某梯级水库多目标生态调度方案的研究

王迎春

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐，830000）

1 梯级水库建成前的原始生态环境概况

某梯级水库位于新疆伊犁，工程所在区域草原辽阔，森林茂密，水土资源丰富，气候和自然环境为新疆最优区域，素有“塞外江南”之称。气候受三面环山、向西敞开的地形影响，呈大陆性温带气候特征，是新疆降水量最丰富的地区。工程所在区域内水能资源占新疆可开发水能资源的1/5，是新疆生物多样性最为集中的地区，其生态环境对维系新疆生态功能稳定具有举足轻重的作用。

梯级水库上下游影响范围主要由山区、平原绿洲、平原天然河谷次生林、河流等生态系统组成，工程运行后其下游河段是生态保护的重点。工程下游河段主要分布有湿地、河岸边滩、河心滩、河谷河岸林，河流生态系统包括的生物群落主要由鱼类、浮游植物、浮游动物、底栖生物和高等水生植物组成，河流生物生存环境主要受河流水文特征、水质、水温等影响。流域内各支流主要分布有伊犁裂腹鱼、新疆裸重唇鱼、斑重唇鱼、新疆高原鳅等8种土著鱼类。伊犁裂腹鱼属冷水鱼，栖息于水的中下层，产卵期在每年4～6月，繁殖水域水温8～15℃，梯级水库建成前主要分布于水库上游支流和下游支流，体形相对较大且侧扁，适宜在洄水湾、深水潭等缓流区生存；新疆裸重唇鱼是一种高山水域分布的冷水性鱼类，分布在海拔较高水域，产卵期在4～8月，常年生活在水温较低（7～15℃）的环境中，体形小，适宜在急流中生存；斑重唇鱼属冷水鱼，栖息于河流、湖泊岸边或石缝间隙，体形小，产卵期在5～9月，喜栖于20℃以下河流；新疆高原鳅栖息于河道的支岔、沿岸、苇湖，分布范围广，产卵期在5～6月，也常隐蔽于河道有落差的稳水处，具有较强的适应性。

2 梯级水库建成后对生态环境的影响分析

上游水库具有防洪、发电、供水、灌溉、防凌等多项功能。上游水库电站承担当地电力系统的调峰任务，当各目标需水量不同时，水库通过各引泄水建筑物对径流进行调节以满足多目标的实现。工程按照引泄水口高程从低到高依次布置有深孔排沙放空洞、发电引水洞、中孔泄洪洞、表孔溢洪洞。该梯级下游水库承担上游水库的反调节任务，相对上游水库属低坝小库，布置有发电引水洞、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞，因其承担的任务，通过梯级调度可从一定程度上缓解上游水库调度运行对河流生态环境的影响。

水库的径流调节改变了自然河流年内丰枯的水文周期规律，水库蓄水阻断了原河道，使流动的河流变成了相对静止的人工湖泊，流速、水深、水质特性、水温结构及水流边界条件等发生了变化。梯级水库的运行可能影响河流原有物质、能量、生态系统结构和功能，其影响程度往往与运行调度方式、调度方案、泄流位置有关。目前多方面研究显示，梯级开发特别是梯级水库有进一步加剧河流生态系统破碎化、影响鱼类等迁移、降低河流缓冲区域内物种多样性的迹象。

经过很长一段时间后，梯级水库工程下游河段草场、湿地、河岸边滩、河心滩、河谷河岸林可能由于水流量时空变化，会使河边滩、河心滩面积略微减小。受影响的区域主要是水库淹没区，淹没区植被、生物失去栖息地，导致生物分布的改变。

梯级水库工程建成运行后，与天然状态相比，其对下游水文情势产生较大影响，主要表现为水量年内分配趋向均衡，月均流量变化趋稳，即枯水季节水量增大，丰水期水量减少。洪水期下游水量变小，河道进入滩地沼泽区的水量可能减少，可能使沿河湿地部分区域地下水位下降，局地出现盐碱化。但由于下游湿地大部分为潜水浅埋区，地势低洼，而且主要依靠上游灌区排水和地表径流补给地下水；同时，在非洪水期还增加了支流汇合河水的横向顶托作用，工程运行后，没有影响大部分湿地地下水的补给，其对河口湿地影响的面积较小，没有改变河口湿地的生态功能。

长期来看，流域水文情势及区域气候的变化也可能会给水库下游湿地生态系统及河谷河岸林的群落维系、种群扩增、生产能力等带来不确定影响，影响比较明显的可能为河流内土著鱼类。工程建成运行后，原河流生态变成了河流+水库+河流的复合生态系统。淹没的河段变成水库，水体环境由河流生态型向水库生态型转化，水面增大、水流速度减缓、泥沙沉淀等。水库渔获物调查显示，适宜静缓流的伊犁裂腹鱼、新疆高原鳅资源量较建库前有所增加，适宜急流的新疆裸重唇鱼、斑重唇鱼生存区域向上游压缩，下游土著鱼类可能因为水温、水质的改变影响生长。对下游鱼类的影响，只有结合土著鱼类的生长繁殖习性，有针对性地采取一定水库调度措施，确定生态调度的目标、原则和方案，使工程在发挥其功能和效益的同时，避免对河流生态系统造成较大的影响和破坏。

3 梯级水库多目标生态调度目标和原则

从梯级水库运行对自然生态的影响来看，水库下游湿地、河岸边滩、河心滩、河谷河岸林、河道土著鱼类是梯级水库调度的生态保护目标，重点保护新疆裸重唇鱼（新疆一级重点保护水生野生动物）、斑重唇鱼（新疆二级重点保护水生野生动物）和伊犁裂腹鱼等河流土著鱼类。

梯级水库调度的原则是统筹协调好灌溉、发电、防洪、供水、防凌与生态之间的关系，达到社会、生态、经济效益总体最优：在非汛期、非凌期、汛期的非洪水期，水库水位在汛限水位以下时按照供水（生活）、生态、灌溉、发电的优先次序调度；水库水位到达或将超过汛限水位时按照防洪、供水（生活）、生态、灌溉、发电的优先次序调度，并可在保证防洪安全的前提下实施人造洪峰、输沙调度等生态调度措施，模拟自然水文情势，为下游河道生态保护目标创造适宜的近自然生境条件；冰凌期按照防凌、供水（生活）、生态、发电的优先次序调度，冰凌前在满足生活、生态用水的前提下加大发电负荷大流量发电，待下游河道形成稳定冰盖后减小发电负荷（但仍需优先满足生活、生态用水），以防下游河道发生冰凌灾害。

4 梯级水库多目标生态调度方案的研究

4.1 保证水库下游维持河道基本功能的需水量

在水库调度方案的设计和调整中，首先明确下游需要保护的目标，根据保护目标对生态环境的要求，确定维持下游生态功能不受到损害的下泄流量，这一流量称为河道生态需水量[2]，即维系和保护河流最基本生态功能不受破坏，必须在河道内保留的最小水量。实际上，河流生态基流是一个极其复杂的问题，与河流生态系统的结构和功能以及流域的气候、土壤、地质、水文等诸多因素密切相关，精确计算河流“生态基流”是十分困难的事情。目前国际国内普遍根据经验确定，如Tennant法、近10年最小月平均流量法、90%或95%保证率的最枯月平均流量法，分别按以上方法确定生态基流及梯级水库泄流约束条件（见表1）。

由表1可知，梯级水库下游河段的生态基流可取值在24.5～73.59 m3/s之间。来水比较丰富的情况下，下游水库泄流减去生活供水和灌溉必须大于河道生态基流，电站发电依据此标准安排负荷；来水偏枯时，水库下泄必须满足生活供水，来水富裕的情况必须大于生态基流，电站发电可按生活供水或生态基流安排负荷。

4.2 模拟自然水文情势的水库泄流方式

河道水量、水位是河道水生生物维持生存的重要条件，国内有关研究表明，特别在土著鱼类产卵期，河道水位的稳定或持续上升对鱼类的繁殖至关重要。梯级水库建成后，为实现防洪、发电、供水、灌溉、防凌等功能目标，经水库调度后，河道水量趋于均匀，河道水位的升降直接受水库下泄的影响，打破了河道水位升降的自然规律。水库下游河道属生态保护重点，对水库调度的约束时段为1～12月，水库下泄按照生态调度原则模拟河道水位升降自然规律，对原调度方案进行优化调整能够实现。水库生态的保护目标为伊犁裂腹鱼、新疆高原鳅适宜缓流生存的土著鱼类，考虑到优先保证下游河道生态需水，水库生态保护在重点时段（产卵繁殖期）限制水库调度，约束时段为5～9月。在鱼类产卵期，一方面稳定上游水库水位保护水库内土著鱼类的繁殖，另一方面通过下游水库的反调节采取逐步加大发电负荷的方式，模拟河道水位自然上升的过程，为下游河道土著鱼类繁殖创造洪水脉冲的产卵繁殖环境，并选择在每年6～7月主汛期连续制造重现期2年的“人造洪峰”保护下游湿地。自然情况下河道来水量主要集中在汛期，6、7、8三个月来水量占全年来水量的50%以上，其他月来水较小，年内丰蓄枯供。每年9～12月河道来水量开始逐渐减小，至次年1～3月河道来水量稳定，4月开始缓慢上升，全年各月的河道水位随来水量的增减而升降。综合统筹梯级水库社会、生态、经济多效益目标的实现，完全模拟河道自然水量将无法协调多目标效益的实现，通过调整调度运行方式尽可能模拟河道水位升降的自然规律，在一定程度上能够实现社会、生态、经济等多项目标，梯级水库运行方式见表2所示。

4.3 结合水库排沙减少水库淤积

梯级水库调度中，由于水库的拦沙作用，泥沙在水库中淤积，清水下泄，造成水库下泄水流含沙量降低，水流对河岸的冲刷强度增大，水流内的部分营养物质沉积于水库，使下游湿地及河流生物的水沙补给规律发生了改变导致河床不断向两岸扩充，河口形态发生变化，下游生物生长速度延缓，甚至导致河流生物群落结构的改变，从调度上采取一定的水库排沙措施是必要的。“蓄清排浑”的调度措施是目前水库排沙比较成熟的方法，结合模拟自然水文情势的泄流方式和“人造洪峰”的时段，某梯级水库选择在每年6月初利用底孔“低水位、大流量”、“上下游两库联动”排沙的措施，降低泥沙淤积，为下游输沙。近几年的环境影响调查显示，下游河岸生态及生物群落较建库前变化不大，该措施从一定程度上减少了清水下泄对下游生态的不利影响，并延缓了水流对下游河道冲刷的进程。

表1 梯级水库下游河道生态基流计算表Table 1 Ecological base flow for the downstream river section

表2 模拟自然水文水情水库调度运行方式表Table 2 Reservoir operation simulating the natural hydrological condition

4.4 通过调整泄水方式降低水温分层影响

上游水库为稳定分层型水库，下游水库为完全混合型水库。为逐步消减上游水库对河道水温的影响，一方面可以通过下游水库的反调节作用提高水温，除排沙时段，泄水优先选择表孔；另一方面，可根据上游水库水位高程优先选择高程较高的泄水口泄水，优先次序确定为表孔、中孔、深孔。实际运行中，当上游水库水位达到表孔进口高程时，始终选用表孔泄水；当低于表孔进口高程时，优先选用中孔泄水；下游水库调节库容小，常年近正常高水位运行，除排沙时段均选用表孔泄水。通过此种运行方式，下游河流土著鱼类未见繁殖期延后、生长周期延长的明显现象。

5 结语

梯级水库工程的建设及调度运行不可避免会改变河流天然情势和水生生物生境条件，影响河流泥沙、水质，造成河流生态系统多样性的下降。结合水库工程的实际调度目标，研究生态保护目标要求，改进调度方案，在一定程度能够减少和减缓水库工程对生态的影响。通过研究某梯级水库运行前后对生态环境的影响和重点保护水生生物的生活习性特点，改进调度运行方式，保证下泄合理的生态流量，维持河道水位自然规律，减少泥沙淤积和分层水温影响。环境影响调查评价显示，梯级水库工程运行9年来，水库下游生态系统未见明显改变和退化。但因缺乏制度保障，当经济目标与生态目标发生矛盾时，往往以牺牲生态目标为代价，仍需进一步研究和完善相应的多目标生态调度方案的有效和常态化执行制度，使其更具可操作性。在满足社会效益的前提下，通过调度措施营造模拟接近自然的生境条件，并兼顾经济效益，实现梯级水库供水（生活）、生态、防洪、防凌、灌溉、发电的多目标效益，建立常态化、可操作化的多目标生态调度方案，减少水库工程对生态环境的不利影响。

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