湖泊生態(tài)水位計(jì)算新方法與應(yīng)用*

淦 峰，唐 琳，郭懷成，高 偉

(1：江西省九江市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，九江 332000)

(2：北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871)

(3：北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

湖泊生態(tài)水位計(jì)算新方法與應(yīng)用*

淦 峰1，唐 琳2，郭懷成3，高 偉3**

(1：江西省九江市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，九江 332000)

(2：北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871)

(3：北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

水位是湖泊水文情勢(shì)的主要特征指標(biāo)，對(duì)湖泊的水量、水質(zhì)和生物的棲息地等有直接或間接的影響，被認(rèn)為是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵影響因素.如何確定合理的湖泊水位以保證生態(tài)系統(tǒng)健康成為湖泊科學(xué)研究的重要科學(xué)問(wèn)題.根據(jù)湖泊天然水位情勢(shì)，從天然水文變化中識(shí)別多項(xiàng)反映完整水位過(guò)程的指標(biāo)，構(gòu)建了湖泊生態(tài)水位的計(jì)算方法.從湖泊天然水位情勢(shì)中提取出高、低水位的歷時(shí)、發(fā)生時(shí)間和變化率等水位指數(shù)來(lái)表征其生態(tài)水位.該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)湖泊生態(tài)水位計(jì)算方法僅給出最小生態(tài)水位的不足，體現(xiàn)了湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康對(duì)水位過(guò)程的要求.基于提出的生態(tài)水位計(jì)算方法和鄱陽(yáng)湖都昌水位站1952-2000年共49年的日均監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了鄱陽(yáng)湖的生態(tài)水位目標(biāo)值區(qū)間，以期為鄱陽(yáng)湖水利工程生態(tài)調(diào)度提供決策依據(jù).

湖泊；生態(tài)水位；生態(tài)需水量；鄱陽(yáng)湖；水位變化；水文變化指標(biāo)法

我國(guó)是一個(gè)湖泊眾多的國(guó)家，擁有面積為1km2以上的湖泊2693個(gè)，占國(guó)土面積的0.9%[1].湖泊作為自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性、提供水產(chǎn)品和消納污染物等多種生態(tài)功能[2-3].然而，由于水壩建設(shè)、圍湖造田、生產(chǎn)生活取水等人類(lèi)活動(dòng)的干擾，我國(guó)湖泊的水文情勢(shì)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[3-6].研究湖泊的生態(tài)水文需求，維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是當(dāng)今湖泊科學(xué)領(lǐng)域面臨的重要科學(xué)問(wèn)題[7].在湖泊水文研究中，水位和水量是反映水文情勢(shì)的重要水文指標(biāo).因此，湖泊的生態(tài)水文研究主要集中于計(jì)算湖泊的最低生態(tài)水位或最小生態(tài)需水量，認(rèn)為湖泊最小水量或水位是滿足湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的水文底線.鑒于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)、植物功能和結(jié)構(gòu)與水位的密切聯(lián)系[8-11]，應(yīng)當(dāng)將生態(tài)水位作為湖泊生態(tài)水文的重要研究對(duì)象.由于湖泊水位與水量具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以相互換算，因此本研究并不嚴(yán)格區(qū)分生態(tài)水位與生態(tài)需水量.

目前關(guān)于湖泊生態(tài)水位(或湖泊生態(tài)需水量)的定義較多，不同學(xué)者從水量平衡、資源利用、生態(tài)保護(hù)、綜合等多角度提出了不同界定.其中，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能完整性被作為湖泊生態(tài)水位的最主要保護(hù)目標(biāo).如李新虎等認(rèn)為，湖泊最低生態(tài)水位是維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性且不對(duì)生態(tài)環(huán)境及自身造成嚴(yán)重破壞的最低運(yùn)行水位[12]；崔保山等認(rèn)為，湖泊最小生態(tài)需水量是指為保證特定發(fā)展階段的湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保護(hù)生物多樣性以及確保湖泊水資源功能正常發(fā)揮所必須的、一定質(zhì)量的最小水量[7]；徐志俠等將湖泊生態(tài)系統(tǒng)不退化所需的最低水位作為湖區(qū)最低生態(tài)水位[13].此外，也有部分研究將某種生物(鳥(niǎo)類(lèi)或者魚(yú)類(lèi))[14]或物理環(huán)境(水質(zhì))[15]作為湖泊生態(tài)水位的主要保護(hù)目標(biāo).從生態(tài)水位的指標(biāo)上看，當(dāng)前對(duì)湖泊生態(tài)水位的界定主要是落腳于最小水位上[7,12,14,16-21]，即假設(shè)湖泊水位高于最小生態(tài)水位即可滿足生態(tài)系統(tǒng)健康要求.然而，眾多研究表明，湖泊生態(tài)過(guò)程不僅受最低水位影響，還會(huì)受到最高水位、水位波動(dòng)以及持續(xù)時(shí)間的影響[8,22-25].因此，要實(shí)現(xiàn)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康，必須研究完整的水位情勢(shì)，而不是單一的水位特征值.Coops等在荷蘭淺水湖泊的水位影響研究中，提出恢復(fù)天然水位情勢(shì)將有助于增強(qiáng)湖泊水質(zhì)和生物多樣性的觀點(diǎn)[26].鑒于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，筆者認(rèn)為湖泊生態(tài)水位是指維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程完整性所需的水位情勢(shì)，包括水位的變化范圍和過(guò)程.據(jù)此，湖泊生態(tài)水位的計(jì)算方法也必須能夠體現(xiàn)水位的多重屬性.然而，目前主要的生態(tài)水位計(jì)算方法如曲線相關(guān)法、功能法和最低生態(tài)水位法[7]的結(jié)果均為單一值，難以提供全面的生態(tài)水位信息，亟需一種可反映完整水位過(guò)程的新方法.

本研究借鑒河流生態(tài)需水研究中的水文變化指標(biāo)法(IHA)[27]，提出一種用于計(jì)算湖泊生態(tài)水位的新方法，構(gòu)建包括高低水位發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和水位變化率等在內(nèi)的生態(tài)水位指標(biāo)體系，并基于天然水位變化特征給出了生態(tài)水位目標(biāo)值范圍.以我國(guó)第一大淡水湖泊——鄱陽(yáng)湖為例，通過(guò)分析鄱陽(yáng)湖的天然水位變化情勢(shì)，獲得其生態(tài)水位目標(biāo)值范圍，以期為湖泊生態(tài)水文研究和鄱陽(yáng)湖生態(tài)水文管理提供相關(guān)借鑒.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖(28°24′～29°46′N(xiāo)，115°49′～116°46′E)多年平均水域面積為3900km2，容積為290×108m3，是我國(guó)第一大淡水湖泊，同時(shí)也是長(zhǎng)江流域最大的通江湖泊(圖1).鄱陽(yáng)湖流域面積16.22×104km2，跨贛、閩、浙、皖、湘等省份，其中97%的流域面積位于江西省境內(nèi)，約占江西省總面積的94%.流域?qū)儆谥衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量超過(guò)1600mm，水資源十分豐富.據(jù)統(tǒng)計(jì)，由湖口多年平均注入長(zhǎng)江的水量為1436×108m3，占長(zhǎng)江多年平均徑流量的16%，對(duì)長(zhǎng)江中下游的水資源具有重要調(diào)節(jié)作用.鄱陽(yáng)湖是典型的季節(jié)性和吞吐型湖泊，受上游“五河”(贛江、撫河、信江、饒河和修河)來(lái)水量和長(zhǎng)江水位的綜合作用，湖泊水位、容積和面積年際、年內(nèi)變化較大，形成了鄱陽(yáng)湖“高水是湖、低水似河”的特有景觀.鄱陽(yáng)湖歷史實(shí)測(cè)最高水位發(fā)生在1998年7月31日，湖口站的水位達(dá)到22.59m(吳淞高程)，相應(yīng)通江水體的面積和湖體容積分別為3708km2和303.63×108m3；而實(shí)測(cè)最低水位僅為5.9m(1963年2月6日)，相應(yīng)通江水體面積為29km2，湖體容積為0.63×108m3.作為鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)的自然特征，強(qiáng)烈的水位變化不僅形成了不同季節(jié)湖區(qū)迥異的自然景觀，也是鄱陽(yáng)湖濕地生物群落季節(jié)性演替的主要驅(qū)動(dòng)力之一.豐富的水資源和特有的水文變化特性使得鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)系統(tǒng)成為我國(guó)乃至世界上最重要和最典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一.

鄱陽(yáng)湖是全球越冬候鳥(niǎo)的重要棲息地，鄱陽(yáng)湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)首批列入《國(guó)際重要濕地名錄》的7個(gè)區(qū)域之一.目前，全球98%的瀕危物種白鶴(Grusleucogeranus)、80%以上的東方白鸛(Ciconiaboyciana)和60%以上的白枕鶴(Grusvipio)等珍稀種群在此越冬. 同時(shí)鄱陽(yáng)湖還是長(zhǎng)江江豚最重要的避難所，鄱陽(yáng)湖棲息的江豚數(shù)量約占整個(gè)種群的1/4～1/3.此外，鄱陽(yáng)湖還兼具調(diào)蓄洪水、水源涵養(yǎng)、水產(chǎn)品供給和污染物降解等多項(xiàng)生態(tài)功能.

然而，近年來(lái)由于流域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的不斷加劇，特別是三峽大壩的建設(shè)和流域用水量的增加，鄱陽(yáng)湖的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化.其中，湖泊水文情勢(shì)的變化被認(rèn)為是鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)變化的重要驅(qū)動(dòng)因素，已經(jīng)成為鄱陽(yáng)湖的重要生態(tài)安全問(wèn)題[3].隨著鄱陽(yáng)湖流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展和鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程的運(yùn)行，鄱陽(yáng)湖的水文情勢(shì)特別是水位將可能發(fā)生進(jìn)一步變化，湖泊生態(tài)水位研究已經(jīng)成為鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)安全和湖泊健康的重要科學(xué)問(wèn)題.

圖1 鄱陽(yáng)湖流域及其水位站地理位置Fig.1 Location of Lake Poyang Basin and its water level gauging station

1.2 研究方法

1.2.1 湖泊天然水位情勢(shì) 水位情勢(shì)是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的最主要環(huán)境要素之一，湖泊的物理形態(tài)、植物和動(dòng)物的演變直接或間接受水位的控制.水位的高低、出現(xiàn)時(shí)間以及變化速度等構(gòu)成了水位情勢(shì)的主要要素，與湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān).評(píng)估湖泊的生態(tài)水位，必須首先確定反映湖泊水位情勢(shì)的指標(biāo)，完整反映水位過(guò)程變化的各種屬性.相對(duì)于湖泊生態(tài)水文研究，河流生態(tài)流量研究起步較早，建立了較為完整的水文變化評(píng)估指標(biāo)體系，其中代表性的方法是IHA法[27]，IHA法從流量、頻率、發(fā)生時(shí)間、歷時(shí)和變化速率共5個(gè)方面定義了反映河流水文情勢(shì)的33個(gè)流量指標(biāo).IHA法對(duì)河流生態(tài)需水研究的重要意義在于認(rèn)識(shí)到河流的生態(tài)流量計(jì)算要考慮完整的水文情勢(shì)變化，而不是單一地考慮最小流量.湖泊具有與河流相似的水文變化規(guī)律，水位呈現(xiàn)年際和年內(nèi)的水文變化，對(duì)湖泊系統(tǒng)的多種生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程有重要影響.以鳥(niǎo)類(lèi)為例，作為許多湖泊(如鄱陽(yáng)湖)自然生態(tài)系統(tǒng)的頂級(jí)生物，其數(shù)量和分布受到水位變化的影響[23].研究表明過(guò)高或過(guò)低的水位可通過(guò)影響食物和鳥(niǎo)類(lèi)覓食對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)生存造成不利影響[23]；高水位或低水位的持續(xù)時(shí)間對(duì)淺水區(qū)和泥灘地生存的候鳥(niǎo)種群數(shù)量有重要影響[29]；高、低水位的發(fā)生時(shí)間是洲灘地植被構(gòu)成和多樣性的控制因素之一，可進(jìn)一步影響魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)和鳥(niǎo)類(lèi)棲息[29]；而水位上升與下降過(guò)程對(duì)維持濕地的植被組成及分布有決定性作用，被認(rèn)為是維持物種多樣性的重要機(jī)制之一[30].因此，從湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的要求出發(fā)，湖泊的生態(tài)水位需要反映典型的水位情勢(shì)變化.對(duì)于一個(gè)典型水位年內(nèi)呈現(xiàn)“單峰”變化的湖泊，其水位在年內(nèi)不同時(shí)期(如汛期和非汛期)存在高低變化，形成高水位、低水位、水位上升、水位下降等變化過(guò)程.考慮到這些水位變化發(fā)生的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，那么典型的湖泊水位要素應(yīng)至少包括8個(gè)要素：低水位閾值、低水位發(fā)生時(shí)間、低水位歷時(shí)、高水位閾值、高水位發(fā)生時(shí)間、高水位歷時(shí)、水位上升速率和水位下降速率(圖2).

圖2 湖泊天然生態(tài)水位情勢(shì)的構(gòu)成Fig.2 Components of natural water level regimes in lakes

1.2.2 水位閾值指標(biāo) 湖泊生態(tài)水位的閾值包括高水位閾值和低水位閾值，它們分別作為界定高水位和低水位的標(biāo)準(zhǔn).目前界定水位閾值的相關(guān)方法是保證率法和水位面積法[7].其中，保證率法是根據(jù)歷史水文監(jiān)測(cè)資料，按照一定的頻率確定水文參數(shù).本研究采用豐水年和枯水年常用的25%和75%保證率作為湖泊生態(tài)水位中的高水位閾值和低水位閾值.湖泊的高水位閾值和低水位閾值計(jì)算公式分別為：

HWLthr=P25%(WLi)

(1)

LWLthr=P75%(WLi)

(2)

式中，HWLthr和LWLthr分別為高水位閾值(m)和低水位閾值(m)；P25%和P75%分別為25%和75%保證率下的湖泊日水位(m).

1.2.3 發(fā)生時(shí)間指標(biāo) 湖泊高水位的發(fā)生時(shí)間是指湖泊水位初次上升至高水位閾值的日期；低水位發(fā)生時(shí)間是指湖泊水位初次下降至低水位閾值的日期.湖泊高、低水位的發(fā)生時(shí)間可采用優(yōu)化模型計(jì)算.為避免水位日波動(dòng)造成的誤差，本研究認(rèn)為當(dāng)連續(xù)7d的水位均值達(dá)到高水位閾值時(shí)，該水位才被認(rèn)為屬于高水位事件.高水位發(fā)生時(shí)間的計(jì)算模型為：

(3)

式中，HWLstim為高水位發(fā)生時(shí)間(年積日)，JD為日期(年積日)，DWLi為實(shí)測(cè)日平均水位(m).

與高水位發(fā)生時(shí)間類(lèi)似，低水位發(fā)生時(shí)間的計(jì)算模型為：

(4)

式中，LWLstim為低水位發(fā)生時(shí)間(年積日).

1.2.4 水位歷時(shí)指標(biāo) 水位歷時(shí)是指高、低水位事件的持續(xù)時(shí)間，可根據(jù)水位的發(fā)生日期和結(jié)束日期計(jì)算.高水位的歷時(shí)為高水位結(jié)束日期減去高水位的發(fā)生日期，具體計(jì)算公式為：

HWLdur=HWLetim-HWLstim

(5)

(6)

式中，HWLdur和HWLetim分別為高水位歷時(shí)(d)和高水位結(jié)束日期(年積日).

同理，低水位歷時(shí)的計(jì)算公式可表達(dá)為：

LWLdur=LWLetim-LWLstim

(7)

(8)

式中，LWLdur和LWLetim分別為低水位歷時(shí)(d)和低水位結(jié)束日期(年積日).

1.2.5 水位變化指標(biāo) 水位變化發(fā)生與高水位和低水位之間的過(guò)渡時(shí)期，包括從低水位向高水位轉(zhuǎn)變時(shí)的水位上升速率和從高水位向低水位下降時(shí)的水位下降速率，計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

式中，RWLrat和DWLrat分別為水位上升速率(m/d)和水位下降速率(m/d).

1.2.6 湖泊生態(tài)水位 在確定湖泊的高、低水位閾值后，根據(jù)公式(3)至公式(10)可計(jì)算出其他6項(xiàng)湖泊生態(tài)水位的年指標(biāo)值.由于水位的年際和年內(nèi)自然波動(dòng)，每年的數(shù)值存在差異，即在天然狀態(tài)下這些水位指標(biāo)并不是確定值.因此，湖泊生態(tài)水位指標(biāo)的取值也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)不確定性.如果用區(qū)間表示水位指標(biāo)的不確定性，該區(qū)間具有上限和下限兩個(gè)值，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的變化都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是合理的.借鑒RVA法確定河流生態(tài)需水的標(biāo)準(zhǔn)，本研究分別取33%和67%分位數(shù)作為生態(tài)水位區(qū)間的上、下限.

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

為反映湖泊水位變化的總體狀況，本研究選用的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為位于鄱陽(yáng)湖中部的都昌水位站(29.27°N，116.18°E；圖1).收集了該站點(diǎn)1952-2000年共49年的日水位數(shù)據(jù)(吳淞高程)，統(tǒng)計(jì)時(shí)期涵蓋了鄱陽(yáng)湖的豐、平、枯水文年，同時(shí)規(guī)避了三峽大壩蓄水對(duì)湖泊水位變化造成的人為影響，能夠完整體現(xiàn)鄱陽(yáng)湖天然水位的年內(nèi)和年際變化過(guò)程.都昌水位站的數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省水文局.

2 結(jié)果與討論

2.1 鄱陽(yáng)湖天然水位特征

圖3 鄱陽(yáng)湖都昌站1952-2000年日水位變化Fig.3 Daily water levels of Duchang Station in Lake Poyang during 1952-2000

圖4 鄱陽(yáng)湖都昌站水位與面積的關(guān)系(水位和面積數(shù)據(jù)來(lái)自于文獻(xiàn)[28])Fig.4 Relationship between water level and area of Duchang Station in Lake Poyang(data is from reference[28])

鄱陽(yáng)湖都昌站水位年內(nèi)變化為典型的單峰分布，具有明顯的高、低水位變化(圖3).從多年平均值(1952-2000年)來(lái)看，以7月為界，全年可分為兩個(gè)水位變化時(shí)期，1月至7月上旬水位不斷上升，7月下旬至年末為水位下降階段，呈現(xiàn)出顯著的高、低水位變化特征，年內(nèi)日平均水位的變化范圍為10.4～17.9m.從年際水位過(guò)程看，多年日最大水位和日最小水位差異顯著.多年日最大水位的變化范圍為13.1～22.5m，而多年日最小水位的變化范圍為8.3～14.4m，同一天的最高和最低水位之間的落差最大可達(dá)到10.8m.根據(jù)多年日水位計(jì)算，鄱陽(yáng)湖都昌站高水位(25%保證率)和低水位(75%保證率)分別為16.0和11.7m，對(duì)應(yīng)的湖泊面積分別為2640和1353km2，相差1287km2(圖4).總體上，鄱陽(yáng)湖水位呈現(xiàn)明顯的汛期高水位、非汛期低水位的年內(nèi)變化和豐、枯的年際變化特征，并伴隨著湖泊面積的顯著改變.

2.2 高水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

基于都昌站1952-2000年的日水位數(shù)據(jù)，采用公式(3)和公式(5)，計(jì)算出鄱陽(yáng)湖高水位每年發(fā)生的日期和歷時(shí)(圖5).從高水位發(fā)生時(shí)間的多年變化來(lái)看，鄱陽(yáng)湖高水位一般從6月開(kāi)始(當(dāng)年的第151d)，但存在較大年際波動(dòng)，變化范圍為3-8月(第69～242d)，高水位發(fā)生時(shí)間與年均水位呈顯著的線性負(fù)相關(guān)(R2=0.34,p=8.2×10-6)，年均水位每升高1m，高水位發(fā)生時(shí)間提前約24d.高水位歷時(shí)的多年均值為117d，年際變化范圍為13～219d.高水位歷時(shí)與年均水位呈顯著的線性正相關(guān)(R2=0.67,p=5.4×10-13)，年均水位每上升1m，高水位歷時(shí)將增加49d.以上分析表明，鄱陽(yáng)湖的高水位發(fā)生時(shí)間一般在7月之前，歷時(shí)約3個(gè)月，高水位發(fā)生的具體日期和歷時(shí)與豐、枯年份有關(guān).

圖5 鄱陽(yáng)湖都昌站1952-2000年高水位(a)和低水位(b)發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)Fig.5 Timing and duration of high water level(a) and low water level(b) of Duchang Station in Lake Poyang from 1952 to 2000

2.3 低水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

鄱陽(yáng)湖低水位一般開(kāi)始于11月，但不同年份之間存在一定波動(dòng)，1952-2000年記錄的低水位最早和最遲發(fā)生時(shí)間分別為9月和12月(圖5).相對(duì)于高水位發(fā)生時(shí)間，低水位發(fā)生時(shí)間的年際波動(dòng)較小，其年際低水位發(fā)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差(20d)是高水位(33d)的61%.從水位歷時(shí)來(lái)看，低水位的年均歷時(shí)為107d，歷史上低水位歷時(shí)最大值(181d)與最小值(12d)相差14倍.與高水位歷時(shí)(117d)相比，低水位歷時(shí)略短(107d)，且年際變異性為37d，低于高水位歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差(49d).此外，低水位發(fā)生時(shí)間和歷時(shí)與年均水位之間沒(méi)有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R2<0.1，p>0.05)，說(shuō)明鄱陽(yáng)湖氣候條件(豐、枯水文年)對(duì)低水位過(guò)程的影響較為有限，在天然條件下，鄱陽(yáng)湖低水位的發(fā)生日期和歷時(shí)相對(duì)穩(wěn)定.然而，低水位發(fā)生日期與歷時(shí)之間存在顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.36，p=4.7×10-6)，即低水位發(fā)生時(shí)間越早，其歷時(shí)越短，而發(fā)生時(shí)間越晚，歷時(shí)越長(zhǎng)，低水位發(fā)生日期每推遲1d，低水位的歷時(shí)平均延長(zhǎng)1.1d.

圖6 鄱陽(yáng)湖都昌站1952-2000年水位變化速率Fig.6 Rising and falling rate of water level of Duchang Station in Lake Poyang from 1952 to 2000

2.4 鄱陽(yáng)湖水位變化率

低水位結(jié)束和高水位開(kāi)始期間是鄱陽(yáng)湖水位的上升期，一般發(fā)生在3-6月，從多年水位值的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，鄱陽(yáng)湖水位上升期的平均速率為0.06m/d，變化范圍在0.03～0.19m/d之間；水位下降期一般為9-11月，其平均速率略高于上升速率，達(dá)到0.10m/d，變化范圍為0.04～0.23m/d(圖6).水位的上升速率與下降速率之間沒(méi)有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(p=0.2)，它們與年均水位之間也無(wú)顯著的線性相關(guān)關(guān)系(p>0.4).因此，與其他水位指標(biāo)相比，鄱陽(yáng)湖水位的變化速率具有相對(duì)獨(dú)立的變化規(guī)律.

2.5 鄱陽(yáng)湖生態(tài)水位

依據(jù)本研究提出的生態(tài)水位計(jì)算方法，鄱陽(yáng)湖的生態(tài)水位是由高水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)、低水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)以及水位變化速率等構(gòu)成的反映整體天然水位情勢(shì)變化的指標(biāo)集合.通過(guò)計(jì)算鄱陽(yáng)湖都昌站6項(xiàng)指標(biāo)多年取值，計(jì)算出33%和67%分位數(shù)數(shù)值作為生態(tài)水位的區(qū)間閾值.根據(jù)鄱陽(yáng)湖生態(tài)水位的計(jì)算結(jié)果，如果鄱陽(yáng)湖高水位(高于16.0m)的發(fā)生時(shí)間位于年內(nèi)的第138～163d之間(約為5月18日至6月13日)，歷時(shí)控制在105～137d，那么可滿足高水位所對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)功能要求(如水生動(dòng)、植物生境)；如果鄱陽(yáng)湖低水位(低于11.7m)發(fā)生時(shí)間在年內(nèi)的第313～334d之間(約為11月10日至12月1日)，歷時(shí)為94～126d，那么與低水位相關(guān)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能，如候鳥(niǎo)越冬棲息地可得性將不會(huì)受到較大影響；鄱陽(yáng)湖的水位上升速率和下降速率分別維持在0.04～0.06m/d和0.07～0.11m/d時(shí)，對(duì)水位漲落區(qū)的群落生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義.

3 結(jié)論

湖泊生態(tài)水位是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的必要條件之一.如何確定合理的湖泊生態(tài)水位是當(dāng)前湖泊科學(xué)研究的重要內(nèi)容.目前湖泊生態(tài)水位計(jì)算方法側(cè)重于湖泊某一生態(tài)保護(hù)目標(biāo)(如魚(yú)類(lèi)或鳥(niǎo)類(lèi))或單一水位特征值(如最小生態(tài)水位或最小生態(tài)水量)的計(jì)算，忽視了水位情勢(shì)的變化過(guò)程及其生態(tài)意義，所得結(jié)果難以覆蓋完整的湖泊生態(tài)系統(tǒng).基于湖泊對(duì)天然水位情勢(shì)變化的適應(yīng)原理，認(rèn)為天然水位情勢(shì)可作為湖泊生態(tài)水位計(jì)算的重要基礎(chǔ).根據(jù)水位變化過(guò)程，構(gòu)建了包括高水位閾值、低水位閾值、高水位發(fā)生時(shí)間、高水位歷時(shí)、低水位發(fā)生時(shí)間、低水位歷時(shí)、水位上升速率和水位下降速率8項(xiàng)指標(biāo)的湖泊生態(tài)水位指標(biāo)體系，并基于這些指標(biāo)的多年變化特征提出了湖泊生態(tài)水位的目標(biāo)值區(qū)間.鄱陽(yáng)湖的生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果表明，維持鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)健康所需的高水位(高于16.0m)的發(fā)生時(shí)間在年內(nèi)第138～163d之間，歷時(shí)為105～137d；低水位(低于11.7m)發(fā)生時(shí)間為年內(nèi)第313～334d，歷時(shí)為94～126d；水位上升速率和下降速率分別應(yīng)維持在0.04～0.06m/d和0.07～0.11m/d.鑒于鄱陽(yáng)湖面積巨大，水文情勢(shì)在空間分布上存在一定的差異，水位調(diào)控應(yīng)考慮對(duì)不同湖區(qū)的影響.本研究?jī)H嘗試計(jì)算了鄱陽(yáng)湖都昌站點(diǎn)的生態(tài)水位，反映的是全湖平均情況，在具體的水位調(diào)控中，應(yīng)進(jìn)一步研究不同湖區(qū)之間的相互作用.

[1] 馬榮華,楊桂山,段洪濤等.中國(guó)湖泊的數(shù)量、面積與空間分布.中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué),2011,41(3): 394-401.

[2] 王蘇民,竇鴻身.中國(guó)湖泊志.北京:科學(xué)出版社,1998.

[3] 王圣瑞.鄱陽(yáng)湖生態(tài)安全.北京:科學(xué)出版社,2014.

[4] 楊桂山,馬榮華，張 路.中國(guó)湖泊現(xiàn)狀及面臨的重大問(wèn)題與保護(hù)策略.湖泊科學(xué),2010,22(6): 799-810.DOI 10.18307/2010.0601.

[5] Yin XA, Yang ZF. A method to assess the alteration of water-level-fluctuation patterns in lakes.ProcediaEnvironmentalSciences, 2012, 13: 2427-2436.

[6] Yang W, Yang ZF. Effects of long-term environmental flow releases on the restoration and preservation of Baiyangdian Lake, a regulated Chinese freshwater lake.Hydrobiologia, 2014， 730(1): 79-91.

[7] 崔保山,趙 翔,楊志峰.基于生態(tài)水文學(xué)原理的湖泊最小生態(tài)需水量計(jì)算.生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(7):1788-1795.

[8] Wantzen KM, Rothhaupt KO, Mortl Metal. Ecological effects of water-level fluctuations in lakes: an urgent issue.Hydrobiologia, 2008, 613: 1-4.

[9] Wilcox DA, Xie YC. Predicting wetland plant community responses to proposed water-level-regulation plans for Lake Ontario: GIS-based modeling.JournalofGreatLakesResearch, 2007, 33(4): 751-773.

[10] Hellsten S, Riihimaki J. Effects of lake water level regulation on the dynamics of littoral vegetation in northern Finland.Hydrobiologia, 1996, 340(1/2/3): 85-92.

[11] van Geest GJ, Coops H, Roijackers RMM. Succession of aquatic vegetation driven by reduced water-level fluctuations in floodplain lakes.JournalofAppliedEcology, 2005, 42(2): 251-260.

[12] 李新虎,宋郁東,張奮東.博斯騰湖最低生態(tài)水位計(jì)算.湖泊科學(xué),2007,19(2):177-181.DOI 10.18307/2007.0211.

[13] 徐志俠,王 浩,唐克旺等.吞吐型湖泊最小生態(tài)需水研究.資源科學(xué),2005,27(3):140-144.

[14] 徐志俠,王 浩,董增川等.南四湖湖區(qū)最小生態(tài)需水研究.水利學(xué)報(bào),2006,37(7):784-788.

[15] 鞏琳琳,黃 強(qiáng),薛小杰等.基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的烏梁素海生態(tài)需水研究.水力發(fā)電學(xué)報(bào),2012,31(6):83-88.

[16] 李新虎,宋郁東,李岳坦等.湖泊最低生態(tài)水位計(jì)算方法研究.干旱區(qū)地理,2007,30(4):526-530.

[17] 梁 婕,彭也茹,郭生練等.基于水文變異的東洞庭湖濕地生態(tài)水位研究.湖泊科學(xué),2013，25(3):330-334.DOI 10.18307/2013.0303.

[18] 梁犁麗,王 芳,汪黨獻(xiàn)等.烏倫古湖最低生態(tài)水位及生態(tài)缺水量.水科學(xué)進(jìn)展,2011，22(4):470-478.

[19] 劉劍宇,張 強(qiáng),孫 鵬等.鄱陽(yáng)湖最小生態(tài)需水研究.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,53(4):149-153.

[20] 劉正茂,呂憲國(guó),武海濤等.興凱湖最低生態(tài)安全水位研究.水利水電技術(shù),2008,39(2):8-10,25.

[21] 羅小勇,計(jì) 紅,邱 涼.長(zhǎng)江流域重要湖泊最小生態(tài)水位計(jì)算及其保護(hù)對(duì)策.水利發(fā)展研究,2010,10(12):36-38.

[22] Sherman DE, Kroll RW, Engle TL. Flora of a diked and an undiked southwestern Lake Erie wetland.OhioJournalofScience, 1996, 96(1): 4-8.

[23] 陳 冰,崔 鵬,劉觀華等.鄱陽(yáng)湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)食塊莖鳥(niǎo)類(lèi)種群數(shù)量與水位的關(guān)系.湖泊科學(xué),2014,26(2):243-252.DOI 10.18307/2014.0211.

[24] Havens KE, Gawlik DE. Lake Okeechobee conceptual ecological model.Wetlands, 2005, 25(4): 908-925.

[25] Holm TE, Clausen P. Effects of water level management on autumn staging waterbird and macrophyte diversity in three Danish coastal lagoons.BiodiversityandConservation, 2006, 15(14): 4399-4423.

[26] Coops H, Hosper SH. Water-level management as a tool for the restoration of shallow lakes in the Netherlands.LakeandReservoirManagement, 2002, 18(4): 293-298.

[27] Richter BD, Baumgartner JV, Wigington Retal. How much water does a river need?FreshwaterBiology, 1997, 37(1): 231-249.

[28] 李 鵬，封志明，姜魯光等.鄱陽(yáng)湖天然湖面遙感監(jiān)測(cè)及其與水位關(guān)系研究.自然資源學(xué)報(bào),2013,28(9):1556-1568.

[29] 胡振鵬，葛 剛，劉成林等.鄱陽(yáng)湖濕地植物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及湖水位對(duì)其影響研究.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2010,19(6):597-605.

[30] 姚 鑫，楊桂山，萬(wàn)榮榮等.水位變化對(duì)河流、湖泊濕地植被的影響.湖泊科學(xué),2014,26(6):813-821.DOI 10.18307/2014.0601.

New method and application of estimating ecological water level of the Lake Poyang

GAN Feng1, TANG Lin2, GUO Huaicheng3& GAO Wei3

(1:JiujiangEnvironmentalMonitoringStation,Jiujiang332000,P.R.China)

(2:CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,P.R.China)

(3:KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciences,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,P.R.China)

Water level is a major feature and indicator of hydrological regimes of lakes, as affecting water volume, water quality and habitat of lakes. It is considered as a key factor affecting ecosystem health of lakes. How to estimate an ecological water level for lakes has long been an important scientific issue in lake science research. Based on multiple-year water level data of the Lake Poyang, water level indicators were identified from natural water level regimes to build up a new water level for the lake. Water level indices based on natural regimes are grouped as duration, timing, and rate of change for high and low water levels to represent lake ecological water level. The proposed method based on this study can improve lake ecological water level estimation by supplying a more detailed description of water level process which is not available from the traditional methods. Based on this new method and daily water level data of Duchang Station in the Lake Poyang from 1952 to 2000, interval of ecological water level of the Lake Poyang was estimated to underpin the decision-making for ecological and water conservancy management of the Lake Poyang.

Lake; ecological water level; ecological water requirement; Lake Poyang; water level alteration; hydrology index method

*江西省科技廳軟科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(20122BBA10059)資助.2014-12-18收稿；2015-01-19收修改稿.淦峰(1973～),男,高級(jí)工程師;E-mail:jjhbgf@126.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 783-790

DOI 10.18307/2015.0504

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者;E-mail:jacob@pku.edu.cn.