水库生态调度研究现状与发展趋势

第31卷第11期 人 民 黄 河 Vol.31,No.11 2009年11月 YELLOW RIVER Nov.,2009

综 合

水库生态调度研究现状与发展趋势

张丽丽,殷峻暹

1

2

(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;2.中国水利水电科学研究院,北京100044)

摘 要:水库生态调度的核心是将生态因子纳入到现行的水库调度中来,以缓解流域生态环境日益恶化的局面。在综述了国内外水库生态调度研究和实践的基础上,分析了水库生态调度目前迫切需要解决的技术问题:水库生态调度保护目标的识别与量化、水库生态调度参数的定量描述、生态调水价值定量评价方法、流域级水库湖泊群的联合调度等。认为水库生态调度正处于起步阶段,还没有形成完整的理论体系,需要继续深入探索。关 键 词:水库管理;生态调度;生态因子;生态环境

中图分类号:TV697.1 文献标识码:A do:i10.3969/.jissn.1000 1379.2009.11.006 水库是一种具有特殊形式的人工和天然结合的 人工湖泊 ,体现了人类利用自然和改造自然的智慧。但是,水库阻断了天然河道,导致河道的流态发生了变化,进而引发了整条河流上下游和河口水文特征的变化。现行水库调度方式(兴利调度和防洪调度)在保障经济社会发展的同时,也引起了一系列的流域生态和环境问题,致使河流生态系统健康受到严重的威胁。因此,建立水库运行管理新理念、新模式,对于缓解生态环境日趋恶化的局面是非常必要的。水库生态调度就是将生态因子纳入到现行的水库运行调度中来,通过调整水库的运行调度方式,减轻、缓解拦河筑坝对生态环境造成的负面影响。

流域管理局(TVA)以下游河道最小流量和溶解氧浓度为指标,对20个水库的调度运行方式进行了优化调整,使得水库在保证航运、发电、防洪等原有功能的同时,在区域水质改善、娱乐和经济发展方面发挥了重要作用[3]。CavalloA[4]、LenceBar baraJ[5]等研究了各种水库生态调度模型,并在实际工程中进行了应用。

1995年日本河川审议会的 未来日本河川应有的环境状态 报告指出推进 保护生物的多样生息和生育环境 、 确保水循环系统健全 、 重构河川和地域关系 的必要性。1997年日本对其河川法做出修改,不仅治水、疏水,而且 保养、保全河川环境 也写进了新河川法。筑坝使河流下游水流稳定而丧失活力,导致河床形态改变和浸水频率减少;沙石供给使河床下降、河床材料粗粒化,最终导致多种生物的栖息地减少。鉴于此,日本通过弹性管理大坝对下游放水、将蓄沙堰临时沉积的泥沙还原给大坝下游、设置排沙闸等,尽可能使泥沙供给、移动对自然环境的冲击得到恢复[6]。

此外,在非洲南部的津巴布韦,研究人员在Odzi河的Os borne水库观测站开展研究,运用Desktop模型,估算河流生态环境需水流量,为水库调度提供了切实可行的指导[7]。在澳大利亚,每个州和地区都要对 水依赖的生态系统 做出评价,并且提出水的永续利用和恢复生态系统的分配方案。水的分配方案必须考虑到10年之后可能出现的情况,以达到最佳的生态状态[8]。

1 水库生态调度国内外研究现状

1.1 国外研究现状

美国、日本等发达国家,在修建水利水电工程与实施工程调度方案时,对河流生态问题给予了足够的重视。早在20世纪70年代,国外学者就开展了水利水电工程与生态问题的研究,但这些研究主要集中在水库对生态环境影响的识别方面。近20年来,随着人们生态环境意识的逐渐增强,避免、减轻和缓解水库对生态环境影响的措施研究,成为国际上研究的热点和焦点。

美国加利福尼亚州的中央河谷工程(CVP)始建于20世纪20年代,包括20座水库。1937年美国颁布的 农垦法 提出, CVP的大坝与水库首先应用于调节河流、改善航运和防洪;其次用于灌溉和生活用水;第三用于发电 。20世纪90年代,修改了1937年颁布的法规并专门指出:CVP的大坝与水库现在应当 首先用于调节河流、改善航运与防洪;其次用于灌溉与生活用水及满足鱼类与野生动物需要;第三用于发电和增加鱼类与野生动物[1]。1996年,美国联邦能源委员会(FERC)在水电站运行许可审查过程中,要求针对生态与环境影响制定新的水库运行方案,包括提高最小泄流量、增加或改善鱼道、周期性大[2]

1.2 国内研究现状

目前,我国水库调度主要围绕防洪、发电、灌溉、供水、航运等综合利益进行。因此,现行的水库管理和调度运行模式的主

收稿日期:29

基金项目: 十一五 国家科技支撑计划项目(2006BAB04A07)。

作者简介:张丽丽(1983 ),女(蒙古族),内蒙古赤峰人,博士研究生,研究方向为生态水利。

E mai:l163.com

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第11期 张丽丽等:水库生态调度研究现状与发展趋势要任务是处理、协调防洪和兴利的矛盾,以及兴利任务之间的矛盾[9-10],很少考虑库区和水库下游生态环境保护,但我国的水利工作者并没有完全忽视生态问题的存在。黄河水利委员会在1964年就利用三门峡水库两次进行人造洪峰试验;2002年又利用小浪底水库进行了调水调沙试验,达到输沙入海、减轻下游河道淤积的效果;长江流域在规划金沙江中游水电工程时,明确提出发电流量不得低于生态基流,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;针对下游水文情势的改变对荆江段 四大家鱼 产卵场产生不利影响这一问题,拟调整三峡水库的调度方案,通过人造洪峰来诱导 产卵 [11]。

近年来,国内环境保护的呼声越来越高,河流的生态环境问题成为水利水电工程上马与否的决定性因素之一。许多学者将研究方向转入到水库的生态调度中,傅春等[12]提出了生态水利的概念,并建立了水资源持续利用的数学模型。邵东国等

[13]

15

2 水库生态调度需要迫切解决的技术问题

2.1 水库生态调度保护目标的识别与量化

在我国水资源比较匮乏的情况下,对水库进行生态调度不可能兼顾生态系统的所有组成部分。应分析研究范围内不同保护对象所依存的生态环境因子与水库调度之间的关系,确定水库生态调度的保护目标。根据保护目标的特点,定量描述其生活习性与水文特性(水量、水温、水深等)之间的关系,确定最佳调水时间和调水量。

2.2 水库生态调度参数的定量描述

不同水文情势下,水库及其下游的生态环境用水需求与水库防洪和兴利目标之间存在用水矛盾,由此导致的不同生态环境问题,需要划分不同的调度时期,制定不同的生态调度准则和水库调度参数,通过合理的蓄泄水量,达到生态环境用水和社会经济用水的综合效益最大化。

建立了洋河水库水量水质统一调度模型,将水库水量水

质管理问题分解为兴利、防洪、水质3个子系统的优化问题进行求解。贾海峰等[14]对水库调度和营养物削减关系进行了探讨。王好芳等[15]建立了基于量与质的面向经济发展和生态环境保护的多目标协调配置模型,用以解决水资源短缺和用水竞争性问题。谢平等

[16]

2.3 生态调水价值定量评价方法

水库生态调度是协调水库下游社会经济用水和生态环境用水之间的竞争,寻求社会经济用水和生态环境用水的综合效益最大化。因此,建立适宜的生态价值评估体系,定量评价生态调水的价值、体现生态调水的效益,是实现水库生态调度的关键技术之一。

研究发现若通过丹江口水库增加枯水期

下泄流量和三峡电站减少枯水期下泄流量的联合调度,将减少汉江水华发生的概率。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。此次会议后,各高校、科研院所、流域机构纷纷加入这一新的研究方向。殷峻暹等

[17]

2.4 流域级水库湖泊群的联合调度

实施生态调度时,不仅要考虑水库群之间的联合调度,更要综合考虑水库群和自然湖泊群的联合调度,充分发挥湖泊的调蓄能力,从流域统一性的角度,把水库、湖泊调度方式调整置于流域系统之中进行分析,从而使改善生态环境的效果得到最大程度提高。

以大连市碧流

河水库为例,根据河道下游河道内生态需水及其用水的变化过程,分析了水库的生态调度准则,提出利用抬高汛限水位解决下游生态用水问题。董哲仁等[18]针对现行水库运行调度的不足,提出了水库多目标生态调度的基本思路。高永胜[19]在其博士论文中提出了生态调度的基本原则,构建了生态调度的基本框架,并以大连碧流河水库为例进行了分析。艾学山等[20]针对现行水库调度过分强调经济利益而忽视生态环境需水状况,建立了以经济、社会和生态综合效益最大为目标函数,以灌溉、发电、航运等为约束条件的水库生态调度多目标数学模型。

上述研究和实践表明:生态因子在制定水库调度规程中应该具有十分重要的地位,而不再是可有可无;水库调度必须从河流系统整体出发,充分考虑河流生态环境需水量要求;水库调度规程应该由多方参与制定,以协调各方利益,包括政府部门、流域管理机构、渔业部门以及公众利益相关方等共同讨论制定适宜的调控方案;最初的水库调度无一不是从直接的需求(发电、灌溉、防洪等)出发,追求的是社会经济效益最大化,但随着时间的推移,水利工程对河流生态系统的负面影响凸现之后,解决筑坝河流的生态受损问题得到了重视,水库调度方案也因之逐步修订。因此,水库生态调度核心内容是将生态因子纳入到现行的水利工程调度中去,并将其提高到相应的高度,3 展 望

目前,国内外对于水库生态调度方面的研究仍处于起步阶段,还没有形成完整的理论体系,研究多处于宏观定性描述阶段,缺乏微观定量的研究,但水利水电工程对河流生态系统的影响已成为不容回避的现实问题。研究建立适合中国国情的兼顾生态的水库调度技术与方法,保障社会经济与生态环境协调发展,并尽快地进行实践示范,是当前急需攻克的难题之一,也是可持续发展理念的具体体现。

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(123页)

第11期 凌霄等:黄土渠道高边坡渗控措施及边坡稳定研究

表1 各典型剖面单宽渗流量

典型剖面单宽渗流量

1+0000.28

2+0000.66

3+0000.92

3+5001.07

123

m3/d

4+5001.28

多相差15%。因此,典型剖面采用非饱和土理论计算的安全系数提高1.7%~5.0%是正常的。

4 渗控方案比选

根据渗流分析和边坡稳定分析的结果以及南岸地形条件和工程布置情况,进行了6种排水方案研究:方案一,排水管网+强(抽)排;方案二,排水廊道+强(抽)排;方案三,排水管网自排+检修期临时强(抽)排;方案四,排水廊道自排+检修期临时强(抽)排;方案五,逆止阀+检修期临时强(抽)排;方案六,逆止阀+排水管网自排+检修期临时强(抽)排。

6种方案都可解决渠道及进口高边坡的地下水降排问题,但工程投资差别较大,实施难度不同。方案一为招标方案,基本没有合同问题,但后期运行费用高;方案二将3+000以北的软式透水管改为排水廊道,工程投资大,且没有解决后期运行费用高的问题;方案三利用退水洞排水,投资不多,但节省了大部分后期运行费用;方案四设排水洞直接排入黄河,不与其他建筑物发生关系,且解决了后期运行费用问题,但投资增加最多;方案五重点解决检修期问题,并没有省下后期运行费用,且逆止阀作用还有待论证。

综上所述,从地形地质条件、工程布置与施工、工程投资、运行管理、周围地下水环境等方面综合比较,方案三和方案四相对较为可行。考虑到方案四投资较大,施工难度大,推荐方案三为渠道及进口边坡降排水的代表性方案。

从水头分布来看,5个典型计算剖面的地下水位都比较平缓,不同位置的地下水位分布略有不同。虽然补给的地下水位不同,但是各典型剖面的横向排水盲沟所在剖面的地下水位受排水盲沟的影响没有发生坡面出渗现象。距离横向排水盲沟最远的相邻横向排水盲沟之间的中剖面处,桩号3+000以后则出现了程度基本相同的出渗,出渗点高程基本为111.67m,比渠道底部高程稍高。补给边界的地下水位随着桩号数值的减小而降低,因而各剖面出渗高程基本相同。坡体上的两排纵向排水盲沟也发挥了相应的作用,降低了盲沟附近的地下水位。

总体来看,在设计排水体系下排水系统的功能发挥良好,能够保证边坡坡体内地下水位的有效降低、渠坡上不发生出渗。

3 边坡稳定性研究

[3-4]

选择3+500和4+500剖面作为代表性剖面进行边坡稳定分析,采用200m补给边界的浸润线作为稳定分析条件。采用常规极限平衡法进行饱和和非饱和条件下的边坡稳定分析,饱和土安全系数KB、非饱和土安全系数KF见表2。

表2 安全系数计算结果

计算方法瑞典圆弧法

计算工况施工期正常运用正常+7度地震

简化毕肖普法

施工期正常运用正常+7度地震

3+500剖面KB1.1911.3551.1391.3331.5031.258

KF1.2371.3651.1471.3121.5221.267

4+500剖面KB1.2301.3441.1271.3251.5021.252

KF1.2371.3451.1281.3841.5091.257

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责任编辑 赵宏伟

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