主講人：鄧銘江

額爾齊斯，有人認為是準噶爾語“峽”的譯音，也有人認為是準噶爾語“遒緊”之意，意為聲調(diào)音節(jié)急迫短促。對于一名水利工程師來講，額爾齊斯河是一條充滿誘惑和挑戰(zhàn)的河流。

這是一條浩浩蕩蕩的大河，也是一條充滿潛能的大河。

額爾齊斯河發(fā)源于我國境內(nèi)阿爾泰山南坡，進入哈薩克斯坦后，有喀奇利爾河、庫勒丘姆河、布赫塔爾馬河、烏利巴河和烏巴河等5 條支流依次匯入，河面和河床寬度陡然增加了3倍，顯現(xiàn)出一種宏大的氣勢。兩岸的河谷林遮天蔽日，寧靜而美麗的色彩一眼望不到盡頭。

河流進入俄羅斯后，發(fā)源于烏拉爾山東部的伊希姆河、托博爾河、孔達河和發(fā)源于阿爾泰山南坡的鄂木河、杰米揚卡河等主要支流，分別從左、右岸匯入。由于接近北冰洋，降水增多，水量豐沛，河網(wǎng)發(fā)育，形成典型的沼澤草原地貌。在河道的自然演化過程中形成了眾多的牛軛湖濕地，從空中俯瞰，極為神奇、壯觀。正可謂是水漫天際、森林無邊、綠草無垠、風光無限。而當漫長的冬季到來時，又是銀海茫茫、萬里冰封的另一番景觀。

為了解決中亞地區(qū)大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)引起的水資源短缺問題，蘇聯(lián)曾制定了龐大的西伯利亞—中亞調(diào)水計劃。其中，泛額爾齊斯河調(diào)水計劃是從葉尼塞河、鄂畢河上游和額爾齊斯河下游向巴爾喀什湖流域、咸海流域調(diào)水。經(jīng)過長期研究論證，科研和設計人員一致認為，從額爾齊斯河中游調(diào)水的方案比較可行。于是，1962—1972 年在舒里賓斯克水庫下游建成了卡拉干達運河，一期工程全長458 km，年供水22.5億m3；未能實施的二期工程全長1037 km，計劃將水調(diào)入錫爾河。

2012年，哈薩克斯坦也提出了一個宏大的調(diào)水計劃。該工程以舒里賓斯克水庫為龍頭，沿中部高地的邊緣，先向西北，后折向南，自流引水，跨越全境，連通額爾齊斯河、伊希姆河、托博爾河、薩雷蘇河、楚河、塔拉斯河、伊犁—巴爾喀什河和錫爾河等水系，建立全國統(tǒng)一的水資源保障系統(tǒng)。工程全長3100 km，年調(diào)水量70億m3。

而上游的我國境內(nèi)，經(jīng)過新中國70多年的有序開發(fā)，額爾齊斯河干支流控制性工程體系已基本形成，科學系統(tǒng)地解決了“后壩工時代”和跨流域調(diào)水后的流域生態(tài)調(diào)度和生態(tài)修復問題，這正是本文要表述的主要內(nèi)容。

在水利水電工程調(diào)度運行中，適時、適量、適溫地下泄生態(tài)水量，使其更有利于恢復河流自然水文節(jié)律、滿足物候節(jié)律，是維系河谷生態(tài)系統(tǒng)健康的關鍵所在。開展生態(tài)調(diào)度必須首先揭示三個基本科學問題：一是精準可靠的來水預測與洪水峰現(xiàn)時間預報；二是揭示流域干支流水文過程演進規(guī)律；三是探求河流生態(tài)需水節(jié)律與水文情勢變化時空耦合機理。

一、來水預測與洪水峰現(xiàn)時間預報

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，河道外經(jīng)濟社會用水（含調(diào)水）與河道內(nèi)生態(tài)用水競爭性矛盾日益加劇。來水預測是水資源配置和調(diào)控管理的重要前提，而關鍵生態(tài)期洪峰流量的科學預測，對水庫群生態(tài)調(diào)度方案的制訂具有重要的指導意義，是生態(tài)調(diào)度和生態(tài)修復面臨的第一個科學問題。

1.基于多氣候因子的流域來水預測

影響來水的因子眾多，且區(qū)域差異顯著，精選因子是建立預報模型的基礎性工作，且應遵循以下原則：①與河流來水顯著相關；②具有明確的物理意義且易獲得；③對來水的影響有一定的持續(xù)性和規(guī)律性；④該要素的影響范圍比較大。

額爾齊斯河來水一方面受海溫、海冰、積雪、太陽輻射等外部強迫因子的作用，另一方面又與大氣環(huán)流等內(nèi)部特性密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，海溫指數(shù)（Nino）、北大西洋海溫距平（ASSTA）、500 hPa高度場等氣候因子是影響流域年來水過程的關鍵因子，北大西洋濤動（NAO）和西風指數(shù)（WI）對流域年來水預測起輔助作用。采用組合及典型相關分析方法，構建了流域及干支流來水預測模型。以2021年為例，阿勒泰地區(qū)的庫威水文站、富蘊水文站、克蘭河阿勒泰和布爾津河群庫勒水文站，預測年徑流相對誤差除富蘊站稍大外（誤差19%），其余各站都不超過5%，預測結果總體可靠。

2.基于零度層高度的洪水峰現(xiàn)時間預報

額爾齊斯河干支流以融雪性洪水為主，洪水過程與氣溫過程密切相關。為了準確預報關鍵生態(tài)期的洪峰流量，建立了阿勒泰氣象站零度層高度3 日滑動平均值與干支流洪峰出現(xiàn)時間的相關關系，開展洪水峰現(xiàn)時間預報。

研究表明，5—6 月份阿勒泰氣象站零度層高度3000 m是河流漲水的臨界閾值，若出現(xiàn)連續(xù)3日以上，則干支流必將出現(xiàn)一個明顯的漲水過程；零度層高度3400 m是主要支流出現(xiàn)洪峰的臨界閾值，若出現(xiàn)連續(xù)3日以上，在未來7日、5日、3日內(nèi)出現(xiàn)洪峰的概率分別是80%以上、60%～70%和40%～55%。

二、河道內(nèi)生態(tài)需水與生態(tài)水文過程耦合

營造與河道生態(tài)需水相適應的生態(tài)水文過程，時空耦合河流生態(tài)需水節(jié)律與水文情勢變化，是生態(tài)調(diào)度和生態(tài)修復面臨的第二個科學問題。維系河谷林草生態(tài)系統(tǒng)不退化、面積不萎縮、產(chǎn)草量不減少，保護干支流23種土著魚類所需特定的水文過程，促進其產(chǎn)卵繁殖，是流域生態(tài)調(diào)度兩個主要目標任務。

鑒于此，本研究提出耦合生態(tài)需水的三次脈沖水文過程，以滿足河岸植被和河道內(nèi)魚類生態(tài)需水過程（圖1）。三次脈沖是指生態(tài)調(diào)度的三個過程，即4月中下旬促進鮭科魚類產(chǎn)卵繁殖的第一次脈沖調(diào)度，5月上中旬促進鯉科魚類產(chǎn)卵繁殖的第二次脈沖調(diào)度，以及5月下旬至6月上旬促進河谷林草繁殖、更新、生長的第三次脈沖調(diào)度。

圖1 額爾齊斯河生態(tài)需水節(jié)律與水文情勢變化耦合關系

1.促進魚類產(chǎn)卵繁殖的生態(tài)流量脈沖

水體溫度對親魚(指發(fā)育到性成熟階段, 具有繁殖能力的雄魚或雌魚，也叫種魚)的性腺發(fā)育具有重要作用。一般來說，維持魚類生存生長的水溫范圍較廣，但適宜魚類產(chǎn)卵繁殖的水溫范圍較窄。額爾齊斯河魚類大致分為鮭科魚類和鯉科魚類。哲羅魚、細磷魚等鮭科魚類產(chǎn)卵繁殖的適宜水溫為6～8℃，時間為4 月中旬至4月下旬；高體雅羅魚、東方歐鳊、額河銀鯽等鯉科魚類產(chǎn)卵繁殖適宜溫度為12～22℃，時間為5 月上旬至6月上旬。

額爾齊斯河魚類以產(chǎn)沉黏性卵為主，從生理學特性來看，產(chǎn)卵繁殖無洪水脈沖等水文需求。但從現(xiàn)場監(jiān)測來看，魚類有頂水洄游習性，漲水過程為魚類提供產(chǎn)卵“信息流”。與此同時，持續(xù)的漲水過程和洪水出槽漫灘，促進河岸與河道物質(zhì)交換，為魚類產(chǎn)卵繁殖提供豐富食物（能量流），擴大魚類產(chǎn)卵的空間，塑造適宜生境。因此，在4月中旬至6月上旬開展第一、第二次生態(tài)調(diào)度，是生態(tài)修復的重要保障措施。

2.促進河谷林草繁殖生長的生態(tài)流量脈沖

額爾齊斯河河谷地帶多年平均年降水量約158 mm，其中林草生長期4—8月份降水量只有87 mm，降水量不能滿足河谷牧草的生長需要。額爾齊斯河洪水為融雪補給和降水補給型復合洪水，年最大洪峰主要集中在5月下旬至6月上旬。天然情況下，大多數(shù)年份的洪水都會漫灘，灌溉河谷林草，漫灘時間與林草生長需水高峰期重疊，保障了河谷牧草生長需水。

在牧草生長需水和河谷林繁殖更新的關鍵期，通過水庫調(diào)節(jié)，開展第三次生態(tài)調(diào)度，在干支流塑造漫灘洪水過程，有效補給土壤水和地下水，擴大繁殖空間，是促進河谷林草生長繁殖的必要條件。

三、流域干支流流量調(diào)控閾值與演進規(guī)律

額爾齊斯河水系發(fā)育、河谷較寬，漫灘洪水的塑造需要通過上游水庫群聯(lián)合調(diào)控，形成大流量、長時間的人工洪水過程。摸清流域干流上下游以及干支流復雜河網(wǎng)的流量演進規(guī)律，人工塑造與生態(tài)系統(tǒng)需水相適應的可控洪水，通過干支流梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)三次脈沖的生態(tài)水文過程，是生態(tài)調(diào)度和生態(tài)修復面臨的第三個科學問題。

1.關鍵控制斷面漫灘流量調(diào)控閾值

運用一維水動力模型HEC-RAS模擬各河段的漫灘流量及其洪水演進過程。模型的上邊界為635水庫、克孜加水庫、布爾津山口水庫和哈巴河山口水庫下泄流量過程，模型的下邊界為出境斷面南灣水文站水位流量關系曲線。沿程考慮一、二、三干龍口灌溉引水，西水東引一期工程補水和引額濟海工程引水等。通過模型計算和實地監(jiān)測，在現(xiàn)狀河流水文情勢及生態(tài)需水要求下，635水庫下泄洪峰1000 m3/s且持續(xù)時間大于4 天時，洪水才會上灘。各控制斷面漫灘流量調(diào)控閾值如圖2所示。

圖2 額爾齊斯河控制斷面漫灘流量調(diào)控閾值及時程演進過程示意

2.干支流流量演進與洪峰疊加

根據(jù)各河段關鍵控制斷面的漫灘流量閾值和演進過程，確定干支水庫調(diào)度方案。由圖2可知，以635水庫開始下泄洪峰流量為0 h 計起，48 h 后克孜加水庫開始加大流量泄洪，進行“額河干流—克蘭河”湊峰調(diào)度；144 h后布爾津山口水庫加大流量泄洪并實施“額河干流—克蘭河—布爾津河”湊峰調(diào)度；204 h后哈巴河山口水庫加大流量泄洪并實施“額河干流—克蘭河—布爾津河—哈巴河”湊峰調(diào)度。

四、構建流域湊峰調(diào)度工程技術體系

1.流域工程格局的構成

額爾齊斯河干流上的喀臘塑克、635水庫，克蘭河上的克孜加水庫，布爾津河的沖乎爾、布爾津山口水庫，哈巴河上的吉勒布拉克、哈巴河山口水庫，以及西水東引一期干渠構成“七庫一干”工程格局（圖3）。為充分發(fā)揮大型水庫多年調(diào)節(jié)作用，以生態(tài)和社會經(jīng)濟缺水量最小、可調(diào)水量最大、綜合效益最大和水電站群發(fā)電量最大為目標，以供水保證率、流域水量平衡作為全局約束，以水庫水量平衡、水位、供水、出力作為局部約束，建立水庫群中長期生態(tài)調(diào)度模型。

圖3 額爾齊斯河干支流工程布局節(jié)點示意

從宏觀尺度上揭示水庫群多年生態(tài)調(diào)度規(guī)律，制定水庫生態(tài)調(diào)度規(guī)則，獲得不同水文年生態(tài)可供水量；從中觀尺度上揭示水庫群年內(nèi)生態(tài)調(diào)度規(guī)律，獲取關鍵時段生態(tài)可供水量及過程，以期保證水庫群在多年和年內(nèi)運行期間，水資源綜合利用和生態(tài)調(diào)度策略科學、合理，重點關注連續(xù)枯水年生態(tài)調(diào)度預案的研究，為發(fā)揮水庫群綜合利用效益、保障生態(tài)系統(tǒng)安全提供戰(zhàn)略指導。

2.干支流水庫群湊峰調(diào)度設計方案

湊峰調(diào)度是塑造河谷林草適宜生境的重要水文過程，即在第三次脈沖調(diào)度期間，首先通過設置干支流水庫開始大流量下泄的時間間隔，人為造成干支流洪水遭遇，用盡可能少的下泄水量實現(xiàn)盡可能大的漫灘洪峰和洪量。然后，基于生態(tài)閘、壅水壩、牧業(yè)大渠等漓漫灌溉工程的聯(lián)合運行，將人造洪水充分引入各級灌區(qū)，對林草進行適時、適量、精細化的生態(tài)灌溉。

根據(jù)流域多年平均來水及洪水演進規(guī)律分析，“七庫一干”湊峰調(diào)度設計方案如下：喀臘塑克與635水庫聯(lián)合調(diào)度方案為“0—1000—108—5.4”（分別為滯后635水庫大流量下泄時間—洪峰流量—持續(xù)時間—下泄水量），克孜加水庫生態(tài)調(diào)度方案為“60—150—48—0.26”，沖乎爾與布爾津山口水庫聯(lián)合調(diào)度方案為“198—1000—48—1.73”，吉勒布拉克與哈巴河山口水庫聯(lián)合調(diào)度方案為“258—400—48—0.69”。

五、創(chuàng)建河谷林草漓漫灌溉技術體系

為了提高生態(tài)用水效率，保護河谷林草特有生態(tài)環(huán)境，本研究創(chuàng)新提出了一種新的生態(tài)灌溉模式——漓漫灌溉（圖4），即在河谷生態(tài)區(qū)，借助第三次脈沖調(diào)度形成洪水漫灘的有利條件，通過生態(tài)閘、壅水壩、阻水堤、溢流口、牧業(yè)大渠、低揚程水泵等工程措施，形成河湖聯(lián)通、水網(wǎng)通達、水勢漫溢、浸沒林草濕地的生態(tài)灌溉系統(tǒng)，改善河道外植被的供水條件，塑造有利于生態(tài)系統(tǒng)恢復的生態(tài)水文過程，對河谷林草進行“靶向灌溉、靶區(qū)灌溉、應灌盡灌”，最大限度地保護河谷生態(tài)系統(tǒng)。

圖4 額爾齊斯河河谷林草漓漫灌溉系統(tǒng)及工程布局示意

1.構建四級分布格局的漓漫灌區(qū)

灌區(qū)劃分及其灌溉過程是實現(xiàn)漓漫灌溉的重要組成部分。根據(jù)額爾齊斯河“七庫一干”下的25 座生態(tài)閘、7條牧業(yè)大渠、阻水堤群、溢流堰、自然河汊、低揚程移動泵站的工程布局，以及河谷濕地、林草分布、水系特征、地貌等情況，將河谷林草生態(tài)功能區(qū)劃分成2個一級灌區(qū)、12 個二級灌區(qū)、16 個三級灌區(qū)和29 個四級灌區(qū)。其中，2 個一級灌區(qū)分別為漫灌區(qū)和漓灌區(qū)。漫灌區(qū)是指河漫灘林草、濕地等核心區(qū)生態(tài)保灌范圍；漓灌區(qū)是指通過閘渠從干支流河道引水，對洪水難以到達的區(qū)域進行漓灌，來水豐則漓灌的引用流量大、歷時長。12 個二級灌區(qū)分別為干流和各支流下游河谷濕地。

2.科學制定河谷林草漓漫灌溉制度

灌溉制度是規(guī)劃、設計灌溉工程和進行灌區(qū)運行管理的基礎，主要包括灌水時間、灌水次數(shù)、灌水定額和灌溉定額。自然條件下，額爾齊斯河每年的最大洪峰主要集中在5 月中下旬至6 月上中旬，與河谷林草生態(tài)關鍵期的需水過程吻合，且多數(shù)年份一年只有一場較大的洪水，若不充分利用將面臨無水可用的局面。根據(jù)灌溉試驗資料，河谷林草灌溉方式為地面淹灌，參考河谷林草生態(tài)需水量，在以年為調(diào)度周期的中長期尺度內(nèi)，不同植被在4—9 月期間內(nèi)間歇性灌溉6～9 次，持續(xù)時間4～9 天。其中，5 月下旬至6 月上旬為關鍵生態(tài)期的漓漫灌溉。非關鍵生態(tài)期的間歇性灌溉由天然洪水、河道側滲、地下水補給以及牧業(yè)大渠完成。

因此，通過水庫群湊峰調(diào)度，塑造全流域第三次生態(tài)脈沖流量過程，制定科學的漓漫灌溉制度，實現(xiàn)漓漫灌溉系統(tǒng)的精細化調(diào)控，是生態(tài)調(diào)度的關鍵技術。

六、建立科學化、系統(tǒng)化、制度化的生態(tài)調(diào)度機制

生態(tài)調(diào)度與生態(tài)修復的探索實踐必須持之以恒，久久為功，因此建立科學化、系統(tǒng)化、制度化（簡稱“三化”）的生態(tài)調(diào)度機制勢在必行。而構建完整的生態(tài)監(jiān)測和評估系統(tǒng)，揭示水庫群調(diào)度的生態(tài)響應規(guī)律，闡明生態(tài)復雜系統(tǒng)之間的互饋與修正機制，是實現(xiàn)生態(tài)調(diào)度“三化”的關鍵科學依據(jù)。根據(jù)生態(tài)保護與修復的實施效果，不斷改進調(diào)度方案、修正模型參數(shù)、優(yōu)化灌溉模式，在長期的實踐中總結經(jīng)驗，完善監(jiān)測、評估、反饋、修正和優(yōu)化的生態(tài)調(diào)度機制，才能實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)保護與修復的最終目標。

1.“三化”機制組成及實踐

設立了以阿勒泰地區(qū)行政公署為組長單位的生態(tài)調(diào)度領導小組，成員單位包括額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，地區(qū)水利局、氣象局、林業(yè)和草原局、生態(tài)環(huán)境局，以及流域“七庫一干”工程管理單位，并建立專家咨詢機制。2016—2022年連續(xù)7年開展了生態(tài)調(diào)度研究與實踐工作。

建立“三化”機制的具體做法是：每年3 月底或4月初，對上一年的生態(tài)調(diào)度方案執(zhí)行情況進行復盤和總結，召開水情會商會暨當年生態(tài)調(diào)度方案初審會；5月下旬召開生態(tài)調(diào)度方案咨詢審查會，根據(jù)水文氣象部門來水預報結果，修改形成最終實時生態(tài)調(diào)度方案，相機組織實施生態(tài)調(diào)度；林草漓漫灌溉期間及8月下旬打草結束后，相關單位及時提交生態(tài)調(diào)度監(jiān)測數(shù)據(jù)和評估報告。

采用遙感影像解譯及天上（衛(wèi)星、無人機）、地面（自動、人工）、地下（鉆孔）、水中（采樣）等多維監(jiān)測手段，觀測研究區(qū)洪水水位和漫灘面積，計算河谷林草覆蓋率、蓋度、高度、干物質(zhì)量以及河道內(nèi)魚群大小、種類等，綜合評估和驗證生態(tài)調(diào)度的合理性和科學性。

2.促進河谷林草生長繁殖的生態(tài)調(diào)度效果

在額爾齊斯河干支流出山口以下河谷地區(qū)，分布有225萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）林草濕地。2016—2021 年生態(tài)調(diào)度期間，年度漓漫灌溉最大面積為132萬～181.4 萬畝，漓漫灌溉率為60%～82%。年均漓漫灌溉167.14萬畝，漓漫灌溉率76%。除受地貌影響，以及部分沙包區(qū)難以漓漫覆蓋等因素外，研究區(qū)基本實現(xiàn)了應灌盡灌。2016—2021 年研究區(qū)平均植被覆蓋比2001—2010年增加了7.4%（圖5），牧草產(chǎn)量平均增加了5.81萬t（圖6）。

圖5 研究區(qū)平均植被覆蓋度變化過程

圖6 研究區(qū)單位面積干草產(chǎn)量變化趨勢

3.促進魚類產(chǎn)卵繁殖的生態(tài)調(diào)度效果

4—5 月份魚類產(chǎn)卵期，水流多樣性增加，漲水次數(shù)和漲水持續(xù)時間增加了近一倍，基本滿足了干支流土著魚類產(chǎn)卵的生境需求，土著魚類多樣性得以維系，漁獲量呈顯著增長趨勢。

據(jù)相關文獻記載，我國境內(nèi)額爾齊斯河有小體鱘分布，但從1964年第一次對魚類全面調(diào)查以來的5次魚類資源調(diào)查，均未調(diào)查到魚類旗艦種——小體鱘。2019 年在研究區(qū)首次采集到小體鱘。2018 年和2020年，課題組兩次在科克蘇濕地采集到我國魚類新記錄種——凱氏七鰓鰻。根據(jù)謝春剛等研究分析，凱氏七鰓鰻可能是從哈薩克斯坦境內(nèi)的齋桑泊上溯進入我國境內(nèi)河段。魚類旗艦種再現(xiàn)和新記錄種的發(fā)現(xiàn)，表明生態(tài)調(diào)度后河流水生生態(tài)系統(tǒng)更加健康。

七、結 語

水庫群精細化生態(tài)調(diào)度是解決當前流域生態(tài)系統(tǒng)保護問題的重要科學路徑之一。當前，水庫生態(tài)調(diào)度的發(fā)展趨勢，一是開始致力于“后壩工時代”河湖全域生態(tài)恢復；二是重新權衡生態(tài)完整性保護與經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的關系；三是已邁入大尺度生態(tài)調(diào)度研究與實踐的新時代；四是研究內(nèi)容和創(chuàng)新實踐不斷豐富，特別是學科的交叉性、行為的互動和聯(lián)動性進一步增強。

駐守北疆，助力生態(tài)文明建設，勇?lián)刈o綠水青山使命，長期堅持開展生態(tài)調(diào)度與生態(tài)修復實踐工作，是一件值得稱頌的事。我們要牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”“冰天雪地也是金山銀山”的發(fā)展理念，嚴守生態(tài)紅線，不斷完善大尺度生態(tài)調(diào)度“三化”機制，努力將額爾齊斯河的生態(tài)修復研究與實踐打造成新疆生態(tài)環(huán)境保護的示范區(qū)和中國生態(tài)調(diào)度實踐的亮麗名片。

云天蒼蒼，大河浩蕩。

額爾齊斯河是一條溫婉的河流，她以自己的血脈，哺育了阿爾泰山與準噶爾盆地的萬千生靈。她是一條寧靜的河，是新疆走得最遠的河流，揖別金山熱土，慷慨遠赴，寧靜致遠，歸宿寒極，環(huán)球同此涼熱。