丹江口-王甫洲区间生态调度认识与实践

丁洪亮 程孟孟 胡永光 颜剑 朱丹

摘要： 自南水北调中线一期工程通水以来，丹江口水利枢纽调度任务及调度方式发生转变，丹江口-王甫洲区间水温降低、水流量及流速减小，导致伊乐藻等沉水植物大量繁殖，严重影响王甫洲枢纽的行洪与发电安全。为抑制水草过度生长，2020～2021年丹江口水库连续2 a开展生态调度试验。综述了丹江口-王甫洲区间水草灾害现象、危害、原因，介绍了2020～2021年生态调度试验实施情况，评价了实施效果。结果表明：丹江口-王甫洲区间生态调度试验改善了汉江中下游的水生态环境，有效抑制了王甫洲库区水草过度生长，加快了汛前库水位消落，为水库安全度汛奠定了基础，同时提高了水资源利用效率，增加了发电效益。最后就进一步做好生态调度防控水草过度生长危害提出了建议。

关 键 词： 生态调度; 伊乐藻; 丹江口水库; 王甫洲水库; 南水北调中线一期工程

中图法分类号：  TU697.12

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.011

0 引 言

丹江口水利枢纽是汉江控制性骨干工程，也是南水北调中线工程水源地。丹江口水利枢纽大坝加高后工程任务调整为以防洪、供水为主，结合发电、航运等综合利用。王甫洲水利枢纽是以发电为主，结合航运，兼有灌溉、养殖、旅游等综合效益的大（2） 型水利工程，为丹江口水利枢纽的反调节电站，位于湖北省老河口市汉江干流上，上距丹江口水利枢纽30 km，是汉江干流上16级开发中的第10级。丹江口至王甫洲枢纽区间面积686 km 2，区间无较大支流，二者具有紧密的水力联系。自南水北调中线一期工程通水以来，丹江口水利枢纽调度任务及调度方式发生转变，丹江口-王甫洲区间水温降低、流量及流速减小，导致伊乐藻及其他沉水植物大量繁殖，当丹江口水利枢纽开闸泄洪时，大量水草被冲刷堆积于王甫洲水利枢纽坝前，严重影响了王甫洲枢纽的行洪与发电安全。相关学者对伊乐藻进行了生物学特性研究：霍大兵  [1] 对其温度适应性及栽培技术进行了研究;陈灿等  [2] 对不同光强下pH对伊乐藻光合机能的影响进行了研究;李迪等  [3] 对伊乐藻对水体磷浓度的生理响应开展了试验研究;成小英等  [4] 针对伊乐藻对硝氮、磷胁迫的急性响应开展了试验研究。但缺少对伊乐藻在河道内异常增殖的危害、成因、防控措施和生态调度调控的系统研究。基于此，本文阐述了汉江丹江口-王甫洲区间水草灾害现象、危害、成因，介绍了2020～2021年生态调度试验实施情况，评价了实施效果，并针对进一步做好生态调度、防控水草过度生长提出了建议。

1 丹江口-王甫洲区间水草过度生长现象

伊乐藻（ Elodea nuttallii ）原产于北美洲加拿大，为多年生沉水植物，与我国的苦草、轮叶黑藻同属于水鳖科（ Hydrocharitaceae ）伊乐藻属（ Elodea ）  [1] ，20世纪90年代由水产养殖户引进后便在汉江繁殖，自丹江口水利枢纽大坝加高蓄水运行后，水文环境的变化使伊乐藻在丹江口至王甫洲区间河道以及崔家营库区大量生长，形成茂密的“水下森林”，对王甫洲水利枢纽的行洪、机组安全运行和下游水生态环境带来严重影响。这些影响包括：① 丹江口-王甫洲区间伊乐藻生物量非常大，水量大时被连根拔起或折断，冲刷到王甫洲泄水闸至电厂拦污排区间，堵塞泄水闸弧门泄水口、淤积到拦污排前导致水下锚固的钢丝绳和链接件松动或断裂，严重影响水利工程功能和效益的发挥。2017年和2019年汉江秋汛期间大量伊乐藻断枝在河道内聚集，随水流漂移至王甫洲电站和崔家营电站坝前，导致取水口拦污排外堆积大量水草，降低发电水头，影响发电效力，2017年和2019年王甫洲电站发电损失5 100万kW·h和2 400万kW·h。② 洪涝期间大量的水草会阻碍水流，淤积阻塞航道，使船舶的螺旋桨被缠绕而难以航行，影响行船安全。③ 伊乐藻大量生长后覆盖水面，阻碍大气对水体的复氧作用，导致水体下部溶解氧不足，间接影响底栖水生生物群落的动态平衡。大量水草死亡沉落水中腐烂、分解，在生长期吸收的营养盐又释放回水体，成为水体营养物质的内源污染，腐烂发臭漂浮的水草影响河道水环境，堵塞城市取水口。④ 丹江口坝下至王甫洲江段水草物种生境被大量侵占，导致“生态失衡”。

2 丹江口-王甫洲区间水草增殖原因

2.1 丹江口大坝加高运行后水温变化

相关研究表明，伊乐藻具有耐寒性，高温条件下易死亡，因此在冬春时空竞争中拥有明显优势，而南水北调中线一期工程通水以后，王甫洲库区水温的变化朝着更有利于伊乐藻生长的温度区间发展，为伊乐藻跨年度生长提供了有利条件。丹江口至王甫洲区间黄家港水文站水温资料显示，丹江口大坝加高运行前后王甫洲水库年平均水温出现明显变化（见图1），整体呈下降趋势，2014年之前均温16 ℃左右，2014年之后降到14 ℃左右。夏季平均水温明显降低，冬、春季节平均水温变化不明显（见图2）。主要原因是大坝加高后，水库运行水位提高，低温水下泄导致区间水温下降。据分析，大坝正常蓄水位加高至170 m后，5～8月深孔下泄水温为8.6～9.5 ℃，较初期降低1.5～2.3 ℃，水库下泄水温与河道天然水温的温差总体是增大的  [5] ，减少了30 ℃以上水温的发生概率。

2.2 丹江口大坝加高运行后下泄流量变化

丹江口-王甫洲区间黄家港站流量资料显示，丹江口大坝加高运行前后年平均下泄流量明显变化（见图3），整体呈下降趋势。流量极值比减小，多年平均流量和丰水期月均最大流量、枯水期月均最小流量的减少均较为明显（见图4）。主要原因是南水北调中线一期工程通水以后，為保证北调水量，水库减少了向汉江中下游下泄水量，水量下泄过程趋于均匀。峰值流量的减少导致水动力条件减弱，使得伊乐藻等水草更容易生长存活。

3 丹江口-王甫洲区间生态调度实践

3.1 生态调度方案确定

王甫洲月度运行资料显示，2017～2019年4～6月丹江口水库向汉江中下游平均供水流量分别为540，1 340，519 m 3/s，实际运行中王甫洲电站2017及2019年发生草灾，而2018年未发生草灾，初步说明汛前丹江口水库下泄流量越大，对草灾防控越有利（见表1）。

根据王甫洲年度资料可知，当春季丹江口水库下泄流量较大且具有一定的波动性（极值比大于2）时，例如2016，2018年春季1～3月最大流量分别为593 m 3/s和1 030 m 3/s，大小流量极值比分别为2.07和2.15时，王甫洲电站则未发生草灾，因此流量波动性大小也对草灾防控有影响  [6] （见表2）。

由于丹江口水库最小下泄流量不低于日均490 m 3/s，因此拟定生态调度试验方案为：当下泄流量均值一定的情况下，在不低于500 m 3/s基础上，丹江口水库采用波动式下泄，峰值流量按照2月份最低流量的2.0～3.0倍进行设定，并保证不低于1 100 m 3/s。峰值流量每次持续时间不少于5 d，峰值过程不少于2次。

3.2 2020年生态调度试验情况

汉江集团公司于2020年3月23日至4月30日组织实施了丹江口-王甫洲区间生态调度试验，历时39 d，期间湖北省电力公司采用日间调峰方式对丹江口水库进行控制运用，使汉江中下游供水流量在641～ 1 270  m 3/s，最大流量与最小流量之比接近2倍，平均供水流量1 014 m 3/s（见图6）。相较试验前（2020年1月1日至3月22日），虽然极值比有所减小，但是平均流量、最大流量、最小流量均增大较多，分别为试验前的 1.6 ，1.3，1.8倍。试验期间，汉江中下游河道水位明显抬升，流速增加，3月20日模拟区域整体平均流速为 0.09  m/s，4月10日区域整体平均流速增加至伊乐藻正常生长的临界流速值 0.14  m/s，增幅55.6%，整体水动力条件明显改善，有效控制了丹江口-王甫洲区间水草过度生长。但是，伊乐藻分布较为密集的水岸新城和中洲岛等关键典型位置，在调度期间区域平均流速未达到临界流速值 0.14 m/s ，这说明生态调度的流量仍偏小，为后续生态调度的实施积累了经验。

3.3 2021年生态调度试验情况

2021年2月22～26日丹江电厂通过日间调峰方式实施了2021年第一次生态调度，期间丹江口水库向汉江中下游供水流量在591～1 280 m 3/s波动，最大流量与最小流量之比超过2倍，平均供水流量941 m 3/s;3月8～12日实施了第二次生态调度，期间汉江中下游供水流量在464～1 240 m 3/s波动，最大流量与最小流量之比接近3倍，平均供水流量873 m 3/s。两次生态调度，丹江口下泄流量超过方案设定值（849 m 3/s）6.8%，圆满完成既定试验任务。试验前（2020年1月1日至3月22日），虽然极值比接近3倍，但是平均供水流量只有664 m 3/s，水动力不足，试验期间，平均流量是试验前的1.4倍、最大流量、最小流量均大于试验前，水动力学条件明显改善，第二次生态调度试验期间，伊乐藻高发区断面平均流速由0.121 m/s提高至0.564 m/s，远高于伊乐藻生产临界流速0.140 m/s。试验期间中下游流量控制情况见表3～5，以及图7。

4 生态调度效果评价

控制伊乐藻的方式主要包括生态调度、物理拦截和机械打捞、生物操控（投放草食性鱼类）、化学方法（主要是草甘膦等除草剂）、漂浮式光伏  [7] 。物理拦截方法已在王甫洲水利枢纽应用，在电站取水口格栅前布置一道拦污排，但随着水草堆积数量越来越多，部分水草挤过拦污排进入取水口拦污栅导致拦截效果有限;机械打捞方法也被作为应急措施加以应用，但由于库区水草量大面广，打捞船昼夜不停作业也难以解决水草疯长问题，而且经济成本较高;化学方法无法在此河段应用，因为王甫洲库区是老河口市饮用水水源地，汉江干流是下游襄阳市、钟祥市等地区的饮用水水源地，采用化学方法的环境风险较大;生物操控方法在库区大范围增殖放流草食性鱼类是否有效果具有不确定性。2020～2021年，在目前水库水草危害防治缺乏可供借鉴和可供选择的成功经验的情况下，首次尝试用生态调度方法防控水草，取得了良好的效果，为水库水草防治积累了宝贵的经验。

2020～2021年度生态调度试验是在保障南水北调中线一期工程用水需求的前提下实施的，生态调度试验的实施不仅改善了汉江中下游的水生态环境，并且有效抑制了丹江口-王甫洲区间水草过度生长，同时也加快了丹江口水库汛前水位削落，为水库安全度汛奠定基础。

（1） 在确保南水北调供水的前提下，改善了汉江中下游的水生态环境，有效抑制王甫洲库区水草过度生长。2020～2021年度生态调度试验是在确保南水北调供水安全的前提下开展的。2020年4月长江委批复陶岔渠首供水流量为350 m 3/s（含生态供水流量190 m 3/s），生态调度试验期间，陶岔渠首实际平均供水流量为346 m 3/s，与长江委批复流量基本一致;2021年2月和3月长江委批复陶岔渠首供水流量分别为180 m 3/s和270 m 3/s，2月和3月生态调度试验期间，陶岔渠首实际平均供水流量分别为210 m 3/s和267 m 3/s，保障了北方用水需求。

2020年生态调度期，汉江中下游平均供水流量达到1 010 m  3 /s，2021年两次生态调度试验期间，汉江中下游平均供水流量分别达到941 m 3/s和873 m 3/s，较2014年通水以来同期平均流量594 m 3/s和609 m 3/s分别偏多58%和43%。生态调度试验期间，汉江中下游河道水位明显抬升，流速增加，通過加大水流速和加大波动幅度，加强对沉水植物生长的干扰，有效抑制了王甫洲库区水草增长，为鱼类自然繁殖创造了有利水文条件，改善了汉江中下游水生态环境。

根據现场调查，在生态调度影响下，丹江口-王甫洲江段伊乐藻总生物量呈逐年减少趋势。同期相比，伊乐藻峰值生物量从2019年4.8万t，减少至2020年1.3万t和2021年0.58万t。2021年伊乐藻峰值总生物量是2020年同期约45%，仅为2019年草灾年份同期约12%。

（2）  加快库水位削落，为水库安全度汛奠定基础。2020年3月23日生态调度试验启动时库水位162.41 m，4月30日试验结束时库水位160.23 m，已基本消落至汛限水位。如按年度供水计划，则4月30日水位162.22 m，试验多降低库水位2 m;2021年两次生态调度丹江口水库水位多消落0.36 m，第二次生态调度试验结束时库水位已降至159.97 m，低于夏季防洪限制水位。生态调度试验的实施加快了库水位的消落，及时腾出了防洪库容，为水库汛期安全度汛奠定了坚实基础。

（3） 充分利用水资源，增加了发电效益。2020年生态调度试验期间，丹江口水库向汉江中下游平均供水流量1 010 m 3/s，较年度供水计划多490 m 3/s，多下泄水量16.51亿m 3，折算增发电量约3亿kW·h。2021年两次生态调度试验，丹江口水库向汉江中下游平均供水流量较年度供水计划（2月600 m 3/s、3月520 m 3/s）分别偏多57%和67%，多下泄水量2.91亿m 3，也增加了电厂的发电效益。

5 结论与建议

以伊乐藻为主的沉水植物在丹江口-王甫洲区间大量增殖，对王甫洲电厂生产运行安全和王甫洲库区生态系统安全造成了影响，南水北调中线一期工程通水运行以后，丹江口水库实施了170 m蓄水位运行，低温水下泄和春、秋季低流量稳定运行为伊乐藻的生长繁殖提供了条件。从2020年和2021年丹江口水库针对丹江口至王甫洲区间水草防控的生态调度试验来看，生态调度试验不仅改善了汉江中下游的水生态环境，并且有效抑制了丹江口-王甫洲区间水草过度生长，同时也加快了丹江口水库汛前水位削落，是防控区间伊乐藻异常增殖的有效途径。

下一步建议持续开展伊乐藻植株脱落与水流流速和流量对应关系的研究、深入开展生态调度方式研究等，为水草防控提供科学依据。有条件的情况下，开展秋季生态调度，同时王甫洲库区以伊乐藻为主的沉水植物大量增殖是汉江流域新出现的生态现象，除目前已经实施的物理拦截和生态调度试验外，还可以尝试开展王甫洲洲滩微地形改造，实施库底清淤等措施进行水草防控综合治理。

参考文献：

[1]  霍大兵.伊乐藻生长特性及种植技术[J].安徽农学通报，2008，14（15）：233，266.

[2] 陈灿.不同光强下pH对伊乐藻光合机能的影响[J].湖南林业科技，2009，36（1）：15-17.

[3] 李迪，赵温，谭启玲，等.伊乐藻对水体磷浓度的生理响应[J].环境科学与技术，2018，41（增1）：24-30.

[4] 成小英，雍佳君.伊乐藻对硝氮、磷胁迫的急性响应[J].安全与环境学报，2014，14（6）：336-340.

[5] 郭生练，彭虹，刘心愿.丹江口水库大坝加高对水温的影响[C]∥第五届中国水论坛.第十九章：水利水电工程生态效应，2007：857-863.

[6] 长江水资源保护科学研究所.丹江口-王甫洲区间生态调度控制水草生长效果评估研究[R].武汉：水利部长江水利委员会，2020.

[7] 长江流域水环境监测中心.王甫洲水库沉水植物生态调查与防控措施研究[R].武汉：水利部长江水利委员会，2019.

（编辑：黄文晋）

Understanding and practice of ecological operation in Danjiangkou-Wangfuzhou  section in Hanjiang River

DING Hongliang 1，CHENG Mengmeng 1，HU Yongguang 1，YAN Jian 2，ZHU Dan 1

（ 1.Hanjiang Water Resources and Hydropower （Group） Co.，Ltd.，Wuhan 430048，China; 2.Hubei Hanjiang Wangfuzhou Hydropower Co.，Ltd.，Xiangyang 441800，China ）

Abstract：

Since the working of the first phase of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project，the operation task and mode of Danjiangkou Reservoir have been changed.The water temperature，water flow and velocity of Danjiangkou-Wangfuzhou section have decreased，resulting in the rapid growth of submerged plants such as Elodea，which has seriously affected the safety of flood discharge and power generation of Wangfuzhou Reservoir.In order to control the excessive growth of proposed aquatic plants，from 2020 to 2021，Danjiangkou reservoir carried out ecological operation tests.This paper summarized the phenomena，hazards and causes of water and grass disasters in Danjiangkou-Wangfuzhou section，introduced the ecological operation test from 2020 to 2021，and evaluated the implementation effect.The results showed that the ecological operation tests in Danjiangkou-Wangfuzhou section have improved the water ecological environment in the middle and lower reaches of Hanjiang River，effectively inhibited the development of aquatic plants in Wangfuzhou Reservoir area，accelerated the reduction of reservoir water level before flood season，thus laying a solid foundation for the safe operation of the reservoir in flood season，making full use of water resources and increasing the benefit of power generation.Suggestions on further ecological regulation and prevention and control of aquatic plant hazards are put forward.

Key words：

ecological operation; Elodea ;Danjiangkou Reservoir;Wangfuzhou Reservoir;first phase of the middle route of the Diversion Project