水庫調度研究管理論文

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一、現行水庫調度方式及存在的問題

目前，我國的水庫調度主要是圍繞防洪、發電、灌溉、供水、航運等綜合利用效益所進行的。依據水庫既定的水利任務和要求而制定的蓄泄規則，就是我們通常所說的水庫調度方式。長江流域現行水庫調度方式主要分為兩大類，即防洪調度與興利調度。防洪調度的主要任務是確保水庫大壩安全和處理防洪與興利的矛盾。對不承擔下游防洪任務的水庫而言，防洪調度的主要任務是在確保水庫大壩安全的前提下，充分發揮水庫興利效益；對承擔有下游防洪任務的水庫，防洪調度的主要任務，是在確保水庫大壩安全的前提下，處理好防洪與興利之間的矛盾，通常采用的調度方式有：固定下泄（一級或多級）、補償調節、預報預泄等，汛限水位是處理防洪與興利矛盾的基本特征水位。興利調度一般是在非汛期，按照水庫所承擔興利任務的重要程度，合理分配水資源，謀求經濟效益最大化的調度方式，按照工程任務一般分為：發電調度、灌溉調度、供水調度等類型。

以丹江口水利樞紐為例，其初期規模的綜合利用任務為：防洪、發電、灌溉、航運及養殖。大壩加高后水庫調節能力及承擔各項水利任務的能力將有較大的改善和提高，其水利任務將調整為：防洪、供水、發電、航運。丹江口水庫現狀及大壩加高后，洪水調度方式均為預報預泄、補償調節、分級控泄；興利調度現狀按水利任務主次，依據水庫調度圖進行控制運行。大壩加高后，丹江口水庫按發電服從調水、調水服從生態的原則擬定控制水位和調度規則，在滿足水源區用水發展要求的前提下，盡可能多調水，并按庫水位高低和來水情況，分區進行調度，大水多調，小水少調。

現行水庫的管理制度和調度運行模式的主要任務是，處理、協調防洪和興利的矛盾以及興利任務之間的利益。從河流生態系統保護的角度看，現行調度方式存在的主要問題：一是大多數的水庫調度方案沒有考慮壩下游生態保護和庫區水環境保護的要求。目前一些大型水電站在進行調峰調度運行時以及支流中開發的引水式水電站，往往只重視發電效益，忽視了壩下游生態保護的要求，如電站在調峰運行和引水發電時，導致壩下游出現減水河段，甚至脫水河段，使壩下游水生物（尤其是魚類）的生存環境遭受極大破壞，一些減水和脫水河段的生物多樣性遭受嚴重破壞，直接威脅壩下游水生態的安全；由于水庫對下泄流量的調節作用，也可能引起水庫下游局部河段出現水體富營養化。二是受水庫調度運行的影響，也會引發庫區局部緩流區域或支流回水區出現水體富營養化，甚至“水華”現象的發生；水庫消落帶的利用與水庫的調度運行不協調，可能造成消落帶利用而污染水庫水質。三是缺乏對水資源的統一調度與管理。目前長江上游干支流水電開發基本進入全面開發的狀態，一些工程規模大、調節性能好、綜合利用效益大的控制性水利樞紐工程正在加快建設。這些樞紐工程建成后，如果仍采用目前的調度與管理模式，各發電公司僅按樞紐各自的任務進行調度運用，勢必會造成對水資源統一調度的不利，不僅會影響流域梯級水庫整體的綜合利用效益，而且還會導致生態與環境等一系列影響。例如，如果長江上游干支流水庫同步蓄水、放水，下游河道水量大幅減少或增加，將對長江中下游的生態與環境產生較嚴重的影響。

從三峽水庫調度運行面臨的問題和沱、岷江流域梯級開發及水庫調度存在的主要問題，可以更加清楚地看到現有水庫調度方式存在的問題。

（一）三峽水庫調度運行面臨的問題

三峽水庫首先考慮的是防洪，其次考慮發電和航運，壩下游生態保護和庫區水環境保護將面臨許多新的問題。一方面，在三峽水庫泄水運行過程中，每年4月底至5月初，由于三峽水庫壩前存在水溫分層，水庫升溫期下泄水較天然情況的水溫低，將會使壩下游“四大家魚”的產卵時間推遲約20天；同時，三峽水庫的削峰作用，也直接影響“四大家魚”的產卵量，可能導致中下游“四大家魚”的產量下降；水庫泄洪時，可能使下泄水流中造成氮氣過飽和，可能使壩下游魚類（尤其是魚苗）發生“氣泡病”；水庫的清水下泄，影響和改變了中下游的江湖關系，也相應的影響了中下游的水生態環境。另一方面，在三峽水庫蓄水運行過程中，支流回水區受水庫回水頂托的影響，在局部緩流區域可能會出現水體富營養化，甚至“水華”（如135m蓄水過程中香溪河發生的“水華”）；隨著水庫蓄水位抬高，水庫消落帶的利用，也可能影響水庫水體的水質。

（二）沱江流域水庫調度存在的問題嚴峻

沱江干流總長達600多km，經成都、資陽、內江、瀘州后注入長江，流域面積約2.7萬km2。兩岸人口密集、工業企業眾多。由于缺乏有效環境管理，沱江接連出現了兩次嚴重污染事件，污染事件發生后緊急實施跨流域調水——通過都江堰和三岔水庫分別調水5000萬m3和500萬m3為沱江沖污，調水流量甚至大于沱江上游來水。但在調水沖污過程中，由于對沱江干流的石橋、沱江、南津繹等梯級水電站缺乏統一調度與管理，污水團下泄緩慢，調水沖污效果并不理想。這一事件充分暴露了電調與水調的矛盾，暴露了企業在處理經濟利益與生態保護中的局限性，也暴露出管理制度的薄弱。

（三）岷江流域水庫調度存在的問題

岷江干流除在建電站紫坪鋪和支流在建獅子坪電站外，目前干、支流上已建的其他水電站均采用引水式開發，各水電站為了獲取最大的發電效益，盡量引水發電，基本不考慮河道內生態用水，導致干流約80km、支流約60km的河段出現時段性脫水。銅鐘電站以上的茂縣境內，斷流現象十分突出，河道干涸，在40km的河段內，干涸河段長17km，占河段長度的42%。岷江上游干流和主要支流原生的近40種魚類，包括國家二級保護魚類虎嘉魚，由于河流減水或斷流，河床萎縮或干涸，直接影響魚類的繁衍和生存，魚類數量和種群急劇下降，許多河段生物多樣性喪失殆盡。20世紀80年代以后，茂縣以下河段虎嘉魚已絕跡，曾是雜古腦河和岷江上游主要經濟魚類的重口裂腹魚，也很少發現。此外，在脫水、斷流河段，河床大部分甚至全部裸露，亂石堆積，兩岸植被萎縮，河床出現沙化，在汛期大水時，易形成含沙高的洪水，加劇下游河道的淤積。

此外，岷江上游地區比較好的土地多集中于河道兩岸，農田灌溉主要依靠抽、引岷江水灌溉。由于部分河段出現脫流或減水，使河流兩岸農田的灌溉水源無法保證。

綜上所述，一方面長江流域水資源和水力資源豐富，目前總體開發利用程度不高，開發利用潛力巨大，隨著我國社會經濟發展對水資源和能源要求的提高，長江流域的水資源和水力資源的開發利用，必將進入一個快速發展階段。另一方面，現行的水庫調度方式主要是處理、協調防洪和興利的矛盾以及興利任務之間的利益，對水庫下游生態保護和庫區水環境保護重視不夠，對生態與環境造成一定的負面影響。這就要求我們把生態調度納入水庫調度統一考慮，努力提高防洪、興利與生態協調統一的水庫綜合調度方式。

二、完善水庫調度方式的基本思路和對策措施

完善水庫調度方式的基本思路是：牢固樹立和認真落實以人為本，全面、協調、可持續的科學發展觀，以維護健康長江、促進人水和諧為基本宗旨，統籌防洪、興利與生態，運用先進的調度技術和手段，在滿足壩下游生態保護和庫區水環境保護要求的基礎上，充分發揮水庫的防洪、發電、灌溉、供水、航運、旅游等各項功能，使水庫對壩下游生態和庫區水環境造成的負面影響控制在可承受的范圍內，并逐步修復生態與環境系統。

（一）充分考慮下游水生態及庫區水環境保護

水庫的調度運用對生態與環境造成的不利影響不可忽視。根據目前長江流域水庫的管理和調度現狀，研究認為，在現有的調度方式中，根據各水庫的實際情況可以通過下泄合理的生態基流（最小或適宜生態需水量），運用適當的調度方式控制水體富營養化、控制水體理化性狀與水華爆發、控制河口咸潮入侵等，以達到減少或消除對水庫下游生態和庫區水環境不利影響的目的。

1.確定合理的生態基流

生態基流要根據壩下游河道的生態需水確定。生態需水是指維系一定環境功能狀況或目標（現狀、恢復或發展）下客觀需求的水資源量。確定河流生態需水量，是保護河流生態系統功能的有效措施。河流生態需水量的確定，應根據河流所在區域的生態功能要求，即生物體自身的需水量和生物體賴以生存的環境需水量來確定。河流生態需水量，不但與河流生態系統中生物群體結構有關，而且還應與區域氣候、土壤、地質和其它環境條件有關。

水資源開發利用程度的不斷提高，使得水資源利用與生態用水的矛盾在全球范圍都很突出，但生態流量大小的選取論證，目前尚缺乏比較完善、成熟的方法。美國、法國、澳大利亞等國家都先后開展了許多關于魚類生長繁殖與河流流量關系的研究，提出了河流最小生態（或生物）流量的概念和計算方法，如濕周法、河道內流量增加法、Montana法等。對于最小河流生態用水，有些國家干脆做出強制性規定，例如，法國規定最小河流生態用水流量不應小于多年平均流量的1/10，對多年平均流量大于80m3/s的河流，最低流量的下限也不得低于多年平均流量的1/20。我國根據河流所處的地區，也提出了確定河流生態流量的不同方法。根據長江流域水資源綜合規劃的要求，長江流域河道生態基流可根據多年徑流量資料，一般采用90%或95%保證率的最枯月河流平均流量。

根據生態基流控制水庫下泄流量的措施多種多樣，最經濟的方法是設定在一定的發電水頭下的電站最低出力值。通過電站引水閘的調節，使發電最低下泄流量不小于所需的河道生態基流，以維持壩下游生態用水。

2.控制水體富營養化

水庫局部緩流區域水體富營養化的控制，可通過改變水庫調度運行方式，在一定的時段內降低壩前蓄水位，使緩流區域水體的流速加大，破壞水體富營養化的形成條件；或通過在一定的時段內增加水庫下泄流量，帶動水庫水體的流速加大，達到消除水庫局部水體富營養化的目的。另外，對水庫下游河段也可通過在一定的時段內加大水庫下泄量，破壞河流水體富營養化的形成條件；或采取引水方式（如漢江下游的“引江濟漢”工程），增加河流的流量，消除河流水體的富營養化。

3.控制“水華”爆發

可通過不同的調度方式，充分運用水動力學原理，改變污染物在水庫中的輸移和擴散規律以及營養物濃度場的分布，從而影響生物群落的演替和生物自凈作用的變化。可利用水庫調度對水資源配置的功能，蓄豐泄枯，增加枯水期水庫泄放量，從而顯著提高下游河道環境容量，改善水質。目前，漢江下游枯水期2月份前后頻繁爆發水華，隨著丹江口水庫大壩加高，調蓄能力增強，以及引江濟漢聯合調度，可增加漢江下游2月份前后的河道流量，從而有效緩解漢江下游水體富營養化現象，控制藍藻“水華”的爆發。

4.控制咸潮入侵

長江口屬于受上游來水和口外咸潮入侵雙重影響的敏感水域，上游來水和咸潮入侵直接關系到這一水域的生態安全。長江口鹽水入侵是因潮汐活動所致的、長期存在的自然現象，一般發生在枯季11月至次年4月，其距離因各汊道斷面形態、徑流分流量和潮汐特性不同而存在較大差異。南支河段有兩個鹽水入侵源，即外海鹽水經南北港直接入侵和北支向南支倒灌，北支倒灌是南支上段水域鹽水入侵的主要來源。

三峽工程是長江干流上骨干水利樞紐工程，水庫具有較大的調節庫容，按設計的調度運用方式，可增加長江中下游干流枯季流量1000～2000m3/s，對改善長江口枯季咸潮入侵的作用明顯。但在三峽水庫蓄水期，有一定的不利影響。水庫調度在滿足原定防洪、發電、航運等基本要求的前提下，可適當改變調度運行方式，以減少在10月份三峽工程蓄水期對咸潮入侵的不利影響。通過初步研究，可以考慮在不影響重慶河段輸沙的條件下，適當延長三峽水庫蓄水期，則可減少10月份的蓄水量，對長江口的影響便可明顯減輕。在此基礎上，還可以研究應急調度運用方式，如果長江出現了特枯水，長江口咸潮入侵形勢特別嚴峻時，可視必要加大發電流量，以緩解這一關系到長江口地區可持續發展的重大問題。

（二）充分考慮水生生物及魚類資源保護

水庫形成后，一方面產生了一些有利于部分水生生物繁衍生息的條件，其種類和數量會大幅度增加，生產力將提高。另一方面，水庫對徑流的調節作用，使庫區及壩下河流水文情勢和水體物理特性發生變化，對水生生物的繁衍和魚類的生長、發育、繁殖、索餌、越冬等均會產生不同程度的影響，如：庫區原有的急流生境萎縮或消失，一些適宜流水性環境生存和繁殖的魚類，因條件惡化或喪失，種群數量下降，個別分布區域狹窄、對環境條件要求苛刻的種類甚至消失；大壩阻隔作用使生境片段化，影響水生生物遷移交流，導致種群遺傳多樣性下降；水庫低溫水的下泄，對壩下游水生動物的產卵、繁殖具有不利影響；由于水庫泄洪水流中進入了大量的氮氣，使下泄水體中氮氣過飽和，可能導致壩下游魚類（尤其是魚苗）發生“氣泡病”。對這些不利影響，可采用以下調度措施減小或消除。

1.采取人造洪峰調度方式

水庫的徑流調節使壩下河流自然漲落過程弱化，一些對水位漲落過程要求較高的漂流性產卵魚類繁殖受到影響。根據魚類繁殖生物學習性，結合壩下游水文情勢的變化，通過合理控制水庫下泄流量和時間，人為制造洪峰過程，可為這些魚類創造產卵繁殖的適宜生態條件。鑒于三峽工程對長江荊江段“四大家魚”產卵場的不利影響，目前正著手進行“人造洪峰”誘導魚類繁殖技術的研究與實踐。

2.根據水生生物的生活繁衍習性靈活調度

水庫及壩下江段水位漲落頻繁，對沿岸帶水生維管束植物、底棲動物和著生藻類等繁衍不利。特別是產粘性卵魚類繁殖季節，水位的頻繁漲落會導致魚類卵苗擱淺死亡。因此，水庫調度時，應充分考慮這些影響，尤其是產粘性卵魚類繁殖季節，應盡量保持水位的穩定。我國很多漁業生產水平比較高的水庫，在水庫調度中都采取了兼顧漁業生產的生態調度措施。如黑龍江省龍鳳山水庫在調度上采取春汛多蓄，提前加大供水量的方式，然后在魚類產卵期內按供水下限供水，使水庫水位盡可能平穩，取得了較好的效果。

3.控制低溫水下泄

水庫低溫水的下泄嚴重影響壩下游水生動物的產卵、繁殖和生長。可根據水庫水溫垂直分布結構，結合取水用途和下游河段水生生物生物學特性，利用分層取水設施，通過下泄方式的調整，如增加表孔泄流等措施，以提高下泄水的水溫，滿足壩下游水生動物產卵、繁殖的需求。

4.控制下泄水體氣體過飽和

高壩水庫泄水，尤其是表孔和中孔泄洪，需考慮消能易導致氣體過飽和，對水生生物、魚類產生不利影響，特別是魚類繁殖期，對仔幼魚危害較大，仔幼魚死亡率高。水庫調度可考慮在保證防洪安全的前提下，適當延長溢流時間，降低下泄的最大流量；如有多層泄洪設備，可研究各種泄流量所應采用的合理的泄洪設備組合，做到消能與防止氣體過飽和的平衡，盡量減輕氣體過飽和現象的發生。此外，氣體過飽和在河道內自然消減較為緩慢，需要水流匯入以快速緩解，可以通過流域干支流的聯合調度，降低下泄氣體中過飽和水體流量的比重，減輕氣體過飽和對下游河段水生生物的影響。

（三）充分考慮泥沙調控問題

長江是一條泥沙總量大的河流，在長江上修建水庫，庫區泥沙淤積與壩下游河床沖刷的調整，以及由此帶來一系列的問題，是建庫后的自然現象，無法避免。泥沙沖淤對防洪、發電、航運、生態等影響，是檢驗水利樞紐工程泥沙問題處理得成功與否的一個重要標志。水庫的泥沙調度，須結合水庫的綜合利用、目的和水庫本身的具體情況，全面考慮，慎重對待。

長江流域的河流一般水大沙多，且來水來沙量多集中在汛期，為減小庫區泥沙淤積，長期保留水庫大部分的有效庫容，充分發揮工程的綜合效益，一般采用汛期結合防洪降低庫水位以排沙，非汛期蓄水抬高水位以興利的“蓄清排渾”的水庫調度方式運用，通過這種調度措施可在很大程度上減少泥沙沖淤帶來的不利影響。

水庫泥沙淤積將直接造成庫容的損失、庫尾段的淤積，會引起庫尾水位的明顯抬高、變動回水區航道與港口的運行安全等問題。通過采用“蓄清排渾”、調整運行水位以及底孔排沙等調度方式，可有效減少泥沙淤積和改善變動回水區的航運條件。如長江三峽水庫屬于河道型水庫，灘庫容相對較小，來水來沙量集中在汛期，大量水量需要下泄，水庫正常調度采用175m-145m-155m方案，在水庫運行100年后，庫區泥沙淤積基本平衡，但可仍保留防洪庫容約86%，保留興利調節庫容約92%。而采用“蓄清排渾”的調度方式運用，可有效的減少泥沙在庫尾段的淤積，水庫運用100年后，長壽以上的淤積量只約占總淤積量的3.6%左右。

水庫的調蓄改變了天然河流的年徑流分配和泥沙的時空分布，汛期洪峰削減，枯季流量增大，大量泥沙在庫區淤積。壩下游河道將發生沿程沖刷，同時因流量過程調整，下泄沙量減少，河勢將發生不同程度的調整。河床沖刷及河勢調整對防洪與航運帶來一定程度的影響。河床沖深，降低洪水位，增加河槽的泄洪能力；年內徑流分配的調整，有利于淺灘航槽的改善。但在河勢調整過程中，可能危及防洪大堤與護岸工程的安全，也可能出現局部淺灘惡化。水庫可按“蓄清排渾”、調整泄流方式以及控制下泄流量等方式，通過調整出庫水流的含沙量和流量過程，盡量降低下游河道沖刷強度，減少常規調度情況出庫水流對下游河道沖刷范圍并延緩其進程，以減小不利影響。

（四）充分考慮濕地保護需要

長江中下游為我國淡水湖泊濕地的集中分布區，河口地區在海陸交界處分布有大面積的灘涂濕地。長江流域水資源和水力資源開發利用，將會引起長江中下游及河口水文泥沙條件的變化，進而對洞庭湖、鄱陽湖和河口等濕地結構和功能產生一定影響。水庫對濕地的影響產生的根本原因，是水庫改變了天然河流水沙特性，造成天然濕地水沙補給規律的改變。因此，水庫的調度應根據長江中下游濕地的特點，從保護濕地的角度，可通過對水庫下泄流量和含沙量作季節性調整等措施，將水庫對濕地的影響減小。

（本文系作者在2005年12月1日召開的改進水庫調度修復河流下游生態系統研討會上的發言。研討會由中國水利水電科學研究院、美國自然遺產研究所、全球水伙伴（中國）發起，旨在探討通過改進水庫調度和水利設施管理以修復河流下游生態系統和改善人類生活的可行性。）