沙元杰，劉 斌

（1.山東黃河河務局供水局，山東 濟南 250011；2.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510611）

自20世紀80年代以來，發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家從調整大壩的運行調度方式入手，開展了大量生態(tài)調度實踐及研究，證實了生態(tài)調度是有效修復河流生態(tài)的主要手段[1][2][3][4][5][6]。隨著我國河流生態(tài)問題日益嚴峻，自2000年開始，以塔里木河、黑河應急生態(tài)調水、黃河調水調沙試驗為開端，我國陸續(xù)進行了扎龍濕地、南四湖、引岳濟淀應急生態(tài)補水、引江濟太、淮河閘壩聯(lián)合水質調度、珠江壓咸補淡應急補水等生態(tài)調度嘗試，為我國的生態(tài)調度實踐打下了堅實的基礎。上述生態(tài)調度都是為了解決下游生態(tài)問題而進行的，目前以自身生態(tài)調度解決自身富營養(yǎng)化問題的生態(tài)調度理論和實踐還鮮見報道。

河流水能資源的開發(fā)一般自河流的上游起，由上而下地進行階梯狀開發(fā)。從水能利用和建庫條件的角度，大型水庫一般布置在上、中游，對于中、小流域大型水庫往往是“龍頭水庫”，即第一梯級水庫。從地理位置上，大型水庫一般位于山區(qū)；從水溫結構上，大型水庫一般常年水溫分層或季節(jié)水溫分層型；從水文特征上，大型水庫水深一般能達到幾十米甚至上百米，庫區(qū)流速緩慢（一般低于0.1 m/s），水體更新慢、水齡長；從水庫功能上，除發(fā)電外，一般還兼有防洪、供水、航運等綜合開發(fā)任務。由于庫容大、流速緩、交換律低，加上工業(yè)、生活電源及面源污染物的大量輸入，使這樣的大型龍頭水庫易發(fā)生富營養(yǎng)化，但由于上游缺少大型水庫，往往難以通過上游水庫調水稀釋緩解富營養(yǎng)化狀況，因此研究以降低自身富營養(yǎng)化風險為目標的大型水庫生態(tài)調度方式就顯得非常重要。

1 工程概況

萬峰湖位于南盤江干流中游河段，壩址左岸是貴州安龍縣，右岸是廣西隆林縣。庫區(qū)涉及云南省羅平縣、廣西隆林、西林縣，貴州省興義市和安龍縣。萬峰湖水庫以發(fā)電為主，其壩址以上集雨面積50 139 km2，多年平均流量616 m3/s。水庫正常蓄水位780 m，死水位731 m。水面面積173.7 km2，總庫容102.6億m3，屬多年調節(jié)水庫。裝機容量1 200 MW，年發(fā)電量52.26億kW·h。萬峰湖庫容比為1.89，為水溫分層型水庫。

2 營養(yǎng)物來源及富營養(yǎng)化狀況

2.1 營養(yǎng)物來源

萬峰湖的氮總負荷為47 654.95 t/a，磷總負荷為6 784.32 t/a。上游南盤江的營養(yǎng)物輸入萬峰湖營養(yǎng)物（上游+庫區(qū)）的主要來源，以工業(yè)點源為主，其中氮負荷占總負荷的67.15%，磷負荷占總負荷的91.75%。庫區(qū)污染源以農村生活面源、農田面源、水庫養(yǎng)殖污染為主，其中水庫養(yǎng)殖為萬峰湖庫區(qū)營養(yǎng)物的主要來源，其中氮負荷為5 254 t/a，占庫區(qū)總負荷的47.8%；磷負荷為672 t/a，占庫區(qū)總負荷的61.83%。

2.2 水質及富營養(yǎng)化狀況

2004—2007年萬峰湖水質超標程度較高，污染主要體現(xiàn)在總磷、總氮超標，枯水期超標最為嚴重。2009年開始進行綜合治理以來水質逐步好轉，富營養(yǎng)化情況有所減緩。萬峰湖易發(fā)生富營養(yǎng)化的季節(jié)為冬季，2007年曾出現(xiàn)網箱養(yǎng)魚因富營養(yǎng)化大量死亡而索賠的案例。

3 富營養(yǎng)化機制

采用2004—2009年萬峰湖氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、總磷、水齡和水溫指標分析決定葉綠素濃度的主成份。通過SPSS18.0統(tǒng)計軟件對監(jiān)測數據進行主成分分析，確定評價主因子數，完成各監(jiān)測斷面水質綜合評價。從主成分的碎石圖（圖1）和主成份分析表（表1）來看，萬峰湖葉綠素濃度的主要決定因子為總磷、水齡。

圖1 萬峰湖主成分分析碎石圖

表1 萬峰湖水庫各參數指標的主成分分析

由主成份分析結果可知，水齡是葉綠素濃度的決定因子之一。采用改進版的Comprehensive Aquatic Simulation Model（CASM）建立水庫三維生態(tài)動力模型，通過控制水庫生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)源強（IN）和水齡進行敏感性試驗，分析這些因素對藻類水平的影響見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，提高營養(yǎng)源強將提高系統(tǒng)整體物質水平，藻類、浮游動物、魚類等生物量將隨之增加。例如，水齡保持恒定而源強增加至現(xiàn)狀的3倍，則藻類生物量將增加至40~50 g/m3。另一方面，減少水庫水齡則有助于營養(yǎng)鹽和藻類等的稀釋擴散，從而降低藻類水平。若水齡減少倍數與營養(yǎng)源強增加倍數相當，則能維持約10 g/m3的藻類水平。數值模型同樣可以證明減少水齡可以降低富營養(yǎng)化發(fā)生的幾率和水平，同時水齡長短可以通過生態(tài)調度進行人工干預。

圖2 藻類生物量隨源強和水齡的變化 g/m3

圖3 源強變化時藻類、浮游動物和魚類的響應

4 調度目標與思路

萬峰湖水庫壩高水深，庫區(qū)水體流速慢，水體交換律較低，且入庫水質差、庫區(qū)有大量的投餌網箱養(yǎng)殖，導致庫區(qū)部分水域曾出現(xiàn)富營養(yǎng)化甚至水華現(xiàn)象。近幾年當地政府采取一定治理措施后，使萬峰湖水環(huán)境得到一定改善，富營養(yǎng)化情況得到緩解，但仍存在一定的水環(huán)境風險隱患。從水環(huán)境及水庫調度運行現(xiàn)狀調查結果可知，萬峰湖豐水期水質較好，但枯水期總氮、總磷超標，局部水域有水華或死魚現(xiàn)象；萬峰湖回蓄時間晚，水庫蓄滿率偏低，根據萬峰湖水庫近13年的運行記錄，水庫僅有2008年最高水位779.98 m及2007年最高水位779.86 m接近蓄滿外，其余年份最高水位均不足778.00 m，甚至出現(xiàn)2011—2012年連續(xù)兩年水庫最高水位低于汛限水位的極端情況。總的來說，萬峰湖水庫蓄滿率低，水齡時間長，水體交換律低，枯季富營養(yǎng)化水平較高。

本次針對萬峰湖枯季富營養(yǎng)化水平較高、水庫蓄滿率偏低等問題，提出以改善萬峰湖庫區(qū)水環(huán)境、提高水庫蓄滿率為主要目標的生態(tài)調度方案，在不影響水庫防洪安全條件下，通過優(yōu)化萬峰湖的調度方式，加快庫區(qū)水體流動速度及水體交換律，尤其是枯水期庫區(qū)的水體流動速度，使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。

5 生態(tài)調度方案

萬峰湖枯季富營養(yǎng)化水平較高、水庫蓄滿率偏低，水齡時間長，水體交換律低，枯季富營養(yǎng)化水平較高。在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區(qū)的水體流動速度及水體交換律，降低水齡，使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。

根據水庫長系列調度調算，優(yōu)化調度方式后，枯水期平均出庫流量增加57 m3/s，枯水期水體交換律由原來的1.4增加至1.53，較原來增加了0.13?？梢娊泝?yōu)化的調度方式能有效提高枯水期水體更新率，降低水庫富營養(yǎng)化風險。

水庫優(yōu)化調度方式后，在主供水期（12～2月）加大發(fā)電流量，有利于抑制珠江三角洲咸潮上溯，改善下游水環(huán)境質量。優(yōu)化后的調度方式使萬峰湖多年平均發(fā)電量增加2.13億kW·h，結合2010年萬峰湖的上網電價0.209元/kW·h，萬峰湖發(fā)電效益可增加4 452萬元?？梢妰?yōu)化后的調度方案不僅能改善生態(tài)效益，還能帶來壓咸、發(fā)電等綜合效益。

6 結論與展望

南方大型水庫冬季一般沒有冰凍期，夏季較長、溫度高、濕度大，浮游植物生長旺盛，更容易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況。同時大型水庫一般為流域開發(fā)的“龍頭”，上游缺少控制性蓄水水庫，因此一般不具備靠上游水庫調度補水解決其富營養(yǎng)化問題的條件。

以點源和內源為主的大型水庫（如萬峰湖），入庫營養(yǎng)物負荷年內變化小，夏季由于承擔防洪功能，水庫在汛限水位運行，加之降雨豐沛，一般不發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象。冬季水位抬升、庫容增加，水庫流動性變差，水齡增長易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況。

以主成份分析方法分析萬峰湖葉綠素濃度主要受總磷和水齡制約，通過三維水生態(tài)動力模型可以證明，通過調度減少水齡可以有效降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的幾率。萬峰湖枯水期易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況，在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區(qū)的水體流動速度及水體交換律，降低水齡，可使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。優(yōu)化后的調度方案不僅能改善生態(tài)效益，還能帶來壓咸、發(fā)電等綜合效益。

本論文提出的生態(tài)調度方案是針對萬峰湖的富營養(yǎng)化問題所提出的一種調度方式，仍需進一步分析論證其與防洪、發(fā)電等其他興利調度的協(xié)調性以及如何具體實施，是對此類大型水庫在日后的規(guī)劃、設計和日常管理中提出的一種新的調度需求和思路。