黃河下游生態水量調度實踐

喬 鈺，胡慧杰

（1.河南黃河河務局，河南 鄭州450003；2.河南黃河水文勘測設計院，河南 鄭州450004）

我國高度重視生態文明建設,黨的十九大報告指出“加快生態文明體制改革,建設美麗中國”。生態文明建設對踐行人與自然和諧共生理念、滿足人民優美生態環境需要具有重要意義［1］。水生態文明建設是生態文明建設中重要環節之一,是建設人水和諧的內在要求。開展流域系統治理和生態水量研究與實踐為水生態文明建設提供了科學依據和可靠途徑。

黃河是我國西北、華北地區的生態屏障、流域及沿黃相關地區的重要水源［2］,在流域及相關地區經濟社會發展、生態格局與國家戰略布局中具有重要地位和作用。國家生態文明建設對黃河流域經濟社會和生態環境保護協調發展提出了新要求。然而,水資源短缺且供需矛盾突出對黃河流域生態文明建設形成了明顯制約。因此,開展黃河生態水量調度研究對推進流域生態文明建設意義深遠。

1 黃河水量調度的發展回顧

20世紀70—90年代,黃河下游斷流對流域及沿黃相關地區供水安全和生態安全造成了極大威脅［3］。1999年起,國家授權黃河水利委員會按照黃河可供水量分配方案,實施黃河水量統一調度［4］。黃河水量統一調度實施20 a來,黃河水量調度工作經歷了“防止斷流”“確保不斷流、協調生態環境用水”“確保不斷流,逐步實現功能性不斷流”三個階段。統一調度扭轉了20世紀末下游連年斷流的局面［5］,實現了黃河下游連續20 a不斷流,推動了下游經濟社會發展和生態系統的修復,以水資源的可持續利用支撐經濟社會與生態環境的全面良性發展。然而,流域目前各類用水需求遠遠超出了黃河水資源的承載能力,資源性缺水與生態系統保護要求之間存在矛盾［6］,為化解該矛盾,2016—2018年開展了黃河下游生態水量調度試點工作,研究黃河下游河道生態功能維持和生態服務需求的流量指標,實施生態水量調度實踐。

2 生態水量調度目標及原則

2.1 生態水量調度目標

根據黃河下游生態系統情況,結合流域自然地理特性和社會經濟發展狀況,確定下游生態水量調度的目標：保證生活用水安全,最大限度滿足黃河下游農作物生長關鍵期用水；保障非汛期河道生態基流以及下游主要斷面生態流量,維持和改善黃河下游河道生態廊道結構及功能；保證一定的入海水量,以保護河口濕地及附近海域重要水生生物生境；滿足生態流量目標要求,在有限的黃河水資源條件下實現黃河下游生態系統基本生態功能的有限修復。

2.2 生態水量調度原則

（1)優先滿足城鄉居民生活用水,統籌生產、生態用水,處理好流域內用水與跨流域調水的關系,確保黃河干流不斷流,改善流域水生態環境質量。

（2)服從黃河防洪、防凌調度。凌汛期龍羊峽、劉家峽、小浪底水庫按照防凌要求運用。6月底,龍羊峽、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底水庫水位按防洪調度要求控制。

（3)保障流域生態安全。在用水敏感期和關鍵期,有計劃加大骨干水庫下泄流量,保障干流基本生態用水；河口自然保護區的魚類產卵繁殖育幼洄游關鍵期,有計劃加大小浪底水庫下泄流量,盡可能增加入海水量,促進河口地區生態良性循環；適時實施河道外濕地湖泊生態補水。

（4)滿足《黃河下游生態流量試點工作實施方案》（簡稱《實施方案》)中指標要求：花園口、高村、利津斷面日均流量分別不低于 200、150、30 m3/s；4—10月,塑造花園口、高村水文站形成15 d左右300～1 000 m3/s的流量過程,利津水文站形成15 d左右75～1 000 m3/s的流量過程；根據水資源條件,相機塑造黃河下游河道2 600～4 000 m3/s持續7 d以上流量過程。

3 生態水量調度方案

生態水量調度方案應在確定生態調度期、分析生態調度水源以及下游河道水流演進的基礎上,制定具體的生態監測方案和主要水庫調度方案,從而形成整體的生態水量調度方案。

3.1 生態調度期的確定

生態調度期主要考慮四方面的因素：一是下游冬小麥生長關鍵期用水需求；二是上中游桃汛洪水進入小浪底水庫的時間；三是下游沿河及河口濕地、魚類生態用水需求；四是農業農村部（原農業部)關于實行黃河禁漁期制度的時段要求。

（1)下游灌溉用水情況。根據下游冬小麥生長規律和周期,3月下旬至4月上中旬為灌溉用水高峰期。依據用水資料,2010—2017年3—6月黃河下游多年平均引水過程見圖1,從圖1可以看出,3月中旬至4月中旬為下游引水高峰期,多年日平均引水流量在600 m3/s以上,為避開引水高峰期,黃河下游生態調度應安排在4月下旬至6月。

圖1 2010—2017年3—6月黃河下游多年平均引水過程

（2)上中游桃汛洪水進入小浪底水庫時間。根據內蒙古河段開河預報,2018年3月21日前后內蒙古河段全線開河,頭道拐水文站開河最大十日水量為7億m3。預計寧蒙河段開河桃汛洪峰3月下旬進入小浪底水庫,3月下旬至4月上旬小浪底水庫水位將有一個小幅回升過程。

（3)下游沿河及河口濕地、魚類生態用水需要。根據生態調查及監測結果,4—5月是黃河下游及河口地區植被發芽和魚類產卵、仔魚孵化期,是生態系統敏感期。在4月上中旬,通過塑造大流量過程,可以為灘區植被補充水分、為河口濕地補充淡水資源。在4月下旬塑造脈沖流量過程,可有效刺激魚類性腺成熟產卵,隨后塑造穩定流過程,營造并維持穩定水流和水域水草環境。

（4)關于實行黃河禁漁期制度的時段要求。2018年2月9日,農業農村部（原農業部)發布了《關于實行黃河禁漁期制度的通告》,明確要求黃河干流扎陵湖、鄂陵湖、東平湖等3個主要通江湖泊,渭河、大汶河等13條主要支流的干流河段自4月1日12時至6月30日12時進入禁漁期。

綜合考慮以上各方面因素,確定3月至6月為黃河下游生態調度期,其中4月至6月為生態用水關鍵期。

3.2 水源籌集分析

實施下游生態調度,水是關鍵。在黃河水緊缺的情況下,要保障生態調度用水,小浪底水庫需要在原調度計劃基礎上增加下泄水量,實施難度較大。為此,應采取多種有效措施提前預籌生態調度水源。

3.2.1 籌集方法

一是從汛期開始,滾動分析研判水情,在保證防汛安全的前提下,提前進行骨干水庫蓄水調度,盡可能多蓄水。2017年汛期黃河干流五大水庫（龍羊峽水庫、劉家峽水庫、萬家寨水庫、三門峽水庫、小浪底水庫)合計蓄水增量為105.51億m3。二是凌汛期精細調度干流的骨干水庫,在保障防凌安全和各?。▍^)按計劃用水的基礎上,盡量減少水庫下泄水量。凌汛期2017年11月至2018年3月上游水庫合計下泄水量比近十年平均少5.3億m3。三是加強用水管理。在年度調度計劃基礎上,每月根據來水和用水情況滾動編制逐月水量調度方案,科學分配各?。▍^)用水指標并加強管理。

3.2.2 水源分析

（1)來水預估。2017年11月至2018年2月,黃河流域主要來水區合計來水82.12億m3,較多年同期均值偏多16%。根據《2017年7月至2018年6月黃河可供耗水量分配及非汛期水量調度計劃》（簡稱《年度計劃》)和當時水情,預估3—6月潼關累計來水量49.92億m3,小花區間（小浪底至花園口區間)累計加水量約5.00億m3。

（2)用水量預估。2017年11月至2018年2月,黃河干流引黃九?。▍^)合計耗水量約35.06億m3,根據《年度計劃》,預計3—6月黃河下游用水量54.88億m3。2014—2018年3—6月黃河下游最大用水量為65 .37 億 m3。

（3)水庫調蓄預估。2018年3月1日,黃河干流五大水庫合計蓄水317.38億m3,比2017年同期多57.27億m3；小浪底水庫蓄水量為74.51億m3,比2017年同期多11.70億m3。到7月1日小浪底水庫按240 m水位控制,對應蓄水量為 20.79億 m3。因此,3—6月小浪底水庫補水為53.72億m3。

根據水庫調蓄預估、來水預估及用水量預估,生態調度期利津斷面合計入海水量最小約為37.63億m3,對應平均流量為360 m3/s,基本滿足生態水量調度水源要求。

3.3 下游河道水流演進分析

近年來,下游河道河勢變化較大,部分河段出現畸形河勢,相當一部分河道工程對水流的控導效果減弱,使較大流量過程的演進異常復雜,增加了生態調度的難度。水流演進計算及行洪能力分析采用以下兩種方案。

（1)下游生態調度方案數學模型演進計算。選擇西霞院壩址至利津斷面河段,采用現狀河道地形,考慮沿程引水過程及河損,開展多方案數學模型演進計算,給出沿程控制斷面流量演進過程,同時給出沿程典型斷面水位、水面寬等變化過程,模擬各河段流速、水深等水力因子變化情況。

（2)下游行洪能力維持與河勢控制流量需求分析。通過對黃河下游近期河勢情況、下游畸形河勢調整過程及機制的分析,建立河勢彎曲系數與流量級的相關關系,結合實體模型試驗研究結果,進行生態調度對現狀河勢調整的預估,提出生態調度預案的修改建議。

3.4 小浪底水庫調度方案

考慮小浪底水庫下泄后到達河口需7～10 d的傳播過程,根據生態調度原則,同時考慮下游及河口附近魚類產卵需要,初步擬定2018年3—6月各階段小浪底水庫泄流指標,其中4月10日左右擬塑造1 000 m3/s以上的脈沖流量過程。為保障達到生態調度指標要求,首先在逐月水量調度方案、生態調度期逐旬水量調度方案中考慮生態用水需求；其次,計劃4月中旬前開始加大小浪底水庫下泄流量,盡可能按照維持下游河道生態廊道功能及濕地生態流量指標下泄；最后,6月底小浪底水庫水位要降至汛限水位以下。

3.5 生態監測方案

下游生態監測涉及漁業、海洋、濕地等多部門,為提高監測評估的權威性,部分專業項目監測委托海洋、漁業等相關機構進行。主要采用遙感、地理信息系統與野外監測、固定場地監測等相結合的方式,對黃河下游及河口附近海域水文-生態過程開展同步監測,對其水文過程、水環境、地下水及其補給、魚類及棲息地、重要濕地及其水源補給等狀況進行實時跟蹤監測,并據此進行生態調度實施效果評估。

4 生態水量調度實施

4.1 水庫調度

（1)多水庫聯合調度。為保障黃河下游生態調度順利實施,聯合調度龍羊峽、劉家峽、萬家寨、小浪底等水庫,實施黃河水量調度年度、月、旬方案的協調管理,實現水庫泄流過程與?。▍^)用水過程的精準對接,在保障各?。▍^)按計劃用水的前提下,盡最大可能節約水資源；準確計算桃汛洪峰進入萬家寨、三門峽、小浪底水庫的時間,以及洪峰流量和最大十日洪量,精準確定萬家寨水庫和三門峽水庫預泄降低水位運用的時機；滾動演算小浪底水庫蓄水情況,保障按照不超過汛限水位應用。

（2)非汛期小浪底水庫調度。2017—2018年度黃河水情形勢相對較好,2018年3—6月為黃河下游生態調度期,小浪底水庫實際下泄流量過程見圖2。4月8—14日,小浪底下泄流量最大為1 550 m3/s,最小為1 190 m3/s,塑造了一定的脈沖流量過程,可以有效刺激魚類性腺成熟產卵。5月底到6月下旬塑造了穩定流量過程,營造并維持了穩定的水域生態環境。

圖2 2018年3—6月小浪底水庫實際下泄流量過程

（3)花園口、高村、利津斷面流量過程。2018年4—6月,黃河下游花園口、高村、利津斷面平均流量分別為1 598、1 417、1 030 m3/s,最小流量分別為 1 130、1 020、418 m3/s。汛期7—10月,根據上游來水情況,科學調控小浪底水庫水量,結合排沙防洪應用,塑造維持生態廊道功能的流量過程,花園口、高村斷面2 600～4 000 m3/s流量過程持續49 d,利津斷面最大流量達到3 570 m3/s。各斷面4—10月流量過程見圖3～圖5。

圖3 2018年4—10月花園口斷面流量過程

圖4 2018年4—10月高村斷面流量過程

4.2 用水管理

圖5 2018年4—10月利津斷面流量過程

加強骨干水庫精細調度和實時調度,在龍羊峽和劉家峽水庫下泄流量嚴格執行調度要求基礎上,通過水庫下泄流量與各?。▍^)用水過程的精準對接和強化用水管理等措施,為黃河下游生活、生產、生態用水等提供保證。

4.3 生態監測

采用水文水資源、水環境和水生態多專業復合技術,開展生態流量調度河段的監測與評估。開展黃河小浪底水庫逐日平均下泄流量和黃河下游西霞院、花園口、夾河灘、高村、濼口和利津斷面逐日平均流量分析,評估年度生態流量指標滿足程度。結合河流廊道生態功能要求,評估生態流量對河流廊道生態結構、功能的影響和修復情況,并對地下水的影響進行監測和評估。調查調度影響區的陸生生態環境,分析生態水量調度對重要濕地和鳥類棲息地生態環境的影響；調查黃河下游土著及河口洄游魚類生態環境變化情況,分析生態水量配置對重要魚類棲息地的影響。

5 生態水量調度效果分析

5.1 用水滿足程度

2018年引黃各省（區)用水基本未超過年度計劃分水指標,在滿足各省（區)計劃用水的基礎上,有力促進了下游河段主要斷面生態流量指標的實現。

5.2 下游河道沖淤情況

2018年汛期,經龍羊峽、劉家峽水庫聯合防洪運用以及三門峽、小浪底水庫防洪運用,下游各河段流量均未超過河道平灘流量。小浪底水庫實施泄洪排沙后,三門峽入庫沙量0.46億t,出庫沙量1.56億t,庫區沖刷1.10億t；小浪底水庫出庫沙量3.64億t,庫區沖刷2.08億t,排沙比238%,是運用時間最長、排沙量最大、排沙比最高、泄水含沙量最大的一次調沙過程。

5.3 生態流量指標滿足情況

2018年4—6月,黃河下游花園口、高村、利津斷面流量比《實施方案》中規定的各斷面最小流量分別大930、870、368～388 m3/s,滿足生態流量指標。 其中利津斷面有45 d流量大于1 000 m3/s,滿足了非汛期魚類棲息生境需水要求,促進了下游魚類生境的保護與修復。

進入汛期,黃河在上游來水量較大的有利條件下,通過生態水量調度,4—10月西霞院、花園口、夾河灘、高村、濼口、利津斷面大于2 600 m3/s的日均流量均在35 d以上,滿足了《實施方案》中各項生態流量指標,且成功塑造了下游河段生態廊道。

5.4 入海水量情況

據報汛資料初步統計,2018年4—6月累計入海水量為81.0億m3,比2017年同期多51.7億m3,比黃河水量統一調度以來平均入海水量多47.0億m3。2018年全年黃河入海水量達到334億m3,為統一調度以來最大水量,同時較2016年的81.43億m3、2017年的90.27億m3大大增加,在一定程度上控制了黃河下游及河口區域生態失衡狀況的發展。

5.5 汛后水庫蓄水

通過下游生態水量調度的實踐,2018年汛末,五大水庫合計蓄水量334.81億m3,可調節蓄水量為249.40億m3,比2017年同期多17.70億m3。其中,龍羊峽水庫蓄水量為245.61億m3,可調節蓄水量為192.18億m3,比2017年同期多35.93億m3。汛后水庫蓄水為非汛期沿黃各?。▍^)的生活、生產、生態用水提供了充足的儲備水源。

5.6 生態效果監測

（1)黃河三角洲濕地恢復區生態補水及陸生生境效果監測。2018年下游生態水量調度向自然保護區濕地補水共計4 200萬m3,使三角洲淡水濕地面積得到進一步擴大,比2017年的濕地面積提高了10.7%,濕地生境條件得到進一步恢復。同時,濕地生態恢復區內植被種數略有增加；植被高度、生物量持續增加；植被群落呈正向演替,陸域生態環境持續改善。

2018年遙感影像解譯結果表明,經過黃河汛前及汛期大流量下泄過程,下游河流水面總面積由年初的3.15萬hm2增加至最大4.71萬hm2,有效維持并改善了下游河道生態廊道功能。

（2)水生生態效果監測。根據2018年4—6月鞏義及利津河段水生態調查結果,黃河下游生態水量調度有效調節并改善了魚類棲息地部分生境條件,魚類適宜棲息地范圍顯著擴大,魚類種群結構及多樣性指數相較2010年有所提高,并為產漂流性卵魚類的繁殖提供了可能。根據黃河近海水域河海交互區生態系統調查結果,2018年近海水域浮游生物數量密度比2016年顯著增大。對魚卵仔稚魚的調查表明,8月仔稚魚顯著增加,且刁口河及黃河入?？谧兄婶~數量明顯大于其他海域的。

（3)地下水跟蹤監測與評估。根據地下水監測數據推算,2018年地下水資源得到進一步補充,補給約31億m3,比2017年增加4億m3,下游兩岸濕地地下水位穩定。

6 問題與展望

6.1 存在的問題

（1)黃河生態用水保障壓力巨大。近年來,黃河水資源量呈現不斷衰減的趨勢。在流域現有水資源和用水情景及調度原則下,實施生態調度存在多方面制約,特別是在遭遇枯水年甚至特枯水年情況下,協調和保障生態用水壓力巨大。

（2)生態流量基礎研究不足,與實際生態調度管理適應性亟待提高。對生態流量概念和內涵認識不統一,相關技術標準不一致,計算方法繁多且結果差異大,對流域水資源變化的生態響應關系、生態流量指標適應性等研究不夠系統,亟待開展與匱乏的黃河水資源相適應的生態指標調控和管理研究工作。

（3)生態流量管理缺乏相關法規政策、工作機制支撐?！端ā贰端廴痉乐畏ā范济鞔_提出水資源開發利用時應充分考慮生態環境用水需求,《黃河水量調度條例》也要求盡可能保障河道生態用水,但受河流生態環境用水及生態流量要求不具體等情況困擾,生態流量目標管理可操作性不強,保障生態流量的管理程序、監控監管難以落實。

（4)生態監測基礎薄弱,亟待建立長效監測機制。一方面,現階段由于沒有穩定的經費渠道和工作要求,因此未形成長效監測工作機制,缺乏連續監測結果和相關研究資料；另一方面,黃河下游生態監測涉及多部門,有關單位和部門尚未建立穩定有效的信息共享渠道和機制。此外,農業農村部（原農業部)規定休漁期間禁止一切捕撈活動（含科研),這影響了近海生態調查工作的深入。

6.2 展 望

我國生態水量調度尚處于起步階段,目前對于黃河生態水量調度的實踐探索仍在逐步深入,需要在總結實踐經驗的基礎上進一步完善。

（1)將生態水量保障情況、生態流量要求納入考核體系。在現有水量和社會經濟用水條件下,將生態水量保障情況納入最嚴格水資源管理制度和河長制、湖長制督導考核體系,以提高黃河水資源利用和生態用水保障水平。同時,全面總結推廣黃河下游生態水量調度實踐經驗,根據流域不同河段生態保護目標要求,將生態流量要求納入黃河水資源配置與調度中,推進更大范圍的生態調度工作。

（2)深化生態流量及功能性不斷流研究,不斷提升科技支撐能力。借助此次下游生態水量調度實踐契機,進一步深化對黃河生態流量問題的針對性和適應性研究。加強黃河功能性不斷流研究,深入探索資源性缺水流域水量和生態流量調度及管控模式。

（4)加強生態流量調度效果監測和評估,優化生態流量管理與調度。根據生態流量管理需要,建立健全河流生態流量監測信息化平臺,實現監測數據實時報送,提升生態流量監測的自動化水平和信息化水平。進一步加強水生態調查監測和效果評估,不斷校驗生態流量指標和生態調度方案的科學性。

（5)加快工程建設,為生態調度提供工程調控能力保障。針對黃河流域現狀及未來突出的水資源供需矛盾和由此導致的流域經濟社會、生態環境約束問題,加快推進南水北調西線調水工程前期工作,同時推進黃河上中游黑山峽、古賢等骨干水資源調控工程前期工作,努力提升黃河水資源承載基礎,從而強化流域生態用水保障能力。