陳 玥，管儀慶，苗建中，張丹蓉

(1：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098)(2：水利部淮河水利委員會(huì),蚌埠 233001)

基于長(zhǎng)期水文變化的蘇北高郵湖生態(tài)水位及保障程度*

陳 玥1，管儀慶1**，苗建中2，張丹蓉1

(1：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098)(2：水利部淮河水利委員會(huì),蚌埠 233001)

湖泊生態(tài)水位是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性、維持生物多樣性的最低水位，研究湖泊生態(tài)水位過程對(duì)湖區(qū)動(dòng)、植物棲息地保護(hù)和湖泊水資源管理具有重要意義. 利用高郵湖1953-2013年日水位資料進(jìn)行生態(tài)水位計(jì)算分析，采用M-K法和滑動(dòng)T法對(duì)1953-2013年年均水位進(jìn)行突變檢驗(yàn)，分析高郵湖1953-1992年來水文變化規(guī)律，結(jié)合年保證率法和年內(nèi)展布法得到高郵湖逐月最低生態(tài)水位過程，并計(jì)算出高、低水位發(fā)生時(shí)間及歷時(shí)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其1993-2013年生態(tài)水位保障程度進(jìn)行研究. 主要結(jié)論有：(1)高郵湖年均水位過程突變發(fā)生在1997年；(2)高郵湖高水位時(shí)期(7-10月)的最低生態(tài)水位為5.8 m，水位高于5.9 m的天數(shù)要達(dá)到111 d左右；低水位時(shí)期(12-次年3月)的最低生態(tài)水位為5.1 m，水位低于5.3 m的天數(shù)要達(dá)到96 d左右；其余月份最低生態(tài)水位為5.2 m；(3)高郵湖生態(tài)水位年內(nèi)保障程度最低發(fā)生在7月，為60.83%，年際保障程度1994年和2001年最低，分別為49.59%和50.41%，低水位天數(shù)得不到保障.

高郵湖; 生態(tài)水位; RVA法; 突變檢驗(yàn); 水位變化

湖泊是重要的國(guó)土資源，具有調(diào)節(jié)河川徑流、提供農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水、繁衍水生生物、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等多種功能. 我國(guó)湖泊眾多，共有24800多個(gè)，其中面積在1 km2以上的天然湖泊就有2693個(gè)[1]，主要分布在東部平原和青藏高原地區(qū). 湖泊及其流域是人類賴以生存和發(fā)展的重要場(chǎng)所，然而由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，閘壩建設(shè)、圍湖造田、生產(chǎn)生活的過度取水以及不節(jié)制地向水體排放污染物等行為已經(jīng)嚴(yán)重影響了湖泊生態(tài)環(huán)境，其中水位變化已經(jīng)危害了湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康，對(duì)湖泊生物多樣性，湖泊結(jié)構(gòu)、功能完整性造成了威脅.

然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)需水的研究主要集中在河流方面，對(duì)河流來說，最小生態(tài)流量是其生存警戒線. 針對(duì)河流生態(tài)流量計(jì)算的研究也十分成熟，目前全球約有200多種河流生態(tài)流量的計(jì)算方法[2]，依據(jù)不同的資料和不同的保護(hù)目標(biāo)，主要可分為水文學(xué)方法(Tennant法、Texas法、基本流量法、RVA法等)、水力學(xué)方法(濕周法、R2-CROSS法、華盛頓方法等)、生物棲息地模擬法(IFIM法、流量事件法、魚類生境法、生物空間最小需求法等)、整體法(BBM法、DRIFT法、HEA法等)及其它方法.

對(duì)于湖泊生態(tài)需水的研究開始于20世紀(jì)末，Raskin等[3]提出，為了保證水資源的可持續(xù)利用，應(yīng)首先滿足湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水量的需求；Baird等[4]針對(duì)湖泊的結(jié)構(gòu)和功能，分析了水生植物與水文過程之間密切的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了水對(duì)自然保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)所起到的作用. 我國(guó)對(duì)湖泊生態(tài)需水的研究主要集中在21世紀(jì)初，依據(jù)所保護(hù)的敏感指示物種對(duì)水環(huán)境指標(biāo)的要求來進(jìn)行計(jì)算[5]：劉靜玲等[6]根據(jù)湖泊的基本特征提出了湖泊生態(tài)需水量的不同計(jì)算方法和相應(yīng)指標(biāo)體系，主要有水量平衡法、換水周期法、最小水位法和功能法；徐志俠等[7]根據(jù)水文循環(huán)原理，將吞吐型湖泊生態(tài)需水分為入湖生態(tài)需水、湖區(qū)生態(tài)需水和出湖生態(tài)需水3個(gè)部分，并提出了吞吐型湖泊最小生態(tài)需水計(jì)算模型，將其運(yùn)用于南四湖生態(tài)需水的計(jì)算[8]；崔保山等[8]從生態(tài)水文學(xué)原理出發(fā)，對(duì)湖泊最小生態(tài)需水量的概念進(jìn)行了探討，并提出了計(jì)算最小生態(tài)需水量的3種方法：曲線相關(guān)法、功能法和最低生態(tài)水位法. 此后，不同學(xué)者根據(jù)所研究湖泊的特點(diǎn)，運(yùn)用這些方法及其改進(jìn)的方法對(duì)全國(guó)各大湖泊的生態(tài)需水和生態(tài)水位進(jìn)行了計(jì)算.

由上可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖泊生態(tài)需水的研究主要集中在水量和水位上，其中水位的變化更能直觀的體現(xiàn)湖泊水量的變化，以水位作為標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)也便于對(duì)湖泊水量進(jìn)行調(diào)控，而生態(tài)水位則是湖泊水資源開發(fā)的紅線，是必須保證的，在此水位以上，湖泊中的物種和群落才可以正常生存、繁衍和演替，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能才可以得到維系[10]. 但對(duì)于湖泊生態(tài)水位的計(jì)算，目前的方法大多求到的都是一個(gè)固定水位，但是卻忽略了湖泊年內(nèi)水位變化的過程，即湖泊動(dòng)、植物在不同季節(jié)，不同生長(zhǎng)階段對(duì)水位有不同的要求.

高郵湖為全國(guó)第六大淡水湖，江蘇省內(nèi)第三大淡水湖，也是淮河的入江水道. 從1980s初開始大規(guī)模發(fā)展圍網(wǎng)養(yǎng)蟹，由于持續(xù)過度開發(fā)，湖泊自然生產(chǎn)力下降，加之近年來經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水資源利用加大，給高郵湖生態(tài)需水帶來了巨大壓力[11].因此本文以高郵湖為研究對(duì)象對(duì)其水文過程進(jìn)行分析，借鑒河流生態(tài)流量計(jì)算中的變異性范圍法(RVA法)，構(gòu)建高低水位值、高低水位發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間6個(gè)指標(biāo)，基于高郵湖天然水位變化特征給出生態(tài)水位目標(biāo)值范圍，并分析其生態(tài)水位年內(nèi)、年際保障程度和保障規(guī)律，找到高郵湖生態(tài)水位的敏感時(shí)期，為湖泊水資源的合理開發(fā)和利用、流域水資源調(diào)度以及恢復(fù)湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的健康提供依據(jù).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

高郵湖(32°42′～33°10′N，119°06′～119°25′E)位于江蘇省中部高郵市(圖1)，連接江蘇、安徽兩省，總面積760.67 km2. 湖底平坦，湖底高程3.5～4.5 m，死水位5 m，死庫(kù)容4.6×108m3，屬淺水湖泊. 高郵湖湖水主要由地表徑流補(bǔ)給，三河入湖水量占總?cè)牒康?5%以上，另由安徽境內(nèi)的白塔、銅龍、秦楠、楊村和王橋等5條小河補(bǔ)給，最終由東南部高郵湖控制閘入長(zhǎng)江. 高郵湖地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，年均降水量1029 mm，蒸發(fā)量890 mm.

高郵湖擁有豐富的生物資源，水生植物有53科131種，淺水湖灘產(chǎn)蘆葦、菱、藕，動(dòng)物122種，盛產(chǎn)青魚、白魚、黑魚、鳊魚、鯉魚、鰻魚等魚類，尤以青河蝦、銀魚、螃蟹聞名，湖面上有鷗、鷺、鶴以及野鴨等水鳥常出沒于蘆葦蕩.

高郵湖周邊土地利用情況如圖2所示. 湖泊周圍被耕地和城鎮(zhèn)用地包圍，受人類活動(dòng)影響劇烈，開發(fā)利用程度高. 本文采用高郵湖1953-2013年高郵站實(shí)測(cè)日水位數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行水文過程的分析和生態(tài)水位的計(jì)算.

圖1 高郵湖地理位置

圖2 高郵湖周圍土地利用類型

2 研究方法

湖泊生態(tài)水位是指維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的完整性，維持生物多樣性的最低水位. 在長(zhǎng)期的生態(tài)演變中，湖泊生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了湖泊水位的擾動(dòng)，因此可以以天然情況下的低水位或選擇一定保證率下的天然水位作為湖泊最低生態(tài)水位[8].

由于生態(tài)水位的計(jì)算要求天然水位，而本研究只有高郵湖實(shí)測(cè)水位資料，且進(jìn)行天然序列還原計(jì)算相當(dāng)困難. 本文認(rèn)為水文序列發(fā)生變化是由于氣候變化和人類活動(dòng)的因素造成的，而湖泊生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)變化前的水位，找到水文序列的突變點(diǎn)以該點(diǎn)對(duì)序列進(jìn)行分割，突變點(diǎn)之前的水位序列則可近似認(rèn)為是天然狀況下的水位序列. 所以本文首先利用滑動(dòng)T法和 M-K法對(duì)高郵湖實(shí)測(cè)水位序列(1953-2013年)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，將突變前的序列用于生態(tài)水位計(jì)算，突變后的序列用于分析人類活動(dòng)影響后生態(tài)水位的保障情況.

2.1 最低生態(tài)水位計(jì)算

在進(jìn)行突變檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文分析了突變前的水位變化過程，以湖區(qū)主要?jiǎng)又参餅楸Ｗo(hù)目標(biāo)，利用最低生態(tài)水位法中的年保證率法計(jì)算高郵湖最低生態(tài)水位，并結(jié)合年內(nèi)展布法進(jìn)行逐月的展布.

2.1.1 年保證率法 基于計(jì)算河道需水量的月保證率設(shè)定法的基本原理，結(jié)合水文學(xué)方法中的最枯月均流量法來計(jì)算湖泊最低生態(tài)水位，計(jì)算方法為：

(1)

具體步驟為：根據(jù)水位序列，將歷年最低水位按從大到小的順序進(jìn)行排列，根據(jù)湖泊自然地理、結(jié)構(gòu)和功能選擇適宜的保證率，計(jì)算該保證率所對(duì)應(yīng)的水文年年均水位，最后根據(jù)水文年湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)來估算μ值[12]，生態(tài)系統(tǒng)越健康，μ值越小.湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)分別為優(yōu)、較好、中等、差和極差,對(duì)應(yīng)μ值分別為0.945、0.975、1.000、1.005和1.013.

(2)

(3)

2.2 高低水位、出現(xiàn)時(shí)間及歷時(shí)計(jì)算

生態(tài)水位并非一個(gè)恒定值，而是一個(gè)數(shù)值區(qū)間，包含了水位變動(dòng)的范圍、頻率、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間及其他規(guī)律性等重要信息[10]，所以本文借鑒河流生態(tài)流量計(jì)算中的變異性范圍法(RVA法)，構(gòu)建高低水位值、高低水位發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的指標(biāo)，基于高郵湖天然水位變化特征給出生態(tài)水位目標(biāo)值范圍.

RVA法是Richter在1997年提出的一種評(píng)估河流生態(tài)水文變化的指標(biāo)體系，該方法是在IHA(IndicatorsofHydrologicAlteration)法[14]的基礎(chǔ)上，依據(jù)河流系列長(zhǎng)度大于20年的日水文資料，從流量大小、時(shí)間、頻率、歷時(shí)和變化5個(gè)方面構(gòu)建了33個(gè)具有生態(tài)意義的關(guān)鍵水文參數(shù)值[15]，在河流生態(tài)流量計(jì)算、水利工程對(duì)水文過程影響等方面已有廣泛的應(yīng)用：李興拼等[16]以RVA法評(píng)估楓樹壩水庫(kù)建成后對(duì)東江上游河川徑流特性的影響；盛杰等[17]應(yīng)用RVA法對(duì)嫩江干流尼爾基水庫(kù)下游河道生態(tài)需水以及水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度方案運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)水文過程的影響進(jìn)行了分析，建立了生態(tài)調(diào)度模型并提出該工程調(diào)度的優(yōu)化建議；孫照東等[18]采用RVA法建立了引水樞紐調(diào)度模型，以維持引水樞紐以下河道生態(tài)完整性為水資源管理目標(biāo)，估算了大通河的可外調(diào)水量. 而湖泊水位與河流流量有相似的變化過程，卻很少有人研究其變化規(guī)律，將RVA法其中的部分指標(biāo)借鑒于湖泊生態(tài)水位變化的計(jì)算當(dāng)中，能較好地分析湖泊年內(nèi)的高、低水位變化情況，有利于湖泊的生態(tài)保護(hù).

2.2.1 水位指標(biāo)RVA法中高水位指長(zhǎng)系列日水位頻率低于25%的水位，低水位指長(zhǎng)系列日水位頻率高于75%的水位[19]，湖泊高、低水位計(jì)算公式分別為：

(4)

(5)

2.2.2 發(fā)生時(shí)間指標(biāo) 高水位發(fā)生時(shí)間(月份)為月均水位初次大于高水位的月份，低水位發(fā)生時(shí)間(月份)為當(dāng)年高水位結(jié)束后月均水位初次小于低水位的月份，這個(gè)日期可能處于當(dāng)年的后半年，也可能處于次年的上半年，計(jì)算公式分別為：

(6)

(7)

式中，Hhst和Lhst分別為高水位發(fā)生時(shí)間和低水位發(fā)生時(shí)間(月份)；hij為第i月第j日的湖泊日水位(m)；n為第i月的天數(shù).

2.2.3 水位歷時(shí)指標(biāo) 水位歷時(shí)是指高、低水位發(fā)生的持續(xù)時(shí)間，可由其結(jié)束時(shí)間減去其發(fā)生時(shí)間而得，高水位結(jié)束時(shí)間是指當(dāng)年月均水位最后一次大于高水位的時(shí)間(月份)，低水位結(jié)束時(shí)間是值月均水位最后一次小于低水位的時(shí)間(月份)，該時(shí)間有可能發(fā)生在當(dāng)年下半年，也有可能在次年上半年. 具體計(jì)算公式如下：

Hhd=Hhet-Hhst

(8)

(9)

Lhd=Lhet-Lhst

(10)

(11)

式中，Hhd和Lhd分別為高水位和低水位的持續(xù)時(shí)間，Hhet和Lhet分別為高水位和低水位的結(jié)束時(shí)間(月份)，n為第i月的天數(shù).

2.3 保障程度計(jì)算

關(guān)于河道內(nèi)生態(tài)流量保障程度的定義有很多，但總體大致分為2種：第一種為實(shí)際徑流量與生態(tài)流量的比值[20]；第二種以實(shí)際流量大于生態(tài)流量的歷時(shí)占序列總歷時(shí)的比值[21]. 本文借鑒潘扎榮等[22]對(duì)生態(tài)流量保障程度的定義，將湖泊生態(tài)水位保障程度定義為在一定時(shí)期內(nèi)，湖泊實(shí)測(cè)水位大于生態(tài)水位的序列長(zhǎng)度與總序列長(zhǎng)度的比值. 計(jì)算公式如下：

(12)

式中，EN是N日的日生態(tài)水位保障程度(%)，N為統(tǒng)計(jì)天數(shù)，he和hk分別是生態(tài)水位(m)和實(shí)測(cè)水位(m). 則第i月多年生態(tài)水位保障程度Ei及第j年年度生態(tài)水位保障程度Ej計(jì)算公式分別為：

(13)

式中，Ei為第i月的多年生態(tài)水位保障程度(%)，hjik為第j年第i月第k日的實(shí)測(cè)水位(m)，n為統(tǒng)計(jì)年份數(shù)，I為i月的天數(shù).

(14)

式中，Ej為第j年的年度生態(tài)水位保障程度(%)，Mj為j年的天數(shù).

3 結(jié)果與討論

3.1 高郵湖水位變異點(diǎn)

研究采取高郵湖61年(1953-2013年)的年均水位資料，M-K和滑動(dòng)T檢驗(yàn)顯著性水位都選取α=0.05進(jìn)行突變點(diǎn)的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 高郵湖1953-2013年年水位M-K法(a)和滑動(dòng)T法(b)檢驗(yàn)

通過M-K檢驗(yàn)，UF和UB統(tǒng)計(jì)量有兩個(gè)交點(diǎn)分別發(fā)生在1996年和1997年，說明高郵湖年水位在1996和1997年發(fā)生了突變，年水位過程1953-1998年呈上升趨勢(shì)，且在1953-1978年上升趨勢(shì)明顯；2000-2010年呈下降趨勢(shì)，2010年以后又呈上升趨勢(shì)(圖3a).通過滑動(dòng)T檢驗(yàn)，高郵湖年水位在1997、2001、2002年都發(fā)生突變(圖3b).

由于檢驗(yàn)方法的不同，兩種檢驗(yàn)的結(jié)果略有偏差，但結(jié)果均表明高郵湖年水位在1997年附近發(fā)生了突變.高郵湖最大年均水位為6.61 m，出現(xiàn)在2003年，最小年均水位為4.92 m，出現(xiàn)在1978年，多年年均水位為5.80 m，突變前多年平均水位為5.72 m，突變后多年平均水位為6.00 m(圖4a).

通過年降水量5年滑動(dòng)平均可以看出，高郵湖降水過程在突變點(diǎn)1997年前后變化不大，多年平均降水量1029 mm，1955-1996年多年平均降水量1034 mm，1997-2013年多年平均降水量1019 mm，僅相差15 mm(圖4b)，屬于正常波動(dòng)范圍以內(nèi)，所以本文認(rèn)為高郵湖水位發(fā)生突變不是氣候變化導(dǎo)致的，而是由于人類活動(dòng)的影響.

圖4 高郵湖1953-2013年均水位(a)和年降水量(b)變化

雖然檢驗(yàn)所得突變發(fā)生在1997年，但人類活動(dòng)對(duì)湖泊水位突變的影響是一個(gè)長(zhǎng)期的結(jié)果，且高郵湖屬于淮河流域，淮河上游來水對(duì)高郵湖水位有很大影響，根據(jù)《淮河流域綜合規(guī)劃》，淮河流域1990s開始以治淮19項(xiàng)骨干工程為重點(diǎn)，開展新一輪治淮建設(shè)，認(rèn)為這些工程建設(shè)可能對(duì)淮河流域天然徑流產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致高郵湖水位序列的突變. 所以，本文選取1953-1992年40 a水位資料近似認(rèn)為天然狀況下的水位序列計(jì)算高郵湖高、低水位值和生態(tài)水位，以1993-2013年21 a水位資料分析高郵湖生態(tài)水位保證程度.

圖5 高郵湖1953-1992年日水位變化

3.2 高郵湖天然水位特征

利用高郵湖1953-1992年40 a的日水位序列求逐日的多年平均值、多年最高值和多年最低值(圖5). 高郵湖水位年內(nèi)總體呈單峰分布，全年以8月為界，1-6月底水位平緩，基本保持不變，7月初-8月上旬水位呈上升趨勢(shì)，8月中旬-12月底緩慢下降. 多年平均水位變化約1 m左右，年內(nèi)水位變化不大，多年日最高水位變化約3.5 m，多年日最低水位變化約0.8 m，同一天的最高和最低水位差最大能達(dá)到5 m. 根據(jù)公式(4)～(5)，高郵湖高水位，即25%保證率水位為5.91 m，低水位即75%保證率水位為5.33 m. 總體上，高郵湖水位呈現(xiàn)出汛期(6-9月)水位高、非汛期(10-次年3月)水位低的年內(nèi)變化特征.

3.3 高郵湖最低生態(tài)水位

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，高郵湖主要植物群落為：金魚藻群落(沉水植物)、蘆葦群落(挺水植物)和野菱群落(浮葉植物)，以高郵湖生態(tài)系統(tǒng)中的魚類和植物生長(zhǎng)、繁衍對(duì)水深的需求作為檢驗(yàn)生態(tài)水位計(jì)算的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不同的水生和陸生植物有不同的適宜水生，而沉水植物和挺水植物更易受到水位高低的影響[25]. 根據(jù)相關(guān)資料[26]，得到沉水植物的適宜水深為60～200 cm，挺水植物的適宜水深為-30～-50 cm(負(fù)值表示水面以上)，高郵湖湖底高程為3.5～4.5 m，生態(tài)水位為5.07～6.09 m，可以看出最低生態(tài)水位是符合植被生長(zhǎng)的要求的. 而野生魚類生存和繁殖的最小水深為1 m[27]，最低生態(tài)水位也滿足魚類產(chǎn)卵、育幼和生存的需求，所以認(rèn)為本次對(duì)高郵湖最低生態(tài)水位的計(jì)算能符合魚類和植物生存要求.

圖6 高郵湖逐月生態(tài)水位過程

做高郵湖最低生態(tài)水位年內(nèi)變化過程曲線，高郵湖年內(nèi)最低生態(tài)水位變化過程與其水位過程有相同的趨勢(shì)，冬、春季生態(tài)水位低，夏、秋季生態(tài)水位高，其中2月生態(tài)水位最低，為5.07 m，8月生態(tài)水位最高，為6.09 m，年內(nèi)生態(tài)水位差最大為1.02 m. 8月最低生態(tài)水位高于計(jì)算的高水位，11月-次年6月的最低生態(tài)水位低于計(jì)算的低水位(圖6). 本文認(rèn)為，在高水位時(shí)期，湖泊水位在保障其高水位天數(shù)的同時(shí)不能低于其最低生態(tài)水位；在低水位時(shí)期，湖泊水位也應(yīng)該在不低于最低生態(tài)水位的同時(shí)保障其低于低水位的天數(shù)，所以本文對(duì)高、低水位的開始時(shí)間和歷時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和分析.

3.4 高郵湖高水位與低水位發(fā)生的時(shí)間與歷時(shí)

水位的周期性變動(dòng)可顯著影響湖濱帶植物群落的組成與分布[28]. 冬、春季挺水植物冬眠，保持較低的水位可以給植物種子和繁殖體的萌發(fā)提供充足的光照和氧氣；夏季是湖濱帶挺水植物生長(zhǎng)的旺季，高水位可以促進(jìn)挺水植物的快速生長(zhǎng)，而夏季的低水位會(huì)使水溫和鹽度上升，陸生生態(tài)系統(tǒng)向湖中心移動(dòng)，淺水湖泊可能會(huì)逐漸沼澤化[29]. 形成冬低夏高的水位波動(dòng)模式，對(duì)水生植物的生長(zhǎng)、發(fā)育是有利的. 基于高郵湖1953-1992年的日水位數(shù)據(jù)，采用公式(6)～公式(11)，計(jì)算出高郵湖高水位和低水位每年發(fā)生的時(shí)間和歷時(shí)(圖7).

表1 高郵湖年內(nèi)生態(tài)水位過程

Tab.1 The ecological water level process of Lake Gaoyou in a year

指標(biāo)高水位時(shí)期低水位時(shí)期過渡時(shí)期時(shí)間7-10月12-次年3月其余月份水位/m≥5.91≤5.335.33～5.91歷時(shí)/d11196-最低生態(tài)水位/m5.795.115.21

圖7 高郵湖1953-1992年高水位(a)和低水位(b)發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

根據(jù)高郵湖每年高、低水位的開始時(shí)間、歷時(shí)及降水過程，將每年的水位過程劃分為3個(gè)時(shí)期(表1)：高水位時(shí)期(7-10月)，水位在5.91 m以上的天數(shù)需達(dá)到111 d左右；低水位時(shí)期(12-次年3月)，水位在5.33 m 以下的天數(shù)需達(dá)到96 d左右；其余月份為高低水位間的過渡時(shí)期，水位一般介于高、低水位之間.

根據(jù)高、低水位時(shí)期劃分求出生態(tài)水位在此期間的均值，高郵湖在高水位時(shí)期最低生態(tài)水位均值為5.79 m，低水位時(shí)期最低生態(tài)水位均值為5.11 m，過渡時(shí)期的最低生態(tài)水位為5.21 m.

3.5 高郵湖生態(tài)水位保障程度

根據(jù)高郵湖生態(tài)水位過程要求，利用公式(13)～公式(14)分析1993-2013年逐日實(shí)測(cè)水位的年內(nèi)和年際保障程度，并研究其高、低水位保障情況.

由計(jì)算結(jié)果繪制高郵湖逐日生態(tài)水位保障程度年內(nèi)變化及年際變化過程可以看出(圖8)，高郵湖高水位時(shí)期(7-10月)生態(tài)水位高但生態(tài)水位保障程度低，只有70%左右，其中7月保障程度最低，為60.83%；低水位時(shí)期及過渡時(shí)期生態(tài)水位保障程度較高，能達(dá)到90%左右. 可以得出，夏季高水位時(shí)期是生態(tài)水量的枯水期，主要原因有：夏季大量湖泊蓄水用于農(nóng)作物灌溉；夏季氣溫較高，蒸發(fā)較大；由于淮河流域洪水災(zāi)害嚴(yán)重，高郵湖作為其中一個(gè)蓄洪區(qū)，提前降低湖泊水位以滿足防洪需求.

高郵湖生態(tài)水位年際變化較大，其中1995-2000年呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，在2001年有一個(gè)急劇的下降，2002-2012年一直保持在較高水平，在2013年略有降低(圖9). 21年來生態(tài)水位保障程度最低發(fā)生在1994年，為49.59%，其次為2001年，為50.41%. 生態(tài)水位的保障情況與當(dāng)年的豐、枯情況有關(guān)，但自2002年后保障程度明顯好轉(zhuǎn)，說明隨著淮河上、中游水利工程的逐漸完善，閘、壩、水庫(kù)的調(diào)蓄作用對(duì)高郵湖生態(tài)水位的保障是有一定促進(jìn)作用的.

從1993-2013年高郵湖高、低水位的保障情況上看(表2)，1993-2001年高水位的保障程度不高，常出現(xiàn)全年水位都達(dá)不到高水位或只有1、2個(gè)月水位在高水位以上的情況；2002年以后高水位都能得到很好的滿足，高水位歷時(shí)甚至遠(yuǎn)大于其需要的天數(shù)，遇到豐水年(2003年)全年水位都在高水位之上. 但低水位的保障程度很差，除1994和2001年外，其余19年低水位的保障情況都為0，說明高郵湖水位長(zhǎng)期處于高水位狀態(tài)，原因可能是高郵湖出湖水量由水閘控制，低水位時(shí)期為了保證充足的水位以滿足魚、蝦、蟹養(yǎng)殖的需求將水閘關(guān)閉，導(dǎo)致湖泊水位沒有自然降低，這雖然有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展卻違背了湖泊自然的高、低水位變化規(guī)律，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康極為不利.

圖8 高郵湖逐月生態(tài)水位及多年月保障程度

圖9 高郵湖逐年保障程度

表2 1993-2013年高、低水位保障情況

-表示當(dāng)年沒有出現(xiàn)高水位或低水位的情況.

水位的周期性變動(dòng)有利于湖濱植物群落的發(fā)育，長(zhǎng)期的高水位和非周期性季節(jié)變化會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期以來對(duì)水位周期性變化產(chǎn)生的適應(yīng)性，冬春季節(jié)的高水位使沉水植物和挺水植物種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)缺少光照和氧氣，抑制湖內(nèi)、湖濱帶植物的生長(zhǎng)，使湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和物種多樣性降低. 所以應(yīng)該在滿足高水位時(shí)期生態(tài)水位的同時(shí)，在保障高郵湖防洪抗旱功能和提供生產(chǎn)、生活用水的前提下，在低水位時(shí)期適當(dāng)開閘放水，對(duì)恢復(fù)高郵湖的生態(tài)環(huán)境具有促進(jìn)作用.

4 結(jié)論

本文利用M-K法和滑動(dòng)T法對(duì)高郵湖1953-2013年的年均水位進(jìn)行突變檢驗(yàn)，分析了高郵湖1953-1992年來水文變化規(guī)律，以湖區(qū)主要?jiǎng)又参餅楸Ｗo(hù)目標(biāo)，利用最低生態(tài)水位法中的年保證率法計(jì)算高郵湖最低生態(tài)水位，結(jié)合年內(nèi)展布法得到逐月最低生態(tài)水位過程，并借鑒河流生態(tài)流量計(jì)算中的變異性范圍法(RVA)，構(gòu)建高低水位值、高低水位發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的指標(biāo)，計(jì)算出湖泊高、低水位發(fā)生時(shí)間及歷時(shí)，并對(duì)其生態(tài)水位及其高低水位保障程度進(jìn)行分析計(jì). 具體結(jié)論有：

1)高郵湖年水位在1997年附近發(fā)生了突變，選擇1953-1992年水位資料近似認(rèn)為為天然狀況下的水位序列計(jì)算高郵湖高、低水位值和生態(tài)水位，利用1993-2013年逐日實(shí)測(cè)水位分析生態(tài)水位年內(nèi)和年際保障程度.

2)根據(jù)多年日水位計(jì)算，將高郵湖每年的水位過程劃分為3個(gè)時(shí)期：高水位時(shí)期(7-10月)，水位在5.9 m 以上的天數(shù)需大于111 d，且該時(shí)期最低生態(tài)水位為5.8 m；低水位時(shí)期(12-次年3月)，水位在5.33 m以下的天數(shù)需達(dá)到96 d左右，且該時(shí)期最低生態(tài)水位為5.1 m；其余月份為高低水位間的過渡時(shí)期，水位一般介于高、低水位之間，最低生態(tài)水位為5.2 m.

3)從生態(tài)水位保障程度的年內(nèi)過程來看，高郵湖高水位時(shí)期生態(tài)水位保障程度較低，最低發(fā)生在7月，為60.83%，年際生態(tài)水位保障程度變化較大，其中1994和2001年最低，分別為49.59%和50.41%，自2002年以后生態(tài)水位保障程度一直保持在較高水平. 從高、低水位保障程度上看，高水位歷時(shí)過長(zhǎng)，而低水位天數(shù)遠(yuǎn)得不到保障，說明高郵湖一直處于較高水位狀態(tài)，這違背了湖泊自然的高、低水位變化規(guī)律，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康極其不利.

湖泊在長(zhǎng)期的發(fā)育過程中已經(jīng)形成了適宜的水位變化規(guī)律，而人類活動(dòng)對(duì)湖泊水位的改變已經(jīng)嚴(yán)重影響了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康，高水位時(shí)期為了防洪、灌溉的需求使其最低生態(tài)水位無(wú)法保障，低水位時(shí)期為了魚、蝦、蟹的養(yǎng)殖使水位長(zhǎng)期保持在較高水位，雖然有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展卻危害了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康.為了減輕洪澇災(zāi)害淮河流域各水系受到水利工程高度控制，但在以后的發(fā)展過程中，人類應(yīng)該加強(qiáng)重視河道、湖泊的自然過程，在保障高郵湖防洪抗旱功能和提供生產(chǎn)、生活用水的前提下，逐步恢復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)自然的健康狀態(tài).

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Determination of the ecological water-level and assuring degree in the Lake Gaoyou, northern Jiangsu with long-term hydrological alteration

CHEN Yue1, GUAN Yiqing1**, MIAO Jianzhong2& ZHANG Danrong1

(1:CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,P.R.China)(2:TheHuaiheRiverCommissionoftheMinistryofWaterResources,P.R.C,Bengbu233001,P.R.China)

The ecological water level is the lowest water level to maintain the integrity and variety of a lake ecosystem. For the protection of the biological habitats and the management of water resources, the study in an ecological water level is meaningful. Based on daily water level data of Lake Gaoyou, northern Jiangsu Province, from 1953 to 2013, the ecological water level data is calculated and treated. The mutation tests are carried using Mann-Kendall method and moving T-test method. The water level regulation in 1953-1992 is analyzed. The monthly progress of the lowest ecological level is also deducted using the annual guaranteed frequency method and dynamic calculation method. The starting time and duration of high/low water levels of Lake Gaoyou are calculated accordingly. The key conclusions are as follows: (1) The mutation point occurred in 1997. (2) The lowest ecological water level of high water level period (from July to October) is 5.8 m, and the time that the water level is higher than 5.9 m needs to be 111 days; the lowest ecological water level of low water level period (from December to next March) is 5.1 m, and the time that the water level is lower than 5.3 m needs to be 96 days; the lowest ecological water level is 5.2 m for the other months. (3) The lowest assuring degree of the ecological water level occurs in July of the year, being 60.83%. The lowest assuring degree in 1993-2013 occurs in 1994, being 49.59%. The days of low water levels are not secured.

Lake Gaoyou; ecological water level; RVA; mutation test; water-level regulation

*江蘇省高校“青藍(lán)工程”項(xiàng)目資助.2016-03-29收稿;2016-05-30收修改稿.陳玥(1992～)，女，碩士研究生；E-mail：chenyue_1110@126.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(2)： 398-408

DOI 10.18307/2017.0216

?2017 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：yiqingguan@hhu.edu.cn.