三峡水库试验性运行期生态调度效果评价

三峡水库试验性运行期生态调度效果评价

陈进a,李清清b

(长江科学院 a.院长办公室; b.水资源综合利用研究所,武汉430010)

摘要：三峡工程是治理开发长江的骨干型水利枢纽工程，对国家经济、社会和生态环境影响深远。三峡水库建成以来，不仅在防御长江洪水威胁方面作用巨大，而且发电、航运等综合经济效益显著。为减轻工程运行造成的不利影响，对三峡水库2011—2014年运行期间开展了生态调度试验。为了更好地推进三峡水库生态调度工作，结合三峡工程设计阶段的生态环境影响评估结论和试验运行期生态调度目标的监测结果，对已开展的生态调度效果进行科学的评价，并对未来生态调度提出建议。

关键词：生态调度；四大家鱼；中华鲟；评价；三峡水库；咸潮入侵；库区水质

中图分类号：X820文献标志码：A

收稿日期：2014-06-24； 修回日期：2014-08-16

基金项目：国家863计划项目(2012AA121402)；云南社会事业发展专项项目(2010CA010)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20115303110002)

作者简介：彭彬(1990- )，女，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为城市地理信息系统，(电话) 18314589895 (电子信箱)pbgis@sina.com。

通讯作者：杨昆(1963- )，男，云南曲靖人，教授，博士生导师，从事地理信息系统方面的研究，(电话)13888139756(电子信箱)kmdcynu@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.002

1三峡工程生态调度内容界定

三峡工程在设计阶段已就工程运行对生态环境的影响进行了详细分析。根据文献[1]，三峡工程对生态环境的影响区域涉及库区及上游地区、中下游地区、河口和邻近海域，影响主要包括库区及下游水温水质、陆生动植物资源、水生生物、咸水入侵等13个方面，其中与水库运行调度影响相关的结论包括：①三峡水库蓄水位为175 m时，年来水量与总库容比值在11左右，水温结构接近分层性。4月份前后出现水温分层，5月份层温现象开始逐步消失，4月份平均下泄水温15℃，比天然水温约低4℃，5月份比天然水温约低2℃，其余各月基本相同，下泄水温达到18℃时间约滞后20 d。水库蓄水使库区、支流回水区、库湾静水区污染物扩散能力降低，使支流易发生局部缺氧或富营养化；②建坝后由于坝下涨水过程和水温发生变化，预计鱼类产卵繁殖期会滞后约20d左右；③建坝后10月份蓄水，径流减少，航道变窄，中华鲟的繁殖环境可能受到干扰；④三峡建库后枯水期1—4月份平均增加下泄1 000～2 000 m3/s，对咸潮冲淡的效果比较明显。

结合三峡工程设计阶段的环境影响分析结论，为减轻水库运行调度对生态环境的不利影响，三峡工程在试验运行期开展了生态调度试验，主要内容包括：结合水库消落期的来水条件制造“人造洪峰”，创造适宜下游四大家鱼自然繁殖的水文过程；通过向下游补水，缓解长江口咸潮入侵情势；通过汛期中小洪水调度，加大库区水位变动幅度，改善库湾水质；对中华鲟自然繁殖情况进行监测，为开展生态调度提供依据。

2促进四大家鱼自然繁殖的生态调度

四大家鱼作为适应长江中下游生态系统的典型物种，也是受三峡水库运行影响较大的物种，作为代表性鱼类得到了广泛的关注和研究[2-7]。根据历史水文及鱼类监测资料和相关研究成果：四大家鱼繁殖活动最早开始时间为每年的4月28日，最晚开始时间为5月10日；最早结束时间为6月15日，最晚结束日期为7月5日，一般认为四大家鱼自然繁殖时期为每年的5—6月份。同时，四大家鱼产卵活动与其产卵场水域的水温、洪水伴随着的涨水过程出现的水位升高、流量加大、流速加快、透明度减小以及流态紊乱等一系列环境要素密切相关，其中水温是影响四大家鱼繁殖的主要外界条件之一。研究发现，四大家鱼繁殖的最低水温为18℃，水温低于18℃，则繁殖活动被迫终止；另外，四大家鱼产卵活动基本是在涨水期间进行，涨水时，流速加快，刺激四大家鱼排卵繁殖，当水位下降，流速减缓时，繁殖活动大都停止。根据监测资料分析，四大家鱼在江水起涨后大约0.5～2 d开始产卵；水位日均涨水率范围为0.12～0.36 m/d；产卵持续时间都在4 d以上，平均历时11 d，范围为4～18 d[2]。虽然四大家鱼产卵繁殖的水文水力学条件目前没有准确的定量分析结果，但生态水文情势及水流条件作为影响四大家鱼产卵的关键性因素已经被公认，包括持续一定时间的流量涨落过程、一定的水位涨落变幅和流速。

根据近年来的实际监测资料分析和相关研究成果，三峡工程运行对四大家鱼的影响主要体现在产卵时间和产卵规模上。由于三峡水库蓄水对下泄水流水温的调节作用，下泄水流水温每年的4—5月份平均比天然情况低1℃左右。根据1997—2002年监测结果，四大家鱼产卵高峰主要集中在5月中旬和6月中旬，而2003年蓄水后产卵时间推迟到6月下旬至7月中旬。可见，三峡水库蓄水运行后造成的水温“滞冷”效应致使产卵时间以及产卵高峰期向后推迟[3]。同时，三峡工程运行改变了四大家鱼产卵场的水力特性，水深增加、流速减小、水位下降、比降变缓等各种因素都对四大家鱼产卵繁殖及其规模带来一定影响[4-5]。根据对监利断面鱼苗径流量监测结果，三峡水库蓄水前后，监利断面产卵规模呈明显下降趋势，由1986年的72亿粒(尾)下降至2005年的1.05亿粒(尾)，并且2005年监利断面首次没有监测到苗汛出现。据分析，四大家鱼产卵规模与河流涨水过程具有直接关系，三峡水库蓄水后，5—6月份涨水峰值削平，涨幅变小，可能致使亲鱼繁殖活动受到抑制或停止。

为促进四大家鱼自然繁殖，在试验性蓄水阶段的2011—2014年，结合三峡水库上游来水条件，利用水库汛前加速消落时机，通过改变水库下泄流量过程，人工创造了适合“四大家鱼”产卵繁殖所需水文、水力学条件的洪峰过程，先后开展了5次试验性生态调度工作，具体结果见表1[6]。从表1可见，通过三峡水库的调蓄，在四大家鱼产卵期制造了持续3～10d流量涨落过程，流量涨幅控制在1 000～6 000m3/s之间，且同时保证三峡水库下游流量具有明显的涨幅、干流水位具有一定的变化幅度。

为监测三峡工程生态调度效果，相关部门在长江干流设置了宜都、沙市、监利3个监测断面，对鱼卵(苗)资源进行监测。监测结果表明，2011—2014年三峡工程连续4 a的生态调度期间，均发现了四大家鱼的自然繁殖现象，监测结果见表2。

表1　2011—2014年三峡水库实施试验性生态调度工作情况 Table 1　Results of eco-operation practice of Three Gorges reservoir from 2011 to 2014

表2　三峡工程2011—2014年试验性生态调度监测结果统计 Table 2　Monitoring results of the eco-operation practice of Three Gorges project from 2011 to 2014

由表2可知：2011年6月16—19日期间，生态调度期间宜昌下游河段四大家鱼有一定规模的产卵，推算总卵苗数1.31亿粒(尾)；2012年5—6月份期间，2次生态调度期间，宜都断面监测到6次产卵，推算总卵苗数5.15亿粒(尾)；2013年5月7日至16日，监测期间宜都江段、沙市江段、监利江段的四大家鱼卵苗总量分别达到1.31亿粒(尾)、1.18亿粒(尾)、5.2亿粒(尾)；2014年生态调度期间，在调度第3天宜昌至宜都江段监测到较大规模的四大家鱼繁殖高峰，四大家鱼鱼卵平均密度较生态调度前提高3倍，调度第3天单日鱼卵密度是调度前的7倍。

综上所述，三峡工程在试验运行期开展的生态调度试验，通过下泄适量的流量过程促进了四大家鱼的自然繁殖。监测结果表明，2011—2014年三峡水库5次试验性生态调度过程中均发现了四大家鱼较大规模的自然繁殖现象，说明试验性生态调度对促进长江中游的四大家鱼自然繁殖具有一定的积极作用。值得注意的是与水库建成前比较，三峡水库下游河道水温比天然情况偏低，下泄流量过程趋于均一化，涨落次数偏少，过程也不明显，仍然对四大家鱼繁殖产卵时间和产卵规模产生了一定的影响。

3缓解长江口咸潮入侵情势的生态调度

咸潮入侵是入海口自然水文现象，是由太阳和月球对地表海水的吸引力引起的。当河流上游径流量不足时，在高潮位作用下，海水倒灌，咸淡水混合造成河口河道水体变咸，即形成咸潮。长江口咸潮入侵一般发生在每年的12月份至次年3月份，2个决定性影响因子分别是上游径流和外海潮汐强度。在《长江口综合整治开发规划》中，大通站10 000～13 000 m3/s流量确定为长江口“咸潮入侵适度控制”的流量。根据历史水文资料分析，大通站不满足10 000 m3/s的时段主要集中在12月份至次年3月份。

以1959—1993年水文系列分析结果为自然状态条件，三峡水库调蓄后，大通站12月份至次年3月份流量大于10 000 m3/s的保证率由天然状态的66.9%提高到93.8%；即使在1972年特枯年份，经三峡水库调蓄后，大通站流量小于10 000 m3/s仅24 d。

在试验性运行期，三峡水库通过水库调度，枯水期最小下泄流量提高至6 000 m3/s，枯水期平均出库流量较入库流量增加约1 000～2 000 m3/s，与此相应，根据大通站2003—2010年水文资料统计，大通站年平均径流量为8 360亿m3，平均流量为26 600 m3/s，最小流量为8 390 m3/s；最小流量超过10 000 m3/s的年数为7 a(2003，2007—2012年)，低于10 000 m3/s的年数为3 a(2004—2006年)，其中2005年、2006年最小流量接近10 000 m3/s。

三峡水库汛末蓄水，在咸潮高发的枯水季向下游补水，增加了下泄流量，对抵御咸潮入侵具有一定作用。根据实际水文监测资料，三峡水库调节有效改善了长江中下游干流枯水年的水情条件，使得大通流量小于10 000 m3/s的时间明显减少，可以减短长江口咸潮的入侵距离并缩短咸潮入侵时间，从而改善咸潮入侵情势，提高长江口地区生活和生产供水的可靠性[8]。

综上所述，三峡水库枯水期补水对缓解长江口咸潮入侵发挥了一定作用，同时也应认识到，三峡坝址离长江口距离较远，而且长江口来水更多受到长江中下游沿线取用水的影响，尤其是南水北调东线、引江济淮、引江济太等大型引调水工程的影响，直接通过三峡工程下泄流量补水压咸，作用有限，也存在效果滞后的问题[9-10]。当长江遭遇特枯来水条件时，长江口咸水倒灌是必然的、也是不可避免的，要减轻其不利影响，不仅需要严格控制长江中下游干流取用水，还需采取河口多水源避咸方案，如开展长江口本地青草沙、陈行、宝钢等沿岸水库与三峡水库的联合调度来解决。

4改善水库库区水体水质的调度

三峡水库蓄水成库，库区水文条件明显变化，流速变缓，泥沙和营养物质容易富集，水体水质受到了相应的影响。三峡工程设计阶段对库区水质评估的主要结论如下：“三峡工程蓄水后库水富氧和稀释扩散能力降低，城镇附近岸边江水污染将加剧”；“建坝对氮、磷营养物质有一定拦蓄作用，使生物过程加强，有利于提高生物生产力，但在水库支流、港湾地区易引起富营养化，应当注意。”

根据2008—2012年的水质监测资料，三峡水库库区干流水质保持在Ⅱ—Ⅲ类标准；三峡库区呈现库首水质优于库尾，库湾和支流口个别时段水质较差；由于支流水质受干流顶托，透明度增加，叶绿素增加，营养物质水平较高等原因，水质总体变差，主要超标因子为总磷、其次为总氮，以Ⅳ类水为主；大部分支流处于中营养或富营养状态，且每年都有部分支流出现水华现象。监测情况与环评结论基本相符。

三峡工程通过调度改善库区水质的主要方式是加大库区水位变化幅度，增加水流流速，从而增加水体的自净能力。部分学者提出通过加大日调度的幅度，采用“波动”调度来促进干支流水体交换，减少富营养水体在局部水域的停留时间，达到改善水质的目标，但相关调度实践未见诸报道[11]。2010年以后，三峡水库开展了汛期中小洪水的资源化利用调度，通过对汛期中小洪水进行资源化利用，加大了库区水位的变动幅度，有利于加强库区水体的自净能力。

由于缺少相应的水质监测资料，改善库区水质的生态调度效果目前仅停留在定性分析层面，具体调度效果有待进一步研究，同时，由于三峡水库水位频繁变动受到限制性的因素较多，如库岸稳定、航道安全和电网发电计划频繁变动等问题，使通过变动水库水位改善库区水质的生态调度增加了难度。

5关于中华鲟自然繁殖调度的可能性

中华鲟是一种典型的溯河洄游性鱼类，属于国家一级保护动物。由于葛洲坝水利枢纽的修建，中华鲟通往金沙江下游及长江上游历史产卵场的洄游通道受阻，被迫于葛洲坝下游约30 km长的江段内形成新的产卵场，每年10—11月份主要集中在葛洲坝—庙咀长约4 km的江段上进行自然繁殖[12]。中华鲟产卵繁殖在一定的水文水动力条件下进行，产卵期水文及水温变化直接影响产卵的数量和质量。根据已有相关研究成果统计分析：中华鲟产卵适宜流量为10 000～15 000 m3/s；产卵适宜水位为43～46 m；产卵适宜水温为18℃～20℃，最适宜温度为18℃～19℃；适宜含沙量为0.1～0.7 kg/m3，其中最适宜为0.1～0.3 kg/m3；适宜流速为1～1.4 m/s，最适宜流速为1.0～1.2 m/s。

三峡工程环评阶段对中华鲟的影响结论如下：“三峡水库蓄水后的下泄流量仍大于葛洲坝建坝前上游产卵场的天然流量，仍可适应中华鲟产卵需求，不过水库蓄水期的流量变化幅度较大，是否会干扰中华鲟的栖息、集群和产卵活动，仍需要进一步研究；10月份三峡水库多年平均下泄流量仍在天然变幅范围内，不至于显著干扰中华鲟的繁殖环境；另外，三峡下游船舶航行对中华鲟的干扰可能加重，对中华鲟亲鱼的性腺发育可能产生间接影响。”

近年来，不少学者研究了三峡、葛洲坝工程调度对中华鲟的影响。余文公等[3]研究了三峡水库蓄水前后下泄水温变化及其对中华鲟的影响，结果表明，三峡工程蓄水运行后，其下泄流量各月平均水温改变在±1.7℃范围内；下泄水温在不同时期分别出现“滞温”和“滞冷”现象，其中，10,11月的水温升高可能对中华鲟自然繁殖造成一定影响[13]。黄明海等[14]研究了葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件影响，指出葛洲坝下泄流量在15 000～6 000 m3/s范围变化时，适宜中华鲟产卵的水流区域范围随下泄流量减小而相应减小；在下泄流量为6 000 m3/s情况下，若下泄流量全由大江电厂泄流时，有利于增大大江尾水区适宜产卵的水流区域范围。班璇等[15]分析了三峡工程蓄水运行前后葛洲坝下游河势的调整情况及其对中华鲟产卵场地形、流场和涡量的影响，相关结论包括：河势调整使中华鲟上产卵区河床高程抬升，流场紊动程度加大，水流结构随着流量变化的相关性减小；使下产卵区流场紊动程度减小；同时指出鱼类栖息地水文条件的变化会导致环境质量与生物栖息条件时空上的不匹配，显著影响了中华鲟栖息地的质量，从而可能导致其从原有栖息地迁移或消失。王煜等[16]建立了改善中华鲟生境的葛洲坝水库优化调度模型，开展了中华鲟自然繁殖调度初步研究。

综合可知，已有研究成果普遍认为三峡水库蓄水运行将在不同程度上改变中华鲟产卵场的地形、流量、水位、水温、含沙量和流速等条件，从而对中华鲟的自然繁殖产生不利影响。值得提出的是，最新研究成果表明，三峡水库调度运行后，10—11月份水温相比天然水温平均升高(1.0～1.2)℃，变幅虽然不大，但对中华鲟产卵繁殖可能构成限制因素，与设计阶段结论略有不同。

三峡蓄水运行后，葛洲坝下中华鲟产卵场的水文及水动力特性发生了较大改变，虽然蓄水后中华鲟仍有一定规模的自然产卵繁殖，但其数量和质量都有较大幅度下降。根据实际监测资料，在2008—2012年，监测到葛洲坝水库坝下中华鲟自然繁殖，并推算出繁殖时间处于11月20—26日之间；在2013年和2014年，未监测到中华鲟的自然繁殖迹象。

在繁殖时间方面，三峡水库蓄水前(2002年以前)为10月中下旬，初期蓄水(2003—2006年)为11月中上旬，试验性蓄水期(2008—2012年)推迟到11月下旬，繁殖时间有所推迟。蓄水后，中华鲟自然繁殖群体数量处于低水平波动状态，参与繁殖亲鱼个体不足。据专家分析，导致中华鲟自然产卵时间推迟或不产卵的主要因素可能是水温状况。2013年11月至12月初，宜昌中华鲟自然保护区江段的水温持续保持在20℃以上，而以往，中华鲟产卵期水温多在20℃以下，这可能是2013年和2014年未监测到中华鲟自然产卵的主要原因。但由于三峡没有分层泄水设施，而且三峡水库水温与葛洲坝下游水温相差不大(常常在1 ～2℃)，何况影响中华鲟产卵的因素很多，如亲鱼健康状态、数量、产卵场附近人类活动、水环境及水文水质等，仅为单一因素(如水温)调度，技术难度大，效果也很难确定。另外，航运的发展、宜昌市城市建设等都对中华鲟狭小的产卵场环境产生影响，也可能是抑制中华鲟产卵的因素之一。

6结语

(1) 适宜的生态水文情势及水流条件是四大家鱼大规模自然繁殖的必要条件，三峡水库通过生态调度试验，制造适宜四大家鱼产卵繁殖的水文水力学条件是非常必要的。三峡工程于2011—2014年间开展了5次面向四大家鱼产卵繁殖的生态试验性调度，对促进四大家鱼自然繁殖、减轻工程调度运行的不利影响具有积极意义。随着试验性生态调度工作的开展、调度规则的日益完善，三峡水库调度运行对四大家鱼自然繁殖的不利影响可以逐步减轻。需要指出的是，四大家鱼产卵繁殖的条件除了水文条件(流量涨落、水位变动)之外，还与水温、水体透明度等其他因素有关，因此三峡水库试验性生态调度仅能部分改善四大家鱼产卵繁殖的水文和水动力条件，其作用是有限的，效果具有不确定性。

(2) 长江口咸水倒灌是一种自然现象，上游径流的大小只是咸潮入侵决定性因子之一，三峡水库的运行已经有效改善了长江中下游干流枯水年的水情条件，使得大通流量小于10 000 m3/s的时间明显减少，总体上减短了长江口咸潮的入侵距离并缩短咸潮入侵时间，从而改善咸潮入侵情势。对于特枯年份压咸问题，应该首先考虑长江中下游沿线水利工程取用水的控制和管理前提下，加强河口沿岸水库的联合避咸调度，三峡水库只能起到适当配合作用。

(3) 三峡水库建成后，库区水体富营养物质稀释和扩散能力降低，容易在局部的库弯、支流区出现富营养化和“水华”。三峡水库通过开展汛期中小洪水的资源化利用，加大库区水位变化幅度，有利于改善库区水体水质。对于推动加快库流的“波动"调度需要考虑库岸稳定及发电计划频繁调整的难题。

(4) 三峡水库运行在一定程度上改变了中华鲟产卵场的地形、流量、水位、水温、含沙量和流速等条件，但对中华鲟自然繁殖的影响尚待进一步观察和研究。近期相关研究成果认为，三峡水库运行调度造成中华鲟产卵期水温相比天然情况偏高，可能对中华鲟自然繁殖造成不利影响。根据三峡水库建成运行以来的监测资料，中华鲟在三峡水库建成后仍有一定规模的自然产卵繁殖，但其数量和质量都有较大幅度下降，未来开展中华鲟产卵繁殖适宜水温调度需要进一步研究。

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(编辑：赵卫兵)

Assessment of Eco-operation Effect of Three Gorges ReservoirDuring Trial Run Period

CHEN Jin1, LI Qing-qing2

(1.Administration Office, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China;

2.Water Resources Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Abstract:As a key water control project to manage and develop the Yangtze river, the Three Gorges project has profound impact on national economy, society and ecological environment. It not only has played a significant role in defending flood threat of the Yangtze river, but also has created remarkable economic benefits in power generation and river shipping since it was built. To alleviate the adverse impact caused by the operation of the Three Gorges reservoir, ecological operation practice was carried out from 2011 to 2014. In order to promote the ecological operation of the reservoir in the future, the effect of the ecological operation which was carried out during trial run period is scientifically evaluated combining the assessment conclusions of ecological impact of the Three Gorges project in design phase and the monitoring results of ecological operation target in trial run period. Finally some suggestions are put forward for the future ecological operation.

Key words: eco-operation; four major Chinese carps; Chinese sturgeon;assessment;Three Gorges Reservoir；saltwater intrusion; reservoir water quality

2015,32(04):7-11,17