水庫多目標生態調度研究進展

郭文獻 王艷芳 彭文啟 付意成

摘要：水庫多目標生態調度研究是當前國內外河流生態恢復研究中的熱點問題。綜合分析了水庫多目標生態調度國內外研究進展，指出了水庫多目標生態調度研究存在的問題，提出了水庫多目標生態調度研究的發展方向，認為今后水庫多目標生態調度研究還需在水庫生態調度理論框架體系、水庫生態調度目標定量化研究、水庫多目標生態調度優化和模擬技術研究、梯級水庫多目標生態調度方案效果評價研究以及水庫生態調度管理體制等方面進一步加強。

關鍵詞：水庫；生態調度；生態修復；河流管理

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0084-07

Abstract：The research on reservoir ecological operation is a hotspot problem in the current river ecological restoration research field.The connotation of reservoir ecological operation was introduced firstly.Based on the concept of reservoir ecological operation，the domestic and foreign research advances of reservoir ecological operation were reviewed.Aiming at the main existent problems in this field，the future development trends of reservoir ecological operation research were put forward.It is suggested that the further study of reservoir ecological operation should be emphasized on aspects of the theoretical framework system，quantitative objectives of ecological operation，multi-objective optimization and simulation technology，effect evaluation of operation schemes and the management system of reservoir ecological operation.It provides the reference for carrying out multi-objective ecological operation of reservoirs in the future.

Key words：reservoir；ecological operation；ecological restoration；river management

水電工程建設在推動人類社會經濟發展同時，也對河流生態系統造成了嚴重影響，主要表現為：河道萎縮，洪泛區面積減少；水生生物生境破壞，鳥類數量和物種較少；洄游性魚類數量減少，甚至消失；海水入侵，河口生態環境惡化；外來物種入侵等[1-5]。水電工程建設引起的河流生態問題已引起了相關專家學者的重視[4-5]，國內外大量相關研究表明，通過工程措施、生物措施和管理措施可在一定程度上避免或減輕這些問題[6-7]，其中開展水庫多目標生態調度，是當前國內外大型河流生態恢復中的一項重要舉措[8-9]。

1 水庫多目標生態調度內涵

水庫生態調度是水庫調度發展的最新階段，也是河流管理最新理念的體現。水庫生態調度的目標，是以維持河流健康可持續發展為總目標，其中包括維持河流生態系統完整性、生物多樣性、生物可持續性等[10]。綜合考慮國內外水庫生態調度相關論述，認為水庫生態調度，即以河流健康可持續為目標，通過工程措施和非工程措施，調整水庫泄水方案，在充分發揮水庫的防洪和發電等效益的同時，減緩水庫調度對河流生態系統的不利影響。水利工程建設所帶來的河流系統生態問題十分復雜，要解決其生態問題，必須將河流系統整體進行考慮，不是僅僅靠生態調度能夠完全解決的。水庫生態調度相關措施不可能解決所有的生態問題，只是在一定程度上緩解河流系統的生態損害。水庫生態調度作為河流生態恢復一種手段，主要是針對流域水資源利用導致的生態受損進行修復，通過調整閘壩調度規程的方法，來彌補或減緩對河流系統造成的生態環境問題[11]。要在水資源開發利用的同時保護好河流生態系統，還需要開展多種河流生態修復措施，維持河流健康可持續發展，實現人水真正和諧。

2 國內外研究進展

2.1 國外研究進展

在水庫生態調度理論框架研究方面，其中Richter等（2003）提出了一個生態可持續水資源管理規程，該程序包括六個步驟：（1）首先初步研究能維持河流生態系統完整性的關鍵點；（2）考慮到當前以及未來人類活動對水資源的利用情況，采用水文模擬模型研究人類活動（如水庫建設）對河流水流情勢的影響；（3）評價人類活動對河流生態系統的不利影響；（4）共同協商尋找解決問題的辦法；（5）綜合考慮人類和生態需要，指導水資源管理解決不確定性問題；（6）設計并且執行一個長期的生態可持續水資源管理規劃[8]。Richter等提出了通過水庫生態調度（re-operation）來恢復河道環境流量，并且提出一個評價框架用于水庫生態調度問題研究，該評價框架能夠綜合分析水庫生態調度產生的生態效益[9]。Jager等[10]研究了如何開展水庫生態調度，既能保證水庫水力發電，又能保護生態系統服務價值，同時提出了三個生態調度目標，一是保證魚類棲息地水流條件，二是維持近自然水流情勢，三是維持魚類種群健康水流條件。

在保障水庫下游河流生態流量開展水庫生態調度研究方面，其中Symphorian等[11]研究了津巴布韋奧斯本大壩生態調度問題，采用桌面模型評價環境需水量，進而在水庫調度和水資源分配中考慮環境下泄流量。Ripo等[12]提出了年流量歷時曲線方法，該方法能夠提供水庫不同供水量方案，同時保證河流相似的年流量歷時曲線，有效地保證了維持河流生態系統的最小需水量。Shiau等以水文整體改變程度作為生態目標，采用一種動態妥協規劃算法計算多目標調度問題，協調水資源利用在生態和人類需要之間的矛盾；在另外一篇文獻中，提出以水庫供水缺水率和水文整體改變程度作為調度目標，采用多目標遺傳算法求得最佳調度方案[13-14]。Bednarek等[15]研究了通過修改田納西河流大壩調度方式，來減緩其帶來的不利影響，其中1991年-1996年，田納西河流域管理局（TVA）對其管理的20個水庫通過提高水庫最小下泄水量及水質，優化了水庫調度運行方式。Harman 等[16]研究了澳大利亞Thomson河流環境流量，并建立了水庫調度模型模擬分析了不同下泄流量以滿足下游河道環境流量需求。Konrad等[17]綜合評述了美國的可持續河流項目（Sustainable Rivers Project），該項目是由美國TNC和陸軍工程兵團（USACE）合作，選擇了11條河流上26座水庫，通過開展調整水庫調度方式以恢復生態流量的試驗研究，該項目于2002年開始，致力于恢復天然水文情勢、保護水生生物和河岸植被生境，從而維持河流健康可持續。

在保障水庫下游水生生物生態需求方面開展了相關水庫生態調度研究。其中King等[18]研究通過調整南非Clanwilliam大壩在黃魚產卵期（10月-次年1月）的下泄流量，人為制造洪水以增加下游魚類的產卵量，同時考慮下泄水溫對魚類產卵的影響。 Susan等[19]針對美國科羅拉多河上的格倫峽大壩對河流生態系統的影響，采取加大春季洪水下泄流量以及分層取水的方法，滿足下游棲息地的流量需要，分別于1996年和2000年進行春季泄洪試驗，模擬建壩前的自然水文模式，達到輸沙、恢復生境和保護魚類等綜合效果。Bovee等[20]提出綜合水量平衡模型和洪水災害曲線方法，模擬計算6種洪水泄水方案，用來恢復天然狀況下的洪水脈沖事件，改變密西西比河流域上游的魚類種群以及植物生存狀況。Johnson等[21]提出采用修改大壩調度的方法減緩下泄水流水體過飽和對下游魚類的不利影響，并對魚類氣泡病進行了相關研究。King等[22]研究了澳大利亞墨累河適應性管理問題，在魚類的產卵期和幼魚生長期，通過增加水庫下泄洪峰流量以及洪水持續時間，恢復洪水脈沖，以保證下游魚類產卵繁殖需求。Lessard等[23]針對新西蘭Opuha大壩下游藻類繁殖影響河流生態安全，實施了大壩生態調度措施，適當加大大壩下泄流量進而破壞藻類發生水華的生境條件從而降低水華發生概率。Gates等[24]研究了美國愛達荷州Snake河流上大壩生態調度問題，通過調整大壩調度方式，適當增加季節性枯水流量，可以提高下游底棲生物群落的棲息地可利用性。根據相關研究，認為具有洪水和流量脈沖的天然水流情勢對河流生物多樣性和生態完整性具有重要作用，通過調整水庫下泄流量，提高水庫下游水生生物生境質量，進而提高水庫下游水生生物產卵繁殖量以及生長需求。

在水庫多目標生態調度研究方面，主要在考慮水庫經濟社會目標同時兼顧河流生態目標，國外開展了大量相關研究。Chaves等[25]采用模糊神經網絡建立了水庫下泄流量與水庫的水質指標的響應關系模型，并將水沙、水質的量化關系模型嵌入到水庫優化調度模型中，構建了水庫多目標優化調度模型。Suen等[26]以Shihmen水庫調度為例，將水流情勢的天然變化作為生態目標，利用模糊集方法進行量化處理，與經濟目標一起構成多目標優化模型，利用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）進行求解，通過對水庫的調度線進行優化處理，得出滿足生態和滿足人類需求的最佳調度方案。Halleraker等[27]在研究挪威Surna河流上水庫生態調度研究中，提出了采用水力-生境模型、IHA方法、生境分析、水溫模擬綜合分析的方法評價環境流量，然后調整水庫調度方案，以提高水庫下游鮭魚生境質量。Field[28]研究了美國薩克拉曼多的Folsom水庫多目標生態調度問題，該研究考慮了發電、供水以及水庫下泄水溫3個目標，采用多目標進化算法和一維水庫水溫模型進行求解，取得了滿意解。Steinschneider等[29]提出了水庫生態調度優化模型用于美國康涅狄格河流域水庫調度中，該模型綜合考慮了水庫防洪、發電、供水、娛樂以及下游河流生態流量等目標，結果表明通過改進調度方式，保證了防洪與水庫下游生態安全。

根據對國外水庫生態調度研究成果可知，以美國、澳大利亞為代表的一些國家，在水庫生態調度研究實踐方面相對較早。在生態調度研究內容方面主要包括：（1）解決水庫庫區污染物集聚、泥沙淤積以及水溫層化問題；（2）解決水庫清水下泄以及溶解氧過飽和問題；（3）解決水庫下游魚類產卵場生境、洪泛區以及河口生態問題。水庫蓄水所帶來的河流系統的生態問題十分復雜。過去水庫調度采用單一生態目標調度方式難以達到維護河流健康要求，水庫調度必須從河流系統整體出發，綜合考慮水庫引起的多方面問題，采用多學科結合研究、多管理部門參與的方式，制定科學合理的調度方案。當前正在進行的改進水庫調度方式實踐如美國的可持續河流工程項目和澳大利亞的恢復墨累河活力項目最為典型[30]。

2.2 國內研究進展

國內在水庫生態調度研究實踐方面相對較晚，從2000年以來，我國在水庫生態調度理論方面進行了大量研究，同時，相關專家學者相應在各大領域開展了生態調度實踐研究[31，32]，對我國水庫生態調度開展具有指導作用。 在理論探討方面，索麗生[33]提出水利工程的優化目標應該由慣常的“技術經濟最優”改變為生態效益、經濟效益、社會效益統籌兼顧，強調人與自然和諧共處。水利部原部長汪恕誠[34]提出了要積極探索水利工程有利于生態的調度和使用模式。蔡其華[35]提出了充分考慮河流生態系統，完善水庫調度方式，并且針對三峽工程生態問題，提出了水庫生態調度基本思路和相關對策措施，保證水庫的防洪、發電、灌溉、供水、航運、旅游等各項功能，使水庫對壩下游生態和庫區水環境造成的負面影響控制在可承受的范圍內，并逐步修復生態與環境系統。董哲仁等[36]針對現行水庫調度存在的生態問題，分別從維持河流生態流量等7個方面論述了水庫多目標生態調度技術方法。2005年12月在北京召開的《通過改進水庫調度以修復河流下游生態系統》研討會，為水庫生態調度研究指出了方向。尹正杰等[37]分析了長江流域開展生態調度存在問題，指出了科學合理管理體制是實施流域內水庫生態調度管理的關鍵，并初步構建了長江流域梯級水庫生態調度管理體制。蔣曉輝[38]針對黃河干流水庫運行所引起的生態問題，提出了黃河干流水庫生態調度的總體框架。魯春霞等[39]綜合論述了國內外水利工程生態效應與生態調度研究的現狀和特點，指出了我國水利工程生態調度研究中存在問題與方向。郜國明等[40]提出了小浪底水庫生態調度總體構想，包括其內涵、總體目標以及具體措施。

在生態調度實踐研究方面。鄧云等[41]研究通過調整溪洛渡電站春季下泄水流方式，改變下泄水流水溫，保護下游魚類產卵繁殖。鈕新強等[42]探討了三峽工程生態調度問題，主要針對改善長江口咸潮入侵情勢的調度及有利于“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚和鳙魚）產卵提出建議。胡和平等[43]提出了基于生態流量過程線的水庫調度方式，將生態流量過程線作為水庫調度流量變化的約束條件之一，建立了水庫生態調度模型。郭文獻[44]研究了基于河流健康水庫生態調度模式，針對三峽梯級水庫調度，考慮三峽水庫下游河道環境流量以及中華鱘和四大家魚產卵繁殖情況，提出了三峽梯級水庫生態調度目標，建立三峽梯級水庫生態調度模型，并進行了優化計算，最后提出了生態調度措施方案，為三峽梯級水庫生態調度提供了參考。諸葛亦斯[45]考慮到錦屏二級電站對下游魚類棲息地的影響，將梯級水庫生態調度和電力優化調度結合起來，提出了梯級水庫中長期生態調度方案。陳秀銅[46]從保護雅礱江錦屏一級水電站下游魚類產卵繁殖角度，開展了調整水庫調度方式改變下泄低溫水，保證魚類產卵繁殖的研究。王俊娜[47]以長江三峽工程調度為對象，綜合防洪、發電、航運和生態保護目標，構建了三峽水庫多目標生態調度模型，制定了長江枯水期和汛期的生態調度方案。趙越[48]針對長江中游生境改善與修復的需求，考慮生態系統、四大家魚產卵、中華鱘產卵的生態需水量及防止氣體過飽和與河口咸潮入侵發生的臨界流量，建立了以生態缺水量最小及年發電量最大為目標的水庫多目標調度模型，采用智能優化算法對模型進行求解。金鑫[49]采用聚合水庫調度圖及供水量分解系數作為調度規則標度，結合大系統分解協調理論構建了供水水庫群聯合生態調度優化模型，并采用自適應遺傳算法（AGA）、逐次優化法（POA）作為求解工具，對溁河下游潘家口、大黑汀、桃林口3水庫聯合生態調度規則進行了優化研究。

從2000年我國黃河、珠江、嫩江、海河、太湖、淮河各大流域都陸續開展了不同目的的生態調度實踐研究，并取得良好的社會與生態效益，其中黃河小浪底的水庫調水調沙試驗，利用人造洪峰輸沙入海，減輕下游河道淤積，補償生態流量[50]。在2001年-2006年，塔里木河先后進行了8次向下游生態應急輸水，通過沿河道輸水，提高了兩岸附近地下水位，拯救了河道兩岸的天然植被。另外，珠江流域實施了壓咸補淡應急調水的全流域水庫群生態調度。2011年6月長江防總開展了首次生態調度試驗，促進了“四大家魚”的自然繁殖，這是中國首次針對魚類自然繁殖而實施的生態調度，拓展三峽工程綜合效益，提升三峽工程服務能力的需要[51]。2012年、2013年和2014年，三峽水庫又相繼實施了4次試驗性生態調度，并同步開展了典型江段魚類早期資源、水文及環境要素等監測工作，通過四大家魚卵苗監測結果表明，生態調度對四大家魚自然繁殖起到了一定促進作用[52-53]。長江流域管理部門為了下游四大家魚產卵繁殖，2010年以來連續幾年在四大家魚產卵期開展生態調度研究，取得了良好效果。

根據國內研究現狀，可知：（1）目前我國生態調度理論上還缺乏嚴格和統一的定義，水庫生態調度的概念內涵理解還比較模糊，基礎研究滯后；（2）在沒有提出生態調度概念之前，過去一些研究學者已經進行了大量研究，但這些研究都是獨立的，考慮生態問題比較片面單一，主要通過增水以改善水質，缺乏明確的生物保護對象，沒有從河流生態系統整體去研究水庫生態調度問題；（3）目前水庫生態調度研究在理論探討方面居多，在生態調度實踐方面由于眾多因素，仍然未能在大范圍進行開展。因此，今后，我國應該大量開展相關研究，通過科學的論證和研究，探索出符合中國國情、有利于河流生態健康發展的水利工程生態調度模式，是未來必然的發展趨勢。

3 水庫多目標生態調度研究方向

（1）水庫多目標生態調度框架體系構建。

開展水庫多目標生態調度需要建立一套行之有效的水庫生態調度的理論框架體系，包括水庫生態調度的理論基礎、技術手段、對策機制和評價體系。其研究理論基礎包括河流生態系統理論、河流生態恢復理論、河流水流情勢理論、河流環境流量理論、生態補償理論以及生態安全理論；從河流系統整體角度考慮，探討水庫生態調度的工程技術措施和非工程措施，其中工程措施主要包括為減小筑壩對洄游魚類過壩的影響而建立相應的保護工程，提高下游河道最小流量以及溶解氧濃度等；非工程措施主要包括保障水庫下游河流生態系統合理的環境流量，控制水體富營養化，魚類產卵期增加洪峰流量等措施。

（2）水庫調度中生態目標定量化。

兼顧生態的水庫多目標調度方法是一個非線性、多目標、多約束的優化決策問題。河流功能的多重性和生態系統的復雜性，以及人們對河流健康認同的不完整性、不確定性，導致河流管理生態目標的多樣性，包括保護水生生物、控制有害物種、改善水質、泥沙輸移、河口生態維持等。開展水庫生態調度研究，首先必須確定水庫生態調度的目標，其中目標定量化是將來的研究重點和熱點。根據河流管理的生態目標，建立生態目標與水流特性之間的關系，明確水庫調度水量大小和時間，同時鑒于水庫生態調度中生態目標、社會目標和經濟目標存在用水矛盾，如何耦合生態目標和社會經濟目標，協調三者之間關系，也是將來研究重點。

（3）水庫多目標生態調度優化和模擬技術。

綜合分析優化和模擬技術在水庫多目標生態調度中的應用，利用水動力水質模型以及水生生物模擬模型來建立系統物理特性的約束條件，利用優化模型解決總體的調度問題，采用模擬和優化技術相結合的方法，綜合考慮水庫群調度的經濟、社會和生態目標，建立梯級水庫多目標生態調度優化模擬模型，并研究進化算法在水庫多目標生態調度研究中的應用，也是將來研究方向。

（4）水庫多目標生態調度方案效果評價。

開展水庫的生態調度研究，調度實施后，確定是否達到預期目標，必須開展生態調度方案效果評價研究。其中，必須建立一套行之有效的監測評價系統，該系統綜合考慮經濟、社會和生態效益，同時考慮水庫生態調度方案監測情況，對生態調度方案進行綜合評價，選擇合理調度方案。

（5）水庫生態調度管理體制。

目前，生態調度從理解認識到貫徹實施還存在相當的困難，開展水庫生態調度，需要建立一套流域梯級水庫的生態調度管理體制機制。生態調度缺乏明確的制度約束，加之生態調度與傳統的興利調度一定程度上存在矛盾和沖突，在這種情況下，生態調度將缺乏實施動力。因此，建立以河流健康管理為理念的水庫調度適應性管理體制，以保障河流有效開發。

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