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水库生态调度研究综述
范嘉炜
（天津大学 建筑工程学院，天津市，邮编300072）
摘要:水库在为人类带来经济与社会效益的同时,也对河流生态系统产生了一定的胁迫。针对传统水库调度对生态环境重视不够的问题,提出开展水库生态调度是减少筑坝带来的不利影响,维护河流健康,促进人水和谐,维持水资源的可持续发展的有效措施。在系统地分析了国内外大量水库生态调度实践的基础上,对水库生态调度的内涵及其研究状况进行了较全面的叙述和总结,并结合国内外生态调度的理论与实践,分析研究了水库水量、泥沙、水质的生态调度方式,为进一步开展水库生态调度研究提供参考。
关键词:水库调度;生态调度;研究方法
中图分类号:TV697.12　　　文献标识码:A
1研究背景
水利工程是确保人民生命财产安全，促进社会经济可持续发展的重要保障。但我们在享受着水利工程带来的经济与社会效益的同时，河流生态系统却承受着前所未有的压力。到目前为止,我国共修建各种规模的水库已超过9万座。 这些水库的调度方式主要是防洪调度和兴利调度（如以防洪、发电、供水、航运等为主要目标）, 在发挥水库社会经济功能方面起着巨大的作用。但是,传统的调度方式注重发挥水库的社会经济功能,却忽视了水库下游及库区的生态系统需求,导致一系列严重的生态环境问题。同时,如果反对建设水库大坝,一味强调生态环境重要性,主张拆除现有大坝的观点则与社会经济发展的现实需求不符。因此通过改变现有水库调度方式,补偿水库对河流生态系统的不利影响,保护流域生态系统健康,实现水库社会经济效益与生态效益的最大化,受到各国重视。
从国内外学术界的定义看来,所谓“生态调度”是指兼顾生态的水库综合调度方式。Griphin[1]在文献中提到生态调度是水库既要满足人类对水资源需求又要尽量满足生态系统的需水要求。汪恕诚[2]认为生态调度是水库在发挥各种经济效益、社会效益的同时发挥最优的生态效益,它是针对宏观的水资源配置和调度中的生态问题而言的。董哲仁、孙东亚[3]更是提出了“水库多目标生态调度”即水库在实现防洪、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调度方式。然而,水库的生态效益往往与其社会经济效益相制约。因此,生态调度是一定时期生态环境利益与社会经济利益相互优化平衡的产物。在当前形势下,我们应该统筹防洪、兴利与生态,在实现社会发展和防洪安全的同时,减小水库的负面影响,逐步修复生态系统;在保障河流生态健康的条件下,合理开发利用,促进人水和谐,实现资源环境的可持续发展。预计在不久的将来,水库生态调度将是以防洪作为约束,以河流健康作为目标,通过协调各兴利因子达到目标的一个均衡优化调度问题。
2研究现状
20世纪30年代，美国陆军工程兵团在哥伦比亚河及斯内克河下游修建了8座梯级水电站，通过各种工程措施维持鱼类洄游通道。20世纪40年代,美国开始强调河川径流作为生态因子的重要性[4]。到20世纪70年代国外学者开展了关于水库对生态与环境不利影响的全面、系统研究。1971年schlueter[5]首先提出水利工程在满足人类对河流利用要求的同时要维护或创造河溪的生态多样性。1982年Junk第一次提出了生态洪水脉冲的概念[6]。随后,Petts[7]研究了生态需水量以及水生物生长、繁殖与河流流量关系。DA Hughe[8]建立了满足生态需水的水库调度模型等。国外对水库生态调度实证性研究可以划分为2个方面[9]:一是对调度方式优化以及配套技术设施的研究,如田纳西河流域水库的生态调度方式;二是评估实施这些技术方法对生态与环境的影响,从而在保证改善效果的同时不至于对生态系统产生明显扰动。如澳大利亚“水依赖的生态系统”的评价方案等。
我国水利工作者在发挥水库的生态功能,减轻水库对生态环境的不利影响方面也进行了一定的探索。在20世纪80年代国内学者就开始研究各种鱼类的最适生长温度,并关注水库水温分层现象对生态的影响。近年来,余文公、夏自强[10]提出水库为了保持河流适宜流量要建立生态库容,并计算了新疆大西海子水库的生态库容;钮新强[11]对三峡工程生态调度进行了探讨；陈端[12]对基于遗传算法的水库生态调度进行了探讨；顾然[13]基于RVA框架对水库生态调度进行了研究；康玲[14]从河流生态需水量、生态洪水角度论述了水库生态调度；王煜对优化中华鲟产卵生境的水库生态调度进行了研究。国内学者还针对特定的水库建立了生态调度模型。这些调度模型一般采取2种形式,一种是将生态目标作为水库多目标问题其中的一个目标考虑;另一种是将生态因素作为模型约束条件来考虑,此约束一般是水库下游河流的生态需水。
3国内外生态调度分析
到目前为止,北美[15]、欧洲[7]、澳洲[16]、非洲[1]以及国内开展了许多生态调度实践研究。如美国大古力水坝(GCD)和哥伦比亚流域水库以充分满足维持或增强溯河产卵的鱼类种群的寻址需求为目标的调度;乌克兰德涅斯特河的水库为防止水华为目标的调度;南非水库为管理整个流域的生态需水量的调度。我国为改善流域水质型缺水和水环境恶化局面的“引江济太”工程;为恢复退化的河流生态系统和处理生态危机而进行的应急水库生态调水等等。这些水库的调度,不仅考虑传统的发电和防洪作用,而且强调河流的生态效益。
本文结合国内外的生态调度实践,针对水库生态调度中的水量调度、泥沙调度、水质调度进行分析。
3.1水量调度 水库通过其调蓄作用改变了河流的水量时空分布,影响了河流的天然径流模式,使下游河道短期的和长期的流量减少,甚至断流,严重威胁河流的生态健康。
挪威和加拿大相关学者[19]研究调峰运行的水电站下泄流量对水生态系统的影响后,发现冬季白天调峰的低流量会使幼鱼因搁浅而死亡,大型无脊椎动物的分布和组成也受到严重干扰。而引水式水电站运行时,由于进水口以下不向河流泄水,导致大段的河流断流、干涸,造成沿河动植物的灭绝。Kingsford[20]比较了澳大利亚Cooper Creek河大坝建成前后洪水及水生物变化情况后,发现水库的调洪作用使自然洪水脉冲式周期被人为平均化,使得物质循环的减弱甚至中断,影响水生生物的产卵和生长。因此以尽量维持河流的自然水文特征为目的的水量生态调度要达到以下2个典型目标,一是保证最小生态径流量,二是营造接近自然态的水文情势(洪水过程)。前者在汛期与非汛期都是应该保证的,后者应该在防洪和维持河流生态系统健康之间寻求一个平衡点。
3.1.1保证最小生态径流量目标 最小生态径流量是指在受人类活动影响的情况下,河流为保证生态稳定所需要的水量。这个水量可认为是河流的最小生态需水量。生态调度要满足河流一定的生态需水要求,维持河流生态平衡,不允许时段下泄的径流量小于最小生态径流量,更不能造成河段断流、干涸。
河道的最小生态径流量是以生态需水量研究为理论基础的。目前,全球约有207种不同的计算生态需水量的方法[21],可分为水文学方法、水力学方法、生物栖息地模拟法、整体法以及综合法等。美国的萨瓦纳河、澳大利亚的麦克夸利河[16]、津巴布韦的奥迪兹河[1]、我国的黄河、黑河等均进行了河流的最小生态需水量研究。欧美一些国家的管理决策部门还据此制定了水库下泄的最小生态径流法案,指导水电站运行调度。英国1991年的水资源法和1995年的环境法中规定,水库下泄水量不能低于当局规定的最小流量。美国联邦能源委员会(FERC)在水电站运行许可审查过程中,也要求针对最小生态径流制定水库新的运行方案。1991年,美国Tal-lapoosa河Thurlow大坝实施最小生态流量运行法案的实践表明,该河鱼种的丰度增加2倍多。
20世纪90年代起,通过改变水库的泄流量、泄流方式和泄流时间来满足下游河道最小生态径流量的应用越来越多。挪威的尼德河、叙纳河、达勒河、曼达尔和加拿大的西萨蒙以发电为主的水库[19],在水电调峰运行时遵循以下原则:在冬季有光照的白天,不应降低调峰流量;停止调峰时,水位下降速度要低于14 cm/h;水电调峰应不定期进行,要保持基本流量和环境流量。这种调度方式实施后,鲑鱼的数量大大增加。另外,统一优化调度流域水库群,能确保流域不断流。我国的黄河在进行流域尺度的水资源配置研究后,联合调度流域库湖,实现黄河7年不断流,为黄河生态恢复作出巨大贡献。
利用河流水工建筑物,建立工程辅助设施,也能提高河道的流量。如建设拦河闸,延长湖库泄流在河道内的滞留时间,或者通过涡轮机脉动运行、设置小型机组、再调节堰[5]等来满足下游河道最小流量。
3.1.2营造自然洪水过程目标 洪水是河道水位急剧涨落的一种自然现象。洪水有它不可替代的生态作用。国内外学者[22，23]均认为适度的洪水干扰对自然环境恢复起到积极作用。
研究表明,洪水能够控制河流沉积过程、物质和能量循环,促进湿地和生物栖息地的恢复[24]。洪水还能补充生态用水和地下水,改善水质,平衡土壤水盐关系[25]等。同时,在鱼类繁殖季节,洪水形成涨水过程能刺激产卵。如果洪水长期受到遏制,生态系统会变得脆弱。另外,在汛期科学调蓄洪水资源,利用洪水冲淤、冲污、洗碱、淋咸,可以起到增加林草植被、水面面积与改善生态环境的作用[26]。因此,我们在防治灾害性洪水的同时,要充分认识到洪水的重要生态意义,利用洪水带来的巨大能量和水量,优化配置水资源,促进生态系统恢复。
国外在研究自然洪水过程与生态环境的关系后,优化水库的调度过程,在保证防洪安全的前提下,提高汛期下泄流量,周期性的进行“人造洪水”放水试验,模拟有益的生态洪水脉冲,为重要生物的繁殖创造有利条件。例如美国科罗拉多河流域水库春季泄水,释放春季洪峰,是为了在河流中形成更为天然的洪水水情,刺激鱼类产卵。St.Mary河的St.Mary大坝从1994年起,通过研究自然的洪水过程,引入了洪水逐渐消退的泄水模式,实施后结果表明:新洪水管理方案的实施使三叶杨(在北美一种重要的河岸带树种,其生命周期受洪水模式影响强烈)和柳树大范围增加。
3.2泥沙调度 泥沙是河流物质循环和水质控制的重要组成部分,它对河道的稳定及河岸带栖息地的创建至关重要,也会影响水生生物的群落组成、繁殖及鱼类洄游。
河流筑坝以后,上游的泥沙淤积在水库,严重影响水库经济效益的发挥,更会对河流生物产生不利影响。Cottam[27]研究表明,大范围泥沙淤积事件后,无脊椎动物群落的恢复时间可能需要数月或几年。大坝也切断了河流的正常泥沙输送,导致下游河道严重侵蚀、生物栖息地退化、河口萎缩;而且由于泥沙等沉积物的减少,会造成水流浊度的降低和营养物质的缺失,影响水生生物的生长和繁殖[28]。鉴于泥沙淤积会造成水库效益下降,各国水库运行调度均考虑泥沙问题。但传统的泥沙调度多属于工程泥沙调度,在减少水库淤积和维持河道稳定方面起了积极的作用,对生态系统的恢复考虑不够。
国际上泥沙生态调度研究主要集中在以下3个方面。一是泥沙对河道演变的影响,例如刘凌[29]、杨志峰[30]等提出防止河道泥沙淤积的生态需水量定量计算方法,并确定防止黄河下游河道淤积,维持河道平衡的年平均水量为184亿t;王兆印、林秉南[31]提出要建立河道非恒定流输沙理论等。二是泥沙对水生物及其栖息地的影响,这类研究主要集中建立预测模型定量地研究泥沙含量和输移规律的变化对生物及其栖息地的影响[5]。如建立河流含沙量与生物反应的关系,特别是对水生无脊椎动物的影响。三是泥沙对水环境的影响,主要是研究泥沙对污染物的吸附作用[32]。
考虑生态影响,针对泥沙的生态调度,国内外鲜有报道。然而,传统的水库泥沙调度仍具有一定的生态意义。在国内,水库调水调沙的主要运行方式是“蓄清排浑”[33],即汛期降低库水位泄流排沙,在入库沙量较小的非汛期蓄水,充分发挥水库的综合效益,促使库区年内泥沙冲淤平衡。三峡、三门峡、小浪底等水库通过这种调度方式,减少了水库淤积,防止了河口萎缩,发挥了特定的生态效应。另外,国外将泥沙生态调度与洪水调度结合起来,利用洪水对沉积物和泥沙的搬运作用来维持河道形态和恢复生物栖息地,取得了不错的效果。1996年美国格伦峡大坝进行洪水调沙试验,试验后50多处航拍照片表明,曾经被侵蚀的河滩上出现了新泥,并出现了一部分沙洲。

3.3水质调度 水质良好是河流生态健康的重要标志。河流的水质因子包括营养盐、溶解氧、pH值、透明度、水温等。筑坝破坏了河流原有水环境的物理、化学特性,造成水质因子的失衡,影响了水生生物的生长、发育、繁殖、行为及分布,威胁着人类的用水安全。
Naiman[35]认为水库形成后,库区水流变缓,营养盐沉积,水体富营养化,容易导致水华;而下游河道水量减少,会使水体污染加重。Ryan指出大坝下泄温度较低的下层水,会导致鱼卵和仔鱼的存活率下降,鱼类的成长也大大推迟。同时,高坝泄洪会引起水中气体过饱和,不仅会导致鱼类气泡病,还会给其他水生生物带来严重的危害。以改善水质为重点的生态调度是指水库在保证工程和防洪安全的前提下,控制水质因子变幅,使其落在天然状况的变化范围之内;通过湖库联合调度,为污染物稀释、自净创造有利的水文、水力条件,从而改善区域水体环境。
利用水库调度来缓解水质恶化,防止水华现象频繁发生的效果不错。例如在容易发生水质污染的季节,水库加大放水,可以缓解下游的水体污染。在乌克兰,德涅斯特河针对河流无机氮化合物污染率高的情况,于1987- 1992年间在德涅斯特罗夫水库进行了若干次生态性放水试验,确定4月底到5月初水库加大放水后,能显著改善水质、恢复生态环境。
进行跨流域的科学调水,合理配置水资源,能起到降低水体污染,提高水质的作用。太湖流域管理局自上世纪90年代就开展以改善太湖水质为目标的2次“引江济太”调度工程,初步缓解太湖水质型缺水的局面。同样,利用渠道、闸门、泵站等设施的调度把多条河流联系起来,进行水质统一调度,可以缓解突发性水体污染的状况和加快河流自净的速度。如2004年2月下旬,四川省水利厅联合调度都江堰、三岔水库的清洁水源缓解了沱江上游突发水污染事件。2004- 2005年,珠委针对河口咸潮上溯的情况,联合调度天生桥一级电站、岩滩水库、飞来峡水库,共调水8.51亿m3入珠江压咸补淡,使珠江沿途的水环境状况得到了明显的改善。
针对水温和溶解氧失衡的调度,一般是合理利用泄水建筑物、调整水库下泄方式以及建立相关的工程辅助措施来进行调节。例如在确定水库水温垂直分布结构的基础上,结合水库取水用途和下游河段水生生物的生物学特性,利用分层取水设施来解决下泄水温问题,或者改变下泄方式,如增加表孔泄流等措施,来提高下泄水的水温。同样,在保证防洪安全的前提下,采用多层泄水设施,适当延长溢流时间,降低水库下泄的最大流量,可以防止水中气体过饱的现象发生。南非的mohale大坝设计中就包含一个多级水位泄水工程。这些泄水设施能够通过3～ 4 m3/s的流量,利用这一方法,改善了泄入下游生态系统的水温和溶解氧水平。另一方面,调节水库下泄流量、调整机组、建立反调节堰等措施能够在枯水期增加水体的溶解氧含量。美国田纳西河流域管理局(TVA)[16]在就其管理的20个水库通过涡轮机通风、涡轮机掺气、表面水泵、掺氧装置、复氧堰等设施,提高下游河道的水质和溶解氧。
4结论与展望
综上所述,生态调度是在强调水利工程的社会与经济效益的同时将生态效益提高到应有的位置。生态调度能明显缓解筑坝带来的不利影响,是维护河流健康,促进人水和谐,维持水资源可持续发展的有效措施。然而生态调度作为一项最新的水库调度形式,多数研究成果仅限于宏观定性方面的论述,而在微观定量方面还缺乏实质性的工作[36]。目前水库生态调度还有很多亟待解决的课题。
(1) 找准生态调度中社会经济目标和生态目标的结合点。水库生态调度要权衡满足社会经济要求与满足生态健康要求的关系,实现社会经济生态的协调发展。
(2) 建立水库生态调度的管理机制。国家政府及流域机构要针对目前国内的实际情况,充分认识到水库对河流生态的影响,建立基于河流生态健康的水库调度管理机制,并进行立法研究,制定相关法律法规。
(3) 加强水库生态调度理论和方法的研究。包括河流生态需水量的确定、生态调度模型的建立、生态调度时机的选择以及泥沙淤积、生态系统变化、水体富营养化、“水华”现象与流量、流速、水温的相关关系等理论基础和技术方法的研究。
(4) 进行流域尺度的水库群生态调度研究。在建有梯级水库的河流上,水库调度必须从河流系统的整体出发,各水库之间要在统一规划的基础上,实行联合调度,共同维护河流的生态健康。同时还要考虑跨流域调水工程和地下水变化对控制点流量的影响。
(5) 完善水库生态调度的评价体系。水库的生态调度只是保护河流生态健康的一个环节,调度实施后,必须对河流生态的健康程度进行识别和评价,并确认其调控力度和措施,以此循环调节和控制河流的活动过程,保证河流生态的健康水平。
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Review of Research on Ecological Operation of Reservoir
FAN Jia-wei
(School of Civil Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072,China)
Abstract: Although the economic and social benefits have been obtained from reservoirs, they have threatenedthe ecosystem of rivers and the maintainable developmentof humanity. The ecological operation of reservoiris aneffective measurement of protecting healthy river, promoting the harmony of humanity and nature, and main-taining the maintainable development of water resources. This paper introduces the connotation of ecological operation of reservoirs and the status quo of the study both at home and abroad.And in combination theory of eco-logical operation of reservoir with practice, the methods of ecological operation on reservoir volume, sedimenta-tion and the quality of water are analyzed and summarized.
Key words:reservoir operation; ecological operation of reservoir; research methods