不同時間尺度的鄱陽湖生態(tài)水位研究

陳 江，段 明，吳培軍，孫繼萬

(江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西 南昌 330009)

0 引 言

湖泊水位是湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動因子。對湖泊濕地植被而言，由于不同植被對水位選擇的不同及彼此競爭力的差異，植物物種沿水位具有梯度分布現(xiàn)象，同時水位波動的頻率和淹沒持續(xù)時間對于植被演替具有基礎(chǔ)性作用[1]。在全球氣候變化及流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合影響下，一些湖泊出現(xiàn)了水位下降、蓄水量減少、水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)退化的問題，對流域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了一定的不利影響。為科學(xué)調(diào)控湖泊水位、保障湖泊生態(tài)需水，國內(nèi)外學(xué)者在湖泊生態(tài)水位的理論、分析計算方法與應(yīng)用等方面已開展了較為深入的研究[2-5]。湖泊生態(tài)水位的計算方法主要包括水文學(xué)法、生物空間法、湖泊形態(tài)分析法等[6]，分析結(jié)果多為單一時間尺度下的生態(tài)水位，并不能完全滿足湖泊生態(tài)系統(tǒng)在不同時間尺度下對水位的不同需求。對于湖泊水資源開發(fā)利用與保護(hù)，需要更為明晰的水位管理目標(biāo)，即在年、月、日不同時間尺度下需保障的生態(tài)水位范圍。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊，在月尺度生態(tài)水位方面已取得了一些成果[7，8]。本文以鄱陽湖為研究區(qū)域，在闡述湖泊年、月、日尺度生態(tài)水位內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，采用頻率曲線法分析鄱陽湖不同時間尺度的生態(tài)水位，可為鄱陽湖水資源科學(xué)調(diào)控與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 湖泊生態(tài)水位的內(nèi)涵

1.1 尺度的定義與劃分

尺度是生態(tài)學(xué)研究的重要問題之一，主要包括時間尺度、空間尺度和功能尺度[9]。水域生態(tài)系統(tǒng)的時間尺度大致可劃分為微小尺度(<1年)、小尺度(1～10年)、中尺度(10～10 000年)和大尺度(>10 000年)4種[10]，不同的時間尺度下水體理化性質(zhì)及生物過程存在一定的差異。例如，湖泊底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮釋放強(qiáng)度的影響因素取決于時間尺度，短期水動力條件對釋放強(qiáng)度影響較大，但在長期并不顯著[11，12]。微小尺度的生物過程包括浮游動植物的繁殖和生長[13]，大尺度的生物過程則主要指群落長期的、歷史性的演替。

1.2 湖泊尺度生態(tài)水位的內(nèi)涵

在水域生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與管理中需要考慮時間尺度[14]。保障湖泊生態(tài)水位是保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定、實現(xiàn)水資源合理利用、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的重要手段。湖泊生態(tài)水位是保證湖泊天然狀態(tài)下水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和湖泊功能正常發(fā)揮的合理水位，具有天然漲落變化特征和區(qū)間范圍，包括最低生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位、最高生態(tài)水位[15]。在湖泊生態(tài)水位研究中同樣也需要考慮時間尺度。湖泊在流域生態(tài)系統(tǒng)中扮演著“匯”的角色，泥沙、營養(yǎng)鹽、生物殘骸等在湖內(nèi)沉積，經(jīng)過一定的歷史時期后，湖泊最終將消亡，湖泊生態(tài)系統(tǒng)可能演替為陸生生態(tài)系統(tǒng)。在大時間尺度下，伴隨著湖泊的淤積與衰亡過程，湖泊生態(tài)水位是動態(tài)變化的過程；而在小時間尺度下，在某一時期對應(yīng)湖泊演化過程的某一階段，湖泊生態(tài)水位則是相對穩(wěn)定的一個范圍。無論是氣候變化還是人類活動導(dǎo)致湖泊水位降低、蓄水量減少，超出湖泊生態(tài)水位范圍，都可能使湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭受不可恢復(fù)的破壞，從而加速湖泊消亡。

湖泊年、月、日尺度生態(tài)水位對應(yīng)著小/微小時間尺度。在特定的歷史時期內(nèi)，湖泊生態(tài)系統(tǒng)與該時期內(nèi)年、月、日尺度的水位波動變化過程相適應(yīng)。鄱陽湖是季節(jié)性湖泊，月尺度下的年內(nèi)水位豐枯變化過程對魚類、植被、越冬候鳥等都有一定的影響：豐水期水位大幅上漲，濕地生境擴(kuò)展，有利于其生態(tài)功能效益發(fā)揮；枯水期水位降低、洲灘出露，為越冬候鳥提供棲息地，食塊莖鳥類種群數(shù)量與水位密切相關(guān)[16]。若汛末水位提前消退，灘地則可能失水板結(jié)，越冬候鳥則可能難以挖食沉水植物的地下根和塊莖，不利于其覓食、棲息，甚至影響來年候鳥生境的恢復(fù)[8]。

2 材料與方法

2.1 水位資料收集

鄱陽湖流域位于長江中下游南岸，地理位置在113°35′E～118°29′E、24°29′N～30°5′N之間，流域面積16.22萬km2，約占長江流域總面積的9%。鄱陽湖匯集贛江、撫河、信江、饒河、修水“五河”來水，經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后由湖口注入長江。湖口站多年平均徑流量1480億m3，約占大通徑流量的16.6%。選取鄱陽湖星子水位站作為湖區(qū)水位的代表控制站。收集了星子站1953～2002年長系列逐日平均水位資料(凍結(jié)基面水位)。

鄱陽湖水位情勢受“五河”及長江來水的雙重影響。三峽水庫2003年6月蓄水運行后，對長江中下游江湖關(guān)系、鄱陽湖水位情勢產(chǎn)生了一定影響[17，18]。例如，三峽水庫汛前預(yù)泄期將抬升鄱陽湖水位，對防洪產(chǎn)生一定影響；汛末蓄水期將降低鄱陽湖水位，導(dǎo)致不同區(qū)域湖灘草洲出露日期提前且歷時延長，對珍稀候鳥棲息地環(huán)境造成不利影響[19]。

三峽水庫運行前的星子站水位資料可近似認(rèn)為反映了鄱陽湖近自然狀態(tài)下的水位情勢。雖然這一時期鄱陽湖流域萬安、廖坊、柘林等水利工程建設(shè)運行及社會經(jīng)濟(jì)取用水對鄱陽湖水位情勢也產(chǎn)生了一定程度的影響，但影響相對較小。以星子站1953～2002年水位序列為基礎(chǔ)，統(tǒng)計分析鄱陽湖不同時間尺度的生態(tài)水位。

2.2 生態(tài)水位分析方法

不同時間尺度下，湖泊生態(tài)水位分析所需的數(shù)據(jù)資料、計算方法及結(jié)果等都可能存在一定的差異。在分析不同時間尺度的湖泊生態(tài)水位時，可根據(jù)湖泊生態(tài)特征、自然地理特征、資料積累情況等實際情況，因地制宜地采用合適的計算方法。若采用水文學(xué)法計算湖泊生態(tài)水位，宜采用年、月、日尺度的水位資料分別分析相應(yīng)尺度的生態(tài)水位，不宜由小尺度生態(tài)水位推求大尺度生態(tài)水位。例如，由月平均水位資料，采用95%保證率水位作為各月的最低生態(tài)水位；不宜直接由各月最低生態(tài)水位推求年最低生態(tài)水位，宜由年平均水位資料，采用95%保證率水位作為年最低生態(tài)水位。因為枯水年的各月并不一定都是枯水月份，由各月最低生態(tài)水位推求的年最低生態(tài)水位可能偏低，在年尺度下可能無法滿足湖泊生態(tài)需水。

以日平均水位資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計月平均水位及年平均水位；分別以日均水位、月均水位及年均水位序列為基礎(chǔ)，采用頻率曲線法統(tǒng)計分析日、月、年尺度的生態(tài)水位。在分析日尺度生態(tài)水位時，也是按月份分別分析。例如對于1月日尺度生態(tài)水位，由1953～2002年各年1月份的逐日平均水位統(tǒng)一參與頻率分析。

頻率曲線法是湖泊生態(tài)水位分析常用的水文學(xué)法，其理論基礎(chǔ)是生態(tài)適應(yīng)性理論，主要考慮生態(tài)系統(tǒng)對水文情勢的適應(yīng)性。用長系列水位資料構(gòu)建頻率曲線(皮爾遜Ⅲ型曲線)，將95%、50%、5%頻率相應(yīng)的水位分別作為最低生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位、最高生態(tài)水位。頻率的具體取值可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[6]。

3 結(jié) 果

3.1 年尺度

以星子站1953～2002年年平均水位為基礎(chǔ)，采用頻率曲線法統(tǒng)計分析鄱陽湖年尺度生態(tài)水位。在計算年尺度生態(tài)水位時，分別將5%、50%、95% 頻率相應(yīng)的年平均水位作為最高生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位、最低生態(tài)水位。通過分析，鄱陽湖年尺度最低生態(tài)水位為12.07 m，適宜生態(tài)水位為13.40 m，最高生態(tài)水位為15.15 m。

在進(jìn)行鄱陽湖流域年水資源配置與管理時，建議考慮鄱陽湖年尺度生態(tài)水位要求。

3.2 月尺度

以星子站1953～2002年月平均水位為基礎(chǔ)，采用頻率曲線法統(tǒng)計分析鄱陽湖月尺度生態(tài)水位。在計算月尺度生態(tài)水位時，分別將 5%、50%、95% 頻率相應(yīng)的月平均水位作為最高生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位、最低生態(tài)水位。鄱陽湖月尺度生態(tài)水位計算分析結(jié)果見表1。其中根據(jù)月尺度最高、適宜、最低生態(tài)水位推求的年平均值分別為16.08 m 、13.42 m、11.13 m。

表1 鄱陽湖月尺度生態(tài)水位 m

在進(jìn)行鄱陽湖流域水資源年內(nèi)分配規(guī)劃與管理時，建議考慮鄱陽湖月尺度生態(tài)水位要求。

3.3 日尺度

以星子站1953～2002年日平均水位為基礎(chǔ)，采用頻率曲線法統(tǒng)計分析鄱陽湖日尺度生態(tài)水位。在計算日尺度生態(tài)水位時，分別將 5%、50%、95% 頻率相應(yīng)的日平均水位作為最高生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位、最低生態(tài)水位。鄱陽湖日尺度生態(tài)水位的計算分析結(jié)果見表2(因日尺度生態(tài)水位數(shù)據(jù)較多，本文以日尺度生態(tài)水位的月平均值代表日尺度生態(tài)水位分析結(jié)果)。

表2 鄱陽湖日尺度生態(tài)水位月平均值 m

未來在鄱陽湖水利樞紐工程進(jìn)行鄱陽湖水位調(diào)控時，建議綜合考慮年、月、日尺度生態(tài)水位要求。對于某一天的平均水位，不應(yīng)低于當(dāng)月日尺度最低生態(tài)水位，且不應(yīng)高于當(dāng)月日尺度最高生態(tài)水位。而且需要注意，不宜長期按日尺度最低生態(tài)水位或日尺度最高生態(tài)水位調(diào)控，盡量使水位維持在適宜生態(tài)水位。若長期按日尺度最低生態(tài)水位或日尺度最高生態(tài)水位調(diào)控，則實際月平均水位可能低于月尺度最低生態(tài)水位或高于月尺度最高生態(tài)水位，對生態(tài)系統(tǒng)造成一定的不利影響。

4 討 論

由月尺度最低生態(tài)水位推求的年平均值為11.13 m，明顯低于年尺度最低生態(tài)水位，從年總需水量的角度可能并不能完全滿足生態(tài)需求；由月尺度最高生態(tài)水位推求的年平均值為16.08 m，明顯高于年尺度最高生態(tài)水位，從年總需水量的角度可能超出了實際生態(tài)需求，也可能影響生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定。因此，建議由一定時間尺度的水位資料分析相應(yīng)尺度的生態(tài)水位，不宜由其它時間尺度的生態(tài)水位推求。同時需要注意，不宜每個月份都按月尺度最低生態(tài)水位或月尺度最高生態(tài)水位調(diào)控，否則在年尺度下可能無法滿足湖泊生態(tài)需水，宜盡量使水位維持在適宜生態(tài)水位。

不同時間尺度的適宜生態(tài)水位較為接近，這可能與分析計算時采用頻率曲線法，適宜生態(tài)水位取50%頻率的對應(yīng)值有關(guān)。由月尺度適宜生態(tài)水位推求的年平均值為13.42 m，與年尺度適宜生態(tài)水位僅相差0.02 m；各月份月尺度適宜生態(tài)水位與日尺度適宜生態(tài)水位相差也不大，絕對差值最大的是2月份月尺度適宜生態(tài)水位與日尺度適宜生態(tài)水位的差值，僅為0.13 m。

除了頻率曲線法，在分析計算湖泊不同時間尺度生態(tài)水位時，可統(tǒng)籌考慮生物空間法、湖泊形態(tài)分析法等。不同時間尺度下湖泊水位波動變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理仍有待于進(jìn)一步深入研究，以夯實湖泊生態(tài)水位研究的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚鑫，楊桂山，萬榮榮，等.水位變化對河流、湖泊濕地植被的影響[J].湖泊科學(xué)，2014，26(6)：813～821.

[2] Ngana JO，Mwalyosi RBB，Madulu NF，et al.Development of an integrated water resources management plan for the Lake Manyara sub-basin，Northern Tanzania[J].Physics and Chemistry of the Earth，2003，28(20-27)：1033～1038.

[3] 徐志俠.河道與湖泊生態(tài)需水研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[4] 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[J].湖泊科學(xué)，2013，25(3)：330～334.

[5] 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[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011，22(4)：470～478.

[6] SL/Z 712—2014.河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范[S].

[7] 劉劍宇，張強(qiáng)，顧西輝，等.基于變帶寬核密度估計的鄱陽湖生態(tài)水位研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，54(3)：151～157.

[8] 劉惠英，王永文，關(guān)興中.鄱陽湖濕地適宜生態(tài)需水位研究——以星子站水位為例[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報，2012，31(3)：46～50.

[9] 呂一河，傅伯杰.生態(tài)學(xué)中的尺度及尺度轉(zhuǎn)換方法[J].生態(tài)學(xué)報，2001，21(12)：2096～2105.

[10] Habersack HM.The river-scaling concept(RSC)：a basis for ecological assessments[J].Hydrobiologia，2000，422：49～60.

[11] 王政，趙林，李鑫，等.不同時間尺度下湖泊氮素內(nèi)源釋放強(qiáng)度影響因素的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30(12)：2542～2547.

[12] 趙林林，朱夢圓，馮龍慶，等.太湖水體理化指標(biāo)在夏季短時間尺度上的分層及其控制因素[J].湖泊科學(xué)，2011，23(4)：649～656.

[13] 李煜，夏自強(qiáng).水域生態(tài)系統(tǒng)的時間尺度與空間尺度[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，35(2)：168～171.

[14] 趙彥偉，楊志峰.河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的時空尺度探討[J].水土保持學(xué)報，2005，19(3)：196～200.

[15] 郭利丹.河流和湖泊水域生態(tài)需水保障基礎(chǔ)理論研究[D].南京：河海大學(xué)，2012.

[16] 陳冰，崔鵬，劉觀華，等.鄱陽湖國家級自然保護(hù)區(qū)食塊莖鳥類種群數(shù)量與水位的關(guān)系[J].湖泊科學(xué)，2014，26(2)：243～252.

[17] Lai XJ，Liang QH，Jiang JH，et al.Impoundment Effects of the Three-Gorges-Dam on Flow Regimes in Two China’s Largest Freshwater Lakes[J].Water Resources Management，2014，28(14)：5111～5124.

[18] Mei XF，Dai ZJ，Du JZ，et al.Linkage between Three Gorges Dam impacts and the dramatic recessions in China’s largest freshwater lake，Poyang Lake[J].Scientific Reports，2015(5)：18197.

[19] 董增川，梁忠民，李大勇，等.三峽工程對鄱陽湖水資源生態(tài)效應(yīng)的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，40(1)：13～18.