三峽水庫生態(tài)徑流及其生態(tài)調(diào)度研究

李 舜，陸建宇，程增輝，陸寶宏，侯 盼

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200331；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；4.南京水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京210006)

0 引 言

三峽水庫位于長(zhǎng)江干流中游，2003年6月蓄水，是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的大型水庫，在治理和開發(fā)長(zhǎng)江活動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。三峽水庫下游的宜昌江段不僅是長(zhǎng)江流域最重要的四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)，還是洄游性珍稀水生動(dòng)物——中華鱘的唯一產(chǎn)卵場(chǎng)[1]。目前，有關(guān)三峽水庫的研究成果較為豐富，趙越等[2]指出三峽水庫提前蓄水可減輕蓄水對(duì)中華鱘產(chǎn)卵的不利影響，得到中華鱘產(chǎn)卵適宜流量為13 000～19 000 m3/s；郭文獻(xiàn)等[3]認(rèn)為三峽水庫蓄水后，四大家魚和中華鱘產(chǎn)卵繁殖期各月份多年平均流量均減少，中華鱘、四大家魚產(chǎn)卵時(shí)間推遲，產(chǎn)卵規(guī)模大幅降低；熊明等[4]發(fā)現(xiàn)蓄水后的下游河道水文情勢(shì)發(fā)生較大變化，宜昌站、漢口站、大通站年均輸沙量大幅減小，各站懸沙粒徑變粗，河道沖刷強(qiáng)度增大，沿程枯水位下降；郭文獻(xiàn)等[5]研究了三峽水庫下游河道環(huán)境流量調(diào)度目標(biāo)及中華鱘、四大家魚產(chǎn)卵期水庫調(diào)度目標(biāo)。

上述研究成果涉及范圍較廣，但較少開展綜合性研究，且方法較為陳舊、單一。鑒于此，本文在改進(jìn)傳統(tǒng)水文學(xué)方法的基礎(chǔ)上，計(jì)算河流生態(tài)徑流，并開展生態(tài)調(diào)度研究，以期為相關(guān)學(xué)者開展三峽水庫后續(xù)研究和優(yōu)化相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)度規(guī)則提供參考。

1 河流生態(tài)徑流計(jì)算

生態(tài)徑流即使河流在天然狀況下的生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，能夠保證河流生態(tài)系統(tǒng)功能不受破壞的徑流過程。目前，生態(tài)徑流可分為最小、適宜和最大生態(tài)徑流，計(jì)算方法主要包括逐月頻率法[6- 8]、逐月次最小(大)值法、Tennant法[9]和水力半徑法等。考慮Tennant法的分期標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合長(zhǎng)江流域四大家魚生活習(xí)性，將年內(nèi)劃分為4月～6月、7月～9月、10月～11月和12月～次年3月等4個(gè)時(shí)段[10]，并以季節(jié)修正系數(shù)修正流量百分比，以流量中位值代替流量平均值，消除個(gè)別月份流量極端值的影響，改進(jìn)Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)Tennant法流量百分比及對(duì)應(yīng)棲息地狀態(tài)見表1。

表1 改進(jìn)Tennant法流量百分比及對(duì)應(yīng)棲息地狀態(tài)

1.1 最小生態(tài)徑流

各方法計(jì)算的最小生態(tài)徑流過程見圖1。從圖1可知，河道濕周法、改進(jìn)Tennant法計(jì)算值小于次最小值法和逐月頻率綜合法。10月～次年3月次最小值法和逐月頻率綜合法(豐平枯月保證率分別取90%、95%、95%)計(jì)算值基本相同，豐水期7月～9月前者計(jì)算值偏小。河道濕周法計(jì)算值全年相同，未體現(xiàn)生態(tài)徑流季節(jié)變化。改進(jìn)Tennant法計(jì)算值是河流棲息地狀態(tài)最差情況的流量，是生物所能忍受的極限瞬間低流量，但生物并不能長(zhǎng)期處于此極限狀態(tài)。以河道濕周法、改進(jìn)Tennant法為參考標(biāo)準(zhǔn)，其他方法的計(jì)算值均滿足要求。為確保河流生態(tài)系統(tǒng)安全，采用次最小值法計(jì)算的最小生態(tài)徑流更合理。

圖1 各方法計(jì)算的最小生態(tài)徑流過程

1.2 最大生態(tài)徑流

各方法計(jì)算的最大生態(tài)徑流過程見圖2。從圖2可知，除8月流量，其他月次最大值法、逐月頻率綜合法(豐平枯月保證率分別取5%、10%、10%)計(jì)算值均低于改進(jìn)Tennant法，逐月頻率綜合法小于次最大值法，但相差不大。改進(jìn)Tennant法計(jì)算值是河流生物所能承受的最大瞬間流量，河流若長(zhǎng)期處于此高流量狀態(tài)，不利于生物以及河岸植被的生長(zhǎng)。以改進(jìn)Tennant法計(jì)算值為參考標(biāo)準(zhǔn)，次最大值法計(jì)算值更合理、可靠，并對(duì)不滿足改進(jìn)Tennant法的月份，利用改進(jìn)Tennant法進(jìn)行修正。

圖2 各方法計(jì)算的最大生態(tài)徑流過程

1.3 適宜生態(tài)徑流

逐月頻率綜合法和改進(jìn)Tennant法計(jì)算的適宜生態(tài)徑流過程見圖3。從圖3可知，逐月頻率綜合法(豐平枯月保證率分別取45%、60%、75%)計(jì)算值遠(yuǎn)大于改進(jìn)Tennant法。改進(jìn)Tennant法以多年平均值相應(yīng)的比例計(jì)算，其計(jì)算值可使河流棲息地狀態(tài)處于很好流量空間。長(zhǎng)江流量大，生物種類多，對(duì)流量要求高，逐月頻率綜合法計(jì)算值均在生物棲息地狀態(tài)最佳范圍內(nèi)，且體現(xiàn)了徑流年內(nèi)變化特點(diǎn)，更符合流域河流實(shí)際情況。因此，適宜生態(tài)徑流采用逐月頻率綜合法計(jì)算結(jié)果。

圖3 各方法計(jì)算的適宜生態(tài)徑流過程

基于RVA法計(jì)算的適宜生態(tài)徑流閾值見表2。各月適宜生態(tài)徑流下限均處于棲息地最佳狀態(tài)范圍內(nèi)，其上限占多年均值比例處于100%～120%之間?？紤]長(zhǎng)江來水量大，河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水量要求較高，計(jì)算值基本合理可靠。

表3 特豐水年(1964年)不同方案調(diào)度結(jié)果

2 三峽水庫生態(tài)調(diào)度

2.1 不同水平年調(diào)度

三峽水庫修建前(1950年～2002年)徑流代表水庫天然來水，確定特豐、特枯水年分別為1964年、1997年。基于三峽水庫常規(guī)調(diào)度方案，建立以遺傳算法為基礎(chǔ)的生態(tài)調(diào)度模型。全年生態(tài)調(diào)度方式：10月初蓄水，直至10月31日，由防洪限制水位均勻蓄至175 m；11月至次年4月，以枯水期消落水位155 m作為水位下限控制；5月底水位降至155 m；6月上旬庫水位仍在下降，至6月底降至145 m；6月～9月按145 m水位運(yùn)行。

表2 適宜生態(tài)徑流閾值計(jì)算結(jié)果

2.1.1 特豐水年(1964年)

根據(jù)特豐水年1964年逐月來水情況，不考慮及考慮生態(tài)徑流約束調(diào)度部分結(jié)果，特豐水年(1964年)不同方案調(diào)度結(jié)果見表3。不考慮生態(tài)徑流約束的優(yōu)化調(diào)度，年末水位至165 m，6月～9月以防洪限制水位運(yùn)行，10月底水庫蓄到175 m，各月出力均未超過裝機(jī)容量，年發(fā)電1 148.37億kW·h。考慮生態(tài)徑流約束的生態(tài)調(diào)度，年末水位至166.42 m，7月～9月以防洪限制水位運(yùn)行，6月因最大生態(tài)徑流約束，以145.42 m水位運(yùn)行，帶來一定防洪風(fēng)險(xiǎn)，各月出力均為超過裝機(jī)容量限制，年發(fā)電1 121.34億kW·h，比優(yōu)化調(diào)度低2.35%。

特豐水年出流與生態(tài)徑流的比較見圖4。從圖4可知，調(diào)度對(duì)枯水期影響較大，優(yōu)化調(diào)度時(shí)1月～2月出流小于最小生態(tài)徑流，5月～6月、12月出流大于最大生態(tài)徑流，生態(tài)調(diào)度后的出流均處于最小、最大生態(tài)徑流之間，調(diào)度后出流使生態(tài)徑流改善。特豐水年因來水量大，生態(tài)調(diào)度滿足河道需求，但發(fā)電效益有所減少。

圖4 特豐水年(1964年)出流過程比較

月份入庫流量/m3·s-1不考慮生態(tài)徑流考慮生態(tài)徑流月末水位/m棄水流量/m3·s-1出力/MW發(fā)電量/kW·h月末水位/m棄水流量/m3·s-1出力/MW發(fā)電量/kW·h13 720168.4002 500.018.60165.5503 332.924.8023 870171.7802 500.016.80167.5702 997.120.1435 170175.0003 983.429.64173.5003 016.022.4447 970175.0008 080.758.18175.0007 445.953.61511 400175.00011 526.785.76172.81012 230.991.00616 600145.00021 722.5156.40145.00020 756.7149.45731 900145.00021 373.6159.02145.00021 373.6159.02817 600145.00012 391.092.19145.0001 2391.092.19913 200145.0009 408.067.74145.0009 408.067.741014 200175.0005 273.839.24156.5809 206.768.50116 920175.0007 020.950.55155.3306 146.144.25124 880165.0008 115.960.38156.8603 837.728.55

2.1.2 特枯水年(1997年)

根據(jù)偏枯水年1997年逐月的來水情況，不考慮及考慮生態(tài)徑流約束調(diào)度部分結(jié)果見表4。不考慮及考慮生態(tài)徑流的調(diào)度均未棄水，6月～9月均以防洪限制水位運(yùn)行，各月出力均未超過裝機(jī)容量。不考慮生態(tài)徑流約束，10月底蓄水至175 m，年末水位降至165 m，年發(fā)電834.50億kW·h?？紤]生態(tài)徑流約束，枯水年來水較小，11月因入流小于最小生態(tài)徑流，水位下降至155.33m，年末水位156.86 m，年發(fā)電821.69億kW·h，減少約1.54%?？梢?，生態(tài)徑流約束對(duì)發(fā)電量產(chǎn)生一定影響。

特枯水年出流與生態(tài)徑流的比較見圖5。從圖5可知，不考慮生態(tài)徑流約束，1月～2月、10月～11月出流小于最小生態(tài)徑流，6月、12月出流大于最大生態(tài)徑流?？紤]生態(tài)徑流約束，各月徑流處于最小、最大生態(tài)徑流之間，6月份徑流處于適宜上限、最大生態(tài)徑流之間，4月～7月滿足適宜生態(tài)徑流需求，生態(tài)調(diào)度改善了下游生態(tài)徑流條件。整體上，特枯水年生態(tài)調(diào)度對(duì)水庫防洪、棄水無影響，雖然水庫末水位明顯降低，但改善了下游生態(tài)環(huán)境需水情況，緩解了生態(tài)效益與發(fā)電效益之間的矛盾，對(duì)發(fā)電造成了一定影響。

圖5 特枯水年(1997年)出流過程比較

2.2 代表性生物調(diào)度

4月～6月是長(zhǎng)江流域四大家魚產(chǎn)卵繁殖期，5月～6月是盛期；10月～11月是中華鱘產(chǎn)卵繁殖期，10月中旬～11月中旬為盛期。

(1)研究時(shí)段。根據(jù)以上年調(diào)度方案，選取5月1日～6月10日為四大家魚產(chǎn)卵研究時(shí)段，10月1日～11月20日為中華鱘產(chǎn)卵研究時(shí)段。

(2)調(diào)度方案。為6月中下旬有足夠防洪庫容，四大家魚調(diào)度期始、末水位分別取155 m和145 m；中華鱘調(diào)度期始、末水位分別取145 m和175 m。

(3)流量約束。為滿足通航需求，葛洲壩下游水位不低于39 m，即三峽水庫最小下泄流量不小于5 000 m3/s；為滿足下游抗旱補(bǔ)水要求，10月上、中、下旬的抗旱補(bǔ)水流量不低于8 000、7 000 m3/s和6 500 m3/s。

表5 四大家魚產(chǎn)卵期調(diào)度結(jié)果

表6 中華鱘產(chǎn)卵期調(diào)度結(jié)果

(4)生態(tài)徑流約束。四大家魚、中華鱘產(chǎn)卵對(duì)宜昌站適宜徑流需求[11]分別為8 000～15 000 m3/s、10 000～20 000 m3/s，結(jié)合宜昌站5月～6月、10月～11月適宜生態(tài)徑流上下限結(jié)果，同時(shí)考慮三峽水庫其他效益，將5月～6月、10月～11月的生態(tài)徑流約束范圍分別定為：8 000～15 000、8 000～20 300、10 000～20 100、8 955～20 000 m3/s。

按照研究時(shí)段5月1日～6月10日、10月1日～11月20日的總來水量頻率分析，1962年為平水年，以1962年逐日入流資料，進(jìn)行不考慮、考慮魚類適宜徑流的生態(tài)調(diào)度研究。

2.2.1 四大家魚

不考慮及考慮適宜徑流調(diào)度結(jié)果見表5。不考慮適宜徑流時(shí)，發(fā)電108.81億kW·h，日最大、最小發(fā)電分別為3.72、1.35億kW·h，期末水位145m，最大、最小出力均未超限?？紤]適宜徑流調(diào)度，發(fā)電108.65億kW·h，下降0.15%，日最大發(fā)電減少0.11億kW·h，日最小發(fā)電增加0.32億kW·h，期末水位146.66 m，6月來水較大，加之適宜徑流限制，期末水位升高，防洪風(fēng)險(xiǎn)略有增大，日最大出力減小，日最小出力增大，多年日平均出力略有減小。

四大家魚產(chǎn)卵期出流過程比較見圖6。從圖6可知，考慮適宜徑流時(shí)，各日出流均介于適宜徑流上下限，5月6日～9日流量15 000 m3/s，5月25日～26日流量提高到12 500 m3/s。6月2日～10日均按照適宜徑流上限泄流，其余時(shí)段變化不大，整個(gè)時(shí)段存在2次大規(guī)模漲水、1次小規(guī)模漲水。整體上，考慮適宜徑流調(diào)度，稍增水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)，但可提高四大家魚產(chǎn)卵適宜徑流滿足程度，且對(duì)發(fā)電、出力影響均不大。

圖6 四大家魚產(chǎn)卵期出流過程比較

2.2.2 中華鱘

不考慮及考慮適宜徑流的部分調(diào)度結(jié)果見表6。不考慮適宜徑流時(shí)，調(diào)度期內(nèi)發(fā)電量111.95億kW·h，日最大、最小發(fā)電分別為3.28、1.53億kW·h，期末水位174.99 m，水庫基本蓄滿，多年日平均出力9146.2MW，最大、最小出力均未超過限制范圍?？紤]適宜徑流約束，最大的日末水位為174.52 m，水庫未蓄滿，期末水位174.13 m，相比不考慮適宜徑流的調(diào)度降低0.86 m，日最大發(fā)電量減小，日最小發(fā)電量增大，調(diào)度期發(fā)電112.82億kW·h，增加0.87億kW·h，增長(zhǎng)0.78%。

中華鱘產(chǎn)卵期出流過程比較見圖7。從圖7可知，不考慮適宜徑流約束，10月6日～31日、11月16日～20日出流均小于適宜徑流下限，調(diào)度期的出流均未超過適宜徑流上限。考慮適宜徑流約束，調(diào)度期出流處于適宜徑流上下限之間，10月6日～31日、11月14日～20日出流存在2次脈沖過程，下游中華鱘產(chǎn)卵流量條件得到改善?？紤]適宜徑流約束，出流增加大于水頭減小，使調(diào)度期的平均出力增大，總發(fā)電量隨之增大。整體上，考慮適宜徑流的調(diào)度，會(huì)影響水庫蓄滿問題，但可提高中華鱘產(chǎn)卵適宜徑流滿足程度，且對(duì)發(fā)電、出力影響不大。

圖7 中華鱘產(chǎn)卵期出流過程比較

3 結(jié) 語

本文以三峽水庫為例，建立基于遺傳算法的生態(tài)調(diào)度模型，與不考慮生態(tài)徑流約束的優(yōu)化調(diào)度相比，考慮生態(tài)徑流所有年份下游河道生態(tài)需水均可得到改善，特豐水年棄水量、年末水位無變化，防洪風(fēng)險(xiǎn)略有增加，年發(fā)電量減少2.35%；特枯水年庫棄水、防洪未產(chǎn)生影響，水庫未蓄滿，年末水位降低明顯，年發(fā)電量減少1.54%。

針對(duì)四大家魚、中華鱘的生態(tài)調(diào)度顯示，考慮適宜徑流需求時(shí)，會(huì)稍增水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)，影響蓄水期水庫蓄滿，但對(duì)發(fā)電、出力影響不大，且能夠改善魚類產(chǎn)卵繁殖的流量條件。