邓铭江院士：金山南面大河流（下）——额尔齐斯河生态调度和生态修复研究与实践
额尔齐斯，有人认为是准噶尔语“峡”的译音，也有人认为是准噶尔语“遒紧”之意，意为声调音节急迫短促。对于一名水利工程师来讲，额尔齐斯河是一条充满诱惑和挑战的河流。
这是一条浩浩荡荡的大河，也是一条充满潜能的大河。
额尔齐斯河发源于我国境内阿尔泰山南坡，进入哈萨克斯坦后，有喀奇利尔河、库勒丘姆河、布赫塔尔马河、乌利巴河和乌巴河等5条支流依次汇入，河面和河床宽度陡然增加了3倍，显现出一种宏大的气势。两岸的河谷林遮天蔽日，宁静而美丽的色彩一眼望不到尽头。
河流进入俄罗斯后，发源于乌拉尔山东部的伊希姆河、托博尔河、孔达河和发源于阿尔泰山南坡的鄂木河、杰米扬卡河等主要支流，分别从左、右岸汇入。由于接近北冰洋，降水增多，水量丰沛，河网发育，形成典型的沼泽草原地貌。在河道的自然演化过程中形成了众多的牛轭湖湿地，从空中俯瞰，极为神奇、壮观。正可谓是水漫天际、森林无边、绿草无垠、风光无限。而当漫长的冬季到来时，又是银海茫茫、万里冰封的另一番景观。
为了解决中亚地区大规模农业开发引起的水资源短缺问题，苏联曾制定了庞大的西伯利亚—中亚调水计划。其中，泛额尔齐斯河调水计划是从叶尼塞河、鄂毕河上游和额尔齐斯河下游向巴尔喀什湖流域、咸海流域调水。经过长期研究论证，科研和设计人员一致认为，从额尔齐斯河中游调水的方案比较可行。于是，1962—1972年在舒里宾斯克水库下游建成了卡拉干达运河，一期工程全长458km，年供水22.5亿m3；未能实施的二期工程全长1037km，计划将水调入锡尔河。
2012年，哈萨克斯坦也提出了一个宏大的调水计划。该工程以舒里宾斯克水库为龙头，沿中部高地的边缘，先向西北，后折向南，自流引水，跨越全境，连通额尔齐斯河、伊希姆河、托博尔河、萨雷苏河、楚河、塔拉斯河、伊犁—巴尔喀什河和锡尔河等水系，建立全国统一的水资源保障系统。工程全长3100km，年调水量70亿m3。
而上游的我国境内，经过新中国70多年的有序开发，额尔齐斯河干支流控制性工程体系已基本形成，科学系统地解决了“后坝工时代”和跨流域调水后的流域生态调度和生态修复问题，这正是本文要表述的主要内容。
在水利水电工程调度运行中，适时、适量、适温地下泄生态水量，使其更有利于恢复河流自然水文节律、满足物候节律，是维系河谷生态系统健康的关键所在。开展生态调度必须首先揭示三个基本科学问题：一是精准可靠的来水预测与洪水峰现时间预报；二是揭示流域干支流水文过程演进规律；三是探求河流生态需水节律与水文情势变化时空耦合机理。
01、来水预测与洪水峰现时间预报
随着经济社会的快速发展，河道外经济社会用水（含调水）与河道内生态用水竞争性矛盾日益加剧。来水预测是水资源配置和调控管理的重要前提，而关键生态期洪峰流量的科学预测，对水库群生态调度方案的制订具有重要的指导意义，是生态调度和生态修复面临的第一个科学问题。
基于多气候因子的流域来水预测
影响来水的因子众多，且区域差异显著，精选因子是建立预报模型的基础性工作，且应遵循以下原则：①与河流来水显著相关；②具有明确的物理意义且易获得；③对来水的影响有一定的持续性和规律性；④该要素的影响范围比较大。
额尔齐斯河来水一方面受海温、海冰、积雪、太阳辐射等外部强迫因子的作用，另一方面又与大气环流等内部特性密切相关。研究发现，海温指数（Nino）、北大西洋海温距平（ASSTA）、500hPa高度场等气候因子是影响流域年来水过程的关键因子，北大西洋涛动（NAO）和西风指数（WI）对流域年来水预测起辅助作用。采用组合及典型相关分析方法，构建了流域及干支流来水预测模型。以2021年为例，阿勒泰地区的库威水文站、富蕴水文站、克兰河阿勒泰和布尔津河群库勒水文站，预测年径流相对误差除富蕴站稍大外（误差19%），其余各站都不超过5%，预测结果总体可靠。
基于零度层高度的洪水峰现时间预报
额尔齐斯河干支流以融雪性洪水为主，洪水过程与气温过程密切相关。为了准确预报关键生态期的洪峰流量，建立了阿勒泰气象站零度层高度3日滑动平均值与干支流洪峰出现时间的相关关系，开展洪水峰现时间预报。
研究表明，5—6月份阿勒泰气象站零度层高度3000m是河流涨水的临界阈值，若出现连续3日以上，则干支流必将出现一个明显的涨水过程；零度层高度3400m是主要支流出现洪峰的临界阈值，若出现连续3日以上，在未来7日、5日、3日内出现洪峰的概率分别是80%以上、60%～70%和40%～55%。
02、河道内生态需水与生态水文过程耦合
营造与河道生态需水相适应的生态水文过程，时空耦合河流生态需水节律与水文情势变化，是生态调度和生态修复面临的第二个科学问题。维系河谷林草生态系统不退化、面积不萎缩、产草量不减少，保护干支流23种土著鱼类所需特定的水文过程，促进其产卵繁殖，是流域生态调度两个主要目标任务。
鉴于此，本研究提出耦合生态需水的三次脉冲水文过程，以满足河岸植被和河道内鱼类生态需水过程。三次脉冲是指生态调度的三个过程，即4月中下旬促进鲑科鱼类产卵繁殖的第一次脉冲调度，5月上中旬促进鲤科鱼类产卵繁殖的第二次脉冲调度，以及5月下旬至6月上旬促进河谷林草繁殖、更新、生长的第三次脉冲调度。
▲额尔齐斯河生态需水节律与水文情势变化耦合关系
促进鱼类产卵繁殖的生态流量脉冲
水体温度对亲鱼（指发育到性成熟阶段，具有繁殖能力的雄鱼或雌鱼，也叫种鱼）的性腺发育具有重要作用。一般来说，维持鱼类生存生长的水温范围较广，但适宜鱼类产卵繁殖的水温范围较窄。额尔齐斯河鱼类大致分为鲑科鱼类和鲤科鱼类。哲罗鱼、细磷鱼等鲑科鱼类产卵繁殖的适宜水温为6～8℃，时间为4月中旬至4月下旬；高体雅罗鱼、东方欧鳊、额河银鲫等鲤科鱼类产卵繁殖适宜温度为12～22℃，时间为5月上旬至6月上旬。
额尔齐斯河鱼类以产沉黏性卵为主，从生理学特性来看，产卵繁殖无洪水脉冲等水文需求。但从现场监测来看，鱼类有顶水洄游习性，涨水过程为鱼类提供产卵“信息流”。与此同时，持续的涨水过程和洪水出槽漫滩，促进河岸与河道物质交换，为鱼类产卵繁殖提供丰富食物（能量流），扩大鱼类产卵的空间，塑造适宜生境。因此，在4月中旬至6月上旬开展第一、第二次生态调度，是生态修复的重要保障措施。
促进河谷林草繁殖生长的生态流量脉冲
额尔齐斯河河谷地带多年平均年降水量约158mm，其中林草生长期4—8月份降水量只有87mm，降水量不能满足河谷牧草的生长需要。额尔齐斯河洪水为融雪补给和降水补给型复合洪水，年最大洪峰主要集中在5月下旬至6月上旬。天然情况下，大多数年份的洪水都会漫滩，灌溉河谷林草，漫滩时间与林草生长需水高峰期重叠，保障了河谷牧草生长需水。
在牧草生长需水和河谷林繁殖更新的关键期，通过水库调节，开展第三次生态调度，在干支流塑造漫滩洪水过程，有效补给土壤水和地下水，扩大繁殖空间，是促进河谷林草生长繁殖的必要条件。
03、流域干支流流量调控阈值与演进规律
额尔齐斯河水系发育、河谷较宽，漫滩洪水的塑造需要通过上游水库群联合调控，形成大流量、长时间的人工洪水过程。摸清流域干流上下游以及干支流复杂河网的流量演进规律，人工塑造与生态系统需水相适应的可控洪水，通过干支流梯级水库群联合调度，实现三次脉冲的生态水文过程，是生态调度和生态修复面临的第三个科学问题。
关键控制断面漫滩流量调控阈值
运用一维水动力模型HEC-RAS模拟各河段的漫滩流量及其洪水演进过程。模型的上边界为635水库、克孜加水库、布尔津山口水库和哈巴河山口水库下泄流量过程，模型的下边界为出境断面南湾水文站水位流量关系曲线。沿程考虑一、二、三干龙口灌溉引水，西水东引一期工程补水和引额济海工程引水等。通过模型计算和实地监测，在现状河流水文情势及生态需水要求下，635水库下泄洪峰1000m3/s且持续时间大于4天时，洪水才会上滩。各控制断面漫滩流量调控阈值如下图所示。
▲额尔齐斯河控制断面漫滩流量调控阈值及时程演进过程示意
干支流流量演进与洪峰叠加
根据各河段关键控制断面的漫滩流量阈值和演进过程，确定干支水库调度方案。由上图可知，以635水库开始下泄洪峰流量为0h计起，48h后克孜加水库开始加大流量泄洪，进行“额河干流—克兰河”凑峰调度；144h后布尔津山口水库加大流量泄洪并实施“额河干流—克兰河—布尔津河”凑峰调度；204h后哈巴河山口水库加大流量泄洪并实施“额河干流—克兰河—布尔津河—哈巴河”凑峰调度。
04、构建流域凑峰调度工程技术体系
流域工程格局的构成
额尔齐斯河干流上的喀腊塑克、635水库，克兰河上的克孜加水库，布尔津河的冲乎尔、布尔津山口水库，哈巴河上的吉勒布拉克、哈巴河山口水库，以及西水东引一期干渠构成“七库一干”工程格局。为充分发挥大型水库多年调节作用，以生态和社会经济缺水量最小、可调水量最大、综合效益最大和水电站群发电量最大为目标，以供水保证率、流域水量平衡作为全局约束，以水库水量平衡、水位、供水、出力作为局部约束，建立水库群中长期生态调度模型。
▲额尔齐斯河干支流工程布局节点示意
从宏观尺度上揭示水库群多年生态调度规律，制定水库生态调度规则，获得不同水文年生态可供水量；从中观尺度上揭示水库群年内生态调度规律，获取关键时段生态可供水量及过程，以期保证水库群在多年和年内运行期间，水资源综合利用和生态调度策略科学、合理，重点关注连续枯水年生态调度预案的研究，为发挥水库群综合利用效益、保障生态系统安全提供战略指导。
干支流水库群凑峰调度设计方案
凑峰调度是塑造河谷林草适宜生境的重要水文过程，即在第三次脉冲调度期间，首先通过设置干支流水库开始大流量下泄的时间间隔，人为造成干支流洪水遭遇，用尽可能少的下泄水量实现尽可能大的漫滩洪峰和洪量。然后，基于生态闸、壅水坝、牧业大渠等漓漫灌溉工程的联合运行，将人造洪水充分引入各级灌区，对林草进行适时、适量、精细化的生态灌溉。
根据流域多年平均来水及洪水演进规律分析，“七库一干”凑峰调度设计方案如下：喀腊塑克与635水库联合调度方案为“0—1000—108—5.4”（分别为滞后635水库大流量下泄时间—洪峰流量—持续时间—下泄水量），克孜加水库生态调度方案为“60—150—48—0.26”，冲乎尔与布尔津山口水库联合调度方案为“198—1000—48—1.73”，吉勒布拉克与哈巴河山口水库联合调度方案为“258—400—48—0.69”。
05、创建河谷林草漓漫灌溉技术体系
为了提高生态用水效率，保护河谷林草特有生态环境，本研究创新提出了一种新的生态灌溉模式——漓漫灌溉，即在河谷生态区，借助第三次脉冲调度形成洪水漫滩的有利条件，通过生态闸、壅水坝、阻水堤、溢流口、牧业大渠、低扬程水泵等工程措施，形成河湖联通、水网通达、水势漫溢、浸没林草湿地的生态灌溉系统，改善河道外植被的供水条件，塑造有利于生态系统恢复的生态水文过程，对河谷林草进行“靶向灌溉、靶区灌溉、应灌尽灌”，最大限度地保护河谷生态系统。
▲额尔齐斯河河谷林草漓漫灌溉系统及工程布局示意
构建四级分布格局的漓漫灌区
灌区划分及其灌溉过程是实现漓漫灌溉的重要组成部分。根据额尔齐斯河“七库一干”下的25座生态闸、7条牧业大渠、阻水堤群、溢流堰、自然河汊、低扬程移动泵站的工程布局，以及河谷湿地、林草分布、水系特征、地貌等情况，将河谷林草生态功能区划分成2个一级灌区、12个二级灌区、16个三级灌区和29个四级灌区。其中，2个一级灌区分别为漫灌区和漓灌区。漫灌区是指河漫滩林草、湿地等核心区生态保灌范围；漓灌区是指通过闸渠从干支流河道引水，对洪水难以到达的区域进行漓灌，来水丰则漓灌的引用流量大、历时长。12个二级灌区分别为干流和各支流下游河谷湿地。
科学制定河谷林草漓漫灌溉制度
灌溉制度是规划、设计灌溉工程和进行灌区运行管理的基础，主要包括灌水时间、灌水次数、灌水定额和灌溉定额。自然条件下，额尔齐斯河每年的最大洪峰主要集中在5月中下旬至6月上中旬，与河谷林草生态关键期的需水过程吻合，且多数年份一年只有一场较大的洪水，若不充分利用将面临无水可用的局面。根据灌溉试验资料，河谷林草灌溉方式为地面淹灌，参考河谷林草生态需水量，在以年为调度周期的中长期尺度内，不同植被在4—9月期间内间歇性灌溉6～9次，持续时间4～9天。其中，5月下旬至6月上旬为关键生态期的漓漫灌溉。非关键生态期的间歇性灌溉由天然洪水、河道侧渗、地下水补给以及牧业大渠完成。
因此，通过水库群凑峰调度，塑造全流域第三次生态脉冲流量过程，制定科学的漓漫灌溉制度，实现漓漫灌溉系统的精细化调控，是生态调度的关键技术。
06、建立科学化、系统化、制度化的生态调度机制
生态调度与生态修复的探索实践必须持之以恒，久久为功，因此建立科学化、系统化、制度化（简称“三化”）的生态调度机制势在必行。而构建完整的生态监测和评估系统，揭示水库群调度的生态响应规律，阐明生态复杂系统之间的互馈与修正机制，是实现生态调度“三化”的关键科学依据。根据生态保护与修复的实施效果，不断改进调度方案、修正模型参数、优化灌溉模式，在长期的实践中总结经验，完善监测、评估、反馈、修正和优化的生态调度机制，才能实现生态系统保护与修复的最终目标。
“三化”机制组成及实践
设立了以阿勒泰地区行政公署为组长单位的生态调度领导小组，成员单位包括额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，地区水利局、气象局、林业和草原局、生态环境局，以及流域“七库一干”工程管理单位，并建立专家咨询机制。2016—2022年连续7年开展了生态调度研究与实践工作。
建立“三化”机制的具体做法是：每年3月底或4月初，对上一年的生态调度方案执行情况进行复盘和总结，召开水情会商会暨当年生态调度方案初审会；5月下旬召开生态调度方案咨询审查会，根据水文气象部门来水预报结果，修改形成最终实时生态调度方案，相机组织实施生态调度；林草漓漫灌溉期间及8月下旬打草结束后，相关单位及时提交生态调度监测数据和评估报告。
采用遥感影像解译及天上（卫星、无人机）、地面（自动、人工）、地下（钻孔）、水中（采样）等多维监测手段，观测研究区洪水水位和漫滩面积，计算河谷林草覆盖率、盖度、高度、干物质量以及河道内鱼群大小、种类等，综合评估和验证生态调度的合理性和科学性。
促进河谷林草生长繁殖的生态调度效果
在额尔齐斯河干支流出山口以下河谷地区，分布有225万亩林草湿地。2016—2021年生态调度期间，年度漓漫灌溉最大面积为132万～181.4万亩，漓漫灌溉率为60%～82%。年均漓漫灌溉167.14万亩，漓漫灌溉率76%。除受地貌影响，以及部分沙包区难以漓漫覆盖等因素外，研究区基本实现了应灌尽灌。2016—2021年研究区平均植被覆盖比2001—2010年增加了7.4%，牧草产量平均增加了5.81万t。
▲研究区平均植被覆盖度变化过程
▲研究区单位面积干草产量变化趋势
促进鱼类产卵繁殖的生态调度效果
4—5月份鱼类产卵期，水流多样性增加，涨水次数和涨水持续时间增加了近一倍，基本满足了干支流土著鱼类产卵的生境需求，土著鱼类多样性得以维系，渔获量呈显著增长趋势。
据相关文献记载，我国境内额尔齐斯河有小体鲟分布，但从1964年第一次对鱼类全面调查以来的5次鱼类资源调查，均未调查到鱼类旗舰种——小体鲟。2019年在研究区首次采集到小体鲟。2018年和2020年，课题组两次在科克苏湿地采集到我国鱼类新记录种——凯氏七鳃鳗。根据谢春刚等研究分析，凯氏七鳃鳗可能是从哈萨克斯坦境内的斋桑泊上溯进入我国境内河段。鱼类旗舰种再现和新记录种的发现，表明生态调度后河流水生生态系统更加健康。
07、结语
水库群精细化生态调度是解决当前流域生态系统保护问题的重要科学路径之一。当前，水库生态调度的发展趋势，一是开始致力于“后坝工时代”河湖全域生态恢复；二是重新权衡生态完整性保护与经济社会高质量发展的关系；三是已迈入大尺度生态调度研究与实践的新时代；四是研究内容和创新实践不断丰富，特别是学科的交叉性、行为的互动和联动性进一步增强。
驻守北疆，助力生态文明建设，勇担守护绿水青山使命，长期坚持开展生态调度与生态修复实践工作，是一件值得称颂的事。我们要牢固树立“绿水青山就是金山银山”“冰天雪地也是金山银山”的发展理念，严守生态红线，不断完善大尺度生态调度“三化”机制，努力将额尔齐斯河的生态修复研究与实践打造成新疆生态环境保护的示范区和中国生态调度实践的亮丽名片。
云天苍苍，大河浩荡。
额尔齐斯河是一条温婉的河流，她以自己的血脉，哺育了阿尔泰山与准噶尔盆地的万千生灵。她是一条宁静的河，是新疆走得最远的河流，揖别金山热土，慷慨远赴，宁静致远，归宿寒极，环球同此凉热。
