王中敏，劉金珍，劉揚(yáng)揚(yáng)，樊　皓

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051)

0　引　言

漢江是長(zhǎng)江最大的支流, 全長(zhǎng)1 577 km，多年平均天然年徑流量為560 億m3。干流丹江口以上為上游,丹江口以下為中下游。漢江流域水利工程眾多，如從漢江調(diào)出水資源的工程有引漢濟(jì)渭工程、南水北調(diào)中線工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程，還有水資源調(diào)入漢江的引江濟(jì)漢工程(圖1)。漢江中下游河段是漢江流域乃至湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心,南水北調(diào)中線工程實(shí)施一度引起較多社會(huì)關(guān)注[1-4]，引漢濟(jì)渭、鄂北地區(qū)水資源配置等工程相繼實(shí)施后，將對(duì)漢江中下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生新的累積影響。

上游引漢濟(jì)渭工程在漢江干流黃金峽和支流子午河三河口分別修建水利樞紐蓄水，通過(guò)秦嶺輸水隧洞輸水至陜西省渭河流域關(guān)中地區(qū)；2010年底開(kāi)工建設(shè)，工程一次建成，分期引水。近期水平年2025年，取水規(guī)模多年平均為10 億m3；遠(yuǎn)期水平年2030年(在實(shí)施南水北調(diào)中線后續(xù)水源工程建設(shè)后)，取水規(guī)模多年平均為15 億m3。

南水北調(diào)中線工程于2003年9月正式啟動(dòng)，該工程從漢江丹江口水庫(kù)引水，中線工程主要由水源地工程和輸水工程組成。水源地工程是在丹江口水利樞紐初期規(guī)模的基礎(chǔ)上大壩壩頂高程從162.0 m加高至176.6 m, 設(shè)計(jì)蓄水位由157 m提高到170 m, 總庫(kù)容達(dá)290.5 億m3，水源地丹江口水庫(kù)的調(diào)度模式將由年調(diào)節(jié)改為不完全多年調(diào)節(jié)。中線一期工程向北方年供水量95 億m3，已于2014年12月12日通水；遠(yuǎn)景考慮從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)或以下長(zhǎng)江干流引水增加北調(diào)水量，年均調(diào)水量達(dá)到130 億m3，工程預(yù)計(jì)在2030年完成。

引江濟(jì)漢工程是南水北調(diào)中線的配套工程，工程目的是從長(zhǎng)江引水補(bǔ)充漢江興隆水利樞紐至河口段和東荊河灌區(qū)的流量, 以滿(mǎn)足該河段灌溉、航運(yùn)和生態(tài)用水要求, 并解決東荊河灌區(qū)的灌溉水源問(wèn)題。工程設(shè)計(jì)流量為350 m3/s，加大流量為500 m3/s。該工程已于2014年建成并運(yùn)行。

鄂北地區(qū)水資源配置工程以丹江口水庫(kù)為水源，年引水量7.7 億m3，供湖北省鄂北地區(qū)的襄陽(yáng)、隨州和孝感市的大悟縣，解決城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水問(wèn)題。該工程于2015年7月取得環(huán)評(píng)批復(fù)，2016年開(kāi)工建設(shè)，工程預(yù)計(jì)2020年完成。

引調(diào)水工程緩解了受水區(qū)水資源短缺問(wèn)題，然而卻對(duì)調(diào)水水源下游區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。南水北調(diào)中線工程實(shí)施一度引起較多社會(huì)關(guān)注[1-4]，引漢濟(jì)渭、鄂北地區(qū)水資源配置等工程相繼實(shí)施后，將對(duì)漢江中下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生新的累積影響。漢江中下游河段是漢江流域乃至湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，分布著多處“四大家魚(yú)”等產(chǎn)漂流性卵魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵場(chǎng)，2處國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)和6處國(guó)家級(jí)濕地公園，故漢江中下游生態(tài)環(huán)境的重要性不言而喻，因此，有必要研究漢江上中游引調(diào)水工程對(duì)中下游生態(tài)環(huán)境的累積影響。

圖1　漢江流域引調(diào)水工程分布示意圖Fig.1 Distribution of water diversion project in Hanjiang river basin

1　研究方法與工況

1.1　模型與方法

本文采用MIKE11 HD模塊計(jì)算水文情勢(shì)和水環(huán)境變化，該模塊是基于垂向積分的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程即圣維南方程組建立的，由明渠不穩(wěn)定流隱式格式有限差分解，其差分格式采用了六點(diǎn)中心隱式差分格式。該模型在進(jìn)行完全水動(dòng)力學(xué)模擬的同時(shí)，也可進(jìn)行各種簡(jiǎn)化的水流模擬，如擴(kuò)散波、運(yùn)動(dòng)波及準(zhǔn)穩(wěn)定流的計(jì)算。MIKE11可以模擬各種水土建筑物(如箱涵、堰或泄流閘)及其運(yùn)用規(guī)則。

采用生態(tài)機(jī)理分析法、系統(tǒng)分析法等研究水生生態(tài)、濕地生態(tài)的影響范圍和程度。

1.2　研究工況設(shè)置

在丹江口大壩加高已完成的背景工況基礎(chǔ)上，考慮漢江已建引調(diào)水工程(S2)和規(guī)劃引調(diào)水工程均實(shí)施(S3)兩種工況，分S2-S1和S3-S1兩種情形預(yù)測(cè)對(duì)漢江中下游可能產(chǎn)生的累積影響，S1、S2、S3三種工況設(shè)置如下。

S1：丹江口大壩加高完成，不考慮調(diào)水的背景工況；

S2：考慮南水北調(diào)一期調(diào)水95 億m3、引漢濟(jì)渭調(diào)水10 億m3、引江濟(jì)漢工程均建成運(yùn)行；

S3：在S2情景調(diào)水量的基礎(chǔ)上，鄂北工程建成運(yùn)行，年引水7.7 億m3。

1.3　模型率定與驗(yàn)證

基于仙桃和襄陽(yáng)水文站逐日實(shí)測(cè)流量與水位資料，對(duì)一維水動(dòng)力模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并采用納什效率系數(shù)(NSE)來(lái)判定模擬流量過(guò)程與實(shí)測(cè)流量過(guò)程的擬合程度，具體的模型率定與驗(yàn)證結(jié)果詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。由模型率定與驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，NSE均可達(dá)0.7以上。由此可見(jiàn)，模型能夠較好地模擬漢江中下游水文情勢(shì)。

2　引調(diào)水工程對(duì)漢江中下游生態(tài)環(huán)境的累積影響

2.1　對(duì)漢江中下游水文情勢(shì)的影響

本文基于1956-1998年黃家港水文站徑流量資料，分別計(jì)算三種工況下黃家港、皇莊、仙桃三個(gè)代表斷面多年平均逐月流量，通過(guò)對(duì)比分析逐月流量變化，定量分析引調(diào)水工程實(shí)施對(duì)三個(gè)斷面水文過(guò)程的影響程度。

丹江口水庫(kù)建成以后, 水庫(kù)對(duì)徑流的調(diào)節(jié)能力很強(qiáng), 極大地改變了徑流的年內(nèi)分配[5]，使洪水期流量減小，枯水期流量增大，流量過(guò)程變得比較均勻平緩。南水北調(diào)中線一期工程、引漢濟(jì)渭工程通水后，必將導(dǎo)則漢江中下游水資源量減少，肖嬋等研究南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游的水文情勢(shì)影響結(jié)果表明，南水北調(diào)中線一期運(yùn)行后，漢江中下游多年平均流量減少24%[1]。

總體來(lái)看，受丹江口水庫(kù)調(diào)蓄、引江濟(jì)漢工程實(shí)施的影響，除黃家港、仙桃斷面9月份流量有不同程度的增加，其余月份引調(diào)水工程實(shí)施均造成各斷面流量不同程度地減小(圖2)。南水北調(diào)中線一期和引漢濟(jì)渭實(shí)施后，黃家港、皇莊、仙桃斷面逐月流量最大降幅分別為67.17%、58.59%、45.38%；鄂北地區(qū)水資源配置工程實(shí)施后，黃家港、皇莊、仙桃斷面逐月流量進(jìn)一步減少，與不調(diào)水工況相比降幅分別達(dá)67.3%、60.05%、46.87%(表1)?？傮w來(lái)看，各項(xiàng)引調(diào)水工程實(shí)施后，對(duì)漢江中下游水文情勢(shì)的累積影響明顯增大，但隨著中下游唐白河、蠻河、竹皮河等支流水量的不斷匯入，從上至下減水的累積效應(yīng)逐漸變小。

圖2　黃家港、皇莊、仙桃斷面多年平均逐月流量過(guò)程變化圖Fig.2 The average monthly flow process changes map for Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section for many years

2.2　對(duì)漢江中下游水環(huán)境的影響

根據(jù)漢江中下游近年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，漢江中下游水質(zhì)污染主要表現(xiàn)為干流總磷、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)的濃度呈上升趨勢(shì)，總磷、氨氮污染問(wèn)題突出，中線工程通水后，漢江中下游發(fā)生“水華”風(fēng)險(xiǎn)較大[6-8]。

通過(guò)對(duì)比分析3種工況下高錳酸鹽指數(shù)、氨氮濃度變化，引調(diào)水工程實(shí)施后，各典型斷面污染物濃度均有不同程度的增加，其中尤以襄陽(yáng)江段影響顯著，河流水質(zhì)較現(xiàn)狀呈變差趨勢(shì)，但斷面水質(zhì)類(lèi)別均未改變，保持在Ⅱ類(lèi)。引調(diào)水工程對(duì)漢江中下游水環(huán)境的累積影響趨勢(shì)與水文情勢(shì)影響結(jié)論一致，各項(xiàng)引調(diào)水工程實(shí)施的累積影響較大，鄂北地區(qū)水資源配置工程本身實(shí)施的影響較小。以格壘嘴斷面為例，南水北調(diào)中線一期、引漢濟(jì)渭工程實(shí)施后，氨氮濃度增加39.13%，進(jìn)一步疊加鄂北地區(qū)水資源配置工程實(shí)施的影響后，氨氮濃度較不調(diào)水工況增加43.48%。

表1　各對(duì)比工況下黃家港、皇莊、仙桃斷面流量減少幅度表Tab.1 The comparison table of flow reduction rate for the Huangjiagang, Huangzhuang, Xiantao section

表2　各對(duì)比工況下格壘嘴、皇莊、仙桃斷面典型污染物濃度增加幅度表Tab.2 The comparison table of increase rate of typical pollutants for the Geleizui, Huangzhuang and Xiantao section

2.3　對(duì)漢江中下游水生生態(tài)的影響

對(duì)水生生態(tài)的影響主要是基于水文情勢(shì)的變化，丹江口大壩加高工程對(duì)水生生態(tài)的影響已經(jīng)有所顯現(xiàn)，水庫(kù)下泄低溫水和王甫洲、崔家營(yíng)兩級(jí)樞紐的阻隔作用及水文情勢(shì)發(fā)生改變，對(duì)丹江口～崔家營(yíng)之間的魚(yú)類(lèi)資源產(chǎn)生較大影響[9]，區(qū)域喜靜水魚(yú)類(lèi)和產(chǎn)黏沉性卵魚(yú)類(lèi)的比例明顯增加。興隆電站已經(jīng)運(yùn)行，新集、雅口均已取得相關(guān)批復(fù)，秦?zé)@等[10]在漢江中下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)回顧性評(píng)價(jià)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)四大家魚(yú)自然繁殖已經(jīng)產(chǎn)生了明顯影響，原有的三官殿、王甫洲、茨河、襄樊等四大家魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)基本消失，僅剩經(jīng)濟(jì)型魚(yú)類(lèi)和小型魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)，魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵量和資源數(shù)量大大下降。

從漢江中下游魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查可知，魚(yú)類(lèi)組成、分布和資源數(shù)量已受到梯級(jí)樞紐建設(shè)的明顯影響，庫(kù)區(qū)適合靜水棲息的魚(yú)類(lèi)種群數(shù)量和生物量有所增加，天然流水江段減少，產(chǎn)漂流性卵魚(yú)類(lèi)的繁殖難度加大。引調(diào)水工程通水運(yùn)行后，丹江口～興隆江段部分月份流量減少，一定程度上縮小了魚(yú)類(lèi)棲居空間，但對(duì)魚(yú)類(lèi)種類(lèi)組成影響不大，已形成的魚(yú)類(lèi)種類(lèi)組成及分布格局受引調(diào)水工程影響相對(duì)較小，但到規(guī)劃水平年，喜靜水魚(yú)類(lèi)和產(chǎn)黏沉性卵魚(yú)類(lèi)的比例將增加，魚(yú)類(lèi)資源量有所減少。

2.4　對(duì)漢江中下游濕地生態(tài)的影響

漢江中下游干流范圍內(nèi)濕地生境類(lèi)型多樣，植被發(fā)育良好，濕地生物多樣性高，植物群落類(lèi)型豐富，濕地動(dòng)物也較為豐富。引調(diào)水工程改變了漢江中下游的水文情勢(shì)，勢(shì)必給河道內(nèi)濕地生態(tài)帶來(lái)間接影響。

本文研究范圍為漢江干流一級(jí)堤防內(nèi)，將濕地分為永久性河流濕地、洪泛平原濕地、庫(kù)塘濕地和稻田濕地，基于三種工況多年平均水文情勢(shì)變化，采用典型斷面水位變化量，分河段估算各類(lèi)型濕地面積，分析引調(diào)水工程對(duì)漢江中下游干流濕地結(jié)構(gòu)和濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

引調(diào)水工程實(shí)施不會(huì)改變濕地總面積，水量減少水位下降使永久性河流濕地轉(zhuǎn)化為洪泛平原濕地，丹江口～興隆段河段內(nèi)濕地總面積約3.85 萬(wàn)hm2，引調(diào)水工程累積影響(S3-S1)導(dǎo)致永久性河流濕地面積減少了0.10 萬(wàn)hm2(與原河流濕地面積相比降幅3.7%)，洪泛平原濕地增加了0.15 萬(wàn)hm2(與原洪泛平原濕地面積相比增幅43.4%)，稻田濕地面積減少0.05 hm2(降幅4.9%)，庫(kù)塘濕地面積未發(fā)生變化，其中由南水北調(diào)中線和引漢濟(jì)渭工程帶來(lái)的永久性河流濕地面積減少量為734.4 hm2，洪泛平原濕地面積增加量為0.13 萬(wàn)hm2。

引調(diào)水工程實(shí)施后漢江中下游濕生植物種類(lèi)會(huì)發(fā)生一定變化，在部分裸露河床區(qū)域，白茅灌草叢、水蓼灌草叢等濕生植被將面積有所增加，阿齊薹草沼澤、藨草沼澤、香蒲沼澤、蘆葦沼澤、菖蒲沼澤等沼澤植被面積減少。工程運(yùn)行一段時(shí)間后，各類(lèi)型植被將達(dá)到新的平衡。漢江中下游各類(lèi)型濕地面積發(fā)生一定變化，濕地總面積沒(méi)有發(fā)生變化，濕地植物和濕地動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種種類(lèi)沒(méi)有發(fā)生變化，因此漢江中下游濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能不會(huì)發(fā)生變化。

3　漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)的建議

3.1　保障河道生態(tài)環(huán)境需水，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)

根據(jù)《漢江流域綜合規(guī)劃報(bào)告》(長(zhǎng)江水利委員會(huì))，黃家港、皇莊斷面生態(tài)基流分別為174、200 m3/s，考慮航運(yùn)要求，黃家港斷面最小下泄流量為490 m3/s，皇莊斷面最小下泄流量為500 m3/s。漢江中下游地區(qū)在上游來(lái)水被進(jìn)一步削減的情況下，漢江流域管理機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)漢江流域綜合管理，結(jié)合丹江口水庫(kù)調(diào)度，合理配置水資源，協(xié)調(diào)引水水源上、下游生態(tài)環(huán)境需水的關(guān)系，在不同時(shí)間尺度和不同空間尺度滿(mǎn)足河流基本生態(tài)環(huán)境需水的要求，維護(hù)漢江中下游生態(tài)系統(tǒng)健康。其次，應(yīng)按照國(guó)務(wù)院《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》的要求，從體系建設(shè)、制度建設(shè)、機(jī)制建設(shè)等多方面著手[11]，提高全民水資源保護(hù)意識(shí)，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)?？煞e極探索爭(zhēng)取調(diào)水工程的國(guó)家相關(guān)生態(tài)補(bǔ)償資金[12]，通過(guò)農(nóng)業(yè)灌溉用水設(shè)施改造、提高中水回用率等提高水資源利用率，達(dá)到節(jié)水目標(biāo)。

3.2　加強(qiáng)水污染防治，落實(shí)水環(huán)境治理工程

1999年，湖北省頒布了《湖北省漢江流域水污染防治條例》，將漢江流域水污染防治的目標(biāo)責(zé)任提升到一個(gè)新的高度；南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游點(diǎn)源和面源治理均布設(shè)了相應(yīng)措施，實(shí)施城市污水收集處理和農(nóng)業(yè)生態(tài)示范區(qū)建設(shè)。漢江中下游水污染防治力度加大，漢江干流水質(zhì)得到改善，2010-2012年漢江中下游干流以Ⅱ類(lèi)水質(zhì)為主，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)數(shù)據(jù)超標(biāo)，超標(biāo)的主要因子是氨氮和總磷。

引調(diào)水工程實(shí)施后，漢江干流污染物濃度進(jìn)一步增加，應(yīng)加強(qiáng)水行政主管部門(mén)職能，加大對(duì)入河排污口的監(jiān)管[13]。同時(shí)，根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，應(yīng)提高城市污水收集和處理率，積極推動(dòng)漢江中下游沿岸污水處理廠提標(biāo)改造率，2017年底前全面達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)業(yè)方面調(diào)整農(nóng)業(yè)布局及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效、無(wú)污染的肥料和農(nóng)藥，減少面源污染。

3.3　強(qiáng)化流域統(tǒng)一管理，開(kāi)展生態(tài)調(diào)度

隨著漢江中下游梯級(jí)電站和航運(yùn)樞紐的建設(shè)，相關(guān)主管部門(mén)均提出了水庫(kù)下泄生態(tài)流量的要求；為減輕“水華”發(fā)生幾率，仙桃斷面要求流量不小于500 m3/s，在每年的7、8月份，四大家魚(yú)繁殖要求漢江中下游水位上漲時(shí)間需持續(xù)3～8 d。為減輕水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)水環(huán)境和水生生態(tài)的影響，實(shí)施漢江中下游聯(lián)合生態(tài)調(diào)度尤為必要。

漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)涉及防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)、灌溉等各方用水權(quán)益，南水北調(diào)中線工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程、引江濟(jì)漢工程、王甫洲、崔家營(yíng)等梯級(jí)均有不同的管理單位負(fù)責(zé)運(yùn)行管理，各部門(mén)存在一定的爭(zhēng)水利益糾葛，需要漢江流域管理機(jī)構(gòu)組織建立協(xié)調(diào)機(jī)制，在生態(tài)優(yōu)先的前提下協(xié)商解決漢江中下游水量調(diào)度，開(kāi)展生態(tài)調(diào)度，保證丹江口水庫(kù)一定的下泄流量，同時(shí)雅口、碾盤(pán)山、興隆三個(gè)已建梯級(jí)開(kāi)啟全部閘門(mén)泄水，滿(mǎn)足四大家魚(yú)和鳡、鳤、鯮等珍稀魚(yú)類(lèi)的繁殖需求，滿(mǎn)足水質(zhì)保護(hù)和水生生物生境要求。

3.4　維護(hù)庫(kù)岸穩(wěn)定，開(kāi)展生態(tài)修復(fù)

調(diào)水后丹江口水庫(kù)下泄水量減少，將使河道內(nèi)常年裸露灘地面積增加，短期內(nèi)如果植被沒(méi)有得到及時(shí)恢復(fù)，將造成河床下切，寬淺河段河槽游蕩頻繁，影響庫(kù)岸穩(wěn)定。因此，應(yīng)實(shí)施一定的濕地保護(hù)和生態(tài)修復(fù)工程措施。針對(duì)漢江這樣的大型河流，在常水位以下應(yīng)采取較為合理的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，利用非生物的網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)或生態(tài)混凝土進(jìn)行岸坡防護(hù)，以抵御強(qiáng)烈的水流沖刷和頻繁水位變動(dòng)的環(huán)境。在水位變動(dòng)區(qū)及以上高海拔灘地輔以植物措施，濕地植物應(yīng)選擇耐水淹、鄉(xiāng)土植物或具有水質(zhì)凈化和景觀功能的物種，形成能夠調(diào)蓄洪水、滯留積物、凈化水質(zhì)、為動(dòng)植物提供棲息場(chǎng)所的生態(tài)岸坡。

4　結(jié)　語(yǔ)

漢江流域引調(diào)水工程解決了區(qū)域水資源分配不均的問(wèn)題，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)也將對(duì)漢江中下游的水文情勢(shì)、水環(huán)境、水生生態(tài)、濕地生態(tài)帶來(lái)不同程度影響。

通過(guò)不同工況條件下的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，南水北調(diào)中線一期、引漢濟(jì)渭工程、鄂北水資源配置工程均實(shí)施后，對(duì)漢江中下游的累積影響較大，鄂北水資源配置工程實(shí)施對(duì)漢江中下游的影響相對(duì)較小。

為做好漢江中下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，建議構(gòu)建節(jié)水型社會(huì)，加強(qiáng)漢江流域綜合管理，保障河流生態(tài)流量；加強(qiáng)水行政主管部門(mén)職能，加大對(duì)入河排污口的監(jiān)管，減少點(diǎn)源和面源排放量和入河量；盡快建立流域協(xié)調(diào)機(jī)制，在生態(tài)優(yōu)先的前提下開(kāi)展?jié)h江中下游生態(tài)調(diào)度；部分河段及時(shí)實(shí)施庫(kù)岸穩(wěn)定和生態(tài)修復(fù)工程，促進(jìn)濕地生態(tài)得到有效保護(hù)。

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