楊毓鑫，杜春艷，張金帆，余關(guān)龍，陳 宏，錢 湛

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114； 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114； 3.湖南省環(huán)境保護河湖污染控制工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410114；4.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007)

我國是一個湖泊眾多的國家，全國共有1.0 km2以上的自然湖泊2 693個，總面積81 414.6 km2，約占全國土地面積的0.9%[1]。近年來，在自然環(huán)境和人類生產(chǎn)生活活動的雙重影響下，我國湖泊的水文情勢發(fā)生了顯著變化，特別是水位變化，成為影響湖泊生態(tài)安全的重要因素之一[2-3]。而湖泊生態(tài)系統(tǒng)動植物功能與水位聯(lián)系密切，應(yīng)將湖泊生態(tài)水位作為湖泊生態(tài)水文的重要研究對象。

國外對于湖泊生態(tài)水文的研究開始于20世紀末，主要依據(jù)是所選取的敏感指示物種對水環(huán)境指標的需求，注重水位的漲落限制，且涉及大量的生物資料，需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)的支撐[3-8]。國內(nèi)對湖泊生態(tài)水文的研究起步較晚，主要分為湖泊生態(tài)需水量和湖泊生態(tài)水位兩大方向。在湖泊生態(tài)水位研究方面，徐志俠等[9-10]根據(jù)水文循環(huán)原理，提出了吞吐型湖泊的最低生態(tài)水位的理論與計算模型；衷平等[11]結(jié)合生態(tài)資料與水位數(shù)據(jù)，提出了生態(tài)水位法；近些年來，部分學(xué)者在前人研究的基礎(chǔ)上，對生態(tài)水位的計算方法提出了改進[12-17]，也有學(xué)者以生物及水質(zhì)為保護目標，進行了湖泊生態(tài)水位的分析[18-20]。國內(nèi)由于缺乏生物資料及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，計算方法較為單一，其中以水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計算方法使用較為普遍；應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況采用不同的計算方法，盡快提出適合我國國情的湖泊生態(tài)水位計算方法。

關(guān)于洞庭湖湖區(qū)的生態(tài)水位研究主要集中在東洞庭湖，且僅考慮了水文學(xué)和水力學(xué)要素，對洞庭湖湖區(qū)的復(fù)雜性、區(qū)域性差異性及生物指標關(guān)注較少。本文采用不同方法分析洞庭湖3個子湖區(qū)的生態(tài)水位，以期為洞庭湖及其類似湖泊水資源的合理開發(fā)和利用以及恢復(fù)湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的健康提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

洞庭湖( 28°44′～29°35′N、111°53′～113°05′E)是我國第二大淡水湖，位于湖南省東北部，長江中游荊江段南岸；湖體呈近似“U”形，湖區(qū)承接湘、資、沅、澧四水和松滋、太平、藕池三口分泄長江來水，經(jīng)湖區(qū)調(diào)節(jié)后由城陵磯出流進入長江。由于氣候變化和人類活動的影響，湖體已演變?yōu)槭孜蚕嘟拥臇|洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個部分。洞庭湖湖區(qū)的氣候類型為亞熱帶季風氣候，4—9月為雨季，10月至翌年3月為旱季，降水季節(jié)分配不均導(dǎo)致洞庭湖濕地“漲水為湖，落水為洲”。

水文控制斷面的選擇對于湖泊生態(tài)水位的確定至關(guān)重要，本文生態(tài)水位研究涉及整個洞庭湖湖區(qū)，在平衡斷面數(shù)量和工作量的基礎(chǔ)上，遵循典型性、穩(wěn)定性、實用性和可靠性的原則，選取洞庭湖湖區(qū)具有代表性的水文站作為控制斷面，包括城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站，其中東洞庭湖以城陵磯和鹿角為代表，西洞庭湖以南嘴和小河嘴為代表，南洞庭湖以楊柳潭為代表。

2 生態(tài)水位計算

通過數(shù)據(jù)采集及對計算方法適用性的比較，選用天然水位資料法、年保證率法、最低年平均水位法、生態(tài)水位法、湖泊形態(tài)分析法和生物最小空間需求法，計算5個代表性水文站點的生態(tài)水位。計算結(jié)果均以1985黃海高程為基準。

2.1 天然水位資料法

為甄別不同年代洞庭湖水位變化的主要驅(qū)動力，20世紀50年代以來，受下荊江裁彎、葛洲壩和三峽水利樞紐工程的影響，荊南三口分流入湖水量總體呈減少趨勢，為便于分析洞庭湖水位變化的趨勢及成因，將1953—2013年大致劃分為6個時間段[21]，各水文站不同時段年平均水位如表1所示。

表1 洞庭湖各水文站不同時段年平均水位 m

考慮到荊江裁彎及葛洲壩、三峽等水利樞紐工程對洞庭湖水位的影響，采用荊江裁彎前1953—1966年的水位資料近似替代天然狀況下的多年水位情況。統(tǒng)計計算得到城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站的生態(tài)水位分別為22.23 m、22.96 m、28.33 m、28.19 m和26.71 m。

2.2 年保證率法

選取1953—2013年5個水文站實測最低水位數(shù)據(jù)，按從小到大的順序排列。根據(jù)經(jīng)驗頻率公式(1)，取保證率P=75%，計算得到相應(yīng)的水文年。參考文獻[22]對計算得到的水文年的生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價，結(jié)果為差；再由湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康等級與權(quán)重的對應(yīng)關(guān)系，得出權(quán)重μ=1.01，結(jié)合公式(2)，可得到城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站的生態(tài)水位分別為23.77 m、24.59 m、28.11 m、28.35 m和27.19 m。

(1)

(2)

2.3 最低年平均水位法

選取1953—2013年5個水文站實測水位數(shù)據(jù)，確定5個水文站的多年平均最低水位，該方法的關(guān)鍵是權(quán)重λ的確定。權(quán)重λ實際上是反映湖泊歷年年最低水位的平均值與最低生態(tài)水位的接近程度，λ取值區(qū)間為0.65～1.55，通過查閱資料[23-24]和專家打分法來確定權(quán)重λ的取值。生態(tài)水位計算結(jié)果如表2所示。

表2 最低年平均水位法計算結(jié)果 m

2.4 生態(tài)水位法

通過對1953—2013年5個水文站的水位頻率分析，確定各站的高頻水位年份，再對照洞庭湖湖區(qū)魚類捕撈狀況和1960—2011年洞庭湖區(qū)的旱澇情況[25]，確定相對生態(tài)環(huán)境最差年份及其平均水位。由于魚類處于湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的中上層，其對水文等環(huán)境因子和生產(chǎn)者、消費者等生態(tài)因子具有較好的指示作用，因此選擇魚類作為洞庭湖的生物指標。生態(tài)水位系數(shù)的確定及計算結(jié)果如表3所示。

表3 生態(tài)水位法計算結(jié)果

2.5 湖泊形態(tài)分析法

采用東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的實測水位和面積資料推算出水面面積-水位關(guān)系曲線和面積變化率-水位關(guān)系曲線，結(jié)果如圖1和圖2所示。湖泊的面積增加速度隨著水位升高呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，面積變化率的最大值表明湖泊面積變化最大，所對應(yīng)的水位即為生態(tài)水位[10]。生態(tài)水位計算結(jié)果如表4所示。

圖1 水面面積-水位關(guān)系曲線

圖2 面積變化率-水位關(guān)系曲線

表4 湖泊形態(tài)分析法計算結(jié)果 m

2.6 生物最小空間需求法

湖泊植物、魚類等為維持各自群落不嚴重衰退均需要一個最低生態(tài)水位。不同的水生和陸生植物有不同的適宜水位，而沉水植物和挺水植物更易受到水位高低的影響。沉水植物的適宜水深為60～200 cm，挺水植物的適宜水深為植物露出水面30～50 cm；魚類為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究可知野生魚類生存和繁殖的最小水深為1.0 m。綜合考慮選取魚類需求的最小水深加上湖底平均高程作為生態(tài)水位，計算結(jié)果如表5所示。

表5 生物空間最小需求法計算結(jié)果 m

3 最低生態(tài)水位的確定

天然水位資料法、年保證率法和最低年平均水位法是根據(jù)歷史水位資料計算生態(tài)水位，屬于統(tǒng)計學(xué)的方法，優(yōu)點是不需要現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，不足之處是沒有直接考慮生物需求和生物間的相互影響，適用于計算水情對生態(tài)系統(tǒng)影響較大的湖泊生態(tài)水位；生態(tài)水位法通過建立水位與相關(guān)生物指標及氣象條件的關(guān)系來計算生態(tài)水位，缺點是生物指標較為單一，缺乏整體性；湖泊形態(tài)分析法通過研究湖泊水位與面積的關(guān)系來確定生態(tài)水位，屬于半經(jīng)驗方法，優(yōu)點是不需要詳細的生態(tài)資料，包含更多更為具體的湖泊信息，缺點是體現(xiàn)不出季節(jié)變化因素，對生態(tài)系統(tǒng)機理的研究較為粗略，適用于小型湖泊或水位變化幅度較小且相對穩(wěn)定的湖泊以及湖泊水環(huán)境污染不明顯的湖泊；生物最小空間需求法屬于棲息地法的范疇，生物學(xué)基礎(chǔ)牢固，優(yōu)點是考慮了湖泊相關(guān)生物的生態(tài)機理，缺點是所需的生物資料難以獲取，對于小型湖泊較為實用。

洞庭湖分為東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個湖區(qū)，且湖底地面自西北向東南微傾，因此分區(qū)域確定生態(tài)水位很有必要。東洞庭湖濕地自然保護區(qū)總面積為1 900 km2，其中核心區(qū)面積為290 km2，緩沖區(qū)面積為364 km2；南洞庭湖濕地水禽自然保護區(qū)總面積為1 680 km2，其中核心區(qū)面積為390 km2，緩沖區(qū)面積為610 km2；西洞庭湖自然保護區(qū)總面積為300.44 km2，其中核心區(qū)面積為90.61 km2，緩沖區(qū)面積為61.55 km2。核心區(qū)是天然狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)以及珍惜、瀕危動植物的集中分布地，最有保護價值，是最重要的保護區(qū)域。因此，最低生態(tài)水位相應(yīng)的水面面積應(yīng)該保證核心區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

為了保證3個子湖區(qū)的核心區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，最低生態(tài)水位相應(yīng)的湖面面積至少應(yīng)滿足核心區(qū)的面積需要。綜合6種方法的計算結(jié)果，確定東洞庭、南洞庭湖和西洞庭湖湖最低生態(tài)水位分別為22.62 m、27.19 m和28.11 m，并通過水面面積-水位關(guān)系推算出各湖區(qū)最低生態(tài)水位所對應(yīng)的水面面積分別為373.85 km2、406.88 km2和142.19 km2。最低生態(tài)水位所提供的水面面積滿足核心區(qū)對水面的需要，因此，從保護洞庭湖自然保護區(qū)的角度看，確定的最低水位是合理的。

4 分析與討論

將本文的計算結(jié)果與已有研究成果進行比較，結(jié)果見表6(表中計算結(jié)果均換算為1985黃海高程)。

表6 洞庭湖生態(tài)水位研究成果比較

梁婕等[13]考慮了人類活動和氣象條件的影響，通過對水位數(shù)據(jù)的變異性分析確定了洞庭湖的生態(tài)水位；謝永宏等[15]從濕地水文的角度出發(fā)，綜合考慮環(huán)境要素及人類活動，計算了洞庭湖不同時期的最低生態(tài)水位，結(jié)果表明1974—1998年洞庭湖最低生態(tài)水位呈上升趨勢；Shang等[16]認為生物多樣性會隨表面積增加而增加，提出了湖泊表面積法，與湖泊形態(tài)分析法相比，湖泊表面積法的適用范圍、計算復(fù)雜程度等方面更具有優(yōu)勢；程俊翔等[24]采用最低年平均水位法、年保證率法等水文學(xué)方法計算結(jié)果的平均值作為東洞庭湖的最低生態(tài)水位；Zhang等[26]深入研究了水文、氣候變化與水鳥之間的量化關(guān)系，運用冗余分析(RDA)和響應(yīng)面分析法(RSM)篩選確定了對水鳥影響最顯著的指標是流量和水位，從而以洞庭湖濕地的水鳥為保護目標，計算得到最低保護水位；余勛[27]從水文角度出發(fā)，通過引入水文指數(shù)RFD ( ratio flow deviation )和AAPFD (amend annual proportional flow deviation)對水位序列進行水文變異分析和濕地健康狀況分析，得到了洞庭湖的生態(tài)可接受水位。不同研究者所采用的計算方法理論基礎(chǔ)和側(cè)重點有所不同，得到的結(jié)果存在差異。以城陵磯水文站為代表的東洞庭湖多年平均水位為22.81 m，在不考慮汛期和非汛期的情況下，東洞庭湖最低生態(tài)水位為20.67～24.76 m。其中，側(cè)重于湖泊某一生態(tài)保護目標(鳥類或魚類)的湖泊生態(tài)水位計算方法忽視了洞庭湖水位情勢的變化過程及其生態(tài)意義，計算結(jié)果明顯低于其他計算方法，結(jié)果難以覆蓋完整的湖泊生態(tài)系統(tǒng)?？紤]到國內(nèi)生物資料缺乏的情況，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，采用以水文資料為基礎(chǔ)的水文學(xué)方法及水力學(xué)方法更適合洞庭湖最低生態(tài)水位的計算。

相關(guān)研究以東洞庭湖或以城陵磯站代表整個洞庭湖，缺乏對洞庭湖復(fù)雜多變的實際情況的考慮，本文以保證湖泊核心區(qū)生態(tài)健康發(fā)展為目標，結(jié)合洞庭湖的實際情況，運用6種湖泊生態(tài)水位的計算方法，最終確定了東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生態(tài)水位，可為洞庭湖湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供更為詳細的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)，促進湖泊健康與可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語

本文采用天然水位資料法、年保證率法、最低年平均水位法、生態(tài)水位法、湖泊形態(tài)分析法和生物最小空間需求法計算生態(tài)水位，綜合分析確定了東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生態(tài)水位分別為22.62 m、27.19 m和28.11 m，最低生態(tài)水位所對應(yīng)的水面面積滿足湖泊核心區(qū)對水面的需要，結(jié)果合理可行。同時，結(jié)合洞庭湖的實際情況，將本文的計算結(jié)果與已有的研究成果進行了比較，分析并討論了不同研究成果之間的差異，認為以水文資料為基礎(chǔ)的水文學(xué)方法及水力學(xué)方法更適合洞庭湖最低生態(tài)水位的計算，本文最低生態(tài)水位的確定也為洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。