长江上游水库群生态调度需求分析与研究现状

辛小康，李迎喜，尹 炜

（长江水资源保护科学研究所，湖北 武汉 430051）

0 前 言

截至2011年，长江流域已建成各类水库4.6万座，总库容达2500亿m3，兴利库容超过1200多亿m3，其中大型水库166座，总库容1900亿m3，兴利库容980亿m3，分别占全流域的76%和81%。根据 《长江流域综合规划 （2012～2030）》，到2020年，长江上游干支流将建成乌东德-向家坝梯级电站，雅砻江流域将建成两河口-二滩梯级，岷江-大渡河流域将建成紫平铺-瀑布沟梯级，嘉陵江流域将建成宝珠寺-亭子口梯级，乌江干流将建成洪家渡-彭水梯级。结合长江上游控制枢纽三峡-葛洲坝梯级，将形成总库容近1000亿m3，防洪库容达到500亿m3，中下游总调节库容达到300亿m3的干支流水库群。

大型水利水电工程在防洪、发电、供水、航运、灌溉等方面发挥了重要的作用，推动了人类社会的发展与进步，但它们同时又对河流生态环境有显著影响。相关研究认为: “在河流上大规模筑坝拦截河流水量 （发电、灌溉、控制洪水等），是河流生态环境受人为影响最显著、最广泛、最严重的事件之一[1]”，研究者将这种影响分为两类:一是生物栖息地特征变化，主要指库区淹没、泥沙淤积、下游河道冲刷引起河势变化、河湖联通关系的变化等。二是水文、水动力因子影响，即流量、流速、水温、水质等水文情势变化[2]；并进一步提出改善第一类影响主要依靠生态修复工程，改善第二类影响需要优化现行水库的运行调度方式[3]，实施生态调度。因此，水库生态调度成为目前水文水资源领域的研究热点[4-6]。虽然长江流域水资源丰富，总体开发利用水平仅为17.8%，但长江流域大型水库群开发建设引起的生态环境问题逐步显现，实施水库群防洪、兴利与生态环境保护综合调度，合理安排蓄泄水时机，协调兴利、防洪及生态环境保护之间的关系，使总体效益最大化，是十分必要和迫切的[7]。

1 水库运行对生态环境的影响分析

（1）水文情势发生改变。水库对水文情势的直接影响是改变了下游河道水量分配过程，水量的年内变化趋于平坦，下游河道原有的水文节律被打破。Lauterbach等人研究发现，欧洲中部许多河流受水库的调节，50年一遇的洪水流量减少20%[8]。美国科罗拉多河格伦峡水库下游10年一遇的洪流流量减少了75%[9]。部分水库蓄水未考虑下游河道生态需水要求，导致河流水生境破坏，甚至发生河道断流[10]。同时，大坝的挡水作用改变了库区水流条件，使库区从急流 （流水）区转化成静水 （滞水）区[11]。

（2）水体温度发生变化。水库蓄水后水深增加，水体的透光性能差，热量向下传递减少，库区深水区水体温度会下降，表现出温度分层现象[3]；多数水库都有强弱不同的水温分层现象。Orlod根据水库的调节性能，将水库水温分层分为稳定分层型、混合型和过渡型[12]。另外，由于高坝大库一般在大坝底部泄流，下游河道水温呈现出冬季升高和夏季降低的匀化过程，较天然过程存在滞后性，影响距离可达到数百千米[13-14]。而梯级水库对河道水温的影响更为复杂，存在波动性和累积性[15-16]。张黎明[17]采用数学模型计算的结果表明:三峡库区4月～6月水体分层较强，垂向温差大于8℃。

（3）库区纳污能力减弱。水库建成后，库区水体流速明显降低，污染物极易产生富集。李锦绣等人计算分析后认为，三峡水库建成以后，随着水位抬高，流速减缓，单位时间内BOD5等有机污染物降解速率明显减小[18]。袁弘任等认为，随着三峡水库蓄水位的增加，水域纳污能力逐步减少，且支流回水区末端受库水位顶托影响，形成相对静止的库湾，不利于氮、磷等物质的扩散和交换，易导致富营养化[19]。监测结果表明，从2003年三峡水库首次蓄水开始，香溪河库湾已发生多次春季水华现象[20]。

（4）水生态系统脆弱化。水库对水生态系统的影响主要体现在三个层级:第一个层级是对生源要素的影响，因为河道水力条件的变化，直接对物质流、能量流和信息流产生影响，这些都是水生生物的生源要素；第二个层级是对栖息地环境产生影响，主要是水流、泥沙条件发生变化以后，河道形态、泥沙冲淤过程、栖息地面积随之发生变化；第三个层级是河流生态系统结构和功能发生变化，如水生生物种群结构、种群数量、物种密度等发生变化，这也是生源要素、栖息地环境发生变化的生态响应结果。可见，水库的运行，无论是对生态系统的非生命物质环境还是对生物群落都产生了影响，使得水库上下游生态系统脆弱化。

2 实施水库生态调度的需求分析

以维护健康生态环境为目标，制订水库的优化调度方式，实施水库的运行管理，被称作水库的生态调度。董哲仁认为: “水库生态调度就是指在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法”[3]。蔡其华指出: “水库生态调度，是在满足坝下游生态保护和库区水环境保护的基础上，充分发挥水库的防洪、发电、灌溉、供水、航运、旅游等各项功能，使水库对坝下游生态和库区水环境造成的负面影响控制在可承受范围内，并逐步修复生态与环境系统[10]。”因此，实施水库生态调度，首先必须明确水环境和水生态的保护需求，然后再确定水库生态调度的合理目标，最后确定水库生态调度方案。根据长江流域的基本情况，水库生态调度主要存在以下几个方面的需求。

（1）维持河道基本生态需水量。河流基本生态需水量是指维护生态系统健康、保护物种的多样性及生态系统的完整性的一定数量和质量的径流[21]。或者是指保证湿地、河流和湖泊生态系统完整性的最小净水量[22]。水的连续性是维持河道健康生命的最低要求，水量萎缩则会导致河流死亡。在过去一段时间里，岷江流域过度挤占生态用水的代价十分沉痛。由于多数水电站采用引水发电模式，各水电站为了获取最大的发电效益，基本未考虑河道内生态用水，导致干流约80 km、支流约60 km的河段出现间歇性脱水。因此，在制定长江上游水库群综合调度规程时，首先应考虑河道基本生态需水量。

（2）维系下游河道洪水脉冲。脉冲式洪水具有重要的生态效应，是生物生命史中的必要条件。洪水的发生也是生物开始新一轮生命周期的驱动力，特别是对产漂流性卵的 “四大家鱼”而言，洪水脉冲水文条件十分重要，具体而言有7个重要的水文因子:洪峰过程数、洪峰发生时的初始水位、水位的日上涨率、断面初始流量、流量的日涨率、涨水持续时间和前后两个洪峰的事件间隔[23]。长江上游水库群建设以后，必然对下游洪水会产生 “削峰补枯”的水文效应，适度维系水库下游洪水脉冲是实施水库生态调度的必然需求。

（3）调节下泄水流的水温。长江上游大中型水库通常会存在水温分层问题，水库低温水的下泄将影响鱼类的产卵、繁殖和生长，以三峡水库为例，10月～11月份中华鲟繁殖期间，水库调节后下泄水水温比自然情况有所升高，这对中华鲟的产卵及孵化具有一定程度的正面影响，但是在5月～6月份“四大家鱼”繁殖期间，水温比天然情况下有所降低，导致 “四大家鱼”开始产卵的时间被推迟，产卵期被缩短。目前，长江上游一些水库根据水库水温的垂直分层结构，结合下游河段水生生物 （特别是鱼类）的生物学特性，通过制定大坝不同高程泄水空口的运行调度规则，满足鱼类产卵、繁殖和生长的需要。

（4）适度抑制水库库湾水华。水华是水体富营养化的恶性病理反映。通常认为，藻类水华发生条件为充足的营养盐 （主要是氮、磷物质）、低流速水体环境以及合适的温度和光照。由于长江流域TP的本底浓度较高，TN又难以控制，所以长江上游的大型水库多已达到中营养-轻富营养状态。而水华易发期3月～4月份，温度和光照适宜，长江上游的水库则均处于高水位运行期，库区流速较缓，特别是支流库湾区域，成为准静止区。这给水华的暴发提供了条件。优化水库运行过程，通过增加水位波动和水流紊动，打破水华暴发的临界流速，被认为是抑制水库库湾水华的有效措施。

（5）维持河道输沙平衡。河道形态是泥沙与水流条件长期相互作用的产物。稳定条件下的河流基本可达到输沙平衡，河道形态不会发生明显变化；但是人类活动的干扰使这种自然平衡被打破。特别是水库群的建设运行，表现出的基本规律就是库区泥沙发生淤积，坝下游河道由于清水下泄发生长距离冲刷。三峡工程在设计时，就考虑采用 “蓄清排浑”的运行方式，以缓解库区泥沙淤积，同时也可以对下游 “补沙”。

（6）突发水污染事故应急调控。随着经济社会发展水平的提高，水环境污染和水资源保护之间的矛盾越来越突出，发生突发水污染事件的几率随之增加。突发水污染事件对居民饮用水安全、河道生态环境安全构成极大威胁。另外，长江口咸潮入侵也是困扰上海市居民饮用水安全的重大隐患，如何启动应急调度方案降低突发水污染事件和长江口咸潮入侵带来的不利影响成为全流域对水库群提出的迫切要求。

3 水库生态调度国内外研究现状

3.1 水库生态调度需求分析

早期的研究成果并未形成水库生态调度的概念，研究者们从不同角度对水库优化调度提出了生态环境需求。如乌江洪家渡水库设计时，考虑下游航运和生态要求，需保证下泄水量不小于75 m3/s，这是从基本生态需水量的角度提出的水库调度方式[24]；又如在三峡水库设计时，充分认识到水库建设后库区泥沙淤积和下游河道泥沙冲刷问题，提出了水库“蓄清排浑”的运行方式，这是从泥沙调度的需求探讨水库调度方式[25]。

3.2 水库生态调度目标分析

目前关于生态需水量调度目标分析研究最为系统，形成了多种计算生态需水量的方法。这主要为:①水文学方法，如Tennant法，7Q10法，Texas法，RVA法等；②水力学方法，如湿周法，R2CROSS法等；③栖息地模拟法，如IFIM法，PHABSIM法，RCHARC法等；④整体分析法，如南非BBM法，澳大利亚基准测量法等[26]。

在洪水脉冲调度目标方面，目前大多数研究仍以定性研究为主，提出从洪峰流量、洪峰水位、洪水历时、洪水过程线、洪水总量、洪水频率等指标保护洪水脉冲规律[27]。有研究通过天然水文过程分析，得出中华鲟产卵场所需要的生态水文学特征，从而提出中华鲟产卵的水位要素目标和流量要素目标[28]。曾宗祥对长江中游四大家鱼产卵场的水文水动力特性进行了分析，提出了水位增长0.5～1 d后，流速增加至1.5～2.0 m/s时，宜昌产卵场开始产卵；中游产卵场流速多为1～1.3 m/s，涨水后需要1～2 d甚至3 d才开始产卵[29]。

在水温调节调度目标方面，目前只是针对单一的保护物种开展了一些水温耐受性实验，提出物种产卵、孵化适宜水温需求。如天然情况下，四大家鱼在20～30℃产卵活动最为频繁，同时胚胎发育适宜水温为22～28℃[30]。

在适度控制库区水华的调度目标方面，针对不同的河流、不同藻类水华，提出了水库生态调度目标。如有研究以三峡库区香溪河为例，提出适度控制香溪河水华的临界流速为0.05 m/s，控制三峡水库纤维藻的临界流速为0.01 m/s[31]。

3.3 水库生态调度方法研究

水库优化调度方案通过建立水库调度模拟模型分析后提出，水库调度模拟模型根据对入库、出库径流描述方法可分为确定性模型、随机模型和隐随机模型；按照水库生态调度的目标可分为单目标模型和多目标模型，按照模型的求解方法，可分为规划优化模型和智能优化模型。规划优化模型已由线性规划算法发展到非线性规划算法和动态规划算法，后来又将逐步优化算法 （POA）应用到水库优化调度中[32－33]。在过去20年间，智能优化算法以其杰出的鲁棒性和高效性被广泛地应用到水库生态调度中，主要研究有粒子群优化算法 （PSO）[34-35]、遗传算法（GA）[36]、差分进化算法 （DE）[37]、蚁群算法 （ACO）[38]、混沌优化算法等 （COA）[39]。

3.4 水库生态调度示范情况

20世纪70年代，美国哥伦比亚河上的一些水库通过增加下泄流量模拟自然条件下的洪水脉冲，以加快幼鱼向大海迁徙。90年代，田纳西河上的20余座水库改变调度方式，以保证下游最小流量和最小溶解氧浓度需求。其中，最小流量目标是根据下游水环境、栖息地、供水等方面的综合需求确定的，最小溶解氧目标是冷水渔场不小于6 mg/L，温水渔场不小于4 mg/L。1996年，美国科罗拉多河格伦峡水库在3月末至4月初，实施了维持14 d、流量达到1270 m3/s的 “人造洪峰”，以重建下游沙洲和河滩，沉积营养物质，修复河汊。2003年，美国大自然保护协会与50多为科学家共同推荐了东南部啥瓦尔河环境流量方案。该方案综合考虑了河道、河漫滩、河口生态系统的水流需求，针对丰、平、枯3种水文年分别提出了3种环境水流组分的发生时间、频率、持续时间、流量大小和变化率[39]。

进入21世纪，随着 “维持河流健康生命”新治水思路的提出，我国在水库生态调度方面也开展了多项研究示范工作。如黄河干流实施的以 “调水调沙”为核心的水库群生态调度，使年年发生断流的黄河重获新生。长江流域的乌江梯级，设计之时就考虑了基本生态流量和适宜生态流量的保障方案，水库群运行调度状况良好。2011年，长江三峡水库实施以促进四大家鱼产卵繁殖的生态调度试验，从6月16日起，三峡下泄流浪保持每天2000 m3/s流量的增幅，形成持续4 d的涨水过程。监测发现，宜都江段出现1次家鱼产卵过程，鱼卵径流量为0.22亿粒[40]。2005年～2008年，珠江流域对4个枯水期实施骨干水库群统一调度，有效抑制了河口咸潮，确保了珠海、澳门等地的供水安全。

4 长江上游水库群生态调度研究展望

（1）建立水库生态调度需求整体框架。水库的建设必然会对河流生态环境造成影响，实施水库生态调度是对受损生态系统的一种补偿措施。但是，生态环境保护的概念十分宽泛，必须对长江流域存在的生态环境问题进行详细诊断，然后分析哪些生态环境问题可通过优化水库调度方式来缓解或解决，评价其生态、经济效益和社会效益，最后针对长江流域实际情况建立水库生态调度需求整体框架。归纳前面的分析可知，长江流域水库生态调度主要有以下几个方面的需求:①维持河道基本生态流量；②维持河道洪水脉冲过程；③水质调控调度；④泥沙调控调度；⑤生物栖息地修复调度等。

（2）建立水库多目标调度协同方案。首先，需要深入研究长江流域水库生态调度各需求对应的调度目标。对于维持河道基本生态流量而言，就是要正确核算长江干支流主要控制断面的最小生态需水量值。对于维持河道洪水脉冲过程而言，就是要研究水库所在河段敏感物种、敏感种群、敏感群落的生活史，提出准确合理的水动力条件及典型洪水过程线。而对于水质调控而言，就是要研究提出长江干支流控制断面的环境需水量，以及水污染事故应急调控下泄流量和持续时间。对于泥沙调控而言，就是提出水库排沙时机和排沙流量，以及提出维持下游河道输沙平衡的水流条件。对于修复生物栖息地来说，就是提出满足 “两湖”以及 “长江口”等重要湿地生境的适宜水位。这些调度目标有的要求高、有的要求低，而且对调度的时序要求不同，并且可能与水库的防洪、兴利调度目标相互矛盾。因此，必须对水库的调度方案进行合理的安排，建立水库多目标调度的协同方案或优先层级。

（3）研发水库群综合调度模拟技术。一方面，需进一步开发长江上游干支流水库群联合调度调算模型，计算不同来水条件下的水库群防洪、发电、航运、供水、灌溉、生态环境保护相统一的水库群综合调度方案。另一方面，亟需建立适合长江流域的，兼顾水库上下游、左右岸的数学模型或物理模型，对备选的水库群综合调度方案进行模拟、预测，评价其技术经济效益，为正确制定水库群运行调度规程提供技术支撑。

（4）研究水库群综合调度管理方案。水库生态调度与兴利调度往往存在矛盾和冲突，特别是水库维持河道基本生态流量、调整水库蓄泄过程、特枯年份向下游补水，都会影响水库的兴利效益。另外，由于长江上游干支流水库群分属于电力、交通、水利等部门，主体关系复杂、多元，对水行政主管部门而言，实施水库群的综合调度管理困难较大。因此，必须深入研究长江上游干支流水库群综合调度管理方案，理顺管理体制，按照 “兴利服从防洪、电调服从水调、专业服从综合、局部服从整体”的原则，制订以协商为基础的长江上游水库群综合调度管理方案。

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