面向產漂流性卵魚類的三峽水庫生態調度效果評價

張迪 徐薇 吳凡 林俊強 侯軼群 朱博然 彭期冬 靳甜甜

摘要：構建生態調度效果評估指標體系，評估三峽水庫歷年生態調度的效果并提出生態調度方案的優化建議，為三峽水庫生態調度提供參考。從生態環境效益和社會經濟效益2個維度出發，構建的面向產漂流性卵魚類繁殖的水庫生態調度效果評價體系包含目標層、準則層和6個一級指標、10個二級指標，提出了各指標的計算方法和賦分標準，并采用層次分析法根據指標相對重要度，計算了各指標的權重系數。2012-2022年三峽水庫生態調度效果各年度存在明顯差異，漲水持續時間、初始流量、流量日上漲率和洪峰流量、水溫等水文水環境指標滿足魚類最適繁殖需求的生態調度，魚類繁殖響應良好；開展2次生態調度年份的效果好于開展1次調度的年份。三峽水庫生態調度盡可能控制在水溫20℃以上起調，水庫出流過程盡可能接近魚類適宜的水文需求閾值區間，同時在水庫運行條件合適的前提下，年內盡可能開展2次生態調度實踐，泄放較大脈沖的洪峰過程，促進魚類繁殖。

關鍵詞：產漂流性卵魚類；四大家魚；生態調度；效果評價；三峽水庫

中圖分類號：TV697.1 ， S961.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）01-0058-09

水利水電工程建設是人類開發利用河流水能資源的主體方式，在防洪、發電、灌溉、航運、供水等方面發揮著諸多興利功能，但也不可避免地改變了河流的天然水文情勢和水沙過程，驅使河流地形、水動力、水質等環境狀態發生變化，進而破壞魚類等水生生物原有的生長繁殖條件，擾亂了生物對環境的正常行為響應，對河流生態系統帶來了一定的負面影響（陳求穩等，2020；李婷等，2020；陳秀秀等，2022）。為解決水利工程建設帶來的上述負面生態影響，協調水庫社會經濟效益與生態環境之間的矛盾關系，國內外學者和水工程的運行管理者開始探索把生態因子加入到日常調度中，提出了生態調度的概念（林俊強等，2022）。

三峽水庫位于長江干流，是長江上游干流控制性梯級水庫的最末一級。作為現今世界上最大的水利樞紐工程，三峽水庫集防洪、發電、航運和水資源利用等綜合效益為一體，是治理、開發和保護長江的關鍵性骨干工程。同時，三峽工程的運行，也不可避免地對長江河流生態系統產生了諸多影響。四大家魚作為長江中下游生態系統的代表性物種，也是受三峽水庫運行影響較大的物種（李世健等，2011；Duan et al，2009）。研究表明，三峽水庫建成后壩下水文過程和水溫變化對四大家魚的繁殖活動產生了顯著影響。四大家魚自然繁殖時期為每年的5-6月份，最低水溫為18 ℃，水溫低于18 ℃則繁殖活動被迫終止，受三峽水庫春季低溫水下泄影響，四大家魚的產卵繁殖期出現明顯的滯后效應，推遲時間約20 d（彭期冬等，2012）。另一方面，天然河流的洪水脈沖過程帶有強烈的生命節律信號，會引發魚類的自然繁殖行為，觀測資料顯示，四大家魚等產漂流性卵魚類在水溫合適的前提下，如遇江水上漲就可能誘發繁殖行為（陳永柏等，2009）。漲水率、漲水持續時間等水文節律指標是影響魚類繁殖的關鍵指標，三峽水庫建成后水文過程坦化，洪峰過程削減，洪峰流量、漲水率等魚類繁殖的刺激信號減弱，同樣可能對四大家魚的繁殖活動產生不利影響。

為了減緩不利生態影響，三峽水庫2011-2022年連續12年開展了面向下游產漂流性卵魚類自然繁殖的18次生態調度試驗，在每年的5-7月份，結合上游來水條件，在水溫合適的條件下，通過改變水庫下泄流量過程，人工創造適合四大家魚產卵繁殖所需水文條件以及水力學條件的洪峰過程，刺激四大家魚等產漂流性卵魚類繁殖。2017年開始，生態調度試驗擴展到了金沙江下游，開展了溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯合生態調度試驗，梯級水庫同步開始加大出庫流量，以滿足生態調度試驗要求。

陳進和李清清（2015）通過分析三峽生態調度期水文過程指標和魚類產卵量，定性評估了三峽水庫的生態調度效果。徐薇等（2023）在金沙江中游梨園水電站壩下江段設點觀測魚類早期資源和水文環境要素，通過分析魚類自然繁殖對生態調度的響應情況，評估了生態調度效果。但目前相關研究尚未建立可系統反映水文、水環境要素特性及魚類繁殖響應的生態調度效果定量化評價方法體系。本研究旨在通過綜合考慮生態調度對下游水文環境要素和魚類早期資源影響，構建生態調度效果評估指標體系，評估三峽水庫歷年生態調度的效果，并提出生態調度方案的優化建議，為三峽水庫生態調度提供參考。

1? ?生態調度效果評估指標體系構建

本研究從生態環境效益和社會經濟效益2個維度出發，通過查閱文獻、專家咨詢的方式，基于層次分析法，構建三峽水庫產漂流性卵魚類生態調度效果評估指標體系。

1.1? ?指標遴選

1.1.1? ?生態環境效益評價指標? ?生態環境效益評價主要從水文環境要素和魚類早期資源2個層面考量。魚類早期資源量是最直觀反映生態調度效果的指標，考慮到監測可能存在較大的隨機性誤差，因此，本研究綜合考量“水文環境要素”“魚類早期資源量”2個層面，以期更為全面、客觀地評估生態調度效果。

水文環境要素是影響水生生物繁殖的重要指標，對于水生生物尤其是產漂流性卵魚類來說，水溫和水文過程是影響其繁殖的關鍵要素。相關研究顯示，對于產漂流性卵魚類，水溫是刺激其繁殖的重要啟動信號，漲水持續時間、漲水斷面初始流量、漲水斷面洪峰流量和流量日增長率也被認為是影響魚類繁殖的關鍵水文指標（徐薇等，2020；李朝達等，2021）。為量化水文指標對魚類繁殖影響，本研究借用“棲息地適宜度”的概念，利用棲息地適宜度指數（Habitat Suitability Index，HSI）表征魚類對水文指標的偏好程度。最終選取“漲水持續時間適宜度”“漲水斷面初始流量適宜度”“漲水斷面洪峰流量適宜度”“流量日增長率適宜度”作為評價指標。

水工程的建設改變了河流的原始特征，水庫調蓄引起的徑流過程坦化，導致產漂流性卵魚類等水生生物繁殖刺激的減弱，造成生物資源量的下降（廖文婷等，2018）。生態調度時間大多在魚類繁殖期，通過“人造洪峰”的方式促進魚類繁殖，加快魚類種質資源恢復（朱文麗等，2023；熊明和郭衛，2023）。基于上述認知，選擇“調度目標魚類產卵量增加率”“生態調度期間魚類繁殖規模占整個繁殖期比例”作為評價指標。

1.1.2? ?社會經濟效益評價指標? ?水庫生態調度在改善河流生態環境的同時應兼顧社會經濟效益和工程的功能目標，通常應考慮的目標主要包括防洪、發電、航運、供水、泥沙等。具體到本研究的對象，主要考慮的功能目標包括防洪、發電和航運3個層面。

防洪是三峽水庫的主要功能目標之一，生態調度的下泄流量也應以下游防洪安全為前提，流量不宜過大，故選取“下游防洪安全度”為評價指標。

生態調度與發電調度之間存在一定的制約因素，主要表現為生態調度會影響電站運行出力以及調峰總量，可能造成發電量的損失（任玉峰等，2020）。因此選取“發電損失量”作為生態調度對發電影響的關鍵指標。

水電站對下游河道航運的影響主要體現為對河道水位和流速的影響，生態調度導致的水庫出流過程改變可能會引起下游河道的水位和流速波動。因此，選擇“出庫流量”作為評價生態調度對航運安全影響的指標。

1.2? ?指標量化

1.2.1? ?水文過程指標適宜度? ?水文過程指標適宜度是指生態調度漲水持續時間、初始流量、洪峰流量、流量日增長率對于魚類繁殖的適宜度，表征目標魚類繁殖對調度水文過程指標的偏好程度，均以適宜度指數表示。

（1）漲水持續時間適宜度? ? 首先確定目標魚類，然后建立目標魚類繁殖行為與調度漲水持續時間的響應關系曲線即適宜度指數曲線，最后根據適宜度指數曲線計算待評價生態調度漲水持續時間的適宜度指數。

本研究目標魚類主要是以四大家魚為代表的產漂流性卵魚類。針對漲水持續時間，易伯魯等（1988）認為，四大家魚在江水起漲后0.5～2 d開始產卵，產卵持續時間都在4 d以上，平均持續時間11 d，持續時間范圍4～18 d；王俊娜等（2012）提出，有利于增加四大家魚魚苗豐度的水文過程的持續時間在5～8 d。因此本研究以0.5～18 d作為漲水持續時間的適宜范圍，2～4 d作為最適范圍，4～8 d為次適宜范圍。

（2）漲水斷面初始流量? ?李博等（2021）、李朝達等（2021）研究認為適宜四大家魚繁殖的初始流量范圍分別為6 400～18 900、7 030～16 200 m3/s，徐薇等（2020）認為初始流量達到14 000 m3/s即為適宜。本文以6 400～18 900 m3/s為漲水斷面初始流量適宜范圍，14 000～16 200 m3/s作為最適范圍。

（3）漲水斷面洪峰流量? ?李博等（2021）認為產卵時的流量范圍為9 400～38 575 m3/s，適宜四大家魚繁殖的洪峰流量范圍為16 425～32 300 m3/s；王悅和高千紅（2017）認為洪峰流量大于20 000 m3/s魚類產卵量增加；劉瀚等（2023）認為最適洪峰流量為19 610 m3/s。本文以9 400～38 575 m3/s作為漲水斷面洪峰流量適宜范圍，以16 425～20 000 m3/s為較適范圍，以20 000～32 300 m3/s為最適范圍。

（4）流量日增長率? 王俊娜等（2012）提出，有利于增加四大家魚魚苗豐度的日均漲水率高于900 m3/（s·d）；王悅和高千紅（2017）認為，適宜的流量日增長范圍為1 295～2 825 m3/（s·d），增長率范圍為1 925～4 533 m3/（s·d）。本文以900～4 533 m3/（s·d）為流量日增長率適宜范圍，以1 295～1 925 m3/（s·d）為較適范圍，以1 925～2 825 m3/（s·d）為最適范圍。

（5）水文過程指標賦分? 水文過程指標適宜度見圖1。各指標得分=指標適宜度×100。

1.2.2? ?水溫適宜度? ?指水溫對于藻類生長或魚類繁殖等水生物活動的適宜度指數，表征藻類或魚類等水生生物對水溫的偏好程度，以水溫適宜度指數表示。

首先確定調度目標魚類，然后建立調度目標魚類繁殖與水溫之間的響應關系曲線即水溫適宜度指數曲線，最后根據水溫適宜度指數曲線計算待評價水溫的適宜度指數。

對于長江流域的四大家魚而言，水溫是影響家魚繁殖的關鍵水文指標。李博等（2021）提出適宜四大家魚繁殖的水溫范圍為21～23.8 ℃。王俊娜等（2012）認為適宜水溫范圍為20～25 ℃。陳永柏等（2009）認為水溫低于18 ℃或高于30 ℃會引起胚胎發育停止或產生畸形。因此，本文以18～30 ℃作為四大家魚繁殖水溫的適宜范圍，以20～21 ℃和23.8～25 ℃作為較好適宜范圍，以21～23.8 ℃作為最適宜范圍。

水溫適宜度曲線見圖2。水溫適宜度得分=水溫適宜度×100。

1.2.3? ?魚類產卵量增加比例? ?指本年度與前n年（n為調度目標魚類的平均性成熟時間）相比魚類產卵量增加的比例，反映生態調度后魚類產卵量的增長情況。

魚類產卵量增加比例=（本年度魚類產卵量-前n年魚類年均產卵量）/前n年魚類年均產卵量×100%。

本研究的評價對象四大家魚性成熟時間一般為4～5齡，選擇4齡作為四大家魚的平均性成熟時間，即n=4。

基于魚類種群的環境容納量具有一定的限值，當本年度魚類產卵量大于水庫建成前，或魚類產卵量增加比例大于100%時，魚類產卵量增加比例得分為100；當魚類產卵量增加比例小于100%時，魚類產卵量增加比例得分=魚類產卵量增加比例×100；當魚類產卵量不增反降時，得分為0。

調查顯示，四大家魚年產卵量在20世紀60年代約為80億粒，此后繁殖規模持續下降，至80年代三峽水庫建設前下游江段年產卵量已經下降至約15億粒，2008～2011年平均產卵量約為3億粒（Li et al，2016）。本研究以80億粒作為三峽水庫建成前魚類年產卵量目標值。

1.2.4? ?生態調度期間魚類繁殖規模占整個繁殖期比例? ?該指標比例反映生態調度對魚類繁殖行為的促進情況。

生態調度期間魚類繁殖規模占整個繁殖期比例=生態調度期間魚類產卵量/整個繁殖期魚類產卵量×100%。

考慮到生態調度期占整個魚類繁殖期的比例較小，因此當生態調度期間魚類產卵量占整個繁殖期比例大于50%時得分即為滿分；當占比小于等于50%時，生態調度期間魚類繁殖規模占整個繁殖期比例得分=生態調度期間魚類繁殖規模占整個繁殖期比例×200。

1.2.5? ?下游防洪安全度? ?指生態調度期間水庫下泄流量對下游設計防洪安全流量的滿足程度，反映生態調度下泄流量變化過程是否滿足下游防洪安全要求。

下游防洪安全度=調度期低于防洪安全流量的天數/調度總天數×100%。

根據三峽水庫調度規程，下游防洪安全流量為43 000 m3/s。下游防洪安全度小于10%，得分為0；防洪安全度在10%～100%得分0～100。

1.2.6? ?發電損失量? ?指生態調度期與旬內非生態調度期相比的發電損失量，反映生態調度對發電的影響程度。

發電損失量=（生態調度期日均發電量-旬內非生態調度期日均發電量）/旬內非生態調度期發電量。

發電損失量超過50%，得分為0；發電損失量在50%～0，按0～100賦分；發電損失量小于0時，得分為100。

1.2.7? ?航運安全度? ?指生態調度期間水庫下泄流量或水位變幅對航運安全要求的滿足程度。

下游航運安全度=調度期下泄流量超過航運安全流量的天數/調度總天數×100%。

程曉東等（2022）考慮兩壩間的航運需求，提出三峽水庫出庫流量不宜超過35000m3/s，因此本研究將35000 m3/s確定為航運安全流量。

賦分標準：根據下游航運安全度的計算結果，將下游航運安全度情況賦予0～100的分值，即下游航運安全度得分=下游航運安全度×100。

1.3? ?指標權重與綜合評價

各指標權重值采用1～9分標度法，根據指標重要性，構造判斷矩陣，通過一致性檢驗后，最終確定各指標的權重，結果見表1。

根據指標權重和評分標準，計算得到生態調度效果總評分，根據評分得到歷年生態調度效果評語，評語={優良（V1），中等（V2），較差（V3）}={75，50，0}。

2? ?結果與分析

2.1? ?三峽水庫生態調度相關指標統計

收集了2012-2022年三峽水庫下泄水溫、出庫流量等調度過程數據，并根據調度規程和機組出力曲線，估算了生態調度期間的發電量，詳細的生態調度實施情況和統計指標見表2。

每次生態調度試驗前后2個月，水利部中國科學院水工程生態研究所、中國水產科學研究院、中華鱘研究所等相關科研單位都會通過在下游宜都和沙市設點采集漂流性卵苗的方法跟蹤監測四大家魚的自然繁殖狀況，以了解生態調度效果。本文根據在沙市的監測結果（圖3）（水利部中國科學院水工程生態研究所提供）評估三峽歷年生態調度效果。

2012年是開展生態調度的第2年，三峽水庫下游江段的水溫高于18 ℃，處于魚類適宜繁殖水溫區間。各項水文過程指標中，流量日增長率低于適宜閾值；生態調度期間總產卵量為4.13億粒，占繁殖期總產卵量的67.7%，同時產卵量較前3年有所上升。生態調度效果總評分為83.9分，為“優良”等級。

2.2? ?三峽水庫生態調度效果

三峽水庫歷年生態調度指標評分見圖4，效果評價見圖5。

2013年初始流量、流量日增長率和洪峰流量整體偏低，水溫低于18℃，未達到魚類繁殖的水溫范圍，生態調度效果不理想，總評分52.87分，為“中等”等級。

2014年初始流量和漲水持續事件均達到四大家魚適宜繁殖要求，但是洪峰流量和流量日增長率偏低；生態調度期間魚類產卵量占比雖較高，但魚類產卵量與前3年相比有所下降。生態調度效果總評分69.8分，為“中等”等級。

2015年6月份開展了2次生態調度試驗，各項水文水環境指標基本滿足目標魚類繁殖需求，調度效果整體評分75.4分，為“優良”等級。

2016年除洪峰流量略低于最適繁殖流量外，其余各項水文和水環境指標均滿足魚類繁殖最適條件，但從魚類的繁殖響應來看，生態調度期間的魚類產卵量為0.02億粒，僅占整個繁殖期總產卵量5.02億粒的0.4%。可能是由于四大家魚屬單批產卵型魚類，各批次家魚的性腺成熟和繁殖需要一定的時間間隔，本次生態調度的啟動時機可能未處于大批次家魚的性腺成熟時期，導致調度期間未捕捉到四大家魚產卵高峰。

2017、2018年三峽水庫均開展了2次生態調度試驗，期間各項水文指標略低于魚類繁殖最適條件需求，但仍然處于較適宜范圍，因此有效刺激了魚類的繁殖，生態調度期間捕捉到魚類產卵高峰。調度效果整體評分分別為76.7、70.9分。

2019年、2020年三峽水庫各開展1次生態調度試驗，期間各項水文指標和水環境指標與魚類繁殖最適條件需求之間存在一定差距，生態調度期間僅監測到少量魚類產卵。調度效果評分分別為60.9、50.4分，調度效果不理想。

2021、2022年三峽水庫各開展2次生態調度，各項水文指標與魚類繁殖需求的匹配度明顯提升，調度期間監測到魚類產卵高峰，調度效益評分分別為70.6、85.9分。其中2021年生態調度效益評分較低主要是由于整個繁殖期在沙市斷面監測到的產卵量偏低，約9億粒，遠少于同期在宜都站的監測數據（約150億粒）。2021年沙市斷面產卵量較低的原因可能有2種，一是由于監測方法的隨機性導致監測產卵量比實際產卵量偏低；二是由于水文過程的沿程坦化和引江濟淮工程影響，生態調度刺激減弱。另一方面，2022年沙市監測到的魚類產卵量達到歷史新高，較往年呈指數增長趨勢，同時宜都江段的產卵量也顯著升高，由此可見長江流域四大家魚資源量呈逐年向好趨勢，除生態調度影響外，可能還與“十年禁漁”等因素有關。

考慮到不同年份生態調度次數不同，因此本研究對比了不同調度次數的效果差異，見圖6。開展2次生態調度的年份，其生態調度效果評分好于僅開展1次調度的年份。開展1次生態調度或第1次生態調度多選擇5月或6月初，此時水溫和來水量普遍較低，水庫調度可泄放的洪峰過程也相對較弱。第2次生態調度大多選擇6月中下旬，此時水溫較高，且來水量增多有助于泄放更大脈沖的洪峰過程，更有利于魚類繁殖。

3? ?結論

本研究從生態環境效益和社會經濟效益2個維度構建了面向產漂流性卵魚類繁殖的水庫生態調度效果評價體系，并以三峽水庫為例，評估了歷年生態調度效果，提出了三峽水庫生態調度的優化建議。主要研究結果如下。

（1）構建的水庫生態調度效果評價體系包含目標層、準則層和6個一級指標、10個二級指標，提出了各指標的計算方法和賦分標準，并采用層次分析法根據指標相對重要度，計算了各指標的權重系數。

（2）評估了2012-2022年三峽水庫產漂流性卵魚類生態調度效果。各年度調度效果存在明顯差異，漲水持續時間、初始流量、流量日上漲率和洪峰流量、水溫等水文水環境指標滿足魚類最適繁殖需求的生態調度，魚類繁殖響應良好，效果較為理想；開展2次生態調度的年份調度效果好于開展1次調度的年份。

（3）三峽水庫生態調度盡可能控制在水溫20℃以上起調，水庫出流過程盡可能接近魚類適宜的水文需求閾值區間，同時在水庫運行條件合適的前提下，年內盡可能開展2次生態調度，泄放較大脈沖的洪峰過程，以促進魚類繁殖。

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（責任編輯? ?張俊友）

Effects of Ecological Operation of Three Gorges Reservoir

on Fish Species with Drifting Eggs

ZHANG Di1， XU Wei2， WU Fan3， LIN Jun‐qiang1， HOU Yi‐qun2，

ZHU Bo‐ran1， PENG Qi‐dong1， JIN Tian‐tian1

（1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing? ?100048， P.R. China；

2. Institute of Hydroecology，Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences，

Wuhan? ?430079， P.R. China；

3. Belt and Road Initiative Center， National Development and Reform Commission，

Beijing? ?100048， P.R. China）

Abstract：To mitigate adverse? ecological effects， Three Gorges Reservoir has been run according to an ecological operation protocol for 12 years （2011-2022）， targeting natural reproduction of fish species with drifting eggs in the river below the dam. In this study， we evaluated the effect of ecological operation of Three Gorges Reservoir over the years based on a constructed evaluation index system. Based on the results we make recommendations for optimizing the ecological operation scheme， aiming to provide a reference for the ecological operation of Three Gorges Reservoir. Based on the effect of discharge scheduling on spawning success of fish species with drifting eggs， the evaluation system developed for this study contains a target layer and criterion layer， consisting of 6 primary indices and 10 secondary indices. The weight coefficient of each index was calculated according to the relative importance of the index as determined by the analytic hierarchy process. From 2012 to 2022， the effect of ecological operation of Three Gorges Reservoir varied significantly from year to year. Fish reproduction was good when ecological operation resulted in optimal hydrological and environmental conditions， such as the duration of flow increase， initial flow， daily rate of increase in flow， peak flow， and water temperature. Ecological operation twice a year was more beneficial than once a year. We recommend that ecological operation of discharge from Three Gorges Reservoir should be controlled to maintain a water temperature above 20℃， and that the discharge process should provide， as close as possible， the hydrological conditions required for target fish species to reproduce. Further， ecological operation should be carried out twice a year， and the flood peak with large pulses should be released according to a schedule that promotes fish reproduction.

Key words： fish species with drifting eggs; four major Chinese carps; ecological operation; effect evaluation; Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-11-14

基金項目：國家重點研發計劃（2021YFC3200304）；國家自然科學基金聯合基金（U2240214）。

作者簡介：張迪，1991年生，女，高級工程師，主要從事生態水力學研究。E-mail：zhangd_91@163.com

通信作者：林俊強，1984年生，男，正高級工程師，主要從事生態水力學研究。E-mail：junquang-lin@hotmail.com