长江上游水库群水环境保护联合调度需求分析

刘瑞芬 ，裴中平 ，刘德富

（1.河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068；2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051；3.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

长江流域水资源禀赋良好，水资源总量9.958×1011m3，占全国水资源总量的35%。长江水能资源丰富，理论蕴藏量3.05×105MW、年电量2.67×1012kW·h，约占全国40%，其中技术可开发装机容量2.81×105MW，年电量1.30×108kW ·h，分别占全国的47%和48%。长江宜昌以上为上游，集水面积约1×106km2，长江上游地区可开发装机容量为2.44×105MW，占全流域的87%。《长江流域综合规划（2012-2030年）》[1]在长江上游干支流布局了一批控制性水利水电工程，将根据我国经济社会的发展逐步实施。截至目前，长江上游地区投入运用且总库容1×108km3以上的水库近80座，总兴利库容超6×1010km3，防洪库容约3.8×1010km3；预计在2030年前后，长江上游干支流水库总调节库容会超过1×1011km3[2]。

目前已建成或具备运行条件的控制性水利水电工程有：金沙江梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、溪洛渡、向家坝；雅砻江锦屏一级、二滩；岷江紫坪铺、大渡河瀑布沟；嘉陵江碧口、宝珠寺、亭子口，草街；构皮滩、思林、沙沱、彭水；长江干流三峡等。在建和拟建的控制性水利水电工程主要包括乌东德、白鹤滩；雅砻江两河口；大渡河双江口、金川、猴子岩、大岗山；岷江干流十里铺等。远期规划建设的大型水电站主要包括金沙江虎跳峡河段梯级和大渡河下尔呷等。长江上游控制性水库分布见图1。

图1 长江上游控制性水库分布示意图Fig.1 A schematic diagram of controlled reservoir distribution in the upper reaches of the Yangtze River

长江流域干支流梯级水库群形成后，将在长江流域防洪、发电、航运、水资源配置、水生态与水环境保护等方面发挥巨大的作用。然而，大型水利工程的建设对生态环境的影响亦十分深远和复杂，比如工程建设本身会带来新的生态环境问题，但工程运行调度亦可缓解原本存在的一些生态环境问题。生态调度是控制性水利工程综合调度的应有之义，是工程群安全、健康、高效运行的重要保障，是拓展枢纽工程综合效益的客观要求，是实现长江大保护的重要手段。在当前推动长江经济带发展，共抓大保护、不搞大开发的时代背景下，开展长江上游水库群水环境保护联合调度研究非常必要，并且意义重大、影响深远。

2 上游水库群对水环境的影响分析

2.1 水库运用改变了中下游水文泥沙情势

长江上游水库多为年调节水库，对中下游河道水文情势的影响表现为改变了河流水量的年内分配过程，流量过程线趋于平坦化，原有洪高枯低的水文节律被破坏。研究表明，格伦峡水库运用后科罗拉多河下游十年一遇洪峰流量减小75%[3]。由于水库拦截泥沙，加上上游水土保持和主要产沙区产沙模数降低，2003年以后，中下游泥沙来源减少88.1%[4]。

2.2 水库运用改变了中下游营养物质通量

伴随着水文情势和泥沙情势的变化，中下游物质通量也发生了较大变化，特别是总磷指标。研究结果表明，三峡水库运行后，长江中下游总磷通量下降幅度达到95%，颗粒态磷通量减少幅度达到83%[5]。由于长江中总氮的主要成分是硝酸盐氮，易溶于水，上游水库群运行对总氮通量的影响并不大，从而导致长江中下游氮磷比显著增加，进而会对生态系统的组成造成影响。

2.3 水库群运用改变了中下游水温过程

相关研究表明，葛洲坝和三峡水库对下游河段有“滞温”和“滞冷”影响[6]，且影响程度取决于水库的调节能力，调节库容越大，水库对下游河道水温的影响越明显，且影响显著的阶段主要发生在气温发生明显转变的季节。水温是影响鱼类栖息地环境的一个重要因子，直接影响鱼类的产卵繁殖和新陈代谢[7]。

2.4 水库群应用改变了下游排污口污染带分布

排污口污染带的分布与河流的河道形态、水流结构息息相关[8]。一般而言，排污口论证时采用90%保证率最枯月均流量或近十年最枯月均流量作为设计水文条件。水库群运行后，会显著改变枯水期的流量过程，对排污口附近的污染带范围产生影响，由此对取、排水口的布局产生新的科学问题。

2.5 水库群应用可能会进一步阻断两湖与长江的联系

上游水库群联合应用，使中下游泥沙减少，清水下泄导致长江干流河床冲刷，洞庭湖三水（松滋河、藕池河、虎渡河）河道进水口高程过高，长江中下游荆江三口分流分沙锐减，导致三口河道断流情况加剧，并呈现三口（松滋口、太平口、藕池口）口门趋于淤积，藕池河和虎渡河逐渐走向衰亡的局面[9]。鄱阳湖湖口水位降低，湖内水量加速向长江干流倾泻，湖区枯水一条线的情形加剧。

3 当前研究存在的主要问题

3.1 缺乏新水-沙-质条件下的生态空间质量监测评价手段

上游水库群蓄水运行改变了长江流域的水文、泥沙、生态环境条件，对水库库区、下游河道及通江湖泊生态环境将产生长期影响，目前缺少系统的监测体系和影响评价技术体系。

3.2 水库群联合运行后产生的生态环境效应没有系统性诊断

长江中下游通江湖泊、支流河口水文泥沙情势改变，营养盐通量发生显著变化，导致湿地生态系统健康状况下降，长江中华鲟、四大家鱼、江豚等重要生物的繁殖和生存条件发生变化，产出了物种生存危机的信号。

3.3 水库群“滞温”和“滞冷”现象改变了流域水生态系统原有的水温节律

大型水库往往存在夏秋季低温水下泄和冬春季温水下泄的现象，破坏了水生生物水温节律，从而对下游水生态系统产生深远的影响，但目前对“滞温”和“滞冷”问题的系统研究十分匮乏。

3.4 水文情势变化对原有取水口、排污口分布格局提出挑战

长江流域取水口、排污口犬牙交错，水库群联合调度以后，水文情势发生了全局性变化，引起水库库区及下游排污口岸边污染带时空分布发生变化，对取水口、排污口布局产生影响，对供水安全构成较高风险。新的工程条件下取水口、排污口如何优化布局还缺乏有效的规划手段。

3.5 “两湖”湿地生境功能性萎缩

随着上游水库群蓄水拦沙作用逐渐凸显，长江中下游河道下切，同流量条件下水位下降，“两湖”湖口控制水位降低，使“两湖”水面有所减少，“一大片”逐渐退化成“一条线”，洲滩湿地资源趋于萎缩，水生生物栖息地条件恶化，迫切需要开展上游水库群的联合生态补偿调度，适度控制“两湖”湖口水位，但这种需求的指标阈值难以界定，研究界存在较大分歧。

3.6 水库群应急调度需求迫切

随着社会经济的快速发展，沿岸分布有众多的农药化工基地和大型排污口，如三峡水库下游宜昌江段分布有宜化集团、三宁化工、东阳光药业等化工制药企业，同时也分布有临江溪、猇亭散货件码头等风险源，发生突发水污染事故的风险较大。突发性水污染事故发生后，社会公众对水库群的应急调度提出新需求。

4 研究目标和研究需求分析

监测和评估长江上游水库群运行以后长江中下游水生态空间质量的变化趋势，诊断上游水库群联合调度对中下游河道、通江湖泊及河口水温、泥沙、水化学、营养盐的调度-响应关系，评价水库调度对水生态空间质量的影响，寻求水库调度对水生态空间压力的缓解途径，以期提出更为科学的水库群运行调度方案和生态环境保护措施，恢复长江中下游水生态系统结构，保障水生态系统功能完整。相关研究需求主要有如下几个方面。

（1）水库群联合调度条件下长江流域水生态环境监测评价体系研究

针对水库群联合调度所形成的新的水文、泥沙、水质和生态特征，结合流域水量、水质和水生态统一保护的实际管理需求，建立水库群联合调度模式下长江水生态环境监测指标体系；基于物理化学指标、生物指标、水文及河道形态指标的水生态环境评价技术方法和规范，在水库群联合调度模式下分水体类型和规模建立反映水质变化的敏感生物（指示生物）的指标体系和评价标准，提出智能化、全覆盖的水生态环境监测网络规划方案。

（2）水库群联合调度后长江中下游泥沙、营养盐通量变化研究

根据控制性枢纽工程运行前、后长江中下游长系列泥沙、营养盐监测数据，对比分析悬移质含沙量，总氮（TN）和总磷（TP）浓度时空分布格局，识别突变点和致变因子，重点关注干流宜昌—湖口、两湖地区、汉江受江水顶托河段和河口区域。研究氮磷等营养元素在长江不同类型水体中的吸附、迁移、转化、归宿等环境行为，辨析其对不同功能水体的危害机制和生态效应。研究水库群联合调度下清水下泄对氮磷等营养元素环境行为的影响；开发水库群联合调度模式下氮磷等营养元素的水质模型和污染负荷总量控制模型；分水体类型建立基于保障水质安全和生态安全的氮磷控制标准和方案。

（3）水库群联合调度条件下“滞温”和“滞冷”效应及其影响识别

通过河道原型观测，研究水库群不同调度时期低温水或高温水下泄的影响范围，探明长江中下游水温复温特性，建立三峡大坝下游水温恢复模型，模拟预测下游水温变化过程；结合三峡大坝下游的实测水温数据，对水温模型的参数进行率定和验证。分析计算不同水库调度方案下，下泄的低温水恢复到天然水温所需要流经的河道距离；识别不同“滞温”和“滞冷”对长江中下游特征环境因子的影响途径和影响程度。

（4）上游水库群联合调度条件下库区及下游取水口、排污口布局影响研究

调查控制性水库库区及下游江段重要城市内的典型排污口与饮用水取水口的位置关系。定点监测水库蓄水期、消落期和汛期典型排污口岸边污染带的影响范围，为长江流域制定取水口保护区范围提供科学依据，为长江流域不同污染物衰减特性提供参数库。通过建立并验证平面二维或局部三维水质模型，模拟不同条件下取水口、排污口犬牙交错格局的风险程度，提出控制性水库库区及大坝下游取水口、排污口安全布局指导意见。

（5）维护“两湖”湿地生态安全的上游水库群联合生态调度方案研究

识别和总结湿地水文、水质、洲滩植被、物种多样性（鸟类）现状和历史演变趋势，掌握长江来水、湖区来水以及湖区污染排放等基础状况及变化特征。围绕三峡水库成库前后所带来的江湖关系变化，判断响应较为敏感的水生态空间要素，提出湿地水生态安全保障的关键要素和具体指标。确定不同水生态安全水平的指标目标值。围绕湿地水生态安全保障的关键指标，开展水库群调度敏感时段（如蓄泄水变动期、洪水期）精细化加密观测；结合长时间序列观测、野外实验和遥感影像解译分析等手段，探明水库年内调度运行以及敏感时段湿地水文变异规律，以及特殊水动力作用背景下湖泊湿地水环境、水生态时空变化规律，探讨“两湖”湿地保护的适宜生态水位。研究长江不同水文情势对洞庭湖与鄱阳湖、洲滩植被、沉水植被生长和发育的影响，揭示植被在不同生长期（4，5，6，9月）对水文情势的需求，提出植被生长和格局维持对长江上游水库群的生态调度需求，确定以维持湿地植被结构稳定为目标的水库群联合生态调度方案建议。

（6）纾缓流域突发性水污染事故的水库调度方案研究

在分析控制性水库库区和下游洪水演进规律的基础上，提出不同水库开展应急调度的适用地域范围，即哪些地方发生突发水污染事故，可以借助水库应急调度来缓解负面影响。对污染事故进行分类，识别水库应急调度的事故类型范围。对事故风险进行等级划分，划定何种规模的污染事故需要水库应急调度；结合水库供水、蓄水条件，研究水库群实施水库应急调度的起调条件。以减缓突发水污染事故对饮用水水源地的影响为重点，综合考虑集中饮用水水厂取水的避让能力、水库邻近江段的水文水质条件、突发水污染事故的类型、污染负荷量和入河方式、事故发生地点等因素，拟定水库多种应急调度预案，形成水库应急调度预案数据库。

随着长江上游梯级水库的逐步兴建，如何发挥水库枢纽工程的综合利用效益，使其在流域防洪、发电、航运、水资源配置、水生态与水环境保护等方面发挥全面作用是亟待解决的新问题。本文以长江生态环境保护为切入点，在全面分析长江上游水库群兴建及运行对水环境影响的基础上，提炼长江上游水库群实施水环境保护联合调度的研究需求，为长江经济带实施生态保护、持续绿色可持续发展助力。