劉瑞芬 ，裴中平 ，劉德富

（1.河湖生態(tài)修復(fù)與藻類(lèi)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；3.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

長(zhǎng)江流域水資源稟賦良好，水資源總量9.958×1011m3，占全國(guó)水資源總量的35%。長(zhǎng)江水能資源豐富，理論蘊(yùn)藏量3.05×105MW、年電量2.67×1012kW·h，約占全國(guó)40%，其中技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量2.81×105MW，年電量1.30×108kW ·h，分別占全國(guó)的47%和48%。長(zhǎng)江宜昌以上為上游，集水面積約1×106km2，長(zhǎng)江上游地區(qū)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量為2.44×105MW，占全流域的87%?！堕L(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃（2012-2030年）》[1]在長(zhǎng)江上游干支流布局了一批控制性水利水電工程，將根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展逐步實(shí)施。截至目前，長(zhǎng)江上游地區(qū)投入運(yùn)用且總庫(kù)容1×108km3以上的水庫(kù)近80座，總興利庫(kù)容超6×1010km3，防洪庫(kù)容約3.8×1010km3；預(yù)計(jì)在2030年前后，長(zhǎng)江上游干支流水庫(kù)總調(diào)節(jié)庫(kù)容會(huì)超過(guò)1×1011km3[2]。

目前已建成或具備運(yùn)行條件的控制性水利水電工程有：金沙江梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩⒂^音巖、溪洛渡、向家壩；雅礱江錦屏一級(jí)、二灘；岷江紫坪鋪、大渡河瀑布溝；嘉陵江碧口、寶珠寺、亭子口，草街；構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水；長(zhǎng)江干流三峽等。在建和擬建的控制性水利水電工程主要包括烏東德、白鶴灘；雅礱江兩河口；大渡河雙江口、金川、猴子巖、大崗山；岷江干流十里鋪等。遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)的大型水電站主要包括金沙江虎跳峽河段梯級(jí)和大渡河下?tīng)栠鹊?。長(zhǎng)江上游控制性水庫(kù)分布見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)江上游控制性水庫(kù)分布示意圖Fig.1 A schematic diagram of controlled reservoir distribution in the upper reaches of the Yangtze River

長(zhǎng)江流域干支流梯級(jí)水庫(kù)群形成后，將在長(zhǎng)江流域防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源配置、水生態(tài)與水環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮巨大的作用。然而，大型水利工程的建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響亦十分深遠(yuǎn)和復(fù)雜，比如工程建設(shè)本身會(huì)帶來(lái)新的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，但工程運(yùn)行調(diào)度亦可緩解原本存在的一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。生態(tài)調(diào)度是控制性水利工程綜合調(diào)度的應(yīng)有之義，是工程群安全、健康、高效運(yùn)行的重要保障，是拓展樞紐工程綜合效益的客觀要求，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江大保護(hù)的重要手段。在當(dāng)前推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)的時(shí)代背景下，開(kāi)展長(zhǎng)江上游水庫(kù)群水環(huán)境保護(hù)聯(lián)合調(diào)度研究非常必要，并且意義重大、影響深遠(yuǎn)。

2 上游水庫(kù)群對(duì)水環(huán)境的影響分析

2.1 水庫(kù)運(yùn)用改變了中下游水文泥沙情勢(shì)

長(zhǎng)江上游水庫(kù)多為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，對(duì)中下游河道水文情勢(shì)的影響表現(xiàn)為改變了河流水量的年內(nèi)分配過(guò)程，流量過(guò)程線趨于平坦化，原有洪高枯低的水文節(jié)律被破壞。研究表明，格倫峽水庫(kù)運(yùn)用后科羅拉多河下游十年一遇洪峰流量減小75%[3]。由于水庫(kù)攔截泥沙，加上上游水土保持和主要產(chǎn)沙區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)降低，2003年以后，中下游泥沙來(lái)源減少88.1%[4]。

2.2 水庫(kù)運(yùn)用改變了中下游營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通量

伴隨著水文情勢(shì)和泥沙情勢(shì)的變化，中下游物質(zhì)通量也發(fā)生了較大變化，特別是總磷指標(biāo)。研究結(jié)果表明，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，長(zhǎng)江中下游總磷通量下降幅度達(dá)到95%，顆粒態(tài)磷通量減少幅度達(dá)到83%[5]。由于長(zhǎng)江中總氮的主要成分是硝酸鹽氮，易溶于水，上游水庫(kù)群運(yùn)行對(duì)總氮通量的影響并不大，從而導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游氮磷比顯著增加，進(jìn)而會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組成造成影響。

2.3 水庫(kù)群運(yùn)用改變了中下游水溫過(guò)程

相關(guān)研究表明，葛洲壩和三峽水庫(kù)對(duì)下游河段有“滯溫”和“滯冷”影響[6]，且影響程度取決于水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)庫(kù)容越大，水庫(kù)對(duì)下游河道水溫的影響越明顯，且影響顯著的階段主要發(fā)生在氣溫發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變的季節(jié)。水溫是影響魚(yú)類(lèi)棲息地環(huán)境的一個(gè)重要因子，直接影響魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵繁殖和新陳代謝[7]。

2.4 水庫(kù)群應(yīng)用改變了下游排污口污染帶分布

排污口污染帶的分布與河流的河道形態(tài)、水流結(jié)構(gòu)息息相關(guān)[8]。一般而言，排污口論證時(shí)采用90%保證率最枯月均流量或近十年最枯月均流量作為設(shè)計(jì)水文條件。水庫(kù)群運(yùn)行后，會(huì)顯著改變枯水期的流量過(guò)程，對(duì)排污口附近的污染帶范圍產(chǎn)生影響，由此對(duì)取、排水口的布局產(chǎn)生新的科學(xué)問(wèn)題。

2.5 水庫(kù)群應(yīng)用可能會(huì)進(jìn)一步阻斷兩湖與長(zhǎng)江的聯(lián)系

上游水庫(kù)群聯(lián)合應(yīng)用，使中下游泥沙減少，清水下泄導(dǎo)致長(zhǎng)江干流河床沖刷，洞庭湖三水（松滋河、藕池河、虎渡河）河道進(jìn)水口高程過(guò)高，長(zhǎng)江中下游荊江三口分流分沙銳減，導(dǎo)致三口河道斷流情況加劇，并呈現(xiàn)三口（松滋口、太平口、藕池口）口門(mén)趨于淤積，藕池河和虎渡河逐漸走向衰亡的局面[9]。鄱陽(yáng)湖湖口水位降低，湖內(nèi)水量加速向長(zhǎng)江干流傾瀉，湖區(qū)枯水一條線的情形加劇。

3 當(dāng)前研究存在的主要問(wèn)題

3.1 缺乏新水-沙-質(zhì)條件下的生態(tài)空間質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)手段

上游水庫(kù)群蓄水運(yùn)行改變了長(zhǎng)江流域的水文、泥沙、生態(tài)環(huán)境條件，對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)、下游河道及通江湖泊生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，目前缺少系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系和影響評(píng)價(jià)技術(shù)體系。

3.2 水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行后產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)沒(méi)有系統(tǒng)性診斷

長(zhǎng)江中下游通江湖泊、支流河口水文泥沙情勢(shì)改變，營(yíng)養(yǎng)鹽通量發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況下降，長(zhǎng)江中華鱘、四大家魚(yú)、江豚等重要生物的繁殖和生存條件發(fā)生變化，產(chǎn)出了物種生存危機(jī)的信號(hào)。

3.3 水庫(kù)群“滯溫”和“滯冷”現(xiàn)象改變了流域水生態(tài)系統(tǒng)原有的水溫節(jié)律

大型水庫(kù)往往存在夏秋季低溫水下泄和冬春季溫水下泄的現(xiàn)象，破壞了水生生物水溫節(jié)律，從而對(duì)下游水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，但目前對(duì)“滯溫”和“滯冷”問(wèn)題的系統(tǒng)研究十分匱乏。

3.4 水文情勢(shì)變化對(duì)原有取水口、排污口分布格局提出挑戰(zhàn)

長(zhǎng)江流域取水口、排污口犬牙交錯(cuò)，水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度以后，水文情勢(shì)發(fā)生了全局性變化，引起水庫(kù)庫(kù)區(qū)及下游排污口岸邊污染帶時(shí)空分布發(fā)生變化，對(duì)取水口、排污口布局產(chǎn)生影響，對(duì)供水安全構(gòu)成較高風(fēng)險(xiǎn)。新的工程條件下取水口、排污口如何優(yōu)化布局還缺乏有效的規(guī)劃手段。

3.5 “兩湖”濕地生境功能性萎縮

隨著上游水庫(kù)群蓄水?dāng)r沙作用逐漸凸顯，長(zhǎng)江中下游河道下切，同流量條件下水位下降，“兩湖”湖口控制水位降低，使“兩湖”水面有所減少，“一大片”逐漸退化成“一條線”，洲灘濕地資源趨于萎縮，水生生物棲息地條件惡化，迫切需要開(kāi)展上游水庫(kù)群的聯(lián)合生態(tài)補(bǔ)償調(diào)度，適度控制“兩湖”湖口水位，但這種需求的指標(biāo)閾值難以界定，研究界存在較大分歧。

3.6 水庫(kù)群應(yīng)急調(diào)度需求迫切

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿岸分布有眾多的農(nóng)藥化工基地和大型排污口，如三峽水庫(kù)下游宜昌江段分布有宜化集團(tuán)、三寧化工、東陽(yáng)光藥業(yè)等化工制藥企業(yè)，同時(shí)也分布有臨江溪、猇亭散貨件碼頭等風(fēng)險(xiǎn)源，發(fā)生突發(fā)水污染事故的風(fēng)險(xiǎn)較大。突發(fā)性水污染事故發(fā)生后，社會(huì)公眾對(duì)水庫(kù)群的應(yīng)急調(diào)度提出新需求。

4 研究目標(biāo)和研究需求分析

監(jiān)測(cè)和評(píng)估長(zhǎng)江上游水庫(kù)群運(yùn)行以后長(zhǎng)江中下游水生態(tài)空間質(zhì)量的變化趨勢(shì)，診斷上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度對(duì)中下游河道、通江湖泊及河口水溫、泥沙、水化學(xué)、營(yíng)養(yǎng)鹽的調(diào)度-響應(yīng)關(guān)系，評(píng)價(jià)水庫(kù)調(diào)度對(duì)水生態(tài)空間質(zhì)量的影響，尋求水庫(kù)調(diào)度對(duì)水生態(tài)空間壓力的緩解途徑，以期提出更為科學(xué)的水庫(kù)群運(yùn)行調(diào)度方案和生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，恢復(fù)長(zhǎng)江中下游水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保障水生態(tài)系統(tǒng)功能完整。相關(guān)研究需求主要有如下幾個(gè)方面。

（1）水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度條件下長(zhǎng)江流域水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系研究

針對(duì)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度所形成的新的水文、泥沙、水質(zhì)和生態(tài)特征，結(jié)合流域水量、水質(zhì)和水生態(tài)統(tǒng)一保護(hù)的實(shí)際管理需求，建立水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模式下長(zhǎng)江水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系；基于物理化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)、水文及河道形態(tài)指標(biāo)的水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)方法和規(guī)范，在水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模式下分水體類(lèi)型和規(guī)模建立反映水質(zhì)變化的敏感生物（指示生物）的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出智能化、全覆蓋的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。

（2）水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度后長(zhǎng)江中下游泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽通量變化研究

根據(jù)控制性樞紐工程運(yùn)行前、后長(zhǎng)江中下游長(zhǎng)系列泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析懸移質(zhì)含沙量，總氮（TN）和總磷（TP）濃度時(shí)空分布格局，識(shí)別突變點(diǎn)和致變因子，重點(diǎn)關(guān)注干流宜昌—湖口、兩湖地區(qū)、漢江受江水頂托河段和河口區(qū)域。研究氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素在長(zhǎng)江不同類(lèi)型水體中的吸附、遷移、轉(zhuǎn)化、歸宿等環(huán)境行為，辨析其對(duì)不同功能水體的危害機(jī)制和生態(tài)效應(yīng)。研究水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度下清水下泄對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素環(huán)境行為的影響；開(kāi)發(fā)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模式下氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的水質(zhì)模型和污染負(fù)荷總量控制模型；分水體類(lèi)型建立基于保障水質(zhì)安全和生態(tài)安全的氮磷控制標(biāo)準(zhǔn)和方案。

（3）水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度條件下“滯溫”和“滯冷”效應(yīng)及其影響識(shí)別

通過(guò)河道原型觀測(cè)，研究水庫(kù)群不同調(diào)度時(shí)期低溫水或高溫水下泄的影響范圍，探明長(zhǎng)江中下游水溫復(fù)溫特性，建立三峽大壩下游水溫恢復(fù)模型，模擬預(yù)測(cè)下游水溫變化過(guò)程；結(jié)合三峽大壩下游的實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)水溫模型的參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。分析計(jì)算不同水庫(kù)調(diào)度方案下，下泄的低溫水恢復(fù)到天然水溫所需要流經(jīng)的河道距離；識(shí)別不同“滯溫”和“滯冷”對(duì)長(zhǎng)江中下游特征環(huán)境因子的影響途徑和影響程度。

（4）上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度條件下庫(kù)區(qū)及下游取水口、排污口布局影響研究

調(diào)查控制性水庫(kù)庫(kù)區(qū)及下游江段重要城市內(nèi)的典型排污口與飲用水取水口的位置關(guān)系。定點(diǎn)監(jiān)測(cè)水庫(kù)蓄水期、消落期和汛期典型排污口岸邊污染帶的影響范圍，為長(zhǎng)江流域制定取水口保護(hù)區(qū)范圍提供科學(xué)依據(jù)，為長(zhǎng)江流域不同污染物衰減特性提供參數(shù)庫(kù)。通過(guò)建立并驗(yàn)證平面二維或局部三維水質(zhì)模型，模擬不同條件下取水口、排污口犬牙交錯(cuò)格局的風(fēng)險(xiǎn)程度，提出控制性水庫(kù)庫(kù)區(qū)及大壩下游取水口、排污口安全布局指導(dǎo)意見(jiàn)。

（5）維護(hù)“兩湖”濕地生態(tài)安全的上游水庫(kù)群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度方案研究

識(shí)別和總結(jié)濕地水文、水質(zhì)、洲灘植被、物種多樣性（鳥(niǎo)類(lèi)）現(xiàn)狀和歷史演變趨勢(shì)，掌握長(zhǎng)江來(lái)水、湖區(qū)來(lái)水以及湖區(qū)污染排放等基礎(chǔ)狀況及變化特征。圍繞三峽水庫(kù)成庫(kù)前后所帶來(lái)的江湖關(guān)系變化，判斷響應(yīng)較為敏感的水生態(tài)空間要素，提出濕地水生態(tài)安全保障的關(guān)鍵要素和具體指標(biāo)。確定不同水生態(tài)安全水平的指標(biāo)目標(biāo)值。圍繞濕地水生態(tài)安全保障的關(guān)鍵指標(biāo)，開(kāi)展水庫(kù)群調(diào)度敏感時(shí)段（如蓄泄水變動(dòng)期、洪水期）精細(xì)化加密觀測(cè)；結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)、野外實(shí)驗(yàn)和遙感影像解譯分析等手段，探明水庫(kù)年內(nèi)調(diào)度運(yùn)行以及敏感時(shí)段濕地水文變異規(guī)律，以及特殊水動(dòng)力作用背景下湖泊濕地水環(huán)境、水生態(tài)時(shí)空變化規(guī)律，探討“兩湖”濕地保護(hù)的適宜生態(tài)水位。研究長(zhǎng)江不同水文情勢(shì)對(duì)洞庭湖與鄱陽(yáng)湖、洲灘植被、沉水植被生長(zhǎng)和發(fā)育的影響，揭示植被在不同生長(zhǎng)期（4，5，6，9月）對(duì)水文情勢(shì)的需求，提出植被生長(zhǎng)和格局維持對(duì)長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的生態(tài)調(diào)度需求，確定以維持濕地植被結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為目標(biāo)的水庫(kù)群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度方案建議。

（6）紓緩流域突發(fā)性水污染事故的水庫(kù)調(diào)度方案研究

在分析控制性水庫(kù)庫(kù)區(qū)和下游洪水演進(jìn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出不同水庫(kù)開(kāi)展應(yīng)急調(diào)度的適用地域范圍，即哪些地方發(fā)生突發(fā)水污染事故，可以借助水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度來(lái)緩解負(fù)面影響。對(duì)污染事故進(jìn)行分類(lèi)，識(shí)別水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度的事故類(lèi)型范圍。對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，劃定何種規(guī)模的污染事故需要水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度；結(jié)合水庫(kù)供水、蓄水條件，研究水庫(kù)群實(shí)施水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度的起調(diào)條件。以減緩?fù)话l(fā)水污染事故對(duì)飲用水水源地的影響為重點(diǎn)，綜合考慮集中飲用水水廠取水的避讓能力、水庫(kù)鄰近江段的水文水質(zhì)條件、突發(fā)水污染事故的類(lèi)型、污染負(fù)荷量和入河方式、事故發(fā)生地點(diǎn)等因素，擬定水庫(kù)多種應(yīng)急調(diào)度預(yù)案，形成水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)。

隨著長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)的逐步興建，如何發(fā)揮水庫(kù)樞紐工程的綜合利用效益，使其在流域防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源配置、水生態(tài)與水環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮全面作用是亟待解決的新問(wèn)題。本文以長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)為切入點(diǎn)，在全面分析長(zhǎng)江上游水庫(kù)群興建及運(yùn)行對(duì)水環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，提煉長(zhǎng)江上游水庫(kù)群實(shí)施水環(huán)境保護(hù)聯(lián)合調(diào)度的研究需求，為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)施生態(tài)保護(hù)、持續(xù)綠色可持續(xù)發(fā)展助力。