劉標(biāo) 韓慶香 申恒倫 李修嶺

摘要：指出了為研究解決云蒙湖水環(huán)境問題，必須探明云蒙湖的水文水動(dòng)力過程。對(duì)云蒙湖年均水位、滯留時(shí)間、流量等因子進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：云蒙湖水位、入庫流量和水體滯留時(shí)間均受降雨量的影響，根據(jù)水體滯留時(shí)間，云蒙湖大多數(shù)年份屬于湖泊型水體，已經(jīng)具有形成水體穩(wěn)定分層的特征。

關(guān)鍵詞：云蒙湖;水位;入庫流量;水體滯留時(shí)間

中圖分類號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0004-05

1 引言

河流蓄水形成水庫后，河流的水文條件由河流向湖泊特征轉(zhuǎn)變，生物群落隨生境變化經(jīng)過自然選擇、演替，形成一種新平衡，使水生態(tài)系統(tǒng)由以底棲附著生物為主的“河流型”異養(yǎng)體系向以浮游生物為主的“湖沼型”自養(yǎng)體系演化[1]。水庫的運(yùn)行管理方式（調(diào)水及供水）對(duì)生境的外在干擾，改變了水庫的水位波動(dòng)、水體滯留時(shí)間以及入庫流量等水文條件和理化因子[2-4]，水動(dòng)力學(xué)過程（水動(dòng)力學(xué)）對(duì)水庫的水質(zhì)和生物生產(chǎn)力的形成具有重要的作用。它們決定了懸浮物和溶解物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的強(qiáng)度、污染過程的速度，以及水庫的自然凈化，間接導(dǎo)致水生生物學(xué)群落的更替或演替的逆轉(zhuǎn)[5，6]，并最終提供了生態(tài)系統(tǒng)的功能[7]。例如，由于建壩，使得巴拉那帕內(nèi)馬河與哥倫比亞河水庫庫區(qū)水體滯留時(shí)間延長(zhǎng)，水動(dòng)力學(xué)條件改變，從而導(dǎo)致浮游植物數(shù)量增加、富營(yíng)養(yǎng)化加劇、水質(zhì)下降[6，7]。因此，水文條件的改變會(huì)引起氮、磷等各個(gè)環(huán)境因素的連鎖反應(yīng)[8-10]。

楊喆等認(rèn)為水庫高水位運(yùn)行時(shí)藻類生物量較少，低水位時(shí)較多;出入庫流量較小時(shí)，有利于藻類的生長(zhǎng)，出入庫流量接近或超過平均值時(shí)，藻類生長(zhǎng)受到抑制[9]。張敏等認(rèn)為夏季水位波動(dòng)較劇烈的時(shí)期，水位落差對(duì)底棲動(dòng)物密度具有顯著影響[4]。水力滯留時(shí)間是反映水體水動(dòng)力過程的重要參數(shù)，能直接或間接影響水體生物群落結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)[11]，是調(diào)控水域生態(tài)系統(tǒng)生物地化循環(huán)的關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)之一[12，13]。Straskraba等分析了世界各地的水庫發(fā)現(xiàn)，年平均滯留時(shí)間（也稱理論滯留時(shí)間）對(duì)水庫的水動(dòng)力學(xué)、化學(xué)與生物過程有直接的相關(guān)性[14]。水體滯留時(shí)間的長(zhǎng)短影響水庫的縱向水質(zhì)狀況，水體滯留時(shí)間較短時(shí)，整個(gè)水庫呈現(xiàn)出河流區(qū)的特征;而水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，則呈現(xiàn)出湖泊區(qū)特征[11，15]。喬磊等認(rèn)為水庫水體分層、顆粒物的沉降、磷等有機(jī)物的滯留、浮游植物生產(chǎn)力和透明度等重要的湖沼學(xué)變量均與庫區(qū)水體滯留時(shí)間呈定量關(guān)系[10]。滯留時(shí)間對(duì)水生生物的影響直接表現(xiàn)在水生生物種群的動(dòng)態(tài)。研究表明水力滯留時(shí)間是影響亞熱帶不同水庫之間輪蟲群落差異的重要因素[10];流量作為水動(dòng)力條件的因子之一，也是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一[17]。胡征宇和蔡慶華對(duì)三峽水庫22條入庫支流庫灣的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析表明，各支流庫灣葉綠素a與入庫支流的年均流量以及流域面積存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。因此，基于水庫水位波動(dòng)、水體滯留時(shí)間和入庫流量等參數(shù)，分析云蒙湖20世紀(jì)80年代以年來的水文水力學(xué)動(dòng)態(tài)特征，是研究其水庫生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

本研究將分析1980～2014年云蒙湖水位波動(dòng)過程年際變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上結(jié)合水庫月均入庫流量、水體滯留時(shí)間等參數(shù)，闡述云蒙湖水文水力學(xué)動(dòng)態(tài)規(guī)律，為系統(tǒng)研究云蒙湖水體層化結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給及生物群落演替機(jī)制提供水文水動(dòng)力背景資料。

2 材料和方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置

云蒙湖（北緯35°27′～36°20′，東經(jīng)117°45′～118°23′之間）位于蒙山北麓的沂河支流一東汶河，地處山東省中南部沂蒙山區(qū)腹地，屬淮河流域沂沐泗河水系，距離臨沂市蒙陰縣城東15 km，臨沂市93 km。壩址座落于東汶河與梓河交匯處，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水及旅游等綜合開發(fā)利用的大型水利工程。水庫處于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候。整個(gè)流域四季分明，雨熱同季。云蒙湖正常蓄水位176 m，總庫容7.49億m3，控制流域面積1693.3 km2，庫岸線長(zhǎng)達(dá)80 km。云蒙湖為山東省第二大水庫，也是臨沂市城市重要的水源地，山東省省級(jí)生態(tài)功能區(qū)，水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)面積為63.6 km2，二級(jí)保護(hù)區(qū)面積為180.4 km2，準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積為1387.7 km2。

2.2 采樣和分析方法

1980～2016年，云蒙湖水位、流量、蓄水量和水溫等數(shù)據(jù)由臨沂市水文局提供。云蒙湖的庫容根據(jù)特定水位的對(duì)應(yīng)庫容進(jìn)行指數(shù)回歸估算，每天的水體滯留時(shí)間的公式計(jì)算修改為[19]：

τ= Vτ/ Qτ

（1）

式（1）中τ為水體滯留時(shí)間（days），Vτ為水庫在第T天時(shí)的庫容（m3），Qτ為水庫或庫灣在第T天時(shí)的入庫流量（m3/d）。水體每年的水體滯留時(shí)間由該年每月的水體滯留時(shí)間取平均值所得。

水體類型分類標(biāo)準(zhǔn)采用[20]提出的水庫基本類型綜合分級(jí)方法（表1）。滯留時(shí)間低于20 d的水庫具有河流特征的完全混合系統(tǒng)，水體流動(dòng)完全阻礙了浮游生物的發(fā)展;滯留時(shí)間介于20～300 d時(shí)，水庫同時(shí)具有河流和湖泊特征，為二者的混合一分層過渡系統(tǒng)，水體流動(dòng)和弱分層對(duì)浮游生物的發(fā)展具有累加效應(yīng);而當(dāng)水體滯留時(shí)間超過300 d時(shí)，水庫具有類似于天然湖泊特征，易形成穩(wěn)定分層系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)類型屬于傳統(tǒng)的分級(jí)體系。

3 結(jié)果

3.1 水庫基本特征

云蒙湖為大型河道型水庫，水庫縱向長(zhǎng)度14 km，平均水深5.8 m，最大水深20 m，為淺水水庫。正常蓄水176 m，相應(yīng)庫容可達(dá)4.6×l08 m3.年均入庫流量達(dá)11.75 m3/s（1980～2014年均流量）。水庫流域面積與水庫面積比為59.2，流域內(nèi)較大河流有東汶河、梓河、蒙河、桃墟河和莫莊河等（圖1）。其中5km以上的支流有41條，均為季節(jié)性河流。其中東汶河為上游來水和最大輸入水體，屬于淮河流域沂河水系的一級(jí)支流，是云蒙湖流域最大的河流。東汶河流域面積860 kmz，較大支流18條，河長(zhǎng)50 km，流域平均寬15.23 km，河道縱坡約為1/300;梓河流域面積830 km2，河長(zhǎng)50 km，流域平均寬18.54 km，縱坡1/340，較大支流有10條，分布在蒙陰縣、沂水縣及新泰市境內(nèi)。

云蒙湖控制流域面積1693.3 km2，總庫容8.22億m3，相應(yīng)水位181.0 m，對(duì)應(yīng)湖面面積84.7 kmz;興利庫容4. 61億m3，相應(yīng)興利水位176.0 m，對(duì)應(yīng)湖面面積58.6 km2;警戒水位177.8 m，相應(yīng)庫容5.67億m3，死水位160.3 m，相應(yīng)死庫容0.20億m3（表2、圖2）。

3.2 湖泊水文特征

自1980年以來，流域內(nèi)多年平均降雨量723.6mm，最少為2002年的391.2 mm，最大為1990年的1268.9 mm，2014年降雨量為420.7 mm，為近10年來最低，僅高于1988年（402.3mm）和2002年（391.2 mm）（圖3）。云蒙湖多年平均補(bǔ)給系數(shù)為59.22，多年平均單位人湖量為1.99，最小為2014年的0.09，最大為1995年的6.41。多年平均來水量3.70億m3，汛期來水量3.15億m3，占全年來水量的85%，豐水期來水量5.08億m3，枯水期來水量1. 23億m3，多年平均水位169.28m，相應(yīng)庫容1. 86億m3。多年平均徑流量6.5億m3，建庫以來的最大年徑流量為11.08億m3，最小年徑流量0.3億m3。

3.3 水庫壩前水位波動(dòng)特征

根據(jù)云蒙湖19 60～2016年運(yùn)行資料分析，最高水位為175. 50 m（2011/9/15），最低水位為156.29 m（1960/6/9.），2005年以來，云蒙湖年內(nèi)壩前水位在158.00～175.12 m之間波動(dòng);自2013年12月后，因?yàn)榻邓矿E降，年內(nèi)壩前水位在158～168 m之間波動(dòng)，平均水位165.82 m，形成僅10 m的水位落差，2014年3月，出現(xiàn)自1961年首次蓄水后歷史最低水位（158.00m）;2015年后，水位維持在166 m左右，即使在汛期，由于降雨偏少和城區(qū)供水壓力，水位波動(dòng)不明顯。2013年以前，基本呈現(xiàn)雨季高水位，冬季低水位的狀態(tài)（圖4）。

3.4 干流入庫、出庫流量比較研究

云蒙湖入庫、出庫流量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)格局與壩前水、降雨量的動(dòng)態(tài)特征基本一致，入庫流量與水位、降雨量呈顯著正相關(guān)（圖5）。其年均入庫流量和出庫流量的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和1.9～27.3 m3/s（圖6）?？傮w來看，云蒙湖出、入庫流量受降雨量的影響較大，年均入庫流量最低出現(xiàn)在2014年，僅為0.4m3/s，出庫流量為5.3 m3/s，這種情況對(duì)正常供水較為不利;最大年均入庫流量出現(xiàn)在2011年，為28.9m3/s，出庫流量也達(dá)到最大值，為27.3 m3/s，年均水位也達(dá)到歷年最高（圖6）。

由于云蒙湖年供水量3×l0⁷m3，年均出庫流量達(dá)到9.51 m3/s才能滿足整個(gè)城市的用水需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年云蒙湖年均灌溉水量5×l0⁷ m3左右，近5年云蒙湖年均灌溉水量均不足3×l0⁷ m3，并呈逐年遞減趨勢(shì)。即使按照最低灌溉需求，年均出庫流量達(dá)到9.51m3/s才能滿足整個(gè)區(qū)域的灌溉用水需求，因此，僅有1991、1994、2004、2005和2011年的出庫流量滿足城市供水和灌溉的需求，按照入庫流量來算，1990、1991、1998、2003～2005、2011年可以滿足城市供水和灌溉的需求，相對(duì)來說，其他年份云蒙湖用水供給顯得極為緊張。

3.5 年均水體滯留時(shí)間的變化研究

水體滯留時(shí)間反映了水庫水體更新特征及水體可能的分層情況，滯留時(shí)間越長(zhǎng)，水庫水體更新越慢，水庫水溫分層風(fēng)險(xiǎn)越大;反之水庫更新越快，水庫不易出現(xiàn)水體分層。隨著水位和入庫流量的季節(jié)性變化，云蒙湖水體滯留時(shí)間也表現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)性特征，年內(nèi)變

化非常顯著，其年均滯留時(shí)間的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和56.9～4070 d（圖7）。水體滯留時(shí)間的動(dòng)態(tài)格局正好與壩前水位的動(dòng)態(tài)特征相反。自1980年以來，多年平均滯留時(shí)間394.15 d，波動(dòng)范圍在56.95～4070.20 d之間，年均水體滯留時(shí)間均高于300d的占29.4%，屬于典型的湖泊型水體;其余年份，年均水體滯留時(shí)間在20～300 d之間，屬于過渡性水體，在降雨量豐沛的年份，水庫水體滯留時(shí)間相對(duì)較短，水體交換頻率較高，呈現(xiàn)過渡型水體特征;在雨量稀少的年份，水庫水體滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，水體交換頻率較低，水體呈現(xiàn)典型的湖泊型特征。

4 討論

云蒙湖屬于典型的季節(jié)性河流控制的水庫，其蓄水量、水位、出入庫流量、水體滯留時(shí)間均受到降雨量和供水需求的影響，除特殊年份，一般夏季水位相對(duì)較高，冬季較低。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)河道型水庫都會(huì)由之前的具有完全混合特征的河流型，經(jīng)過中等強(qiáng)度分層的過渡型水體，向形成穩(wěn)定分層的湖泊型水體轉(zhuǎn)變。隨著降雨量以及供水需求的變化，受壩前水位和入庫流量影響更大，基本取決于上游來水的影響。

根據(jù)Straskraba和Tundisi的水庫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水庫不同時(shí)期出現(xiàn)不同的水體特征?？傮w而言，部分時(shí)期，水庫屬于中等強(qiáng)度分層的水體，而在某些時(shí)段，水體屬于湖泊型水體，具備發(fā)生穩(wěn)定水溫分層的水力學(xué)條件。實(shí)測(cè)的資料表明，盡管流量和流速較小，在湖泊區(qū)，云蒙湖出現(xiàn)溫躍層現(xiàn)象;在河流區(qū)，云蒙湖由于分層異重流而呈現(xiàn)水體分層，所以水流和分層對(duì)浮游植物具有累加效應(yīng)，但由于受到上游來水的影響，水體分層并不能穩(wěn)定存在。

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