基于水文-生态响应关系的环境水流评估方法——

基于水文-生态响应关系的环境水流评估方法—— 以三峡水库及其坝下河段为例

王俊娜①, 董哲仁①*, 廖文根②, 李翀③, 冯顺新①, 骆辉煌①, 彭期冬①

① 中国水利水电科学研究院, 北京 100038;

② 水利部水利水电设计规划总院, 北京 100120;

③ 中国三峡集团公司, 北京 100038

* E-mail: dongzr@iwhr.com

收稿日期: 2012-10-11; 接受日期: 2013-03-11

国家“十二五”科技支撑计划(批准号: 2012BAC06B04, 2012BAC06B01)资助项目

摘要 当前中国河流的环境水流评估存在 3 点不足: 一是没有明确考虑筑坝河流水库河段的环境水流需求; 二是不注重研究河流水文情势与生态过程的内在关系; 三是大都只关注河流生态系统对流量大小的单一水文要素需求. 本文提出了一种以水文-生态响应的概念模型及其量化关系为基础, 综合考虑大坝上、下游河段的生态保护需求, 适用于生态资料相对丰富的大型河流环境水流评估的整体法——水文-生态响应关系法. 以三峡水库及其坝下河段为例, 应用该方法构建了水文-生态响应的概念模型, 识别了环境水流的生态保护目标及其关键期, 针对单项生态目标分别建立了水文指标与生态指标之间的量化关系, 最后结合生态保护目标和人类需水综合估算环境水流. 所得的环境水流是一种具有生态保护目标的, 带有时间节点的, 包含流量、水位、频率、发生时机、持续时间、变化率等多种水文要素特征的水文过程线. 该案例初步验证了方法的合理性和可行性. 研究成果为改进三峡-葛洲坝梯级水库调度提供了方法支持和决策参考.

关键词

水文-生态响应关系环境水流

整体法

多种水文要素特征三峡水库

坝下河段

筑坝、引水等水资源开发利用行为所导致的自然水文情势改变, 被认为是诸多河流生态问题产生的主要原因之一[1, 2]. 环境水流概念的提出正是为了协调水资源开发利用与河流生态保护之间的矛盾. 环境水流是指维持河流生态系统处于健康状态的河道内水文过程, 与人类在不危及河流健康价值的前提下所需水文过程的综合. 它是生态需水与人类需水相互协调的结果.

筑坝将河流分割成两种不同类型的河段: 一类

为不受水库回水影响的大坝下游或引水河段, 本文称为可自由流动河段; 另一类为水库河段. 可自由流动河段虽然在水文情势的径流量、流量和水位过程等方面发生了不同程度的改变, 但仍然保留着流动河流的基本属性, 自然水文情势是其环境水流评估的重要参考[3]. 水库河段的水文过程、生境条件以及生物群落较自然河流均发生了巨大改变, 成为兼具河流与湖泊特性, 但更接近湖泊的人工生态系统, 其环境水流评估缺乏可参考的基准水文情势. 一直以来,

王俊娜等: 基于水文-生态响应关系的环境水流评估方法——以三峡水库及其坝下河段为例

国内外的环境水流评估大都聚焦于可自由流动河段, 很少涉及水库河段. 这可能是因为环境水流评估发端于发达国家, 而这些国家的大坝建设早在半个世纪前已基本完成, 水库河段现已形成相对稳定、健康的生态系统. 中国河流当前正处于水电大规模开发时期, 河流梯级开发方兴未艾, 很多水库生态系统处于非稳定状态, 岸坡失稳、泥沙淤积、水体富营养化等生态问题普遍存在[4]. 因此, 中国筑坝河流的环境水流评估在考虑可自由流动河段的同时, 有必要统筹考虑水库河段.

近十几年来, 可自由流动河段的环境水流评估理论和方法均取得显著进展. 自然水文情势在维持河流生物多样性和生态系统完整性的关键作用在世界范围内得到广泛认可[3, 5~9], 并用于指导环境水流评估. 人们对环境水流的认识从最早阶段的保证最小生态需水量[10], 到在不同季节(枯水期、汛前期、汛期)或不同月份维持阶梯式变化的标准流量[11,12], 再到形成一种具有季节性涨落变化的动态水文过程[8, 9]. 环境水流评估方法也从水文学法、水力学法、栖息地模拟法, 逐渐向整体法发展. 所谓整体法是指基于水文情势改变与生物、物理、环境之间的明确关系, 评估整个河流生态系统(包括水质、泥沙、地貌和生物)的需水. 它推动了环境水流评估从保护单一物种或单项生态目标向维护生态完整性方向前进, 代表着环境水流评估的发展趋势[13].

目前世界上已有诸如 BBM 法[14](Building Block Methodology)、DRIFT 法[15](Downstream Response to Imposed Flow Transformations)、ELOHA 法[16](the Ecological Limits of Hydrologic Alteration) 等 10 余 种整体法, 但中国科学家尚未正式提出一种整体法, 且已有整体法在中国的应用也很少. 部分原因是这些整体法过多地依赖多学科的专家知识[14]、需要大量生物数据[16]、同时对水质和泥沙问题考虑不足[15, 16], 从而不太适合中国河流水污染严重、泥沙含量高、大坝数量多、生物资料不足的现状. 此外, 许多整体法都假设自然水文情势是环境水流的最佳状态[13, 15, 16], 这也限制了它们在水库河段的应用. 鉴于近年来中国河流的水文、水质、泥沙和生物监测数据逐步丰富, 有必要也有条件通过认识水文-生态响应关系来评估整个河流生态系统的环境水流. 因此, 本文提出了一种综合考虑大坝上、下游河段, 适用于生态资料相对丰富的大型河流环境水流评估的整体法——水文-生

态响应关系法.

1 水文-生态响应关系法的评估程序

水文-生态响应关系法评估环境水流的流程如图1 所示. 包括了 6 个主要步骤: ① 调研河流的生态状况; ② 认识自然水文情势的生态功能、水文改变的生态响应, 构建水文-生态响应的概念模型; ③ 确定环境水流评估的生态保护目标及其关键期; ④ 针对不同生态目标, 采用一定的数学模型和方法建立水文指标与生态指标的量化关系; ⑤ 估算生态需水, 并与人类需水相协调, 确定可操作的环境水流; ⑥ 基于适应性管理方法开展多次环境水流试验, 不断修正水文-生态响应关系和环境水流估算结果. 其中, 步骤②~⑤包含了该方法的核心技术和创新之处.

1.1 构建水文-生态响应的概念模型

水文-生态响应的概念模型由自然水文情势的生态功能描述和水文改变的生态响应关系图组成.

1.1.1 自然水文情势的生态功能描述

水文情势作为河流生态过程的主要驱动力, 其自然状态下的季节性涨落过程与光周期、水质、泥沙、地下水、地貌及水生生物生活史的更替过程之间存在天然匹配的契合关系. 本文以长江中游为例描绘了这种契合关系, 见图 2. 描述自然水文情势的生态功能, 首先要根据目标河段水文过程的季节特征, 将年内自然流量过程划分为低流量、高流量(汛前期和汛后期)和洪水 3 种组分, 通常分别对应着枯水期、枯水期和汛期过渡期, 及汛期的流量过程. 然后, 基于当前对水文情势生态功能的基本认识[3, 5~9]以及生态调查获得的有关目标河段水文-生态关系的资料, 详细描述 3 种水流组分的生态功能, 如低流量适合于生物越冬, 高流量有利于生物迁徙和繁殖, 洪水则为生物生长提供了多样的栖息地等, 具体可参见图 2.

1.1.2 可自由流动河段水文改变的生态响应关系

自然水文过程和生态状况是可自由流动河段环境水流评估的重要参考. 因此通过比较人类干扰后的水文过程与自然水文情势的偏离程度, 根据自然水文情势的生态功能描述, 即可初步推测水文改变的生态响应. 具体可采用生态相关的水文指标体系,

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如水文改变指标[17]、环境水流组分指标[18, 19]或者基于目标河段水文-生态关系自定义的水文指标, 对水文过程进行量化描述, 应用变化范围法[1]、柱状图匹配法[20]等, 全面评估不同水流组分的改变程度, 推测水文改变对整个河流生态系统的逐级影响. 然后, 基于生态调查所识别的生态问题, 进一步核实水文改

变的生态响应, 建立上层为水文改变, 中下层为水质、泥沙、地貌及水生生物响应的等级关系网络图.

1.1.3 水库河段水文改变的生态响应关系

水库河段的水文-生态响应关系独具特性, 库水位枯水期高、汛期低的变化模式(见图 3)与自然河流

图 1 水文-生态响应关系法评估环境水流的流程图

图 2 自然河流的流量过程与其他生态过程的天然契合关系示意图

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图 3 水库河段水位过程与其他生态过程的矛盾关系示意图

和湖泊正好相反. 对于水库这种人工生态系统, 其环境水流评估缺乏可参考的基准水文过程, 只好从避免水库生态问题的角度, 不断改进现行水库的水位和流量过程.

因此水库河段水文改变的生态响应关系, 应侧重于描述现行库水位、入库和出库流量过程诱发生态问题的内在作用机制. 具体而言, 可根据现行水库调度方式, 将年内库水位过程划分为高水位过程、消落过程、低水位过程和蓄水过程 4 种组分(有的水库可能没有明显的高水位或低水位过程), 分析不同组分期间可能产生的泥沙淤积、岸坡失稳、水华爆发、消落带水土流失、鱼类产量受制约等生态问题, 如图 3 所示. 然后, 基于生态调查发现的生态问题, 梳理出特定时段内现行水位和流量过程诱发生态问题的因果关系图.

1.2 筛选生态保护目标及其关键期

一般来说, 自下而上的整体法需要逐一计算与水文相关的所有关键生态过程在年内不同时段的生态需水[6, 14], 而本文提出的方法只需计算若干生态保护目标在其关键期的生态需水. 生态保护目标的筛选方法: 先全面列举出水文改变的各种不利影响(从水文改变的生态响应关系图中挑选)及河流生态调查发现的所有生态问题, 而后从中选择出对水文过程

改变敏感的作为生态保护对象. 采取该方法是基于如下考虑: 一般河流的水文改变并非对所有的生态过程都产生了负面影响, 当某个关键生态过程没有出现负面响应或某段时间的水文改变没有产生负面效应时, 不必计算该生态过程或该时段的环境水流; 假如生态保护对象涵盖了当前河段所存在的对水文改变敏感的所有生态问题, 那么解决了这些生态问题, 也就基本达到了整体法维护河流健康和生态完整性的初衷. 归纳起来, 环境水流的生态目标可分为6 类, 见图 1.

将为了实现某种生态目标而需要释放环境水流的时段定义为该目标的关键期. 定义关键期的原因:

① 有些生态保护目标所针对的生态问题具有季节性发生的特点, 如水华爆发、水库淤积等; ② 有些生态问题是由于个别时段的生态需水得不到满足造成的, 例如, 鱼类产量降低多是由于繁殖期水文改变所引起; 岸边植被消亡主要归咎于洪水过程缺失. 生态保护目标及其关键期确定后, 将其画成横道图的形式, 这样在哪些时段需要考虑哪些生态目标便会一目了然.

1.3 量化水文-生态响应关系

量化水文-生态响应关系是水文-生态响应关系法中最为关键的步骤. 在现有数据的基础上, 尽量针

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对每项生态保护目标, 分别建立描述水文过程的水文指标与表征生态保护状况的生态指标之间的量化关系. 对于水文水质、泥沙和地貌目标, 优先采用基于物理机理的水动力、水质、泥沙或岩土力学模型, 也可采用统计分析或数据挖掘方法, 建立水文指标与生态指标之间的量化关系. 对于水生生物和河岸带植被保护目标, 目前还很难建立精度较高的生态水力学模型; 通常是基于实测数据, 应用统计分析, 如相关性分析、主成分分析、典范对应分析、多元线性回归等, 或数据挖掘方法, 如人工神经网络法、遗传规划法、贝叶斯网络等, 发掘出对目标物种有重要影响的关键水文指标, 并建立关键水文指标与生物指标的量化关系; 也可采用栖息地模拟法, 建立流量与栖息地加权可用面积之间的关系.

水文指标与生态指标的量化关系曲线有: 直线型、单调曲线型、峰值型和阈值型等多种型式[16, 21], 见图 4. 例如, 涨水持续时间与鱼苗丰度之间可能具有非线性递增关系(图 4-②); 流量与鱼类适宜栖息地面积之间常具有峰值型关系(图 4-③); 低流量的持续时间与鱼类产量之间有时存在阈值型关系(图 4-④). 这种量化关系曲线是下一步生态需水计算的主要依据. 然而, 由于量化模型或方法的误差、生态数据不完备及生态系统的自适应性等因素, 水文-生态响应的量化关系以及由此得出的生态需水都带有一定的不确定性, 需要多次环境水流试验(即评估程序第⑥ 步)的检验和修正.

1.4 初步估算环境水流

1) 逐一估算单目标的生态需水. 对于已量化了水文-生态响应关系的生态目标, 根据水文指标与生态指标关系曲线(图 4), 并结合对生态目标的期望保护

图 4 水文指标与生态指标关系曲线的 4 种型式

水平, 估算水文指标范围, 即生态需水. 峰值型关系曲线(图 4-③)的生态需水可能取峰值点附近、阈值型(图 4-④)可能取拐点附近, 而直线型和单调曲线型(图 4-①, ②)则主要由对生态指标的期望水平来确定. 当某些生态目标的生态数据尚不足以量化其水文-生态响应关系时, 可参考类似河流的水文-生态响应关系, 并结合水文学、水力学方法及专家经验综合评估生态需水, 而后根据数据积累情况逐步修正.

2) 分时段整合单目标生态需水, 得出整体生态需水. 整合原则: ① 同一时段的生态需水应尽量满足多种目标; ② 当同一时段内不同目标的生态需水冲突时, 优先满足那些对河流健康或人类社会具有重大影响的目标, 其次考虑容易实现的目标, 同时兼顾不同目标之间的等级作用关系; ③ 坝址处的生态需水要协调水库河段和坝下河段[22].

3) 通盘考虑生态需水和人类需水, 确定可操作的环境水流. 对于生态需水与人类需水的矛盾, 通过科学家、管理者和利益相关方的广泛参与和讨论, 决策者在特定河流的自然禀赋、社会经济发展、河流生态系统健康等多种利益关系中作出权衡. 最后绘制出具有生态保护目标的、带有时间节点的、包含多种水文要素特征的可操作环境水流过程线.

2 三峡水库及其坝下河段的环境水流估算

2.1 研究区域的生态状况调研

以三峡水库和三峡大坝至洞庭湖汇入长江口河段(以下简称为坝下河段)为研究区域(图 5), 应用上述方法估算环境水流. 研究区域的水文过程受到三峡-葛洲坝梯级水库的调控. 三峡水库为季调节水库, 2003 年 5 月开始蓄水, 2010 年 10 月首次蓄水至正常蓄水位 175 m. 葛洲坝位于三峡大坝下游 38 km 处, 主要对三峡水库日调节的非恒定流进行反调节, 基本不改变三峡水库的日下泄流量. 梯级水库联合调度实现防洪、发电、航运、供水等多种社会经济效益.

作者收集了研究区域内寸滩站、宜昌站、荆州站、监利站等水文站(见图 5)长系列的(20 年以上)流量、水位、水温和含沙量数据; 干流部分河段的地形资料; 2003~2007 年汛期三峡大坝下游的溶解气体过饱和监测数据; 近十几年长江中游四大家鱼和中华鲟的早期资源量; 梯级水库的调度规程及调度相关的资料; 以及描述研究区域内生态状况的大量文献.

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图 5 研究区域的地理位置

生态调查发现, 自三峡水库蓄水以来, 库区的生态问题有: 支流水体富营养化[23], 水库泥沙淤积[24], 库岸发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害[25], 消落带生态环境问题[26]等; 下游河段的生态问题有: 溶解气体过饱和[27], 水温过程改变[28], 长江中游河道冲刷[24], 洞庭湖枯水期水位降低[29], 一些本地鱼类(如四大家鱼和中华鲟)的早期资源量和产量明显减少[30, 31]等.

2.2 水文-生态响应的概念模型

2.2.1 自然水文情势的生态功能

根据 2003 年以前宜昌水文站的实测流量数据,

将年内流量过程中的 12 月至次年 4 月划分为低流量过程, 5 和 6 月为汛前高流量过程, 7~9 月上旬为洪水过程, 9 月中旬~11 月为汛后高流量过程, 见图 2. 自然条件下, 这 3 种水流组分的生态功能见表 1.

表 1 长江中游自然水文情势的生态功能

Environmental flow components

Ecological functions

Low flow

High flow

Flood pulse

Maintain natural water temperature, dissolved oxygen and chemical components

Maintain suitable water level of Lake Dongting and Lake Poyang and thus provide wintering grounds for migratory birds Facilitate fish overwintering and migration

Maintain natural water temperature, dissolved oxygen and chemical components

The pre-flood high flow can trigger spring-spawning fish species to spawn (e.g. the four major Chinese carp) Increase the area and diversity of suitable habitat for aquatic organisms

The post-flood high flow will facilitate the spawning and hatch of autumn-spawning fish species (e.g. Chinese sturgeon)

Promote nutrient exchange between main channel and floodplain Form new habitats for aquatic organisms, e.g. riffle, bar, and slough

Enhance the connection between the mainstream of Yangtze River and its connected lakes, oxbow and facilitate fries to enter tributaries

Provide suitable flow conditions for drifting fish egg floating and larvae growth Shape the natural riverbed of the middle and lower Yangtze River

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2.2.2 水文过程改变及其生态响应

三峡水库的蓄水和运行在上游形成了 600 余千米的河道型水库, 同时改变了坝下河流的自然水文情势. 根据梯级水库的调度规程和近几年水库的实际运行情况, 将三峡水库年内水位过程中的 11 月~次年 2 月划分为高水位过程, 3~6 月上旬为消落过程, 6 月中旬~9 月上旬为低水位过程, 9 月中下旬~10 月为蓄水过程, 见图 3. 基于前期研究成果[32], 构建了三峡水库水文改变与库区生态问题的因果关系示意图, 见图 6 的上半部分.

以 1901~2002 年宜昌站日流量作为三峡水库的入库流量, 根据调度规程模拟了经梯级水库调控后的泄流过程, 通过对比入库流量和下泄流量, 应用水文改变指标和变化范围法, 评价了梯级水库调度对坝下河段水文情势的改变[33]. 评价结果: 洪水过程的改变较小, 低流量(1~3 月)和汛后高流量过程(9 月中下旬和10 月)的改变较大, 5 和 6 月上旬的汛前高流量有一定的改变[33]. 坝下河段水文改变的生态响应关系示意图见图 6 的下半部分.

2.3 生态保护目标及其关键期

当前研究区域的生态问题中, 恢复水温过程和缓解消落带生态环境问题暂不作为生态保护目标. 因为在无分层取水设施的前提下, 改变水库水文过

程对恢复水温的作用有限; 而三峡水库消落带研究还处于植被筛选和局部区域示范阶段[26], 在消落带尚未形成稳定植被群落之前很难提出生态需水. 由于促进水库泥沙输移与减轻坝下河段河道冲刷的生态需水基本一致, 故后者不再单独列为生态目标. 这里选择春季产卵的经济鱼类四大家鱼和秋季产卵的濒危保护鱼类中华鲟为代表性鱼类. 三峡水库和坝下河段的生态保护目标及其关键期见图 7.

2.4 水文-生态响应关系的量化

上述7 项生态目标中, 作者参与了促进四大家鱼繁殖、促进中华鲟繁殖、降低溶解气体过饱和等 3 项生态目标的水文-生态响应关系量化研究.

2.4.1 促进四大家鱼繁殖的生态目标

野外监测表明: 流量和水位上涨是刺激四大家鱼繁殖的必要条件; 上涨幅度越大, 产卵规模越大[34]. 基于此, 作者定义了 7 个描述涨水过程的水文指标, 即涨水的起始流量、平均流量、最大流量、日最大涨水率、日均涨水率、发生时机和持续时间. 考虑到四大家鱼繁殖可能还受到水温、含沙量和降雨量的影响, 另外又定义了 8 个生境指标[35]. 将每次涨水过程所对应的四大家鱼鱼苗丰度(Abd)作为生态指标. 在 1997~2003 年长江中游三洲断面(见图 5)的鱼苗数据和宜昌站水文、泥沙、气象数据的基础上, 应用遗

图 6 三峡水库和坝下河段的水文改变及其生态响应示意图

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图 7 三峡水库和坝下河段的生态保护目标及其关键期方块的左右边界为对应生态保护目标的关键期

传规划法(Genetic Programming, GP), 发掘出影响鱼苗丰度的关键生境指标: 涨水的持续时间(Tdur)和日均涨水率(Qrtav), 均为水文指标. 它们与鱼苗丰度之间的部分关系曲线如图 8 所示, 可见, 当 Qrtav 高于900 m3/s/d, Tdur 不少于 5 d 时, 鱼苗丰度较高.

2.4.2 促进中华鲟繁殖的生态目标

由于中华鲟繁殖群体和规模的监测数据不完整、精度存在争议[31, 36], 作者建立了葛洲坝下中华鲟产卵场(见图 5)的三维栖息地模型, 根据中华鲟繁殖对流速、水深和底质的适宜性曲线, 得到了流量与栖息地加权可用面积的关系曲线, 见图 9[37]. 可见, 流量

高于 8000 m3/s 时, 栖息地加权可用面积会显著增加; 最适宜中华鲟繁殖的流量在 15000 m3/s 左右.

2.4.3 降低溶解气体过饱和的生态目标

作者与清华大学合作, 通过建立三峡大坝-葛洲坝区间的立面二维气液两相动力学模型和葛洲坝下游河道的一维水流水质动力学模型, 模拟了当三峡坝前水体溶解氧(DO)饱和度为 77% (蓄水后 7~9 月的平均值)时, 不同入库流量条件下(30000~110000 m3/s), 三峡坝下黄陵庙、宜昌、监利和螺山站(图 5)的 DO 饱和度, 见图 10[38, 39]. 由图 10 可见, 当三峡水库入库和出库流量均为 30000 m3/s 时, 葛洲坝下宜昌站的 DO

图 8 关键水文指标与四大家鱼鱼苗丰度之间的关系曲线[35]

(a) 日均涨水率与鱼苗丰度关系; (b) 水持续时间与鱼苗丰度关系

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饱和度达 117%, 超过美国国家环保总局规定的溶解

气体过饱和标准(饱和度 110%), 可能致使鱼类患气泡病.

2.4.4 其他生态目标

周建军等人[40, 41]采用一维不恒定、不平衡泥沙数学模型建立了不同汛限水位、临界流量与三峡水库淤积量之间的关系, 据此推荐了增强水库泥沙输移的生态需水. 三峡大学对库区支流香溪河(图 5)的水文、水动力和水华野外监测及数值模拟表明, 库水位上升过程有利于抑制水华[23, 42], 日升幅大于 0.5 m/d、总持续时间不少于 5 d 的水位上升过程在多数情况下对抑制水华有明显效果[43]. 库区岸坡稳定性和坝下

图 9 葛洲坝下流量与中华鲟繁殖栖息地加权可用面积之间的关系[37]

表 2 水库河段生态目标的生态需水估算结果

图 10 三峡水库入库流量与下游不同断面溶解氧饱和度之间的关系[38]

河段江湖连通性与水文过程的关系尚无定量化研究成果.

2.5 环境水流的初步估算结果

2.5.1 单目标生态需水的估算

对于尚未量化水文-生态响应关系的生态目标, 本文采用专家建议暂时只给出了维持消落期库岸稳定的生态需水; 维持江湖连通性的生态需水则按照坝下河段水位不低于历史水位的方式估算. 对于其他目标, 基于水文指标与生态指标的量化关系(图8~10)估算生态需水. 现阶段, 水库河段和坝下河段单项生态目标在其关键期的生态需水估算结果分别见表 2 和 3.

Ecological targets High water

level period

Strengthen reservoir sediment transport [40, 41]

Water level falling period Low water level period Water level rising period

Multi-flood limited level Timing: Inflows <35000 m3/s Water level: 148–151 m

Timing: Inflows in 35000–45000 m3/s Water level: 145 m

Timing: Inflows >45000 m3/s and >10-year flood will occur Water level: 135 m

Control tributary algal bloom [23, 42, 43]

Maintain reservoir slope stability

Water level increase Timing: Algal bloom occurs Duration: >5 d

Rising rate: >0.5 m/d

Water level falling rate:

<0.6 m/d

Water level increase Timing: Algal bloom occurs Rising rate: >0.5 m/d

Magnitude: <maximum allowable water level for flood control

Water level increase with first rapid and later slow rising rate Timing: Algal bloom occurs

Rising rate: 1.0–1.5 m/d Duration: 4–5 d

Rising rate: 0.4 m/d Duration: Until specific level is reached

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表 3 坝下河段生态目标的生态需水估算结果

Ecological targets Low flow period

Pre-flood high flow period

Flood pulse period Post-flood high flow period

Mitigate dissolved gas supersaturation [38, 39]

Maintain river-lake connection

Enhance four major Chinese carp spawning [35, 44]

Enhance Chinese sturgeon spawning [37]

Discharge in Jan–Mar:

>5000 m3/s, might >6000 m3/s, given future erosion of downstream reach

Discharge: <30000 m3/s under the premise of ensuring flood safety

Flow increase

Timing: June 15th–July 20th Duration: 5–8 d

Increasing rate: 800–5400 m3 s-1 d-1 Average increasing rate: 900–3100 m3 s-1 d-1

Magnitude: 7630–30000 m3/s Frequency: At least once Water temperature: 20°C–25°C

Discharges in Sep: >11200 m3/s Discharges in Oct: >10000 m3/s Discharges should be further increased in the future

Discharges in middle and late Nov: >8000 m3/s

2.5.2 生态需水的整合

生态需水之间的矛盾主要集中在汛期(亦属于水库低水位运行期, 见表 2 和 3). 表现在: 当入库流量高于 35000 m3/s 时, 考虑到增强水库泥沙输移的优先性, 库水位需尽量维持在 145 m, 这将使下泄流量超过 30000 m3/s, 可能引起下游溶解气体过饱和; 同时也很难兼顾四大家鱼繁殖和抑制支流水华的生态需水. 当汛期入库流量小于 35000 m3/s 时, 降低溶解气体过饱和、抑制库区支流水华和促进四大家鱼繁殖的生态需水必要时可在一次环境水流试验中兼顾.

2.5.3 生态需水与人类需水的协调

生态需水与发挥梯级水库社会经济效益的下泄水流之间的突出矛盾表现在: ① 消落期末, 6 月 10 日以前库水位必须以适当的日下降率降至防洪汛限水位, 因此 5 月下旬和 6 月上旬库水位将处于降低的过程, 无法满足抑制支流水华的水流需求; ② 低水位运行期, 当遭遇十年一遇的洪水时, 从减少水库淤积和坝下河段河道冲刷的角度, 希望库水位降至 145 m 以下, 如 135 m[40], 但是从发挥水库的发电和航运效益来看, 这种生态需水的可行性很低; ③汛后蓄水期, 为了蓄满水三峡水库不得不大幅度地降低下泄流量, 加之坝下河段的河道冲刷, 未来枯水期洞庭湖水位、长江洞庭湖的连通性很难达到三峡水库运行前的自然水平[45]. 对于上述矛盾, 目前还做不到为了生态效

益而大量地牺牲社会经济利益, 只好暂时以发挥水库社会经济效益为主的方式下泄环境水流, 同时积极探索其他生态修复措施. 对于其他生态保护目标而言, 满足其生态需水可能会带来一定的防洪、发电和航运效益损失, 但还不至于阻碍水库原有功能的发挥, 具有一定的可操作性[44].

基于上述分析, 本文绘制了 2010 年入库流量条件下三峡水库和坝下河段的环境水流过程线, 见图 11.

3 结论与展望

基于水文-生态响应关系的环境水流评估方法具有如下特点.

1) 通过构建水文-生态响应的概念模型、建立水文指标与生态指标的量化关系, 并结合生态目标的保护水平估算生态需水. 该方法基于水文过程影响生态过程的作用机制, 有助于水资源管理者了解不同水流情景下的生态响应, 从而权衡利弊作出更合理的决策.

2) 从维护河流生态完整性出发, 同时考虑了坝下河段、引水河段和水库河段等整个河流生态系统的水流需求. 针对已有整体法普遍忽视水库河段环境水流的缺陷, 突出强调了水库河段不同于可自由流动河段的水文-生态响应关系及生态需水, 使整体法更加完善.

3) 所得的环境水流是一种具有生态保护目标

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中国科学: 技术科学 2013 年 第 43 卷 第 6 期

图 11 三峡水库和坝下河段的环境水流过程线(以 2010 年入库流量为例)

的, 带有时间节点的, 包含流量、水位、频率、发生时间、持续时间、变化率等多种水文要素特征的, 具有可操作性的流量和水位过程线. 这既弥补了当前环境水流评估普遍只关注流量单一水文要素的不足, 又直观地展示了环境水流的生态目标及需要释放环境水流的时段, 有利于指导环境水流试验及其生态效果监测.

4) 适用于生态资料相对丰富的大型河流环境水流评估. 因为水文-生态响应关系的量化研究需要一

定的实测数据、技术方法和资金支持, 当前我国的大型河流才具备这些基础条件.

以三峡水库及其坝下河段为例, 应用此方法得到了研究区域内的环境水流过程线, 初步验证了方法的合理性和可行性, 同时为改进三峡-葛洲坝梯级水库调度, 维持长江生态健康提供了方法支持和决策参考. 由于研究区域的环境水流试验才刚刚起步, 本文建立的水文-生态响应关系及环境水流估算结果具有不确定性, 尚需大量环境水流试验的检验和校正.

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