引调水工程对汉江中下游生态环境的累积叠加影响研究

王中敏，刘金珍，刘扬扬，樊　皓

(长江水利委员会长江水资源保护科学研究所，武汉 430051)

0　引　言

汉江是长江最大的支流, 全长1 577 km，多年平均天然年径流量为560 亿m3。干流丹江口以上为上游,丹江口以下为中下游。汉江流域水利工程众多，如从汉江调出水资源的工程有引汉济渭工程、南水北调中线工程、鄂北地区水资源配置工程，还有水资源调入汉江的引江济汉工程(图1)。汉江中下游河段是汉江流域乃至湖北省经济发展的中心,南水北调中线工程实施一度引起较多社会关注[1-4]，引汉济渭、鄂北地区水资源配置等工程相继实施后，将对汉江中下游的生态环境产生新的累积影响。

上游引汉济渭工程在汉江干流黄金峡和支流子午河三河口分别修建水利枢纽蓄水，通过秦岭输水隧洞输水至陕西省渭河流域关中地区；2010年底开工建设，工程一次建成，分期引水。近期水平年2025年，取水规模多年平均为10 亿m3；远期水平年2030年(在实施南水北调中线后续水源工程建设后)，取水规模多年平均为15 亿m3。

南水北调中线工程于2003年9月正式启动，该工程从汉江丹江口水库引水，中线工程主要由水源地工程和输水工程组成。水源地工程是在丹江口水利枢纽初期规模的基础上大坝坝顶高程从162.0 m加高至176.6 m, 设计蓄水位由157 m提高到170 m, 总库容达290.5 亿m3，水源地丹江口水库的调度模式将由年调节改为不完全多年调节。中线一期工程向北方年供水量95 亿m3，已于2014年12月12日通水；远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加北调水量，年均调水量达到130 亿m3，工程预计在2030年完成。

引江济汉工程是南水北调中线的配套工程，工程目的是从长江引水补充汉江兴隆水利枢纽至河口段和东荆河灌区的流量, 以满足该河段灌溉、航运和生态用水要求, 并解决东荆河灌区的灌溉水源问题。工程设计流量为350 m3/s，加大流量为500 m3/s。该工程已于2014年建成并运行。

鄂北地区水资源配置工程以丹江口水库为水源，年引水量7.7 亿m3，供湖北省鄂北地区的襄阳、随州和孝感市的大悟县，解决城乡生活、工业供水和唐东地区农业供水问题。该工程于2015年7月取得环评批复，2016年开工建设，工程预计2020年完成。

引调水工程缓解了受水区水资源短缺问题，然而却对调水水源下游区生态环境产生较大影响。南水北调中线工程实施一度引起较多社会关注[1-4]，引汉济渭、鄂北地区水资源配置等工程相继实施后，将对汉江中下游的生态环境产生新的累积影响。汉江中下游河段是汉江流域乃至湖北省经济发展的中心，分布着多处“四大家鱼”等产漂流性卵鱼类的产卵场，2处国家级水产种质资源保护区和6处国家级湿地公园，故汉江中下游生态环境的重要性不言而喻，因此，有必要研究汉江上中游引调水工程对中下游生态环境的累积影响。

图1　汉江流域引调水工程分布示意图Fig.1 Distribution of water diversion project in Hanjiang river basin

1　研究方法与工况

1.1　模型与方法

本文采用MIKE11 HD模块计算水文情势和水环境变化，该模块是基于垂向积分的质量和动量守恒方程即圣维南方程组建立的，由明渠不稳定流隐式格式有限差分解，其差分格式采用了六点中心隐式差分格式。该模型在进行完全水动力学模拟的同时，也可进行各种简化的水流模拟，如扩散波、运动波及准稳定流的计算。MIKE11可以模拟各种水土建筑物(如箱涵、堰或泄流闸)及其运用规则。

采用生态机理分析法、系统分析法等研究水生生态、湿地生态的影响范围和程度。

1.2　研究工况设置

在丹江口大坝加高已完成的背景工况基础上，考虑汉江已建引调水工程(S2)和规划引调水工程均实施(S3)两种工况，分S2-S1和S3-S1两种情形预测对汉江中下游可能产生的累积影响，S1、S2、S3三种工况设置如下。

S1：丹江口大坝加高完成，不考虑调水的背景工况；

S2：考虑南水北调一期调水95 亿m3、引汉济渭调水10 亿m3、引江济汉工程均建成运行；

S3：在S2情景调水量的基础上，鄂北工程建成运行，年引水7.7 亿m3。

1.3　模型率定与验证

基于仙桃和襄阳水文站逐日实测流量与水位资料，对一维水动力模型进行率定和验证，并采用纳什效率系数(NSE)来判定模拟流量过程与实测流量过程的拟合程度，具体的模型率定与验证结果详见参考文献[14]。由模型率定与验证结果来看，NSE均可达0.7以上。由此可见，模型能够较好地模拟汉江中下游水文情势。

2　引调水工程对汉江中下游生态环境的累积影响

2.1　对汉江中下游水文情势的影响

本文基于1956-1998年黄家港水文站径流量资料，分别计算三种工况下黄家港、皇庄、仙桃三个代表断面多年平均逐月流量，通过对比分析逐月流量变化，定量分析引调水工程实施对三个断面水文过程的影响程度。

丹江口水库建成以后, 水库对径流的调节能力很强, 极大地改变了径流的年内分配[5]，使洪水期流量减小，枯水期流量增大，流量过程变得比较均匀平缓。南水北调中线一期工程、引汉济渭工程通水后，必将导则汉江中下游水资源量减少，肖婵等研究南水北调中线工程对汉江中下游的水文情势影响结果表明，南水北调中线一期运行后，汉江中下游多年平均流量减少24%[1]。

总体来看，受丹江口水库调蓄、引江济汉工程实施的影响，除黄家港、仙桃断面9月份流量有不同程度的增加，其余月份引调水工程实施均造成各断面流量不同程度地减小(图2)。南水北调中线一期和引汉济渭实施后，黄家港、皇庄、仙桃断面逐月流量最大降幅分别为67.17%、58.59%、45.38%；鄂北地区水资源配置工程实施后，黄家港、皇庄、仙桃断面逐月流量进一步减少，与不调水工况相比降幅分别达67.3%、60.05%、46.87%(表1)。总体来看，各项引调水工程实施后，对汉江中下游水文情势的累积影响明显增大，但随着中下游唐白河、蛮河、竹皮河等支流水量的不断汇入，从上至下减水的累积效应逐渐变小。

图2　黄家港、皇庄、仙桃断面多年平均逐月流量过程变化图Fig.2 The average monthly flow process changes map for Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section for many years

2.2　对汉江中下游水环境的影响

根据汉江中下游近年水质监测结果，汉江中下游水质污染主要表现为干流总磷、氨氮和高锰酸盐指数的浓度呈上升趋势，总磷、氨氮污染问题突出，中线工程通水后，汉江中下游发生“水华”风险较大[6-8]。

通过对比分析3种工况下高锰酸盐指数、氨氮浓度变化，引调水工程实施后，各典型断面污染物浓度均有不同程度的增加，其中尤以襄阳江段影响显著，河流水质较现状呈变差趋势，但断面水质类别均未改变，保持在Ⅱ类。引调水工程对汉江中下游水环境的累积影响趋势与水文情势影响结论一致，各项引调水工程实施的累积影响较大，鄂北地区水资源配置工程本身实施的影响较小。以格垒嘴断面为例，南水北调中线一期、引汉济渭工程实施后，氨氮浓度增加39.13%，进一步叠加鄂北地区水资源配置工程实施的影响后，氨氮浓度较不调水工况增加43.48%。

表1　各对比工况下黄家港、皇庄、仙桃断面流量减少幅度表Tab.1 The comparison table of flow reduction rate for the Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section

表2　各对比工况下格垒嘴、皇庄、仙桃断面典型污染物浓度增加幅度表Tab.2 The comparison table of increase rate of typical pollutants for the Geleizui, Huangzhuang and Xiantao section

2.3　对汉江中下游水生生态的影响

对水生生态的影响主要是基于水文情势的变化，丹江口大坝加高工程对水生生态的影响已经有所显现，水库下泄低温水和王甫洲、崔家营两级枢纽的阻隔作用及水文情势发生改变，对丹江口～崔家营之间的鱼类资源产生较大影响[9]，区域喜静水鱼类和产黏沉性卵鱼类的比例明显增加。兴隆电站已经运行，新集、雅口均已取得相关批复，秦烜等[10]在汉江中下游梯级开发回顾性评价调查中发现，梯级开发对四大家鱼自然繁殖已经产生了明显影响，原有的三官殿、王甫洲、茨河、襄樊等四大家鱼产卵场基本消失，仅剩经济型鱼类和小型鱼类产卵场，鱼类产卵量和资源数量大大下降。

从汉江中下游鱼类资源调查可知，鱼类组成、分布和资源数量已受到梯级枢纽建设的明显影响，库区适合静水栖息的鱼类种群数量和生物量有所增加，天然流水江段减少，产漂流性卵鱼类的繁殖难度加大。引调水工程通水运行后，丹江口～兴隆江段部分月份流量减少，一定程度上缩小了鱼类栖居空间，但对鱼类种类组成影响不大，已形成的鱼类种类组成及分布格局受引调水工程影响相对较小，但到规划水平年，喜静水鱼类和产黏沉性卵鱼类的比例将增加，鱼类资源量有所减少。

2.4　对汉江中下游湿地生态的影响

汉江中下游干流范围内湿地生境类型多样，植被发育良好，湿地生物多样性高，植物群落类型丰富，湿地动物也较为丰富。引调水工程改变了汉江中下游的水文情势，势必给河道内湿地生态带来间接影响。

本文研究范围为汉江干流一级堤防内，将湿地分为永久性河流湿地、洪泛平原湿地、库塘湿地和稻田湿地，基于三种工况多年平均水文情势变化，采用典型断面水位变化量，分河段估算各类型湿地面积，分析引调水工程对汉江中下游干流湿地结构和湿地生态系统功能的影响。

引调水工程实施不会改变湿地总面积，水量减少水位下降使永久性河流湿地转化为洪泛平原湿地，丹江口～兴隆段河段内湿地总面积约3.85 万hm2，引调水工程累积影响(S3-S1)导致永久性河流湿地面积减少了0.10 万hm2(与原河流湿地面积相比降幅3.7%)，洪泛平原湿地增加了0.15 万hm2(与原洪泛平原湿地面积相比增幅43.4%)，稻田湿地面积减少0.05 hm2(降幅4.9%)，库塘湿地面积未发生变化，其中由南水北调中线和引汉济渭工程带来的永久性河流湿地面积减少量为734.4 hm2，洪泛平原湿地面积增加量为0.13 万hm2。

引调水工程实施后汉江中下游湿生植物种类会发生一定变化，在部分裸露河床区域，白茅灌草丛、水蓼灌草丛等湿生植被将面积有所增加，阿齐薹草沼泽、藨草沼泽、香蒲沼泽、芦苇沼泽、菖蒲沼泽等沼泽植被面积减少。工程运行一段时间后，各类型植被将达到新的平衡。汉江中下游各类型湿地面积发生一定变化，湿地总面积没有发生变化，湿地植物和湿地动物优势种种类没有发生变化，因此汉江中下游湿地生态系统的功能不会发生变化。

3　汉江中下游生态环境保护的建议

3.1　保障河道生态环境需水，推进节水型社会建设

根据《汉江流域综合规划报告》(长江水利委员会)，黄家港、皇庄断面生态基流分别为174、200 m3/s，考虑航运要求，黄家港断面最小下泄流量为490 m3/s，皇庄断面最小下泄流量为500 m3/s。汉江中下游地区在上游来水被进一步削减的情况下，汉江流域管理机构应加强汉江流域综合管理，结合丹江口水库调度，合理配置水资源，协调引水水源上、下游生态环境需水的关系，在不同时间尺度和不同空间尺度满足河流基本生态环境需水的要求，维护汉江中下游生态系统健康。其次，应按照国务院《关于实行最严格水资源管理制度的意见》的要求，从体系建设、制度建设、机制建设等多方面着手[11]，提高全民水资源保护意识，推进节水型社会建设。可积极探索争取调水工程的国家相关生态补偿资金[12]，通过农业灌溉用水设施改造、提高中水回用率等提高水资源利用率，达到节水目标。

3.2　加强水污染防治，落实水环境治理工程

1999年，湖北省颁布了《湖北省汉江流域水污染防治条例》，将汉江流域水污染防治的目标责任提升到一个新的高度；南水北调中线工程对汉江中下游点源和面源治理均布设了相应措施，实施城市污水收集处理和农业生态示范区建设。汉江中下游水污染防治力度加大，汉江干流水质得到改善，2010-2012年汉江中下游干流以Ⅱ类水质为主，部分断面水质数据超标，超标的主要因子是氨氮和总磷。

引调水工程实施后，汉江干流污染物浓度进一步增加，应加强水行政主管部门职能，加大对入河排污口的监管[13]。同时，根据《水污染防治行动计划》，应提高城市污水收集和处理率，积极推动汉江中下游沿岸污水处理厂提标改造率，2017年底前全面达到一级A排放标准。农业方面调整农业布局及农业结构，发展高效、无污染的肥料和农药，减少面源污染。

3.3　强化流域统一管理，开展生态调度

随着汉江中下游梯级电站和航运枢纽的建设，相关主管部门均提出了水库下泄生态流量的要求；为减轻“水华”发生几率，仙桃断面要求流量不小于500 m3/s，在每年的7、8月份，四大家鱼繁殖要求汉江中下游水位上涨时间需持续3～8 d。为减轻水资源开发利用对水环境和水生生态的影响，实施汉江中下游联合生态调度尤为必要。

汉江中下游生态环境保护涉及防洪、供水、发电、航运、生态、灌溉等各方用水权益，南水北调中线工程、鄂北地区水资源配置工程、引江济汉工程、王甫洲、崔家营等梯级均有不同的管理单位负责运行管理，各部门存在一定的争水利益纠葛，需要汉江流域管理机构组织建立协调机制，在生态优先的前提下协商解决汉江中下游水量调度，开展生态调度，保证丹江口水库一定的下泄流量，同时雅口、碾盘山、兴隆三个已建梯级开启全部闸门泄水，满足四大家鱼和鳡、鳤、鯮等珍稀鱼类的繁殖需求，满足水质保护和水生生物生境要求。

3.4　维护库岸稳定，开展生态修复

调水后丹江口水库下泄水量减少，将使河道内常年裸露滩地面积增加，短期内如果植被没有得到及时恢复，将造成河床下切，宽浅河段河槽游荡频繁，影响库岸稳定。因此，应实施一定的湿地保护和生态修复工程措施。针对汉江这样的大型河流，在常水位以下应采取较为合理的护岸结构，利用非生物的网笼结构或生态混凝土进行岸坡防护，以抵御强烈的水流冲刷和频繁水位变动的环境。在水位变动区及以上高海拔滩地辅以植物措施，湿地植物应选择耐水淹、乡土植物或具有水质净化和景观功能的物种，形成能够调蓄洪水、滞留积物、净化水质、为动植物提供栖息场所的生态岸坡。

4　结　语

汉江流域引调水工程解决了区域水资源分配不均的问题，将产生很大的经济效益和社会效益，同时也将对汉江中下游的水文情势、水环境、水生生态、湿地生态带来不同程度影响。

通过不同工况条件下的对比分析发现，南水北调中线一期、引汉济渭工程、鄂北水资源配置工程均实施后，对汉江中下游的累积影响较大，鄂北水资源配置工程实施对汉江中下游的影响相对较小。

为做好汉江中下游生态环境保护工作，建议构建节水型社会，加强汉江流域综合管理，保障河流生态流量；加强水行政主管部门职能，加大对入河排污口的监管，减少点源和面源排放量和入河量；尽快建立流域协调机制，在生态优先的前提下开展汉江中下游生态调度；部分河段及时实施库岸稳定和生态修复工程，促进湿地生态得到有效保护。

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