黄河下游生态水量调度实践

乔 钰，胡慧杰

（1.河南黄河河务局，河南 郑州450003；2.河南黄河水文勘测设计院，河南 郑州450004）

我国高度重视生态文明建设,党的十九大报告指出“加快生态文明体制改革,建设美丽中国”。生态文明建设对践行人与自然和谐共生理念、满足人民优美生态环境需要具有重要意义［1］。水生态文明建设是生态文明建设中重要环节之一,是建设人水和谐的内在要求。开展流域系统治理和生态水量研究与实践为水生态文明建设提供了科学依据和可靠途径。

黄河是我国西北、华北地区的生态屏障、流域及沿黄相关地区的重要水源［2］,在流域及相关地区经济社会发展、生态格局与国家战略布局中具有重要地位和作用。国家生态文明建设对黄河流域经济社会和生态环境保护协调发展提出了新要求。然而,水资源短缺且供需矛盾突出对黄河流域生态文明建设形成了明显制约。因此,开展黄河生态水量调度研究对推进流域生态文明建设意义深远。

1 黄河水量调度的发展回顾

20世纪70—90年代,黄河下游断流对流域及沿黄相关地区供水安全和生态安全造成了极大威胁［3］。1999年起,国家授权黄河水利委员会按照黄河可供水量分配方案,实施黄河水量统一调度［4］。黄河水量统一调度实施20 a来,黄河水量调度工作经历了“防止断流”“确保不断流、协调生态环境用水”“确保不断流,逐步实现功能性不断流”三个阶段。统一调度扭转了20世纪末下游连年断流的局面［5］,实现了黄河下游连续20 a不断流,推动了下游经济社会发展和生态系统的修复,以水资源的可持续利用支撑经济社会与生态环境的全面良性发展。然而,流域目前各类用水需求远远超出了黄河水资源的承载能力,资源性缺水与生态系统保护要求之间存在矛盾［6］,为化解该矛盾,2016—2018年开展了黄河下游生态水量调度试点工作,研究黄河下游河道生态功能维持和生态服务需求的流量指标,实施生态水量调度实践。

2 生态水量调度目标及原则

2.1 生态水量调度目标

根据黄河下游生态系统情况,结合流域自然地理特性和社会经济发展状况,确定下游生态水量调度的目标：保证生活用水安全,最大限度满足黄河下游农作物生长关键期用水；保障非汛期河道生态基流以及下游主要断面生态流量,维持和改善黄河下游河道生态廊道结构及功能；保证一定的入海水量,以保护河口湿地及附近海域重要水生生物生境；满足生态流量目标要求,在有限的黄河水资源条件下实现黄河下游生态系统基本生态功能的有限修复。

2.2 生态水量调度原则

（1)优先满足城乡居民生活用水,统筹生产、生态用水,处理好流域内用水与跨流域调水的关系,确保黄河干流不断流,改善流域水生态环境质量。

（2)服从黄河防洪、防凌调度。凌汛期龙羊峡、刘家峡、小浪底水库按照防凌要求运用。6月底,龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底水库水位按防洪调度要求控制。

（3)保障流域生态安全。在用水敏感期和关键期,有计划加大骨干水库下泄流量,保障干流基本生态用水；河口自然保护区的鱼类产卵繁殖育幼洄游关键期,有计划加大小浪底水库下泄流量,尽可能增加入海水量,促进河口地区生态良性循环；适时实施河道外湿地湖泊生态补水。

（4)满足《黄河下游生态流量试点工作实施方案》（简称《实施方案》)中指标要求：花园口、高村、利津断面日均流量分别不低于 200、150、30 m3/s；4—10月,塑造花园口、高村水文站形成15 d左右300～1 000 m3/s的流量过程,利津水文站形成15 d左右75～1 000 m3/s的流量过程；根据水资源条件,相机塑造黄河下游河道2 600～4 000 m3/s持续7 d以上流量过程。

3 生态水量调度方案

生态水量调度方案应在确定生态调度期、分析生态调度水源以及下游河道水流演进的基础上,制定具体的生态监测方案和主要水库调度方案,从而形成整体的生态水量调度方案。

3.1 生态调度期的确定

生态调度期主要考虑四方面的因素：一是下游冬小麦生长关键期用水需求；二是上中游桃汛洪水进入小浪底水库的时间；三是下游沿河及河口湿地、鱼类生态用水需求；四是农业农村部（原农业部)关于实行黄河禁渔期制度的时段要求。

（1)下游灌溉用水情况。根据下游冬小麦生长规律和周期,3月下旬至4月上中旬为灌溉用水高峰期。依据用水资料,2010—2017年3—6月黄河下游多年平均引水过程见图1,从图1可以看出,3月中旬至4月中旬为下游引水高峰期,多年日平均引水流量在600 m3/s以上,为避开引水高峰期,黄河下游生态调度应安排在4月下旬至6月。

图1 2010—2017年3—6月黄河下游多年平均引水过程

（2)上中游桃汛洪水进入小浪底水库时间。根据内蒙古河段开河预报,2018年3月21日前后内蒙古河段全线开河,头道拐水文站开河最大十日水量为7亿m3。预计宁蒙河段开河桃汛洪峰3月下旬进入小浪底水库,3月下旬至4月上旬小浪底水库水位将有一个小幅回升过程。

（3)下游沿河及河口湿地、鱼类生态用水需要。根据生态调查及监测结果,4—5月是黄河下游及河口地区植被发芽和鱼类产卵、仔鱼孵化期,是生态系统敏感期。在4月上中旬,通过塑造大流量过程,可以为滩区植被补充水分、为河口湿地补充淡水资源。在4月下旬塑造脉冲流量过程,可有效刺激鱼类性腺成熟产卵,随后塑造稳定流过程,营造并维持稳定水流和水域水草环境。

（4)关于实行黄河禁渔期制度的时段要求。2018年2月9日,农业农村部（原农业部)发布了《关于实行黄河禁渔期制度的通告》,明确要求黄河干流扎陵湖、鄂陵湖、东平湖等3个主要通江湖泊,渭河、大汶河等13条主要支流的干流河段自4月1日12时至6月30日12时进入禁渔期。

综合考虑以上各方面因素,确定3月至6月为黄河下游生态调度期,其中4月至6月为生态用水关键期。

3.2 水源筹集分析

实施下游生态调度,水是关键。在黄河水紧缺的情况下,要保障生态调度用水,小浪底水库需要在原调度计划基础上增加下泄水量,实施难度较大。为此,应采取多种有效措施提前预筹生态调度水源。

3.2.1 筹集方法

一是从汛期开始,滚动分析研判水情,在保证防汛安全的前提下,提前进行骨干水库蓄水调度,尽可能多蓄水。2017年汛期黄河干流五大水库（龙羊峡水库、刘家峡水库、万家寨水库、三门峡水库、小浪底水库)合计蓄水增量为105.51亿m3。二是凌汛期精细调度干流的骨干水库,在保障防凌安全和各省（区)按计划用水的基础上,尽量减少水库下泄水量。凌汛期2017年11月至2018年3月上游水库合计下泄水量比近十年平均少5.3亿m3。三是加强用水管理。在年度调度计划基础上,每月根据来水和用水情况滚动编制逐月水量调度方案,科学分配各省（区)用水指标并加强管理。

3.2.2 水源分析

（1)来水预估。2017年11月至2018年2月,黄河流域主要来水区合计来水82.12亿m3,较多年同期均值偏多16%。根据《2017年7月至2018年6月黄河可供耗水量分配及非汛期水量调度计划》（简称《年度计划》)和当时水情,预估3—6月潼关累计来水量49.92亿m3,小花区间（小浪底至花园口区间)累计加水量约5.00亿m3。

（2)用水量预估。2017年11月至2018年2月,黄河干流引黄九省（区)合计耗水量约35.06亿m3,根据《年度计划》,预计3—6月黄河下游用水量54.88亿m3。2014—2018年3—6月黄河下游最大用水量为65 .37 亿 m3。

（3)水库调蓄预估。2018年3月1日,黄河干流五大水库合计蓄水317.38亿m3,比2017年同期多57.27亿m3；小浪底水库蓄水量为74.51亿m3,比2017年同期多11.70亿m3。到7月1日小浪底水库按240 m水位控制,对应蓄水量为 20.79亿 m3。因此,3—6月小浪底水库补水为53.72亿m3。

根据水库调蓄预估、来水预估及用水量预估,生态调度期利津断面合计入海水量最小约为37.63亿m3,对应平均流量为360 m3/s,基本满足生态水量调度水源要求。

3.3 下游河道水流演进分析

近年来,下游河道河势变化较大,部分河段出现畸形河势,相当一部分河道工程对水流的控导效果减弱,使较大流量过程的演进异常复杂,增加了生态调度的难度。水流演进计算及行洪能力分析采用以下两种方案。

（1)下游生态调度方案数学模型演进计算。选择西霞院坝址至利津断面河段,采用现状河道地形,考虑沿程引水过程及河损,开展多方案数学模型演进计算,给出沿程控制断面流量演进过程,同时给出沿程典型断面水位、水面宽等变化过程,模拟各河段流速、水深等水力因子变化情况。

（2)下游行洪能力维持与河势控制流量需求分析。通过对黄河下游近期河势情况、下游畸形河势调整过程及机制的分析,建立河势弯曲系数与流量级的相关关系,结合实体模型试验研究结果,进行生态调度对现状河势调整的预估,提出生态调度预案的修改建议。

3.4 小浪底水库调度方案

考虑小浪底水库下泄后到达河口需7～10 d的传播过程,根据生态调度原则,同时考虑下游及河口附近鱼类产卵需要,初步拟定2018年3—6月各阶段小浪底水库泄流指标,其中4月10日左右拟塑造1 000 m3/s以上的脉冲流量过程。为保障达到生态调度指标要求,首先在逐月水量调度方案、生态调度期逐旬水量调度方案中考虑生态用水需求；其次,计划4月中旬前开始加大小浪底水库下泄流量,尽可能按照维持下游河道生态廊道功能及湿地生态流量指标下泄；最后,6月底小浪底水库水位要降至汛限水位以下。

3.5 生态监测方案

下游生态监测涉及渔业、海洋、湿地等多部门,为提高监测评估的权威性,部分专业项目监测委托海洋、渔业等相关机构进行。主要采用遥感、地理信息系统与野外监测、固定场地监测等相结合的方式,对黄河下游及河口附近海域水文-生态过程开展同步监测,对其水文过程、水环境、地下水及其补给、鱼类及栖息地、重要湿地及其水源补给等状况进行实时跟踪监测,并据此进行生态调度实施效果评估。

4 生态水量调度实施

4.1 水库调度

（1)多水库联合调度。为保障黄河下游生态调度顺利实施,联合调度龙羊峡、刘家峡、万家寨、小浪底等水库,实施黄河水量调度年度、月、旬方案的协调管理,实现水库泄流过程与省（区)用水过程的精准对接,在保障各省（区)按计划用水的前提下,尽最大可能节约水资源；准确计算桃汛洪峰进入万家寨、三门峡、小浪底水库的时间,以及洪峰流量和最大十日洪量,精准确定万家寨水库和三门峡水库预泄降低水位运用的时机；滚动演算小浪底水库蓄水情况,保障按照不超过汛限水位应用。

（2)非汛期小浪底水库调度。2017—2018年度黄河水情形势相对较好,2018年3—6月为黄河下游生态调度期,小浪底水库实际下泄流量过程见图2。4月8—14日,小浪底下泄流量最大为1 550 m3/s,最小为1 190 m3/s,塑造了一定的脉冲流量过程,可以有效刺激鱼类性腺成熟产卵。5月底到6月下旬塑造了稳定流量过程,营造并维持了稳定的水域生态环境。

图2 2018年3—6月小浪底水库实际下泄流量过程

（3)花园口、高村、利津断面流量过程。2018年4—6月,黄河下游花园口、高村、利津断面平均流量分别为1 598、1 417、1 030 m3/s,最小流量分别为 1 130、1 020、418 m3/s。汛期7—10月,根据上游来水情况,科学调控小浪底水库水量,结合排沙防洪应用,塑造维持生态廊道功能的流量过程,花园口、高村断面2 600～4 000 m3/s流量过程持续49 d,利津断面最大流量达到3 570 m3/s。各断面4—10月流量过程见图3～图5。

图3 2018年4—10月花园口断面流量过程

图4 2018年4—10月高村断面流量过程

4.2 用水管理

图5 2018年4—10月利津断面流量过程

加强骨干水库精细调度和实时调度,在龙羊峡和刘家峡水库下泄流量严格执行调度要求基础上,通过水库下泄流量与各省（区)用水过程的精准对接和强化用水管理等措施,为黄河下游生活、生产、生态用水等提供保证。

4.3 生态监测

采用水文水资源、水环境和水生态多专业复合技术,开展生态流量调度河段的监测与评估。开展黄河小浪底水库逐日平均下泄流量和黄河下游西霞院、花园口、夹河滩、高村、泺口和利津断面逐日平均流量分析,评估年度生态流量指标满足程度。结合河流廊道生态功能要求,评估生态流量对河流廊道生态结构、功能的影响和修复情况,并对地下水的影响进行监测和评估。调查调度影响区的陆生生态环境,分析生态水量调度对重要湿地和鸟类栖息地生态环境的影响；调查黄河下游土著及河口洄游鱼类生态环境变化情况,分析生态水量配置对重要鱼类栖息地的影响。

5 生态水量调度效果分析

5.1 用水满足程度

2018年引黄各省（区)用水基本未超过年度计划分水指标,在满足各省（区)计划用水的基础上,有力促进了下游河段主要断面生态流量指标的实现。

5.2 下游河道冲淤情况

2018年汛期,经龙羊峡、刘家峡水库联合防洪运用以及三门峡、小浪底水库防洪运用,下游各河段流量均未超过河道平滩流量。小浪底水库实施泄洪排沙后,三门峡入库沙量0.46亿t,出库沙量1.56亿t,库区冲刷1.10亿t；小浪底水库出库沙量3.64亿t,库区冲刷2.08亿t,排沙比238%,是运用时间最长、排沙量最大、排沙比最高、泄水含沙量最大的一次调沙过程。

5.3 生态流量指标满足情况

2018年4—6月,黄河下游花园口、高村、利津断面流量比《实施方案》中规定的各断面最小流量分别大930、870、368～388 m3/s,满足生态流量指标。 其中利津断面有45 d流量大于1 000 m3/s,满足了非汛期鱼类栖息生境需水要求,促进了下游鱼类生境的保护与修复。

进入汛期,黄河在上游来水量较大的有利条件下,通过生态水量调度,4—10月西霞院、花园口、夹河滩、高村、泺口、利津断面大于2 600 m3/s的日均流量均在35 d以上,满足了《实施方案》中各项生态流量指标,且成功塑造了下游河段生态廊道。

5.4 入海水量情况

据报汛资料初步统计,2018年4—6月累计入海水量为81.0亿m3,比2017年同期多51.7亿m3,比黄河水量统一调度以来平均入海水量多47.0亿m3。2018年全年黄河入海水量达到334亿m3,为统一调度以来最大水量,同时较2016年的81.43亿m3、2017年的90.27亿m3大大增加,在一定程度上控制了黄河下游及河口区域生态失衡状况的发展。

5.5 汛后水库蓄水

通过下游生态水量调度的实践,2018年汛末,五大水库合计蓄水量334.81亿m3,可调节蓄水量为249.40亿m3,比2017年同期多17.70亿m3。其中,龙羊峡水库蓄水量为245.61亿m3,可调节蓄水量为192.18亿m3,比2017年同期多35.93亿m3。汛后水库蓄水为非汛期沿黄各省（区)的生活、生产、生态用水提供了充足的储备水源。

5.6 生态效果监测

（1)黄河三角洲湿地恢复区生态补水及陆生生境效果监测。2018年下游生态水量调度向自然保护区湿地补水共计4 200万m3,使三角洲淡水湿地面积得到进一步扩大,比2017年的湿地面积提高了10.7%,湿地生境条件得到进一步恢复。同时,湿地生态恢复区内植被种数略有增加；植被高度、生物量持续增加；植被群落呈正向演替,陆域生态环境持续改善。

2018年遥感影像解译结果表明,经过黄河汛前及汛期大流量下泄过程,下游河流水面总面积由年初的3.15万hm2增加至最大4.71万hm2,有效维持并改善了下游河道生态廊道功能。

（2)水生生态效果监测。根据2018年4—6月巩义及利津河段水生态调查结果,黄河下游生态水量调度有效调节并改善了鱼类栖息地部分生境条件,鱼类适宜栖息地范围显著扩大,鱼类种群结构及多样性指数相较2010年有所提高,并为产漂流性卵鱼类的繁殖提供了可能。根据黄河近海水域河海交互区生态系统调查结果,2018年近海水域浮游生物数量密度比2016年显著增大。对鱼卵仔稚鱼的调查表明,8月仔稚鱼显著增加,且刁口河及黄河入海口仔稚鱼数量明显大于其他海域的。

（3)地下水跟踪监测与评估。根据地下水监测数据推算,2018年地下水资源得到进一步补充,补给约31亿m3,比2017年增加4亿m3,下游两岸湿地地下水位稳定。

6 问题与展望

6.1 存在的问题

（1)黄河生态用水保障压力巨大。近年来,黄河水资源量呈现不断衰减的趋势。在流域现有水资源和用水情景及调度原则下,实施生态调度存在多方面制约,特别是在遭遇枯水年甚至特枯水年情况下,协调和保障生态用水压力巨大。

（2)生态流量基础研究不足,与实际生态调度管理适应性亟待提高。对生态流量概念和内涵认识不统一,相关技术标准不一致,计算方法繁多且结果差异大,对流域水资源变化的生态响应关系、生态流量指标适应性等研究不够系统,亟待开展与匮乏的黄河水资源相适应的生态指标调控和管理研究工作。

（3)生态流量管理缺乏相关法规政策、工作机制支撑。《水法》《水污染防治法》都明确提出水资源开发利用时应充分考虑生态环境用水需求,《黄河水量调度条例》也要求尽可能保障河道生态用水,但受河流生态环境用水及生态流量要求不具体等情况困扰,生态流量目标管理可操作性不强,保障生态流量的管理程序、监控监管难以落实。

（4)生态监测基础薄弱,亟待建立长效监测机制。一方面,现阶段由于没有稳定的经费渠道和工作要求,因此未形成长效监测工作机制,缺乏连续监测结果和相关研究资料；另一方面,黄河下游生态监测涉及多部门,有关单位和部门尚未建立稳定有效的信息共享渠道和机制。此外,农业农村部（原农业部)规定休渔期间禁止一切捕捞活动（含科研),这影响了近海生态调查工作的深入。

6.2 展 望

我国生态水量调度尚处于起步阶段,目前对于黄河生态水量调度的实践探索仍在逐步深入,需要在总结实践经验的基础上进一步完善。

（1)将生态水量保障情况、生态流量要求纳入考核体系。在现有水量和社会经济用水条件下,将生态水量保障情况纳入最严格水资源管理制度和河长制、湖长制督导考核体系,以提高黄河水资源利用和生态用水保障水平。同时,全面总结推广黄河下游生态水量调度实践经验,根据流域不同河段生态保护目标要求,将生态流量要求纳入黄河水资源配置与调度中,推进更大范围的生态调度工作。

（2)深化生态流量及功能性不断流研究,不断提升科技支撑能力。借助此次下游生态水量调度实践契机,进一步深化对黄河生态流量问题的针对性和适应性研究。加强黄河功能性不断流研究,深入探索资源性缺水流域水量和生态流量调度及管控模式。

（4)加强生态流量调度效果监测和评估,优化生态流量管理与调度。根据生态流量管理需要,建立健全河流生态流量监测信息化平台,实现监测数据实时报送,提升生态流量监测的自动化水平和信息化水平。进一步加强水生态调查监测和效果评估,不断校验生态流量指标和生态调度方案的科学性。

（5)加快工程建设,为生态调度提供工程调控能力保障。针对黄河流域现状及未来突出的水资源供需矛盾和由此导致的流域经济社会、生态环境约束问题,加快推进南水北调西线调水工程前期工作,同时推进黄河上中游黑山峡、古贤等骨干水资源调控工程前期工作,努力提升黄河水资源承载基础,从而强化流域生态用水保障能力。