2.3 基于生态的水库调度

基于生态的水库管理主要是在水库安全管理和防洪与兴利调度的基础上，引进基于生态的水库水质管理、泥沙管理、生态与环境调度等内容，减轻水库对下游河流生态环境的影响，实现人与自然的和谐发展，如图2.5所示。其中，水库水质和泥沙管理是基于河流生态与环境的水库调度的基础，通过水库水质管理改善水库和河流的水环境，并减轻水库水质对河流水质的影响；通过水库泥沙管理改善下游河流水生生物的自然栖息环境，减轻水库排沙对生态与环境的负面影响。在此基础上，针对下游河流的不同生态与环境要求进行水库调度，防止河流断流或脱水、改善河流水质、促进藻类的脱落与更新、改善底栖动物和鱼类的生息环境。

图2.5 基于生态的水库管理框架图

自然河流具有季节性的流量变化和发生各种规模的洪水过程的特点，河流的水生生物适应河流的流量变化而生存和繁衍。而河流生态系统是一种动态的平衡过程，保持动态平衡的主要因素是河流不同洪水过程对生态系统的扰乱作用。与此对应，河流生态系统对于各种洪水扰乱具有一定的自我恢复功能，通过这种功能，生态系统逐渐向平衡方向发展。然而，在河流上修建的水库对于河流流量变化过程具有一定的抑制作用，即水库的防洪调度和兴利调度使下泄流量平坦化，河流生态系统失去不同程度的洪水过程的扰乱作用。当水库对流量的调节作用完全抑制洪水对生态系统的扰乱作用时，河流生态系统失去保持动态平衡的原动力，形成与原来河流完全不同的物质循环和能量过程，外来物种增多，既有物种减少或灭绝，容易形成较单调的生态环境。

因此，在保证河流生物个体的生存需求的前提下，通过恢复中小洪水的生态作用，满足生态系统保持动态平衡发展的需求。根据各种生物对环境的不同要求，以及不同水库对生态环境的胁迫程度存在差别，将水库调度目标分为五个等级，由低到高依次为：水量、水质、藻类、底栖动物和鱼类。

2.3.1 生态环境基流调度

河流断流或部分河段出现脱水现象是人们过度开发利用河流水资源的极端表现。对于这样的河流，首先需要解决的生态问题是保证河流有水，以满足治水、水资源利用、景观、生态环境需水等要求。

（1）水库弹性管理。

在满足防洪安全的情况下，适当提高汛限水位，为水库生态调度提供水源保障。近年来，随着气象预报水平和精度的提高，日本20多个水库试行水库弹性管理制度。即在不影响防洪安全的前提下，利用部分防洪库容临时存储适当水量，加大最小下泄流量或实施人工洪水，改善下游河流生态环境。通过实施基于不同目标的水库弹性管理制度，基本都达到了预期目标，获得了很好的生态效果。

（2）生态基流调控。

在满足下游河流的防洪、水资源利用（如渔业、城市供水、工农业供水）要求的前提下，还要满足河流景观、保持地下水位、维持河流自净化功能和保护动植物生态需水等要求。

（3）高脉冲流量调控。

在满足河道生态需水量的基础上，实施人工洪水或高脉冲流量过程，发挥洪水对生境的生态扰乱作用。调控时期的确定需要考虑河流自然水文节律变化以及生态保护物种不同生命周期对水流条件的具体要求。

1972—1999年，黄河下游多次出现断流现象。最严重的年份是1997年，断流天数达226d，断流长度达704km。这是黄河流域气候变化引起的降水量减少与经济发展导致的取水量增多矛盾的集中体现。自1999年位于中下游的小浪底水库投入运行之后，特别是黄河流域水量实行统一调配管理以后，小浪底水库进行下游不断流的调度运行，保证下游生态基流的要求。这是我国通过水库调度保证河流不断流的最典型案例。

2.3.2 改善河流水质的调度

水污染严重是我国四大水问题之一。导致河流水质污染的原因主要有两个方面：一方面，随着我国社会经济的发展，各种用水需求不断增加，河流流量不断减少，河流纳污能力随之下降；另一方面，工业和城镇生活污水的排放总量不断增大，大量未经处理的污水直接排入水体，江河湖海遭受严重污染。最终，河流的自净能力下降或完全丧失，引起河流生态恶化和污染型缺水问题。

从根本上解决河流污染问题，首先要在控制污染排放量的同时建立污水处理设施、提高用水效率。另外，利用水库调节洪水过程的特点，通过洪水资源化适当加大生态基流量，提高河流纳污能力和自净能力。

2.3.3 改善水生生物生境的调度

（1）改善附着藻类生境。

藻类是通过光合作用将氮、磷等营养盐转化为有机物质的最低级的水生植物。其中附着藻类是底栖动物和鱼类的重要饵料来源，一般分布在河流浅滩流速较快区域的砾石上。但是，包括有机物质的泥沙淤积以及河流流量变化减少等直接影响藻类的脱落、更新和生长周期。

为了清除淤积在河床砾石上的泥土，促进老化的附着藻类的脱落与更新，位于日本北陆地区的真名川水库连续几年实施人工洪水，通过提高流量和流速恢复河流中小洪水的生态作用。实施结果表明，人工洪水清除了河床上淤积的细颗粒泥土，扰动了河床材料，大部分老化藻类脱落并冲走，水库下游的香鱼的生息环境得到了明显的改善。

（2）改善底栖动物生境。

底栖动物链接河流生态系统中基础生产者和高层消费者，对河流物质和能量循环具有重大贡献。底栖动物消化分解岸边树林的落叶、树枝等大型有机物以及附着藻类，同时也是鱼类重要的饵料。水库下游河床材料的粗化以及流量变化减少引起的细颗粒黏土淤积等都对底栖动物的生存环境产生很大影响。

为了改善底栖动物的生境，近几年日本三春等12座水库正在尝试进行“泥沙还原”试验。所谓的“泥沙还原”是指将水库上游淤积的较粗颗粒泥沙搬运和堆放在水库下游适当的河滩上，并通过人工洪水或自然洪水将堆放的泥沙向下游排放，补充和改善下游河床结构及颗粒级配，达到改善底栖动物和鱼类生境的目的。目前，“泥沙还原”试验仍处于尝试阶段，但在部分水库的实施结果表明，该方法使鱼类和底栖动物的生息环境得到了明显的改善，达到了预期目标。

（3）改善鱼类生境。

鱼类在河流生态系统食物链中处于最高层次，上述基于生态的水库水质管理、泥沙管理以及改善藻类、底栖动物的水库调度，实际上都与鱼类有关。水库水质管理改善鱼类生存、繁殖环境，基于生态的水库泥沙管理减轻水库排沙对鱼类的影响，而针对藻类和底栖动物的水库生态调度可以改善鱼类的饵料来源。除此之外，鱼类的产卵以及上下游迁徒需要流量和水位的变动，如漂流性产卵的鱼类在产卵时期需要一定规模的洪水过程。

2.3.4 恢复河流泥沙连续性的调度

采取适当的水库泥沙管理措施是实现水资源可持续管理的关键之一。在保证水库拥有长期、有效库容的同时，实现河流泥沙的连续性，减轻水库排沙对河流生态环境的影响。日本的旭水库和美和水库旨在恢复河流泥沙的连续性、改善水库和下游河流生态环境，沿着库区边修建了一条泥沙导流洞，连接水库上游、下游河流，将上游来的大部分洪水直接排泄到水库下游，一方面减轻洪水期的水库淤积，另一方面将洪水带来的新鲜泥沙直接引到水库下游，保证河流泥沙的连续性和改善下游河流的生境。

水库泥沙管理的必要性主要有以下三个方面。

1）防止水库淤积泥沙埋没取水设备以及向水库上游延伸，确保水库和河道管理的安全。

2）维持水库的蓄水功能，保障调洪能力和水资源的可持续利用。

3）作为流域泥沙综合管理的重点，实现水库冲沙的目标。

在中型水力发电水库运行初期存在一定的问题，所采取的措施有：通过设置排沙闸，将取水设备前面的淤积泥沙局部排出，或者利用溢洪道促使水库蓄水池末端的淤积泥沙冲刷和排出。为了避免由河流供应海岸的泥沙量急剧减少，以及造成下游河道河床下切和河道的单一化，同时，由于泥沙供给量的不足，还要避免海岸线后退等各种问题。从山区泥沙供给区域到下游河道、海岸区域，对广泛区域进行泥沙管理的必要性正在增强。