单敏尔 刘鑫 周银军 李志晶 郭超
摘要：
为评估生境逆改造和生态调度相结合的方式对治理汉江王甫洲库区伊乐藻灾害的有效性，建立了研究区间的二维水动力模型，提出了水动力提升率这一概念，从典型断面、流场等方面对生境逆改造效果进行了定量分析，并对生境逆改造后的生态调度流量和方案进行了讨论。结果表明：① 生境逆改造后断面特征点的总体水深增加达1.31 m，流速分布更加均匀，静水点个数显著减少。② 改造后研究区间在枯水流量时水动力提升率最大，为44.55%，洪水流量时提升最小，为26.77%，周期提升率为35.59%。③ 生境逆改造之后的生态调度峰值流量调整为613.72 m3/s时，即可达到现有调度方案短时增至1 100 m3/s时的水动力提升效果，一次生态调度相较于现有调度方案可节约丹江口水库水量4.2亿m3，且相同最小流量下水动力提升率达17.2%。
关 键 词：
伊乐藻；
生境逆改造；
生态调度；
水动力提升率；
王甫洲库区
中图法分类号：
X52
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.015
0 引 言
伊乐藻大规模生长将引起诸多生态和经济问题［1-2］。近年来，汉江王甫洲库区多次暴发伊乐藻灾害［3-4］，根植于库底的伊乐藻在水量大时被连根拔起后漂至电站区域，严重影响行洪与发电安全，危害库区水生态环境健康，亟需对其进行有效治理。
伊乐藻存在水深和流速的生长阈值。水深是影响水体光照强度的重要因素［5-6］，水深的变化会改变水体中的光照强度，从而影响伊乐藻的光合作用［7-10］，水下层光照强度与水深的关系可用比尔定律通过垂直衰减系数表达［11-13］。最适宜伊乐藻生長的光照强度为自然光照的5%，王甫洲库区河道伊乐藻生长分布存在水深限制，水深1～2 m处生长旺盛（光照强度2 900～7 000 lx），3 m以上水深因光照不足无法形成成片植物群落（光照强度830 lx），而在5～7 m处植物只有零星存活（光照强度<340 lx）［14］。在流速方面，Butcher［15］、Biggs［16］、Madsen［17］、魏华［18］和王华［13］等的研究表明：沉水植物的生物量与水体流速存在密切关联，流速在0.1 m/s以下时，沉水植物生物量较高，在0.9 m/s 以上时，沉水植物生物量出现了衰减。Hussner等［19］的研究表明，伊乐藻在平均流速为0.09 m/s的河流中其盖度接近60%，而在平均流速为0.14 m/s的河流中盖度仅为7%。
本文选取丹江口-王甫洲区间的实测地形及水文资料，采用生境逆改造塑造不利于伊乐藻生长的水文环境条件并结合生态调度的综合方法对伊乐藻灾害进行治理。在治理措施效用分析中，提出了水动力提升率概念，并结合二维水动力模型数值模拟的方法对治理措施实施前后的水动力变化效果进行了量化分析，最后对综合治理措施实施的意义进行了简要讨论。
1 研究区域及数据
本文的研究区域为丹江口-王甫洲区间。王甫洲水利枢纽是汉江中下游衔接丹江口水利枢纽的第一个梯级枢纽工程，位于湖北省老河口市汉江干流上，下距丹江口枢纽约30 km，老河口市市区下游约3 km处。区间河段平均比降0.19‰，地貌特征以堆积地形为主，该河段流经浅丘岗地、宽窄相间，河床宽浅散乱，洲滩密布，汊道丛生，流路多变且不稳定［20-22］。
地形数据为2021年丹江口-王甫洲区间实测高程点和边界线数据。水位和流量数据来自于黄家港水文站和王甫洲电厂2019～2021年逐日实测数据。
2 研究方法
2.1 生境逆改造法
生境逆改造是通过构建不利于生物生存的生活空间和调节生物的生活空间条件［23-24］，抑制其生长的一种方法。伊乐藻形成大面积生长稳定群落的最大水深为3～4 m，密集生长区域的实测流速大多小于0.14 m/s。通过局部地形改造加长加深，通过洲滩重塑和流量调度加长加深，通过塑造超过伊乐藻生长阈值的水文环境对其进行治理。
2.2 二维水动力数值模拟
数值模拟采用MIKE 21水动力模块（HD）进行模拟，建立丹江口-王甫洲区间的二维水动力模型，建模过程参考文献［25］。将改造前后二维水动力模型运行结果经过GIS处理后转换为矢量图形格式文件，再根据本文所提出的水动力提升率概念对水动力改善效果进行定量分析。
3 生境逆改造分析
经课题组实地调查统计，伊乐藻是汉江中游中洲岛到下游王甫洲坝址区域水生植物中的唯一优势种。将伊乐藻分布最为密集的3个区域，依次分为如图1所示A、B、C 3个区域。3个区域均有较多洲滩分布，拟对3个区域进行生境逆改造。首先对研究区间的生境逆改造可行性进行了分析，之后对生境逆改造方案进行了讨论，并以多年2、3月和7月的日平均流量565，745 m3/s和1 526 m3/s作为枯水、中水和洪水的代表流量，利用二维水动力数值模拟分别对3个区域改造前后的典型断面特征点和流场变化进行了分析，典型断面和改造范围选取如图1所示。
3.1 生境逆改造可行性分析
采用“区段挖深-局部洲滩填高重塑”的技术方式重塑洲滩地貌，疏通水力通道，营造出不利于伊乐藻生存的地形和水文环境，提高区域水流的水动力强度，使丹江口-王甫洲区间伊乐藻的生境发生改变。由重点区域泥沙粒径级配分析得到该区域淤积泥沙中砂和石的占比为72.7%［26］，在生境逆改造时，可对改造产生的弃沙进行资源化利用，产生较为可观的经济效益，降低生境逆改造实施成本。此外，生境逆改造的实施将有助于王甫洲库区以及下游水生态环境的保护，恢复洲滩原有的因非法采砂、河滩堆物及围堰养殖等引起的生态环境破坏，营造自然深潭浅滩和泛洪漫滩，为其他生物提供多样性生境。
3.2 生境逆改造方案
由于伊乐藻在3 m水深以上时，会因光照不足无法形成成片植物群落，同时因王甫洲水库正常蓄水位为86.23 m，水库无防洪任务，库水位在正常蓄水位附近变动不大，故将3个洲滩周围砂石淤积处生境逆改造挖深高程均定为挖深至83.2 m，对应水库正常蓄水位时水深为3 m。为使每一洲滩形成一整体，减少洲滩内部的静水区域，增强水动力，还将每一洲滩内部现有高程不到正常蓄水位的区域填高到高程86.2 m附近。生境逆改造方案在区域A的改造开挖量和填土量分别为734.9万m3和16.2万m3，在区域B的改造开挖量和填土量分别为793.6万m3和95.5万m3，在区域C的改造开挖量为831.2万m3。图2反映了重点区域A生境逆改造前后地形变化情况。
3.3 生境逆改造前后水动力数值模拟分析
3.3.1 模型率定
采用2020年1～12月黄家港水文站逐日实测水位、丹江口水库下泄流量和王甫洲电厂实测水位等资料对模型进行验证计算。为避免初始水位对模型计算产生的影响，模型进行了10 d的预热过程。图3是黄家港水文站实测逐月平均水位与模型计算水位验证结果，结果表明模型模拟值与水位实测值的最大差值不超过18 cm，验证结果较好。采用分布式糙率方法通过水位率定得到模拟区域糙率在0.032～0.046区间内。综合而言，本次水动力模型的率定结果较为可靠，建立的模型可用于王甫洲库区河段水动力模拟及相关问题分析研究。
3.3.2 典型断面分析
对各区域分别选取两个典型断面，对每个断面等距取特征点，总计103个特征点。以地形改造后中水流量下的典型断面水深流速特征为例，对比分析說明改造效果。
地形改造前后所有特征点水深-流速值如图4所示。图中趋势线明显上移，特征点更向图形左上方聚集，极值点减少，在纵轴上的点也明显减少，即改造后特征点的总体水深显著增加，平均水深增长1.31 m，超过水深阈值的点较改造前增加42.72%。改造后水动力强度分布较改造前变得更为均匀，静水点（存在水深但几乎没有流速的点）的水动力提升十分明显，其个数减少24.27%。以阈值和坐标轴划定框内和框外两部分区域，框内的点（流速<0.14 m/s且水深＜3 m）认为其满足伊乐藻生长所需水动力条件，框外的点（流速＞0.14 m/s或水深＞3 m）认为其不满足伊乐藻生长所需水动力条件。经改造前后对比发现，改造后框内的点个数减少较为明显，较多的点离开框内，达到不利于生长的水动力条件指标要求。
总体来看，原地形和改造后在中水流量情况下，各典型断面改造后相较于改造前的主要共同变化是水深小于3 m的区域明显减少，流速分布更加均匀，静水点显著减少。
3.3.3 流场分析
对流场的模拟主要对包括改造前、改造后每一区域分别在枯水、中水和洪水流量下的共计18种情况进行分析。在分析时，将改造后每一矢量网格进行过滤筛选，筛选的依据是改造后被筛选网格的水深或是流速是否达到或是超过伊乐藻生存的水动力阈值，若不超过，则为非有效治理网格，反之则为有效治理网格。采用水动力提升率这一指标对改造前后流场的水动力变化效果进行分析。水动力提升率公式为
T=（S′v＞0.14∪S′h＞3）－SS（1）
式中：
S为改造前的有效网格面积（基期达到阈值面积）；
S′v＞0.14为改造后超过流速阈值的有效网格面积（现期达到流速阈值面积）；
S′h＞3为改造后超过水深阈值的有效网格面积（现期达到水深阈值面积）。
不同流量级下各区域水动力提升率结果如表1所列（周期提升率指一个枯水、中水和洪水流量周期下的总提升率）。3个区域在每一流量下的水动提升率均为正值，水动力都获得了不同程度的提升，不同区域不同流量下的水动力提升率相差较大。3个区域均为枯水流量时水动力提升率最大，洪水流量时的水动力提升率最小。区域A，不同流量下的水动力提升率均较为接近，在60%左右，其水动力提升的稳定性较好。区域B，各相同流量级下的水动力提升率均与区域A和区域C存在较大差距，其水动力提升是3个区域中最不明显的，同时随着流量的增大，其洪水流量下的水动力提升率仅为枯水流量时的1/3，洪水流量时8.80% 的水动力提升率是各区域各流量下最小的。在区域C，枯水流量时的水动力提升率达72.82%，为各区域各流量级下最大的，但随着流量增大，其中水流量下的水动力提升率仅为枯水流量时的1/2，而洪水流量时的提升率也仅为枯水流量时的1/3，减小幅度较为明显。3个重点区域总和提升率在枯水流量时达44.55%，而在中水和洪水流量下均有一定程度的下降，变为37.70%和26.77%。
从周期提升率来看，区域A在一个流量周期内的水动力提升最大，为59.15%，该区域的提升效果十分明显；
而区域B的周期水动力提升率最小，为16.02%；
3个重点区域总的周期水动力提升率为35.59%，提升效果较为显著。
4 生境逆改造后的生态调度分析
4.1 改造后的水动力变化分析
考虑生态调度的时间一般是伊乐藻的秋末萌发和初春快速生长两个时间段，春季和秋季该区域的流量一般在400～1 000 m3/s之间［3］，在模拟时对该区间扩大为300～1 100 m3/s，以100 m3/s为流量间隔从300 m3/s开始逐渐增至1 100 m3/s，共9个流量级进行改造前后的水动力模拟，并依次计算地形改造后在每一相同流量下的水动力提升率，其模拟和分析结果如图5所示。
根据地形改造后不同流量下的丹江口-王甫洲区间水动力提升率计算结果，随着流量的增大，水动力提升率明显减小，当流量从300 m3/s增至1 100 m3/s时，水动力提升率从18.6%降至11.1%。在较枯的来水情况下，水动力提升率反而越高，即地形改造对于流域水动力的提升作用在枯水期比来水较丰的时期更加显著。在来水较少的春季和秋末季节，在地形改造前提下进行水量调节可能将取得更显著的生态治理效果。同时该区间的水动力提升率同流量之间还显示出高度契合的指数函数关系，经过检验，其R2为0.99，具备高可靠性，拟合程度较高。
4.2 改造后的生态调度流量值分析
生态调度通过对水量的波动调节以改变水动力强度，破坏伊乐藻的生长环境使其难以萌发或无法定植。现行的生态调度方案通常是在初春或者秋末实施，方案中丹江口水库来流量不低于500 m3/s，丹江口水库采用波动式下泄，考虑丹江口水库可下泄流量无法过大，故波动式下泄的峰值流量一般在1 100 m3/s左右，整个峰值流量时间不少于5 d，一次生态调度至少要有两个峰值过程。根据现场调查，生态调度虽耗费上游水库水量，但其生态效果已经获得验证，2020年和2021年实施该生态调度方案后丹江口-王甫洲区间伊乐藻峰值生物量从2019年的4.80万t锐减至1.30万t和0.58万t，仅为2019年发生草灾时的27.1%和12.1%［14］，本节讨论也以能达到该同等生态治理效果为目标对生境逆改造后的生态调度流量值进行分析。
本文认为生态调度主要有两个发挥治理作用的时段，一个是从较小流量过渡到较大流量的流量波动上升段，另一个是较长时间的较大流量持续段。通过对作用时段的区别和划分，可知波动上升段内决定治理效果的关键参数是从较小流量到较大流量的短时水动力提升率；
而在较大流量持续段内决定治理效果的关键参数是在某一较大流量下的水动力强度大小。
波动上升段的生态调度流量值通过原地形下的短时水动力提升率与改造后的提升率指数函数联立得到。结果表明在生境逆改造后的地形中，只要丹江口水库来流量能达到613.72 m3/s，丹江口-王甫洲区间就可达到与地形改造前流量从500 m3/s增至1 000 m3/s相同的短时水动力提升效果。
确定较大流量持续段内的生态调度值时，因改造后流量为300 m3/s时水动力达到阈值的面积接近于改造前1 100 m3/s时达到阈值的面积，故改造后较大流量持续段内的水动力强度只要流量在300 m3/s以上就均可满足改造前春季生态调度流量500～1 100 m3/s的效果。同时考虑水库正常运行的要求，地形改造后生态调度的最小流量还是确定为与改造之前相同的不低于500 m3/s，虽改造前后最小流量均定为500 m3/s，但相同最小流量下的水动力提升率却有将近17.20%的提升。
结合以上讨论，生境逆改造后生态调度方案可确定为丹江口水库来流量不低于500 m3/s，丹江口水库依然采用波动式下泄，波动式下泄的峰值流量控制在613.72 m3/s左右，整个峰值流量时间仍不少于5 d，一次生态调度仍至少要有两个峰值过程。若按两个峰值计算，则在一个春季，在地形改造后的生态调度方案相较于地形改造前的现有生态调度方案节约丹江口水库水量4.2亿m3，在能达到目前单一生态调度进行治理的相同效果，即峰值伊乐藻量相较于2019年草灾时减少80%以上前提下，在节约水量的同时水动力提升率相较于原调度方案还有15%以上的提升。实行地形改造后的新生态调度流量方案对于解决丹江口水库下泄水量有限问题及对南水北调水源保障均有较大意义，同时还可为王甫洲电厂消除伊乐藻水草灾害的问题，提高发电效益和库区生态环境水平。
5 结论与展望
（1） 生境逆改造后特征点的总体水深显著增加，平均水深增长1.31 m，超过伊乐藻生长水深阈值的点较改造前增加42.72%。改造后水动力强度分布较改造前变得更为均匀，局部区域流速增加，静水点占比下降24.27%。
（2） 生境逆改造后各流量下水动力提升率均有提升。三区域总和提升率在枯水流量时达44.55%，在中水和洪水流量下水动力提升率分别为37.70%和26.77%，而在周期流量下的水动力提升率为35.59%。
（3） 生境逆改造后的生态调度方案将波动式下泄的最大流量调整为613.72 m3/s左右，其他与现有方案保持不变，一次生态调度相较于现有调度方案可节约丹江口水库水量4.2亿m3，在能达到目前单一生态调度相同效果的前提下，最小流量相较于原调度方案的最小流量的水动力提升率在17.2%左右。
（4） 依靠挖深构造不利于伊乐藻生长的水文环境，虽能起一定的效果，但是仍会产生一些问题，例如挖深过程中是否会对库区现有较好的水质产生破壞，生态调度是否需考虑其他更多的因素以及实施该调度方案后是否能达到理论计算或是现有方案的相同治理效果，这都是下一步重点考虑的问题。
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（编辑：黄文晋）
Abstract：
In order to analyze the effectiveness of combined measures of habitat reverse reforming and ecological operation to controlling the Elodea canadensis disaster in the Wangfuzhou Reservoir area on Hanjiang River，this paper established a two-dimensional hydrodynamic model of the study interval based on the actual measurement，and proposed the concept of hydrodynamic improvement rate.We quantitatively analyzed the effect of habitat reforming in terms of typical section and flow field，and discussed the ecological flow and regulation scheme after habitat reforming.The results show that：①After the habitat reforming，the overall water depth of the characteristic points at cross-sections increased by 131 m，the flow velocity distribution was more uniform，and the numbers of still water points were significantly reduced.②The largest hydrodynamic improvement rate of the research interval after reforming was in dry water flow（4455%），and the smallest was in flood flow（2677%），and the periodic improvement rate was 3559%.③The peak ecological flow after the habitat reforming could be reduced to 61372 m3/s，which had an equivalent hydrodynamic improvement effect with the existing dispatching scheme of 1100 m3/s of short-term water discharge.Based on this，one time ecological dispatching can save 420 million m3 water volume of Danjiangkou Reservoir compared with the existing dispatching scheme，and the hydrodynamic improvement rate could reach172% under the same minimum flow rate.
Key words：
Elodea canadensis；
habitat reverse reforming；
ecological dispatch；
hydrodynamic improvement rate；
Wangfuzhou Reservoir area