充分考虑河流生态系统保护因素 完善水库调度方式

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简介： 长江流域已建成大中小水库4.4万多座(其中大型水库109座)，总库容1180亿m3。做好水库调度工作，对全流域水资源的综合开发利用和生态与环境的保护，具有重要意义。摆在我们面前的一项迫切任务，就是要充分考虑河流生态系统保护问题，完善水库调度方式，提高全流域水库的科学调度水平。
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一、现行水库调度方式及存在的问题
　　目前，我国的水库调度主要是围绕防洪、发电、灌溉、供水、航运等综合利用效益所进行的。依据水库既定的水利任务和要求而制定的蓄泄规则，就是我们通常所说的水库调度方式。长江流域现行水库调度方式主要分为两大类，即防洪调度与兴利调度。防洪调度的主要任务是确保水库大坝安全和处理防洪与兴利的矛盾。对不承担下游防洪任务的水库而言，防洪调度的主要任务是在确保水库大坝安全的前提下，充分发挥水库兴利效益；对承担有下游防洪任务的水库，防洪调度的主要任务，是在确保水库大坝安全的前提下，处理好防洪与兴利之间的矛盾，通常采用的调度方式有：固定下泄（一级或多级）、补偿调节、预报预泄等，汛限水位是处理防洪与兴利矛盾的基本特征水位。兴利调度一般是在非汛期，按照水库所承担兴利任务的重要程度，合理分配水资源，谋求经济效益最大化的调度方式，按照工程任务一般分为：发电调度、灌溉调度、供水调度等类型。

　　以丹江口水利枢纽为例，其初期规模的综合利用任务为：防洪、发电、灌溉、航运及养殖。大坝加高后水库调节能力及承担各项水利任务的能力将有较大的改善和提高，其水利任务将调整为：防洪、供水、发电、航运。丹江口水库现状及大坝加高后，洪水调度方式均为预报预泄、补偿调节、分级控泄；兴利调度现状按水利任务主次，依据水库调度图进行控制运行。大坝加高后，丹江口水库按发电服从调水、调水服从生态的原则拟定控制水位和调度规则，在满足水源区用水发展要求的前提下，尽可能多调水，并按库水位高低和来水情况，分区进行调度，大水多调，小水少调。

　　现行水库的管理制度和调度运行模式的主要任务是，处理、协调防洪和兴利的矛盾以及兴利任务之间的利益。从河流生态系统保护的角度看，现行调度方式存在的主要问题：一是大多数的水库调度方案没有考虑坝下游生态保护和库区水环境保护的要求。目前一些大型水电站在进行调峰调度运行时以及支流中开发的引水式水电站，往往只重视发电效益，忽视了坝下游生态保护的要求，如电站在调峰运行和引水发电时，导致坝下游出现减水河段，甚至脱水河段，使坝下游水生物（尤其是鱼类）的生存环境遭受极大破坏，一些减水和脱水河段的生物多样性遭受严重破坏，直接威胁坝下游水生态的安全；由于水库对下泄流量的调节作用，也可能引起水库下游局部河段出现水体富营养化。二是受水库调度运行的影响，也会引发库区局部缓流区域或支流回水区出现水体富营养化，甚至“水华”现象的发生；水库消落带的利用与水库的调度运行不协调，可能造成消落带利用而污染水库水质。三是缺乏对水资源的统一调度与管理。目前长江上游干支流水电开发基本进入全面开发的状态，一些工程规模大、调节性能好、综合利用效益大的控制性水利枢纽工程正在加快建设。这些枢纽工程建成后，如果仍采用目前的调度与管理模式，各发电公司仅按枢纽各自的任务进行调度运用，势必会造成对水资源统一调度的不利，不仅会影响流域梯级水库整体的综合利用效益，而且还会导致生态与环境等一系列影响。例如，如果长江上游干支流水库同步蓄水、放水，下游河道水量大幅减少或增加，将对长江中下游的生态与环境产生较严重的影响。

　　从三峡水库调度运行面临的问题和沱、岷江流域梯级开发及水库调度存在的主要问题，可以更加清楚地看到现有水库调度方式存在的问题。

　　（一）三峡水库调度运行面临的问题

　　三峡水库首先考虑的是防洪，其次考虑发电和航运，坝下游生态保护和库区水环境保护将面临许多新的问题。一方面，在三峡水库泄水运行过程中，每年4月底至5月初，由于三峡水库坝前存在水温分层，水库升温期下泄水较天然情况的水温低，将会使坝下游“四大家鱼”的产卵时间推迟约20天；同时，三峡水库的削峰作用，也直接影响“四大家鱼”的产卵量，可能导致中下游“四大家鱼”的产量下降；水库泄洪时，可能使下泄水流中造成氮气过饱和，可能使坝下游鱼类（尤其是鱼苗）发生“气泡病”；水库的清水下泄，影响和改变了中下游的江湖关系，也相应的影响了中下游的水生态环境。另一方面，在三峡水库蓄水运行过程中，支流回水区受水库回水顶托的影响，在局部缓流区域可能会出现水体富营养化，甚至“水华”（如135m蓄水过程中香溪河发生的“水华”）；随着水库蓄水位抬高，水库消落带的利用，也可能影响水库水体的水质。

　　（二）沱江流域水库调度存在的问题严峻

　　沱江干流总长达600多km，经成都、资阳、内江、泸州后注入长江，流域面积约2.7万km2。两岸人口密集、工业企业众多。由于缺乏有效环境管理，沱江接连出现了两次严重污染事件，污染事件发生后紧急实施跨流域调水——通过都江堰和三岔水库分别调水5000万m3和500万m3为沱江冲污，调水流量甚至大于沱江上游来水。但在调水冲污过程中，由于对沱江干流的石桥、沱江、南津绎等梯级水电站缺乏统一调度与管理，污水团下泄缓慢，调水冲污效果并不理想。这一事件充分暴露了电调与水调的矛盾，暴露了企业在处理经济利益与生态保护中的局限性，也暴露出管理制度的薄弱。

　　（三）岷江流域水库调度存在的问题

　　岷江干流除在建电站紫坪铺和支流在建狮子坪电站外，目前干、支流上已建的其他水电站均采用引水式开发，各水电站为了获取最大的发电效益，尽量引水发电，基本不考虑河道内生态用水，导致干流约80km、支流约60km的河段出现时段性脱水。铜钟电站以上的茂县境内，断流现象十分突出，河道干涸，在40km的河段内，干涸河段长17km，占河段长度的42%。岷江上游干流和主要支流原生的近40种鱼类，包括国家二级保护鱼类虎嘉鱼，由于河流减水或断流，河床萎缩或干涸，直接影响鱼类的繁衍和生存，鱼类数量和种群急剧下降，许多河段生物多样性丧失殆尽。20世纪80年代以后，茂县以下河段虎嘉鱼已绝迹，曾是杂古脑河和岷江上游主要经济鱼类的重口裂腹鱼，也很少发现。此外，在脱水、断流河段，河床大部分甚至全部裸露，乱石堆积，两岸植被萎缩，河床出现沙化，在汛期大水时，易形成含沙高的洪水，加剧下游河道的淤积。

　　此外，岷江上游地区比较好的土地多集中于河道两岸，农田灌溉主要依靠抽、引岷江水灌溉。由于部分河段出现脱流或减水，使河流两岸农田的灌溉水源无法保证。

　　综上所述，一方面长江流域水资源和水力资源丰富，目前总体开发利用程度不高，开发利用潜力巨大，随着我国社会经济发展对水资源和能源要求的提高，长江流域的水资源和水力资源的开发利用，必将进入一个快速发展阶段。另一方面，现行的水库调度方式主要是处理、协调防洪和兴利的矛盾以及兴利任务之间的利益，对水库下游生态保护和库区水环境保护重视不够，对生态与环境造成一定的负面影响。这就要求我们把生态调度纳入水库调度统一考虑，努力提高防洪、兴利与生态协调统一的水库综合调度方式。

　　二、完善水库调度方式的基本思路和对策措施

　　完善水库调度方式的基本思路是：牢固树立和认真落实以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观，以维护健康长江、促进人水和谐为基本宗旨，统筹防洪、兴利与生态，运用先进的调度技术和手段，在满足坝下游生态保护和库区水环境保护要求的基础上，充分发挥水库的防洪、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。

　　（一）充分考虑下游水生态及库区水环境保护

　　水库的调度运用对生态与环境造成的不利影响不可忽视。根据目前长江流域水库的管理和调度现状，研究认为，在现有的调度方式中，根据各水库的实际情况可以通过下泄合理的生态基流（最小或适宜生态需水量），运用适当的调度方式控制水体富营养化、控制水体理化性状与水华爆发、控制河口咸潮入侵等，以达到减少或消除对水库下游生态和库区水环境不利影响的目的。

　　1.确定合理的生态基流

　　生态基流要根据坝下游河道的生态需水确定。生态需水是指维系一定环境功能状况或目标（现状、恢复或发展）下客观需求的水资源量。确定河流生态需水量，是保护河流生态系统功能的有效措施。河流生态需水量的确定，应根据河流所在区域的生态功能要求，即生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量来确定。河流生态需水量，不但与河流生态系统中生物群体结构有关，而且还应与区域气候、土壤、地质和其它环境条件有关。

　　水资源开发利用程度的不断提高，使得水资源利用与生态用水的矛盾在全球范围都很突出，但生态流量大小的选取论证，目前尚缺乏比较完善、成熟的方法。美国、法国、澳大利亚等国家都先后开展了许多关于鱼类生长繁殖与河流流量关系的研究，提出了河流最小生态（或生物）流量的概念和计算方法，如湿周法、河道内流量增加法、Montana法等。对于最小河流生态用水，有些国家干脆做出强制性规定，例如，法国规定最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10，对多年平均流量大于80m3/s的河流，最低流量的下限也不得低于多年平均流量的1/20。我国根据河流所处的地区，也提出了确定河流生态流量的不同方法。根据长江流域水资源综合规划的要求，长江流域河道生态基流可根据多年径流量资料，一般采用90%或95%保证率的最枯月河流平均流量。

　　根据生态基流控制水库下泄流量的措施多种多样，最经济的方法是设定在一定的发电水头下的电站最低出力值。通过电站引水闸的调节，使发电最低下泄流量不小于所需的河道生态基流，以维持坝下游生态用水。

　　2.控制水体富营养化

　　水库局部缓流区域水体富营养化的控制，可通过改变水库调度运行方式，在一定的时段内降低坝前蓄水位，使缓流区域水体的流速加大，破坏水体富营养化的形成条件；或通过在一定的时段内增加水库下泄流量，带动水库水体的流速加大，达到消除水库局部水体富营养化的目的。另外，对水库下游河段也可通过在一定的时段内加大水库下泄量，破坏河流水体富营养化的形成条件；或采取引水方式（如汉江下游的“引江济汉”工程），增加河流的流量，消除河流水体的富营养化。

　　3.控制“水华”爆发

　　可通过不同的调度方式，充分运用水动力学原理，改变污染物在水库中的输移和扩散规律以及营养物浓度场的分布，从而影响生物群落的演替和生物自净作用的变化。可利用水库调度对水资源配置的功能，蓄丰泄枯，增加枯水期水库泄放量，从而显著提高下游河道环境容量，改善水质。目前，汉江下游枯水期2月份前后频繁爆发水华，随着丹江口水库大坝加高，调蓄能力增强，以及引江济汉联合调度，可增加汉江下游2月份前后的河道流量，从而有效缓解汉江下游水体富营养化现象，控制蓝藻“水华”的爆发。

　　4.控制咸潮入侵

　　长江口属于受上游来水和口外咸潮入侵双重影响的敏感水域，上游来水和咸潮入侵直接关系到这一水域的生态安全。长江口盐水入侵是因潮汐活动所致的、长期存在的自然现象，一般发生在枯季11月至次年4月，其距离因各汊道断面形态、径流分流量和潮汐特性不同而存在较大差异。南支河段有两个盐水入侵源，即外海盐水经南北港直接入侵和北支向南支倒灌，北支倒灌是南支上段水域盐水入侵的主要来源。

　　三峡工程是长江干流上骨干水利枢纽工程，水库具有较大的调节库容，按设计的调度运用方式，可增加长江中下游干流枯季流量1000～2000m3/s，对改善长江口枯季咸潮入侵的作用明显。但在三峡水库蓄水期，有一定的不利影响。水库调度在满足原定防洪、发电、航运等基本要求的前提下，可适当改变调度运行方式，以减少在10月份三峡工程蓄水期对咸潮入侵的不利影响。通过初步研究，可以考虑在不影响重庆河段输沙的条件下，适当延长三峡水库蓄水期，则可减少10月份的蓄水量，对长江口的影响便可明显减轻。在此基础上，还可以研究应急调度运用方式，如果长江出现了特枯水，长江口咸潮入侵形势特别严峻时，可视必要加大发电流量，以缓解这一关系到长江口地区可持续发展的重大问题。

　　（二）充分考虑水生生物及鱼类资源保护

　　水库形成后，一方面产生了一些有利于部分水生生物繁衍生息的条件，其种类和数量会大幅度增加，生产力将提高。另一方面，水库对径流的调节作用，使库区及坝下河流水文情势和水体物理特性发生变化，对水生生物的繁衍和鱼类的生长、发育、繁殖、索饵、越冬等均会产生不同程度的影响，如：库区原有的急流生境萎缩或消失，一些适宜流水性环境生存和繁殖的鱼类，因条件恶化或丧失，种群数量下降，个别分布区域狭窄、对环境条件要求苛刻的种类甚至消失；大坝阻隔作用使生境片段化，影响水生生物迁移交流，导致种群遗传多样性下降；水库低温水的下泄，对坝下游水生动物的产卵、繁殖具有不利影响；由于水库泄洪水流中进入了大量的氮气，使下泄水体中氮气过饱和，可能导致坝下游鱼类（尤其是鱼苗）发生“气泡病”。对这些不利影响，可采用以下调度措施减小或消除。

　　1.采取人造洪峰调度方式

　　水库的径流调节使坝下河流自然涨落过程弱化，一些对水位涨落过程要求较高的漂流性产卵鱼类繁殖受到影响。根据鱼类繁殖生物学习性，结合坝下游水文情势的变化，通过合理控制水库下泄流量和时间，人为制造洪峰过程，可为这些鱼类创造产卵繁殖的适宜生态条件。鉴于三峡工程对长江荆江段“四大家鱼”产卵场的不利影响，目前正着手进行“人造洪峰”诱导鱼类繁殖技术的研究与实践。

　　2.根据水生生物的生活繁衍习性灵活调度

　　水库及坝下江段水位涨落频繁，对沿岸带水生维管束植物、底栖动物和着生藻类等繁衍不利。特别是产粘性卵鱼类繁殖季节，水位的频繁涨落会导致鱼类卵苗搁浅死亡。因此，水库调度时，应充分考虑这些影响，尤其是产粘性卵鱼类繁殖季节，应尽量保持水位的稳定。我国很多渔业生产水平比较高的水库，在水库调度中都采取了兼顾渔业生产的生态调度措施。如黑龙江省龙凤山水库在调度上采取春汛多蓄，提前加大供水量的方式，然后在鱼类产卵期内按供水下限供水，使水库水位尽可能平稳，取得了较好的效果。

　　3.控制低温水下泄

　　水库低温水的下泄严重影响坝下游水生动物的产卵、繁殖和生长。可根据水库水温垂直分布结构，结合取水用途和下游河段水生生物生物学特性，利用分层取水设施，通过下泄方式的调整，如增加表孔泄流等措施，以提高下泄水的水温，满足坝下游水生动物产卵、繁殖的需求。

　　4.控制下泄水体气体过饱和

　　高坝水库泄水，尤其是表孔和中孔泄洪，需考虑消能易导致气体过饱和，对水生生物、鱼类产生不利影响，特别是鱼类繁殖期，对仔幼鱼危害较大，仔幼鱼死亡率高。水库调度可考虑在保证防洪安全的前提下，适当延长溢流时间，降低下泄的最大流量；如有多层泄洪设备，可研究各种泄流量所应采用的合理的泄洪设备组合，做到消能与防止气体过饱和的平衡，尽量减轻气体过饱和现象的发生。此外，气体过饱和在河道内自然消减较为缓慢，需要水流汇入以快速缓解，可以通过流域干支流的联合调度，降低下泄气体中过饱和水体流量的比重，减轻气体过饱和对下游河段水生生物的影响。

　　（三）充分考虑泥沙调控问题

　　长江是一条泥沙总量大的河流，在长江上修建水库，库区泥沙淤积与坝下游河床冲刷的调整，以及由此带来一系列的问题，是建库后的自然现象，无法避免。泥沙冲淤对防洪、发电、航运、生态等影响，是检验水利枢纽工程泥沙问题处理得成功与否的一个重要标志。水库的泥沙调度，须结合水库的综合利用、目的和水库本身的具体情况，全面考虑，慎重对待。

　　长江流域的河流一般水大沙多，且来水来沙量多集中在汛期，为减小库区泥沙淤积，长期保留水库大部分的有效库容，充分发挥工程的综合效益，一般采用汛期结合防洪降低库水位以排沙，非汛期蓄水抬高水位以兴利的“蓄清排浑”的水库调度方式运用，通过这种调度措施可在很大程度上减少泥沙冲淤带来的不利影响。

　　水库泥沙淤积将直接造成库容的损失、库尾段的淤积，会引起库尾水位的明显抬高、变动回水区航道与港口的运行安全等问题。通过采用“蓄清排浑”、调整运行水位以及底孔排沙等调度方式，可有效减少泥沙淤积和改善变动回水区的航运条件。如长江三峡水库属于河道型水库，滩库容相对较小，来水来沙量集中在汛期，大量水量需要下泄，水库正常调度采用175m-145m-155m方案，在水库运行100年后，库区泥沙淤积基本平衡，但可仍保留防洪库容约86%，保留兴利调节库容约92%。而采用“蓄清排浑”的调度方式运用，可有效的减少泥沙在库尾段的淤积，水库运用100年后，长寿以上的淤积量只约占总淤积量的3.6%左右。

　　水库的调蓄改变了天然河流的年径流分配和泥沙的时空分布，汛期洪峰削减，枯季流量增大，大量泥沙在库区淤积。坝下游河道将发生沿程冲刷，同时因流量过程调整，下泄沙量减少，河势将发生不同程度的调整。河床冲刷及河势调整对防洪与航运带来一定程度的影响。河床冲深，降低洪水位，增加河槽的泄洪能力；年内径流分配的调整，有利于浅滩航槽的改善。但在河势调整过程中，可能危及防洪大堤与护岸工程的安全，也可能出现局部浅滩恶化。水库可按“蓄清排浑”、调整泄流方式以及控制下泄流量等方式，通过调整出库水流的含沙量和流量过程，尽量降低下游河道冲刷强度，减少常规调度情况出库水流对下游河道冲刷范围并延缓其进程，以减小不利影响。

　　（四）充分考虑湿地保护需要

　　长江中下游为我国淡水湖泊湿地的集中分布区，河口地区在海陆交界处分布有大面积的滩涂湿地。长江流域水资源和水力资源开发利用，将会引起长江中下游及河口水文泥沙条件的变化，进而对洞庭湖、鄱阳湖和河口等湿地结构和功能产生一定影响。水库对湿地的影响产生的根本原因，是水库改变了天然河流水沙特性，造成天然湿地水沙补给规律的改变。因此，水库的调度应根据长江中下游湿地的特点，从保护湿地的角度，可通过对水库下泄流量和含沙量作季节性调整等措施，将水库对湿地的影响减小。

　　（本文系作者在2005年12月1日召开的改进水库调度修复河流下游生态系统研讨会上的发言。研讨会由中国水利水电科学研究院、美国自然遗产研究所、全球水伙伴（中国）发起，旨在探讨通过改进水库调度和水利设施管理以修复河流下游生态系统和改善人类生活的可行性。）