美国萨凡纳河生态流量管理实践案例研究

陆海明，丰华丽，邹 鹰

（南京水利科学研究院水文水资源与水利科学国家重点实验室，210029，南京）

随着人口快速增长和工业化、城镇化进程加快，经济社会快速发展，人类社会用水大量挤占了河流天然径流，众多的江河拦水蓄水建筑物改变了河流的天然径流过程，我国河流生态流量保障形势比较严峻。党中央、国务院对维系江河湖泊生态系统高度重视，2015年出台的《关于加快推进生态文明建设的意见》对研究建立江河湖泊生态水量保障机制提出了明确要求。

河湖生态水量（流量）是维系江河湖泊水生态系统健康可持续的基本要素。广义上讲，河流生态流量包括维持河流生物种群稳定的流量、维持河流生物多样性和稳定结构的流量、保持河道形态稳定的输沙流量、维持河口咸淡平衡的流量等，生态流量在国际上还被称为环境流量。

美国是较早开展生态流量研究和管理实践的国家之一。美国陆军工程兵团管理的水库仅占全美6%，但是库容总量占全国水库库容的37%，主要承担防洪、航运功能，兼顾发电和供水功能。20世纪初，美国陆军工程兵团建设的水库主要承担航运、防洪等相对单一的功能。大坝建设时并未考虑对生态环境的不利影响，但是大坝运行时水库通常向下游泄放一个最小流量用以满足下游水生生物栖息地需求，并受到环境部门的监管。

随着社会需求的变化，美国陆军工程兵团管理的水库不断增加了诸如发电、娱乐、供水、灌溉、水产养殖和野生动物保护等功能。人们发现随着水库大坝建成运行，坝下河流的河道形态、鱼类种群、生物栖息地等受到显著不利影响，过度取水后的河流生态系统发生退化。人们认识到维持一定河流流量对保持河流形态和生态系统服务功能正常发挥具有重要意义。2002年美国陆军工程兵团与美国大自然协会合作开展河流生态系统修复和保护研究，实施可持续河流项目（Sustainable Rivers Project，SRP）。

美国政府授权联邦能源监管委员会（Federal Energy Regulatory Commission，FERC）对水电开发实施许可证管理制度，许可证期限为30～50年，到期后必须申请换领。根据1968年生效的 《自然与风景河流法案》和1969年的《国家环境政策法》等相关法律，大坝运行到期后需要对大坝的生态环境影响进行重新评估，不能满足生态环境要求的大坝将不能继续运行。目前，66%由美国陆军工程兵团管理的大坝建成时间已到许可年限要求，陆续需要申请换发新的许可证。

本文以陆军工程兵团管理的萨凡纳河为例，介绍位于美国东南部地区主要受水库大坝调节的河流生态流量管理实践过程，以期为我国当前开展的生态流量研究与管理实践提供参考。

一、萨凡纳河流域概况

萨凡纳河项目是美国可持续河流项目8处主要示范点之一。萨凡纳河发源于美国东南部蓝岭山脉的Ellicott Rock，河流下游是佐治亚州与南卡罗莱纳州的界河，河流全长超过500 km，多年平均径流量为332 m3/s，最终流入大西洋。萨凡纳河流域面积大约为2.55万km2，多年平均年降雨量为1 270 mm。佐治亚州奥古斯塔市上游修建有Hartwell大坝、Richard B.Russell大坝和J.Storm Thurmond大坝，分别建成于20世纪60年代、20世纪80年代和20世纪50年代。3个大坝形成的水库调蓄能力约占萨凡纳河流域多年平均水资源量的1/2，水力发电站装机总量达1 400 MW。奥古斯塔市下游的水利枢纽New Savannah Bluff Lock and Dam也属于陆军工程兵团管理。该枢纽主要起到调节Thurmond大坝水力发电流量峰值、保持河道水量、保证市内休闲娱乐用水需求等作用。流域基本情况如图1所示。

萨凡纳河不仅是奥古斯塔和萨凡纳2个大城市140万人口以及沿海小城镇居民的饮用水源，而且接纳污水处理厂尾水排放，并承担水力发电和航运功能。南卡罗莱纳州萨凡纳河畔，美国能源部设有核燃料储存和加工厂，佐治亚州电力公司的2台核电机组每天取用10万多m3冷却水。萨凡纳河中游设有污水排放的化工厂，污染物排放位列全美48个类似城市第三位。萨凡纳港是美国第四大集装箱海运港口。萨凡纳河涉水旅游观光业非常发达，有国家公园、大瀑布、激流等著名景点，游泳、垂钓、漂流等水上运动项目非常受欢迎。

二、生态流量推荐方案制定过程及保护目标

1.制定过程

2002年5月萨凡纳河生态流量管理项目启动，90多位各方与会代表从科学的角度回顾和分析了以往有关萨凡纳河生态流量的研究成果，梳理关键科学问题及其来源以及解决这些科学问题的实现途径。2003年6月，佐治亚大学研究团队提交了鱼类及生态系统对于流量改变响应关系的研究报告。2004年4月，有47名科学家和技术人员参加的制定萨凡纳河生态流量推荐方案的专题研讨会召开。研讨会期间，与会人员通过文献调研和专业判断，围绕河流、河漫滩及河口生态系统可持续发展，提出枯水年、平水年、丰水年三种情况下不同的生态流量推荐方案1.0版。

推荐方案1.0版实施的同时，同步实施了相应的监测计划，评估生态流量推荐方案实施期间河流物理和生物变化情况。该项计划监测了2004—2014年实验性生态流量泄放的生态效应，增加了人们对生态流量管理的认知，完善了萨凡纳河生态流量推荐方案。

2014年，来自大学、政府机构和相关利益方的代表共同修订了生态流量推荐方案；2015年最终确定的生态流量推荐方案2.0版，增加了干旱季节生态流量泄放方案，改进了判断生态流量泄放条件等。

萨凡纳河生态流量推荐方案先应用于管理实践，然后在实践中通过适应性管理不断修改完善，节约了生态流量方案实施时间，避免了数据缺乏导致初始推荐生态流量无法确定、阻碍生态流量管理活动实施的问题。这一推荐方案的工作过程应用的是适应性管理方法，后来被陆军工程兵团定义为“萨凡纳过程”，目前已被广泛应用于水库大坝管理实践。

适应性管理方法内涵主要包括可靠的科学支撑、持续改进的管理实践、从实践中学习改进以及公众参与等四个方面。确定生态流量由以下步骤组成：①召开项目启动会，确定生态流量工作范围和工作方向；②收集整理现有流量与生态系统之间相关关系的文献；③组织不同专业人员召开工作会议，确定生态保护目标，提出最初推荐流量方案和需要后期解决的问题；④组织实施生态流量推荐值，开展监测验证和完善先前的认识；⑤监测生态系统对于流量变化的响应，继续开展研究。

2.保护目标

萨凡纳河流域拥有河流浅滩、滩涂阔叶林、潮汐湿地、长叶松林、卡罗莱纳湾和悬崖林等多种类型的生态系统。萨凡纳河是近100种鱼类的栖息地，包括被联邦政府列为濒危物种的短吻鲟、大西洋鲟鱼，以及近乎濒危的物种红马鱼。2003年4月，制定生态流量推荐方案时确定的主要保护目标是奥古斯塔浅滩河段、河漫滩以及河口等三种类型生态系统。2015年修订完成的生态流量推荐方案，主要保护对象基本保持不变。

生态流量的保护目标会随着对保护目标生物学习性和生态学特征认识的深入而逐渐优化调整。萨凡纳河生态流量泄放的最初目标是营造季节性洪水，利用春季洪水帮助洄游性鱼类产卵（特别是濒危鱼类短吻鲟）。鱼类标记实验结果显示，在开始人工洪峰脉冲期间短吻鲟向下游迁移到大西洋中，而不是期望中的向上游迁移，主要原因是水库冷水下泄，鲟鱼产卵受温度驱动而不受流量驱动。因此，尽管后来春季人造洪峰脉冲正常进行，生态流量推荐方案中主要保护目标已经调整为提高水库周边浅滩、河漫滩以及河口生态系统服务功能和帮助鱼类通过枢纽和大坝等。

三、生态流量推荐方案简介

1.推荐方案1.0版

2003年4月，萨凡纳河生态流量工作组确定生态流量推荐方案1.0版，分别给出了奥古斯塔浅滩（Shoal）河段、河漫滩（Floodplain）以及河口（Estuary）生态流量推荐值，其中浅滩河段生态流量（USGS02192700 at Augusta，GA）推荐值如表1所示。每年水文情势（枯水年、平水年、丰水年）判断依据主要是当年流量占多年平均流量的百分比。

2.推荐方案2.0版

2015年最终确定的生态流量推荐方案将生态流量保障分为干旱、枯水、平水和丰水等4种水文状况，判断依据为上游未受水利工程影响的参考水文站 （USGS 02192000 Broad River Near Bell，GA）流量变化情况。根据参考水文站的28天滑动平均入流占多年平均流量百分比判断水文情势，百分比大于75%时为丰水年，介于25%与75%之间时为平水年，介于10%与25%时为枯水年，小于10%时为干旱年。

在不同水文情势情况下，针对不同的保护目标需水过程，分别提出浅滩、河漫滩以及河口3种生态系统生态流量推荐方案。不同生态系统类型推荐方案分别针对基流、高流量、最大流量、流量变化率、洪水脉冲等情况，给出每月的推荐流量值或者范围。在鱼类产卵季节，水温也是生态流量泄放的重要考虑因子。

四、生态流量实施监测评价

1.监测与评价

河流流量与濒危物种种群及其栖息地、目标生态系统之间的关系主要是通过持续不断的生物学和生态学监测获取。在2000年之前，许多学者已经开展了大量的萨凡纳河濒危物种生物学特性研究，初步建立起流量对物种种群及其栖息地的影响关系。随着适应性管理实践的不断深入，通过长时间的持续监测和数据累积，特别是在2000年左右经历了相当长时间的干旱，获取了极端低流量条件下流量与生物群落之间的关系，开始时的许多未知因素逐渐得到了明确的认识。

2.生态流量泄放实践过程

利用美国地调局（USGS）流量监测数据，Thurmond大坝建设与生态流量管理前后（1940—2017年），奥古斯塔市区附近的浅滩水文站（USGS 02197000）日流量统计值如表2所示。

表1 萨凡纳河浅滩河段生态流量推荐方案1.0版 单位：m3/s

表2 萨凡纳河浅滩水文站1940—2017年不同时期日流量统计值 单位：m3/s

根据Thurmond大坝修建与流量管理历程，可以将浅滩水文站流量记录分为大坝建设前、建设中、建设后、生态流量方案1.0版实施后和方案2.0版实施后等5个时期。修建Thurmond大坝前，日流量最大值和平均值均为5个时期最高，日流量平均值为295 m3/s，最小值为5个时期最低。大坝修建后，日均流量最大值明显降低，日流量平均值为264 m3/s，最小值明显升高。生态流量方案1.0版实施后，日流量最大值、中值和平均值降低最明显，日流量平均值为193 m3/s，最小值升高，流量过程坦化趋势比较明显。近年，随着方案2.0版的实施，日流量最大值、最小值、平均值和中值均有所提高，日流量平均值为200 m3/s。

萨凡纳河浅滩水文站流量变化不仅和上游大坝拦蓄、水库存储等人为活动有关，而且在很大程度上受降雨径流等自然条件影响。在2000年左右的较长时期的干旱，导致上游来水量减少，正是通过水库调度才使得下游水文站能够保持比建坝前高的流量，从而保证水生态系统免遭不可逆转的破坏。

五、结论及建议

尽管基本国情和社会管理方式不同，萨凡纳河生态流量管理典型案例仍有许多经验值得我国生态流量研究与管理借鉴。

1.尽快完善生态流量保障所需的法规制度

总体上，美国河流生态流量管理是在水库大坝运行较长时间后，其对生态环境不利影响逐渐显现，联邦政府和国会通过制定一系列法律法规作出明确要求后开始实施的，具有非常坚实的法律法规基础。联邦能源监管委员会对水电开发实施的许可证管理制度更是从制度层面保障了生态流量管理目标得以实现。

随着生态文明建设的深入推进以及全社会生态环境保护意识的普遍提高，我国部分水库大坝原有的以航运、发电、灌溉等经济效益为主的功能定位，难以提供更多优质生态产品以满足人民群众日益增长的生态环境需要，因此需要适当调整原有功能定位。建议尽快从法律法规层面明确水库大坝下游河道生态流量管理目标和责任主体，做好生态流量保障和生态补偿等相关制度的顶层设计，并将生态流量保障管理纳入水库大坝管理、河长制湖长制和最严格水资源管理制度等考核内容。

2.科学合理制定生态流量保障方案

由于我国不同区域自然地理和社会经济状况差别较大，建议分类、分区域和分时段制定生态流量保障方案；生态流量要求因保护目标不同会有所差异，建议针对有需要的河流制定生态流量“一河一策”保障方案。萨凡纳河经验表明，不同学科背景的专业人员和管理部门代表广泛参与生态流量推荐方案制定非常重要。建议充分吸收国外已有的先进理念和管理经验，以免再走不必要的弯路。

3.尽早开展适应性管理

尽管欧美发达国家开展相关研究和管理实践比我国早，然而他们对于水生态系统对流量变化的响应关系同样尚未完全了解，仍有许多待解决的科学问题。在制定河流生态流量泄放实践方案时，主要是根据现有的认识确定初始生态流量实施方案，并立即付诸实施，减少因生态流量没有确定而等待的时间；在实施过程中加强监测和评估；同步制定适应性方案，边实践，边监测，边完善，经过一段时期后形成较为成熟的生态流量保障方案。目前，随着生态文明建设的深入，社会各界对于我国河流生态流量保障具有迫切期望。建议相关主管部门根据淮河、黄河生态流量保障工作经验，暂不在生态流量计算等概念、方法上做过多纠缠，先制定出当前具有实际可操作性的保障方案，征求其他部门意见后立即着手付诸实施。

4.持续开展监测积累数据资料

持续开展保护目标生物习性、水生态系统多样性和稳定性及其与河流流量泄放的关系研究，不断补充和提高相关认知，是开展河流生态流量适应性管理的重要内容。萨凡纳河研究经验表明，河流保护目标、水生态系统对于流量改变的响应关系需通过在较长时期内不同流量条件下观测得到，特别是持续干旱等极端水文气象条件下的观测结果尤为重要。建议在开展适应性管理时，针对具体生态流量保障方案开展长期监测，不断积累相关数据资料。 ■