降低水庫富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的生態(tài)調(diào)度方式探討

沙元杰，劉 斌

（1.山東黃河河務(wù)局供水局，山東 濟(jì)南 250011；2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510611）

自20世紀(jì)80年代以來，發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家從調(diào)整大壩的運(yùn)行調(diào)度方式入手，開展了大量生態(tài)調(diào)度實(shí)踐及研究，證實(shí)了生態(tài)調(diào)度是有效修復(fù)河流生態(tài)的主要手段[1][2][3][4][5][6]。隨著我國河流生態(tài)問題日益嚴(yán)峻，自2000年開始，以塔里木河、黑河應(yīng)急生態(tài)調(diào)水、黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)為開端，我國陸續(xù)進(jìn)行了扎龍濕地、南四湖、引岳濟(jì)淀應(yīng)急生態(tài)補(bǔ)水、引江濟(jì)太、淮河閘壩聯(lián)合水質(zhì)調(diào)度、珠江壓咸補(bǔ)淡應(yīng)急補(bǔ)水等生態(tài)調(diào)度嘗試，為我國的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。上述生態(tài)調(diào)度都是為了解決下游生態(tài)問題而進(jìn)行的，目前以自身生態(tài)調(diào)度解決自身富營養(yǎng)化問題的生態(tài)調(diào)度理論和實(shí)踐還鮮見報(bào)道。

河流水能資源的開發(fā)一般自河流的上游起，由上而下地進(jìn)行階梯狀開發(fā)。從水能利用和建庫條件的角度，大型水庫一般布置在上、中游，對于中、小流域大型水庫往往是“龍頭水庫”，即第一梯級水庫。從地理位置上，大型水庫一般位于山區(qū)；從水溫結(jié)構(gòu)上，大型水庫一般常年水溫分層或季節(jié)水溫分層型；從水文特征上，大型水庫水深一般能達(dá)到幾十米甚至上百米，庫區(qū)流速緩慢（一般低于0.1 m/s），水體更新慢、水齡長；從水庫功能上，除發(fā)電外，一般還兼有防洪、供水、航運(yùn)等綜合開發(fā)任務(wù)。由于庫容大、流速緩、交換律低，加上工業(yè)、生活電源及面源污染物的大量輸入，使這樣的大型龍頭水庫易發(fā)生富營養(yǎng)化，但由于上游缺少大型水庫，往往難以通過上游水庫調(diào)水稀釋緩解富營養(yǎng)化狀況，因此研究以降低自身富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)的大型水庫生態(tài)調(diào)度方式就顯得非常重要。

1 工程概況

萬峰湖位于南盤江干流中游河段，壩址左岸是貴州安龍縣，右岸是廣西隆林縣。庫區(qū)涉及云南省羅平縣、廣西隆林、西林縣，貴州省興義市和安龍縣。萬峰湖水庫以發(fā)電為主，其壩址以上集雨面積50 139 km2，多年平均流量616 m3/s。水庫正常蓄水位780 m，死水位731 m。水面面積173.7 km2，總庫容102.6億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫。裝機(jī)容量1 200 MW，年發(fā)電量52.26億kW·h。萬峰湖庫容比為1.89，為水溫分層型水庫。

2 營養(yǎng)物來源及富營養(yǎng)化狀況

2.1 營養(yǎng)物來源

萬峰湖的氮總負(fù)荷為47 654.95 t/a，磷總負(fù)荷為6 784.32 t/a。上游南盤江的營養(yǎng)物輸入萬峰湖營養(yǎng)物（上游+庫區(qū)）的主要來源，以工業(yè)點(diǎn)源為主，其中氮負(fù)荷占總負(fù)荷的67.15%，磷負(fù)荷占總負(fù)荷的91.75%。庫區(qū)污染源以農(nóng)村生活面源、農(nóng)田面源、水庫養(yǎng)殖污染為主，其中水庫養(yǎng)殖為萬峰湖庫區(qū)營養(yǎng)物的主要來源，其中氮負(fù)荷為5 254 t/a，占庫區(qū)總負(fù)荷的47.8%；磷負(fù)荷為672 t/a，占庫區(qū)總負(fù)荷的61.83%。

2.2 水質(zhì)及富營養(yǎng)化狀況

2004—2007年萬峰湖水質(zhì)超標(biāo)程度較高，污染主要體現(xiàn)在總磷、總氮超標(biāo)，枯水期超標(biāo)最為嚴(yán)重。2009年開始進(jìn)行綜合治理以來水質(zhì)逐步好轉(zhuǎn)，富營養(yǎng)化情況有所減緩。萬峰湖易發(fā)生富營養(yǎng)化的季節(jié)為冬季，2007年曾出現(xiàn)網(wǎng)箱養(yǎng)魚因富營養(yǎng)化大量死亡而索賠的案例。

3 富營養(yǎng)化機(jī)制

采用2004—2009年萬峰湖氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷、水齡和水溫指標(biāo)分析決定葉綠素濃度的主成份。通過SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，確定評價(jià)主因子數(shù)，完成各監(jiān)測斷面水質(zhì)綜合評價(jià)。從主成分的碎石圖（圖1）和主成份分析表（表1）來看，萬峰湖葉綠素濃度的主要決定因子為總磷、水齡。

圖1 萬峰湖主成分分析碎石圖

表1 萬峰湖水庫各參數(shù)指標(biāo)的主成分分析

由主成份分析結(jié)果可知，水齡是葉綠素濃度的決定因子之一。采用改進(jìn)版的Comprehensive Aquatic Simulation Model（CASM）建立水庫三維生態(tài)動(dòng)力模型，通過控制水庫生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)源強(qiáng)（IN）和水齡進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，分析這些因素對藻類水平的影響見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，提高營養(yǎng)源強(qiáng)將提高系統(tǒng)整體物質(zhì)水平，藻類、浮游動(dòng)物、魚類等生物量將隨之增加。例如，水齡保持恒定而源強(qiáng)增加至現(xiàn)狀的3倍，則藻類生物量將增加至40~50 g/m3。另一方面，減少水庫水齡則有助于營養(yǎng)鹽和藻類等的稀釋擴(kuò)散，從而降低藻類水平。若水齡減少倍數(shù)與營養(yǎng)源強(qiáng)增加倍數(shù)相當(dāng)，則能維持約10 g/m3的藻類水平。數(shù)值模型同樣可以證明減少水齡可以降低富營養(yǎng)化發(fā)生的幾率和水平，同時(shí)水齡長短可以通過生態(tài)調(diào)度進(jìn)行人工干預(yù)。

圖2 藻類生物量隨源強(qiáng)和水齡的變化 g/m3

圖3 源強(qiáng)變化時(shí)藻類、浮游動(dòng)物和魚類的響應(yīng)

4 調(diào)度目標(biāo)與思路

萬峰湖水庫壩高水深，庫區(qū)水體流速慢，水體交換律較低，且入庫水質(zhì)差、庫區(qū)有大量的投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖，導(dǎo)致庫區(qū)部分水域曾出現(xiàn)富營養(yǎng)化甚至水華現(xiàn)象。近幾年當(dāng)?shù)卣扇∫欢ㄖ卫泶胧┖螅谷f峰湖水環(huán)境得到一定改善，富營養(yǎng)化情況得到緩解，但仍存在一定的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患。從水環(huán)境及水庫調(diào)度運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果可知，萬峰湖豐水期水質(zhì)較好，但枯水期總氮、總磷超標(biāo)，局部水域有水華或死魚現(xiàn)象；萬峰湖回蓄時(shí)間晚，水庫蓄滿率偏低，根據(jù)萬峰湖水庫近13年的運(yùn)行記錄，水庫僅有2008年最高水位779.98 m及2007年最高水位779.86 m接近蓄滿外，其余年份最高水位均不足778.00 m，甚至出現(xiàn)2011—2012年連續(xù)兩年水庫最高水位低于汛限水位的極端情況。總的來說，萬峰湖水庫蓄滿率低，水齡時(shí)間長，水體交換律低，枯季富營養(yǎng)化水平較高。

本次針對萬峰湖枯季富營養(yǎng)化水平較高、水庫蓄滿率偏低等問題，提出以改善萬峰湖庫區(qū)水環(huán)境、提高水庫蓄滿率為主要目標(biāo)的生態(tài)調(diào)度方案，在不影響水庫防洪安全條件下，通過優(yōu)化萬峰湖的調(diào)度方式，加快庫區(qū)水體流動(dòng)速度及水體交換律，尤其是枯水期庫區(qū)的水體流動(dòng)速度，使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。

5 生態(tài)調(diào)度方案

萬峰湖枯季富營養(yǎng)化水平較高、水庫蓄滿率偏低，水齡時(shí)間長，水體交換律低，枯季富營養(yǎng)化水平較高。在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區(qū)的水體流動(dòng)速度及水體交換律，降低水齡，使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。

根據(jù)水庫長系列調(diào)度調(diào)算，優(yōu)化調(diào)度方式后，枯水期平均出庫流量增加57 m3/s，枯水期水體交換律由原來的1.4增加至1.53，較原來增加了0.13?？梢娊?jīng)優(yōu)化的調(diào)度方式能有效提高枯水期水體更新率，降低水庫富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

水庫優(yōu)化調(diào)度方式后，在主供水期（12～2月）加大發(fā)電流量，有利于抑制珠江三角洲咸潮上溯，改善下游水環(huán)境質(zhì)量。優(yōu)化后的調(diào)度方式使萬峰湖多年平均發(fā)電量增加2.13億kW·h，結(jié)合2010年萬峰湖的上網(wǎng)電價(jià)0.209元/kW·h，萬峰湖發(fā)電效益可增加4 452萬元?？梢妰?yōu)化后的調(diào)度方案不僅能改善生態(tài)效益，還能帶來壓咸、發(fā)電等綜合效益。

6 結(jié)論與展望

南方大型水庫冬季一般沒有冰凍期，夏季較長、溫度高、濕度大，浮游植物生長旺盛，更容易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況。同時(shí)大型水庫一般為流域開發(fā)的“龍頭”，上游缺少控制性蓄水水庫，因此一般不具備靠上游水庫調(diào)度補(bǔ)水解決其富營養(yǎng)化問題的條件。

以點(diǎn)源和內(nèi)源為主的大型水庫（如萬峰湖），入庫營養(yǎng)物負(fù)荷年內(nèi)變化小，夏季由于承擔(dān)防洪功能，水庫在汛限水位運(yùn)行，加之降雨豐沛，一般不發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象。冬季水位抬升、庫容增加，水庫流動(dòng)性變差，水齡增長易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況。

以主成份分析方法分析萬峰湖葉綠素濃度主要受總磷和水齡制約，通過三維水生態(tài)動(dòng)力模型可以證明，通過調(diào)度減少水齡可以有效降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的幾率。萬峰湖枯水期易發(fā)生富營養(yǎng)化狀況，在不影響水庫防洪安全條件下，增加后汛期蓄水、增加枯水期水庫下泄流量，從而加快庫區(qū)的水體流動(dòng)速度及水體交換律，降低水齡，可使萬峰湖水庫的水環(huán)境得以改善。優(yōu)化后的調(diào)度方案不僅能改善生態(tài)效益，還能帶來壓咸、發(fā)電等綜合效益。

本論文提出的生態(tài)調(diào)度方案是針對萬峰湖的富營養(yǎng)化問題所提出的一種調(diào)度方式，仍需進(jìn)一步分析論證其與防洪、發(fā)電等其他興利調(diào)度的協(xié)調(diào)性以及如何具體實(shí)施，是對此類大型水庫在日后的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和日常管理中提出的一種新的調(diào)度需求和思路。