对水库生态调度问题的研究

综 合

对水库生态调度问题的研究

高永胜1,王淑英1,于松林2,闫 彦3,殷俊贤4

(1.浙江省水文局,浙江杭州310009;2.黄河水利委员会,河南郑州450003;

3.浙江水利水电专科学校,浙江杭州310018;

4.中国水利水电科学研究院,北京100044)

摘 要:从水库现行运行方式对下游河道生态和环境的负面影响出发,分析了水库生态调度的理论基础,提出了水库生态调度应遵循的基本原则:以满足人类基本需求为前提,以河流的生态需水为基础,生活、生态和生产用水共享,以实现河流健康为最终目标。综合考虑社会、经济和生态要求,构建了考虑下游生态和环境要求的水库下泄流量生态调度体系框架,以及考虑下游生活、生态和生产条件的水库生态调度准则。

关 键 词:水库调度;生态调度;河流生态系统;调度准则

中图分类号:TV697.1 文献标识码:A do:i10.3969/.j issn.1000 1379.2009.11.005

传统水库建设对生态环境问题的忽视,导致水库下游河道生态条件恶化,引发许多不良后果。因此,如何改善水库调度,补偿或缓解对下游河流生态环境的负面影响,是我国新时期人与河流和谐发展的重要内容。

1 水库对下游河道生态系统的影响

在河流筑坝蓄水后,将产生一系列复杂的连锁反应,可能改变河流的物理、生物、化学特性。筑坝对河流下游生态系统的影响主要体现在生态变量和非生态变量两方面,依据其影响深度可分为3个层次,见图1[1]。第一层级是筑坝对河流能量、物质(悬浮物、生源要素等)输送通量的影响;第二层级是河道结构(河道形态、泥沙淤积、冲刷等)和河流生态系统结构和功能(种群数量、物种数量、栖息地等)的变化,主要是河流能量和物质输送在筑坝后的调整结果;第三层级综合反映一、二层级影响引起的变化。

图1 筑坝对河流下游生态系统的影响

水力特性对河流生态系统具有决定性作用。水库通过对河流流量的调节,引起下游河道水力条件(流量、流速、河流脉动等)变化,从而影响河流原有物质、能量、生态系统结构和功能。其影响程度取决于水库的调度方案、泄流位置、蓄水库容、泥沙沉积以及流域地貌等[2]。

河流生态系统的平衡依赖于河道水流、流量等条件。例如河流流量的季节变化,便于鱼类产卵、迁徙,为河边生物栖息地、洪泛平原的沼泽地及地下水补给水源和营养物质。建库引起河流水力条件的改变,导致河流、河岸、洪泛平原等各类生态环境产生相应的变化,进而对河道地貌形态和河床地质的稳定性产生间接影响。

2 水库生态调度的理论基础和基本原则

2.1 生态调度的理论基础

(1)河流洪水脉冲理论。洪水脉冲理论认为洪水冲积湿地的生物和物理功能依赖于江河进入湿地的水之动态。被洪水冲过的湿地上植物种子的传播和萌发,幼苗定居以及营养物质的循环、分解和沉积过程均受到影响[3]。河流水生动物也依靠洪水波的扩张,到达洪泛平原觅食、产卵。在对湿地或洪泛区进行恢复时,一方面要考虑洪水的影响,另一方面可利用洪水的作用,加速恢复或维持其功能。

(2)河流不连续体概念。它是基于水库对水流阻隔作用提出的,目的就是解释大坝对河流生态系统结构和功能所产生的相关效应。通过定义 不连续体距离 和 参数强度 两个变量,来预测各种生物物理反应。

(3)生态需水理论。随着人们对河流生态问题的关注,河流生态需水研究在国内外受到广泛重视,在理论上取得了重大进展,计算方法也趋于成熟。随着我国生态需水理论研究的发展,其成果已广泛应用到水资源规划、配置和评价中。目前我国一般河流较多采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最

收稿日期:20090525

基金项目:浙江省高校重大科技攻关项目(2007009)。

作者简介:高永胜(1971 ),男,山东海阳人,高级工程师,博士,研究方向为水文水资源和河流健康生命。

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第31卷第11期 人 民 黄 河 Vo l.31,No.11 2009年11月 YELLOW R I V ER Nov.,2009

枯月平均流量作为河道内生态基流量或河流纳污能力设计流量。

(4)大坝生态调度实践。近几年,通过改变大坝调度修复河流自然径流过程,以改善下游河道生态环境受到各国重视。欧美许多国家通过改变大坝调度,模拟建坝前的自然水文模式,并将建立大坝适应性管理贯穿于大坝规划、设计和管理过程中。为减少大坝对水流特征造成的影响,世界至少有29个国家提出应采用环境需水量(EFR)法来进行大坝生态调度。我国黄河流域、长江流域以及太湖流域在大坝生态调度方面也进行了一些有益尝试。

2.2 水库生态调度的基本原则

水库生态调度应遵循以下基本原则: 以满足人类基本需求为前提。人类修建水库的初衷和目的是维护人类生计,保护人类生命财产安全,因此水库生态调度也首先应考虑满足人类的基本需求。 以河流生态需水为基础。河流生态需水是水库生态调度的重要依据,水库下泄水量(泄流时间、泄流量、泄流历时等)应根据下游河道生态需水要求进行泄放。 遵循生活、生态和生产用水共享的原则。生态需水只有与社会经济发展需水相协调,才能得到有效保障。生态系统对水的需求有一定的弹性,在生态系统需水阈值区间内,应结合区域社会经济发展的实际情况,兼顾生态需水和社会经济需水,合理地确定生态用水比例。 以实现河流健康为最终目标。水库生态调度既要在一定程度上满足人类社会经济发展的需求,同时也要考虑满足河流生命得以维持和延续的需要,其最终的目标是维护河流健康,实现人与河流和谐发展。

2.3 水库下泄流量生态调度体系

水库的调度目标很多,通常可将其分为经济目标、社会目标和生态环境目标。水库调度的总目标就是追求流域水资源系统综合效益最大,其函数形式为

目标 m ax{E(X),S(X),R(X),Z,t}

约束条件: G(X)<0

X

j

0,(j=1,2, ,n)

式中:X为n维决策(控制)变量;E、S、R分别为经济效益、社会效益和生态环境效益;Z、t为空间和时间;G为对系统起制约作用的约束条件集,如水的承载能力、环境容量和其他社会约束条件等。

传统水库调度主要考虑社会经济目标,较少考虑下游生态要求,导致了水库下游生态环境恶化。水库下泄流量生态调度的关键原则是考虑下游生态要求,协调生产、生活和发电需求水量,有计划地下泄水量,减轻因建坝而产生的负面影响。因此,其可作为一种工具来修复下游河流生态系统或将其保持在某种理想的状态,同时还要保持水生生物的生存环境。水库下泄水量需考虑的因素见图2。

水库下泄流量调度决策方案的制定可分为三大步,其框架见图3。

(1)可行性研究。收集河流有关资料,包括河流水文、生态、社会经济状况以及水资源利用情况等,确定水库调度需考虑的因素,选定评价目标,并分析水库调度是否具有达到所需求的潜力。 (2)方案分析与评价。经调查,若认为水库调度可以达到要求且是可行的,则建立相关利益人员参与机制,分析调度目标之间的关系,制定可供选择的泄流方案,通过优选选择最佳方案,确定最优的下泄流量。

(3)方案实施。根据优选的水库下泄流量调度方案,对水库进行必要的改造以能确保方案的实施,而对泄流可能造成的其他影响,要采取适当保护措施。建立生态-社会-经济监测系统,并选择合理的指标来评估调度是否达到目标。

3 水库生态调度准则

3.1 以生活、生态、生产用水为调度优先级

生活、生态、生产用水三者之间用水优先权顺序的界定主要是解决在水资源量不足的情况下,如何有效协调用水关系,促进社会发展和生态环境保护。我国 水法 第21条规定:在干旱和半干旱地区开发、利用水资源,应当充分考虑生态环境用水需要。生活用水适用优先占用原则,处于用水顺序的第一位;生态用水具有代表公共利益的属性,处于用水顺序的第二位;国民经济用水可以通过市场有偿分配并转让,处于用水顺序的第三位。可见,在水资源短缺的条件下,生态用水将优先于生产用水,上述用水优先权顺序的确定为制定水库生态调度准则提供了有力的依据。

目前,我国生产用水大量挤占生态环境用水,尤其在水资源紧缺的条件下,生态环境用水无法得到保障,(下转第24页)

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第11期 高永胜等:对水库生态调度问题的研究