水库多目标生态调度

 

【摘 要】本文分析了现行水库调度方法的不足，指出应在实现社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求,实行水库的多目标生态调度。文章讨论了水库多目标生态调度的方法，包括建立相应法规体系；保证维持下游河道基本生态功能的需水量；模拟自然水文情势的水库泄流方式；进行水库泥沙调控及水库富营养化控制；减轻水体温度分层影响；进行防污调度以及增强水系连通性等方面的调度技术。

    水库蓄水运行后，对于河流上下游的物理性质的负面影响可以划分为两类：第一类问题是栖息地特征变化，主要指库区淹没、泥沙淤积，水库下游冲刷引起河势变化，河湖联通关系的变化等，由此引起栖息地特征的变化，进而影响生境质量。第二类问题是水文、水力学因子影响，即流量、流速、水温、水质和水文情势等变化，由于水文、水力学因子变化，引起生态过程的变化。解决第一类问题主要靠河流生态修复工程。解决第二类问题的手段，目前可能选择的办法是改善现行的水库调度方法，在不影响水库的社会经济效益的前提下，尽可能满足水生生物对于水文、水力学因子的需求。另外，采用新的水库调度模式对于减轻水库淤积，改善河湖联通性等也会带来益处。可以说，实施“水库的多目标生态调度”，是对筑坝河流的一种生态补偿（图1）[1][2]。
    这里不妨给“水库多目标生态调度方法”这样的定义：水库多目标生态调度方法是指在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法。

    1. 现行水库调度方式的缺陷
    至今沿用“水库调度方式”，是指依据水库担负的社会经济任务而制定的蓄泄规则。现行的水库调度方式主要有两大类，即防洪调度和兴利调度。我国的大多数水库都具有防洪、发电、供水、灌溉等综合功能，而每一座水库的功能有所侧重。现行水库调度方式的主要缺陷，是注重发挥水库的社会经济功能，力求经济效益的最大化，但是忽视对于水库下游及库区的生态系统需求。主要表现在以下方面：
    1.1 河流生态最小需水量
    以发电为主要功能的水库，在进行发电和担负调峰调度运行时，发电效益优先，往往忽视下游河流廊道的生态需求，下泄流量无法满足最低生态需水量的要求。还有一种情况是引水式水电站，运行时水流引入隧洞或压力钢管，进水口前池以下河道不下泄水流，造成若干公里的河段脱流、干涸，对于河流的沿河植被、哺乳动物和鱼类造成毁灭性的破坏。我国最典型的案例当数岷江干支流水电开发的生态影响问题。
    在我国北方，水库的兴建为发展灌溉事业和供水提供了巨大的机会。但是，通过水库和闸坝大量引水，导致下游河道的断流、干涸，河流廊道生态系统受到破坏。

    1.2 水文情势变化对于生物的影响
    水文情势（ecological regime ）主要指水文周期过程和来水时间。未经改造的天然河流随着降雨的年内变化，形成了径流量丰枯周期变化规律。在雨季洪水过程陡峭形成洪峰，随后洪水消落，趋于平缓，逐渐进入枯水季节。在数以几十万年甚至数百万年的河流生态系统演变过程中，河流年内径流的水文过程是河流水生动植物的生长繁殖的基本条件之一。如同年内季节气温、降雨的周期变化一样，具有周期性的水文过程也是塑造特定的河流生态系统的必要条件，成为生物的生命节律信号。研究表明，水文周期过程是众多植物、鱼类和无脊椎动物的生命活动的主要驱动力之一。比如据1965年调查资料显示，长江的四大家鱼每年5~8月水温升高到18℃以上时，如逢长江发生洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处产卵场进行繁殖。产卵规模与涨水过程的流量增量和洪水持续时间有关。如遇大洪水则产卵数量很多，捞苗渔民称之为“大江”，小洪水产卵量相对较小，渔民称为“小江”。家鱼往往在涨水第一天开始产卵，如果江水不再继续上涨或涨幅很小，产卵活动即告终止。在长江中游段5~6月家鱼繁殖量占繁殖季节的70~80 ％。另外，依据洪水的信号，一些具有江湖洄游习性的鱼类或者在干流与支流之间洄游的鱼类，在洪水期进入湖泊或支流，随洪水消退回到干流。比如属于国家一级保护动物的长江鲟，主要在宜昌段干流和金沙江等处活动。春季产卵，产卵场在金沙江下游至长江上游的和江处。在汛期，长江鲟则进入水质较清的支流活动[3]。
    河流建设大坝以后，水库按照社会经济效益原则和既定的调度方案实施调度。在汛期利用水库调蓄洪水、削减洪峰，控制下泄流量和水位，确保下游防洪安全。在非汛期调度运行中，利用水库调节当地水资源的年内分布的丰枯不均，无论是发电、供水还是灌溉等用途，都趋于使水文过程均一化，改变了自然水文情势的年内丰枯周期变化规律，这些变化无疑影响了生态过程。首先是大量水生生物依据洪水过程相应进行的繁殖、育肥、生长的规律受到破坏，失去了强烈的生命信号。比如根据三峡水库设计的调度方案，5～6月上游来水主要通过电厂机组尾水下泄。尽管下泄流量比建坝前同期流量增大，但是经过水库调节后，缺乏明显的涨水峰值，这将使这一时段的家鱼繁殖受到不利影响。由于水文情势的变化，江湖关系、干支流关系发生变化，这对于洄游于江湖和干支流间的鱼类，可能由于江湖阻隔而受到负面影响。一些随水流漂游扩散的植物种子受阻，某些依赖于洪水变动的岸边植物物种受到胁迫。水文情势的变化也可能给外来生物入侵创造了机会。另外，由于一部分营养物质受到大坝的阻隔淤积在库区，加之下泄水流的水文情势变化，可能使大量营养物质无法依靠水流漫溢输移到滩地、湿地和湖泊[3]。

    1.3 水库水温变化
    多数水库都有垂向水温分层现象，但是表现有强弱之分。一般来说，库容大或者多年调节的水库或者库容较大而年来水量相对较小的水库，温度分层现象表现较为明显。Orlod (1983) 认为可以将水库分为3种类型，即1）稳定分层型；2）混合型；3）介于以上二者间的过渡型。判断水库水温分层的类型采用α指标法[4]。

       α= 入库总流量/总库容   （1）
    当α<10时，为稳定分层型；当α>20 时，为完全混合型；10<α<20 时为过渡型。
形成水库温度分层的机理是：水体的透光性能差，当阳光向下照射水库表层以后，以几何级数的速率减弱，热量也逐渐向缺乏阳光的下层水体扩散。由于水在4℃时密度最大，温度低的水体自然向湖底下沉，这就形成了温度分层现象（图2）[5]。水库与湖泊不同，水库可以通过操作闸门等泄流设施对于泄流进行人工控制，可以开启不同高程的闸门进行泄流（如表孔、中孔、深孔、底孔、水力发电厂尾水孔、旁侧溢洪道等）。在水体温度分层的情况下，水库调度运行中启用不同高程的闸门泄流，对于水体温度分层也产生主要影响。另外，强风力的作用可以断续削弱水体温度分层现象，有利于下层水体升温。
水库水体水温分层现象，对于鱼类和其它水生生物都有不同程度的影响。以三峡工程为例，据测算，三峡蓄水后水体出现温度分层现象，到4月下旬上下层温差最高达7.4℃。在长江中游段5~6月家鱼繁殖量占繁殖季节的70~80 ％。由于下泄水流的水温低于建坝前的状况，这将使坝下游的“四大家鱼”的产卵期推迟20天[3]。

　　1.4　对于河口的生态影响
　　河口地区是河流与海洋的连接地带，是生态与环境相对脆弱的地带。河口既受河流水文情势的影响，又受海洋动力条件的作用，在二者相互作用和制约下，使河口形成独特的地貌的生态特征。在河流上建坝以后，水文情势发生变化，泥沙状况也发生改变，打破了历史上形成的动态平衡状态，从而影响河口的生态系统健康。一般来说，水库调节能力越强，水文情势变化越大，对于河口的影响越明显。水库调节对于河口的影响主要表现为：1）咸潮入侵：在水库调节运行中，如果在汛后的蓄水时期下泄流量比建坝前明显减少，可能造成咸潮入侵的时间延长。咸潮入侵时河水内高浓度氯化物直接影响饮用水安全，也会造成电厂锅炉设备损坏等工农业生产损失。2）河口萎缩 由于水库的拦沙作用，泥沙在水库中淤积，造成水库下泄水流含沙量降低，可能使海岸线向陆地蚀退。比如埃及尼罗河的阿斯旺大坝建成后，水库拦沙使河流携沙减少，河口海岸因失去泥沙补给发生蚀退。3）河口盐渍化影响。在河流上建设水库以后，水文条件发生变化，可能对于已经形成的河口地区的水－盐动态平衡关系产生干扰，造成已经脱盐的土壤发生次生盐碱化，或者使原有盐土地区的盐渍化程度进一步加重。4）注入海洋的河流携带大量营养物质，成为近海生物的主要食物来源。主要营养物质氮、磷等都是以悬移质泥沙作为载体沿河输移。河口地带的营养物质输移量减少，对于近海鱼类和渔业资源产生影响。水库建成后，由于库区泥沙淤积，营养物质滞留于库区，水库下泄水流携带营养物质的总量可能会发生变化。另外水文情势的变化，也会改变原有的营养物质输移月际变化规律。特别是大型水库遇有蓄水期，下泄流量减少，对于近海鱼类和其它生物生长繁衍可能会产生影响。

　　1.5　库区淤积与富营养化
　　河流建设水库以后，水库内即发生淤积。产生淤积的实质，是由于水位升高，过水面积加大，流速减缓，从而使挟沙能力降低所致。由于挟沙能力与流速的高次方成比例，因此过水断面的些许改变，常引起挟沙能力大幅度降低[6]。水库淤积关系到水库寿命和工程效益的发挥，同时还引起库区生态与环境的复杂问题。
　　水库建成蓄水后，原来河流的水域面积扩大，形成淹没后的库区，河流的边界条件改变，原来对河流水环境造成威胁的污染源的成份发生明显变化。水库建成蓄水后，原来河段的水文、水力学条件发生重大变化，对于河流环境产生影响。随着库水位的升高，库区流速迅速下降。其结果是减少了扩散输移能力和生化降解速率，导致污染物浓度增加[7]。由于河流变成水库，水面面积明显扩大，加之不同部位流速减缓程度不同，污染物扩散在平面上的分布出现较大差异。首先是在水库岸边污染混合区面积加大，其次，在库湾和库岔部位流速甚小，加之受到水库蓄水后的水位顶托，水流不畅，污染物聚集加剧。由于营养物质特别是TP和TN等浓度加大，在临近城镇和工业区的库区部位以及库湾、库岔等地方发生富营养化的风险加大。从机理分析看，河流和水库都是生物地球化学循环过程中物质迁移转化和能量传递的“交换库”。而在水库中往往滞留时间长，一些物质的输入量大于输出量，其滞留量超出生态系统自我调节能力，由此导致污染、富营养化等，这种现象称为“生态阻滞”。

　　1.6闸坝调度运用不当造成河流污染加剧
　　闸坝本身对于河流的连续性就形成了胁迫效应，如果调度运用不当，会使这种胁迫效应加剧。比如，淮河流域现有水闸5400余座，这些闸坝的存在破坏了水系的连通性，导致淮河纳污能力大幅度下降。为保证灌溉等用水，大多数闸坝在整个枯水期基本封闭，排入河道的工业废水和社会污水在闸坝前大量聚集，当汛期首次开闸泄洪时，这些高浓度污水集中下泄，极易造成突发性污染事故。1994、2001、2002和2004年相继发生大面积污染事故，使淮河干流沿线城镇供水中断，洪泽湖等水域鱼虾大量死亡[8]。

　　2．水库多目标生态调度方法
针对上述现行水库调度方法的缺陷，采用多目标生态调度技术，在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，对于河流实行生态补偿。改善现行的水库调度方式，涉及众多方面，需要从立法和技术措施等多方面入手。
　　2.1 建立相应法规体系和协调机制
　　建议以法律和法规的形式确定以下原则：水库除满足社会经济需求外，还需兼顾生态健康的需求。需要建立权衡经济社会效益与生态效益之间关系的评估方法和指标体系。水库多目标生态调度是一种有效的生态补偿手段。要明确生态补偿的主体，即“谁受益，谁补偿”的原则，确定利用水库获取经济效益的水库业主是生态补偿的主体。各级政府部门应作为执法监督方实施有效的监督。同时还需建立水库上下游以及梯级水库群之间的协调机制，建立防洪、发电、灌溉、供水、航运、渔业、旅游等各个部门利益相关者的协调机制。

　　2.2 保证水库下游维持河道基本功能的需水量
　　应综合考虑确定水库下游维持河道基本功能的需水量，包括维持河流冲沙输沙能力的水量；保持河流一定自净能力水量；防止河流断流和河道萎缩的水量；维持河流水生生物繁衍生存的必要水量。除了河流廊道以外，还要综合考虑与河流连接的湖泊、湿地的基本功能需水量，考虑维持河口生态以及防止咸潮入侵所需的水量。在计算河道基本功能需水量时，要注意以上各种需水量之间的重叠部分，同时还要正确估算由河道引出水量的回归值。近年来“生态基流”已经成为一个热点科研课题。实际上，河流的生态基流不仅与河流生态系统的结构和功能有关，而且与流域的气候、土壤、地质和其它诸多因素有关，同时还与河流水文的动态特征密切相关。所以，生态基流是一个极其复杂的问题，试图给出较为精确的河流“生态基流”量值计算方法可以说是十分困难的事情。从实用角度看，“生态基流”是一个用于河流管理的工具，只要能满足生产需要并不需要过于复杂的计算方法。如同西方一些国家规定那样，最小生态需水量是河流多年平均流量的某一个百分数（比如10 ％）值，或者根据多年水文径流量资料，采用某一种保证率（比如90％或95％）的最枯月河流平均流量。这样，对于河流管理者有一个宏观的定量控制，避免社会经济用水过大，严重挤占生态用水，给河流健康带来损害。实际上，每条河流的自然状况以及流域的社会经济状况千差万别，不可能制定全国统一的维持河道基本功能的需水量标准，需要因地制宜地确定。同时，制定水库下游河道基本功能的需水量，需要探讨兼顾多种目标的方案，寻找各利益相关者一种可以接受的方案。

　　2.3模拟自然水文情势的水库泄流方式
　　需要改变现行水库调度中水文过程均一化的倾向，模拟自然水文情势的水库泄流方式，为河流重要生物繁殖、产卵和生长创造适宜的水文学和水力学条件。这项任务的基础性工作是弄清水文过程与生态过程的相关关系。这就需要选择标志性物种，建立相应的数学模型。需要掌握水库建设前水文情势，包括流量丰枯变化形态、季节性洪水峰谷形态、洪水来水时间和长短等因子对于鱼类和其它生物的产卵、育肥、生长、洄游等生命过程的关系。调查、掌握水库建成后由于水文情势变化产生的不利生态影响。还需要对于采取不同的水库生态调度方式影响生态过程进行敏感度分析。在以上研究的基础上，制定合理的生态调度方案。比如根据鱼类的繁殖生物学习性，结合来水的水文情势，形成有利于鱼类生长的“人造洪峰”，使之接近建坝前的水文情势，恢复鱼类产卵条件等。

　　2.4水库泥沙调控及水库富营养化控制
　　为减缓水库淤积，我国经过几十年的研究和实践，已经总结出行之有效的“蓄清排浑”的水库调度运行技术。通过水库采取“蓄清排浑”的调度运行，结合调整运行水位，利用底孔排沙等措施，降低泥沙淤积，延长水库寿命。
　　为防止水库水体的富营养化，可以通过改变水库的调度运行方式，在一定的时段降低坝前蓄水位，缓和对于库岔、库湾水位顶托的压力，使缓流区的水体流速加大，破坏水体富营养化的条件。也可以考虑在一定时段内加大水库下泄量，带动库区内水体的流动，达到防止水体富营养化的目的。

　　2.5合理运用大坝孔口，降低温度分层影响
　　根据水库水温垂直分层结构，结合下游河段水生生物的生物学特性，调整利用大坝的不同高程的泄水孔口的运行规则。针对冷水下泄影响鱼类产卵、繁殖的问题，可采取增加表孔泄水的机会，满足水库下游的生态需求。
　　高坝水库泄水，特别是表孔和中孔泄水，因考虑水流消能导致气体过饱和，对于水生生物产生不利影响。特别是鱼类繁殖期，造成仔幼鱼死亡率提高，对于成鱼易发“水泡病”。针对这个问题，可以在保证防洪安全的前提下，延长泄洪时间，适当减少下泄最大流量。研究优化开启不同高程的泄流设施，使不同掺气量的水流掺混。另外，有条件的河流实行干支流水利枢纽联合调度，降低下游汇流水体气体含量[9]。

　　2.6 闸坝的防污调度
　　对于闸坝群实施水污染防治的调度运用，一方面保证社会经济用水需求，一方面兼顾污染防治的目标，实施新的调度方案。近年来，淮河流域的沙颍河、涡河及淮河干流部分水闸，不再单纯从防洪、供水需求使用闸坝，而是兼顾防污目标进行调度，经常保持污水小流量下泄，又根据来水情况和水质状况，不断调整沙颍河下泄流量。避免了污染水量的聚集，又通过稀释和降解作用减轻了汛期泄洪造成的水污染。另外，为防止干流、支流的污水叠加，采取干支流污水错峰调度，以缓解对下游河湖的污染影响。同时加强水文水质监测及信息传递工作，使闸坝调度建立在信息分析和预测的基础上，更具科学性[8]。

　　2.7恢复增强水系的连通性的调度方法
　　通过调整闸坝的调度运行方式，恢复、增强水系的连通性，包括干支流的连通性、河流湖泊的连通性等，缓解水利工程建筑物对于干支流的分割以及对于河流湖泊的阻隔作用。必要时可以辅以工程措施增加水系、水网的连通性。比如在世界自然基金会等机构的资助下“重建江湖联系、还长江生命之网”项目，已经使天鹅洲长江故道、武汉涨渡湖、洪湖、安庆白荡湖等阻隔湖泊试行季节性开闸通江。现场监测资料表明，2005年6~7月开闸期间向涨渡湖引洪1760万m3, 引进泥沙1662t，引入鱼苗527万尾，多年未见的银鱼、寡鳞飘鱼在湖内重新出现。

　　参考文献：
　　[1] 董哲仁，探索生态水利工程学[J] 中国工程科学，2006年第9期
　　[2] 董哲仁，筑坝河流的生态补偿[J]，中国工程科学，2006年 第1期
　　[3] 长江水利委员会，三峡工程生态环境影响研究，湖北科学技术出版社，1997
　　[4] Orlod G T Mathematical modeling of water quality : Stream, Lake and Reserviors. Ⅱ ASA, 1983
　　[5] 陈永灿 张宝旭 李玉梁，密云水库垂向水温模型研究[J]，水利学报，1998年第9期
　　[6] 韩其伟，水库淤积，科学出版社，2003
　　[7] 黄真理 李玉樑 等，三峡水库水质预测和环境容量计算，P559，中国水利水电出版社， 2006
　　[8] 索丽生，闸坝与生态[J]，中国水利，2005年第16期,P5~7
　　[9] 蔡其华，充分考虑河流生态系统保护因素 完善水库调度方式[J]，中国水利，2006第2期，总第548期

(原载《水利水电技术》2007年第1期)

Multi-Objective Ecological Operations of Reservoirs
Dong Zheren  Sun Dongya  Zhao Jinyong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038)

【Abstract】

This paper analyzes the limitations of the measures taken in current reservoir
 operations and points out that multi-objective ecological operation of 
reservoirs should be carried out in order to meet the needs of river 
ecosystems while implementing various socioeconomic objectives. The paper 
discusses the methods of multi-objective ecological operation of reservoirs, 
which covers the establishment of legislation systems; water demands for the 
basic ecological functions of downstream river channel; reservoir discharge 
patterns simulating natural hydrological regimes; regulation and control of 
sedimentation and eutrophication of reservoirs; mitigation of the influences 
by water temperature stratification; the operation techniques in pollution 
prevention and connectivity reinforcement of water systems.