下限和上限，m；Lmax為魚類可產卵的最大河段長度，km；J為河道比降，‰；L1、L2為適宜區間起點、終點距離壩下的里程，km。計算結果見表5。

表5 滿足適宜淹沒水深的河段最大長度成果表Tab.5 Maximum length of the reach that meets the suitable inundation water depth

（2）適宜區間距壩下最近。壩下生態控制斷面處的水位越高，淹沒水深越大，則下游滿足適宜淹沒水深的河段越短，水深在適宜區間的河段離壩下越近。當壩下水深剛好為適宜下限0.6 m 時，水深在適宜區間的河段起點就位于壩下位置，此時生態銜接水位為適宜下限值。

這種情況下的河段長度計算結果見表6。

表6 壩下水深為適宜下限時滿足適宜淹沒水深的河段長度成果表Tab.6 The river length that meets the suitable inundation depth when the dam water depth is suitable for the lower limit

4 生態調度運用模擬

4.1 目標魚類產卵期所需條件及調度啟動時機

除生態銜接水位和適宜淹沒水深外，金中河段目標魚類產卵所需的水生生境還與流量、水溫等水文要素緊密相關，詳見表7。為滿足金沙江中游不同段水溫條件同時達到目標魚類產卵生境需求，將調度啟動時段選擇在5 月中旬-7 月。根據對這一時段長系列徑流過程分析，分別選擇6 月10 日和6 月20 日2個調度啟動時機，起始水溫分別設為:產漂流性卵魚類18 ℃、產黏沉性卵魚類13 ℃。

表7 金沙江中游河段重點魚類產卵期所需水生境條件Tab.7 Water habitat conditions for target fish during spawning period in the middle Jinsha River

4.2 生態調度模擬效果

依據對未來15天金中各梯級來水流量的預測及相應水位、水深的分析，模擬1965-2021年長系列梯級水庫調度操作過程。以魚類可產卵河段長度最大為模擬情景，在滿足適宜淹沒水深的極限區間內，調度模擬結果顯示，6 月10 日和20 日啟動調度的長系列滿足率分別約22%、57%，啟動來水條件如表8。可見，金中梯級在6 月中下旬后開始試驗性生態調度更有利于生態調度目標的實現。

表8 面向魚類產卵需求的金沙江中游河段生態調度模擬條件和效果Tab.8 Simulation conditions and results of cascade reservoir ecological scheduling

5 結 語

（1）在壩下斷面處構建生態銜接水位指標，是為了利用梯級水庫的部分銜接關系，通過上庫泄放生態流量、下庫調節庫水位的措施，在壩下一定長度的河段內制造滿足某一目標生態需求（本文中特指魚類繁殖）的水深。

（2）結合了生態銜接水位的運用后，生態流量在保障了適宜水深的前提下，在一定時間內就不再是必要的控制條件，這樣可以給梯級水庫群留出更為靈活的調控空間。相反的，當兩庫水位不銜接，需加大下泄的流量很可能大于生態流量。

（3）生態銜接水位和適宜淹沒水深的提出，增加了梯級水庫群建設條件下的非天然河段生態控制指標。構建水位、水深與生態流量聯動響應機制，可將固定生態流量控制轉變為下泄流量動態控制，拓展了目標生態需求的預警保障機制。這樣更有利于梯級水電站在發揮生態效益的前提下更好地兼顧發電效益，且可以更精準在具體的河段位置匹配不同目標生態需求，為接下來梯級水庫群生態調度乃至多目標聯合調度研究提供了一種思路。

（4）滿足金中河段目標魚類產卵流量、水溫條件的時段為5月中旬-7月，滿足水量條件的時間為6月上旬-7月。通過選取6月10日和20日兩個生態調度啟動時機分別進行長系列模擬，適宜本文提出的生態銜接水位與流量、水溫結合運用的生態調度時期為6月中下旬。