针对小江回水区水华现象的生态调度方案评估
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doi:10.3724/SP.J.1201.2012.02079
摘要：水库生态调度是一种有效的生态补偿手段，通过合理的水库调度方式，可以弥补或减缓水利工程对生态环境造成的影响。综合考虑开县消落带的生态需求和现行三峡水库的调度运行特点，应用验证后的生态动力学模型，模拟出小江调节坝调度方案。提出适用于小江调度方案优化的评估指标体系，根据不同调度方案下调节坝上下游水位、流速和水质情况，利用层次分析法对调度方案进行评估分析，确定调节坝的最优调度方案。研究证明，通过对调节坝的合理调度来改变下游河流水动力条件，可以抑制藻类大量繁殖生长以及改变河流营养盐分布。为以生态调度控藻为目的制定合理的小江生态调度方案提供了可靠的依据。
关键词：小江；生态调度；指标体系；层次分析法；分区控制；评估
中图分类号：TV697.1；X824 文献标识码：A 文章编号：
1672-1683（2012）02-0079-04
Assessment on Ecological Operation Scheme for Algal Bloom in Backwater Area of Xiaojiang River
LIU Wei1,2,PENG Wen-qi2,FENG Jian2,LI Yan-bin1
(1.North China University of Water Resource and Electric Power,Zhengzhou 450046,China;
2.The Department of Water Environment,IWHR,Beijing 100038,China)
Abstract:
As an effective means of ecological compensation,reservoir ecological operation can make up or reduce the impacts of water conservation project on the ecological environment using the reasonable reservoir regulation modes. Considering the ecological demand of the Kaixian hydro-fluctuation zone and the current operation features of the Three Gorges,an ecological dynamic model is developed to simulate the operation scheme of the regulating dam in the Xiaojiang River.An evaluation index system to optimize the regulation scheme in the Xiaojiang River is proposed,and this system can evaluate and analyze the operation scheme using the analytic hierarchy process (AHP) based on the water-levels,flow rates,and water qualities upstream and downstream of the regulating dam under different operation schemes,and it can then determine the optimal operation scheme for the regulating dam.The results show that the large reproduction of algae can be inhibited and the distribution of river nutrient can be changed by changing the downstream hydrodynamic conditions through the reasonable operation for the regulating dam, which provides reliable references for establishing reasonable ecological regulation scheme in the Xiaojiang River to control the growth of algae.
Key words:Xiaojiang River;ecological operation;index system;Analytic Hierarchy Process;zonal control;assessment
1 研究背景
水库多目标生态调度方法，是指实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的前提下，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法［1］。开展水库生态调度研究，通过改进水库调度方式，制定合理的大坝调度方案，可以达到弥补或减缓其造成的生态环境问题的目的。目前，国内外有较多成功的工程实例，如美国田纳西河流域管理局(TVA)通过提高水库泄流水量及水质，对其管理的20个水库进行的优化调度；美国大古力水坝(GCD)和哥伦比亚流域水库以充分满足维持或增强溯河产卵的鱼类种群的寻址需求为目标的调度；国内的南水北调中线工程；珠江压咸补淡应急调水［2-4］。
不同的调度方案会对水库及大坝下游生态水环境造成不同的影响［5］，目前对水库生态调度的研究已有一定的研究成果，但生态调度方案的优选尚未有统一的评价标准，缺乏相应的评估指标体系。本文以小江调节坝生态调度工程为例，提出适用于小江流域的生态调度方案优化的评估指标体系，应用该体系对调度方案进行优化评估。
2 小江调节坝调度方案评估
2.1 小江调节坝概况
小江流调节坝工程位于开县县城下游的乌杨桥河段，通过修建挡水坝降低消落水位变幅，减少消落区面积，并形成前置库人工生态湖泊。调节坝坝顶高程176.00 m，正常蓄水位168.50 m，控制流域面积3 198.6 km2。前置库运行水位在正常情况下，当三峡大库水位低于168.50 m时，按168.50 m运行；当三峡大库水位高于或等于168.50 m时，与大库水位同步运行；在汛期，前置库水位与三峡大库水位同步运行。
2.2 小江富营养化生态动力学模型
根据小江流域独特的环境、水力条件和富营养化特征，以DHI MIKE软件为基础，建立小江生态动力学模型［6-7］，基本方程如下：
x，y方向的动量方程分别为：
hut+hu2x′+huvy′+hwuσ=fvh-ghηx-hρ0pax-
hgρ0∫ηzρxdz-1ρ0hsxxx+sxyy+hFu+σvthuz+husS（1）
hvt+hv2y′+huvx′+hvwσ=fuh-ghηy′-hρ0ρay′-
ghρ0∫ηzρydz-1ρ0syxx+syyy+hFv+σvthvz+hvsS（2）
式中：u,v,w-x,y,z三个方向的速度分量；h-水深，h=η+d；η-水面高程；d-相对于基准面的水深，即河底高程到基准面的差值乘以负号；f-柯氏力，由式f=2Ωsin（Ω为地球旋转角速度，为研究区域的经度）决定；sxx、sxy、syx、syy―辐射应力张量分量；pa―大气压强；S―点源流量，us、vs―点源进入环境水体的流速分量；vt―垂向紊动黏度。
垂向速度协变量：
ω=1hw+udx′+vdy′-σht+uhx′+vhy′（3）
水质方程如下：
hCt+huCx′+hvCy′+hwCσ=hFc+σ(DvhCσ)+
hF(C)+hCsS（4）
式中：C-某一生态学变量的浓度，等式左边第一项为时变项，后边三项为对流项，等式右边前两项分别为水平，竖直方向的扩散项，第三项为生化反应项，代表着各生态变量在水体中进行的物理、化学、生物作用过程以及各生态动力学过程中水质、水文气象，水动力因子之间的动态联系。这一项可认为是某一生态变量浓度对于时间的全导数，即dCdt。
2.3 小江调节坝调度方案拟定
根据小江水华爆发特征和小江调节坝的调度特点，以综合考虑泄水对上游消落区影响，抑制下游水华发生等因素作为设计原则，拟定了小江调节坝的3种调度方案，3种调度方案均采用库水位恢复后再次集中下泄的方式进行，见表1。
利用生态动力学模型，根据拟定的调度方案，对调节坝坝址到下游模型区域进行计算，得出调节坝下游各河段的流速大小、水流方向、TN、TP、Chla浓度值。
2.4 评估指标体系建立
2.4.1 评估指标建立原则
① 科学认知原则。基于现有的科学认知，可以基本判断其变化驱动成因的评估指标［8-9］。
② 数据获得原则。评估数据可以在现有监测统计成果基础上进行收集整理，或采用合理（时间和经费）的补充监测手段可以获取的指标［10-11］。
③ 评估标准原则。基于现有成熟或易于接受的方法，可以制定相对严谨的评估标准的评估指标。
④ 相对独立原则。选择评估指标内涵不存在明显的重复。
2.4.2 确定评价指标体系的层次结构
借鉴层次分析法的思想，对评价对象的结构进行深入系统地剖析，确定评价指标体系的总体层次结构。总体层次结构一般包括目标层、准则层、具体指标层等［12］。
在流域现场勘察及资料调查分析基础上，针对小江调节坝上游消落带、水体富营养化严重等主要问题，结合监测条件、评估时间与经费支持问题等条件，选择小江流域生态调度方案评估指标，见表2。
2.4.3 评估指标内涵
① 库区正常蓄水位恢复时间。库区正常水位是维护水库生态系统正常运行的合理水位，是水库生态系统安全的重要保障。库区正常蓄水位恢复时间评分公式如下：
T=1N∑Nn=1Tn Tn=Q/qm（5）
式中：T-水库正常蓄水位平均恢复时间；N-调水次数；Tn-一次调水正常蓄水位恢复时间；Q-水位下降所对应的库容量；qm-一次调水平均自然来流量。
② 库区消落区最大露出面积率。水库消落区又称涨落带或涨落区，开县两岸岸坡较缓，水位下降后，河道内沉淀的各种污染物会滞留在消落区上，不仅破坏景观，还会污染环境［13］。水库消落区最大露出面积的评分公式如下：
SD=SS正×100% S=S正-S′（6）
式中：SD-库区消落区最大露出面积率；S-水库消落区最大露出面积；S正-水库正常蓄水位下的淹没区面积；S′-库区调水后的淹没区面积。
③ 坝址下泄流量变异程度。坝址下泄流量变异程度指小江水库调水过程中，坝址实测下泄流量与天然下泄流量的差异。坝址下泄流量变异程度评分公式如下：
DFD=∑nm=1(qm-QmQm)21/2×100%（7）
式中：DFD-坝址下泄流量变异程度；qm-评估年调水期坝址逐日实测下泄流量；Qm-评估年调水期坝址逐日天然下泄流量；n-调水总天数。
④ 水体富营养指数。对3种方案条件下小江调节坝下游的富营养化状况评价采用《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395-2007）中的规定。水体富营养指数评分公式如下［14］：
EI=∑Nn=1En/N（8）
式中：EI-营养状态指数；En-评价项目赋分值；N-评价项目个数。
⑤ 河段流速影响指数。实验结果表明，在一个较长的时间周期内，流速增加会产生水体扰动，破坏藻类生长所需的稳定光热环境，从而抑制水华的发生。河段流速影响指数评分公式如下：
VD=|Vn-Vm|（9）
式中：VD-河段流速影响指数；Vm-最适宜藻类生长流速；Vn-监测河段的平均流速。
2.4.4 各层目标的权重量确定
对每一层次要素按规定的准则两两进行比较，建立判断矩阵；运用特定的数学方法计算判断矩阵最大特征值及对应的正交特征向量，得出每一层次各要素的权重值，并进行一致性检验；在通过一致性检验后，再计算各层次要素对于所研究问题的组合权重，见表3。
2.4.5 指标评价等级标准
依据调节坝上下游的水生态环境状况，针对消落带治理和水质改善的要求，确定了小江生态调度方案评估指标的评价标准，见表4。
指标名称好良中差
C1库区正常蓄水位恢复时间/d12
C2库区消落区最大露出面积率(%)50
C3坝址下泄流量变异程度(%)100
C4水体富营养指数62
C5河段流速影响指数/(m・s-1)>0.40.4～0.30.3～0.1
对每一指标都进行标准化，Si=［(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)］×100，(Xi为第i个指标)化为0~100的数值，以便进行比较和计算。利用公式：
Obj=∑nj=1SjWj（10）
式中：W―指标权重；j―指标数。
可以得到调节坝调度总的评分值，根据此分值就可以判断调节坝生态调度方案的合理度。
2.5 调度方案评估方法
小江调节坝下游水库生态调度方案评估采用分级指标评分法，逐级加权，综合评分。
依据调节坝下游河段的水文水质条件，把调节坝下游分为养鹿-渠口、高阳-养鹿、黄石-高阳、入江口-黄石4个河段。针对3个调水方案，首先对各河段进行指标评分，然后按照河段长度进行加权，得出调节坝下游河流赋分值：
REI=∑Nn=1(REIn×SLnRIVL)（10）
式中：REI―评估河流赋分；REIn―评估河段指标赋分；SLn―评估河段河流长度（km）；RIVL―评估河流总长度（km）；N―河流分段数。
水库生态环境情况评分：参照评估指标的赋分标准，对水库各指标进行评分；然后根据指标层对准则层的权重，加权计算得出水库生态环境情况评分。
下游水生生态环境情况评分：参照评估指标的赋分标准，对各河段指标进行评分；然后根据各河段对河流的权重，加权计算得出河流的指标评分；最后根据指标层对准则层的权重，加权计算得出下游水生生态环境情况评分。
调节坝生态调度方案评分：根据准则层对目标层的赋分权重，加权计算得出水库生态调度方案评分。
2.6 调度方案评估结果
按如上所述的指标体系对小江调节坝生态调度的3个方案进行评估，计算各评估指标分值，小江各生态方案的评估指标赋分值见表5。
综合分析3个调度方案的评分结果：方案一分值最高，是由于采用该方案调水，水位恢复的平均时间较短，露出的消落带面积较小，对坝上库区的生态环境影响作用较小；但该方案的下游水生生态环境情况评分最低，说明采用该方案对抑制调节坝下游的水体富营养化无太大作用。方案三分值最低，是由于采用该方案调水，水位恢复时间长，消落带的面积大，对坝上库区的生态环境造成了很大的影响；但采用该方案可以明显减小调节坝下游至高阳上游河段水体富营养化，增大河段区间水流速度，对调节坝下游至高阳上游河段产生很好的抑藻效果。这说明在选择生态调度方案时，要综合考虑调水对消落区造成的影响以及调节坝下游的水体富营养化问题，针对不同的侧重点采取相应的调度方案，为建立稳定的生态系统和良好的人居环境创造条件。
3 结论
① 对三峡水库来说，包括有防洪、发电、航运、环保等多方面的调度需求，综合考虑来满足这些调度需求是一个十分复杂的、困难的问题。小江调节坝工程位于三峡库区内的典型支流上，调度目标相对单一，影响范围小，所以对小江调节坝进行生态调度原型实验研究，制定合理可行的生态调度方案，可以对三峡水库的生态调度起到示范作用。本文以调节坝调度方案对上下游产生的影响为出发点，结合小江流域的实际特点，按照分区控制要求针对性建立了小江调节坝生态调度评估体系，对生态动力学模型模拟出的调度方案进行了评估。
② 分析3个调度方案的评分结果，尽管方案三对坝前水库的生态环境造成了较大的不利影响，但是对小江河段的春季藻华产生了明显的抑藻效果。这说明可以充分利用小江调节坝，结合水动力条件变化对藻类生长和营养物质分布的影响规律，营造不利于藻类大量繁殖生长的水流条件和营养盐分布，来达到生态调度控藻的目的。
③ 受监测条件、评估时间与经费支持问题等条件制约，评估体系的建立还不够完善。如监测断面数量偏少、下游水生生态环境的评估指标较单薄；由于缺乏足够的监测数据，无法对生态流量、泥沙含量等要素进行评估。这些方面都有待进一步的研究。
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