三峡水库生态径流及其生态调度研究

李 舜，陆建宇，程增辉，陆宝宏，侯 盼

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海200331；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；4.南京水利规划设计院有限责任公司，江苏南京210006)

0 引 言

三峡水库位于长江干流中游，2003年6月蓄水，是一座具有防洪、发电、航运等综合效益的大型水库，在治理和开发长江活动中发挥着关键作用。三峡水库下游的宜昌江段不仅是长江流域最重要的四大家鱼产卵场，还是洄游性珍稀水生动物——中华鲟的唯一产卵场[1]。目前，有关三峡水库的研究成果较为丰富，赵越等[2]指出三峡水库提前蓄水可减轻蓄水对中华鲟产卵的不利影响，得到中华鲟产卵适宜流量为13 000～19 000 m3/s；郭文献等[3]认为三峡水库蓄水后，四大家鱼和中华鲟产卵繁殖期各月份多年平均流量均减少，中华鲟、四大家鱼产卵时间推迟，产卵规模大幅降低；熊明等[4]发现蓄水后的下游河道水文情势发生较大变化，宜昌站、汉口站、大通站年均输沙量大幅减小，各站悬沙粒径变粗，河道冲刷强度增大，沿程枯水位下降；郭文献等[5]研究了三峡水库下游河道环境流量调度目标及中华鲟、四大家鱼产卵期水库调度目标。

上述研究成果涉及范围较广，但较少开展综合性研究，且方法较为陈旧、单一。鉴于此，本文在改进传统水文学方法的基础上，计算河流生态径流，并开展生态调度研究，以期为相关学者开展三峡水库后续研究和优化相应的运行调度规则提供参考。

1 河流生态径流计算

生态径流即使河流在天然状况下的生态系统健康稳定，能够保证河流生态系统功能不受破坏的径流过程。目前，生态径流可分为最小、适宜和最大生态径流，计算方法主要包括逐月频率法[6- 8]、逐月次最小(大)值法、Tennant法[9]和水力半径法等。考虑Tennant法的分期标准，结合长江流域四大家鱼生活习性，将年内划分为4月～6月、7月～9月、10月～11月和12月～次年3月等4个时段[10]，并以季节修正系数修正流量百分比，以流量中位值代替流量平均值，消除个别月份流量极端值的影响，改进Tennant法评价标准。改进Tennant法流量百分比及对应栖息地状态见表1。

表1 改进Tennant法流量百分比及对应栖息地状态

1.1 最小生态径流

各方法计算的最小生态径流过程见图1。从图1可知，河道湿周法、改进Tennant法计算值小于次最小值法和逐月频率综合法。10月～次年3月次最小值法和逐月频率综合法(丰平枯月保证率分别取90%、95%、95%)计算值基本相同，丰水期7月～9月前者计算值偏小。河道湿周法计算值全年相同，未体现生态径流季节变化。改进Tennant法计算值是河流栖息地状态最差情况的流量，是生物所能忍受的极限瞬间低流量，但生物并不能长期处于此极限状态。以河道湿周法、改进Tennant法为参考标准，其他方法的计算值均满足要求。为确保河流生态系统安全，采用次最小值法计算的最小生态径流更合理。

图1 各方法计算的最小生态径流过程

1.2 最大生态径流

各方法计算的最大生态径流过程见图2。从图2可知，除8月流量，其他月次最大值法、逐月频率综合法(丰平枯月保证率分别取5%、10%、10%)计算值均低于改进Tennant法，逐月频率综合法小于次最大值法，但相差不大。改进Tennant法计算值是河流生物所能承受的最大瞬间流量，河流若长期处于此高流量状态，不利于生物以及河岸植被的生长。以改进Tennant法计算值为参考标准，次最大值法计算值更合理、可靠，并对不满足改进Tennant法的月份，利用改进Tennant法进行修正。

图2 各方法计算的最大生态径流过程

1.3 适宜生态径流

逐月频率综合法和改进Tennant法计算的适宜生态径流过程见图3。从图3可知，逐月频率综合法(丰平枯月保证率分别取45%、60%、75%)计算值远大于改进Tennant法。改进Tennant法以多年平均值相应的比例计算，其计算值可使河流栖息地状态处于很好流量空间。长江流量大，生物种类多，对流量要求高，逐月频率综合法计算值均在生物栖息地状态最佳范围内，且体现了径流年内变化特点，更符合流域河流实际情况。因此，适宜生态径流采用逐月频率综合法计算结果。

图3 各方法计算的适宜生态径流过程

基于RVA法计算的适宜生态径流阈值见表2。各月适宜生态径流下限均处于栖息地最佳状态范围内，其上限占多年均值比例处于100%～120%之间。考虑长江来水量大，河流生态系统对水量要求较高，计算值基本合理可靠。

表3 特丰水年(1964年)不同方案调度结果

2 三峡水库生态调度

2.1 不同水平年调度

三峡水库修建前(1950年～2002年)径流代表水库天然来水，确定特丰、特枯水年分别为1964年、1997年。基于三峡水库常规调度方案，建立以遗传算法为基础的生态调度模型。全年生态调度方式：10月初蓄水，直至10月31日，由防洪限制水位均匀蓄至175 m；11月至次年4月，以枯水期消落水位155 m作为水位下限控制；5月底水位降至155 m；6月上旬库水位仍在下降，至6月底降至145 m；6月～9月按145 m水位运行。

表2 适宜生态径流阈值计算结果

2.1.1 特丰水年(1964年)

根据特丰水年1964年逐月来水情况，不考虑及考虑生态径流约束调度部分结果，特丰水年(1964年)不同方案调度结果见表3。不考虑生态径流约束的优化调度，年末水位至165 m，6月～9月以防洪限制水位运行，10月底水库蓄到175 m，各月出力均未超过装机容量，年发电1 148.37亿kW·h。考虑生态径流约束的生态调度，年末水位至166.42 m，7月～9月以防洪限制水位运行，6月因最大生态径流约束，以145.42 m水位运行，带来一定防洪风险，各月出力均为超过装机容量限制，年发电1 121.34亿kW·h，比优化调度低2.35%。

特丰水年出流与生态径流的比较见图4。从图4可知，调度对枯水期影响较大，优化调度时1月～2月出流小于最小生态径流，5月～6月、12月出流大于最大生态径流，生态调度后的出流均处于最小、最大生态径流之间，调度后出流使生态径流改善。特丰水年因来水量大，生态调度满足河道需求，但发电效益有所减少。

图4 特丰水年(1964年)出流过程比较

月份入库流量/m3·s-1不考虑生态径流考虑生态径流月末水位/m弃水流量/m3·s-1出力/MW发电量/kW·h月末水位/m弃水流量/m3·s-1出力/MW发电量/kW·h13 720168.4002 500.018.60165.5503 332.924.8023 870171.7802 500.016.80167.5702 997.120.1435 170175.0003 983.429.64173.5003 016.022.4447 970175.0008 080.758.18175.0007 445.953.61511 400175.00011 526.785.76172.81012 230.991.00616 600145.00021 722.5156.40145.00020 756.7149.45731 900145.00021 373.6159.02145.00021 373.6159.02817 600145.00012 391.092.19145.0001 2391.092.19913 200145.0009 408.067.74145.0009 408.067.741014 200175.0005 273.839.24156.5809 206.768.50116 920175.0007 020.950.55155.3306 146.144.25124 880165.0008 115.960.38156.8603 837.728.55

2.1.2 特枯水年(1997年)

根据偏枯水年1997年逐月的来水情况，不考虑及考虑生态径流约束调度部分结果见表4。不考虑及考虑生态径流的调度均未弃水，6月～9月均以防洪限制水位运行，各月出力均未超过装机容量。不考虑生态径流约束，10月底蓄水至175 m，年末水位降至165 m，年发电834.50亿kW·h。考虑生态径流约束，枯水年来水较小，11月因入流小于最小生态径流，水位下降至155.33m，年末水位156.86 m，年发电821.69亿kW·h，减少约1.54%。可见，生态径流约束对发电量产生一定影响。

特枯水年出流与生态径流的比较见图5。从图5可知，不考虑生态径流约束，1月～2月、10月～11月出流小于最小生态径流，6月、12月出流大于最大生态径流。考虑生态径流约束，各月径流处于最小、最大生态径流之间，6月份径流处于适宜上限、最大生态径流之间，4月～7月满足适宜生态径流需求，生态调度改善了下游生态径流条件。整体上，特枯水年生态调度对水库防洪、弃水无影响，虽然水库末水位明显降低，但改善了下游生态环境需水情况，缓解了生态效益与发电效益之间的矛盾，对发电造成了一定影响。

图5 特枯水年(1997年)出流过程比较

2.2 代表性生物调度

4月～6月是长江流域四大家鱼产卵繁殖期，5月～6月是盛期；10月～11月是中华鲟产卵繁殖期，10月中旬～11月中旬为盛期。

(1)研究时段。根据以上年调度方案，选取5月1日～6月10日为四大家鱼产卵研究时段，10月1日～11月20日为中华鲟产卵研究时段。

(2)调度方案。为6月中下旬有足够防洪库容，四大家鱼调度期始、末水位分别取155 m和145 m；中华鲟调度期始、末水位分别取145 m和175 m。

(3)流量约束。为满足通航需求，葛洲坝下游水位不低于39 m，即三峡水库最小下泄流量不小于5 000 m3/s；为满足下游抗旱补水要求，10月上、中、下旬的抗旱补水流量不低于8 000、7 000 m3/s和6 500 m3/s。

表5 四大家鱼产卵期调度结果

表6 中华鲟产卵期调度结果

(4)生态径流约束。四大家鱼、中华鲟产卵对宜昌站适宜径流需求[11]分别为8 000～15 000 m3/s、10 000～20 000 m3/s，结合宜昌站5月～6月、10月～11月适宜生态径流上下限结果，同时考虑三峡水库其他效益，将5月～6月、10月～11月的生态径流约束范围分别定为：8 000～15 000、8 000～20 300、10 000～20 100、8 955～20 000 m3/s。

按照研究时段5月1日～6月10日、10月1日～11月20日的总来水量频率分析，1962年为平水年，以1962年逐日入流资料，进行不考虑、考虑鱼类适宜径流的生态调度研究。

2.2.1 四大家鱼

不考虑及考虑适宜径流调度结果见表5。不考虑适宜径流时，发电108.81亿kW·h，日最大、最小发电分别为3.72、1.35亿kW·h，期末水位145m，最大、最小出力均未超限。考虑适宜径流调度，发电108.65亿kW·h，下降0.15%，日最大发电减少0.11亿kW·h，日最小发电增加0.32亿kW·h，期末水位146.66 m，6月来水较大，加之适宜径流限制，期末水位升高，防洪风险略有增大，日最大出力减小，日最小出力增大，多年日平均出力略有减小。

四大家鱼产卵期出流过程比较见图6。从图6可知，考虑适宜径流时，各日出流均介于适宜径流上下限，5月6日～9日流量15 000 m3/s，5月25日～26日流量提高到12 500 m3/s。6月2日～10日均按照适宜径流上限泄流，其余时段变化不大，整个时段存在2次大规模涨水、1次小规模涨水。整体上，考虑适宜径流调度，稍增水库防洪风险，但可提高四大家鱼产卵适宜径流满足程度，且对发电、出力影响均不大。

图6 四大家鱼产卵期出流过程比较

2.2.2 中华鲟

不考虑及考虑适宜径流的部分调度结果见表6。不考虑适宜径流时，调度期内发电量111.95亿kW·h，日最大、最小发电分别为3.28、1.53亿kW·h，期末水位174.99 m，水库基本蓄满，多年日平均出力9146.2MW，最大、最小出力均未超过限制范围。考虑适宜径流约束，最大的日末水位为174.52 m，水库未蓄满，期末水位174.13 m，相比不考虑适宜径流的调度降低0.86 m，日最大发电量减小，日最小发电量增大，调度期发电112.82亿kW·h，增加0.87亿kW·h，增长0.78%。

中华鲟产卵期出流过程比较见图7。从图7可知，不考虑适宜径流约束，10月6日～31日、11月16日～20日出流均小于适宜径流下限，调度期的出流均未超过适宜径流上限。考虑适宜径流约束，调度期出流处于适宜径流上下限之间，10月6日～31日、11月14日～20日出流存在2次脉冲过程，下游中华鲟产卵流量条件得到改善。考虑适宜径流约束，出流增加大于水头减小，使调度期的平均出力增大，总发电量随之增大。整体上，考虑适宜径流的调度，会影响水库蓄满问题，但可提高中华鲟产卵适宜径流满足程度，且对发电、出力影响不大。

图7 中华鲟产卵期出流过程比较

3 结 语

本文以三峡水库为例，建立基于遗传算法的生态调度模型，与不考虑生态径流约束的优化调度相比，考虑生态径流所有年份下游河道生态需水均可得到改善，特丰水年弃水量、年末水位无变化，防洪风险略有增加，年发电量减少2.35%；特枯水年库弃水、防洪未产生影响，水库未蓄满，年末水位降低明显，年发电量减少1.54%。

针对四大家鱼、中华鲟的生态调度显示，考虑适宜径流需求时，会稍增水库防洪风险，影响蓄水期水库蓄满，但对发电、出力影响不大，且能够改善鱼类产卵繁殖的流量条件。