李游坤，林俊強，秦 鑫，劉 毅，任玉峰，張曉光

(1：中國水利水電科學研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038) (2：華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650214) (3：中國長江電力股份有限公司，智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，宜昌 443133)

梯級水電開發(fā)是世界主要河流水能資源利用的主體形式. 梯級水電開發(fā)不可避免地改變了河流的天然水文情勢，直接或間接驅(qū)使河流地形、水動力、水溫等生境條件發(fā)生變化，對河流生態(tài)系統(tǒng)帶來了一定負面影響. 尤其是梯級水電站群中的大型控制性工程，其形成的水庫對天然徑流的巨大調(diào)節(jié)能力，顯著改變了天然水文情勢，破壞了魚類等水生生物的正常生命節(jié)律，進一步加劇了對下游河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響.

因此，如何改變水電站傳統(tǒng)調(diào)度運行方式，恢復(fù)筑壩河流的關(guān)鍵水文過程(如魚類繁殖所需的洪水脈沖過程)，減緩對河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，是河流管理者、水電企業(yè)和生態(tài)環(huán)境研究者廣泛關(guān)注的問題. 自1970s以來，歐美國家開始關(guān)注水電站引起的負面生態(tài)環(huán)境問題，并陸續(xù)開展了改進水庫傳統(tǒng)調(diào)度方式的研究和試驗實踐. 例如，美國哥倫比亞河大古力水庫(Grand Coulee Dam)與約瑟夫酋長水庫(Chief Joseph Dam)聯(lián)合調(diào)度重新優(yōu)化分配下泄流量，減緩泄洪氣體過飽和對鮭魚帶來的不利影響[1-2]；密西西比河加文斯角水庫(Gavins Point Dam)通過春季釋放2次高流量洪水脈沖，促進下游的密蘇里鏟鱘產(chǎn)卵[3]；科羅拉多格倫峽水庫(Glen Canyon Dam)進行了3次人造洪水試驗保持虹鱒魚產(chǎn)卵期生境適宜性[4-6]. 澳大利亞墨累河休姆水庫(Hume Dam)通過恢復(fù)春季洪水脈沖，增加洪峰和洪水持續(xù)時間，刺激蟲紋鱈鱸、突吻鱈鱸等魚類產(chǎn)卵[7].

進入21世紀以來，中國學者開始開展和重視水庫生態(tài)調(diào)度方面的研究. Zhang等[8]采用系統(tǒng)重構(gòu)分析方法對影響四大家魚產(chǎn)卵的生態(tài)水文指標進行了分析，認為適度的初始水位、初始流量、較大流量日增長率、較高的水位日增長率及較長時間的水位上漲與四大家魚的產(chǎn)卵行為密切相關(guān). Wang等[9]通過采用遺傳規(guī)劃法識別出漲水的持續(xù)時間和日均漲水率為影響家魚產(chǎn)卵和魚苗豐度的關(guān)鍵環(huán)境因子. 李建等[10]將水力學模型和棲息地模型結(jié)合，通過物理棲息地模擬計算得到了四大家魚產(chǎn)卵期的適宜生態(tài)流量. Yi等[11]認為家魚產(chǎn)卵期不同的起漲流量需要不同的流量日漲幅.

為了緩解中國重要流域魚類資源的衰退趨勢，有關(guān)部門和水電企業(yè)積極開展梯級水庫的生態(tài)調(diào)度實踐工作. 其中備受關(guān)注和最具代表性的是三峽水庫于2011年起每年針對四大家魚開展促進其繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗，至今已實行了10余場次的人造洪水調(diào)度，改善了四大家魚繁殖期漲水條件減弱的問題，有效刺激了葛洲壩下游河段四大家魚的產(chǎn)卵繁殖. 然而，在三峽生態(tài)調(diào)度的實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些新問題. 例如，三峽水庫開展的10余次生態(tài)調(diào)度試驗中，有的場次刺激魚類產(chǎn)卵的效果好，有的場次則未出現(xiàn)卵苗高峰[12-14]. 制約家魚產(chǎn)卵的主要因素，一是適宜的河道水溫，二是有效的漲水過程. 前者主要受生態(tài)調(diào)度啟動時機的影響，后者則與水庫調(diào)度的策略相關(guān). 生態(tài)調(diào)度雖營造了日間逐步漲水的人造洪水過程，但這個過程與天然漲水過程有所不同. 三峽水庫的人造洪水過程呈臺階式上漲，且受電網(wǎng)負荷調(diào)峰的影響，日間漲水，夜間跌水，這有悖于四大家魚喜好凌晨產(chǎn)卵[15]和漲水刺激的習性，未能實現(xiàn)調(diào)度期小時尺度的連續(xù)漲水過程. 因此，能否利用上下游梯級水庫的協(xié)調(diào)作用，改善和營造適宜下游河流重要魚類繁殖所需的近自然水文條件，是實踐中提出來的新科學問題. 本文針對這一問題，以三峽和葛洲壩梯級水庫為案例，建立相應(yīng)的梯級水庫調(diào)度模型，探討了梯級水庫協(xié)調(diào)運行改善下游河道魚類繁殖條件的可行性與策略，希望為國內(nèi)外梯級水庫運用靈活多樣的方式開展和優(yōu)化生態(tài)調(diào)度提供思路和參考借鑒.

1 研究區(qū)域概況

長江是亞洲和中國第一大河，世界第三大河. 長江流域發(fā)源于青藏高原的唐古拉山脈，蜿蜒貫穿中國大陸地勢的三級階梯，地形地貌復(fù)雜、河網(wǎng)水系發(fā)達、沿程氣候多樣，孕育了極為豐富的魚類資源.

在當前長江干流的梯級水庫開發(fā)格局下，三峽水庫是長江中游的控制性水庫，葛洲壩水庫是三峽水庫的反調(diào)節(jié)水庫，也是長江上中游梯級水庫群的末級水庫，葛洲壩下游至長江入海口為自然連通河道. 葛洲壩下游分布有許多魚類的產(chǎn)卵場，例如，葛洲壩下十里紅至胭脂壩、仙人橋至虎牙灘等江段是當前四大家魚在長江干流規(guī)模最大、且較為穩(wěn)定的產(chǎn)卵場[16].

因此，本文選擇長江上中游梯級水庫群中較為代表性的三峽-葛洲壩梯級水庫為案例水庫，以受三峽生態(tài)調(diào)度影響最直接、最強烈的葛洲壩下游數(shù)十千米河段為研究區(qū)域，研究和探討梯級水庫不同調(diào)度運行方式下改善下游河道魚類繁殖條件的可行性與策略.

2 代表性魚類的生態(tài)水文需求

受大型水電工程建設(shè)運行，加之過度捕撈、航道整治、水環(huán)境污染等人類活動影響，長江魚類資源嚴重衰退. 其中，中國最重要的經(jīng)濟魚類四大家魚，自1990s以后魚類資源開始衰退，三峽水庫建成運行初期，四大家魚產(chǎn)卵繁殖所需的水文刺激減弱，四大家魚資源量持續(xù)下降，2009年監(jiān)利斷面卵苗徑流量達到谷值，僅為0.42億尾，相比1960s監(jiān)利卵苗量的403億尾，產(chǎn)卵規(guī)模萎縮嚴重[17-18].

四大家魚是長江流域的經(jīng)濟物種，也是長江梯級水庫生態(tài)調(diào)度最為關(guān)注的目標魚類. 另一方面，按魚類產(chǎn)卵特性劃分，四大家魚是產(chǎn)漂流性卵魚類. 因此，本文選擇四大家魚為代表性魚類，研究改善它們繁殖條件的梯級水庫生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略.

長江四大家魚的繁殖主要集中在每年的4月底至7月初，當水溫上漲至18℃以上，在江水漲落的洪峰過程刺激下，可觸發(fā)家魚的產(chǎn)卵行為. 據(jù)魚卵漂流調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長江干流各江段魚卵漂流存在晝夜差異，尤其是本文研究區(qū)域中的宜都江段，從魚卵漂流密度與發(fā)育期推算，四大家魚繁殖時間主要集中在夜間，高峰期在凌晨[15]. 家魚產(chǎn)卵與江水的流量和水位是密切相關(guān)的，產(chǎn)卵行為絕大多數(shù)發(fā)生在漲水期. 產(chǎn)卵規(guī)模取決于漲水持續(xù)時間和水位相對增長幅度，而與起點水位無關(guān)[19]. 漲水持續(xù)時間越長，水位相對增長幅度越大，產(chǎn)卵規(guī)模越大[9, 20]. 家魚產(chǎn)卵時的流速范圍較大，一般認為在0.33～1.50 m/s之間[16]，江水流速越大，刺激家魚產(chǎn)卵所需要的時間越短. 四大家魚產(chǎn)卵條件略有所不同，草魚和鰱通常在漲水時產(chǎn)卵，鳙要在漲水至較高水位時才產(chǎn)卵，而青魚可以在平水、退水時產(chǎn)卵[8]. 郭文獻等[21]分析三峽水庫蓄水前四大家魚繁殖期的生態(tài)水文指標，提出產(chǎn)卵的水文需求為每年5月漲水次數(shù)2～3次，漲水持續(xù)時間3～8 d，日流量上漲率為910～2208 m3/s，水位上漲率為0.41～0.85 m/d；6月份漲水次數(shù)2～4次，漲水持續(xù)時間3～8 d，日流量上漲率為1355～2931 m3/(s·d)，水位上漲率為0.41～0.74 m/d.

3 梯級水庫運行的生態(tài)水文影響

葛洲壩水電站為徑流式電站，1981年1月大江截流，同年5月下閘蓄水，12月一期機組運行發(fā)電. 葛洲壩水庫庫容小，單獨運行對來水調(diào)蓄作用很小，具有枯季是水庫，汛期是河道的特征. 三峽水電站為目前世界上規(guī)模最大的巨型電站，2003年6月三峽進入圍堰發(fā)電運行期，與葛洲壩水電站開始聯(lián)合運行. 三峽水電站運行后，上游形成多年調(diào)節(jié)型水庫，總庫容為393.0億m3，調(diào)節(jié)庫容為221.5億m3，而下游的葛洲壩水庫則變?yōu)閮蓧伍g水庫，庫容由原來的15.8億m3變?yōu)?.1億m3，僅相當于原庫容的45%.

筆者研究團隊及國內(nèi)外諸多學者基于50年以上長序列的日水文數(shù)據(jù)，應(yīng)用IHA生態(tài)水文指標法、RVA變動范圍法等分析了天然情況下、葛洲壩單獨運行和三峽-葛洲壩聯(lián)合運行條件下的水文變化[22-24]. 研究表明，葛洲壩單獨運行時，對下游水文情勢的影響整體不大，與天然情況相比變化較明顯的指標有3月平均流量增加，9、11月平均流量減小，年最小連續(xù)90日平均流量增加，年高流量脈沖事件平均歷時增加，漲落水逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加，除上述指標表現(xiàn)為中高度改變外，其余指標均為低度改變. 三峽-葛洲壩聯(lián)合運行后，對下游水文情勢產(chǎn)生了中度改變，主要表現(xiàn)為大多數(shù)月份月流量指標中高度改變、年最小流量增加、年最大流量減小、年最小流量出現(xiàn)時間提前、低脈沖發(fā)生頻率消失、高脈沖發(fā)生次數(shù)和歷時下降、流量上漲率減小、漲落水變化更為頻繁等[25-27]. 對于四大家魚而言，三峽-葛洲壩聯(lián)合運行后對其產(chǎn)生的不利生態(tài)影響主要表現(xiàn)為自然洪峰過程的減弱和漲落水逆轉(zhuǎn)次數(shù)頻繁帶來的漲水持續(xù)時間縮短.

梯級水庫實際運行中，除了產(chǎn)生上述日尺度的生態(tài)水文影響外，為了滿足發(fā)電、航運等綜合功能，日內(nèi)對天然來流還會進行小時尺度的調(diào)度，繼而進一步改變天然徑流過程. 1982年葛洲壩水電站運行初期，僅1號、2號機組發(fā)電(全部機組21臺)，在四大家魚繁殖高峰期5-6月份，葛洲壩水庫日尺度和小時尺度的出入庫流量過程如圖1所示. 從圖中可以看出，葛洲壩運行初期的日內(nèi)調(diào)度對天然來流幾乎沒有影響，漲落水過程在小時尺度內(nèi)平滑連續(xù)變化. 三峽-葛洲壩聯(lián)合運行后，三峽水電站在日內(nèi)調(diào)度時需承擔電力系統(tǒng)的負荷調(diào)峰任務(wù)，葛洲壩水電站則配合三峽水電站進行反調(diào)節(jié)運用，以緩解三峽水電站負荷日調(diào)節(jié)產(chǎn)生的非恒定流對壩下航運的影響. 然而，在常規(guī)運行調(diào)度下，葛洲壩水庫水位在63.0～66.5 m間變動，最大調(diào)節(jié)庫容為0.86億m3左右，僅為三峽水庫調(diào)節(jié)庫容的0.39%，因此一般認為葛洲壩水庫不具備多日調(diào)節(jié)三峽出庫流量的能力. 圖2為2017年葛洲壩水庫5-6月日尺度和小時尺度的出入庫流量過程，從圖中可以看出，受三峽水電站調(diào)峰影響，葛洲壩出入庫流量過程在日內(nèi)呈明顯的鋸齒狀波動，可能對葛洲壩下游魚類產(chǎn)卵繁殖產(chǎn)生額外的不利生態(tài)效應(yīng).

圖1 1982年5-6月葛洲壩水庫日尺度和小時尺度的出入庫流量過程Fig.1 The daily and hourly scale discharge process of Gezhouba Reservoir in May and June, 1982

圖2 2017年5-6月葛洲壩水庫日尺度和小時尺度的出入庫流量過程Fig.2 The daily and hourly scale discharge process of Gezhouba Reservoir in May and June, 2017

4 梯級水庫協(xié)同生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化模擬分析

為了減緩水庫運行對魚類繁殖的不利生態(tài)影響，三峽水庫自2011年至今連續(xù)開展了10余場次的生態(tài)調(diào)度試驗. 當前三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案是在確保梯級樞紐安全的前提下，根據(jù)汛前騰空庫容的需要，結(jié)合上游來水過程，以四大家魚繁殖的生態(tài)水文需求為目標，通過持續(xù)加大泄流流量形成人造洪峰，刺激下游四大家魚產(chǎn)卵繁殖. 根據(jù)2011-2018年實際生態(tài)調(diào)度的統(tǒng)計水文指標，生態(tài)調(diào)度試驗在每年5-6月河道水溫穩(wěn)定在18℃以上時擇機開展，起漲流量6800～15300 m3/s，平均日流量上漲率1170～3140 m3/(s·d)，持續(xù)漲水時間為3～8 d. 實際生態(tài)調(diào)度過程中，雖然營造了日尺度的連續(xù)漲水過程，但是受三峽水電站電力調(diào)峰影響，在夜間負荷低谷時段(一般為23:00至次日7:00)，三峽水庫減小出庫流量，葛洲壩水庫也跟隨減小出庫流量，由此營造的人造漲水過程從小時尺度看來是呈鋸齒狀上升的(圖2紅色方框內(nèi)所示)，與天然情況下平滑的連續(xù)漲水過程差異較大. 對于四大家魚而言，在其繁殖高峰的凌晨時段跌水，可能會減弱對四大家魚產(chǎn)卵的刺激，影響生態(tài)調(diào)度效果.

為了優(yōu)化當前生態(tài)調(diào)度方案，探討大型控制性水庫與下游反調(diào)節(jié)水庫這種庫容懸殊差距較大的梯級水庫組合模式下，如何通過梯級水庫的協(xié)同調(diào)度以營造既滿足日尺度魚類生態(tài)水文需求、又滿足近自然的小時尺度連續(xù)漲水過程，本文結(jié)合三峽水庫促進四大家魚繁殖的實際生態(tài)調(diào)度工況，應(yīng)用美國陸軍工程兵團的軟件Hec-ResSim3.1，構(gòu)建了三峽-葛洲壩梯級水庫聯(lián)合調(diào)度模型，設(shè)計了若干生態(tài)調(diào)度方案的優(yōu)化策略并模擬分析了其可行性.

4.1 聯(lián)合調(diào)度模型

4.1.1 優(yōu)化目標與策略 生態(tài)調(diào)度的實施主要為控制水庫每日的出庫流量水平. 本研究以實現(xiàn)葛洲壩下游河道生態(tài)調(diào)度期全過程小時尺度的連續(xù)漲水為目標.

(1)

(2)

本研究設(shè)計了3個生態(tài)調(diào)度方案的優(yōu)化調(diào)整策略，調(diào)度方案優(yōu)先采用策略1，若策略1不滿足約束條件，則采用策略2. 若策略1、2均無法實現(xiàn)，則采用策略3. 具體策略描述和策略約束條件如表1所示.

表1 生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化調(diào)整策略設(shè)計Tab.1 Optimization and adjustment strategies design of ecological operation

4.1.2 常規(guī)運行約束 水庫常規(guī)調(diào)度運行的約束條件包括了水量平衡約束、水庫水位約束、水庫蓄水量約束、水電站出力約束、水庫下泄流量約束等. 依據(jù)《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程》，正常運行的約束條件為：

①水量平衡約束:

Vt+1=Vt+(It-Qt)·Δt

(3)

式中，Vt、Vt+1分別為t、t+1時刻水庫的蓄水量，It為t時刻水庫的入庫流量，Qt為t時刻水庫的出庫流量，在水量平衡約束中忽略水庫蒸發(fā)損耗. 三峽的出庫流量與葛洲壩的入庫流量基本相等.

②水庫庫容約束:

Vmin≤Vt≤Vmax

(4)

式中，Vmin、Vmax分別為水庫最小和最大的庫容量.

③水庫下泄流量約束:

Qmin≤Qt≤Qmax

(5)

式中，Qmin、Qmax分別為水庫的最小和最大下泄能力.

④水電站出力約束:

Nmin≤Nt≤Nmax

(6)

式中，Nmin、Nmax分別為電站機組的最小和最大出力.

⑤水庫水位約束:

庫水位約束：

Zmin≤Zt≤Zmax

(7)

三峽水庫庫水位日降幅：

(8)

葛洲壩水庫庫水位日變幅、小時變幅：

(9)

4.1.3 模型求解方法 生態(tài)調(diào)度的實施主要為控制水庫每日的出庫流量水平，生態(tài)調(diào)度期全過程小時尺度的連續(xù)漲水可作為定值目標，因此可將優(yōu)化目標轉(zhuǎn)換為葛洲壩水庫生態(tài)調(diào)度期運行的約束條件，采用常規(guī)調(diào)度模型進行模擬. 模型求解采用離散微分動態(tài)規(guī)劃(DDDP)法，其結(jié)構(gòu)簡單, 每次尋優(yōu)只是在某個狀態(tài)序列賦予增量形成的廊道范圍內(nèi)進行，逐次向預(yù)定目標迭代逼近[28]. 該方法能解決因狀態(tài)離散點較多而求解費時的問題, 有效地解決計算“維數(shù)災(zāi)”[29].

4.2 模擬結(jié)果

根據(jù)2011-2018年三峽水庫開展的12次生態(tài)調(diào)度試驗的實測水文數(shù)據(jù)，以葛洲壩水庫生態(tài)調(diào)度期的實際入庫流量作為入流邊界條件，初始庫水位作為調(diào)度初始條件，以4.1.1中設(shè)計的調(diào)度策略，模擬計算不同年份不同入庫流量水平下優(yōu)化后的葛洲壩出庫流量過程，并與優(yōu)化前的出庫流量過程進行對比，同時計算了優(yōu)化后的葛洲壩電站出力變化情況. 圖3羅列了采用策略1對生態(tài)調(diào)度過程進行小時尺度優(yōu)化調(diào)整后的計算結(jié)果，除2014年、2015年第1次與第2次、2018年第2次生態(tài)調(diào)度之外，其余年份采用策略1均能在常規(guī)約束條件下實現(xiàn)生態(tài)調(diào)度期全過程小時尺度的連續(xù)漲水，表明模擬的調(diào)度過程可行. 圖4羅列了采用策略1未能實現(xiàn)生態(tài)調(diào)度期全過程小時尺度的連續(xù)漲水，而采用策略2對生態(tài)調(diào)度過程進行優(yōu)化調(diào)整后可行的調(diào)度過程. 圖5羅列了采用策略1和策略2無法實現(xiàn)優(yōu)化目標，而采用策略3對生態(tài)調(diào)度過程進行優(yōu)化調(diào)整的可行調(diào)度過程. 不同調(diào)度策略下的水文和出力指標如表2、表3和表4所示. 計算結(jié)果表明調(diào)整后的葛洲壩水庫日均出庫流量變化范圍為-3.42%～2.47%，變幅較原日均出庫流量變化大多在3%以內(nèi)；調(diào)整后生態(tài)調(diào)度期的流量累積漲幅與原漲水過程相當，日流量上漲率較原日流量上漲率變化范圍為-10.97%～13.39%，變化大多在4%以內(nèi)；調(diào)整后下游水位上漲率變化范圍為-37.74%～25.58%，變化大多在7%以內(nèi). 策略1和策略2在不改變?nèi)龒{出庫流量的情況下，調(diào)整后的葛洲壩電站總出力多數(shù)年份有所增長，出力變化范圍為-0.38%～5.91%. 策略3改變?nèi)龒{的出庫流量后，三峽電站生態(tài)調(diào)度期總出力變化較小，變化范圍為-0.52%～0.08%；葛洲壩電站總出力有所減少，變化范圍為-4.59%～-2.84%. 實際調(diào)度運行時，可根據(jù)實時工況和運行條件，適當調(diào)增或調(diào)減梯級的出力計劃，尤其是葛洲壩的出力計劃.

5 討論

5.1 三峽-葛洲壩梯級生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略

研究表明，漲水持續(xù)時間是四大家魚自然繁殖的關(guān)鍵環(huán)境因子[30-32]. 四大家魚產(chǎn)卵多數(shù)在漲水期間[33]，漲水后一定的高流量維持時間才能誘導產(chǎn)卵行為的發(fā)生[34]. 總漲水日數(shù)決定了家魚苗產(chǎn)卵量的多寡[35]，有效漲水次數(shù)較多時，家魚卵苗規(guī)模相對較大[36]，苗汛峰值與漲水持續(xù)時間呈顯著正相關(guān)[34]. 四大家魚屬產(chǎn)漂流性卵魚類，魚卵順水漂流孵化[37]，漲水歷時的延長使魚卵更不容易沉底，可提升孵化率[38]. 因此，如何增加有效漲水持續(xù)時間對于優(yōu)化完善現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度方案具有重要意義. 然而，生態(tài)調(diào)度增加漲水持續(xù)時間的同時也勢必增加了落水的時間[39]，對于處于繁殖季節(jié)的家魚產(chǎn)卵將受到后續(xù)的影響，加之三峽水庫防洪調(diào)度的約束，增加持續(xù)漲水時間將不利于汛期防洪安全. 本文在不改變?nèi)龒{水庫現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度方案漲水時間的情況下，充分挖掘了葛洲壩水庫的反調(diào)節(jié)能力，維持原有的生態(tài)調(diào)度洪峰流量和流量累積漲幅一定，并盡可能模擬出自然情況下平滑的連續(xù)漲水過程，以此延長下游河道的漲水持續(xù)時間，為四大家魚營造更為適宜的水文水力學條件. 從模擬結(jié)果可以看出，通過葛洲壩水庫小時尺度的精細調(diào)度，可用僅有的微

圖3 策略1模擬的可行調(diào)度過程Fig.3 Viable operation process under the simulation of strategy 1

圖4 策略2模擬的可行調(diào)度過程Fig.4 Viable operation process under the simulation of strategy 2

圖5 策略3模擬的可行調(diào)度過程Fig.5 Viable operation process under the simulation of strategy 3

表2 策略1可行調(diào)度過程的水文指標和出力變化Tab.2 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 1

表3 策略2可行調(diào)度過程的水文指標和出力變化Tab.3 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 2

表4 策略3可行調(diào)度過程的水文指標和出力變化Tab.4 Hydrological indicators generation of the viable operation process under strategy 3

小庫容實現(xiàn)出乎意料的效果. 在已執(zhí)行的大多數(shù)場次生態(tài)調(diào)度中，可不改變?nèi)龒{原有生態(tài)調(diào)度的出庫流量方式，僅通過葛洲壩水庫小時尺度的削峰填谷(策略1，圖3)或日間削峰填谷、夜間維持出庫流量不變(策略2，圖4)的方式，就可實現(xiàn)多日小時尺度的連續(xù)出庫流量上漲，使得下泄流量過程更符合天然河流特征，從而刺激四大家魚對漲水過程的產(chǎn)卵響應(yīng). 經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，四大家魚在5月和6月的產(chǎn)卵生態(tài)水文需求指標的改變幅度大多數(shù)不超過15%，并朝著有利的方向變化，同時大多數(shù)場次還可實現(xiàn)發(fā)電出力的增加，在葛洲壩日均入庫流量達到18000 m3/s的棄水邊界條件年份，如2012年第1次生態(tài)調(diào)度試驗(圖3b)和2018年第1次生態(tài)調(diào)度試驗(圖3h)，優(yōu)化后葛洲壩出庫流量在高峰時段減少，庫水位在滿足最大日變幅的前提下控制在較低水平，有效地減少了棄水風險. 僅少數(shù)場次(持續(xù)時間超過8天)的生態(tài)調(diào)度，受三峽水庫夜間多日電網(wǎng)低谷負荷調(diào)度影響，難以僅憑葛洲壩水庫實現(xiàn)多日小時尺度的連續(xù)出流上漲，需在滿足三峽水庫日水位消落小于0.6 m和調(diào)峰量不超300萬kW的約束條件下，采取小幅度改變當前三峽水庫生態(tài)調(diào)度出庫流量、聯(lián)合葛洲壩水庫進行精細調(diào)度的方式(策略3，圖5)，才能保證持續(xù)時間超過8 d的小時尺度連續(xù)出庫流量上漲. 這種方式，可能犧牲一部分三峽和葛洲壩梯級水庫的發(fā)電出力. 如在2015年第二次生態(tài)調(diào)度試驗(圖5a、圖5b)中，調(diào)整后的三峽日均出庫流量超過了21000 m3/s導致葛洲壩電站開始棄水，但為了滿足持續(xù)漲水的優(yōu)化目標葛洲壩水庫仍需持續(xù)的蓄泄流量，導致水庫運行水位偏低，葛洲壩電站出力隨著出庫流量的增加而持續(xù)降低；而在2018年第2次生態(tài)調(diào)度試驗(圖5c、d)中，生態(tài)調(diào)度后期三峽的日均出庫流量超過了18000 m3/s，最大日流量變幅超過了3000 m3/(s·d)，為了匹配葛洲壩的反調(diào)節(jié)能力，調(diào)整削減了三峽出庫流量日內(nèi)變幅，使得生態(tài)調(diào)度全過程日均出庫流量有一定的減少，造成葛洲壩電站的出力隨水頭降低而減少. 可見當三峽的出庫流量水平處于18000 m3/s以上時，葛洲壩存在較大棄水風險，需要犧牲梯級較少的發(fā)電量來維持生態(tài)效益.

影響四大家魚產(chǎn)卵繁殖的因素除了漲水條件，還與水溫、清水下泄帶來的產(chǎn)卵場地形改變，以及產(chǎn)卵場局部水動力條件等息息相關(guān)，本文側(cè)重從水文角度，針對其中的漲水持續(xù)時間這一關(guān)鍵水文因子進行調(diào)度策略的優(yōu)化研究，嘗試營造近自然的小時尺度連續(xù)漲水過程，調(diào)度對刺激家魚自然繁殖可能具有一定的局限性，實際效果有待實踐檢驗. 未來研究中，除了考慮水文因素外，還需要開展相關(guān)機理研究，探索四大家魚自然繁殖與水溫、水文、水動力因素的響應(yīng)機制，建立綜合考慮多重因素的優(yōu)化調(diào)度策略.

5.2 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略的應(yīng)用前景

對于魚類而言，理想的水庫生態(tài)調(diào)度是人工營造滿足它們千百年進化形成的關(guān)鍵生命期的自然生態(tài)條件. 例如，產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵繁殖期需要持續(xù)多日的連續(xù)漲水刺激、產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵繁殖期需要河流水位相對穩(wěn)定. 以滿足魚類產(chǎn)卵的適宜水文過程為目標的生態(tài)調(diào)度，對于水庫自身的調(diào)蓄能力有較高的要求，因此生態(tài)調(diào)度通常都以大型控制性水庫為主導調(diào)控出流. 目前的水庫生態(tài)調(diào)度，受到水庫運用方式影響，如水電站配合電網(wǎng)進行的負荷調(diào)峰調(diào)度，以及水庫本身調(diào)節(jié)庫容、運行水位、泄流能力等多種硬性約束條件制約，使得水庫生態(tài)調(diào)度在具體執(zhí)行時會出現(xiàn)某些時段悖于魚類生態(tài)需求的出流方式，僅依靠單座控制性水庫的調(diào)度難以在調(diào)度期全時段滿足魚類生態(tài)水文要求.

梯級水庫開發(fā)中為了提高水利樞紐的綜合效益，在控制性水庫下游往往建有小型反調(diào)節(jié)水庫. 反調(diào)節(jié)水庫一般為徑流式電站，庫容小，不承擔電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，主要通過下游水庫水位流量的調(diào)控反饋作用上游大型控制性水庫，對上游水庫調(diào)峰發(fā)電的不穩(wěn)定流進行再調(diào)節(jié)，以改善下游河道的水流條件. 典型的“一庫兩級”梯級電站以三峽-葛洲壩為代表，還包括二灘-桐子林、豐滿-永慶、天生橋一級-天生橋二級、景洪-橄欖壩等. 充分發(fā)揮下游反調(diào)節(jié)水庫的庫容，通過精細化反調(diào)節(jié)調(diào)度，配合上游控制性水庫的協(xié)同聯(lián)合調(diào)度，為改善現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度創(chuàng)造了可能，本文也論證了其可行性. 利用不同策略的梯級協(xié)同生態(tài)調(diào)度可以針對不同魚類產(chǎn)卵繁殖期的生態(tài)需求提供相應(yīng)的水文水動力條件，例如營造下游河道小時尺度的連續(xù)漲水過程，減緩河道水位日內(nèi)的陡漲陡落，優(yōu)化分配機組出力運行方式改善產(chǎn)卵場水動力條件. 同時梯級協(xié)同調(diào)度也在一定程度上統(tǒng)籌了水庫綜合效益，有效協(xié)調(diào)了生態(tài)目標與非生態(tài)目標的矛盾關(guān)系，減少了出力高峰期反調(diào)節(jié)水庫的棄水風險，保證了反調(diào)節(jié)水庫生態(tài)調(diào)度期的發(fā)電效益. 可見，梯級水庫中控制性水庫與下游反調(diào)節(jié)水庫這種上下游調(diào)節(jié)庫容相差懸殊的“一庫兩級”組合，二者緊密的水力聯(lián)系使得大多數(shù)情況下僅利用反調(diào)節(jié)水庫的微小庫容對現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度進行小時尺度的精細調(diào)整即可大為改善下游魚類生態(tài)水文條件，這突破了常規(guī)認識，可在其他“一庫兩級”式梯級水庫生態(tài)調(diào)度實踐中推廣應(yīng)用.

5.3 生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略的適應(yīng)性管理

由于水庫來水流量、生物響應(yīng)、電網(wǎng)出力需求的不確定性，梯級協(xié)同調(diào)度在具體操作層面上如何平衡生態(tài)效益與其他興利效益需要通過適應(yīng)性管理進行不斷的改進再優(yōu)化. 未來適應(yīng)性管理可關(guān)注以下幾個方面問題：(1)當前四大家魚自然繁殖的水流刺激機理與響應(yīng)閾值尚未明晰，通過生態(tài)調(diào)度修復(fù)水庫對魚類的不利生態(tài)影響是個典型的不確定性難題，實踐過程中應(yīng)通過魚類繁殖、水文、產(chǎn)卵場水動力條件等要素的跟蹤監(jiān)測，探索總結(jié)有效刺激魚類繁殖的調(diào)度策略. (2)考慮到梯級水庫間的水力聯(lián)系，反調(diào)節(jié)調(diào)度計劃要將反調(diào)節(jié)水庫庫尾的回水頂托影響納入約束條件，避免梯級電站的總發(fā)電效益受損. (3)對于需要較長持續(xù)時間的生態(tài)調(diào)度，則需要協(xié)調(diào)上游控制性水庫進行梯級間的聯(lián)合調(diào)度，否則生態(tài)調(diào)度目標難以持續(xù). (4)本文提出的生態(tài)調(diào)度優(yōu)化策略頻繁動用到反調(diào)節(jié)水庫的庫容，將使其庫水位波動頻率和幅度加劇. 因此，倘若反調(diào)節(jié)水庫的庫區(qū)具有航運功能時，在生態(tài)調(diào)度期需要協(xié)調(diào)電網(wǎng)適當減少上游大型控制性水庫的調(diào)峰容量，避免電網(wǎng)調(diào)峰與生態(tài)調(diào)度優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)生的不利非恒定流影響疊加，影響航運安全.

6 結(jié)論

生態(tài)調(diào)度是減緩水庫不利生態(tài)影響的重要手段. 以葛洲壩—三峽梯級水庫生態(tài)調(diào)度試驗為代表的中國水庫生態(tài)調(diào)度實踐已執(zhí)行了10年10余場次. 受水庫不同運行方式影響，目前生態(tài)調(diào)度營造的水流條件會在局部時段出現(xiàn)與魚類生態(tài)需求相悖的情況，有待優(yōu)化改進. 本文通過構(gòu)建三峽—葛洲壩梯級水庫聯(lián)合調(diào)度模型，研究分析了梯級水庫通過不同方式協(xié)調(diào)運行改善下游魚類繁殖條件的可行性，并提出了如下生態(tài)調(diào)度的優(yōu)化調(diào)整策略：在當前大多數(shù)三峽水庫生態(tài)調(diào)度出庫流量控制方式下，可利用葛洲壩自身微小的反調(diào)節(jié)庫容，采用策略1：削峰填谷，或采用策略2：在夜間20:00-24:00三峽水庫調(diào)節(jié)電網(wǎng)谷時負荷減少出庫流量的時段，維持一定的流量水平不變，而后再增加出庫流量，可實現(xiàn)下游河道全生態(tài)調(diào)度期較為平滑的小時尺度連續(xù)漲水過程，同時可改善日流量上漲率、下游水位上漲率等四大家魚產(chǎn)卵的生態(tài)水文指標，使?jié)q水過程更為貼近四大家魚產(chǎn)卵水文需求. 此外，該調(diào)度策略還可一定程度增加發(fā)電出力，獲得生態(tài)與經(jīng)濟共贏的良好成效. 建議未來葛洲壩水庫可積極采取這種調(diào)度策略優(yōu)化當前生態(tài)調(diào)度方案. 對于三峽出庫流量偏大或者日內(nèi)出庫流量變幅劇烈的情況，由于葛洲壩調(diào)節(jié)庫容有限，通過葛洲壩水庫的反調(diào)節(jié)作用營造適合于四大家魚產(chǎn)卵需求的連續(xù)漲水過程相對困難，需要三峽水庫配合調(diào)節(jié)出庫流量過程，可采取策略3：小幅度改變當前三峽水庫生態(tài)調(diào)度出庫流量、先形成三峽水庫日尺度的持續(xù)漲水過程，再聯(lián)合葛洲壩的反調(diào)節(jié)形成小時尺度的漲水過程. 本文提出的對當前生態(tài)調(diào)度方式的優(yōu)化策略，對于其他控制性水庫與反調(diào)節(jié)水庫這種上下游調(diào)節(jié)庫容相差懸殊的“一庫兩級”式梯級水庫，具有較好的推廣應(yīng)用前景，未來可在實踐中檢驗其效果，并通過適應(yīng)性管理進一步再優(yōu)化.