水库多目标生态调度研究进展

郭文献 王艳芳 彭文启 付意成

摘要：水库多目标生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。综合分析了水库多目标生态调度国内外研究进展，指出了水库多目标生态调度研究存在的问题，提出了水库多目标生态调度研究的发展方向，认为今后水库多目标生态调度研究还需在水库生态调度理论框架体系、水库生态调度目标定量化研究、水库多目标生态调度优化和模拟技术研究、梯级水库多目标生态调度方案效果评价研究以及水库生态调度管理体制等方面进一步加强。

关键词：水库；生态调度；生态修复；河流管理

中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0084-07

Abstract：The research on reservoir ecological operation is a hotspot problem in the current river ecological restoration research field.The connotation of reservoir ecological operation was introduced firstly.Based on the concept of reservoir ecological operation，the domestic and foreign research advances of reservoir ecological operation were reviewed.Aiming at the main existent problems in this field，the future development trends of reservoir ecological operation research were put forward.It is suggested that the further study of reservoir ecological operation should be emphasized on aspects of the theoretical framework system，quantitative objectives of ecological operation，multi-objective optimization and simulation technology，effect evaluation of operation schemes and the management system of reservoir ecological operation.It provides the reference for carrying out multi-objective ecological operation of reservoirs in the future.

Key words：reservoir；ecological operation；ecological restoration；river management

水电工程建设在推动人类社会经济发展同时，也对河流生态系统造成了严重影响，主要表现为：河道萎缩，洪泛区面积减少；水生生物生境破坏，鸟类数量和物种较少；洄游性鱼类数量减少，甚至消失；海水入侵，河口生态环境恶化；外来物种入侵等[1-5]。水电工程建设引起的河流生态问题已引起了相关专家学者的重视[4-5]，国内外大量相关研究表明，通过工程措施、生物措施和管理措施可在一定程度上避免或减轻这些问题[6-7]，其中开展水库多目标生态调度，是当前国内外大型河流生态恢复中的一项重要举措[8-9]。

1 水库多目标生态调度内涵

水库生态调度是水库调度发展的最新阶段，也是河流管理最新理念的体现。水库生态调度的目标，是以维持河流健康可持续发展为总目标，其中包括维持河流生态系统完整性、生物多样性、生物可持续性等[10]。综合考虑国内外水库生态调度相关论述，认为水库生态调度，即以河流健康可持续为目标，通过工程措施和非工程措施，调整水库泄水方案，在充分发挥水库的防洪和发电等效益的同时，减缓水库调度对河流生态系统的不利影响。水利工程建设所带来的河流系统生态问题十分复杂，要解决其生态问题，必须将河流系统整体进行考虑，不是仅仅靠生态调度能够完全解决的。水库生态调度相关措施不可能解决所有的生态问题，只是在一定程度上缓解河流系统的生态损害。水库生态调度作为河流生态恢复一种手段，主要是针对流域水资源利用导致的生态受损进行修复，通过调整闸坝调度规程的方法，来弥补或减缓对河流系统造成的生态环境问题[11]。要在水资源开发利用的同时保护好河流生态系统，还需要开展多种河流生态修复措施，维持河流健康可持续发展，实现人水真正和谐。

2 国内外研究进展

2.1 国外研究进展

在水库生态调度理论框架研究方面，其中Richter等（2003）提出了一个生态可持续水资源管理规程，该程序包括六个步骤：（1）首先初步研究能维持河流生态系统完整性的关键点；（2）考虑到当前以及未来人类活动对水资源的利用情况，采用水文模拟模型研究人类活动（如水库建设）对河流水流情势的影响；（3）评价人类活动对河流生态系统的不利影响；（4）共同协商寻找解决问题的办法；（5）综合考虑人类和生态需要，指导水资源管理解决不确定性问题；（6）设计并且执行一个长期的生态可持续水资源管理规划[8]。Richter等提出了通过水库生态调度（re-operation）来恢复河道环境流量，并且提出一个评价框架用于水库生态调度问题研究，该评价框架能够综合分析水库生态调度产生的生态效益[9]。Jager等[10]研究了如何开展水库生态调度，既能保证水库水力发电，又能保护生态系统服务价值，同时提出了三个生态调度目标，一是保证鱼类栖息地水流条件，二是维持近自然水流情势，三是维持鱼类种群健康水流条件。

在保障水库下游河流生态流量开展水库生态调度研究方面，其中Symphorian等[11]研究了津巴布韦奥斯本大坝生态调度问题，采用桌面模型评价环境需水量，进而在水库调度和水资源分配中考虑环境下泄流量。Ripo等[12]提出了年流量历时曲线方法，该方法能够提供水库不同供水量方案，同时保证河流相似的年流量历时曲线，有效地保证了维持河流生态系统的最小需水量。Shiau等以水文整体改变程度作为生态目标，采用一种动态妥协规划算法计算多目标调度问题，协调水资源利用在生态和人类需要之间的矛盾；在另外一篇文献中，提出以水库供水缺水率和水文整体改变程度作为调度目标，采用多目标遗传算法求得最佳调度方案[13-14]。Bednarek等[15]研究了通过修改田纳西河流大坝调度方式，来减缓其带来的不利影响，其中1991年-1996年，田纳西河流域管理局（TVA）对其管理的20个水库通过提高水库最小下泄水量及水质，优化了水库调度运行方式。Harman 等[16]研究了澳大利亚Thomson河流环境流量，并建立了水库调度模型模拟分析了不同下泄流量以满足下游河道环境流量需求。Konrad等[17]综合评述了美国的可持续河流项目（Sustainable Rivers Project），该项目是由美国TNC和陆军工程兵团（USACE）合作，选择了11条河流上26座水库，通过开展调整水库调度方式以恢复生态流量的试验研究，该项目于2002年开始，致力于恢复天然水文情势、保护水生生物和河岸植被生境，从而维持河流健康可持续。

在保障水库下游水生生物生态需求方面开展了相关水库生态调度研究。其中King等[18]研究通过调整南非Clanwilliam大坝在黄鱼产卵期（10月-次年1月）的下泄流量，人为制造洪水以增加下游鱼类的产卵量，同时考虑下泄水温对鱼类产卵的影响。 Susan等[19]针对美国科罗拉多河上的格伦峡大坝对河流生态系统的影响，采取加大春季洪水下泄流量以及分层取水的方法，满足下游栖息地的流量需要，分别于1996年和2000年进行春季泄洪试验，模拟建坝前的自然水文模式，达到输沙、恢复生境和保护鱼类等综合效果。Bovee等[20]提出综合水量平衡模型和洪水灾害曲线方法，模拟计算6种洪水泄水方案，用来恢复天然状况下的洪水脉冲事件，改变密西西比河流域上游的鱼类种群以及植物生存状况。Johnson等[21]提出采用修改大坝调度的方法减缓下泄水流水体过饱和对下游鱼类的不利影响，并对鱼类气泡病进行了相关研究。King等[22]研究了澳大利亚墨累河适应性管理问题，在鱼类的产卵期和幼鱼生长期，通过增加水库下泄洪峰流量以及洪水持续时间，恢复洪水脉冲，以保证下游鱼类产卵繁殖需求。Lessard等[23]针对新西兰Opuha大坝下游藻类繁殖影响河流生态安全，实施了大坝生态调度措施，适当加大大坝下泄流量进而破坏藻类发生水华的生境条件从而降低水华发生概率。Gates等[24]研究了美国爱达荷州Snake河流上大坝生态调度问题，通过调整大坝调度方式，适当增加季节性枯水流量，可以提高下游底栖生物群落的栖息地可利用性。根据相关研究，认为具有洪水和流量脉冲的天然水流情势对河流生物多样性和生态完整性具有重要作用，通过调整水库下泄流量，提高水库下游水生生物生境质量，进而提高水库下游水生生物产卵繁殖量以及生长需求。

在水库多目标生态调度研究方面，主要在考虑水库经济社会目标同时兼顾河流生态目标，国外开展了大量相关研究。Chaves等[25]采用模糊神经网络建立了水库下泄流量与水库的水质指标的响应关系模型，并将水沙、水质的量化关系模型嵌入到水库优化调度模型中，构建了水库多目标优化调度模型。Suen等[26]以Shihmen水库调度为例，将水流情势的天然变化作为生态目标，利用模糊集方法进行量化处理，与经济目标一起构成多目标优化模型，利用多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行求解，通过对水库的调度线进行优化处理，得出满足生态和满足人类需求的最佳调度方案。Halleraker等[27]在研究挪威Surna河流上水库生态调度研究中，提出了采用水力-生境模型、IHA方法、生境分析、水温模拟综合分析的方法评价环境流量，然后调整水库调度方案，以提高水库下游鲑鱼生境质量。Field[28]研究了美国萨克拉曼多的Folsom水库多目标生态调度问题，该研究考虑了发电、供水以及水库下泄水温3个目标，采用多目标进化算法和一维水库水温模型进行求解，取得了满意解。Steinschneider等[29]提出了水库生态调度优化模型用于美国康涅狄格河流域水库调度中，该模型综合考虑了水库防洪、发电、供水、娱乐以及下游河流生态流量等目标，结果表明通过改进调度方式，保证了防洪与水库下游生态安全。

根据对国外水库生态调度研究成果可知，以美国、澳大利亚为代表的一些国家，在水库生态调度研究实践方面相对较早。在生态调度研究内容方面主要包括：（1）解决水库库区污染物集聚、泥沙淤积以及水温层化问题；（2）解决水库清水下泄以及溶解氧过饱和问题；（3）解决水库下游鱼类产卵场生境、洪泛区以及河口生态问题。水库蓄水所带来的河流系统的生态问题十分复杂。过去水库调度采用单一生态目标调度方式难以达到维护河流健康要求，水库调度必须从河流系统整体出发，综合考虑水库引起的多方面问题，采用多学科结合研究、多管理部门参与的方式，制定科学合理的调度方案。当前正在进行的改进水库调度方式实践如美国的可持续河流工程项目和澳大利亚的恢复墨累河活力项目最为典型[30]。

2.2 国内研究进展

国内在水库生态调度研究实践方面相对较晚，从2000年以来，我国在水库生态调度理论方面进行了大量研究，同时，相关专家学者相应在各大领域开展了生态调度实践研究[31，32]，对我国水库生态调度开展具有指导作用。 在理论探讨方面，索丽生[33]提出水利工程的优化目标应该由惯常的“技术经济最优”改变为生态效益、经济效益、社会效益统筹兼顾，强调人与自然和谐共处。水利部原部长汪恕诚[34]提出了要积极探索水利工程有利于生态的调度和使用模式。蔡其华[35]提出了充分考虑河流生态系统，完善水库调度方式，并且针对三峡工程生态问题，提出了水库生态调度基本思路和相关对策措施，保证水库的防洪、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的范围内，并逐步修复生态与环境系统。董哲仁等[36]针对现行水库调度存在的生态问题，分别从维持河流生态流量等7个方面论述了水库多目标生态调度技术方法。2005年12月在北京召开的《通过改进水库调度以修复河流下游生态系统》研讨会，为水库生态调度研究指出了方向。尹正杰等[37]分析了长江流域开展生态调度存在问题，指出了科学合理管理体制是实施流域内水库生态调度管理的关键，并初步构建了长江流域梯级水库生态调度管理体制。蒋晓辉[38]针对黄河干流水库运行所引起的生态问题，提出了黄河干流水库生态调度的总体框架。鲁春霞等[39]综合论述了国内外水利工程生态效应与生态调度研究的现状和特点，指出了我国水利工程生态调度研究中存在问题与方向。郜国明等[40]提出了小浪底水库生态调度总体构想，包括其内涵、总体目标以及具体措施。

在生态调度实践研究方面。邓云等[41]研究通过调整溪洛渡电站春季下泄水流方式，改变下泄水流水温，保护下游鱼类产卵繁殖。钮新强等[42]探讨了三峡工程生态调度问题，主要针对改善长江口咸潮入侵情势的调度及有利于“四大家鱼”（青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼）产卵提出建议。胡和平等[43]提出了基于生态流量过程线的水库调度方式，将生态流量过程线作为水库调度流量变化的约束条件之一，建立了水库生态调度模型。郭文献[44]研究了基于河流健康水库生态调度模式，针对三峡梯级水库调度，考虑三峡水库下游河道环境流量以及中华鲟和四大家鱼产卵繁殖情况，提出了三峡梯级水库生态调度目标，建立三峡梯级水库生态调度模型，并进行了优化计算，最后提出了生态调度措施方案，为三峡梯级水库生态调度提供了参考。诸葛亦斯[45]考虑到锦屏二级电站对下游鱼类栖息地的影响，将梯级水库生态调度和电力优化调度结合起来，提出了梯级水库中长期生态调度方案。陈秀铜[46]从保护雅砻江锦屏一级水电站下游鱼类产卵繁殖角度，开展了调整水库调度方式改变下泄低温水，保证鱼类产卵繁殖的研究。王俊娜[47]以长江三峡工程调度为对象，综合防洪、发电、航运和生态保护目标，构建了三峡水库多目标生态调度模型，制定了长江枯水期和汛期的生态调度方案。赵越[48]针对长江中游生境改善与修复的需求，考虑生态系统、四大家鱼产卵、中华鲟产卵的生态需水量及防止气体过饱和与河口咸潮入侵发生的临界流量，建立了以生态缺水量最小及年发电量最大为目标的水库多目标调度模型，采用智能优化算法对模型进行求解。金鑫[49]采用聚合水库调度图及供水量分解系数作为调度规则标度，结合大系统分解协调理论构建了供水水库群联合生态调度优化模型，并采用自适应遗传算法（AGA）、逐次优化法（POA）作为求解工具，对溁河下游潘家口、大黑汀、桃林口3水库联合生态调度规则进行了优化研究。

从2000年我国黄河、珠江、嫩江、海河、太湖、淮河各大流域都陆续开展了不同目的的生态调度实践研究，并取得良好的社会与生态效益，其中黄河小浪底的水库调水调沙试验，利用人造洪峰输沙入海，减轻下游河道淤积，补偿生态流量[50]。在2001年-2006年，塔里木河先后进行了8次向下游生态应急输水，通过沿河道输水，提高了两岸附近地下水位，拯救了河道两岸的天然植被。另外，珠江流域实施了压咸补淡应急调水的全流域水库群生态调度。2011年6月长江防总开展了首次生态调度试验，促进了“四大家鱼”的自然繁殖，这是中国首次针对鱼类自然繁殖而实施的生态调度，拓展三峡工程综合效益，提升三峡工程服务能力的需要[51]。2012年、2013年和2014年，三峡水库又相继实施了4次试验性生态调度，并同步开展了典型江段鱼类早期资源、水文及环境要素等监测工作，通过四大家鱼卵苗监测结果表明，生态调度对四大家鱼自然繁殖起到了一定促进作用[52-53]。长江流域管理部门为了下游四大家鱼产卵繁殖，2010年以来连续几年在四大家鱼产卵期开展生态调度研究，取得了良好效果。

根据国内研究现状，可知：（1）目前我国生态调度理论上还缺乏严格和统一的定义，水库生态调度的概念内涵理解还比较模糊，基础研究滞后；（2）在没有提出生态调度概念之前，过去一些研究学者已经进行了大量研究，但这些研究都是独立的，考虑生态问题比较片面单一，主要通过增水以改善水质，缺乏明确的生物保护对象，没有从河流生态系统整体去研究水库生态调度问题；（3）目前水库生态调度研究在理论探讨方面居多，在生态调度实践方面由于众多因素，仍然未能在大范围进行开展。因此，今后，我国应该大量开展相关研究，通过科学的论证和研究，探索出符合中国国情、有利于河流生态健康发展的水利工程生态调度模式，是未来必然的发展趋势。

3 水库多目标生态调度研究方向

（1）水库多目标生态调度框架体系构建。

开展水库多目标生态调度需要建立一套行之有效的水库生态调度的理论框架体系，包括水库生态调度的理论基础、技术手段、对策机制和评价体系。其研究理论基础包括河流生态系统理论、河流生态恢复理论、河流水流情势理论、河流环境流量理论、生态补偿理论以及生态安全理论；从河流系统整体角度考虑，探讨水库生态调度的工程技术措施和非工程措施，其中工程措施主要包括为减小筑坝对洄游鱼类过坝的影响而建立相应的保护工程，提高下游河道最小流量以及溶解氧浓度等；非工程措施主要包括保障水库下游河流生态系统合理的环境流量，控制水体富营养化，鱼类产卵期增加洪峰流量等措施。

（2）水库调度中生态目标定量化。

兼顾生态的水库多目标调度方法是一个非线性、多目标、多约束的优化决策问题。河流功能的多重性和生态系统的复杂性，以及人们对河流健康认同的不完整性、不确定性，导致河流管理生态目标的多样性，包括保护水生生物、控制有害物种、改善水质、泥沙输移、河口生态维持等。开展水库生态调度研究，首先必须确定水库生态调度的目标，其中目标定量化是将来的研究重点和热点。根据河流管理的生态目标，建立生态目标与水流特性之间的关系，明确水库调度水量大小和时间，同时鉴于水库生态调度中生态目标、社会目标和经济目标存在用水矛盾，如何耦合生态目标和社会经济目标，协调三者之间关系，也是将来研究重点。

（3）水库多目标生态调度优化和模拟技术。

综合分析优化和模拟技术在水库多目标生态调度中的应用，利用水动力水质模型以及水生生物模拟模型来建立系统物理特性的约束条件，利用优化模型解决总体的调度问题，采用模拟和优化技术相结合的方法，综合考虑水库群调度的经济、社会和生态目标，建立梯级水库多目标生态调度优化模拟模型，并研究进化算法在水库多目标生态调度研究中的应用，也是将来研究方向。

（4）水库多目标生态调度方案效果评价。

开展水库的生态调度研究，调度实施后，确定是否达到预期目标，必须开展生态调度方案效果评价研究。其中，必须建立一套行之有效的监测评价系统，该系统综合考虑经济、社会和生态效益，同时考虑水库生态调度方案监测情况，对生态调度方案进行综合评价，选择合理调度方案。

（5）水库生态调度管理体制。

目前，生态调度从理解认识到贯彻实施还存在相当的困难，开展水库生态调度，需要建立一套流域梯级水库的生态调度管理体制机制。生态调度缺乏明确的制度约束，加之生态调度与传统的兴利调度一定程度上存在矛盾和冲突，在这种情况下，生态调度将缺乏实施动力。因此，建立以河流健康管理为理念的水库调度适应性管理体制，以保障河流有效开发。

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