汉江中下游生态复苏面临问题与生态调度研究

尹 炜，李 建，辛小康

（1.长江水资源保护科学研究所，430010，武汉；2.长江水利委员会湖库水源地面源污染生态调控重点实验室,430051，武汉）

复苏河湖生态环境，维护河湖健康生命，是践行习近平生态文明思想的根本要求。2021年12月，水利部印发《关于复苏河湖生态环境的指导意见》，水利部办公厅印发《“十四五”时期复苏河湖生态环境实施方案》，明确了复苏河湖生态环境的工作目标和主要任务，其中包括强化重要河湖生态流量目标确定，加强江河流域及重大调水工程水资源调度。2022年全国水利工作会议强调“将河湖生态流量目标纳入江河流域水资源调度方案及年度调度计划，作为流域水量分配、水资源统一调度、取用水总量控制的重要依据”。开展梯级水库和引调水工程联合生态调度已成为复苏河湖生态环境的重要抓手。

本文从论述汉江在国家河湖生态环境复苏中的重要地位出发，分析汉江中下游生态复苏面临的主要问题和成因，以汉江中下游梯级水库和流域引调水工程为抓手，以提升水生态系统质量和稳定性为核心，提出水利工程群联合生态调度方案。

一、汉江在国家河湖生态环境复苏中的重要地位

1.汉江是国家水网构建的重要纽带

汉江全长1 577 km，为长江第一大支流。汉江流域规划和建设了多个引调水工程，上游是南水北调中线工程、引汉济渭工程、鄂北水资源配置工程调水水源地，同时规划有向汉江引水的引江补汉工程和引嘉入汉工程，下游已建成引江济汉工程。汉江流域东西互通、南北互济的基本水网格局已初步形成，成为国家水网构建的重要纽带。

国务院批复的《汉江生态经济带发展规划》（2018年）将汉江定位为国家战略水资源保障区、内河流域保护开发示范区、中西部联动发展实验区和长江流域绿色发展先行示范区。汉江流域生态环境复苏对于保护我国南北植物区系过渡带和东西植物区系交汇区生态环境，以及确保“一库清水北送、一江清水东流”具有极其重要的意义。同时，汉江流域通过南水北调中线工程多次向北方受水区河湖开展生态补水，为滹沱河、大清河、白洋淀等河湖生态复苏提供基础水量补充，在国家河湖生态环境复苏中具有重要地位。

2.汉江通过南水北调中线向北方多处河湖输送复苏水量

自2017起，在保证沿线大中城市正常生活用水前提下，南水北调中线工程连年择机向北方实施生态补水，累积已向河南省、河北省、天津市、北京市近50条河流生态补水超50亿m3，推动了滹沱河、瀑河、南拒马河、大清河、白洋淀等一大批河湖重现生机，河湖生态环境显著改善。

监测表明，2020年9月末北京市平原区地下水平均埋深为22.49 m，与2015年同期相比回升了3.68 m，昌平、延庆、怀柔、门头沟等区都出现了泉眼复涌；2021年8—9月，首次通过北京段大宁调压池退水闸向永定河生态补水，永定河实现了1996年以来865 km河道首次全线通水。工程沿线曾经干涸的洼、淀、河、渠、湿地重现生机，初步形成了河畅、水清、岸绿、景美的亮丽风景线。

二、汉江中下游生态复苏面临的主要问题及成因

1.硅藻水华频发

水华是水体富营养化的外在表现，通常认为浮游藻类密度超过107cell/L时即可判定为发生水华。水华发生时水体变色并伴有异味，浮游藻类急剧增加形成遮光层，大量消耗水体中氧气，威胁鱼类等水生生物生存，对水生态平衡产生破坏。同时，大量藻类堵塞水厂过滤系统影响供水安全。

近年受水利工程下泄水量减少以及汉江中下游入河污染物排放量增加的影响，汉江中下游水华暴发风险日益突出，对汉江的水环境、水生态和城市供水安全造成威胁。综合历次水华暴发事件，汉江中下游水华暴发主要呈现以下特点：在时间上，水华主要发生在枯水期1—3月份，以2月份最为集中；在空间上，主要分布在钟祥至河口的汉江下游段，2014年以前水华主要发生在潜江以下江段，2014年兴隆枢纽建成运行后水华发生范围向上扩展至沙洋等兴隆库区江段；汉江下游水华的优势藻种为硅藻，以硅藻属的汉斯冠盘藻为主。

充足的营养盐浓度、晴好天气和较弱的流速是导致汉江中下游水华暴发的主要原因。

①营养盐方面，汉江下游总氮和总磷浓度偏高，整体处于轻度富营养化状态，为硅藻水华暴发提供了物质基础，有研究认为总磷浓度可能是汉江下游水华暴发的限制性因子。

②气象条件方面，气温变化主要通过影响水温间接影响藻类生长，水华发生时期气温偏高且光照充足，大部分在10℃以上，天气变化引起的气温骤降对于水华的消退有重要促进作用，相关研究表明汉江中下游气温高于同期3℃且持续5天以上时，暴发水华的概率大为增加。

③水动力方面，河流中浮游藻类生物量与流量和流速成反比，在汉江梯级水库调度和引调水工程运行影响下，春季枯水期低流量以及长江水位顶托共同导致汉江下游流速减缓，水体滞留时间延长，这种水动力减弱引起的滞水效应是汉江中下游水华暴发的重要驱动因素。

2.鱼类资源萎缩

汉江中下游规划有丹江口、王甫洲、新集、崔家营、雅口、碾盘山及兴隆等7级水利枢纽工程，其中丹江口、王甫洲、崔家营及兴隆枢纽已经建成并投入运用，新集、雅口、碾盘山为在建。汉江中下游水库群建设运行对产漂流性卵鱼类的繁衍带来影响，鱼类资源呈现衰退趋势。

据20世纪70—80年代的调查监测，汉江产漂流性卵的鱼类至少有25种，汉江中下游仍为长江中下游鱼类重要繁衍栖息场所，尤其是中游分布有8处产漂流性卵鱼类产卵场，产卵量为31.40亿粒，其中“四大家鱼”产卵场7处，产卵量9亿粒，为汉江中下游、长江中下游提供了重要鱼类种质资源，发挥着重要的生态功能。根据2004年调查，汉江中游干流有7处产卵场，总产卵量16.85亿粒，其中“四大家鱼”产卵场减少至5处，产卵量大幅度减少至0.98亿粒。根据2009年和2013年调查，汉江中游产漂流性卵鱼类产卵场进一步缩减至3处，产卵规模降低至5亿多粒。

3.外来物种入侵

2014年以来汉江中游干流丹江口至王甫洲江段外来入侵沉水植物伊乐藻过度生长，严重挤占本地沉水植物生存空间，威胁河流水生态系统健康平衡和水电站运行安全。丹江口至王甫洲江段在2014年至2016年期间伊乐藻聚集情况并不严重，2017年和2019年汉江秋汛期间有大量伊乐藻断枝在河道内聚集。根据近两年持续观测，伊乐藻正在不断向下游扩散蔓延，襄阳城区护城河已出现密集生长的现象，当前崔家营库区也面临过度生长问题，亟须引起重视。目前，伊乐藻已在丹江口至王甫洲区间河道以及崔家营库区大量生长，夏季部分水域形成茂密的“水下森林”。

三、促进汉江中下游生态复苏的生态调度方案

汉江流域梯级水库调度运行和引调水工程实施是影响汉江中下游三大水生态问题发生、发展的重要因素，从水力调控角度提出汉江中下游水利工程联合生态调度方案，对于纾缓汉江中下游水生态问题具有重要意义。研究重点从生态调度目标、调度时机和调度方式等方面提出生态调度方案。

1.汉江中下游生态调度目标

围绕三大水生态问题，汉江中下游亟须开展以水华防控、促进产漂流性卵鱼类产卵繁殖、控制外来沉水植物过度生长为目标的生态调度，需要通过流量或水位等调节达到调度目标所需的阈值条件（见表1）。

表1 汉江中下游生态调度目标和阈值需求

根据1992以来历次水华发生期间流速模拟结果，水华暴发初期仙桃和沙洋断面平均流速范围分别为0.25~0.46 m/s和0.10~0.13 m/s，水华暴发持续一段时间后开始消退时仙桃和沙洋断面平均流速范围分别为0.43~0.67 m/s和0.14~0.20 m/s。由此确定，仙桃自然河段和兴隆库区河段抑制水华生态需水调控的流速阈值分别为0.67 m/s和0.20 m/s，对应的流量条件分别为兴隆入库流量1 160 m3/s、仙桃断面流量约为1 040~1 200 m3/s（仙桃受长江水位顶托影响流速流量关系不唯一）。

根据鱼类资源调查监测，汉江中下游“四大家鱼”繁殖主要依赖区间来水，特别是唐白河洪水，在水位涨幅比较大、日上涨率高、涨水持续时间长的情况下，“四大家鱼”繁殖规模也比较大。以“四大家鱼”为代表的产漂流性卵鱼类产卵繁殖对水文水力条件的需求为：水温超过18℃，洪峰上涨时间持续3天以上，水位日上涨率达到0.3 m/d，流量日上涨率不低于400m3/s，鱼卵孵化所需流速不小于0.3 m/s，漂流里程约为300 km。

根据近两年调查监测，岸边水下伊乐藻形成单一优势群落的临界水深为3~3.5 m，水温10℃可认为是伊乐藻由慢速向快速生长切换的温度阈值，影响伊乐藻生长分布的临界流速约为0.14 m/s，流速越大，对伊乐藻定植越不利。水文统计发现，当春季丹江口水库下泄流量（即王甫洲水库入库流量）较大且具有一定的波动性（极值比＞2.0）时，例如2016年和2018年春季1—3月流量极值比分别为2.07和2.15，丹江口至王甫洲江段未出现伊乐藻过度生长现象。在夏季伊乐藻生长旺盛期，当丹江口下泄流量达到1 500 m3/s时，王甫洲水电站坝前水草漂浮物骤然增加，1 500 m3/s的流量条件可能是能够对伊乐藻成熟团聚体产生冲刷破坏的临界流量条件。

2.汉江中下游生态调度时机

汉江中下游水华大部分发生在1—3月，冬春1—3月是水华防控的生态调度时机。根据鱼类产卵温度要求，促进产漂流性卵鱼类产卵繁殖的生态调度时机为5—8月，该时期水温超过18℃，同时汉江上游和唐白河来水进入丰水期。根据伊乐藻生长节律，初春2—4月和秋末10—11月是开展防控伊乐藻过度生长生态调度的最佳时机，其中初春2—4月生态调度干扰伊乐藻萌发生长，秋末10—11月干扰其断枝随水流漂浮定植，破坏新群落的形成。

汉江中下游以防控水华、促进产漂流性卵鱼类产卵繁殖和控制外来沉水植物过度生长为目标的生态调度时机主要包括1—3月、2—4月、5—8月、10—11月（图1），不同调度目标之间有时间上的重叠，生态调度时间可占全年10个月份，汉江中下游生态调度在流域水利工程群联合调度中占有重要地位。

图1 汉江中下游生态调度需求和调度时机

3.汉江中下游生态调度方式

（1）水华防控

汉江中下游水华防控生态调度围绕丹江口水库、汉江中下游梯级水利枢纽（兴隆水库为主）和引江济汉工程联合开展。生态调度方式为：

①条件允许情况下，兴隆水库发生水华后可首先采用敞泄式调度方式，将库区水体全部更换，使库区积累的藻类尽快排出，换水完成后尽快蓄水至正常蓄水位，减小发电损失；在兴隆水库蓄水期间，减少的下泄流量由引江济汉工程补足。

②当敞泄式调度存在困难时，兴隆水库应优先采用水位波动式（冲蓄结合）调度方式进行调度，同时丹江口水库加大下泄流量至800 m3/s，使兴隆水库入库流量逐步达到1 000~1 160 m3/s，王甫洲、崔家营等梯级水利枢纽尽量采用低水位运行，确保丹江口下泄水量尽快到达兴隆库区，兴隆枢纽采用水位波动式（冲蓄结合）调度方式，坝前水位波动范围尽量达到0.5 m/d。

③加大引江济汉工程引水，引水流量能够补充上游兴隆枢纽水位抬升时期减少的下泄流量，丹江口水库下泄、兴隆水库水位调节和引江济汉工程引水三者共同保障到达仙桃断面的流量不低于1 040~1200 m3/s（对应不同水位）。

（2）促进产漂流性卵鱼类产卵繁殖

促进产漂流性卵鱼类产卵繁殖的生态调度围绕丹江口水库和汉江中下游梯级水利枢纽联合开展。参照湖北省政府批复的《湖北省汉江干流丹江口以下梯级联合生态调度方案（试行）》要求，汉江中下游梯级联合生态调度启动条件为：丰水年、平水年提前24 h预报唐白河发生600 m3/s以上洪水，枯水年提前24 h预报唐白河洪水大于300 m3/s；特枯年份，至8月中旬，上述启动条件仍未出现，则在8月下旬和9月上中旬，通过丹江口水库加大出库流量营造洪水过程。生态调度方式为：

①丹江口水库下泄流量日增幅不低于400 m3/s（特枯年份200 m3/s），造峰持续时间不少于3天。

②王甫洲水库维持正常蓄水位，水库进出水平衡，以保证丹江口水库“造峰”洪水维持原有形态不变向王甫洲下游传播。

③崔家营及以下枢纽水库按照预泄、敞泄、回蓄三个阶段开展生态调度，自上而下依次逐步全开闸门敞泄，使汉江中下游恢复天然行洪状态，保障上游“造峰”过程进入各枢纽库区时，水库为敞泄状态。

（3）控制外来沉水植物过度生长

控制外来沉水植物过度生长的生态调度围绕丹江口水库和王甫洲水电站联合开展。生态调度方式为：

①春季2—4月，在不影响南水北调中线供水情况下，丹江口水库择机采用下泄流量极值比大于2.0的方式开展调度，即在不低于490 m3/s最小下泄流量基础上采用波动式加大流量下泄，其峰值流量按照最低流量的2~3倍进行设定，调度过程不少于2次，每次持续时间不少于5天。生态调度期间王甫洲水库配合开展水位波动式调度，水位波动幅度尽量达到0.5 m。

②未发生秋汛年份，在秋末10—11月择机再开展一次秋季生态调度，调度下泄流量峰值不低于1 500 m3/s，调度持续时间不少于5天。 ■