任玉峰 ，趙良水 ，曹 輝 ，阮燕云

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133）

金沙江流域水能資源豐富，是我國最大的水電能源基地[1]。目前已建成了金沙江中游梯級水庫群、雅礱江流域梯級水庫群和金沙江下游梯級水庫群。其中，下游流域規(guī)劃了4座梯級水庫，包括烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。目前溪洛渡和向家壩已建成投產(chǎn)，烏東德和白鶴灘正在建設(shè)過程中。金沙江下游梯級水庫群是長江流域防洪體系重要組成部分，承擔(dān)了川江河段防洪任務(wù)，配合三峽水庫對長江中下游進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度，減少中下游分洪損失，減緩流域防洪壓力。同時(shí)，金沙江下游4座巨型電站是我國西電東送骨干工程，為受電區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)清潔能源。梯級水庫蓄水和電站發(fā)電使河道水位抬升，配合沿岸港口航道建設(shè)，為流域通航創(chuàng)造有利條件，保障了航運(yùn)暢通。綜上所述，金沙江下游梯級水庫群在防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮了巨大的綜合效益，為長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

水庫生態(tài)調(diào)度是指以修復(fù)和保護(hù)水庫及下游河道生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)的水庫調(diào)度方式[2]。具體方法包括生態(tài)蓄水量調(diào)度、模擬生態(tài)洪水調(diào)度、防治水污染調(diào)度和控制泥沙調(diào)度等[3]，對保護(hù)河流社會生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要，歷來受到國內(nèi)外諸多專家和學(xué)者的關(guān)注，也發(fā)表了相關(guān)研究成果[4-5]。近年來，隨著“長江大保護(hù)”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，長江流域生態(tài)環(huán)境受到了社會高度關(guān)注。諸多學(xué)者積極投入長江流域生態(tài)環(huán)境研究，成果眾多，成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[6-7]。金沙江流域是長江流域的重要組成部分，自然生態(tài)環(huán)境復(fù)雜而敏感，且緊鄰長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)，下游水庫群建成運(yùn)行后，改變了河道原有徑流時(shí)空分配過程和魚類繁殖所需的水力條件。為保護(hù)長江上游流域生態(tài)資源，促進(jìn)保護(hù)區(qū)魚類繁殖，溪洛渡、向家壩梯級水庫近年來實(shí)施了多次生態(tài)調(diào)度。基于水生態(tài)和環(huán)境的需求，調(diào)整水庫調(diào)度方式，使其下泄流量和水溫與上下游河段生態(tài)和環(huán)境的需求在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)匹配，通過對生態(tài)流量和水溫的控制達(dá)到促進(jìn)魚類增殖和改善水生態(tài)系統(tǒng)的目的。同時(shí)，為滿足生態(tài)調(diào)度過程需求，梯級水庫采用了較為特殊的調(diào)度方式。如溪洛渡采用疊梁門取水、向家壩采用模擬洪水過程的調(diào)度方式。這些措施勢必對水庫群本身的發(fā)電調(diào)峰、庫區(qū)航運(yùn)、防洪等產(chǎn)生影響，相關(guān)研究較為缺乏。因此，本文以溪洛渡、向家壩2017年生態(tài)調(diào)度為研究對象，在回顧生態(tài)調(diào)度過程基礎(chǔ)上，分析生態(tài)調(diào)度對庫區(qū)魚類產(chǎn)卵、梯級電站發(fā)電調(diào)峰、庫區(qū)航運(yùn)、水庫防洪四個(gè)方面的影響，識別生態(tài)調(diào)度與水庫發(fā)揮綜合效益之間的約束和影響，用以探求協(xié)調(diào)庫區(qū)生態(tài)保護(hù)與水庫防洪、發(fā)電、航運(yùn)的優(yōu)化調(diào)度方案[8]，達(dá)到兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的目的。

1 生態(tài)調(diào)度過程

金沙江下游地處我國西南山區(qū)，為四川和云南兩省交界地區(qū)。該地區(qū)位于長江經(jīng)濟(jì)帶范圍內(nèi)，依托大中型水庫修建，內(nèi)陸航運(yùn)發(fā)達(dá)，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。流域氣候類型為典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，每年降雨主要集中在汛期的6月至10月。當(dāng)發(fā)生大范圍流域性暴雨、大暴雨時(shí)，易形成洪水災(zāi)害，威脅流域兩岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)金沙江流域暴雨洪水與長江中下游洪水相遇疊加時(shí)，則發(fā)生破壞性極強(qiáng)的長江全流域性大洪水。因此，金沙江流域洪水是長江全流域洪水的重要組成部分，對該流域洪水進(jìn)行攔蓄，對減輕長江中下游防洪壓力至關(guān)重要。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical map of the study area

金沙江水能資源豐富，是我國最大的水電基地，水能資源蘊(yùn)藏量達(dá)1.1×108kW。金沙江下游已建成投產(chǎn)的溪洛渡-向家壩梯級水庫，是我國“西電東送”的骨干工程，兩者相輔相成，為華東、華南地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)清潔的電力保障。溪洛渡電站目前裝機(jī)容量1.26×107kW，機(jī)組臺數(shù)18臺，機(jī)組額定容量7×105kW。向家壩電站目前總裝機(jī)容量6×106kW，8臺單機(jī)額定容量7.5×105kW機(jī)組。兩座梯級電站裝機(jī)容量大，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，承擔(dān)了重要發(fā)電調(diào)峰任務(wù)。

向家壩水電站下游河道緊鄰長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類多樣性高、物種豐富，具有較強(qiáng)的保護(hù)價(jià)值和科研價(jià)值[9]。為了給保護(hù)區(qū)的魚類繁殖創(chuàng)造有利的水力學(xué)條件[10]，近年來溪洛渡、向家壩梯級水庫開展了多次聯(lián)合生態(tài)調(diào)度。本文主要以2017年4月至5月生態(tài)調(diào)度為研究對象，根據(jù)其調(diào)度過程，基于調(diào)度期間的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)：水庫出入庫流量、庫水位、下游河道、電站出力，調(diào)峰量等數(shù)據(jù)，以及生態(tài)調(diào)度期間的水溫和魚卵等監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析生態(tài)調(diào)度對庫區(qū)魚類產(chǎn)卵、梯級電站發(fā)電調(diào)峰、庫區(qū)航運(yùn)、水庫防洪等方面的影響。

2 金沙江下游梯級水庫生態(tài)調(diào)度

2.1 生態(tài)調(diào)度過程

2017年4月至5月，溪洛渡-向家壩水庫開展了聯(lián)合生態(tài)調(diào)度，調(diào)節(jié)水庫下泄流量和河道水溫，使其與上下游河段生態(tài)和環(huán)境的需求在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)“匹配”，為魚類在產(chǎn)卵期提供適宜的河道環(huán)境，以期達(dá)到保護(hù)金沙江流域魚類資源的目的。

溪洛渡生態(tài)調(diào)度方案主要為通過機(jī)組疊梁門進(jìn)行分層取水，從而調(diào)節(jié)機(jī)組出水口水溫，為電站下游河道魚類產(chǎn)卵創(chuàng)造合適的溫度條件。分三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段，4月下旬，落下第一層疊梁門；第二階段，4月末，溪洛渡電站下游水溫監(jiān)測；第三階段，5月上旬，提起所有已落下的疊梁門。向家壩生態(tài)調(diào)度方案主要為通過調(diào)節(jié)向家壩電站出力，人為制造出兩組出庫流量持續(xù)增加的水文過程，提供魚類產(chǎn)卵所需的流量過程和水溫條件。具體過程包括兩組流量過程：第一組從5月上旬開始，歷時(shí)3天，每天均勻增加300 m3/s下泄流量，最終出庫流量達(dá)到2 500 m3/s左右；第二組從5月下旬開始，歷時(shí)6天，將出庫流量逐步增加至4 500m3/s以上。

2.2 生態(tài)調(diào)度結(jié)果分析

溪洛渡生態(tài)調(diào)度采用電站疊梁門調(diào)節(jié)河流水溫。根據(jù)流域各站點(diǎn)水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，溪洛渡疊梁門運(yùn)行對壩前水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫過程均產(chǎn)生了影響，如圖2所示。向家壩庫區(qū)在疊梁門運(yùn)行期間水溫升高明顯，5月平均溫度比4月高1.9℃。根據(jù)溪洛渡電站發(fā)電機(jī)水溫傳感器檢測數(shù)據(jù)，疊梁門運(yùn)行后機(jī)組尾水水溫由17.1℃升高至17.5℃，升溫達(dá)0.4℃。因此，疊梁門對河流水文的影響主要表現(xiàn)為門頂以上的水體垂向摻混明顯趨于均勻。同時(shí)疊梁門取水方式對下游水溫具有一定的調(diào)控作用，分層取水在一定程度上減緩了下泄河流的低水溫。疊梁門落門完成后，對應(yīng)機(jī)組的流道所取水溫有所升高。

圖2 各監(jiān)測站點(diǎn)在生態(tài)調(diào)度期間的水溫變化Fig.2 Water temperature changes of monitoring stations during ecological dispatch

向家壩與溪洛渡聯(lián)合調(diào)度，采用人工創(chuàng)造魚類產(chǎn)卵適宜的水文過程，分兩組進(jìn)行。5月上旬與中下旬各開展一次，模擬天然漲水過程，流量過程見圖3，達(dá)到刺激下游河道魚類產(chǎn)卵目的。向家壩下游宜賓江段監(jiān)測結(jié)果表明，壩下魚類產(chǎn)卵受生態(tài)調(diào)度刺激作用，調(diào)度期間出現(xiàn)了魚類產(chǎn)卵高峰。江津江段的監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)長江上游干流魚類產(chǎn)卵量在兩次生態(tài)調(diào)度結(jié)束后均出現(xiàn)高峰，特別是5月20日左右，魚卵密度達(dá)到了監(jiān)測期間峰值（1.5×106ind./km2），是實(shí)施生態(tài)調(diào)度前魚卵密度值的1.3倍。兩次生態(tài)調(diào)度期間，宜賓斷面監(jiān)測魚卵總量約0.1億粒，江津斷面監(jiān)測魚卵總量約1億粒。

圖3 向家壩生態(tài)調(diào)度流量過程Fig.3 Ecological dispatch flow process of Xiangjiaba

3 金沙江下游梯級水庫生態(tài)調(diào)度影響分析

3.1 對電站調(diào)峰量影響分析

溪洛渡生態(tài)調(diào)度期間出力（水電站單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量）過程如圖4所示。由于疊梁門操作等要求，4月中下旬開始溪洛渡電站總出力呈下降趨勢，最大出力從節(jié)日前的9×106kW下降至7×106kW左右。由于溪洛渡實(shí)行“一廠兩岸兩調(diào)”的特殊調(diào)度方式，即左岸電站歸國家電網(wǎng)中心調(diào)度，右岸電站歸中國南方電網(wǎng)總調(diào)負(fù)責(zé)調(diào)度，因此兩岸電站在生態(tài)調(diào)度期間的出力變化有各自的特點(diǎn)：其中左岸電站平均出力減小2×106kW左右，右岸電站平均出力減小6×105kW左右；調(diào)峰量也相應(yīng)減小，電站總調(diào)峰量從前期6×106kW以上減小至4.5×106kW，其中左岸電站調(diào)峰量減小1×106kW，右岸電站調(diào)峰量減小5×105kW。隨后受“五一”假期影響，溪洛渡電站總出力和調(diào)峰達(dá)到最低值，全天出力1.5×106kW左右，無調(diào)峰，隨后逐步恢復(fù)至前期的出力及調(diào)峰水平。因此，從溪洛渡2017年生態(tài)調(diào)度出力過程分析可以看出，生態(tài)調(diào)度使溪洛渡左右岸電站出力及調(diào)峰量均有所減小，左岸電站出力及調(diào)峰量的下降幅度較右岸電站更大，但跟大型節(jié)假日等活動(dòng)相比，生態(tài)調(diào)度總體影響程度有限。

為了促進(jìn)魚類繁殖，向家壩生態(tài)調(diào)度采用了逐步增加出庫流量的方式，滿足魚類對水環(huán)境的要求。因此，向家壩電站采用了相應(yīng)的運(yùn)行模式，圖5顯示：第一組調(diào)度過程期間，電站總出力增加至2.6×106kW以上，調(diào)峰水平為每天增加出力約2.5×105kW，較生態(tài)調(diào)度前的最大出力4×106kW及調(diào)峰量1.8×106kW，兩者均有較大幅度的下降；第二組生態(tài)調(diào)度期間，向家壩電站總出力從2×106kW左右逐步增加至最大4.8×106kW，平均每日調(diào)峰4×105kW，較同期正常運(yùn)行時(shí)的最大出力4.6×105kW和調(diào)峰量2×106kW，兩者均有較大幅度的下降。這說明生態(tài)調(diào)度對向家壩調(diào)峰影響較大，日調(diào)峰量從1×106kW至2×106kW級下降至2.5×105kW至4×105kW級，且持續(xù)時(shí)間較長，因此在未來的生態(tài)調(diào)度期間，向家壩需要密切關(guān)注電網(wǎng)負(fù)荷及調(diào)峰需求與生態(tài)調(diào)度之間可能出現(xiàn)的矛盾，及時(shí)協(xié)調(diào)處理，保障生態(tài)調(diào)度和電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

綜上所示，溪洛渡-向家壩梯級水庫生態(tài)調(diào)度過程及其相關(guān)的設(shè)備操作需要水庫提供特定的水位流量條件。因此，生態(tài)調(diào)度與發(fā)電調(diào)度之間存在一定的制約因素，主要表現(xiàn)為生態(tài)調(diào)度對電站運(yùn)行出力以及調(diào)峰總量產(chǎn)生了影響。溪洛渡電站方面，生態(tài)調(diào)度使溪洛渡左右岸電站出力及調(diào)峰量均有所減小，且左岸右岸電站出力及調(diào)峰量的下降幅度較右岸電站大。向家壩電站方面，生態(tài)調(diào)度對向家壩調(diào)峰影響較大，日調(diào)峰量從1×106kW至2×106kW量級下降至2.5×105kW至4×105kW量級，且持續(xù)時(shí)間較長。

圖4 溪洛渡生態(tài)調(diào)度期間出力曲線Fig.4 Output curve during Xiluodu ecological dispatch

圖5 向家壩生態(tài)調(diào)度期間出力曲線Fig.5 Output curve during Xiangjiaba ecological dispatch

3.2 對下游河道航運(yùn)影響分析

水電站對下游河道航運(yùn)的影響主要體現(xiàn)為對河道水位和流速的影響[11]。根據(jù)金沙江下游流域河道的自然環(huán)境特征以及梯級水電站的運(yùn)行特點(diǎn)，生態(tài)調(diào)度對下游河道的影響主要為對河道水位的影響。溪洛渡生態(tài)調(diào)度采用了分層取水的調(diào)度方式，且下游河道即向家壩庫區(qū)暫無航運(yùn)要求，因此，溪洛渡生態(tài)調(diào)度對航運(yùn)影響較小。隨著宜賓地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，向家壩下游河段船只往來頻繁，航運(yùn)要求較高，且向家壩生態(tài)調(diào)度采用了模擬漲水的調(diào)度方式，下游水位變化較大。圖6顯示在生態(tài)調(diào)度期間，向家壩下游小時(shí)水位變化平穩(wěn)，小時(shí)變幅在-0.2～0.2 m區(qū)間內(nèi)，遠(yuǎn)低于日常調(diào)峰引起的下游河道水位變幅，有利于航運(yùn)交通。但值得注意的是，在生態(tài)調(diào)度起止時(shí)刻，需滿足特定的生態(tài)流量，如向家壩從1 700 m3/s開始，至2 500 m3/s結(jié)束。此時(shí)前期運(yùn)行應(yīng)當(dāng)充分考慮生態(tài)調(diào)度要求，盡量平緩過渡至生態(tài)調(diào)度期，后期承接生態(tài)調(diào)度結(jié)束時(shí)的流量狀態(tài)，逐步過渡為發(fā)電調(diào)度。因此，過渡期間應(yīng)密切注意水位變幅，充分考慮生態(tài)調(diào)度與發(fā)電調(diào)度過渡期的下游流量變化、水位變幅在水庫調(diào)度規(guī)程運(yùn)行的范圍內(nèi)，且盡量平緩以保證航運(yùn)要求。

圖6 2017年向家壩水文站水位變幅Fig.6 Water level fluctuation of Xiangjiaba hydrological Station in 2017

3.3 對流域防洪影響分析

溪洛渡水庫生態(tài)調(diào)度采用疊梁門分層取水方式，相關(guān)操作要求庫水位宜在560 m以上。由于金沙江流域氣候特點(diǎn)，生態(tài)調(diào)度期亦是水庫消落的關(guān)鍵時(shí)期，必須在汛期到來之前騰出足夠的防洪庫容，以應(yīng)對汛期洪水。因此，若溪洛渡生態(tài)調(diào)度時(shí)間過長，影響水庫正常消落，可能對流域防洪產(chǎn)生影響。向家壩生態(tài)調(diào)度采用模擬漲水方式，實(shí)質(zhì)上是對出庫流量的限制。若調(diào)度期發(fā)生春汛，而向家壩庫容有限，可能導(dǎo)致庫水位上漲過快，影響水庫正常消落，從而對流域防洪產(chǎn)生影響。圖7顯示了2017年金沙江下游生態(tài)調(diào)度期間，溪洛渡和向家壩庫水位的變化情況。由于溪洛渡入庫流量較小，為配合疊梁門啟閉操作，溪洛渡適當(dāng)控制了水位消落速度。向家壩在生態(tài)調(diào)度期間出庫較小，庫水位上漲較快，5月15日水位達(dá)到373 m以上。若金沙江下游發(fā)生歷史同期較大洪水5 000 m3/s，梯級水庫生態(tài)調(diào)度策略不變，溪洛渡庫水位將上漲至580 m以上，向家壩水位上漲至378 m以上，對后期防洪調(diào)度較為不利。因此，生態(tài)調(diào)度對溪洛渡庫水位和向家壩出庫流量有嚴(yán)格要求，從而對流域防洪有一定制約。當(dāng)溪洛渡入庫流量較大時(shí)，梯級水庫庫水位持續(xù)上漲，對汛期水庫防洪調(diào)度不利，如果入庫流量為一般年份來水，則對流域防洪無影響。

圖7 溪洛渡和向家壩水庫生態(tài)調(diào)度期間庫水位過程Fig.7 Reservoir water level process during ecological regulation of Xiluodu and Xiangjiaba Reservoir

4 結(jié)語

以溪洛渡-向家壩梯級水庫2017年生態(tài)調(diào)度為研究對象，回顧了梯級水庫生態(tài)調(diào)度過程：溪洛渡生態(tài)調(diào)度通過機(jī)組疊梁門進(jìn)行分層取水，從而調(diào)節(jié)機(jī)組出水口水溫，為電站下游河道魚類產(chǎn)卵創(chuàng)造合適的溫度條件；向家壩生態(tài)調(diào)度通過調(diào)節(jié)向家壩電站出力，人為創(chuàng)造兩組出庫流量持續(xù)增加的水文過程，提供魚類產(chǎn)卵所需的流量過程和水溫條件。宜賓江段監(jiān)測結(jié)果顯示，壩下魚類產(chǎn)卵受生態(tài)調(diào)度刺激作用，生態(tài)調(diào)度期間出現(xiàn)了魚類產(chǎn)卵高峰，效果明顯。結(jié)果表明：（1）生態(tài)調(diào)度使溪洛渡左右岸電站出力及調(diào)峰量均有所減小，但影響程度有限，生態(tài)調(diào)度對向家壩調(diào)峰影響較大，且持續(xù)時(shí)間較長；（2）向家壩下游航運(yùn)要求較高，生態(tài)調(diào)度過程平緩，有利于航運(yùn)通暢，但需關(guān)注與前期發(fā)電調(diào)度的銜接問題；（3）生態(tài)調(diào)度對溪洛渡庫水位和向家壩出庫流量有嚴(yán)格要求，當(dāng)入庫流量較大時(shí)，梯級水庫庫水位持續(xù)上漲，對后期汛期水庫防洪調(diào)度不利，因此，需密切關(guān)注生態(tài)調(diào)度期間水庫流量預(yù)報(bào)，及時(shí)協(xié)調(diào)與后期汛期水庫防洪調(diào)度之間的關(guān)系。

隨著我國長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略推進(jìn)以及長江大保護(hù)工作的深入開展，長江流域梯級水庫生態(tài)調(diào)度將愈發(fā)重要。如何協(xié)調(diào)生態(tài)調(diào)度與流域防洪、發(fā)電、航運(yùn)和泥沙調(diào)度的關(guān)系，將成為水電研究領(lǐng)域的熱門問題，值得深入探討和研究。