金沙江下游梯级水库生态调度影响研究

任玉峰 ，赵良水 ，曹 辉 ，阮燕云

（1.中国长江三峡集团公司，北京 100038；2.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133）

金沙江流域水能资源丰富，是我国最大的水电能源基地[1]。目前已建成了金沙江中游梯级水库群、雅砻江流域梯级水库群和金沙江下游梯级水库群。其中，下游流域规划了4座梯级水库，包括乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝。目前溪洛渡和向家坝已建成投产，乌东德和白鹤滩正在建设过程中。金沙江下游梯级水库群是长江流域防洪体系重要组成部分，承担了川江河段防洪任务，配合三峡水库对长江中下游进行防洪补偿调度，减少中下游分洪损失，减缓流域防洪压力。同时，金沙江下游4座巨型电站是我国西电东送骨干工程，为受电区域社会经济发展提供了优质清洁能源。梯级水库蓄水和电站发电使河道水位抬升，配合沿岸港口航道建设，为流域通航创造有利条件，保障了航运畅通。综上所述，金沙江下游梯级水库群在防洪、发电、航运等方面发挥了巨大的综合效益，为长江经济带的发展做出了重要贡献。

水库生态调度是指以修复和保护水库及下游河道生态环境为目标的水库调度方式[2]。具体方法包括生态蓄水量调度、模拟生态洪水调度、防治水污染调度和控制泥沙调度等[3]，对保护河流社会生态环境至关重要，历来受到国内外诸多专家和学者的关注，也发表了相关研究成果[4-5]。近年来，随着“长江大保护”战略规划的提出，长江流域生态环境受到了社会高度关注。诸多学者积极投入长江流域生态环境研究，成果众多，成为该领域研究的热点[6-7]。金沙江流域是长江流域的重要组成部分，自然生态环境复杂而敏感，且紧邻长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区，下游水库群建成运行后，改变了河道原有径流时空分配过程和鱼类繁殖所需的水力条件。为保护长江上游流域生态资源，促进保护区鱼类繁殖，溪洛渡、向家坝梯级水库近年来实施了多次生态调度。基于水生态和环境的需求，调整水库调度方式，使其下泄流量和水温与上下游河段生态和环境的需求在时空上实现匹配，通过对生态流量和水温的控制达到促进鱼类增殖和改善水生态系统的目的。同时，为满足生态调度过程需求，梯级水库采用了较为特殊的调度方式。如溪洛渡采用叠梁门取水、向家坝采用模拟洪水过程的调度方式。这些措施势必对水库群本身的发电调峰、库区航运、防洪等产生影响，相关研究较为缺乏。因此，本文以溪洛渡、向家坝2017年生态调度为研究对象，在回顾生态调度过程基础上，分析生态调度对库区鱼类产卵、梯级电站发电调峰、库区航运、水库防洪四个方面的影响，识别生态调度与水库发挥综合效益之间的约束和影响，用以探求协调库区生态保护与水库防洪、发电、航运的优化调度方案[8]，达到兼顾生态环境保护与社会经济建设的目的。

1 生态调度过程

金沙江下游地处我国西南山区，为四川和云南两省交界地区。该地区位于长江经济带范围内，依托大中型水库修建，内陆航运发达，社会经济发展迅速。流域气候类型为典型的大陆性季风气候区，每年降雨主要集中在汛期的6月至10月。当发生大范围流域性暴雨、大暴雨时，易形成洪水灾害，威胁流域两岸人民群众的生命财产安全。当金沙江流域暴雨洪水与长江中下游洪水相遇叠加时，则发生破坏性极强的长江全流域性大洪水。因此，金沙江流域洪水是长江全流域洪水的重要组成部分，对该流域洪水进行拦蓄，对减轻长江中下游防洪压力至关重要。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical map of the study area

金沙江水能资源丰富，是我国最大的水电基地，水能资源蕴藏量达1.1×108kW。金沙江下游已建成投产的溪洛渡-向家坝梯级水库，是我国“西电东送”的骨干工程，两者相辅相成，为华东、华南地区社会经济发展提供优质清洁的电力保障。溪洛渡电站目前装机容量1.26×107kW，机组台数18台，机组额定容量7×105kW。向家坝电站目前总装机容量6×106kW，8台单机额定容量7.5×105kW机组。两座梯级电站装机容量大，调节能力强，承担了重要发电调峰任务。

向家坝水电站下游河道紧邻长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区。保护区内鱼类多样性高、物种丰富，具有较强的保护价值和科研价值[9]。为了给保护区的鱼类繁殖创造有利的水力学条件[10]，近年来溪洛渡、向家坝梯级水库开展了多次联合生态调度。本文主要以2017年4月至5月生态调度为研究对象，根据其调度过程，基于调度期间的各类监测数据：水库出入库流量、库水位、下游河道、电站出力，调峰量等数据，以及生态调度期间的水温和鱼卵等监测数据，分析生态调度对库区鱼类产卵、梯级电站发电调峰、库区航运、水库防洪等方面的影响。

2 金沙江下游梯级水库生态调度

2.1 生态调度过程

2017年4月至5月，溪洛渡-向家坝水库开展了联合生态调度，调节水库下泄流量和河道水温，使其与上下游河段生态和环境的需求在时空上实现“匹配”，为鱼类在产卵期提供适宜的河道环境，以期达到保护金沙江流域鱼类资源的目的。

溪洛渡生态调度方案主要为通过机组叠梁门进行分层取水，从而调节机组出水口水温，为电站下游河道鱼类产卵创造合适的温度条件。分三个阶段进行：第一阶段，4月下旬，落下第一层叠梁门；第二阶段，4月末，溪洛渡电站下游水温监测；第三阶段，5月上旬，提起所有已落下的叠梁门。向家坝生态调度方案主要为通过调节向家坝电站出力，人为制造出两组出库流量持续增加的水文过程，提供鱼类产卵所需的流量过程和水温条件。具体过程包括两组流量过程：第一组从5月上旬开始，历时3天，每天均匀增加300 m3/s下泄流量，最终出库流量达到2 500 m3/s左右；第二组从5月下旬开始，历时6天，将出库流量逐步增加至4 500m3/s以上。

2.2 生态调度结果分析

溪洛渡生态调度采用电站叠梁门调节河流水温。根据流域各站点水温监测数据，溪洛渡叠梁门运行对坝前水温结构及下泄水温过程均产生了影响，如图2所示。向家坝库区在叠梁门运行期间水温升高明显，5月平均温度比4月高1.9℃。根据溪洛渡电站发电机水温传感器检测数据，叠梁门运行后机组尾水水温由17.1℃升高至17.5℃，升温达0.4℃。因此，叠梁门对河流水文的影响主要表现为门顶以上的水体垂向掺混明显趋于均匀。同时叠梁门取水方式对下游水温具有一定的调控作用，分层取水在一定程度上减缓了下泄河流的低水温。叠梁门落门完成后，对应机组的流道所取水温有所升高。

图2 各监测站点在生态调度期间的水温变化Fig.2 Water temperature changes of monitoring stations during ecological dispatch

向家坝与溪洛渡联合调度，采用人工创造鱼类产卵适宜的水文过程，分两组进行。5月上旬与中下旬各开展一次，模拟天然涨水过程，流量过程见图3，达到刺激下游河道鱼类产卵目的。向家坝下游宜宾江段监测结果表明，坝下鱼类产卵受生态调度刺激作用，调度期间出现了鱼类产卵高峰。江津江段的监测结果发现长江上游干流鱼类产卵量在两次生态调度结束后均出现高峰，特别是5月20日左右，鱼卵密度达到了监测期间峰值（1.5×106ind./km2），是实施生态调度前鱼卵密度值的1.3倍。两次生态调度期间，宜宾断面监测鱼卵总量约0.1亿粒，江津断面监测鱼卵总量约1亿粒。

图3 向家坝生态调度流量过程Fig.3 Ecological dispatch flow process of Xiangjiaba

3 金沙江下游梯级水库生态调度影响分析

3.1 对电站调峰量影响分析

溪洛渡生态调度期间出力（水电站单位时间内输出的能量）过程如图4所示。由于叠梁门操作等要求，4月中下旬开始溪洛渡电站总出力呈下降趋势，最大出力从节日前的9×106kW下降至7×106kW左右。由于溪洛渡实行“一厂两岸两调”的特殊调度方式，即左岸电站归国家电网中心调度，右岸电站归中国南方电网总调负责调度，因此两岸电站在生态调度期间的出力变化有各自的特点：其中左岸电站平均出力减小2×106kW左右，右岸电站平均出力减小6×105kW左右；调峰量也相应减小，电站总调峰量从前期6×106kW以上减小至4.5×106kW，其中左岸电站调峰量减小1×106kW，右岸电站调峰量减小5×105kW。随后受“五一”假期影响，溪洛渡电站总出力和调峰达到最低值，全天出力1.5×106kW左右，无调峰，随后逐步恢复至前期的出力及调峰水平。因此，从溪洛渡2017年生态调度出力过程分析可以看出，生态调度使溪洛渡左右岸电站出力及调峰量均有所减小，左岸电站出力及调峰量的下降幅度较右岸电站更大，但跟大型节假日等活动相比，生态调度总体影响程度有限。

为了促进鱼类繁殖，向家坝生态调度采用了逐步增加出库流量的方式，满足鱼类对水环境的要求。因此，向家坝电站采用了相应的运行模式，图5显示：第一组调度过程期间，电站总出力增加至2.6×106kW以上，调峰水平为每天增加出力约2.5×105kW，较生态调度前的最大出力4×106kW及调峰量1.8×106kW，两者均有较大幅度的下降；第二组生态调度期间，向家坝电站总出力从2×106kW左右逐步增加至最大4.8×106kW，平均每日调峰4×105kW，较同期正常运行时的最大出力4.6×105kW和调峰量2×106kW，两者均有较大幅度的下降。这说明生态调度对向家坝调峰影响较大，日调峰量从1×106kW至2×106kW级下降至2.5×105kW至4×105kW级，且持续时间较长，因此在未来的生态调度期间，向家坝需要密切关注电网负荷及调峰需求与生态调度之间可能出现的矛盾，及时协调处理，保障生态调度和电力生产的正常进行。

综上所示，溪洛渡-向家坝梯级水库生态调度过程及其相关的设备操作需要水库提供特定的水位流量条件。因此，生态调度与发电调度之间存在一定的制约因素，主要表现为生态调度对电站运行出力以及调峰总量产生了影响。溪洛渡电站方面，生态调度使溪洛渡左右岸电站出力及调峰量均有所减小，且左岸右岸电站出力及调峰量的下降幅度较右岸电站大。向家坝电站方面，生态调度对向家坝调峰影响较大，日调峰量从1×106kW至2×106kW量级下降至2.5×105kW至4×105kW量级，且持续时间较长。

图4 溪洛渡生态调度期间出力曲线Fig.4 Output curve during Xiluodu ecological dispatch

图5 向家坝生态调度期间出力曲线Fig.5 Output curve during Xiangjiaba ecological dispatch

3.2 对下游河道航运影响分析

水电站对下游河道航运的影响主要体现为对河道水位和流速的影响[11]。根据金沙江下游流域河道的自然环境特征以及梯级水电站的运行特点，生态调度对下游河道的影响主要为对河道水位的影响。溪洛渡生态调度采用了分层取水的调度方式，且下游河道即向家坝库区暂无航运要求，因此，溪洛渡生态调度对航运影响较小。随着宜宾地区的社会经济发展，向家坝下游河段船只往来频繁，航运要求较高，且向家坝生态调度采用了模拟涨水的调度方式，下游水位变化较大。图6显示在生态调度期间，向家坝下游小时水位变化平稳，小时变幅在-0.2～0.2 m区间内，远低于日常调峰引起的下游河道水位变幅，有利于航运交通。但值得注意的是，在生态调度起止时刻，需满足特定的生态流量，如向家坝从1 700 m3/s开始，至2 500 m3/s结束。此时前期运行应当充分考虑生态调度要求，尽量平缓过渡至生态调度期，后期承接生态调度结束时的流量状态，逐步过渡为发电调度。因此，过渡期间应密切注意水位变幅，充分考虑生态调度与发电调度过渡期的下游流量变化、水位变幅在水库调度规程运行的范围内，且尽量平缓以保证航运要求。

图6 2017年向家坝水文站水位变幅Fig.6 Water level fluctuation of Xiangjiaba hydrological Station in 2017

3.3 对流域防洪影响分析

溪洛渡水库生态调度采用叠梁门分层取水方式，相关操作要求库水位宜在560 m以上。由于金沙江流域气候特点，生态调度期亦是水库消落的关键时期，必须在汛期到来之前腾出足够的防洪库容，以应对汛期洪水。因此，若溪洛渡生态调度时间过长，影响水库正常消落，可能对流域防洪产生影响。向家坝生态调度采用模拟涨水方式，实质上是对出库流量的限制。若调度期发生春汛，而向家坝库容有限，可能导致库水位上涨过快，影响水库正常消落，从而对流域防洪产生影响。图7显示了2017年金沙江下游生态调度期间，溪洛渡和向家坝库水位的变化情况。由于溪洛渡入库流量较小，为配合叠梁门启闭操作，溪洛渡适当控制了水位消落速度。向家坝在生态调度期间出库较小，库水位上涨较快，5月15日水位达到373 m以上。若金沙江下游发生历史同期较大洪水5 000 m3/s，梯级水库生态调度策略不变，溪洛渡库水位将上涨至580 m以上，向家坝水位上涨至378 m以上，对后期防洪调度较为不利。因此，生态调度对溪洛渡库水位和向家坝出库流量有严格要求，从而对流域防洪有一定制约。当溪洛渡入库流量较大时，梯级水库库水位持续上涨，对汛期水库防洪调度不利，如果入库流量为一般年份来水，则对流域防洪无影响。

图7 溪洛渡和向家坝水库生态调度期间库水位过程Fig.7 Reservoir water level process during ecological regulation of Xiluodu and Xiangjiaba Reservoir

4 结语

以溪洛渡-向家坝梯级水库2017年生态调度为研究对象，回顾了梯级水库生态调度过程：溪洛渡生态调度通过机组叠梁门进行分层取水，从而调节机组出水口水温，为电站下游河道鱼类产卵创造合适的温度条件；向家坝生态调度通过调节向家坝电站出力，人为创造两组出库流量持续增加的水文过程，提供鱼类产卵所需的流量过程和水温条件。宜宾江段监测结果显示，坝下鱼类产卵受生态调度刺激作用，生态调度期间出现了鱼类产卵高峰，效果明显。结果表明：（1）生态调度使溪洛渡左右岸电站出力及调峰量均有所减小，但影响程度有限，生态调度对向家坝调峰影响较大，且持续时间较长；（2）向家坝下游航运要求较高，生态调度过程平缓，有利于航运通畅，但需关注与前期发电调度的衔接问题；（3）生态调度对溪洛渡库水位和向家坝出库流量有严格要求，当入库流量较大时，梯级水库库水位持续上涨，对后期汛期水库防洪调度不利，因此，需密切关注生态调度期间水库流量预报，及时协调与后期汛期水库防洪调度之间的关系。

随着我国长江经济带战略推进以及长江大保护工作的深入开展，长江流域梯级水库生态调度将愈发重要。如何协调生态调度与流域防洪、发电、航运和泥沙调度的关系，将成为水电研究领域的热门问题，值得深入探讨和研究。