劉劍宇，張 強(qiáng)，孫 鵬，顧西輝，方朝陽

(1．中山大學(xué)水資源與環(huán)境系∥華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東廣州 510275;2．江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類對水資源開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大。同時，由于水資源配置過程中對生態(tài)需水重視程度不足，導(dǎo)致湖泊水體生態(tài)需水嚴(yán)重缺乏[1]。為了保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，必須加強(qiáng)對湖泊生態(tài)需水的研究[2]。國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)需水進(jìn)行了多方研究，但在生態(tài)需水的界定方面尚無統(tǒng)一的概念。Gleick[3]提出基本生態(tài)需水的概念，即提供一定數(shù)量和質(zhì)量的水體給生態(tài)系統(tǒng)，以求最小程度的改變天然生態(tài)系統(tǒng)的過程，并保護(hù)生物多樣性和生態(tài)完整性所需要水量。Don Tennant[4]通過預(yù)先確定年平均流量百分?jǐn)?shù)來確定生態(tài)環(huán)境需水量。宋蘭蘭等[5]從生態(tài)水分平衡和生物水分生理角度，通過篩選主要水文指數(shù)計算生態(tài)需水。張強(qiáng)等[2]從水文變異角度對黃河干流河道內(nèi)生態(tài)需水進(jìn)行研究。王高旭等[6]從保護(hù)水體存在、水生生物完整性角度，對黃河中下游河道生態(tài)需水進(jìn)行了研究。

本文中的生態(tài)需水是指湖泊水體生態(tài)需水，防止污染需水、生產(chǎn)生活需水等主要受人類活動的影響，不在本文的研究范圍之內(nèi)。本文生態(tài)需水內(nèi)涵是為維持湖泊水體及下游河道基本生態(tài)功能，滿足水生生物對生存空間的基本要求，湖泊必須儲存和消耗的最小水量。本文從吞吐型湖泊水文特征出發(fā)，分別對湖區(qū)生態(tài)需水、出湖生態(tài)需水進(jìn)行分析計算，得出鄱陽湖最小生態(tài)需水總量及其年內(nèi)分配，以期為合理規(guī)劃鄱陽湖水資源，保護(hù)和恢復(fù)濕地生物多樣性提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖是我國最大的淡水湖和國際重要濕地，位于江西北部的長江中下游南岸，上納贛、撫、信、饒、修5大河之水，經(jīng)湖盆調(diào)蓄，下接長江，是典型的吞吐型湖泊，不僅對長江下游防洪安全有重要意義，同時也是重要的候鳥棲息地，長江4大家魚最重要的產(chǎn)卵場之一和珍稀瀕危水生動物保護(hù)地[7]。流域面積為162 225 hm2，占長江流域面積的9%，其中江西境內(nèi)面積為157 086 hm2，占江西全省面積的94%[8]。鄱陽湖屬季節(jié)性湖泊，水位變化非常顯著，豐水期為湖相，枯水期為河相。

研究鄱陽湖生態(tài)需水具有重要意義。近年來，鄱陽湖不斷萎縮干枯、淤積退化，泥沙淤積，湖床逐漸抬高，湖區(qū)旱澇不斷、漁業(yè)資源下降、生物多樣性減少，鄱陽湖湖區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞[9]。為維護(hù)鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，保障湖區(qū)人類的生存發(fā)展，有必要對鄱陽湖生態(tài)需水進(jìn)行研究計算。

2 數(shù)據(jù)來源與計算方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選用的蒸發(fā)、降雨數(shù)據(jù)來自江西省氣象局，流量、水位數(shù)據(jù)來自江西省水文局。部分缺失數(shù)據(jù)通過均值插補(bǔ)方式進(jìn)行插補(bǔ)。鄱陽湖湖面面積廣闊，而氣象資料尤其是蒸發(fā)數(shù)據(jù)容易受局部小氣候的影響，因此用單個氣象站數(shù)據(jù)來計算整個鄱陽湖湖區(qū)的蒸發(fā)降水顯然是不合理的。又湖面蒸發(fā)數(shù)據(jù)較少，而水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)豐富，因此可以通過對水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)的折算來實現(xiàn)湖面蒸發(fā)量求解。本文采用鄱陽湖周邊九江、波陽、南昌、廬山4站(圖1)的實測氣象數(shù)據(jù)來計算湖面的蒸發(fā)量、降水量。由于Ф20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量誤差較大，波陽、南昌、廬山3站先后增設(shè)E601型蒸發(fā)器，為有效利用長序列Ф20 cm蒸發(fā)皿的實測數(shù)據(jù)，對兩種蒸發(fā)器共有實測年份的蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81以上)，得到3站兩種蒸發(fā)器的折算系數(shù)分別為0.64、0.66、0.61，并將3站折算系數(shù)的平均作為九江站的折算系數(shù)，將Ф20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量折算成E601，即E601=K×E20，最終得以延長4站E601型蒸發(fā)器的實測數(shù)據(jù)。

圖1 鄱陽湖主要站點、水庫、灌溉區(qū)示意圖Fig.1 Location of the rainfall stations, water reservoirs and irrigated areas within the Poyang Lake basin

2.2 鄱陽湖最小生態(tài)需水計算模型及其計算方法

鄱陽湖作為典型的吞吐型湖泊，其最小生態(tài)需水包括入湖最小生態(tài)需水、湖區(qū)最小生態(tài)需水與出湖最小生態(tài)需水3個部分。如果忽略入湖水量轉(zhuǎn)化為出湖水量的時間差，根據(jù)吞吐型湖泊的連續(xù)性，湖泊最小生態(tài)需水等于入湖最小生態(tài)需水等于出湖最小生態(tài)需水與湖區(qū)最小生態(tài)需水之和[10]。因此，鄱陽湖生態(tài)需水可簡化成2部分：湖區(qū)最小生態(tài)需水和出湖最小生態(tài)需水。湖區(qū)最小生態(tài)需水由湖區(qū)最低生態(tài)水位和最小生態(tài)耗水組成，最小生態(tài)耗水為最低生態(tài)水位時湖區(qū)蒸發(fā)量減降水量加湖泊滲透量。鄱陽湖地下水補(bǔ)給水量和滲透水量，在多年情況下視為平衡，此處不計算湖區(qū)滲透量。故湖區(qū)最小生態(tài)耗水即為凈蒸發(fā)量。因此，鄱陽湖生態(tài)需水的計算模型用公式表達(dá)為：

其中，E(i)=E601×K(i)

式中，W為湖區(qū)年最小生態(tài)耗水，E(i)為i月蒸發(fā)量(m)，P(i)為i月降雨量(m)，F(xiàn)emin為月最低生態(tài)水位相應(yīng)的湖區(qū)面積(m2)，We(i)為i月出湖最小生態(tài)需水，E601為E601型蒸發(fā)器的實測水面蒸發(fā)量，K(i)為水面蒸發(fā)量與湖面蒸發(fā)量折算系數(shù)。

湖泊最小生態(tài)需水是維持湖泊最低生態(tài)水位所需要的水量，在計算湖區(qū)最小生態(tài)需水前，應(yīng)首先對湖泊最低生態(tài)水位進(jìn)行計算。由于星子站位于鄱陽湖中段，水位受長江頂托倒灌以及入湖主要干流來水影響較小，其對整個鄱陽湖水位、面積等具有很好的指示作用。因此，將鄱陽湖星子站水位數(shù)據(jù)作為最低生態(tài)水位研究資料，采用年保證率設(shè)定法對湖泊最小生態(tài)水位進(jìn)行計算。

由于湖面蒸發(fā)受植物等影響，其實際蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量(即實測)存在一定差異。因此，應(yīng)該對水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行折算來計算湖面蒸發(fā)量，根據(jù)前人的研究成果可知鄱陽湖各月水面蒸發(fā)量與湖面蒸發(fā)量的折算系數(shù)[11]，再確定湖面蒸發(fā)量，進(jìn)而計算凈蒸發(fā)量。

出湖最小生態(tài)需水是吞吐型湖泊水體更新所需要的水量以及滿足下游河道生態(tài)需水所需要的水量。在長期的生態(tài)演化中，湖泊與其下游河道已成為一個天然連續(xù)體，上下游的生物已經(jīng)適應(yīng)了這種連續(xù)性，出湖最小生態(tài)需水滿足湖泊自身最小生態(tài)需水，同時也一定滿足近距離下游河道最小生態(tài)需水要求。而由于湖泊與近距離下游河道的天然連續(xù)性，當(dāng)湖泊近距離下游河道的生態(tài)需水得到滿足時，湖泊出湖生態(tài)需水也就得到滿足[12]。因此，求出湖最小生態(tài)需水即為對出湖河道生態(tài)需水的計算，河道生態(tài)需水的各種計算方法相應(yīng)也可以運用于出湖生態(tài)需水的計算。

3 研究結(jié)果

3.1 最低生態(tài)水位

選用皮爾遜Ⅲ型曲線對星子站 1951-2005年月均水位序列進(jìn)行擬合，得到鄱陽湖水位頻率曲線 (圖2)， 75%、90%、95%保證率條件下水位分別為12.78m、12.3m和12.03m。在水資源綜合規(guī)劃中，對頻率20%、50%、75%、95%的水資源進(jìn)行評價，頻率95%代表枯水年[13]。枯水年水位對應(yīng)的湖面面積是在長期的歷史演變中湖泊生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了的最小空間。因此，將頻率95%對應(yīng)的水位作為湖泊最低生態(tài)水位，得到鄱陽湖最低生態(tài)水位為12.03 m。根據(jù)鄱陽湖水位-面積關(guān)系曲線[14]，得到鄱陽湖最低生態(tài)水位對應(yīng)的湖泊面積為1 503.9 km2。

圖2 水位頻率計算圖Fig.2 The frequency calculation of water level

3.2 湖區(qū)最小生態(tài)耗水

計算湖面凈蒸發(fā)量需要對蒸發(fā)量和降水量進(jìn)行頻率計算。同樣采用頻率95%保證率下年降水量和水面蒸發(fā)量來確定各月的水面蒸發(fā)量和湖面降水量，并通過將水面蒸發(fā)量折算成湖面蒸發(fā)量，計算湖面凈蒸發(fā)量(表1)。最后得到湖區(qū)最小生態(tài)耗水為7.3億m3。

3.3 出湖最小生態(tài)需水

計算河道生態(tài)需水的方法眾多，由于掌握資料有限，本文采用最小月平均流量法、逐月最小流量法、Tennant法[4]、90%保證率最枯月平均流量法和90%保證率逐月流量法對出湖河道最小生態(tài)需水進(jìn)行計算，并用Tennant法對結(jié)果進(jìn)行檢驗，得到各方法下逐月最小出湖生態(tài)流量(圖3)與出湖生態(tài)需水總量(表2)。

表1 鄱陽湖湖面蒸發(fā)量與降水量Table 1 Evaporation and precipitation of the lake surface of the Poyang Lake

表2 各方法下出湖生態(tài)需水總量及占年徑流量比例Table 2 Instream ecological water requirements and its percentage of annual streamflow

圖3 各方法下出湖生態(tài)流量計算結(jié)果Fig.3 Instream ecological water requirement

由表2、圖3可以得出，① 最小月平均實測法、90%保證率最枯月平均流量法給出的生態(tài)流量各月相同，不能反映生態(tài)需水的月份差異；所得生態(tài)需水總量分別占多年平均徑流量的22.7%、29.7%，用Tennant法檢驗可知該流量對生態(tài)的有利程度較差，不能滿足最小生態(tài)需水的要求；②Tennant考慮了豐、枯水期生態(tài)需水的差別，但在部分月份(如10月)生態(tài)需水要求接近實測平均流量，意味著出湖實際流量經(jīng)常達(dá)不到生態(tài)流量要求，生態(tài)需水管理目標(biāo)難以實現(xiàn)；③ 逐月最小流量法和90%保證率逐月流量法則根據(jù)各月的實測流量每月提供一個流量值，較好的反映了徑流隨時間變化的特征。但前者用Tennant法檢測屬于中等水平，而后者屬于“非常好”水平，同時各月的生態(tài)流量滿足意味著出湖實際流量經(jīng)常達(dá)不到生態(tài)流量要求，生態(tài)需水管理目標(biāo)難以實現(xiàn)；生態(tài)流量目標(biāo)也容易實現(xiàn)。綜合考慮，90%保證率逐月流量法為確定出湖生態(tài)需水的最佳方法。

因此，采用90%保證率逐月流量法來計算出湖生態(tài)需水，確定鄱陽湖出湖生態(tài)需水為775.5億m3，各月生態(tài)流量為90%保證率逐月流量法下的生態(tài)流量過程(圖2)。將各月湖區(qū)生態(tài)耗水量與相應(yīng)月份出湖生態(tài)需水相加，得到鄱陽湖逐月最小生態(tài)需水(圖4)，經(jīng)計算，鄱陽湖年最小生態(tài)需水量為784.4億m3。

圖4 各月最小生態(tài)需水及所占比例Fig.4 Percentage of monthly ecological streamflow to the annual streamflow

4 結(jié) 語

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，對長江中游生態(tài)保育、水生態(tài)與水環(huán)境等具有重要作用。當(dāng)前在氣候變化與人類活動綜合影響下，鄱陽湖的管理與開發(fā)問題突顯重要，基于對鄱陽湖流域水生態(tài)、水環(huán)境以及水資源管理的重要性，本文系統(tǒng)研究了鄱陽湖流域的最小生態(tài)需水問題，以期為鄱陽湖流域的生態(tài)保育和水資源管理提供科學(xué)依據(jù)通過上述系統(tǒng)分析，得出以下重要結(jié)論：

1)根據(jù)吞吐型湖泊的水文特征和鄱陽湖的實際情況，建立了鄱陽湖最小生態(tài)需水計算模型。鄱陽湖最小生態(tài)需水由湖區(qū)最小生態(tài)耗水和出湖最小生態(tài)需水構(gòu)成。其中湖區(qū)最小生態(tài)耗水即為湖面凈蒸發(fā)量。

2)采用年保證率設(shè)定法對鄱陽湖最小生態(tài)水位進(jìn)行計算，得到最小生態(tài)水位為12.03 m，對應(yīng)湖面面積為1 503.9 km2。通過對水面蒸發(fā)量折算，得到湖面凈蒸發(fā)量為483.09 mm，湖區(qū)年最小生態(tài)耗水為7.3億m3。

3)分析認(rèn)為采用河道生態(tài)需水的計算方法來計算鄱陽湖出湖生態(tài)需水是可行的。通過與其它方法的比較，90%保證率逐月流量法更適合確定鄱陽湖出湖生態(tài)需水，得到出湖最小生態(tài)需水為777.1億m3，用Tennant法檢測屬于“非常好”水平，且能反映各月份的變化規(guī)律。最終得到鄱陽湖年最小生態(tài)需水為784.4億m3。

由于湖泊生態(tài)需水的基本概念、研究理論、計算方法有待進(jìn)一步研究，本文對鄱陽湖最小生態(tài)需水的分析計算只是對湖泊水體生態(tài)需水的初步估算值，并沒有考慮到受人類活動影響的生產(chǎn)生活、防止污染等方面的需水。

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