長江大型水庫群聯(lián)合調(diào)度問題探討

陳 進

(長江科學(xué)院院長辦公室，武漢 430010)

至2009年底，長江流域已經(jīng)建成各類水庫4.6萬座，總庫達到2 500多億m3，總興利庫容超過1 200多億 m3［1，2］。其中大型水庫 166 座，總庫容1 908億m3，總興利庫容983億m3，分別占長江流域水庫總庫容和總興利水庫比例的76%和81%，因此，大型水庫在長江流域水資源利用中占據(jù)重要的地位，是水庫群聯(lián)合調(diào)度的重點對象。長江流域?qū)儆谒Y源量相對豐富地區(qū)，多年平均地表徑流量達9 856億m3，而目前大型水庫總庫容及總興利庫容分別占長江地表徑流量的19%和10%，真正可供調(diào)度運用的庫容有限。隨著長江上游大型水庫的逐步建成，興利庫容會有所增加，但可調(diào)度的總庫容仍然不大，而流域水資源的利用對于水庫群調(diào)度的期望值很大，要求越來越高。本文根據(jù)長江流域大型水庫建設(shè)和運行情況，討論流域聯(lián)合調(diào)度的實際需求［3］，分析聯(lián)合調(diào)度的制約因素、啟動條件和聯(lián)合調(diào)度的模式，為制訂科學(xué)的聯(lián)合調(diào)度方案提供參考。

1 長江大型水庫的現(xiàn)狀分析

長江流域總面積180萬km2，其中上游、中游和下游面積分別為100，68，12萬km2。表1列出長江流域已建大型水庫的地區(qū)分布和調(diào)節(jié)能力參數(shù)。從表中可見:長江流域雖然已經(jīng)建成166座大型水庫，但地區(qū)分布廣，上游地區(qū)僅有38座，中游地區(qū)有114座，下游地區(qū)有14座。按流域面積比例來看，上游地區(qū)每2.6萬km2僅有1座，中游地區(qū)每0.6萬km2有1座，下游地區(qū)每 1.2萬km2有1座。中游地區(qū)大型水庫分布最多，其次是下游地區(qū)，最少是上游地區(qū)。原因是中游地區(qū)人口多，供水和灌溉需求大，修建水庫的地理和交通條件好，過去大型水庫修得比較多，而目前在建和規(guī)劃將要建的大型水庫絕大多數(shù)在上游地區(qū)。

從水庫控制徑流的能力來看，排在前列的是清江、漢江和烏江，其他水系和支流水庫的總體調(diào)節(jié)能力還比較低，都不到10%。長江流域大型水庫多數(shù)建在支流上，而且相當多的修在二級甚至三級支流上，在這些支流上，如果建了大型水庫，水庫控制該河流水流的能力就強，如清江，由于有隔河巖和水布埡2個大型水庫，所以，清江上水庫的調(diào)節(jié)能力最強。從防洪和水能利用等技術(shù)角度，一條支流上一般需要修建1～2個大型控制性水庫比較科學(xué)，而在干流上，由于距離長，支流匯入多，則需要建設(shè)更多的大型水庫才能比較有效地調(diào)節(jié)長江的水流。

由于地區(qū)分布和上下游的關(guān)系，上游水庫調(diào)節(jié)都會直接影響下游河流及下游水庫的調(diào)節(jié)，而下游水庫對上游地區(qū)水流控制沒有直接影響。對于長江中下游比較突出的防洪和抗旱問題，支流水庫主要解決本河流的問題，不能解決上游的問題，也不能單獨解決中下游全局的問題，需要靠上游控制性水庫調(diào)度來解決。對于抗旱問題，目前上游大型水庫總的興利庫容只有411億m3，占上游多年平均徑流量的9.5%，遇枯水年，所占比例更低，抵御長江中下游低水位和干旱問題的能力不足。對于中下游的防洪，目前上游大型水庫防洪總庫容僅276億m3，遇特大洪水，防洪庫容仍然是有限的，需要動用分蓄洪區(qū)。

表1 長江流域已建大型水庫分布Table 1 Distribution of constructed large reservoirs in Yangtze River basin

長江流域雖然水庫數(shù)量多，但具有較強調(diào)節(jié)性能的大型水庫并不多，而且地域分布廣，過去各水庫根據(jù)自己的調(diào)度計劃進行單獨調(diào)度很自然，而水庫群的聯(lián)合調(diào)度主要體現(xiàn)在發(fā)電調(diào)度和大洪水來臨時的防洪調(diào)度上。隨著三峽工程的完工和長江上游一批大型水庫將要建成，流域各水庫單獨調(diào)度與流域綜合利用和保護的矛盾日益突出，聯(lián)合調(diào)度的需求越來越大。

2 聯(lián)合調(diào)度的需求

水庫群聯(lián)合調(diào)度主要包括防洪、發(fā)電、航運、水資源和生態(tài)調(diào)度等，除發(fā)電和航運調(diào)度主要涉及單一部門外，其他調(diào)度都具有公益性，不僅涉及利益相關(guān)者多，而且調(diào)度效果的社會和生態(tài)環(huán)境價值大，經(jīng)濟價值較難確定。從調(diào)度對象和相互影響來看，水力發(fā)電調(diào)度可以通過河流上下游河道中的水流，也可以通過電網(wǎng)在空中進行聯(lián)合調(diào)度，而其他調(diào)度必須通過河道從上游向下游，從支流到干流逐級進行。長江流域水庫群聯(lián)合調(diào)度的主要需求體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 防洪調(diào)度

防洪調(diào)度是根據(jù)《防洪法》，由國家、流域和省市各級防辦進行統(tǒng)一調(diào)度。隨著三峽和上游大型水庫的建成，中下游地區(qū)防洪保護區(qū)，特別是規(guī)劃的分蓄洪區(qū)等地方希望三峽水庫起到更大的作用，不僅期望水庫攔蓄大洪水，也希望攔蓄中小洪水。這些要求涉及到長江防洪體系的戰(zhàn)略調(diào)整，包括堤防、水庫和分蓄洪區(qū)定位和使用先后次序等問題，也涉及到長江上游大型水庫防洪庫容優(yōu)化調(diào)度等技術(shù)問題。

2.2 水庫群蓄水和預(yù)泄調(diào)度

由于長江干流和主要支流徑流量較大，在其上修建年調(diào)節(jié)以上水庫比較困難，大部分水庫都僅具有不完全年調(diào)度(季、月、日和徑流調(diào)節(jié))能力［2］，這意味著具有防洪功能的大型水庫水位汛前都需要下降至汛限水位，留下防洪庫容，調(diào)蓄洪水，即使沒有防洪任務(wù)的水庫，為了大壩安全度汛和排沙等需要，也會適當降低運行水位，這樣到汛末9－10月份，都需要蓄水到設(shè)計水位，流域水庫群存在集中蓄水和競爭性蓄水問題。由于各水庫隸屬于不同的業(yè)主和地區(qū)，如果不采取統(tǒng)一蓄水調(diào)度，不僅難以保證各水庫汛后蓄滿率，還會引起下游河道枯季提前，影響這些地區(qū)用水安全。各個水庫汛前預(yù)泄也有同樣的問題，如果不統(tǒng)一考慮，會使中下游出現(xiàn)超高水位，增加中下游地區(qū)的防洪壓力。

2.3 抗旱和補水調(diào)度

近些年來，長江流域干旱問題日益突出，如:2006年四川重慶大旱，2009年的西南地區(qū)大旱、近10年來，洞庭湖和鄱陽湖連續(xù)多年出現(xiàn)的低水位、2011年中下游的大旱等，都對三峽等大型水庫聯(lián)合抗旱和補水調(diào)度提出了新的要求［4－6］。

2.4 生態(tài)與環(huán)境調(diào)度

由于大壩的建設(shè)，河流水文和物理化學(xué)過程發(fā)生變化，以滿足珍稀魚類和4大家魚等洄游性魚類、水生動物、濕地水鳥需要的水位、流量和水溫過程的生態(tài)調(diào)度要求越來越多［7，8］。同時，各水庫預(yù)防水華發(fā)生和突發(fā)性水污染事故等需求的環(huán)境調(diào)度也越來越重要。

3 聯(lián)合調(diào)度的技術(shù)條件和制約因素

3.1 防洪聯(lián)合調(diào)度

長江流域防洪保護區(qū)面積為 15.38萬km2，其中上游面積為 1.34萬km2，中下游防洪區(qū)面積為14.04萬km2，中下游地區(qū)是長江防洪的重點地區(qū)。長江的防洪體系主要包括堤防、水庫和分蓄洪區(qū)3部分，根據(jù)洪水的規(guī)模和發(fā)生的區(qū)域，一般3方面措施綜合使用，其中堤防是基本，水庫是主要調(diào)控手段，分蓄洪區(qū)是最后的辦法。洪水來臨時，先用堤防擋水，發(fā)揮河道槽蓄的能力，這樣可以抵御中小洪水;然后是水庫，調(diào)蓄中到大洪水;遇特大洪水，水庫防洪庫容不夠用時，且下游河道達到安全泄量時，需要使用分蓄洪區(qū)，保障大壩安全和重點地區(qū)堤防的安全。

長江已經(jīng)建成總長約30 000 km的堤防體系，堤防設(shè)計洪水下有近1 000億m3的河道槽蓄能力。當然，由于堤防是歷史時期逐漸建成，質(zhì)量千差萬別，到警戒水位時，需要人員上堤查防。長江已建大型水庫總的防洪庫容588億m3，其中長江上游水庫防洪庫容僅276億m3，遇1954年大洪水，超過槽蓄能力還有1 000億m3的洪水需要調(diào)蓄，雖然未來長江上游干支流在建和將建水庫預(yù)留了340～360億m3的防洪庫容，但這些水庫的防洪和興利庫容是相互結(jié)合的，與三峽防洪庫容作用不同，主要預(yù)防9月以前的洪水，對于后汛期防洪作用有限。長江中下游雖然已經(jīng)建設(shè)和規(guī)劃了可以蓄滯627億m3洪水的分蓄洪區(qū)，但由于分蓄洪區(qū)建設(shè)滯后，分蓄洪區(qū)內(nèi)生活著近700萬人，使用的代價很高，真正能夠使用的分蓄洪區(qū)不多。所以，防洪聯(lián)合調(diào)度需要分別考慮水庫群在空間的分布和攔蓄洪水時間上的特點，即分別面對區(qū)域型大洪水與流域型大洪水的防洪庫容優(yōu)化調(diào)度、前汛期與后汛期防洪庫容的優(yōu)化調(diào)度等問題。

防洪聯(lián)合調(diào)度在技術(shù)上分為2個層面，一是綜合考慮堤防、水庫和分蓄洪區(qū)使用的調(diào)度方式，二是僅考慮水庫群的聯(lián)合調(diào)度。顯然前者更為宏觀，具有戰(zhàn)略意義，后者偏重戰(zhàn)術(shù)層面。隨著三峽等長江上游大型水庫的建成，中下游地區(qū)及社會各界希望水庫發(fā)揮更大的作用，盡量不使主要堤防水位超過警戒水位，同時能夠減少分蓄洪區(qū)使用的機率，從社會經(jīng)濟效益講可能是合理的，但從技術(shù)和風(fēng)險控制角度，存在較大的問題:過分依靠水庫的防洪作用，對于堤防和分蓄洪區(qū)的建設(shè)、維護和管理不一定有利。三峽水庫防洪主要對象是攔蓄中到大洪水，調(diào)度方針是蓄泄兼顧，以泄為主，不宜改為以蓄為主，這樣會增加水庫的防洪風(fēng)險。要想充分發(fā)揮三峽等上游水庫防洪作用，必須提高洪水預(yù)報的精度，控制洪峰連續(xù)出現(xiàn)時水庫的防洪風(fēng)險，同時需要解決好水庫泥沙淤積和長期使用問題。表2給出了典型洪水調(diào)度防洪綜合措施。對于山洪，由于突發(fā)性，地處偏遠山溝，非工程措施是主要方法。對于川江、重慶和長江上游大洪水，主要靠金沙江，雅礱江、岷江和嘉陵江上的大型水庫聯(lián)合調(diào)度，三峽可以起到調(diào)蓄作用，減輕對中下游影響。如果超過千年一遇洪水時(如1870年洪水)，需要啟動中下游分蓄洪區(qū)。對于洞庭湖、鄱陽湖和漢江區(qū)域型洪水，主要依靠當?shù)厮畮?，三峽等上游水庫可以采用控泄措施，減輕中下游地區(qū)防洪壓力，必要時啟動當?shù)胤中詈閰^(qū)。對于全流域大洪水，不僅要實行全流域水庫的防洪聯(lián)合調(diào)度，還必須依次啟動分蓄洪區(qū)，保證大壩和重要防洪區(qū)的安全。

3.2 水資源聯(lián)合調(diào)度

長江流域傳統(tǒng)的干旱缺水地區(qū)是滇中高原、四川盆地、湘中南地區(qū)、贛吉太盆地、豫鄂南陽盆地等。這些地區(qū)處于氣候相對干旱區(qū)，或者是山丘地區(qū)和分水嶺地區(qū)，難以修建大型水庫或者灌渠。近30年來，由于經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，各地水資源利用量增加，再加上氣候變化的影響，重慶、云貴川、洞庭湖、鄱陽湖和江漢平原也常常出現(xiàn)嚴重干旱，早先建設(shè)的大型水庫大多數(shù)都有供水和灌溉功能，建設(shè)有配套的引水灌渠，而近30年和正在建設(shè)的大型水庫大多數(shù)以水力發(fā)電為主，沒有將灌溉和抗旱作為主要目的，當下游發(fā)生干旱時，由于缺乏配套灌渠，不能直接向干旱地區(qū)供水和灌溉，只能加大下泄，向下游河道補水，間接參與抗旱，例如三峽等長江上游水庫不可能直接向中下游干旱地區(qū)供水，一般是通過抬高干流水位間接緩解旱情［8］。

表2 長江典型洪水水庫群聯(lián)合調(diào)度及其他措施Table 2 Joint regulation of reservoir groups and other measures for typical floods in Yangtze River

抗旱一般需要采取綜合措施才能起到效果，水庫聯(lián)合調(diào)度需要滿足一定的條件才會有成效，如①上游地區(qū)發(fā)生干旱，下游水庫不能發(fā)揮作用;②低海拔水庫，如果沒有經(jīng)濟上合算的泵站及灌渠，對高海拔地區(qū)不能發(fā)揮作用;③上游水庫不可能通過加大下泄，直接幫助長江河口解決鹽水倒灌問題;④先當?shù)厮畮欤笃渌貐^(qū)水庫。三峽水庫距離長江河口有1 750 km，下泄水流到河口不僅需要10～15 d時間，而且沿江與洞庭湖、鄱陽湖、淮河和太湖關(guān)系復(fù)雜，水量交換多，中下游沿岸還有大量通江河流和取水設(shè)施。這些水利工程的取水能力超過20 000 m3/s，而三峽興利庫容僅165億m3，在1－4月最多增加泄量1 000～3 000 m3/s，遠不夠維持大通站15 000 m3/s(低于該流量，長江口可能出現(xiàn)咸潮倒灌)以上的流量。所以，雖然三峽工程是長江干流最重要的控制性水庫，但它的抗旱能力是有限的。對于洞庭湖、鄱陽湖和長江中下游出現(xiàn)低水位時，三峽加大下泄可以起到一定的作用，但應(yīng)該首先利用當?shù)厮畮炜购岛脱a水，其次才是三峽水庫參與聯(lián)合調(diào)度，更為重要的是需要同時在干旱地區(qū)進行取水和用水的需求管理。當長江中下游出現(xiàn)長時間的嚴重干旱時，沿岸地區(qū)取水和用水的需求管理比水庫群聯(lián)合調(diào)度作用更顯著。所以，在解決長江中下游干旱時，當?shù)厮畮鞈?yīng)該先調(diào)度，然后三峽水庫配合。洞庭湖和鄱陽湖與長江連通，除洪水來臨時，大部分時間兩湖水位比長江水面高，三峽水庫多泄水的主要作用是抬高長江水位，延緩兩湖水流入長江的時間。表3給出長江流域典型地區(qū)出現(xiàn)干旱時應(yīng)采取的綜合抗旱措施。從表中可見，無論哪個地區(qū)出現(xiàn)干旱，當?shù)厮畮煺{(diào)度和水資源需求管理都是首先的措施，三峽等干流水庫可以發(fā)揮補水的重要作用，能夠發(fā)揮作用的時間主要在11月到第二年的5月。

表3 長江典型干旱水庫調(diào)度及其他對策Table 3 Reservoir regulation and other measures for typical droughts in Yangtze River basin

3.3 發(fā)電調(diào)度和航運調(diào)度

發(fā)電調(diào)度主要通過電網(wǎng)進行，但一條河上的梯級水電站仍然有優(yōu)化調(diào)度的潛力，當一條河上的控制性水庫建成后，在水位銜接和綜合發(fā)揮水能利用效率上應(yīng)該開展聯(lián)合調(diào)度，將顯著提高下游水電站的保障出力及發(fā)電能力，應(yīng)該注意，發(fā)電聯(lián)合調(diào)度需要與水資源調(diào)度和航運調(diào)度協(xié)調(diào)，一般應(yīng)該遵守電調(diào)服從水調(diào)、興利調(diào)度服從公益性調(diào)度的原則，當然這涉及到經(jīng)濟利益協(xié)調(diào)和綜合管理問題。

長江干支流通航里程達6.7萬多km，占全國內(nèi)河通航總里程的52.8%，2005年長江水系水路完成貨運量14.6億t，長江航運發(fā)展迅速。隨著梯級水庫的建成，航運水位保證率會顯著提高，聯(lián)合調(diào)度時需要重點考慮梯級水庫水位銜接、預(yù)防水電站調(diào)峰引起下游河道非恒定流的問題。

3.4 生態(tài)與環(huán)境調(diào)度

生態(tài)調(diào)度特別需要水庫群的聯(lián)合調(diào)度機制，如下泄生態(tài)流量、制造洪水過程等都需要上下游水庫相互配合。至今為止，由于水生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，長江流域大型水庫的生態(tài)調(diào)度還沒有真正納入調(diào)度規(guī)程，最多是保證最小下泄流量(常稱為生態(tài)基流)。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，對河流生態(tài)系統(tǒng)重要性認識的不斷加深，為修復(fù)和改善河流生態(tài)系統(tǒng)，維護環(huán)境流的生態(tài)調(diào)度會越來越受到重視［10］。

水庫下泄最小生態(tài)流量是生態(tài)調(diào)度的初級階段，實際上包含了下游人們生活生產(chǎn)用水和保證水功能區(qū)水質(zhì)目標的環(huán)境用水，離保證水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和良好的目標還有很大的差距。以長江魚類為例，魚類生活需要三場一道(繁殖場、產(chǎn)卵場、越冬場和洄游通道)，不僅需要一定的洪水過程，還需要特定的水溫等物理化學(xué)過程。表4給出了長江幾種典型魚類產(chǎn)卵需要的水文特性和時間，如果再考慮其他兩場和洄游通道，要求更高。目前水庫群的聯(lián)合調(diào)度還不能完全滿足這些要求，未來的生態(tài)調(diào)度應(yīng)該向這方面不斷努力。

表4 長江重要魚類對于水流的基本要求Table 4 Demand for spawning environmental flow of important fishes in Yangtze River

除了生態(tài)調(diào)度外，考慮庫灣水華，解決突發(fā)水污染事故的應(yīng)急調(diào)度是水庫群環(huán)境調(diào)度的重要內(nèi)容，前者技術(shù)難度較大，需要考慮水庫多目標要求和庫岸問題等，利用適當時機，通過調(diào)度加快庫區(qū)水體流動速度，而突發(fā)水污染事故的處理是所有水庫必須考慮的應(yīng)急調(diào)度方案。

4 結(jié)語

從長江流域防洪、供水、灌溉、抗旱、發(fā)電、航運和生態(tài)等多目標綜合效益最大角度來看，大型水庫群進行聯(lián)合調(diào)度是十分必要的，但要達到預(yù)期的目的，還有許多科學(xué)技術(shù)和管理問題需要研究和解決。從科學(xué)技術(shù)角度來看，首先需要建立和完善全流域的氣候和水文站點自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立流域級降雨徑流模型，提高中期水文預(yù)報的精度，為水庫聯(lián)合調(diào)度提供及時、準確的預(yù)報調(diào)度信息;其次，研究和制定不同河段(地區(qū))、不同層次和不同對象水庫群聯(lián)合調(diào)度啟動條件(域值)，同時建立起聯(lián)合調(diào)度效果監(jiān)測和評價方法，為利益協(xié)調(diào)和補償提供依據(jù);第三，需要研究和提出將防洪、生態(tài)、抗旱等公益調(diào)度與興利調(diào)度有效結(jié)合的調(diào)度方法和實施步驟。從管理角度來看，大型水庫群聯(lián)合調(diào)度產(chǎn)生的綜合效益肯定比單個水庫調(diào)度好，但由于水庫隸屬于不同地區(qū)和不同的業(yè)主，聯(lián)合調(diào)度涉及的利益相關(guān)者多［2，8，9］，利益關(guān)系復(fù)雜，統(tǒng)一調(diào)度綜合管理和利益協(xié)調(diào)難度大。因此，整體綜合效益好，不一定單個水庫興利效益好;社會效益好，不一定經(jīng)濟效益好。防洪、抗旱和生態(tài)調(diào)度基本上屬于公益性，社會效益和間接經(jīng)濟效益大，受益面廣，但受益主體難以確定，經(jīng)濟效益難以評估。水庫群聯(lián)合調(diào)度方案技術(shù)要求高，來水情況、調(diào)度效果和影響都具有較大的隨機性，調(diào)度本身也承擔(dān)一定的風(fēng)險，所以，水庫群聯(lián)合調(diào)度的最大難點是效果評估管理體制機制、利益協(xié)調(diào)和補償制度的建立。

［1］陳 進，黃 薇.長江水庫群聯(lián)合調(diào)度可能性分析［J］.長江科學(xué)院院報，2008，25(1):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Possibility Analysis of the United Regulating of Reservoir Groups in Changjiang River Basin［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25(1):1－5.(in Chinese))

［2］陳 進.長江流域大型水庫群統(tǒng)一蓄水調(diào)度問題探討［J］.中國水利，2010，(8):10－13.(CHEN Jin.The Uniform ImpoundmentProblemsofLarge Reservoir Groups in Yangtze River Basin［J］.China Water Resources，2010，(8):10－13.(in Chinese))

［3］許繼軍，陳 進.長江上游大型水電站群聯(lián)合調(diào)度發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.中國水利，2011，(4):24－28.(XU Ji-jun，CHEN Jin.Development Strategy Study on Combined Management Stations on the Upper Yangtze River［J］.China Water Resources，2011，(4):24－28.(in Chinese))

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［5］陳 進，朱延龍.長江流域用水總量控制探討［J］.中國水利，2011，(5):42－44.(CHEN Jin，ZHU Yanlong.Discuss on Total Water Use in Changjiang River Basin［J］.China Water Resources，2011，(5):42－44.(in Chinese))

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［7］陳 進，黃 薇.長江的生態(tài)流量問題［J］.長江科學(xué)院院報，2007，24(6):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environmental Flow of the Changjiang River［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24(6):1－5.(in Chinese))

［8］陳 進，黃 薇.長江環(huán)境流量問題及管理對策［J］.人民長江，2009，4(8):17－19.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environment Flows and Its Management Measures in the Changjiang River［J］.Yangtze River，2009，4(8):17－19.(in Chinese))

［9］黃 薇，陳 進.長江控制性水庫聯(lián)合調(diào)度體制及機制探討——以湘江抗旱調(diào)度為例［J］.長江科學(xué)院院報，2010，27(12):12－16.(HUANG Wei，CHEN Jin.Exploration on System and Mechanism of Joint Dispatch of Dominant Reservoirs in Yangtze River Basin:Dispatch of Drought Control in Xiangjiang River as an Example［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(12):12－16.(in Chinese))

［10］陳 進.中國環(huán)境流研究與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.(CHEN Jin.Research and Practice of Environmental Flows in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2011.(in Chinese))