降低水库富营养化风险的生态调度方式探讨

沙元杰，刘 斌

（1.山东黄河河务局供水局，山东 济南 250011；2.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611）

自20世纪80年代以来，发达国家和部分发展中国家从调整大坝的运行调度方式入手，开展了大量生态调度实践及研究，证实了生态调度是有效修复河流生态的主要手段[1][2][3][4][5][6]。随着我国河流生态问题日益严峻，自2000年开始，以塔里木河、黑河应急生态调水、黄河调水调沙试验为开端，我国陆续进行了扎龙湿地、南四湖、引岳济淀应急生态补水、引江济太、淮河闸坝联合水质调度、珠江压咸补淡应急补水等生态调度尝试，为我国的生态调度实践打下了坚实的基础。上述生态调度都是为了解决下游生态问题而进行的，目前以自身生态调度解决自身富营养化问题的生态调度理论和实践还鲜见报道。

河流水能资源的开发一般自河流的上游起，由上而下地进行阶梯状开发。从水能利用和建库条件的角度，大型水库一般布置在上、中游，对于中、小流域大型水库往往是“龙头水库”，即第一梯级水库。从地理位置上，大型水库一般位于山区；从水温结构上，大型水库一般常年水温分层或季节水温分层型；从水文特征上，大型水库水深一般能达到几十米甚至上百米，库区流速缓慢（一般低于0.1 m/s），水体更新慢、水龄长；从水库功能上，除发电外，一般还兼有防洪、供水、航运等综合开发任务。由于库容大、流速缓、交换律低，加上工业、生活电源及面源污染物的大量输入，使这样的大型龙头水库易发生富营养化，但由于上游缺少大型水库，往往难以通过上游水库调水稀释缓解富营养化状况，因此研究以降低自身富营养化风险为目标的大型水库生态调度方式就显得非常重要。

1 工程概况

万峰湖位于南盘江干流中游河段，坝址左岸是贵州安龙县，右岸是广西隆林县。库区涉及云南省罗平县、广西隆林、西林县，贵州省兴义市和安龙县。万峰湖水库以发电为主，其坝址以上集雨面积50 139 km2，多年平均流量616 m3/s。水库正常蓄水位780 m，死水位731 m。水面面积173.7 km2，总库容102.6亿m3，属多年调节水库。装机容量1 200 MW，年发电量52.26亿kW·h。万峰湖库容比为1.89，为水温分层型水库。

2 营养物来源及富营养化状况

2.1 营养物来源

万峰湖的氮总负荷为47 654.95 t/a，磷总负荷为6 784.32 t/a。上游南盘江的营养物输入万峰湖营养物（上游+库区）的主要来源，以工业点源为主，其中氮负荷占总负荷的67.15%，磷负荷占总负荷的91.75%。库区污染源以农村生活面源、农田面源、水库养殖污染为主，其中水库养殖为万峰湖库区营养物的主要来源，其中氮负荷为5 254 t/a，占库区总负荷的47.8%；磷负荷为672 t/a，占库区总负荷的61.83%。

2.2 水质及富营养化状况

2004—2007年万峰湖水质超标程度较高，污染主要体现在总磷、总氮超标，枯水期超标最为严重。2009年开始进行综合治理以来水质逐步好转，富营养化情况有所减缓。万峰湖易发生富营养化的季节为冬季，2007年曾出现网箱养鱼因富营养化大量死亡而索赔的案例。

3 富营养化机制

采用2004—2009年万峰湖氨氮、高锰酸盐指数、生化需氧量、总磷、水龄和水温指标分析决定叶绿素浓度的主成份。通过SPSS18.0统计软件对监测数据进行主成分分析，确定评价主因子数，完成各监测断面水质综合评价。从主成分的碎石图（图1）和主成份分析表（表1）来看，万峰湖叶绿素浓度的主要决定因子为总磷、水龄。

图1 万峰湖主成分分析碎石图

表1 万峰湖水库各参数指标的主成分分析

由主成份分析结果可知，水龄是叶绿素浓度的决定因子之一。采用改进版的Comprehensive Aquatic Simulation Model（CASM）建立水库三维生态动力模型，通过控制水库生态系统的营养源强（IN）和水龄进行敏感性试验，分析这些因素对藻类水平的影响见图2、图3。由图2、图3可见，提高营养源强将提高系统整体物质水平，藻类、浮游动物、鱼类等生物量将随之增加。例如，水龄保持恒定而源强增加至现状的3倍，则藻类生物量将增加至40~50 g/m3。另一方面，减少水库水龄则有助于营养盐和藻类等的稀释扩散，从而降低藻类水平。若水龄减少倍数与营养源强增加倍数相当，则能维持约10 g/m3的藻类水平。数值模型同样可以证明减少水龄可以降低富营养化发生的几率和水平，同时水龄长短可以通过生态调度进行人工干预。

图2 藻类生物量随源强和水龄的变化 g/m3

图3 源强变化时藻类、浮游动物和鱼类的响应

4 调度目标与思路

万峰湖水库坝高水深，库区水体流速慢，水体交换律较低，且入库水质差、库区有大量的投饵网箱养殖，导致库区部分水域曾出现富营养化甚至水华现象。近几年当地政府采取一定治理措施后，使万峰湖水环境得到一定改善，富营养化情况得到缓解，但仍存在一定的水环境风险隐患。从水环境及水库调度运行现状调查结果可知，万峰湖丰水期水质较好，但枯水期总氮、总磷超标，局部水域有水华或死鱼现象；万峰湖回蓄时间晚，水库蓄满率偏低，根据万峰湖水库近13年的运行记录，水库仅有2008年最高水位779.98 m及2007年最高水位779.86 m接近蓄满外，其余年份最高水位均不足778.00 m，甚至出现2011—2012年连续两年水库最高水位低于汛限水位的极端情况。总的来说，万峰湖水库蓄满率低，水龄时间长，水体交换律低，枯季富营养化水平较高。

本次针对万峰湖枯季富营养化水平较高、水库蓄满率偏低等问题，提出以改善万峰湖库区水环境、提高水库蓄满率为主要目标的生态调度方案，在不影响水库防洪安全条件下，通过优化万峰湖的调度方式，加快库区水体流动速度及水体交换律，尤其是枯水期库区的水体流动速度，使万峰湖水库的水环境得以改善。

5 生态调度方案

万峰湖枯季富营养化水平较高、水库蓄满率偏低，水龄时间长，水体交换律低，枯季富营养化水平较高。在不影响水库防洪安全条件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水库下泄流量，从而加快库区的水体流动速度及水体交换律，降低水龄，使万峰湖水库的水环境得以改善。

根据水库长系列调度调算，优化调度方式后，枯水期平均出库流量增加57 m3/s，枯水期水体交换律由原来的1.4增加至1.53，较原来增加了0.13。可见经优化的调度方式能有效提高枯水期水体更新率，降低水库富营养化风险。

水库优化调度方式后，在主供水期（12～2月）加大发电流量，有利于抑制珠江三角洲咸潮上溯，改善下游水环境质量。优化后的调度方式使万峰湖多年平均发电量增加2.13亿kW·h，结合2010年万峰湖的上网电价0.209元/kW·h，万峰湖发电效益可增加4 452万元。可见优化后的调度方案不仅能改善生态效益，还能带来压咸、发电等综合效益。

6 结论与展望

南方大型水库冬季一般没有冰冻期，夏季较长、温度高、湿度大，浮游植物生长旺盛，更容易发生富营养化状况。同时大型水库一般为流域开发的“龙头”，上游缺少控制性蓄水水库，因此一般不具备靠上游水库调度补水解决其富营养化问题的条件。

以点源和内源为主的大型水库（如万峰湖），入库营养物负荷年内变化小，夏季由于承担防洪功能，水库在汛限水位运行，加之降雨丰沛，一般不发生富营养化现象。冬季水位抬升、库容增加，水库流动性变差，水龄增长易发生富营养化状况。

以主成份分析方法分析万峰湖叶绿素浓度主要受总磷和水龄制约，通过三维水生态动力模型可以证明，通过调度减少水龄可以有效降低水库发生富营养化的几率。万峰湖枯水期易发生富营养化状况，在不影响水库防洪安全条件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水库下泄流量，从而加快库区的水体流动速度及水体交换律，降低水龄，可使万峰湖水库的水环境得以改善。优化后的调度方案不仅能改善生态效益，还能带来压咸、发电等综合效益。

本论文提出的生态调度方案是针对万峰湖的富营养化问题所提出的一种调度方式，仍需进一步分析论证其与防洪、发电等其他兴利调度的协调性以及如何具体实施，是对此类大型水库在日后的规划、设计和日常管理中提出的一种新的调度需求和思路。