大尺度生态调度研究与实践

邓铭江，黄 强，畅建霞，黄生志

（1.西北旱区生态水利国家重点实验室，西安理工大学，陕西 西安 710048；2.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 研究背景与进展

1.1 水库生态调度在河流上修建水利工程，将会影响上下游、干支流之间的水系连通性，导致河流生态系统处于碎片化状态。同时，一些重要的水利工程将会改变整个流域的水资源分配格局，影响或破坏生态系统的完整性，使河流生态环境处于胁迫状态。现行的水库调度方式以及调度规程过分强调兴利目标的实现，较少考虑生态环境目标要求，给库区生态系统及下游生态环境造成诸多不利影响[1]。生态调度是维系和恢复河流生态系统而采取的多种水利非工程措施，通过改变传统的水库运行方式，将河流生态保护纳入其中，部分恢复自然水文情势，修复大坝上下游河流的生态系统结构和功能[2-3]。其实质是将生态因素与水库调度和区域水资源配置方案综合考虑，进行生态、防洪、兴利等多目标调度，以保障河流生态系统多方面用水需求。

国外从1970年代开始研究水库对生态环境的负面影响，尤其是美国和澳大利亚等发达国家在这方面起步较早。1971年，Schlueter 第一次提出了水库在满足人类社会经济用水的同时，需要兼顾河流的生态多样性[4]。1982年，Junk[5]最早提出生态洪水脉冲。美国从1980年开展大古力大坝和哥伦比亚流域的水利工程生态调度，充分考虑维持或增强溯河产卵的鱼类种群溯流至产卵场的需求[6]。至1990年代，在世界上绝大多数河流频繁发生水体污染和水生生物灭绝的背景下，各国开始逐渐认识并广泛关注“河流健康”的概念。澳大利亚于1993年最先制定了国家河流健康计划（NRHP），建立了一套流域河流生态系统健康评价的指标体系，并快速成为河流生态研究的新热点[7]。

一般研究生态调度问题是通过嵌入“生态目标”，采用“改进大坝运行方式”的水库生态调度方案[7]。美国田纳西河流域管理局在1987年推动了一项流域水库综合评估项目，通过对流域内20座水库实行综合调度，修正了原有以航运、防洪及水力发电为水库调度目标的田纳西流域法案（TVA Actof1933），开始兼顾水环境和栖息地等综合需求[8]。Richard 等[9]在2007年用广义水资源评价与规划模型（WEAP）研究了水库蓄水和河道内径流之间的关系，建立了一个解决生态效益和兴利效益之间均衡关系的综合调度模型。对于人类活动影响较小的河流，生态调度的目标是控制自然状态下河流径流情势的改变，以保持河流生物多样性和生态完整性；对人类活动影响剧烈的河流，已很难恢复和保护其自然状态，主要通过设计生态流量过程，并在生态调度过程中得到实现，以达到人工状态下的生态系统平衡、修复和满足人类对于水资源综合利用的效益最大化[10]。

2014年，Steinschneider 等[11]提出一种大尺度优化调度模型，在大流域水库群多目标调度问题上探讨水库协调管理措施对生态效益的贡献。2015年，Tsai 等[12]提出一种新的基于人工智能的量化河流生态系统需求的混合方法，并通过水库优化调度为维持河漫滩生态提供合适的流型。2017年Sabo等[13]在《Science》上发表了湄公河生态调度研究成果，通过调度模型耦合了河流径流情势的结构差异性，设计了满足河流生态完整性、保证人类经济需求的径流模式。

随着一大批大型水利水电工程的相继建成，国内从1980年代起，主要针对黄河和长江流域，重点围绕防洪、灌溉、航运、发电和生态等，开展水库及水电站梯级综合调度研究。黄河是世界上泥沙含量最高的河流，社会经济与水资源供需矛盾突出；2002年以来，针对下游河道“中水河槽萎缩、过流量降低”等问题，以小浪底水库为主，联合三门峡、故县、陆浑和万家寨水库开展了“调水调沙”生态调度[14]；在满足下游河道生态需水要求的同时，保证河道过流和输沙能力，生态调度目标从保证最低河道生态需水，向保证黄河功能性不断流转变[15]。长江流域大规模水利工程的建设运行对其周边环境以及整个流域造成了显著的影响；从2011年开始，围绕青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼“四大家鱼”保护，通过加大三峡水库泄量使宜昌以下江段形成持续涨水，促进鱼类自然产卵繁殖[16]。针对“流域水利工程联合调度运行，减少水库对河流上下游的生态影响”等核心问题，以三峡水库为龙头，联合溪洛渡和向家坝等骨干水库，构建了金沙江、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、清江、洞庭湖“四水”和鄱阳湖“五河”等8个水库群组相配合的联合调度体系，开展全面系统的水库综合调度，为长江流域生态调度提供了一个全新的视角[17]。与此同时，在干旱区内陆河流域，针对塔里木河、黑河下游河道长期断流，围绕流域综合治理及抢救性生态输水，开展生态修复与生态响应研究，极大地丰富和拓展了生态调度的内涵和任务。纵观以上研究成果，其生态调度的其主要特点及发展趋势体现在：

（1）开始致力于“后坝工时代”河流生态恢复。2010年世界30 m以上大坝有13 629座，总库容接近7万亿m3，相当于世界河流年径流的12.7%。其中，中国5564座，占40%。世界各国已普遍认识到大坝对河流生态系统构成的危害，美国从20世纪末开始拆除一批服役年限较长、对环境影响较大的水库大坝，截止2015年共拆除1300余座[18]，重新定位水库大坝在流域水资源开发利用、生态保护和生态修复中的作用。

（2）已迈入大尺度生态调度研究与实践的新时代。水库调度已从“各自为阵”、将“生态目标”嵌入兴利调度的简单调控过程，转变为全流域大尺度生态调度的综合调控过程，即：全流域-大空间尺度，以全流域水安全为目标，覆盖上下游、干支流、左右岸，联动各工程群组，统筹“山水林田湖草”，系统研究制订生态调度计划；长系列-大时间尺度，关注气候环境变化及其对水-土、水-生、水-沙、水-盐、水-经关系的影响，在丰平枯、大趋势、长系列中综合协调平衡；水循环-大系统尺度，系统研究“自然-社会”二元水循环过程，密切关注流域水循环的系统性、结构性、传导性及其纽带作用，着眼于生态系统全方位，不仅关注陆生和水生生态的保护，而且更多关注多自然河流及生物多样性的重构。

（3）重新权衡生态完整性的保护和社会经济的高质量发展。开始关注大规模水利工程建设对其周边环境以及整个流域造成的影响，用更长远和可持续发展眼光，探索“绿水青山”转化为“金山银山”的创新路径和“山水林田湖草”综合治理的系统方法。对此，我国政府高度重视，2018年4月26日，习总书记在深入推动长江经济带发展座谈会强调：坚持共抓大保护、不搞大开发，加强改革创新、战略统筹、规划引导，以长江经济带发展推动经济高质量发展。2019年9月18日，习近平总书记召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会要求“共同抓好大保护，协同推进大治理，让黄河成为造福人民的幸福河”。因此，通过研究水库发电调度对径流情势及生态系统的影响，牺牲部分经济效益，以满足特定生态目标对河流水文情势的需求，已成为普遍认同的行为[19]。在关注生态保护、生态修复的同时，生态建设、生态补偿、生态经济和生态文化的理念也已蔚然成风。

（4）生态调度的研究内容和创新实践不断丰富。河流生态系统的生态需水不仅需要满足一定的水质、水量、水温等要求，还要创建一定的水文情势过程，必要时还应采取人工辅助手段，营造河滩林草灌溉和鱼类产卵、索饵、洄游的“三场”条件。因此，生态调度的研究内容已扩展到调水调沙、工程群组合联动、多尺度耦合、多目标优化、地下水位调控等一系列创新实践，并不断丰富着生态调度的内涵，使生态调度成为流域综合管理的重要手段之一。

综上所述，生态调度的根本目的，在于保证流域生态系统健康和实现社会经济的可持续发展。合理的生态调度需要权衡多方面的因素，将生态用水纳入到流域综合规划进行合理调配，制定合理的生态保护目标、科学的输水方式和生态调度方案，为解决水利工程调度运行中耦合径流过程与生态系统变化响应关系，为保障与促进更加有效的生态修复提供理论指导和实践基础。与此同时，随着生态文明社会的发展，水资源调控目标不再单纯追求经济效益最大化，面向社会经济、水资源与生态环境协调发展的水资源配置与综合调控已成为研究的热点[20]。

1.2 河流生态修复生态调度是生态恢复和保护最为有效的措施之一。随着生态恢复在国内外越来越受到关注，生态调度和生态恢复的理论与实践也逐渐成为了生态学研究的热点。

水利工程与社会经济发展、生态文明建设之间矛盾的焦点是生态恢复目标。当前，学术界对于生态恢复目标主要有以下表述：①完全恢复：生态系统的结构和功能完全恢复到干扰前的状态。②修复：环境质量有一定程度的改善。③创造（重建，重构）：形成一种新的河流地貌和河流生物群落。④自然化：在承认人类对于水资源利用的必要性的同时，强调通过河流地貌及生态多样性的恢复，建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统。显然，这4种目标代表这人们对待自然的不同态度，而“修复”和“自然化”，则是当前被普遍所认同的[21]。

自工业革命以来，由于人口剧增，过垦、过牧、毁林及水资源过渡开发利用等不合理的活动，以及工业化、城镇化过程所产生的各种污染物的影响，再加上变化环境的影响，使得生态系统大面积严重退化，它们提供生态产品和各种生态服务功能的能力也受到极大的损害，严重影响人类的可持续发展[11]。对于资源性缺水、生态系统脆弱的干旱区内陆河流域来说，生态恢复尤为重要。影响生态恢复的因子很多，目前主要围绕水资源时空演变与区域生态环境影响、自然-社会水循环调控、河流生态需水量及健康保障技术、水动力学过程、生态恢复等方面开展重点研究。

（1）水资源时空演变对生态环境影响。在人类活动和气候变化影响下，水资源在时间上和空间上的演化格局发生了巨大变化，对生态环境带来严重影响。因此，水资源时空演变可为流域水资源规划及生态恢复提供重要的技术支撑。流域水资源时空演变特征包括随机性、周期性、趋势性以及变异性等。此外，降水、降水-径流响应关系、降水-气温-植被类型等都是水资源时空演变的重要驱动因子[22-23]。如：黄河流域2001—2016年天然径流量461亿m3，比制订“87 分水方案”时的580亿m3，减少了119亿m3，年输沙量持续减少了85%；近20年新疆地区特别是塔里木河流域，气温升高、降水增加，天然来水量比多年平均偏多15%。

（2）自然-社会二元水循环调控理论。鉴于人类对水资源的过渡开发利用，2012年Sivapalan 等[24]首次提出社会水文学概念，指出人是社会水文系统的重要部分，需要在更综合的框架下研究人与自然的双向耦合。社会水文学涵盖自然水循环和社会水循环，并着重于研究人-水耦合系统，涉及社会、经济、水文和生态环境等系统间的互馈方式和协同进化的动态过程，通过研究大时间尺度的变化，进而预测其未来的演变轨迹，促进水资源的可持续管理[25-26]。由此可见，“自然-社会”二元水循环调控理论，是社会水文学的重要基础，也是支持生态调度、生态恢复、社会经济与生态保护协调发展、实施水资源综合管理的基础科学[27]。

（3）河流生态需水及健康保障技术。生态环境需水是指为维护生态环境不再恶化，并逐渐改善所需要消耗的水资源总量，由河道内和河道外两部分需水量构成。其中，河道内生态需水对维系整个河流生态系统的结构、功能完整性和良性循环具有重要意义[28-29]。生态环境需水与河流健康标准密切关联，确定合理的评价方法是开展河流健康维护和生态修复的基本前提。河流生态修复旨在重建一种使河流自然过程能够再生的状态，从生态水文、水力、水质及水生生物层面建立河流健康评价体系；同时。考虑河流生态系统的社会服务功能，采取综合调控措施，为河流生态系统健康发展和水资源优化配置提供保障[30]。

（4）河流水动力过程重构。水动力过程重构在生态调度过程中作用重大，传统的生态调度是通过保证生态基流来实现河流生态系统保护。现阶段，生态调度主要面临的科学问题，是如何确定适宜的生态流量和水动力过程。由于大坝建设，大多数河流水文径流情势的历史一致性已被破坏，在未来的生态恢复中，重构河流生态流量过程将占主导地位[31-33]。通过脉冲式放水、洪水调度、凑峰及时程演进调控等措施，营造有利于水环境改善、水生态保护的水动力条件，为生态调度中耦合生态过程和水文过程提供有效的工程手段[34-35]。特别是平原区河流，其地势平坦、水流缓慢、水污染严重，因此水动力过程重构是生态恢复的重要条件。

（5）生态恢复学理论与实践不断丰富。随着人类对生态系统干扰活动的加剧，各种生态修复技术、生态恢复的理论与实践也逐渐成为了生态学研究的热点[36-37]，1980年代《恢复生态学》应运而生，并得到迅猛发展。以往的研究大部集中在水分丧失后生态退化的研究上，直到20世纪末，一批重大生态工程实施后，才展开关于水分恢复后生态响应的研究，为生态恢复学理论与实践积累了宝贵的经验[38-39]。如塔里木河和黑河下游河道生态输水、白洋淀生态补水、黄河生态调度与“调水调沙”等，通过研究生态恢复响应及其过程，为制定合理的生态恢复方案提供科学依据。

2 干旱区内陆河流域生态调度面临的挑战和理论思考

2.1 问题与挑战

（1）资源性缺水与生态环境脆弱性使流域生态环境保护面临严峻挑战。中国西北内陆干旱地区，降水稀少、蒸发强烈、有水就有绿洲、无水皆为荒漠。内陆河流域“山区—人工绿洲—荒漠绿洲”是完整的水循环过程，山区是径流形成区，平原是径流耗散区，荒漠与沙漠地带则是河流的散失区。生态景观的傍河性、廊道式特征十分明显。按水资源的形成、利用、转化和消耗规律，结合地貌和植被景观特征，可将流域的生态系统划分为山地、河流水域、人工绿洲、自然绿洲以及戈壁荒漠五大类型，其依存性、整体性、规律性和功能性相互作用。绿洲水循环强烈的人为作用与荒漠水循环自然衰竭变化，是一个自上而下响应敏感的单向过程。上中游过度增加用水，必然会造成下游水量的减少，生态环境荒漠化。经过70年大规模水土开发利用，导致人工绿洲扩大、天然绿洲缩小、生态环境恶化严重。近20年，西北旱区降水增多，水资源处于丰水期，但若不改变现状开发格局与用水规模，当遭遇枯水年时，生态环境将进一步恶化，经济社会安全的水资源风险将会加大。

（2）过度开发利用与水资源需求持续增长对流域生态环境不断构成威胁。干旱区农业灌溉用水量大、占比高、用水结构不合理、用水效率低、用水总量超“红线”、生态用水被大量挤占、地下水超采量和超采区不断增加、水利基础设施建设滞后、综合管理能力薄弱等问题，是存量水问题。当前，正在实施乡村振兴、脱贫攻坚、生态搬迁、美丽乡村建设等国家战略，需要的水土资源“双”增长，绿洲水资源配置工程与高效农业灌排体系建设“双”滞后，是我们面临的增量水问题。绝大多数内陆河水资源开发利用率超过70%（供水量与水资源总量的比值），远高于22%的全国平均水平，大量的水被截流在人工绿洲，一方面造成“河湖结构”组成的天然水系急剧萎缩，另一方面又造成“渠库结构”组成的人工水系不断膨胀，天然绿洲生态用水被大量挤占，导致河流断流、湖泊干涸、地下水位下降、湿地萎缩退化、生态系统受损、荒漠植被衰竭等。统筹协调人工绿洲与自然绿洲两大竞争性用水户的矛盾，是干旱区内陆河流域可持续发展的重大命题。

（3）大坝建设对生态环境和河流健康造成的影响已不容回避。水利水电工程建设在实现巨大的社会经济效益同时，也永久改变了河道的水生态环境条件，影响河流水生态系统和水体的自净能力。当前，水利水电事业发展已开始进入“后坝工”时代，关注以水库调度为核心的供水、灌溉、生态、防洪、发电等利益与效益间的协调，关注大坝建设对生态环境和河流健康可能造成的影响，已是目前面临的一项重大挑战。2019年新疆已建成水库712座，总库容259亿m3，相当于河流年径流的30%，其中坝高30m以上的山区水库159座；黑河流域共有大中小型水库106座，干流梯级总库容5.2亿m3，相当于年径流的37%，目前正在建设的黄藏寺水库，控制干流莺落峡以上80%的水量[40]；石羊河流域内共有大中小型水库20座，总库容4.5亿m3，相当于年径流的29%[41]；塔里木河在4条源流上规划了“14库64级”梯级开发方案，水库总库容占多年平均总径流的46%[42]。综上表明，以兴利和防洪为主的传统水库调度必须融入全流域大尺度生态调度，并最终实现水库综合调度目标。

（4）受损生态系统恢复的适宜度和可控性亟待研究。适宜度是指人工绿洲发展与天然绿洲保护的适宜规模和合理性。可控性强调的是在水资源开发过程中，采取各种工程与非工程措施，使其不利影响得到有效减免或控制。适宜度是可控性的前提，只有科学把握适宜度，才能促进水资源-生态环境-经济社会协调发展。一方面，水资源开发利用要防止无节制、掠夺性地开发利用，避免造成不可控、不可逆的毁灭性破坏；另一方面，也要防止把生态平衡看成静止不变的。干旱区确定适宜度最关键的因子是水，其核心是社会经济与生态环境的耗用水比例。国际上通常将40%作为流域地表水合理开发利用率的警戒线。有学者研究认为[43]：从水量与水质综合角度考量，我国七大江河流的水资源开发利用率的阈值为31%～45%。钱正英等[44]研究认为：“在西北内陆干旱区，生态环境和社会经济系统的耗水以各占50%为宜”、“按社会经济平均耗水率为用水量的70%折算，内陆河流的最高开发利用率应不超过70%”。即：“五五分账，三七调控”地表水调控模式[45]，这是衡量干旱区水资源开发利用适宜度的一个重要指标，而生态调度则是实现可控性的重要措施。

2.2 关键科学与技术问题生态调度是“后坝工时代”水资源利用与生态环境保护的一种途径和方式。主要研究水利工程建设和调度运行对流域生态环境的影响，以及在这种影响下生态系统的演变趋势，探索在水资源开发利用过程中，采取的既能满足人类社会需求，又能兼顾水生态系统健康和良性发展的各种措施和方法。当前应着力研究解决以下主要关键科学与技术问题：

（1）确立合理的生态保护目标。对于一条水资源过渡开发利用的河流，若想使生态环境恢复如初，显然是不切实际的；同时，不同流域的生态保护对象有所差异。适宜度和可控性是制定生态保护目标的基本原则，而“修复”和“自然化”则是关键性的技术要求。因此，需要因地制宜确立不同流域的合理的生态保护目标。

（2）提出大尺度生态调度技术。在水利工程建设和流域规划环境影响评价的基础上，从流域生态系统全视角、工程群组合调度运行全程，亟待提出流域大尺度生态调度技术，并根据水文情势，完成好年度生态调度计划。

（3）揭示水文与生物响应关系。摸清主要生物、植物、动物的生境要素，分析其与水文过程响应关系，确定关键物种对主要环境因子变化的耐受范围和阈值，揭示水文与生物响应关系，为建立生态调度模型，以及目标函数、约束条件等提供科学依据。

（4）构建水系连通体系。从生态保护的角度来看，需要构建水系连通体系。水系连通和水流连续包括：能量流、生物流、信息流和物质流的连续。目标是保持河流水文水力学的连通性、河流中洄游鱼类通道的畅通性，防止河流生境破碎化，防止造成河流生态系统组成、结构和功能的重大改变。因此，亟待进行水系连通性理论和实践探索。

（5）综合确定合理的生态流量。根据生态保护目标、主要生物习性、水系连通等需求，建立基于水文过程的生态调度模拟或优化模型，探索满足不同河流独特生态系统健康发展的河道生态流量计算方法，并结合实时调度过程中河道内、河道外用水要求，需要综合确定合理的生态流量。

（6）建立规范的生态调度体制。为了实现生态调度的科学化、系统化、制度化，开展生态环境监测和评估，不断修订和完善生态调度策略，优化全流域水资源配置等，统筹发挥各涉水部门的综合协调能力，研究并建立规范的生态调度体制是十分必要的。

3 塔里木河下游生态调度与生态修复

3.1 背景情况塔里木河全长1321 km，是中国乃至世界气候最为干旱、生态最脆弱的地区之一。研究区所在的下游地区，平均气温11.5～11.7℃之间，年降水量变化不大，主要集中在5—8月间，占全年总量的82%～85%，铁干里克站年均降水量27.7 mm，蒸发强度2547.9 mm；若羌站年均降水量29.0 mm，蒸发强度2881.2 mm。

从1950年代开始，在其源流阿克苏河、和田河、叶尔羌河，甚至在塔里木河干流，开发了大规模的灌溉农业。过度的水土资源开发利用，特别是1972年大西海子拦河水库建成以后，直接导致下游357 km 河道断流。为了保护塔里木河流域的生态环境，挽救濒于毁灭的下游“绿色走廊”，中国政府2001年投资107亿元，开始了为期10年流域综合治理行动。2000—2019年向大西海子水库下游河道实施了20余次生态输水，结束了下游河道断流30年的历史。目前，共计输水81.61亿m3，平均年下泄水量4.13亿m3，超额完成了年均下泄3.5亿m3的预期目标（图1）。输水期间，共设置了大西海子、英苏、阿拉干、依干不及麻、台特马湖等5个地表水监测断面，英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻、库尔干、台特马湖、老英苏（老塔河）、博孜库勒（老塔河）等9个地下水监测断面，45眼地下水监测井，以及英苏、阿拉干、依干不及麻3个土壤水监测断面，96个植被长期监测样方、135棵胡杨树年轮和25个生态指标监测数据，并收集蒸发、降水、气温及大量遥感监测资料（图1）。

在这一水资源极其宝贵、气候极端干旱、生态极为脆弱的地区，20年坚持不懈地开展大尺度生态调度、生态恢复和生态监测评估，并对输水后的生境条件变化、生态恢复响应、预期效果评估进行跟踪研究，对干旱区的生态修复具有十分重要的科学价值。

3.2 生态输水与生态响应分析

3.2.1 生态输水及水量平衡

（1）生态输水特征。①具有双水源输水特点：开都-孔雀河输水13.33亿m3，占16.3%；塔里木河干流输水68.28亿m3，占83.7%；②间歇性输水特征明显：向断流30年的河道恢复输水，情况多变复杂，且水源遥远、流程漫长，输水过程中时常出现径流不稳定、间歇性演进的状况；③水库提高了输水效率：利用大西海子水库蓄存两路来水，集中调度，合理调控输水时间、水量、流量及输水方式，提高输水的生态效益。

（2）生态输水方式。①单通道输水，在来水量较少的情形下，利用其文阔尔河或老塔里木河其中的一条通道轮换输水；②双通道输水，利用其文阔尔河和老塔里木河两条通道同时输水；③汊河输水，在主河道输水过程中，利用两岸自然分布的汊河实施生态输水，扩大天然植被受水范围；④面状输水，在河道上修建墉水坝或节制闸，营造河水漫溢条件，扩大河道沿线受水范围（图1）[46]。

（3）河段水量消耗。20次生态输水大西海子水库累计下泄水量81.61亿m3。其中，大西海子-英苏段消耗水量19.34亿m3，占23.7%；英苏-阿拉干段（含老塔里木河））34.43亿m3，占42.2%；阿拉干-依干不及麻段12.14亿m3，占14.9%；依干不及麻-台特马湖段8.56亿m3，占10.5%；台特马湖入湖7.14亿m3，占8.7%。大西海子-阿拉干段耗水量占65.9%，是耗水量最大的河段。

（4）水量平衡计算。根据水量平衡方程，大西海子水库下泄水量中，补给或消耗于包气带、地下水、河道水面蒸发和入台特马湖水量，分别占44.5%、43.7%、3.1%和8.7%（图2）。第11次输水前，地下水补给量远大于包气带补给量。此后，随着地下水的抬升转变为包气带补给量大于地下水补给量的特点。总体上，88.2%的水量用于补给河道沿岸包气带和地下水，这对天然植被恢复和更新极为有利。

3.2.2 地下水位和水质的变化响应

（1）地下水位变化。以离河岸100～150 m处地下水位变化为例（图3（a）），英苏、喀尔达依、阿拉干3个典型断面，生态输水前平均地下水埋深为11 m，前5次大剂量连续输水后，地下水响应十分显著，2003年地下水位迅速达到峰值。2004—2009年虽然保持每年输水，但输水量明显减少，各断面的地下水埋深均呈现缓慢降低趋势。2010年大强度输水后，地下水位又迅速抬升。2014年输水量仅为0.07亿m3，地下水位显著下降。2015—2019年由于加大了生态输水量，地下水位转又变为上升趋势。截止到2019年各断面平均地下水埋深为5.99 m，相对于2000年抬升了45.8%。

图1 塔里木河下游研究区

图2 2000—2019年生态输水转换百分比

图3 2000—2019年地下水埋深和水质变化特征

（2）地下水水质变化。如图3（b）所示，伴随着地下水位的抬升，地下水水质也出现了明显变化。输水量与地下水矿化度密切相关，2005—2008年输水减少后，地下水矿化度有明显的上升趋势。2015年英苏和阿拉干断面地下水矿化度由输水前的4～5 g/L降到1～3 g/L，水化学类型由Cl-SO42-Na+（Na+-Mg2+）型四元水逐渐演化为Cl-Na+型二元水。2013—2019年喀尔达依断面地下水矿化度基本趋于稳定，并由输水初期的3.2 g/L降到1.37 g/L，水质明显改善，淡化带的影响范围约1 km。

3.2.3 土壤、水域和植被变化

（1）土壤干旱指数。土壤水是植物生长最重要的水分来源，土壤干旱指数（TVDI）是评估植物生境条件好坏的一个重要指标。干旱等级划分，TVDI ＜0.67为无旱，0.67～0.74为轻旱，0.74～0.8为中旱，0.8～0.86为重旱，＞0.86为特旱[47]。生态输水后，土壤干旱指数整体呈下降趋势，表明土壤呈现湿润化（图4（a））。然而，根据计算的1957—2019年标准化降水蒸散指数显示（SPEI），下游的气象干旱表现为显著增强趋势，因此生态输水阻断了由气象干旱可能引发的水文干旱。土壤干湿变化主要依赖于输水水量，如2008年和2011年输水量减少，TVDI分别达到0.92和0.85（为重旱），而输水量较多的2011年和2017年，TVDI分别为0.5和0.46，为浅根系植物生长提供了有利条件。

图4 2000—2019年土壤、水域和植被变化特征

图5 生态输水前后胡杨冠幅、郁闭度、径向生长量和新增生物量变化特征

（2）台特马湖水域面积。《塔里木河流域近期综合治理规划》提出200 km2的湖面修复目标。生态输水前，台特马湖依靠车尔臣河季节洪水维持少量水面。生态输水过程后，为了扩大天然植被的受水范围，采取了双河道、汊河、面状等多种输水方式，控制入湖水量，减少水面无效蒸发。但仍有大量水流入台特马湖，使其水域面积陡增。2011年入湖水量0.78亿m3，水面达到203 km2；2017年入湖水量2.3亿m3，水面达到570 km2；2019年入湖水量4630万m3，湖水面积346 km2（图4（b））。从生态输水高效利用的角度来看，台特马湖入湖水量及其面积应当加以合理的调控，不宜使湖水面积过大。

（3）植被面积和盖度。伴随地下水位的抬升，土壤水分条件的好转，植被面积也不断扩大（图4（c））。在应急生态输水时段（2000—2011年），植被面积增加了28.9%，平均值为1033 km2，比2000—2019年的平均值低9.3%。在常态化生态输水时段（2012—2019年），植被面积仅增加了13.6%，但该时段比2000—2019年的平均值高12.7%，并且在2019年达到1341 km2。2000—2019年植被盖度增加221.1%，其中2012—2019年增加了31.3%（图4（d））。以上表明，下游生态退化的趋势已得到遏止，生态环境恢复的景象已在一定区域内显现。

（4）植物多样性和群落稳定性。水分条件是决定植物群落结构的重要指标，伴随着生态输水，调查样地内物种的数量明显增加。植物种类由输水前的9科13属17种，增加到输水后的15科36属46种[46]。根据英苏断面布设的10m×10m 植物样方监测显示，在2008年平均有植物6.6株（或丛），至2014年增加为10.4株（或丛），而2019年增加至16.9株（或丛）。这表明生态输水不仅增加了植物群落物种数，也提高了物种密度。从植被面积、植物种类、覆盖度、胡杨径向生长量看，植被群落稳定性虽逐渐提高，但受地表水的影响十分显著，这说明地下水系统的恢复和对荒漠植被的保护作用还未得到发挥，因此造成植被群落仍未达到稳定状态[47]。

3.2.4 胡杨生态指标变化

（1）郁闭度。郁闭度是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，其值越大表明树木长势越好。生态输水后不同离河距离处的胡杨郁闭度与输水前相比均有明显增加。生态输水后，胡杨郁闭度在离河道50 m处最大，且比输水前增加了380.8%，该断面的平均值增加了186.8%（图5（a））。因此，生态输水后胡杨郁闭度随水分条件好转而增加，且在近河道处尤为明显。

（2）冠幅。冠幅是指树冠在水平方向的宽度或在地面投影面积的平均直径，冠幅越大表明树木树冠的饱满程度及长势越好。生态输水后，胡杨冠幅大幅度增加；相比生态输水前，胡杨冠幅在离河50 m处增加了511.2%，该断面平均值增加了216.9%（图5（b））[48]。生态输水促进了胡杨冠幅的增加，胡杨生长逐渐好转。

（3）树轮径向生长量。胡杨径向生长量蕴含着丰富的水文变化信息，对比分析输水前后胡杨径向生长量变化，是衡量下游生境是否好转和胡杨长势变化的重要指标。通过分析发现2000年输水后16年期间胡杨径向生长明显高于输水前14年（图5（c）），平均增加了62.8%。由于2005—2008年输水减少，2009和2010年径向生长量很小，表明输水后胡杨生长仍受到一定胁迫，生态环境依然脆弱。

（4）年新增生物量。基于每年测量的胡杨冠幅面积，计算其树冠生物量。利用树木年轮积分，计算胡杨树干的新增生物量。树冠与树干的新增生物量之和即为胡杨年新增生物量。生态输水后，下游胡杨新增生物量增加了154.4%，有效提升了荒漠河岸林生态系统服务功能（图5（d））[49]。

3.3 存在问题与生态调度优化模式

3.3.1 存在的问题

（1）生态输水影响范围亟待扩大。塔里木河下游20年平均下泄生态水4.13亿m3，维护了1341 km2（13.4万hm2）天然林灌草植被，扣除8.7%入湖水量，每公顷消耗水量3000 m3，取得了较好的生态效益。但离河500 m后植被恢复响应特征不显著，离河1000 m后的地下水位无抬升迹象，生态输水和生态修复仍处于粗放经验性的随机化阶段。

（2）生态系统的脆弱性还没有根本改变。由于生态输水量年际变化较大，导致植被格局和植物群落结构不稳定，如2017—2019年输水量减少，植被盖度、胡杨径向生长量等均大幅降低。地下水是维系干旱区自然植被的最后一道防线，如果形成一个稳定的地下水平台，即使2～3年不输水，天然植被特别是乔木和灌木也不至遭受过大的破坏。

（3）生态调度策略需进一步优化。随着生态输水，河道底部及两侧地下水位抬升，迅速对河道入渗产生顶托作用，大量的水随河道注入台特马湖被蒸发耗散，极不利于生态效益的充分发挥。如2017年大西海子断面下泄水量12亿m3，入湖水量达到2.3亿m3。在丰水年景如果能把更多的水储藏于地下，对于建立地下水生态修复平台无疑是有益的。

3.3.2 生态调度优化模式

（1）调控措施。从生态恢复的角度看，输水时段应与天然植物落种更新时间形成一种生态契合。①发挥大西海子水库生态调度作用，汇集开都-孔雀河和塔里木河两路来水，集中调控向下游河道输水。②选择两个时段集中输水，即：4—5月草本植物萌发及幼苗生长期，采用单通道输水，流量15 m3/s，水量0.8亿m3，水到达台特马湖，促进植被返青；8—10月建群植物胡杨和柽柳集中落种繁育期，采用双通道、汊河、面状输水方式，流量30 m3/s，水量2.7亿m3，在台特马湖形成合理水面。

（2）输水方式。在采用双通道、汊河、面状输水的同时，进一步优化布局生态闸，疏通延伸天然汊河，选择适宜河段人工开挖简易沟渠，一方面扩大天然植被受水面积，另一方面通过汊渗灌、沟渗灌迅速补给地下水，建立起“地下生态水银行”，改善植被生境条件，提高生态系统的质量和稳定性。利用这种方法，在丰水年景可以将大量的水储藏到地下，供天然植被长期利用。

（3）空间结构。分三个区建立生态恢复空间结构：①离河100 m范围，分布着大量的胡杨幼林和近熟林，为核心修复区，地下水埋深2～4 m，形成物种多样、乔灌草稳定的植被群落。②离河100～500 m范围，以近熟和成熟的胡杨林为主，为重点保护区，地下水埋深4～6 m，维持该区域物种多样性。③离河500 m以外、地下水影响1 km范围内，以成熟和过熟的胡杨林为主，为一般保护区，地下水埋深6～8 m，小于胡杨枯亡胁迫阈值[46，49]。

（4）建立地下水生态修复平台及汊渗、沟渗生态灌区。大西海子—阿拉干河长约200 km，其间东侧的其文阔尔和与西侧的老塔里木河平行分布，相距8～30 km。在两河之间选择适宜地段，建立沟汊渗灌生态灌区，采取间歇式轮灌，控制地下水埋深＜8 m，逐步形成稳定的地下水生态修复平台。这是本文的创新点，首先可选择英苏-阿布达力和阿拉干两河汇合口作为示范区，分区轮灌，耗用最少的水资源，实现最佳的生态恢复效果。在极端干旱、资源型性缺水塔里木河，推进生态调度向科学、精准、高效的制度化、常态化转变。

4 额尔齐斯河生态调度与漓漫灌溉

4.1 背景情况额尔齐斯河是一条发源于中国阿尔泰山南坡，流经哈萨克斯坦、俄罗斯，最后注入北冰洋的跨界河。中国境内流域面积5.7万km2，河长633 km，年均径流量111亿m3。635水库以下，河谷宽阔平坦，河道分汊漫流，河滩地上生长着茂密的河谷林草，形成独特的河谷生态系统，被誉为“中国的野生杨树基因库”，是阿勒泰地区重要的牧业生产基地，同时也是我国“三北”防护林的重要组成部分。此外，科克苏湿地还被列入国家一级湿地公园（图6）。流域已建水库40余座，总库容70亿m3；灌溉面积27.3万hm2，大中型水闸61座，泵站118座；水电站42座，总装机124万kW。

众多水利水电工程的建设和跨流域调水工程的实施，对流域生态系统构成严重威胁。为了有效保护干流和支流520 km 河谷范围内的15.5万hm2河谷林草湿地、23种土著鱼类，2000—2019年连续20年来开展水库生态调度与河谷林草湿地人工辅助灌溉（表1）。如图7、图8所示，上游自然洪峰大于漫滩流量800 m3/s的年份只有14年，经水库调节后，有19年下泄洪峰大于漫滩流量，平均达到1100 m3/s；2012年为特枯年景，天然洪峰流量280 m3/s，实际下泄流量680 m3/s。

表1 额尔齐斯河河谷林草分布情况统计（单位：万hm2）

图6 额尔齐斯河水系组成、重点工程及河谷林草分布

图7 635水库历年生态灌溉统计

图8 自然入库洪峰与人造洪峰流量对比

4.2 关键技术

4.2.1 流域中长期水资源综合利用与生态调度策略 充分发挥大型水库多年调节作用，以生态和社会经济用水缺水量最小、调水量最大和发电量最大为水库群优化调度多目标函数，并选择供水保证率、水量平衡作为全局约束，选择水库水量平衡、水位限控、供水要求、泄洪能力、出力调度、库容规模作为局部约束。研究建立水库群及流域中长期生态调度模型，采用快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对多目标模型进行求解[50]。

以月为调度时段，以年为调度周期，进行长系列（1956—2015）优化调度模拟，从宏观尺度上，揭示水库群多年生态调度规律，制定水库生态调度规则，获得不同水文年生态可供水量；从中观尺度上，揭示水库群年内生态调度规律，获取关键时段生态可供水量及过程，以期保证水库群在多年和年内运行期间，水资源综合利用和生态调度策略的科学和合理性，重点关注连续枯水年生态调度预案的研究，为发挥水库群综合利用效益、保障生态系统安全提供战略指导[51]。

4.2.2 基于“三次脉冲”的生态调度 开展生态调度，塑造适宜的水文过程，满足关键保护物种、关键期的生态水文需求，是保护和修复受损生态系统的重要措施。根据本流域陆生和水生生态的物候节律，4月初河流解冻后至5月底需实施以促进鱼类产卵繁殖为主要目标的生态调度，为鱼类塑造适宜的“三场”水文生境条件。该阶段气温逐渐升高，林草也先后进入分枝、分蘖、开花、结实期，植株和茎叶量增加，需水量逐渐增加，但需水强度仍不高。5月至6月初是河谷天然林草需水高峰期，需抓住自然洪水的有利时机，实时开展生态调度，为河谷林漂种繁育和牧草生长提供有利的水份条件。在自然条件下，生态系统的物候节律是在与流域环境条件相适应的过程中形成的。

图9 2000—2015年布尔津断面平均日径流量和水温变化过程线

图9为布尔津断面平均日径流量和水温变化过程线。图中表征日径流量有3个显著的拐点，这也为“三次脉冲”生态调度的径流和水温调控提供了科学依据。即：第一次冷水鱼产卵期脉冲调度，4月下旬，流量60～90亿m3，水温＞4℃；第二次初汛期脉冲调度，5月上旬流量90～220亿m3，水温＞8℃；第三次主汛期脉冲调度，5月底流量220～800亿m3，水温＞18℃。

4.2.3 “七库一干”联合实时调度 全流域虽然有40余座水库，但在生态调度中能发挥重要作用的大中型水库有7座（图1）。西水东引干渠，设计流量55 m3/s，对调剂水量、补偿河道生态基流有重要作用。首先，分析径流变化规律，并根据11月—翌年4月降水积雪和5—6月气温变化，建立径流预报模型；其次，通过构建二维水动力模型，确定漫滩洪水流量、水库下泄水量、干支流洪水遭遇时间等主要参数阈值；最后，参照流域中长期生态调度策略，根据水库蓄水和社会经济需水情况，在微观实施层面，建立“七库一干”优化调度模型，实现水库群“适时、适量、适温”的生态调度目标。

通过模型解算和实践验证，在平水年，漓漫灌溉期间具体的生态调度方案为：635水库下泄洪峰流量1000 m3/s，持续132 h，下泄水量5.05亿m3；克孜加水库48 h后开始泄水，洪峰流量200 m3/s，持续90 h，下泄水量0.43亿m3；布尔津山口水库144 h后开始泄水，洪峰流量800 m3/s，持续60 h，下泄水量1.57亿m3；哈巴河山口水库204 h后开始泄水，洪峰流量400 m3/s，持续72 h，下泄水量0.97亿m3。加上西水东引干渠期间输送的水量0.3亿m3，生态调度总水量为8.32亿m3。

4.2.4 河谷林草漓漫灌溉技术 林草漓漫灌溉与农业高效节水灌溉非常相似，但又有不同。漓为浅、薄，浮薄，水渗入地之意，亦有通达、畅快之意；漫常做漫溢讲，水满向外流，水面广阔。其定义为：根据河谷生态系统需水要求及生态分区，利用水库群生态调度所营造的人造洪峰过程，通过生态水利工程调控，耦合生态与水文过程，形成适时、适量、精细化的生态灌溉方式。其灌溉模式集中表现在4个字上：一是阻，在下游减水河段修建生态闸、阻水堤、溢流口；二是引，建设林草灌溉引水渠道和低扬程水泵；三是疏，疏通河汊支流；四是漫，形成水河湖联通、水网通达，水势漫溢，浸没林草湿地的生态灌溉系统。

漓漫灌区划分原则为：根据河谷地形、水网特征、林草分布和工程布局，建立“5-9-13”干支汊河三级灌溉系统，确立工程保障与漓漫灌区的对应关系，并与“七库一干”联合调度形成密切的联动关系，实现河谷林草“靶向灌溉、靶区灌溉、应灌尽灌”的生态调度目标，改变以往生态调度“只放不灌”“大水漫灌”“洪水淹灌”的粗放式管理模式。

4.3 效益评价与制度建设

（1）生态效益。2016—2018年实施生态调度与漓漫灌溉以来，流域植被覆盖度明显提高并趋于稳定。科克苏湿地植被盖度达到74.6%，接近20年最高水平（图10）。TVDI 由2000—2002年的平均值0.66，减小到0.54，土壤呈现明显的湿润化。额河杨、银白杨、苦杨、欧洲黑杨等优势树种在长势良好。延长了洪水在湿地内的滞留时间、扩大了灌溉范围，维持了河谷林草、湿地、湖泊的生态功能，显著恢复了退化的生态系统，有效保障了流域的生态安全。

图10 科克苏湿地植被覆盖度年际变化

图11 阿勒泰地区渔业产量逐年变化

（2）社会经济效益。2016—2018年牧草干物质产量从2013—2015年的18.8～12.5 kg/hm2，提高至11.9～15.3 kg/hm2，提高了25%，比2000—2002年增加了14.3%。通过增殖放流、禁渔禁捕和生态调度等综合施策，促进了鱼类产卵繁殖，渔获量从2013—2015年的8137～10 000 t，提高至11 500～16 033 t，提高了52%（图11），受到当地政府和广大牧民的广泛赞扬。

（3）监测评价。为科学评价并不断优化生态调度和漓漫灌溉方案，建立了空-天-地一体化监测系统，主要包括：水文监测，河道、水库、湖泊、湿地水位流量和水质状况；灌区监测，漓漫灌溉面积和持续时间；地下水位监测，湿地和河谷一、二级阶地地下水埋深和土壤水分；生态监测，河谷林草与湿地植被生长状况等各种生态指标。

（4）制度建设。成立了以阿勒泰地区行署为组长的生态调度、漓漫灌溉工作领导小组，下设专家咨询组和联合办公室，统一协调由4家分属管理的“七库一干”。负责制定审核、组织实施《年度生态调度方案》及其监督评价，初步形成了一套科学化、系统化、制度化的生态调度机制，为漓漫灌溉和水利工程科学调度提供技术和制度保障。

5 结语

（1）在塔里木河和额尔齐斯河开展大尺度生态调度20年，生态修复效果显著。在塔里木河下游实施双通道、汊河和面状输水的同时，提出采用“沟汊渗灌”方式，可快速补给地下水，形成“地下生态水银行”及生态修复平台，可扩大受水区范围，提高生态系统的稳定性。在额尔齐斯河采用多尺度耦合的生态调度模式，初步形成“七库一干”、“三次脉冲”、漓漫灌溉、河湖联通、水网通达、水势漫溢的河谷林草生态灌溉体系，并且经过多年实践，形成了科学化、系统化、制度化的生态调度管理体系。

（2）大生态系统保护与大尺度生态调度已经成为热点问题并开始受到普遍关注。习近平总书记提出：长江不搞大开发，要搞大保护；黄河流域生态保护要紧紧抓住协调水沙关系这个牛鼻子；干旱区水资源短缺导致生态环境系统脆弱，天然绿洲缩小退化、荒漠化面积扩大趋势明显，生态环境保护要抓住水这个牛鼻子；并提出“绿色青山就是金山银山”和“山水林田湖草生命共同体”等发展与保护的科学理念，为大生态系统保护和大尺度生态调度提出了新的要求，也将不断丰富其研究内涵和实践活动。

（3）“后坝工时代”已经来临并将深刻影响未来水资源开发、利用、保护与管理。众多拦河大坝建设以及所带来的水资源过度开发利用，是造成河流生态系统退化的重要原因。各自为阵、单一目标和部门利益作祟的水库兴利调度，已不能适应流域水安全的综合要求。必须从全流域-大空间尺度、长系列-大时间尺度、水循环-大系统尺度，重新审视我们的水事行为，以流域为单元，兼顾上下游、干支流、左右岸，科学系统的研究制订并监督实施大尺度生态调度计划。维持和重建关键河段、湖泊和湿地等生态系统的和谐健康。

（4）大尺度生态调度是保障流域水安全的重要措施。当今“变化环境下的水安全”已成为国际涉水组织关注的前沿热点，而“流域水安全”也已成为我国“十四五”关注的重大问题。流域是陆地水循环的自然单元，也是水问题研究治理的基本单元，未来经济与生态建设战略布局将会越来越重视流域系统治理。水安全保障应密切联系水循环纽带作用，要综合考虑流域的系统性、结构性和传导性。环境变化及其影响、防洪抗旱、水资源供给、水工程全寿命周期安全、水生态环境、国家重大战略水资源保障等重大水安全问题，可以通过大尺度生态调度的科学运用得到协调化解。