吉林省大中型水库生态调度方法研究

张 军，高 薇

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021；2.吉林省水文水资源局，吉林 长春 130022）

大中型水库工程的兴建为人类带来了巨大的经济和社会效益，但也改变了河流的天然状况，引起了河道的非连续化，造成了对河流生态系统的破坏。截止到2011年底，吉林省已建大中型水库129座，除以发电为主要任务的水库以外，大部分水库在原设计及以后调度运行中没有考虑下游河道的生态用水，致使水库下游河道经常处于干涸、断流状态，导致水环境容量下降、生态环境不断恶化。为改善下游河道生态环境，恢复河道生态系统，对水库原有调度方式进行修正，以增加水库的生态调度功能。

1 生态调度的内涵

目前为保护河流生态系统，调整水库的调度规程，以提高中下游地区的生态环境质量和改善水生生物生存条件，学术界对“生态调度”各自提出了自己的观点，但还没有给出十分明确的定义。董哲仁提出了水库多目标生态调度方法网，其定义为：在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法。蔡其华提出，在满足坝下游生态保护和库区水环境保护要求的基础上，充分发挥水库的防洪、发电、灌溉、供水、航运、旅游等各项功能，使水库对坝下游生态和库区水环境造成的负面影响控制在可承受的范围内，并逐步修复生态与环境系统，为减轻大坝对河流的生态造成的影响同，应在一定时期内，致力于改变水库调度方式，保护河流生态。由此，不难得出生态调度包括两层含义：一是利用水库适时适量地调节下泄流量，应对径流在时间上分布的不均匀性，满足流域生物种群生存发展动态平衡要求，最大限度地降低或消除水库对流域生态的负面影响；二是利用水库调节流量，改善水库内及下游水流水质，维持河流连续、完整的健康系统，保障下游地表水、地下水适量补给，最大限度消除水库对流域环境的负面影响。

2 吉林省大中型水库调度现状

现行的水库调度方式主要有两大类，即防洪调度和兴利调度。吉林省的大多数大中型水库都具有防洪、发电、供水、灌溉等综合功能，而每一座水库的功能有所侧重。现行水库调度方式的主要缺陷是注重发挥水库的社会经济功能，力求经济效益的最大化，但是忽视对于水库下游及库区的生态系统需求。从河流生态系统保护的角度看，现行水库调度方式存在的主要问题：一是大多数的水库调度方案没有考虑下游生态保护和库区水环境保护的要求。目前一些大中型水库往往只重视灌溉效益，忽视了坝下游生态保护的要求，如水库在进行蓄水时，导致坝下游出现减水河段，甚至脱水河段，使坝下游水生物（尤其是鱼类）的生存环境遭受极大破坏，一些减水和脱水河段的生物多样性遭受严重破坏，直接威胁坝下游水生态的安全；由于水库对下泄流量的调节作用，也可能引起水库下游局部河段出现水体富营养化。二是受水库调度运行的影响，也会引发库区局部缓流区域或支流回水区出现水体富营养化，甚至“水华”现象的发生（如新立城水库于2007年夏季出现蓝藻）；水库消落带的利用与水库的调度运行不协调，可能造成消落带利用而污染水库水质。三是缺乏对水资源的统一调度与管理。水库本身对于河流的连续性就形成了胁迫效应，如果调度运用不当，会使这种胁迫效应加剧。这些水库的存在破坏了水系的连通性，导致河流纳污能力大幅度下降。为保证灌溉等用水，大多数水库在整个枯水期基本封闭，排入河道的工业废水和社会污水在闸坝前大量聚集，当汛期首次开闸泄洪时，这些高浓度污水集中下泄，极易造成突发性污染事故。

3 水库生态调度模型

水库生态调度以水库调度所产生的经济效益、社会效益和生态环境效益的综合效益为最大目标函数。经济效益包括供水、发电、灌溉、航运等效益；社会效益包括防洪、供水等效益；生态环境效益包括生态效益、环境效益。

3.1 目标函数

式中：T为水库综合利用效益；X为决策向量；W1（X），W2（X），W3（X）为水库调度所获得的经济效益、社会效益、生态环境效益。

3.2 约束条件

1）水库下游河道最小生态需水过程

最小生态流量是指维持系统生存所需的最低水量或底限阀值，若低于该水量，系统会发生退化。对于水库下游河道来说，最小生态流量也是为了防止河道水体断流并发生功能性裂变，维持河道水流循环的最小流量。目前我国最小生态流量计算方法主要有4种：采用畅流期90%流量；多年平均流量的10%；90%保证率最枯月平均流量；考虑下游最小生态需水要求。

式中：Otx为t时段水库下游河道最小生态需水流量，m3/s。

2）泄流量

水库最大泄流量不超过水库的下泄能力，最小泄流量不应小于综合利用要求的最小流量。

式中：Omaxt为 t时段的最大泄流能力，m3/s；Omint为t时段水库综合利用要求的最小下泄流量，m3/s。

3）库水位

式中：Zmint为t时段水库最低水位限制，一般为死水位，m；Zmaxt为t时段水库最高水位限制，非汛期为正常蓄水位，汛期防洪限制水位和校核洪水位，m。

4）水量平衡

式中：Q1，q1为时段初入库、出库流量，m3/s；Q2，q2为时段末入库、出库流量，m3/s；V2，V1为时段初、末水库蓄水量，万m3；△t为计算时段。

5）其它

如各水库库容曲线约束、下游防洪条件约束、出力限制约束、非负约束等。

4 生态调度方案与效益分析

此次吉林省大中型水库生态调度选取了对下游河道生态恢复具有明显作用的38座水库，按水库功能划分为4类：农业灌溉水库；城市供水水库；同时具有农业灌溉和城市供水的水库；具有旅游功能的水库。

根据水库所在地区和水库功能目标的不同，确定以下调度原则：

1）对以灌溉为主要功能的水库，考虑下游生态用水时由减少相应的灌溉面积来补偿。

2）对以供水为主要功能的水库，有调水工程的，减少相应的城镇供水作为生态用水的补偿；无调水工程的，按水库的设计能力供水。

3）对以灌溉、供水为主要功能的水库，如有调水工程，则保持水库的灌溉面积不变，减少相应的城镇供水作为生态用水补偿；如无调水工程，则保持水库的城镇供水不变，减少相应的灌溉面积作为生态用水的补偿。

根据吉林省大中型水库生态调度方案，38座大中型水库多年平均向下游提供生态水量12449.8万m3。

生态用水对河道稀释纳污、保护生物多样性、调节气候、旅游以及下游城镇环境等将会产生极大的价值，一般地有生态环境效益、房地产效益、城镇居住环境改善效益、城市形象提升和投资环境的改善对城市经济的推动作用等。生态用水调度效益为河道生态效益＋房地产效益+对城市经济推动效益，但生态用水效益并不是三者的简单相加，由于生态用水中对城市经济推动效益难以计算，在生态用水调度中，主要从稀释纳污价值、生物多样性维持价值、房地产效益三方面计算，经计算三方面效益分别为7.8亿元、0.425亿元、7.47亿元，水库生态调度综合效益为15.7亿元。

5 生态调度保障措施与补偿机制

基于吉林省相关研究和实践情况，针对生态调度所涉及的具体保障措施，需要从经济、技术与管理等主要方面予以考虑和研究。经济保障措施根据水库兴建的功能，统筹防洪、兴利与生态之间的关系，明确生态补偿的主体，从法律和政策层面上，遵循“谁受益，谁补偿、谁污染，谁付费”的原则，确定生态调度受益方为补偿的主体，补偿的标准应以河流生态系统的不同服务功能价值为依据。技术与管理保障就是强化各类实时监督与监测、坚持科学评估、建立河流水系生态调度实时监控与管理系统、研究不同来水条件下的合理生态调度方案及其调度规则、开展水库生态调度效益分析评价，建立生态调度补偿与费用分摊机制等。补偿机制就是要让生态脆弱的地区更多地承担保护生态而非经济发展的责任。建立下游地区对上游地区、开发地区对保护地区、受益地区对受损地区、城市对乡村、富裕人群对贫困人群的生态补偿机制，从而平衡因生态用水调度而发生的各方利益。建立流域、水库间及各行政区域的生态补偿机制；结合建设社会主义新农村加强农村环境规划、建设和污染防治，在乡镇组织环保协管员队伍，强化以水环境为主的农村生态环境保护。

6 结语

吉林省大中型水库生态调度研究是贯彻科学发展观，坚持水资源的可持续利用，人与自然和谐，针对水利发展中所遇到的新情况、新问题进行有力探索的一个重要步骤。通过大中型水库生态调度研究表明，采取节水措施、新建引水工程等，对水库制定合理的生态调度原则，可以在对水库原有功能不影响或影响很小的前提下达到向下游河道恢复生态供水的目的；同时水库生态调度不仅可以恢复河道下游生态系统，带来良好的社会效益，同时也可以产生巨大的经济效益。

［1］董哲仁.河流生态恢复的目标［J］.中国水利，2004（10）.

［2］董哲仁.筑坝河流的生态补偿［J］.中国工程科学，2006（1）.

［3］王浩，谢新民，等.流域生态调度理论与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［4］董哲仁.水库多目标生态调度［J］.水利水电技术，2007（1）.

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［6］蔡其华.充分考虑河流生态系统保护因素完善水库调度方式［J］.中国水利，2006（2）.