河流生态需水及调控模式研究

1.2.4.1　国外研究

水库实行生态调度，即是在制定水库调度操作规程时，将生态需求作为水库调度的目标之一，具体来说就是要考虑水流受到调控后河流生态系统的变化，以及因此造成的不利探讨其调度和运行对河流生态系统的影响以及相应减缓不利影响的对策措施。国外研究资料中，类似“生态调度”的提法有re-operation，内容主要包括通过合理的技术手段管理河流流量、控制水温和沉积物输移，以改善鱼类和野生动物的环境状况等。下面论述国外水库生态调度研究进展情况。

Cardwell et al. （1996）[152]采用水库不同月最小水流情势方案研究了鱼类种群容量和供水缺水量之间的平衡。该规划模型通过改变原来月最小下泄流量单个定值的做法，采用了多种下泄流量方案。Hughes et al. （1998）[153]提出一种考虑河道内环境流量的水库模拟模型，运用该模型能够在水库规划阶段解决人类需水和水库下泄流量之间的矛盾。King et al. （1998）[154]研究了调整南非的Clanwilliam大坝在10月至次年1月黄鱼产卵期的下泄流量方式，人为制造洪水来增加鱼类的产卵量，同时考虑了水温对鱼类产卵的影响。

Susan et al. （2001）[155]针对美国科罗拉多河上的格伦峡大坝对河流生态系统的影响，采取加大春季洪水下泄流量以及分层取水的方法，满足下游栖息地的流量需要，分别于1996年和2000年进行春季泄洪试验，模拟建坝前的自然水文模式，达到输沙、恢复生境和保护鱼类等综合效果。Bovee et al. （2002）[156]提出综合水量平衡模型和洪水灾害曲线方法，模拟计算6种洪水泄水方案，用来恢复天然状况下的洪水脉冲事件，改变密西西比河流域上游的鱼类种群以及植物生存状况。Koel et al. （2002）[157]在美国的伊利诺斯河利用历时数据建立起河流天然水位模式与鱼类丰度的关系，在基于RVA方法分析的基础上，将获得的这种关系作为水库调度的标准。

Richter et al. （2003）[158]提出了一个生态可持续水资源管理规程，该程序包括6个步骤：①初步研究能维持河流生态系统完整性的关键点；②考虑到人类对水资源的利用当前以及未来情况，采用水文模拟模型研究人类活动 （如水库建设）对河流水流情势的影响；③评价人类活动对河流生态系统的不利影响；④共同协商寻找解决问题的办法；⑤综合考虑人类和生态需要，指导水资源管理解决不确定性问题；⑥设计并且执行一个长期的生态可持续水资源管理规划。Richter et al. （2007）[4]提出了通过水库生态调度（re-operation）来恢复河道环境流量，并且提出一个评价框架用于水库生态调度问题研究，该评价框架能够综合分析通过水库生态调度的生态效益。

Symphorian et al. （2003）[159]研究了津巴布韦奥斯本大坝生态调度问题，采用桌面模型评价环境需水量，进而在水库调度和水资源分配中考虑环境下泄流量。Ripo et al.

（2003）[160]提出了年流量历时曲线框架，该框架能够提供水库的可分水量，同时保证河流相似的年流量历时曲线，有效地保证了维持河流生态系统的最小需水量。

Robinson et al. （2003）[161]认为具有洪水和流量脉冲的天然水流情势对河流生物多样性和生态完整性具有重要作用，并且研究通过水库调度，分别进行了3年洪水脉冲试验，分析大坝下游大型无脊椎动物的影响。

Shiau et al. （2004）[162]也曾利用RVA 方法来分析台湾地区的水库对水文变化的影响，得出水库最佳调度方式来恢复河道的天然流态并满足人类对水的需要；Shiau et al.

（2007）[163]以水文整体改变程度作为生态目标，采用一种动态妥协规划算法计算多目标调度问题，协调水资源利用在生态和人类需要之间的矛盾；在2007年另外一篇文献中，提出以水库供水缺水率和水文整体改变程度作为调度目标，采用多目标遗传算法求得最佳调度方案[164]。

Bednarek et al. （2005）[165]研究了通过修改田纳西河流大坝调度方式，来减缓其带来的不利影响，其中1991—1996年，田纳西河流域管理局 （TVA）在其管理的20个水库通过提高水库最小下泄水量及水质，优化调整了水库调度运行方式。Harman et al.

（2005）[166]研究了澳大利亚Thomson河流环境流量，建立一个水库模拟模型模拟下泄流量满足下游河道环境流量要求。

Suen et al. （2006）[167]以台湾北部的Shihmen水库调度为例，将水流情势的天然变化作为生态目标，利用模糊集方法进行量化处理，与经济目标一起构成多目标优化模型，利用多目标遗传算法（NSGA Ⅱ）进行求解，通过对水库的调度线进行优化处理，得出满足生态和满足人类需求的最佳调度方案。(www.xing528.com)

Johnson et al. （2007）[168]提出采用修改大坝调度的方法减缓下泄水流水体过饱和对下游鱼类的不利影响，并对鱼类气泡病进行了相关研究。

Kerachian et al. （2007）[169]提出了考虑水质管理的水库-河流系统优化调度规则，该优化技术综合考虑了水质模拟模型 （HEC 5Q）和随机遗传算法 （VLGA）优化技术，并且用于伊朗中部的Ghomrud水库水质管理中。

Halleraker et al. （2007）[170]在研究挪威Surna河流上水库生态调度研究中，提出了采用水力—生境模型、IHA方法、中生境分析、水温模拟综合分析的方法评价环境流量，然后调整水库调度方案，以提高水库下游鲑鱼生境质量。

Dhar et al. （2007）采用模拟和优化结合的方法进行水库优化调度研究，保证水库下游水质要求，其中水质模型采用CE QUAL W2水质模拟模型，优化方法采用遗传算法 （GA）进行求解。Chaves et al. （2003）[171]采用动态规划优化方法结合一维水质模型研究了水库多目标调度问题，该研究综合考虑了水库下游水质状况和供水目标，并且采用GA对水质模型参数进行了优化，同时采用该方法进行了灵敏度分析。

Godinho et al. （2007）[172]提出一个概念性模型，研究增加水库下泄流量满足水库下游洪泛区鱼类产量。Field （2007）[173]研究了美国萨克拉曼多的Folsom水库多目标生态调度问题，该研究考虑了发电、供水以及水库下泄水温3个目标，采用多目标进化算法和一维水库水温模型进行求解，取得了满意解。

根据对国外水库生态调度研究成果可知，以美国、澳大利亚为代表的一些国家，在水库生态调度研究实践方面相对较早，在生态调度研究内容方面主要包括：①解决水库库区污染物集聚、泥沙淤积以及水温层化问题；②解决水库清水下泄以及溶解氧过饱和问题；③解决水库下游鱼类产卵场生境、洪泛区以及河口生态问题。水库蓄水所带来的河流系统的生态问题十分复杂，解决其生态问题是建立在科学研究基础上的系统工程，不可能简单地依靠单项调度技术的操作一蹴而就。水库调度必须从河流系统整体出发，综合考虑水库引起的多方面问题，采用多学科结合研究、多管理部门参与的方式，制定科学合理的调度方案。

1.2.4.2　国内研究

国内在水库生态调度研究实践方面相对较晚，相比国外，河流生态问题没有引起有关管理部门足够的重视。国内在水库生态调度理论研究方面，近几年，许多专家学者已经进行了基本研究，对将来的水库调度措施研究起到了很好的指导作用。下面简单介绍一下研究现状。

在理论探讨方面，索丽生 （2003）[174]提出水利工程的优化目标应该由惯常的 “技术经济最优”改变为生态效益、经济效益、社会效益统筹兼顾，强调人与自然和谐共处。汪恕诚（2004）[175]提出了要积极探索水利工程有利于生态的调度和使用模式。禹雪中等（2005）[176]认为水利工程生态与环境调度可以分为环境调度和生态调度，环境调度以改善水质为主要目标，生态调度以水利工程建设运行的生态补偿为主要目标。蔡其华（2006）[40]提出了充分考虑河流生态系统，完善水库调度方式，并且针对三峡工程生态问题，提出了调度方式。董哲仁等（2007）[41]提出了水库多目标生态调度，讨论了多目标调度方法。程根伟等（2007）[177]提出三峡水库梯级的生态调度试验目标包括保持河流洪水节律、维持上下游输沙平衡、促进库区水量交换和实现防洪补偿调节4个方面。2005年12月在北京召开的《通过改进水库调度以修复河流下游生态系统》研讨会，探讨了通过改进水库调度和水利设施管理以修复河流下游生态系统和改善人类生活的可行性，这次会议的召开将水资源优化配置技术推向了一个全新的发展阶段。

在生态调度实践方面，贾海峰等 （2001）[178]对水库调度和营养物削减关系进行了探讨，从而做到了防洪调度兼顾库区富营养化的控制。李嘉等 （2005）[179]研究了通过增加水库下泄流量减少污染物浓度。邓云等 （2006）[180]研究通过调整溪洛渡电站春季下泄水流方式，改变下泄水流水温，保护下游鱼类产卵繁殖。钮新强等 （2006）[181]探讨了三峡工程生态调度问题，主要针对改善长江口咸潮入侵情势的调度及有利于“四大家鱼”产卵提出建议。谢敏（2007）[182]研究了针对河流水华现象的生态调度，并以丹江口水库为例研究水库调度对下游生态系统的影响。胡和平等 （2008）[183]研究了基于生态流量过程线的水库生态调度方法，该研究以水电站年发电量最大为优化目标，以生态方案为约束，提出了水库优化调度模型，并将该模型用于黄河流域某子流域研究。

在各大流域，进行了相关生态调度方面的研究，其中黄河小浪底的水库调水调沙试验，利用人造洪峰输沙入海，减轻下游河道淤积，补偿生态流量[184]。另外，珠江流域实施了压咸补淡应急调水的全流域水库群生态调度[185]。长江流域在规划龙盘水电工程时，选定了发电的下泄流量不得低于生态基流300m3/s，以满足下游基本生态需水和景观要求；丹江口水电站为控制汉江下游水体富营养化，加大枯季下泄流量[40]。

根据国内研究现状，可知：①水库生态调度的概念内涵理解还比较模糊；②在没有提出生态调度概念之前，过去一些研究学者已经进行了大量研究，但这些研究都是独立的，考虑生态问题比较片面单一，没有从河流生态系统整体去研究水库生态调度问题；③目前水库生态调度研究还处在理论探讨方面，在全国开展生态调度实践仍需要一定时间。因此，今后，我国应该大量开展相关研究，通过科学的论证和研究，探索出符合中国国情、有利于河流生态健康发展的水利工程生态调度模式，是未来必然的发展趋势。