兼顾生态基流与水沙平衡的水利水电生态调度关键技术

摘要：本研究探讨了兼顾生态基流与水沙平衡的水利水电生态调度关键技术，通过分析生态基流需求机理及水沙平衡动力学机制，揭示了生态基流保障不足导致河流生态系统退化、水沙失衡引发河床演变与栖息地劣变等现象。针对这些问题，文中提出了包括生态基流保障技术、水沙平衡调控技术以及生态调度模型与优化技术在内的多项关键技术，并展示了这些技术在梯级水库联合调度、珍稀水生生物保护、河口三角洲生态维护和气候变化适应性调度中的具体应用。研究表明，综合运用这些技术可以有效改善河流生态系统的健康状况，实现水资源可持续利用的目标。

关键词：生态基流；水沙平衡；生态调度；可持续利用

水利水电工程在发挥防洪、发电和供水功能的同时，对河流生态环境产生了重要影响，特别是下泄流量不足引起的生态基流难保障和水库拦沙蓄水引起的下游水沙关系失衡等突出问题。生态基流是河流健康生活的基础，水沙平衡又是塑造河道形态和维持水生生物生境的重要因子。传统的生态调控模式，往往忽略了流域的生态需求，造成了廊道退化和生物多样性下降等一系列生态问题。在生态文明建设进程中，兼顾生态基流和水沙平衡的生态调控已成为迫切需要。研究水利水电生态调度的关键技术，旨在协调工程效益与生态保护之间的矛盾，通过优化下泄流量过程与泥沙调控策略，实现河流生态系统的可持续维护。该研究对于完善生态调度理论体系、指导水电工程绿色运行、促进流域高质量发展具有重要的科学价值与实践意义。

1 生态基流与水沙平衡概述

1.1 生态基流需求机理

生态基流是维持河流生态系统结构与功能所必需的最低流量，其核心目标是保证生物生境的完整性、水质净化能力和河流地貌的稳定。生态基流量的确定要从水文、生态和地形三个方面综合考虑。从生态学的角度来看，关键物种（鱼类、底栖生物等）的生存需要（如产卵、捕食、越冬等）对水深、流速和生境连通性的需求。在水文学层面，基于历史径流量（Tennant法）和水文－生态响应模型（IFIM），以保证径流过程具有一定的季节性变异，从而更好地模拟天然水文节律。同时，生态基流也要以水质需求为基础，保持一定的稀释自净能力，避免因污染物积累而造成水体富营养化或缺氧。生态基流管理是当前研究的热点，通过对不同生态指标（如鱼类繁殖期、植被生长期等）进行调节，提高了生态调控的精度和适应性。

1.2 水沙平衡动力学机制

水沙平衡是河流地貌稳定性的核心驱动因素，其动力机制涉及水流挟沙力、泥沙输移和床面冲淤之间的相互影响。天然河流的水沙长期处于一种动态平衡状态，水库的修建将导致下游“清水”下泄，造成河床冲刷、岸坡失稳和生境退化。在力学上，泥沙运动受到水流剪切力、颗粒大小和比降的影响。在生态学上，沉积物通量的变化将影响底质组成、床面形态和滨岸植被分布，从而影响水生生物的生存环境。如泥沙供应不足，可使河床变粗，底栖生物多样性降低；同时，泥沙的淤积也会导致鱼类的产卵场堵塞。因此，需要通过人工调控（如水库排沙、生态泄流等）来模拟天然水沙过程，并保持一定的泥沙输移速率，兼顾工程建设和生态保护两个目标。

2 生态基流与水沙平衡对水利水电生态调度的影响

2.1 生态基流保障不足导致河流生态系统退化

水利水电工程在运行过程中往往以发电和防洪为优先，造成下泄流量远小于生态基流量阈值，给河流生态环境带来了严重的负面影响。长时间的低流速将导致水生生物生境面积缩小，鱼类产卵场及捕食环境被破坏，导致洄游性鱼类等重要物种的数量减少。同时，由于径流不足，水体自净能力下降，污染物积累加剧，导致水体富营养化、溶氧不足。同时，生态基流的缺失也会影响河岸带植被的生长和生态连通性。如黄河部分河段，由于梯级水电站的超量蓄水，曾一度断流，造成湿地萎缩，生物多样性下降。因此，生态调控需要根据基流动态变化来优化排放策略，以保证关键生态过程不被破坏。

2.2 水沙失衡引发河床演变与栖息地劣变

水库拦蓄泥沙会打破天然水沙平衡，导致下游清水冲刷、河床下切及岸坡崩塌等地貌灾害。例如，三峡水库蓄水后，下游荆江河段泥沙供给急剧减少，河床普遍下沉1-2 m，威胁堤防安全，改变浅滩－深潭构型，影响底栖动物的栖息环境。同时，由于泥沙输移减少，河床变粗，导致底质多样性下降，导致适合于细水环境的底栖动物（如摇蚊幼虫）数量减少。另外，水库间歇性排沙还会产生短期的高含沙流，造成鱼鳃堵塞和产卵场掩埋。生态调控需结合泥沙运动力学模型，调控泄流流量和时机，模拟天然水沙脉动，保持河道稳定性和生境适合度。

2.3 协同调控生态基流与水沙的复合挑战

生态基流与水沙平衡的调控目标存在潜在矛盾，增加下泄流量可以满足生态基流需要，但清水下泄将加剧河床冲刷；减少泄流虽然能减轻冲刷，但也会造成生态基流不足。如金沙江下游水电站如果只满足生态基流量的需求，将不能为三角洲湿地的发展提供足够的泥沙。此外，气候变化加剧了流域水文情势的不确定性，传统的静态调控模型已很难适应极端水旱灾害情景下的生态需求。因此，现代生态调度需采用多目标优化方法，耦合水动力－泥沙－生态模型（如DELFT3D、ECoSIM），在兼顾发电效益、生态基流保障和泥沙输移需求的基础上，提出适应性调控方案。如鱼类繁殖期优先考虑脉冲泄流问题，汛期结合防洪调度进行人工排沙，以实现综合生态效益的最大化。

3 兼顾生态基流与水沙平衡的水利水电生态调度关键技术

3.1 生态基流保障技术

生态基流保障技术是维持河流生态系统健康的基础。该技术体系包括生态需水计算、动态调度实施和效果评估三个主要环节。在生态需水计算方面，需要将 Tennant、7Q10等水文方法、 PHABSIM等水文学方法以及 BBM等整体方法相结合，构建基于不同生态保护目标的径流需求曲线。动态调控需建立适应性调控体系，以满足生态基流需求为目标，实时监测流域水文、水质、生态等指标，并结合水库运行约束条件，制定出满足生态基流需求的泄流方案。在效应评价环节，利用生态监测网络，利用生物完整性指数、生境适合度指数等定量评估生态基流保障效应。特别强调，现代生态基流保障技术已由单次最小流量控制向脉冲式生态流量控制转变，充分考虑春季涨水、秋季退水等自然水文特征，使生态基流更符合生态系统生命周期的需求。

3.2 水沙平衡调控技术

该技术体系由泥沙运输模拟、调控方案制定、工程措施实施三个层次构成。泥沙输运模拟需要考虑不同粒径组泥沙输移特征，建立高精度的水沙耦合模型，预测其长期冲淤演化趋势。在“蓄清排浑”原则的基础上，结合水沙条件及下游河床演变要求，对水沙调控方案的制定进行优化。工程措施的实施主要有异重流排沙、洪期调沙和人工补沙等。以三峡水库为例，在洪季利用洪水过程实施集中排沙，减少水库泥沙淤积，保证下游泥沙补给。最新研究也提出与水沙过程相结合的生态调控模型，通过调整泥沙含量、级配等参数，重构适宜底栖动物栖息的底床环境。此外，梯级水库的联合泥沙调度也是当前研究重点，通过协调上下游水库的运行方式，实现全流域的水沙平衡。

3.3 生态调度模型与优化技术

该技术体系包括模型构建、算法开发和决策支持三个组成部分。模型构建需要整合水文、水动力、泥沙输移和生态响应等多个子模型，建立耦合的生态系统模型框架。在算法设计方面，本项目将以NSGA-II、 MOEA/D等为代表的多目标优化算法为基础，结合机器学习中的智能优化技术，解决高维非线性调度决策问题。决策支持系统以可视化的人机交互方式，辅助管理人员制定科学的生产计划。现代生态系统调度模型日益关注不确定性问题，通过随机规划和鲁棒优化等方法来应对气候变化对生态系统的影响。同时，将数字孪生技术引入生态调度中，构建虚拟仿真河道系统，对调度方案进行实时检验和优化。如黄河水统一调度系统集成了水文预报、水库调度、生态评价等模块，为兼顾生产与生态需求的协同决策提供了支撑。

4 兼顾生态基流与水沙平衡的水利水电生态调度关键技术的具体应用

4.1 在梯级水库联合调度方面的应用

梯级水库系统的生态调度面临更为复杂的挑战，需要协调多个工程之间的运行关系。在生态基流保障方面，利用分布式水文模型和生态需水模型相结合的方法，系统评价流域生态需水需求。通过建立梯级水库群联合优化调度模型，实现梯级水库群下泄流量的协调，保证下游各控制断面在不同时段均满足最低生态基流要求。如长江上游梯级开发，构建金沙江下游－三峡水库群协同调度机制，利用上游水库增加枯水期下泄流量，保障下游生态基流需求，实现梯级开发。在水沙平衡调控方面，需要建立一套完整的泥沙运输模拟方法。在分析各水库泥沙淤积规律及排沙效果的基础上，提出了梯级水库联合排沙方案。按照“上蓄下排”的调度策略，上游水库主要承担泥沙拦截作用，下游水库适时进行泥沙排出。此外，结合水文情势预测，在适宜的来水来沙条件下，实施人工洪峰，推动下游河道泥沙输移，调整河床形态。该技术已应用于黄河小浪底水库调水调沙工程中，取得了明显的成效。

4.2 在珍稀水生生物保护方面的应用

针对重要珍稀水生生物的保护需求，生态调度技术需要与物种生态习性深度结合。在中华鲟等洄游性鱼类保护中，开发了基于鱼类行为响应的生态流量调控技术。通过对产卵场水力条件的分析，在关键繁殖期实施脉冲泄流，模拟自然水文过程，激发亲鱼产卵行为。结合遥感技术获取的鱼类迁移路径信息，优化水库下泄流量过程，保障鱼类洄游通道的畅通性。将栖息地适宜性评估和流量调节技术应用于长江江豚等珍稀水生动物的保护。此外，构建水动力－生境耦合模型，分析不同来流条件下，深潭、浅滩等关键生境的面积及质量变化规律，提出优化的生态泄流方案。结合水质要素时空变异，通过调控下泄流量，改善水体溶氧等关键指标，改善生境质量。在鄱阳湖水利枢纽的生态调度设计中，就专门考虑了江豚栖息地的保护需求。

4.3 在河口三角洲生态维护方面的应用

河口三角洲地区受上游水库调度影响显著，需要特殊的生态调度技术。针对咸潮入侵问题，开发了基于盐度模拟的生态流量调控技术。通过构建河口盐度输移模式，实现不同来流条件下咸潮上溯距离的精确预报。在枯水季节实施“压咸补淡”调控策略，可有效缓解河口咸潮影响，保障区域生态用水安全。珠江口咸潮事件的发生与发展表明，上游水库联合调度可有效控制咸潮对河口湿地生态系统的影响，并对其进行科学合理的水资源管理。在此基础上，结合水沙交互作用，对三角洲湿地进行调控。深入剖析湿地演变与泥沙供应的关系，提出兼顾泥沙输移和淹水条件的湿地生态调控方案。在特定水文条件下，人工洪泛过程既可促进泥沙向三角洲前缘高效输移，补充自然侵蚀造成的土地资源损失，又能保证湿地正常供水，维护湿地生物多样性与生态功能。小浪底水库在黄河三角洲实施生态调控措施后，湿地面积大幅增加，生态服务功能得到明显提升，对其他河口三角洲地区也有借鉴意义。

4.4 在气候变化适应性调度方面的应用

面对气候变化带来的水文不确定性，发展了具有适应性的生态调度技术。通过气候－水文－生态耦合模型来评估未来气候变化背景下生态基流需求变化趋势，构建生态基流动态调控机制。这一体系不仅关注于短期的水文预报精度提升，还强调延长预见期的重要性，为制定更加科学合理的生态调度决策提供强有力的数据支持。特别是在澜沧江流域，考虑到气候变化对水资源管理的影响，已成功构建了一套具备应对极端气候事件能力的水库调度系统。在确保水沙平衡方面，气候弹性调度技术得到了开发和应用。通过对气候变化影响下的流域产流产沙过程进行深入分析，优化了水库排沙策略及实施时机的选择。面对降水格局的改变，寻找并维持泥沙拦蓄与排放之间的最佳平衡点成为关键措施之一，旨在保障下游河道的长期稳定性和生态环境健康。同时，针对极端水文事件发生后的恢复工作，建立了完善的泥沙补给应急预案，以便能够迅速开展人工泥沙补给作业，促进河流系统的快速恢复。

5 结语

本研究深入分析了生态基流与水沙平衡在水利水电工程中的重要性及其对生态系统的影响，提出了一系列关键技术以应对生态基流保障不足和水沙失衡带来的挑战。通过实施这些技术，不仅能有效缓解河流生态系统退化问题，还能促进河道稳定，改善生境质量，为保护珍稀水生生物、维持河口三角洲的生态环境提供技术支撑。然而，在气候变化和人类活动影响不确定性的背景下，进一步优化生态调控模型、提高预测精度与适应性、加强多学科协作、探索更加灵活、高效的水资源管理策略，实现生态环境和社会经济可持续发展。

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