長江流域上游梯級電站生態調度研究現狀

吉小盼，譚 平，劉 園，傅 嘉，王天野

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

長江是我國第一大河，水能資源豐富，主要分布在上游地區。據不完全統計，長江干支流水能理論蘊藏量為2.68億kW，技術可開發量為1.97億kW，占全國水能可開發量的53.4%；宜昌以上的上游地區蘊藏量約占流域的80%，可開發的水能資源則占全流域的87%，是“西電東送”的主要產電區。目前，長江上游干支流水電梯級開發處于活躍期，陸續建成投產了多個梯級電站，其中不乏調節能力較強的控制性工程，它們主要通過蓄洪補枯的方式調節利用河流水資源，發揮著防洪、發電等社會服務功能。

長江上游梯級水電開發在促進我國社會經濟快速發展的同時，也產生了一些生態環境問題，引起社會各界廣泛關注，同時也成為學術界的研究焦點。如何減輕或消除梯級電站對河流生態的負面影響是一個復雜的系統問題，已有研究和實踐表明，通過優化電站運行調度方式，將其影響河段的生態需求納入其中，與電站的防洪、發電等社會服務功能統籌協調，是減輕電站運行對河流生態影響的重要措施之一，這種兼顧河流生態需求的調度方式被稱為“生態調度”。

我國從20世紀80年代開始開展生態調度的相關研究，早期的研究主要針對工程下游河段生態需水及水庫水溫分層對河流生態的負面影響等。進入21世紀，研究主題開始逐漸轉向水庫生態調度和水體營養物削減之間的相互影響[1]，針對黃河“中水河槽萎縮、過流量降低”等問題開展的“調水調沙”生態調度研究[2]，圍繞水生生態保護的三峽水庫生態調度研究[3]，水庫生態調度模型和水庫群生態調度模型的構建及多目標優化計算等方面，生態調度相關研究的廣度和深度得以不斷拓展。與此同時，有關水電建設環境保護的管理要求也不斷提高，國家相繼出臺多項規范性文件強調生態調度，而國家生態環境主管部門在批復水電規劃環評或項目環評時也開始明確提出生態調度研究及實施要求。

當前，隨著我國生態文明建設持續推進，長江經濟帶高質量發展要求不斷明晰，長江流域經濟發展進入新的歷史時期。為了加強長江流域生態環境保護和修復，促進資源合理高效利用，保障生態安全，實現人與自然和諧共生、中華民族永續發展，我國首次針對某一流域專門制定了法律——《中華人民共和國長江保護法》。在長江流域水資源保護方面，該法明確提出了“長江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水電、航運樞紐等工程應當將生態用水調度納入日常運行調度規程，建立常規生態調度機制，保證河湖生態流量”和“對魚類等水生生物洄游產生阻隔的涉水工程應當結合實際采取建設過魚設施、河湖連通、生態調度、灌江納苗、基因保存、增殖放流、人工繁育等多種措施，充分滿足水生生物的生態需求”的要求。至此，“生態調度”一詞首次在我國以法律的形式登上歷史舞臺。這一規定意味著今后在長江流域建立和實行生態調度機制有了法律保障，同時也對開展生態調度研究和制定生態調度方案提出了更高要求。

長江上游干流及其重要支流上的水利水電、航運樞紐等工程均具有重要的社會服務功能，但其開發任務當中大多不包括生態保護，因此，兼顧生態需求的工程運行調度方式勢必會影響其自身社會服務功能的發揮。生態調度作為保障長江流域生態用水的重要手段，需要在保護長江生態和發揮工程社會服務功能之間尋找最佳契合點，并且，生態調度也具有一定地域性和流域性，需要結合區域或流域實際情況開展研究和組織實施，這其中涉及一系列復雜的科學、技術和管理問題。為切實貫徹《長江保護法》有關要求，積極推進長江流域生態調度機制建設及運行，本文通過分析和總結長江流域上游梯級電站生態調度研究現狀，探討了現有研究存在的不足及今后需要加強的研究重點，以期為后續更好開展長江流域上游生態調度工作提供有益的建議。

1 研究現狀

目前，有關長江流域上游的生態調度研究主要集中在干流河段，其中多數是針對三峽工程開展的，其他少數研究主要針對金沙江下游梯級電站開展，除此之外，長江上游干流的其他梯級電站均尚未開展生態調度研究。長江上游重要支流的生態調度研究較少，比較典型的有雅礱江下游梯級電站聯合運行生態調度研究。

1.1 三峽工程生態調度

三峽工程生態調度研究始于21世紀初，至今仍是研究者們重點關注的熱點問題。近20年，相關研究和實踐主要著眼于改善壩下江段魚類產卵條件和防控庫區支流水華等方面。

改善三峽工程壩下江段魚類產卵條件的生態調度研究大致可以分為生態調度模型構建及優化計算、生態調度試驗兩大類。在生態調度模型構建及優化計算方面，盧有麟等[4]通過分析發電效益與生態效益之間的制約競爭關系，以發電量最大和生態缺水量最小為目標建立了梯級電站多目標生態優化調度模型，并提出一種改進多目標差分進化算法對模型進行高效求解，又以三峽梯級樞紐(指三峽工程和葛洲壩工程，下同)為例，采用Tennant法求得宜昌站生態需水量，進而開展了三峽梯級樞紐多目標生態優化調度的實例應用。王學敏等[5]將基于逐月頻率計算法、長江流域相關生態要素確定的宜昌站適宜生態流量作為生態效益評價標準，構建了三峽梯級樞紐生態友好型多目標發電優化調度模型，提出一種包含外部種群的雙種群多目標差分進化算法，并通過“精英選擇”和“混沌遷移”機制實現2個種群間的信息交換，提高了算法的多目標優化性能，使模型能夠在較短計算時間內獲得多個符合生態效益評價標準、分布均勻、收斂性較好的非劣調度方案，從而為制定合理的調度方案提供了科學的決策依據。王煜等[6-7]針對三峽-葛洲壩運行對中華鱘產卵繁殖的影響提出優化中華鱘產卵期(10—11月)產卵生境的水庫調度模型，經優化計算得出的生態調度方案可在葛洲壩水電站僅損失0.15%發電量的同時使壩下中華鱘產卵場適合度增加39%，在此基礎上，進一步研究認為梯級水庫聯合生態調度可在滿足三峽水庫常規調度目標的基礎上同時滿足中華鱘產卵所需的生態流量，配合葛洲壩電廠優化調度運行方式，可有效增加壩下中華鱘產卵場水動力環境產卵適合度，補償梯級水庫運行對中華鱘產卵生境造成的不利影響。在生態調度試驗方面，紐新強等[8]最早于2006年對三峽工程生態調度若干問題進行了初步探索，在總結三峽工程前期有關研究的基礎上，探討了利用三峽水庫汛前騰空調節庫容的調度方式改善長江中游四大家魚產卵條件的可能，首次提出有利于四大家魚產卵的調度設想。2008年，水利部中國科學院水工程生態研究所在針對四大家魚自然繁殖需求的三峽工程生態調度方案前期研究的基礎上，進一步研究提出促進四大家魚自然繁殖的三峽工程生態調度方案建議：在5月中旬至6月下旬宜昌水溫達到18℃以上時，適時開展生態調度試驗，三峽水庫通過加大下泄流量，使葛洲壩下游河道產生明顯的漲水過程，將宜昌站流量1.1萬m3/s作為起始調度流量，在6 d內增加8 000 m3/s，最終達到1.9萬m3/s，調度時保持水位持續上漲，水位平均日漲率不低于0.4 m。2011年，三峽工程首次啟動促進長江中游四大家魚產卵的生態調度試驗；據不完全統計，2011—2018年三峽工程已先后開展生態調度試驗12次，2017年5月首次啟動溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯合生態調度試驗。歷次生態調度試驗期間，有關單位同步開展了魚類早期資源監測，并對生態調度試驗效果進行評估。相關研究[9-12]表明，三峽水庫在2013—2017年的5—7月的漲水過程能夠在一定程度上滿足監利江段四大家魚繁殖所需的水文需求，當監利江段漲水過程持續時間為4 d及以上，流量增長率為每天1 600～2 833 m3/s時，家魚卵苗發生量較大，可占年總規模的45%以上；三峽水庫在2011—2018年期間連續實施生態調度對近年來長江中游四大家魚的種群恢復起到了一定作用。

此外，還有研究[12]認為，三峽水庫在2018—2019年5—7月實施的生態調度對監利江段鳊、銀鮈等魚類的自然繁殖有明顯促進作用。徐薇等[11]采用系統重構的方法分析了四大家魚自然繁殖的關鍵生態水文要素，提出了宜昌江段漲水過程的生態調度優化條件，包括初始流量達到1.4萬m3/s，持續漲水4 d以上，水位日漲幅平均大于0.5 m，流量日增幅平均大于2 000 m3/s，與前一次洪峰的間隔時間在5 d以上。

除了針對三峽工程生態調度模型構建及優化計算和生態調度試驗研究以外，還有一些學者單純開展了生態調度目標研究，其主要表現形式為生態水文目標。例如：郭文獻等[13]采用生態水文學法中的逐月頻率法量化了三峽水庫下泄環境流調度目標，并根據Shelford耐受性定律和IHA-RVA法基本原理量化分析了中華鱘產卵期和四大家魚產卵期的生態水文目標；李翀等[14]基于其1900—2004年的日徑流資料，采用IHA-RVA法分析每年5—6月漲水過程數、總漲水日數、平均每次漲水過程日數等3項生態水文指標，得出將長江中游每年5—6月的總漲水日維持在(22.1±7.2)d范圍內作為生態水文目標的結論，并認為可從生態流量方面補償三峽工程對長江中游四大家魚魚苗發江量的影響。有學者研究了長江中游中華鱘產卵場的水流條件、水文狀況及其與魚類繁殖活動的關系，為進一步開展針對中華鱘產卵繁殖的生態調度提供了重要參考[15-17]。

三峽工程生態調度研究涉及的另一個主要方面為防控庫區支流水華，劉德富等[18-19]在深入研究三峽水庫干支流水動力特征及其環境效應、支流庫灣水華機理的基礎上，從水華形成機理出發，結合“臨界層理論”和“中度擾動理論”，提出了防控支流水華的三峽水庫“潮汐式”生態調度方法，即通過水庫短時間的水位抬升和下降實現對生境的適度擾動、增大干支流間的水體交換、破壞庫灣水體分層狀態、增大支流泥沙含量等機制來抑制藻類水華，包括春季“潮汐式”調度方法、夏季“潮汐式”調度方法和秋季“提前分期蓄水”調度方法。該調度方法提出后，三峽水庫自2009年開始每年在預計水華發生期開展試驗性調度，以嘗試抑制支流水華的發生。根據試驗性調度期間的監測結果，水華爆發程度明顯低于2007年、2008年等未開展試驗性調度年份的同時期水華。劉晉高等[20]以水位、水位變頻、水位變幅為水華預測模型的輸入量，水體中的葉綠素濃度為預測輸出量，采用BP神經網絡構建了水華預測模型；將水華預測模型嵌入到水庫調度模型中，以水體中的葉綠素為約束構建了防控支流水華的生態調度模型，并以離散型動態規劃法對調度模型進行求解，得出三峽水庫開展生態調度在保證整體經濟效益不虧損的情況下能有效控制支流極端水華暴發的結果。

1.2 金沙江下游梯級電站生態調度

金沙江下游河段是長江流域水能資源最富集的河段，自上而下依次規劃有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座巨型梯級電站。溪洛渡和向家壩水電站是規劃開發的第一期工程，裝機容量分別為1 260萬kW和600萬kW，已相繼于2013年、2012年投產發電。有關金沙江下游梯級電站的生態調度研究最早開始于2012年，由中國水利水電建設工程咨詢有限公司聯合中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司組織開展。該研究通過大量基礎調查和研究，確定了金沙江下游生態保護目標，采用包括生態水力學法、生境分析法、生態水文分析法在內的多種方法研究量化了生態保護目標需求，結合彼時的開發情況及外部環境條件，研究形成金沙江下游一期工程(溪洛渡和向家壩)生態調度與監測方案，并提出了溪洛渡、向家壩水電站聯合運行生態調度試驗方案。在此基礎上，中國長江三峽集團有限公司于2017年5月首次啟動溪洛渡、向家壩聯合生態調度試驗，并同步開展了監測和評估；其中，溪洛渡生態調度方案主要為通過機組疊梁門進行分層取水，從而調節機組出水口水溫，為電站下游河道魚類產卵創造合適的溫度條件，向家壩生態調度方案主要為通過調節向家壩電站出力，人為制造出2次出庫流量持續增加的水文過程，提供魚類產卵所需的流量過程和水溫條件。任玉峰等[21]研究了此次生態調度試驗對下游魚類產卵、梯級電站調峰、水庫防洪等的影響，認為向家壩下游河段魚類產卵受到生態調度刺激作用，在調度期間出現了魚類產卵高峰(宜賓斷面監測魚卵總量約0.1億粒，江津斷面監測魚卵總量約1億粒)；生態調度試驗對梯級電站運行出力及調峰存在影響，尤其對向家壩調峰影響較大；鑒于生態調度試驗期間正值汛前水庫水位消落的關鍵期，調度試驗對庫區水位消落速度的限制不利于汛期水庫防洪調度。

在生態調度模型構建與優化計算方面，龍凡等[22]利用年內布展法和改進FDC法計算了最小生態流量和適宜生態流量，設置了4種約束方案(工程規劃約束，年內布展法計算的最小生態流量約束，改進FDC法計算的最小生態流量約束，改進FDC法計算的適宜生態流量約束)，并對建立的溪洛渡-向家壩生態調度模型進行求解，結果表明，當設置最小生態流量約束時，各典型年的發電量基本都能達到最大值，當設置適宜生態流量約束時，各典型年的發電量都有所減少。蔡卓森等[23]采用RVA法量化下游河道適宜生態流量，建立了以調度期內發電量最大和下游河道適宜生態流量改變度最小為目標的梯級水庫群多目標優化調度模型，并以NSGA算法對模型進行求解，以典型豐水年、平水年、枯水年溪洛渡的入庫流量進行優化調度計算，得出了適宜生態流量改變度與發電損耗的關系。李力等[24]基于逐月最小生態徑流計算法確定河流最小生態流量，以河流生態需水滿足度最大和梯級發電量最大為目標建立多目標優化調度模型，并采用改進NSGA-Ⅱ算法對模型進行求解，研究認為烏東德、白鶴灘投產運行將會導致蓄水期下游河流生態缺水情況更加嚴峻，通過優化梯級水庫運行方式、適當提前蓄水可提高下游河流生態需水滿足度，緩解梯級發電效益與生態效益之間的競爭關系。

1.3 雅礱江下游梯級電站生態調度

雅礱江是長江上游重要的一級支流，水能資源豐富，是中國13大水電基地之一。據不完全統計，雅礱江流域干支流水能資源理論蘊藏量3 840萬kW，技術可開發量3 466萬kW；其中，干流的水能理論蘊藏量達到2 182萬kW，占全水系的56.8%，主要處于中下游江段。

有關雅礱江下游的生態調度研究不多，最早開始于2009年，梅亞東等[25]針對雅礱江下游梯級電站開展過生態友好型優化調度研究，該研究考慮錦屏二級減水河段和二灘水電站壩下河段生態流量方案，建立了以梯級電站發電量最大為目標的長期優化調度模型，定義并計算了生態需水電能損失指標，比較分析了考慮錦屏二級減水河段和二灘水電站生態流量方案對發電量的影響，認為二灘水電站下泄生態流量方案若維持天然徑流模式，將限制水庫調節能力和減水梯級電站發電效益。

2012年隨著雅礱江干流下游水電開發快速推進，為落實“在做好生態保護的前提下積極發展水電”的科學發展理念，推動雅礱江流域盡快實施梯級電站生態調度，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司開展了雅礱江流域梯級電站聯合運行生態調度研究。該研究通過大量基礎調查和研究，重點考慮水生生態及景觀的需求，從滿足水量、水文過程、水溫的角度，確定了相關電站的下泄生態流量方案和疊梁門運行方案；構建了一種研究發電和生態綜合目標優化調度的流程方法，并應用該流程方法建立了雅礱江下游包括錦屏一級和二灘水電站兩庫五級的梯級聯合優化調度數學模型，采用逐步優化算法(POA算法)對模型進行求解，對多個考慮生態需水和水溫需求的多目標調度方案進行優化計算和綜合效益比選分析，最終推薦了雅礱江下游梯級電站聯合運行綜合效益最大的生態調度方案。

2 現有研究有關問題探討

長期以來，有關單位及廣大研究人員針對長江流域上游梯級電站生態調度開展了大量研究，在通過改善梯級電站運行調度方式減輕或消除水電開發對河流生態環境的影響方面進行了卓有成效的探索，為今后更好開展長江流域生態調度研究積累了大量理論基礎和重要技術參考，但從貫徹落實長江保護法有關要求，建立常規生態調度機制的角度來看，現有研究尚顯不足，針對長江干流及其重要支流的梯級電站生態調度還有很大的研究空間。

a.確定生態調度目標是生態調度研究的關鍵問題之一，這其中包括生態保護目標的選擇及對其需求的確定，生態調度目標確定的合理與否，直接關系到生態調度方案的合理性及生態調度作用發揮。結合長江上游生態調度研究現狀來看，現有研究在確定生態調度目標方面存在單一化和偏經驗化的問題。例如，多數研究僅選擇個別的代表魚類作為生態保護目標，并且在確定其需求時僅考慮了產卵期的需求，這對于長江流域豐富的生物多樣性及魚類資源來說，必然有一定局限性，今后的研究在這點上有待進一步加強和完善。再如，多數研究在確定魚類繁殖期所需的水文過程方面采用偏經驗類的水文學法，對生態因素的考慮有所欠缺，缺乏對相關生態需求機理的認識，這在某種程度上會影響正確研究結論的得出，從而最終影響生態調度作用的有效發揮，在這點上，有關三峽水庫防控支流水華生態調度方法的研究是一個值得借鑒的范例[18-19]。另一方面，除三峽工程外，現有研究均只重點關注了工程下游河段，而缺少對庫區生態環境問題及其調度需求的研究，這也是后續需要重點研究的方面。

b.生態調度模型研究和生態調度試驗研究屬于2個可以相得益彰的研究手段，但從目前的研究來看，兩者之間缺乏有效的互動，這對最終形成科學合理的多目標協同生態調度方案構成制約。目前的生態調度模型更多側重于多目標優化計算，而在確定和優化計算邊界條件方面與工程實際聯系不足，包括對生態調度目標及其他各種約束條件的合理確定，從而影響模型研究成果在工程原型上驗證的可能性；而目前的生態調度試驗主要采用方案制定—監測實施—效果評價—信息反饋的模式，這種模式在某種特定條件下不失為一種尋求有效生態調度方案的選擇，但當生態調度目標與工程的其他調度目標存在明顯沖突時卻很難被借鑒。因此，建議后續加強行業指導推動各方深入合作，統籌工程運行調度各方面需求，聚焦多目標綜合調度存在的矛盾沖突，有針對性的深化生態調度模型研究和生態調度管理制度研究，以促進生態調度模型研究與生態調度試驗的有效互動，建立生態調度模型研究-生態調度原型試驗互饋模式，形成更加科學合理的多目標協同生態調度方案。此外，生態調度模型研究的終極目標是能構建一套全方位快速支持決策系統，通過與水文預報系統的銜接，可將實時水情條件下若干種生態調度方案運用后的情景準確地展現出來，以便于決策者做出合理決定，為實現這一目標，今后需要在生態調度模型定量化、智能化及仿真技術方面加強研究[26]。

c.現有生態調度研究主要集中在三峽工程，對同樣位于長江上游干流的烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等巨型工程及其他工程的研究偏少或者尚無研究；有關重要支流的生態調度研究也偏少，目前僅雅礱江下游開展了梯級電站聯合運行生態調度研究，岷江的一級支流大渡河正在開展生態調度研究，岷江干流及其他重要支流(嘉陵江、烏江等)均尚未開展生態調度研究。從長江上游水電格局及開發河段生態環境特點來看，已有研究涉及的水電開發河段范圍偏小，關注的梯級電站偏少，未能全部覆蓋所有受工程影響的敏感河段，尚不足以支撐梯級電站生態調度在推動長江大保護方面作出應有貢獻。今后需在長江上游干流及其重要支流進一步擴大生態調度研究范圍，包括相關控制性工程和外環境敏感的其他梯級，以便為后續實現長江流域上游乃至全流域水庫群聯合生態調度提供必要支撐。

d.有關研究顯示氣候變化對我國淮河及其以南的江河徑流影響較大[27]，而江河水情的極端化分布將對梯級電站生態調度帶來挑戰。陳曉宏等[28]以瀾滄江梯級電站為例研究了氣候變化對發電和生態調度的影響，以及發電目標和生態目標間協調關系對氣候變化的響應，認為氣候變化導致的水文變率增強可加劇發電與生態效益間的沖突，導致保持現有發電效益的同時增大對河道生態的影響。秦鵬程等[29]預估了氣候變化對長江上游徑流的影響，結果顯示，長江上游徑流年內分布的均勻性有所增加，但年際變化明顯增大，極端旱澇事件的頻率和強度明顯增加；金沙江和岷沱江流域年徑流量、年際變化和年內分布變化小，對氣候變化響應的敏感度較低，而嘉陵江流域、烏江流域和長江上游干流徑流增加幅度大，同時極端豐枯出現的頻率和程度增加顯著，是氣候變化響應的敏感區域。對此，為避免基于歷史資料的確定性生態調度在指導未來的水庫生態調度工作中出現謬誤，筆者認為在后續研究中有必要加強氣候變化對長江上游梯級電站生態調度的影響研究。

e.建立常規生態調度機制不可避免會產生利益沖突，尤其對于涉及不同建設單位的梯級電站聯合生態調度，其管理問題具有很大的不確定性；目前尚缺少針對生態調度相關管理問題的研究，對科學建立和推動常規生態調度機制不利。對此，筆者認為后續應加強包括生態補償在內的調度管理制度研究。

3 研究展望

長江流域上游水能資源富集，規劃建設的梯級電站在促進我國經濟社會快速發展的同時，也產生了一些生態環境問題。生態調度作為減輕工程運行對河流生態影響的重要措施之一，受到社會各界高度關注，隨著長江保護法的頒布實施，更是將長江流域生態調度提升至新高度。筆者立足長江流域上游河段，通過分析和總結長江流域上游梯級電站生態調度研究現狀，探討了現有研究在研究的廣度、水電開發相關生態問題形成機理、生態調度模型與生態調度試驗互動、氣候變化對梯級電站生態調度的影響等方面存在的不足，從著力推動建立行之有效的長江流域上游常規生態調度機制的角度出發，提出了今后應進一步加強的研究重點，主要包括以下幾個方面：

a.在長江上游干流及其重要支流進一步擴大生態調度研究范圍，包括相關控制性工程和外環境敏感的其他梯級電站。

b.加強水電開發相關生態問題形成機理研究，以確定更加合理的多元化生態調度目標。

c.加強生態調度模型定量化、智能化及仿真技術方面研究及其與工程實際的聯系，建立生態調度模型研究-生態調度原型試驗互饋模式，構建生態調度全方位快速支持決策系統。

d.開展氣候變化對長江流域上游梯級電站生態調度的影響研究。

e.從相關生態問題形成機理、生態調度模型與工程實際之間的聯系，以及氣候變化對于生態調度的影響等方面出發，形成更為具體科學且具有針對性的生態調度方案。

f.開展生態調度管理制度研究。