三峽水庫生態徑流及其生態調度研究

李 舜，陸建宇，程增輝，陸寶宏，侯 盼

(1.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海200331；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；3.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；4.南京水利規劃設計院有限責任公司，江蘇南京210006)

0 引 言

三峽水庫位于長江干流中游，2003年6月蓄水，是一座具有防洪、發電、航運等綜合效益的大型水庫，在治理和開發長江活動中發揮著關鍵作用。三峽水庫下游的宜昌江段不僅是長江流域最重要的四大家魚產卵場，還是洄游性珍稀水生動物——中華鱘的唯一產卵場[1]。目前，有關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中華鱘產卵的不利影響，得到中華鱘產卵適宜流量為13 000～19 000 m3/s；郭文獻等[3]認為三峽水庫蓄水后，四大家魚和中華鱘產卵繁殖期各月份多年平均流量均減少，中華鱘、四大家魚產卵時間推遲，產卵規模大幅降低；熊明等[4]發現蓄水后的下游河道水文情勢發生較大變化，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，河道沖刷強度增大，沿程枯水位下降；郭文獻等[5]研究了三峽水庫下游河道環境流量調度目標及中華鱘、四大家魚產卵期水庫調度目標。

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，本文在改進傳統水文學方法的基礎上，計算河流生態徑流，并開展生態調度研究，以期為相關學者開展三峽水庫后續研究和優化相應的運行調度規則提供參考。

1 河流生態徑流計算

生態徑流即使河流在天然狀況下的生態系統健康穩定，能夠保證河流生態系統功能不受破壞的徑流過程。目前，生態徑流可分為最小、適宜和最大生態徑流，計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?？紤]Tennant法的分期標準，結合長江流域四大家魚生活習性，將年內劃分為4月～6月、7月～9月、10月～11月和12月～次年3月等4個時段[10]，并以季節修正系數修正流量百分比，以流量中位值代替流量平均值，消除個別月份流量極端值的影響，改進Tennant法評價標準。改進Tennant法流量百分比及對應棲息地狀態見表1。

表1 改進Tennant法流量百分比及對應棲息地狀態

1.1 最小生態徑流

各方法計算的最小生態徑流過程見圖1。從圖1可知，河道濕周法、改進Tennant法計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%)計算值基本相同，豐水期7月～9月前者計算值偏小。河道濕周法計算值全年相同，未體現生態徑流季節變化。改進Tennant法計算值是河流棲息地狀態最差情況的流量，是生物所能忍受的極限瞬間低流量，但生物并不能長期處于此極限狀態。以河道濕周法、改進Tennant法為參考標準，其他方法的計算值均滿足要求。為確保河流生態系統安全，采用次最小值法計算的最小生態徑流更合理。

圖1 各方法計算的最小生態徑流過程

1.2 最大生態徑流

各方法計算的最大生態徑流過程見圖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%)計算值均低于改進Tennant法，逐月頻率綜合法小于次最大值法，但相差不大。改進Tennant法計算值是河流生物所能承受的最大瞬間流量，河流若長期處于此高流量狀態，不利于生物以及河岸植被的生長。以改進Tennant法計算值為參考標準，次最大值法計算值更合理、可靠，并對不滿足改進Tennant法的月份，利用改進Tennant法進行修正。

圖2 各方法計算的最大生態徑流過程

1.3 適宜生態徑流

逐月頻率綜合法和改進Tennant法計算的適宜生態徑流過程見圖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%)計算值遠大于改進Tennant法。改進Tennant法以多年平均值相應的比例計算，其計算值可使河流棲息地狀態處于很好流量空間。長江流量大，生物種類多，對流量要求高，逐月頻率綜合法計算值均在生物棲息地狀態最佳范圍內，且體現了徑流年內變化特點，更符合流域河流實際情況。因此，適宜生態徑流采用逐月頻率綜合法計算結果。

圖3 各方法計算的適宜生態徑流過程

基于RVA法計算的適宜生態徑流閾值見表2。各月適宜生態徑流下限均處于棲息地最佳狀態范圍內，其上限占多年均值比例處于100%～120%之間。考慮長江來水量大，河流生態系統對水量要求較高，計算值基本合理可靠。

表3 特豐水年(1964年)不同方案調度結果

2 三峽水庫生態調度

2.1 不同水平年調度

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。基于三峽水庫常規調度方案，建立以遺傳算法為基礎的生態調度模型。全年生態調度方式：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水位運行。

表2 適宜生態徑流閾值計算結果

2.1.1 特豐水年(1964年)

根據特豐水年1964年逐月來水情況，不考慮及考慮生態徑流約束調度部分結果，特豐水年(1964年)不同方案調度結果見表3。不考慮生態徑流約束的優化調度，年末水位至165 m，6月～9月以防洪限制水位運行，10月底水庫蓄到175 m，各月出力均未超過裝機容量，年發電1 148.37億kW·h?？紤]生態徑流約束的生態調度，年末水位至166.42 m，7月～9月以防洪限制水位運行，6月因最大生態徑流約束，以145.42 m水位運行，帶來一定防洪風險，各月出力均為超過裝機容量限制，年發電1 121.34億kW·h，比優化調度低2.35%。

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

圖4 特豐水年(1964年)出流過程比較

月份入庫流量/m3·s-1不考慮生態徑流考慮生態徑流月末水位/m棄水流量/m3·s-1出力/MW發電量/kW·h月末水位/m棄水流量/m3·s-1出力/MW發電量/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)

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

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

圖5 特枯水年(1997年)出流過程比較

2.2 代表性生物調度

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

(1)研究時段。根據以上年調度方案，選取5月1日～6月10日為四大家魚產卵研究時段，10月1日～11月20日為中華鱘產卵研究時段。

(2)調度方案。為6月中下旬有足夠防洪庫容，四大家魚調度期始、末水位分別取155 m和145 m；中華鱘調度期始、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；為滿足下游抗旱補水要求，10月上、中、下旬的抗旱補水流量不低于8 000、7 000 m3/s和6 500 m3/s。

表5 四大家魚產卵期調度結果

表6 中華鱘產卵期調度結果

(4)生態徑流約束。四大家魚、中華鱘產卵對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，結合宜昌站5月～6月、10月～11月適宜生態徑流上下限結果，同時考慮三峽水庫其他效益，將5月～6月、10月～11月的生態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，進行不考慮、考慮魚類適宜徑流的生態調度研究。

2.2.1 四大家魚

不考慮及考慮適宜徑流調度結果見表5。不考慮適宜徑流時，發電108.81億kW·h，日最大、最小發電分別為3.72、1.35億kW·h，期末水位145m，最大、最小出力均未超限?？紤]適宜徑流調度，發電108.65億kW·h，下降0.15%，日最大發電減少0.11億kW·h，日最小發電增加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，防洪風險略有增大，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。

四大家魚產卵期出流過程比較見圖6。從圖6可知，考慮適宜徑流時，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，其余時段變化不大，整個時段存在2次大規模漲水、1次小規模漲水。整體上，考慮適宜徑流調度，稍增水庫防洪風險，但可提高四大家魚產卵適宜徑流滿足程度，且對發電、出力影響均不大。

圖6 四大家魚產卵期出流過程比較

2.2.2 中華鱘

不考慮及考慮適宜徑流的部分調度結果見表6。不考慮適宜徑流時，調度期內發電量111.95億kW·h，日最大、最小發電分別為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度降低0.86 m，日最大發電量減小，日最小發電量增大，調度期發電112.82億kW·h，增加0.87億kW·h，增長0.78%。

中華鱘產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，調度期的出流均未超過適宜徑流上限。考慮適宜徑流約束，調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，下游中華鱘產卵流量條件得到改善。考慮適宜徑流約束，出流增加大于水頭減小，使調度期的平均出力增大，總發電量隨之增大。整體上，考慮適宜徑流的調度，會影響水庫蓄滿問題，但可提高中華鱘產卵適宜徑流滿足程度，且對發電、出力影響不大。

圖7 中華鱘產卵期出流過程比較

3 結 語

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

針對四大家魚、中華鱘的生態調度顯示，考慮適宜徑流需求時，會稍增水庫防洪風險，影響蓄水期水庫蓄滿，但對發電、出力影響不大，且能夠改善魚類產卵繁殖的流量條件。