基于水質(zhì)管理目標的博斯騰湖生態(tài)水位研究

胡春明,娜仁格日樂,尤 立

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085 2 新疆巴音郭楞蒙古自治州博斯騰湖科學研究所,庫爾勒 841000

湖泊及其流域是支持人類文明發(fā)展的重要場所,其生態(tài)服務(wù)功能對于社會經(jīng)濟發(fā)展極為重要,包括水資源提供、水產(chǎn)品提供、徑流調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持、旅游等。隨著流域開發(fā)活動不斷加劇,江湖阻斷以及圍墾、圍網(wǎng)、圍堤、亂修亂建等導致湖泊生境破碎和生物棲息地減少,湖泊生態(tài)平衡破壞,生物多樣性受損,生態(tài)功能退化。研究湖泊生態(tài)水位或生態(tài)需水量,對于維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康意義重大。

對湖泊生態(tài)需水的研究始于20世紀末,Rashin等[1]提出為保證水資源的可持續(xù)利用,應滿足湖泊生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求,首次提出了湖泊生態(tài)需水量的概念。David等[2]提出,為了最大程度地實現(xiàn)湖泊的生態(tài)價值,須滿足它本身所需要的水量。Ngana等[3]提出,保證一定水量來維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的需要、維持社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

自21世紀起,國內(nèi)陸續(xù)開展了湖泊生態(tài)水位或生態(tài)需水研究,并提出諸多生態(tài)水位計算方法,主要包括水文學法、水力學法以及功能法。水文學法認為湖泊生態(tài)系統(tǒng)在常年演變中與水文情勢建立了相互適應關(guān)系,可基于湖泊系列水文資料分析提出生態(tài)水位,代表性方法有保證率法[4]、水位資料法[5]、水量平衡法[6]及借鑒河流生態(tài)需水形成的水文變化指標法[7]。水力學法主要從湖泊地形出發(fā),基于水位、水面面積、庫容等相互關(guān)系分析得出生態(tài)水位,代表性方法有湖泊形態(tài)分析法[5]。功能法從維持和保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常的生態(tài)環(huán)境功能或某項特定功能的角度出發(fā),綜合分析提出生態(tài)水位,在目前湖泊生態(tài)水位研究中得到了廣泛應用,如：崔保山等[8]根據(jù)湖泊水量與生態(tài)功能相關(guān)性計算生態(tài)需水量；王效科等[9]從烏梁素海水量平衡、水質(zhì)改善角度提出引黃河水補給的最小生態(tài)需水量；白元等[10]以恢復塔里木河下游地下水位及植被面積為目標提出區(qū)域生態(tài)需水量；梁犁麗等[11]基于烏倫古湖魚類、鹽度、水量關(guān)系提出生態(tài)水位；姜亮亮[12]基于艾里克湖面積及周邊濕地、河谷林水量需求提出艾里克湖流域生態(tài)需水量。還有研究在方法應用上做了一定探索：賀金等[13]在豐平枯水年劃分的基礎(chǔ)上研究鄱陽湖生態(tài)水位；陳玥等[14]在年內(nèi)高、低水位期劃分的基礎(chǔ)上提出高郵湖生態(tài)水位；張華等[15]綜合應用保證率法、水量平衡法研究東居延海在不同湖面面積保證率時的生態(tài)需水?？傮w上,生態(tài)水位研究方法較成熟且各具特點,結(jié)合研究目標、湖泊特征、基礎(chǔ)資料等情況在實際工作中進行選擇、優(yōu)化應用。

博斯騰湖是我國最大的內(nèi)陸淡水湖,也是新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州“母親湖”,但持續(xù)的流域開發(fā)給博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量帶來相應影響：一是污染源輸入增多,湖泊水體化學需氧量(COD)不能達到地表水環(huán)境Ⅲ類標準限值,且空間差異明顯[16]；二是湖泊水文情勢發(fā)生改變,現(xiàn)狀湖區(qū)水源輸入口(開都河東支)與輸出口(揚水站)距離過近,湖泊內(nèi)循環(huán)能力較差,水文循環(huán)主要靠風力驅(qū)動[17]。因此,從水質(zhì)管理角度研究提出博斯騰湖生態(tài)水位對于博斯騰湖水環(huán)境保護及水資源利用具有現(xiàn)實意義。

湖泊水質(zhì)通常受到水文情勢影響：水位上升意味著更多污染物輸入湖泊,另一方面也引起湖泊原有污染物的稀釋、混合[18]；水位波動改變湖泊水動力條件以及營養(yǎng)鹽的釋放與富集[19]；水動力條件決定水體內(nèi)污染物、泥沙和能量的輸移與轉(zhuǎn)化,并通過稀釋水體和加快物質(zhì)交換來影響污染物濃度分布[20-21]。部分研究發(fā)現(xiàn),水文情勢因子與COD、高錳酸鹽指數(shù)、氮、磷等水質(zhì)指標甚至存在顯著相關(guān)性[19,22]。

博斯騰湖水動力影響區(qū)域主要為西南湖區(qū),即開都河東支入湖口與揚水站區(qū)域,其他湖區(qū)受水動力影響極弱[17],這一水動力特征導致水位對整個湖區(qū)的影響遠高于其他水文情勢因子。已有研究表明博斯騰湖水位對營養(yǎng)鹽[16]、礦化度[23]、生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[24]均有較大影響,而水位對COD的影響尚無研究,若兩者存在顯著相關(guān)性,則可通過調(diào)控水位改善水體COD濃度。本研究擬分析博斯騰湖水位和COD濃度關(guān)系,研究提出基于水質(zhì)管理目標的生態(tài)水位,以期為博斯騰湖水資源、水環(huán)境管理提供參考。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

圖1 博斯騰湖地理位置圖Fig.1 The geographical location of Bosten Lake

博斯騰湖位于中國天山南麓焉耆盆地東南部低洼處,地理位置介于86°19′—87°28E,41°46′—42°08′N,是開都河等水系的尾閭,又是孔雀河水系的源頭(圖1)。流域?qū)儆诟珊荡箨懶詺夂?干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照時間長。根據(jù)博斯騰湖附近的焉耆氣象站數(shù)據(jù)：多年平均降雨量72.3 mm,多年平均蒸發(fā)量1887 mm,多年平均氣溫7.9℃,多年平均日照數(shù)3111.5 h。

博斯騰湖分為大湖區(qū)和小湖區(qū),湖區(qū)及周邊水系見圖2。大湖區(qū)是湖體主要部分,水位1047.00 m時,湖面面積1064.1 km2,容積73.03億 m3,平均水深約7.5 m,最深處約16 m。小湖區(qū)位于大湖區(qū)西南部,由諸多淺小湖泊和大片蘆葦沼澤濕地組成。大、小湖區(qū)之間有大小湖隔堤工程,由設(shè)置的生態(tài)涵管保持水力聯(lián)系。

歷史上匯入博斯騰湖的河流有開都河、黃水溝、清水河、曲惠溝、烏拉斯臺河。目前黃水溝、清水河、曲惠溝、烏拉斯臺河隨著流域農(nóng)業(yè)用水需求增大,已無徑流匯入。而開都河經(jīng)寶浪蘇木分水樞紐控制,東支匯入博斯騰湖大湖區(qū),西支匯入小湖區(qū)。流域各類污水匯入黃水溝濕地、小湖區(qū)濕地及其他人工濕地進行凈化。

博斯騰湖唯一出水口是位于大湖區(qū)西南角的揚水站,包括建成于1983年的西泵站和建成于2008年的東泵站,出水進入下游孔雀河,水量由人為控制。

圖2 博斯騰湖水系圖Fig.2 Water system of Bosten Lake

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

博斯騰湖2008年前有14個國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點,2009年后增加15、16、17號監(jiān)測點(圖2)。巴音郭楞蒙古自治州環(huán)境監(jiān)測站于每年4—10月份每月采樣、監(jiān)測一次,監(jiān)測包括COD在內(nèi)的32項指標,同時從新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局獲取采樣當日的水位數(shù)據(jù)。

因COD指標自2003年開始監(jiān)測,本研究采用2003年至2016年博斯騰湖COD監(jiān)測數(shù)據(jù)及其對應的水位數(shù)據(jù),共計1183組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在各點位及各月份的統(tǒng)計情況見表1。

此外,從塔里木河流域管理局獲取1964年至2016年博斯騰湖月均水位數(shù)據(jù)。

表1 博斯騰湖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量統(tǒng)計

1.3 數(shù)據(jù)分析與制圖

利用PASW Statistics 18對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、相關(guān)分析及回歸分析,利用OriginPro 8.5及ArcGIS 10.2制圖。

2 博斯騰湖水位-COD關(guān)系研究

2.1 博斯騰湖COD特征

圖3 博斯騰湖水體COD濃度空間差異Fig.3 Spatial difference of COD concentration in Bosten Lake

由于空間位置及邊界條件差異,博斯騰湖17個監(jiān)測點的COD濃度差別較大(圖3)。14號監(jiān)測點位于博斯騰湖西南部,由于臨近開都河東支入湖口,受開都河Ⅱ類地表水補給,COD濃度最低((20.42±7.31) mg/L),類似的有1、12、13號監(jiān)測點。7號監(jiān)測點位于博斯騰湖西北部,由于毗鄰黃水溝濕地,受污染物輸入影響,COD濃度最高((26.47±4.26) mg/L),類似的有8、9號監(jiān)測點；17號監(jiān)測點位于博斯騰湖東部,遠離水源輸入口及輸出口導致水動力條件較差,與開都河Ⅱ類地表水的交換也最弱,COD濃度較高((25.12±3.94) mg/L),類似的有16號監(jiān)測點；其他區(qū)域的各監(jiān)測點COD濃度平均值普遍為23—25 mg/L。

2.2 博斯騰湖水位特征

自1964年以來,博斯騰湖水位可大致分為3個階段(圖4)：1964—1987年為水位下降期,年均水位由1047.95 m下降至1045.00 m；1987—2002年為水位上升期,年均水位逐漸上升至1048.66 m；2002—2013年為水位下降期,年均水位逐漸下降至1045.12 m；2014年起,博斯騰湖水位呈現(xiàn)上升趨勢。

伊麗努爾·阿力甫江[25]認為：影響博斯騰湖水位的主要自然因素有氣溫、入湖徑流量以及降水量,主要人為因素是灌溉耗水量、灌區(qū)引水量與耕地面積；1958—2002年,水位變化主要驅(qū)動因素呈自然因素向人類活動的變化趨勢,2003年以后人類活動對水位影響顯著增加。

博斯騰湖年內(nèi)水位變化存在一定趨勢(圖4)：3—10月水位較高,可視為流域豐水期；而11月至次年2月則水位較低,可視為流域的枯水期。但年內(nèi)水位差異較小,多年平均水位9月份最高為1046.58 m,1月份最低為1046.40 m。原因在于博斯騰湖容積遠大于地表徑流補給量,湖泊調(diào)蓄作用削弱了流域不同水文期的影響：大湖區(qū)容積73.03億m3(水位1047.00 m時),而開都河東支多年平均徑流量約17億m3。

由博斯騰湖年內(nèi)水位變化趨勢也可發(fā)現(xiàn)人類活動影響的痕跡：3月份流域冰川融水開始為博斯騰湖帶來徑流補給,4月份湖泊出現(xiàn)一個水位峰值；5月至8月期間是流域主要灌溉季節(jié),灌溉用水需求高于徑流量,湖泊水位略有降低；9月進入非灌溉期,而地表徑流仍較為充沛,湖泊水位達到峰值；10月中下旬流域開始冬灌,且地表徑流減少,水位持續(xù)下降。

圖4 博斯騰湖水位變化Fig.4 Water level variation of Bosten Lake

2.3 水位-COD相關(guān)分析

將COD數(shù)據(jù)與其相應的水位數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析,采用Pearson簡單相關(guān)系數(shù)的雙側(cè)檢驗,結(jié)果表明兩者之間具有顯著負相關(guān)(表2)。

表2 博斯騰湖水位-COD相關(guān)系數(shù)

**P<0.01

2.4 水位-COD回歸分析

對COD濃度及水位嘗試進行回歸分析,選擇一元線性、對數(shù)等六種函數(shù)模型進行曲線估計,結(jié)果顯示各模型的擬合結(jié)果均不理想,R2值最高僅0.193(表3)。其原因主要有兩方面：一是博斯騰湖水質(zhì)空間分布不均,雖然各監(jiān)測點COD濃度均與水位顯著相關(guān),但相關(guān)關(guān)系不盡相同；二是水位僅為COD濃度的影響因素之一。

3 博斯騰湖生態(tài)水位分析

3.1 累計水位分析

鑒于博斯騰湖水位與COD濃度的顯著相關(guān)性,基于水位控制實現(xiàn)COD濃度管理成為可能。若兩者之間存在某種函數(shù)關(guān)系,根據(jù)COD目標濃度即可得出相應的生態(tài)水位,但水位與COD濃度曲線估計結(jié)果卻不理想。因此,引入累計水位概念進行統(tǒng)計分析,即：大于等于或小于等于某濃度的COD數(shù)據(jù)所對應水位的平均值。

基于COD濃度降序排列得出的累計水位統(tǒng)計結(jié)果如圖5。以地表水Ⅲ類標準限值的COD濃度20 mg/L為目標值,在1183組數(shù)據(jù)中,COD濃度大于等于20 mg/L的數(shù)據(jù)共有995組,該995組數(shù)據(jù)的水位平均值為1046.02 m。同理,基于COD濃度升序排列得出的累計水位統(tǒng)計結(jié)果如圖5,COD濃度小于等于20 mg/L的數(shù)據(jù)共有208組,水位平均值為1046.40 m。

表3 博斯騰湖水位-COD曲線估計結(jié)果

x為水位,y為COD

需要說明的是,本研究基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的累計水位具有統(tǒng)計學意義,但與博斯騰湖COD濃度沒有必然關(guān)系。以累積水位1046.4 m為例,得出該水位的208組數(shù)據(jù)中有106組數(shù)據(jù)的水位低于1046.4 m；而在1183組數(shù)據(jù)中水位大于等于1046.4 m數(shù)據(jù)的COD平均值為21.85 mg/L,仍高于20 mg/L。

圖5 博斯騰湖累計水位Fig.5 Cumulative water level of Bosten Lake

3.2 生態(tài)水位分析

1964—2016年博斯騰湖月均水位的累積頻率如圖6所示。由于博斯騰湖豐水期及枯水期的水位差別不大,特征水位在不同水文時期的累積頻率也較為接近：兩個特征水位1046.02、1046.40 m在歷史水位的頻率分別為59.19%、44.05%；在歷史豐水期(3—10月)水位的頻率分別為60.83%、44.70%。鑒于本研究采用的COD數(shù)據(jù)實際為4—10月份,故采用豐水期水位頻率分析結(jié)果。

圖6 博斯騰湖水位累積頻率分布圖Fig.6 Cumulative frequency distributing graph of water level in Bosten Lake

保證率法通常采用90%、75%、50%特征頻率分析湖泊、河流生態(tài)水位[4,26]。本研究以實現(xiàn)博斯騰湖水體COD濃度達標為目標,兩個特征水位的頻率與水文學法有所差異,但仍較具有代表性：特征水位1046.02 m在歷史豐水期水位的頻率為60.83%,屬于偏枯水月頻率；特征水位1046.4 m在歷史豐水期水位的頻率為44.70%,屬于平水月頻率。因此,將1046.02 m以及1046.4 m分別作為博斯騰湖的最小生態(tài)水位、適宜生態(tài)水位是較合理的。

4 討論

水文學法、水力學法、功能法三大類方法在生態(tài)水位研究中各有優(yōu)劣[27]：水文學法基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲得,且不需要現(xiàn)場測量,但精度往往不夠,主要適用于初步確定生態(tài)水位；水力學法需要開展現(xiàn)場測量,較適合于河湖床相對穩(wěn)定的淺灘式水體,缺點是忽略了水體季節(jié)變化,不適用于時令河湖；功能法思路清晰、理論性強,但資料需求普遍較多,應用難度相對較大。

在最初的湖泊生態(tài)水位研究中,通常采用不同方法分別計算生態(tài)水位,然后比選確定最終的生態(tài)水位[4- 6]。隨著人類對湖泊生態(tài)服務(wù)功能的需求日益增長,生態(tài)水位研究更多從維持湖泊某項功能或保護湖泊生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā),功能法也成為了主要研究方法。本研究以維持博斯騰湖COD濃度達標為主要目標,基于水位與COD濃度統(tǒng)計分析研究提出生態(tài)水位,屬于功能法應用范疇,但在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及生態(tài)水位分析過程中,借鑒了水文學法研究手段。

影響博斯騰湖COD濃度的因素有很多,氣溫、降雨、風力風向、地表徑流、水位、湖泊生態(tài)系統(tǒng)等自然因素以及人口、耕地面積、灌溉制度、用水量、水利開發(fā)等人為因素均與COD濃度有著相關(guān)關(guān)系。水位與COD濃度顯著負相關(guān)還易于調(diào)控,這使得通過控制生態(tài)水位實現(xiàn)博斯騰湖水質(zhì)管理具有理論意義和可操作性。已有研究從不同角度分析了博斯騰湖生態(tài)水位：夏軍等[28]綜合考慮博斯騰湖水位對水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟的影響,建議控制水位1046.0—1047.5 m以減少水體礦化度上升、有機質(zhì)污染、周邊濕地退化、漁業(yè)資源減少等問題。李新虎等[29]基于天然水位資料、湖泊形態(tài)和蘆葦研究,建議博斯騰湖最低生態(tài)水位1047.16 m。周孝德等[24]構(gòu)建包括10項指標的博斯騰湖評估體系,評估認為博斯騰湖水位低于1046.2 m時健康生態(tài)狀況較差,水位高于1046.8 m時健康生態(tài)狀況較好。侯佳文等[30]以博斯騰湖濱檉柳為對象,研究提出檉柳年輪指數(shù)相應敏感的湖水位范圍為1045.3—1046.3 m。

本研究提出適宜生態(tài)水位1046.4 m基本符合夏軍、周孝德及侯佳文的生態(tài)水位研究成果,說明博斯騰湖在水位1046.4 m時既有利于水質(zhì)管理,也可保障湖泊整體生態(tài)系統(tǒng)健康。在具體生態(tài)水位數(shù)據(jù)上各研究成果有所差異,主要原因在兩方面：一是關(guān)注的功能目標不同,本研究以水體COD濃度控制為目標；二是采用的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同,本研究采用2003—2016年數(shù)據(jù),李新虎采用1956—1970年數(shù)據(jù),夏軍采用1955—2000年數(shù)據(jù),周孝德采用1993—2012年數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1)博斯騰湖水位與水體COD濃度顯著負相關(guān),但由于COD濃度空間差異較大以及影響因素不唯一,水位與COD濃度兩者曲線估計結(jié)果不理想。

2)為實現(xiàn)博斯騰湖COD濃度小于20 mg/L的水質(zhì)管理目標,引入累計水位概念進行統(tǒng)計分析得到兩個特征水位：所有COD濃度大于等于20 mg/L的數(shù)據(jù)對應水位的平均值為1046.02 m,該水位在歷史豐水期水位的頻率為60.83%,可作為最小生態(tài)水位；所有COD濃度小于等于20 mg/L的數(shù)據(jù)對應水位的平均值為1046.4 m,該水位在歷史豐水期水位的頻率為44.70%,可作為適宜生態(tài)水位。

3)本研究綜合應用功能法與水文學法進行博斯騰湖生態(tài)水位分析,研究結(jié)論與已有研究基本相符,博斯騰湖在適宜生態(tài)水位1046.4 m時既有利于水質(zhì)管理,也可保障湖泊整體生態(tài)系統(tǒng)健康。