科罗拉多河水库运行策略优化：实现可持续泥沙管理与生态环境平衡的创新框架

本综述系统探讨了气候变化与社会用水需求增长背景下，科罗拉多河格伦峡谷大坝（Glen Canyon Dam）运行策略对下游峡谷沙洲（sandbars）生态系统的深远影响。研究团队开发了耦合水库运行模型与泥沙输移模型的创新框架，提出通过规避高月度泄流量（high monthly releases）、维持水库适宜水位以实施可控洪水（High Flow Experiments, HFEs）等策略，在满足供水目标的同时显著提升沙洲稳定性。该研究为全球受调控河流（regulated rivers）的生态-社会水资源平衡管理提供了可量化、可推广的科学范式。

　　

引言：气候变化与社会用水需求的双重挑战

气候变化与日益增长的社会用水需求对水库调控河流的管理构成重大挑战。这类"外来河流"（exotic rivers）包括科罗拉多河、尼罗河等，其共同特征是上游水源丰富而下游干旱区消耗量大，全流域年径流常被完全消耗。大坝建设在带来社会效益的同时，也产生了显著的环境影响，包括改变洪水水文过程（如洪峰幅度、发生时间等）和截留泥沙导致下游泥沙供应减少。本研究聚焦如何将生态系统考量纳入水库运行决策，以应对水资源减少的挑战。

科罗拉多河流域水资源与泥沙管理现状

科罗拉多河为美国西南部和墨西哥超过4000万人提供水源，其水资源分配受复杂的"河流法"（Law of the River）体系管辖。格伦峡谷大坝形成的鲍威尔湖（Lake Powell）和胡佛大坝形成的米德湖（Lake Mead）是该流域两大核心水库。自2000年以来，由于径流减少和持续用水，两湖总蓄水量从1999年的4770万英亩-英尺（maf）锐减至2025年7月的1540万英亩-英尺。

格伦峡谷大坝的建设彻底改变了科罗拉多河大峡谷段的泥沙动态。大坝完全截断了来自上游的泥沙供应，导致大峡谷国家公园内的沙洲（sandbars）发生严重侵蚀。这些沙洲不仅是白水漂流旅行的热门露营地，也是重要栖息地，其风成沙还对考古遗址起到保护作用。当前的管理范式是通过实施高流量实验（HFEs）来重建和维护沙洲，即利用大坝下游支流（主要是帕利亚河和小科罗拉多河）输入的有限沙源，通过可控洪水促进沙洲淤积。

水库运行策略的创新框架

研究团队建立了综合考虑水文预报不确定性的水库-泥沙耦合模型体系。该框架包含三个核心组件：简化水库模型（模拟鲍威尔湖和米德湖的水位和泄流变化）、泥沙输移模型（SRM模型，计算泥沙质量平衡）和沙洲响应模型（预测沙洲体积变化）。

团队设计了四种创新运行策略：

1. 1.

   当前运行策略（Current Operations）：基于2007年临时指南和2019年干旱应急计划（DCP）的分层规则体系

2. 2.

   跨年调节策略（Carryover）：设定最大日泄流量限制（30.1 kaf/天），允许将泄流赤字跨年调节

3. 3.

   月度平衡策略（Monthly Balance）：基于月初水库水位而非年度预报确定月度泄流量，采用两湖联合蓄水量确定缺水等级

4. 4.

   月度平衡+保护策略（Monthly Balance + Protect）：在月度平衡基础上增加对鲍威尔湖关键水位的保护机制

高流量实验（HFE）实施策略优化

研究团队同时评估了两种HFE实施策略：最大HFE策略（Max HFE）优先在秋季支流输沙后立即实施洪水，仅在春季实施能显著延长持续时间时才推迟；春季偏好策略（Spring Preference）则为追求更自然的洪水时间而倾向于春季实施，即使会牺牲部分持续时间。

研究结果与发现

水库运行方面，月度平衡策略显著提高了月度泄流量的可预测性。与当前策略相比，新策略将极高月度泄流（>31 kaf/天）的发生概率从3%降至0，同时避免了极低泄流情况。月度平衡+保护策略最佳地维持了鲍威尔湖水位（平均海拔3525英尺以上），为实施HFE创造了条件。

泥沙管理方面，避免高月度泄流是关键。这些泄流不仅直接侵蚀沙洲，还通过减少可用于HFE的沙量间接影响沙洲建设。最佳策略（月度平衡+保护配合最大HFE策略）使沙洲体积增长比当前策略提高30%-50%。沙负荷指数（Sand Load Index，HFE期间输沙量与总输沙量之比）从当前策略的0.51提升至0.57，表明更多泥沙在HFE期间而非侵蚀性泄流期间输移。

讨论与启示

本研究强调了在环境评估中考虑预报不确定性的重要性。传统"完美知识"假设低估了高月度泄流风险，而新运行策略通过提高月度泄流可预测性，使管理者能更准确地规划环境流实验（如针对非本地小口黑鲈的控制流）。

研究证明，通过重新思考水库运行策略，可以在满足相同政策目标（水库水位和下泄水量）的同时，显著改善泥沙资源状况。协调水库运行与地理生态模型的综合建模方法，为在全球受调控河流中平衡社会用水与环境需求提供了科学模板。

结论

科罗拉多河大峡谷段的可持续泥沙管理是可能实现的，最佳策略需要同时规避高月度泄流、维持足够水库水位以实施HFE、并在支流输沙后尽快实施HFE。耦合环境资源模型与水库模型的协调建模方法，为在变化环境中平衡环境需求与社会用水提供了创新解决方案。