水文變異條件下的洞庭湖生態(tài)水位研究

黃 兵，姜 恒，廖小紅，錢 湛

(湖南省水利水電勘測設計研究總院洞庭湖研究中心，長沙 410007)

洞庭湖為我國第二大淡水湖泊，是長江中下游最重要的調蓄湖泊和國際重要濕地。洞庭湖地勢西高東低，被分成東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)，自西向東形成了一個傾斜的水面。近年來，受自然演變和人類活動等因素共同影響，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)正面臨著生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)功能退化等一系列生態(tài)問題。

水位漲落過程是濕地變化的關鍵驅動力，確定合理的生態(tài)水位，對解決洞庭湖生態(tài)退化問題具有重要的現(xiàn)實意義。目前關于湖泊生態(tài)水位(或湖泊生態(tài)流量)的定義較多，不同學者從水量平衡、資源利用、生態(tài)保護、綜合等多角度提出了不同界定[1]，其中，較多學者將維護湖泊生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性和生態(tài)結構完整性等所需的水位作為湖泊生態(tài)水位[1-3]。國內(nèi)外研究生態(tài)水文的方法主要有天然水位資料法[4]、湖泊形態(tài)分析法[4,5]、生物空間最小需求法[4]、最低年平均水位法[5]、年保證率設定法[5]、功能法[6]、綜合指標法[2]等。一些學者對洞庭湖生態(tài)水位和生態(tài)流量進行了研究。程俊翔等[7]采用最低年平均水位法、年保證率設定法、湖泊形態(tài)分析法和生態(tài)水位法計算東洞庭湖最低生態(tài)水位。謝永宏等[8]從濕地水文的角度對洞庭湖1974-1987、1988-1997、1998-2007年3個時期的最小生態(tài)需水量進行了研究。梁婕等[3]考慮水文變異對東洞庭湖生態(tài)水位進行研究，采用滑動T檢驗法進行年尺度水文變異分析，把變異前序列作為計算序列，擬合月平均水位的最適合概率分布函數(shù)，求出概率密度最大處的月平均水位作為東洞庭湖生態(tài)水位?？紤]到洞庭湖生態(tài)水文問題的重要性及其特殊的地理分布特征，本文對洞庭湖生態(tài)水位的研究范圍、研究方法進行了更進一步的考慮：以東、南、西洞庭湖出口水文站的水位序列為研究對象，分別計算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位；采用月尺度進行水文變異分析，分別計算各月水文序列的變異點，可更進一步考慮人類活動和自然演變導致的水位年內(nèi)變化對水文變異的影響；分別對各站點變異前的各月平均水位進行擬合優(yōu)度檢驗，求出各月水位最優(yōu)分布函數(shù)，計算概率密度最大處的水位作為洞庭湖生態(tài)水位。

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部，長江中游荊江河段以南，北緯28°30′～30°20′，東經(jīng)110°40′～113°10′之間。洞庭湖獨特的水文氣候及地理位置奠定了其在長江流域乃至世界濕地生態(tài)中的重要地位。洞庭湖濕地是我國水系最為復雜的大型淡水濕地，是長江流域重要的凈化池和生態(tài)前置池，是國家濕地生態(tài)系統(tǒng)與重點野生動物保護區(qū)域，是世界淡水魚類優(yōu)質種質資源基因庫，被譽為“拯救世界瀕危物種的希望地”[7]。

本文選取東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(目平湖)出口處水文站：城陵磯水文站、鹿角水文站和南嘴水文站1953-2016年月平均水位作為研究對象，分別計算各站點逐月生態(tài)水位。

2 研究方法

水位情勢是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的最主要環(huán)境要素之一，水位高低、出現(xiàn)時間、歷時及變化速率都會直接或間接影響湖泊的物理形態(tài)、動植物的種類和數(shù)量。湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，水位過高或者過低，都將會對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和物種多樣性造成不利影響[9-11]。湖泊水位偏高或偏低可能會對某一類或幾類物種產(chǎn)生有利影響，但會對其他多類物種產(chǎn)生不利的后果，進而影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和物種多樣性。生態(tài)適宜性理論認為，生物在適宜的環(huán)境中，生物數(shù)量最多，生長最好，長期的自然選擇促使生物適應出現(xiàn)頻率較高的環(huán)境因子[12]。因此，本文選取概率密度最大處水位作為適宜生物生長繁殖的生態(tài)水位。

本文采用月平均水位作為計算湖泊生態(tài)水位。由于自然演變和人類活動，水文序列往往發(fā)生變異，變異前和變異后的水文序列分布發(fā)生了改變，生態(tài)系統(tǒng)往往適應了變異前的水位序列。因此，本文主要分析變異前水文序列的概率分布情況，并據(jù)此計算湖泊生態(tài)水位。

2.1 水文變異計算步驟

水文變異點的判定方法有很多，常見的方法有滑動秩和檢驗法、Mann-Kendall(M-K)檢驗法、滑動T檢驗法、滑動F檢驗法、有序聚類法、R/S分析法等。本文采用首先采用t檢驗法[13]和Mann-kendall檢驗法[14]對各站點水位序列進行水文變異綜合診斷，并結合東、南、西洞庭湖的實際情況確定最可能的變異點。上述兩種方法的計算原理和過程見相應的參考文獻。

2.2 生態(tài)水位計算步驟

如果水位序列不存在變異點，則認為整個水位序列總體分布一致，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)適應現(xiàn)狀水文狀態(tài)，計算湖泊生態(tài)水位時考慮整個水位序列。如果水位序列存在變異點，則認為變異前后水位序列的總體分布不一致，假定洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應了變異前的水文狀態(tài)，變異后的水位變化已影響湖泊濕地的生態(tài)平衡，計算湖泊生態(tài)水位時只考慮變異前的水位序列。依據(jù)生態(tài)因子與生物種群數(shù)量及生長繁殖速度的關系，認為湖泊適宜的生態(tài)水位為頻率最大處月平均水位。要計算概率密度最大處的月平均水位，首選要確定最符合計算系列的概率分布函數(shù)。因此，本文選用國內(nèi)外水文氣象領域廣泛應用的5種概率分布函數(shù)[12, 15]進行頻率分析：對數(shù)正態(tài)分布(3參)、P-Ⅲ分布(3參)、廣義極值分布(3參)、廣義帕累托分布(3參)和Wakeby分布(5參)，使用線性矩方法[16]進行參數(shù)估計，并采用Kolmogorow-Smirnow(K-S)方法的統(tǒng)計量D進行擬合優(yōu)度檢驗[17]，從中確定最適合計算系列的概率分布函數(shù)，以相對應的概率密度最大處月均水位作為湖泊生態(tài)水位。

3 結果與分析

3.1 水文變異結果及成因分析

受自然演變和人類活動共同影響，特別是受下荊江裁彎和長江中上游三峽等控制性水利樞紐運用的影響，三口入湖水量、沙量逐年減少，洞庭湖水位年內(nèi)年際發(fā)生了較大變化。因此，選擇以月尺度作為變異分析更能準確分析洞庭湖水位序列的變異特征。采用滑動T檢驗法和Mann-Whitney U 檢驗法兩種方法分別分析城陵磯、鹿角和南嘴三個水文站點的月均水位序列，結果如表1所示。

新中國成立以來，根據(jù)長江干流自然演變和水利工程建設的時間，洞庭湖大致經(jīng)歷了如下6個時期：調弦口堵口前(1951-1958年)、下荊江裁彎前(1956-1966年)、下荊江裁彎中(1967-1972年)、下荊江裁彎后(1973-1980年)、葛洲壩截流后(1981-2002年)、三峽蓄水后(2003年至今)。因此，根據(jù)表1中水文變異結果可知：①洞庭湖11月至次年7月之間發(fā)生的水文變異主要是由于荊江裁彎所引起的，9月、10月發(fā)生的水文變異主要是由于長江上游水庫群，尤其是三峽水利樞紐工程建設所引起的；②受長江干流下游洞庭湖出口河道水位頂托影響，洞庭湖水位變異由東向西逐漸減弱，城陵磯水文站全年8個月水位序列發(fā)生變異，鹿角水文站全年7個月水位序列發(fā)生變異，南嘴水文站全年6個月水位序列發(fā)生變異。由此可見，荊江裁彎和三峽等長江中上游樞紐工程建設是洞庭湖水位序列發(fā)生變異的主要原因。二者造成的荊南三口入流和長江干流洞庭湖出口處水位變化是造成洞庭湖水位序列發(fā)生變異的直接原因。

表1 洞庭湖三個水文站點月均水位水文變異分析結果

3.2 生態(tài)水位計算

洞庭湖受入湖水量和長江干流水位頂托等共同影響，湖區(qū)水位年內(nèi)、年際變化顯著，素有“洪水一大片，枯水幾條線、霜落洞庭湖干”之說。當城陵磯水位28 m以上時，東、南、西洞庭湖水面連成一片；當城陵磯水位逐漸下降26 m左右時，東、南、西洞庭湖水面之間主要是由主河槽連接；當城陵磯水位下降至23 m以下時，東、南、西洞庭湖水面幾乎只剩下主河槽內(nèi)有水面。因此，本文分別選擇東、南、西洞庭湖出口水位站水文序列作為研究對象，分別計算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位，可以從空間上為洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)修復提供參考依據(jù)。

根據(jù)水文變異分析結果，選擇變異前的水位序列作為研究對象，分別計算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位。首先確定各站點月均水位序列的概率分布函數(shù)，本文選擇5種常用的概率分布函數(shù)進行頻率分析，分別為：對數(shù)標準正態(tài)分布(3參)、P-Ⅲ分布(3參)、廣義極值分布(3參)、廣義帕累托分布(3參)、Wakeby分布(5參)。采用線性矩方法分別進行5種概率分布的參數(shù)估計，然后使用顯著性水平為5%的Kolmogorow-Smirnow(K-S)檢驗法進行擬合優(yōu)度檢驗，選擇統(tǒng)計量D最小的概率分布函數(shù)。以南嘴水文站為例，基于5種概率分布函數(shù)描述各月平均水位的統(tǒng)計量檢驗值D見表2。4、6月最適概率分布為P-Ⅲ分布，2、3、5、9、11、12月最適概率分布為廣義極值分布，1、7、8、10月最適概率分布為Wakey分布。

表2 基于5種概率分布的南嘴各月平均水位的

注：帶下劃線的值代表最優(yōu)概率分布函數(shù)，帶星號的值代表Wakeby 分布簡化為廣義帕累托分布。

根據(jù)上述最適概率分布函數(shù)，計算得到東、南、西洞庭湖生態(tài)水位結果見表3。

表3 洞庭湖3個水文站各月生態(tài)水位 m

3.3 與其他生態(tài)水位計算結果進行比較

將本文得到的生態(tài)水位結果與年保證率法進行對比，年保證率法是根據(jù)系列水文資料，分別計算不同保證率的最低生態(tài)水位[6]。根據(jù)城陵磯、鹿角和南嘴水文站1953-2016年的日均水位序列，選取逐年最低水位從大到小進行排序，得到75%保證率條件下的東、南、西洞庭湖的生態(tài)水位見表4。本文計算結果與年保證率法得到的年生態(tài)水位結果基本一致，可以為洞庭湖生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

表4 與年保證率計算結果進行對比 m

3.4 變異前后生態(tài)水位滿足率對比分析

如果實測日均水位大于等于對應月的生態(tài)水位，則認為該水位滿足生態(tài)水位要求。各月生態(tài)水位滿足的日數(shù)與計算序列對應月份總日數(shù)之比即為生態(tài)水位滿足率。分別對東、南、西洞庭湖變異前后水位序列的生態(tài)水位滿足率進行對比分析，探討自然演變和人類活動對洞庭湖生態(tài)水位的影響。洞庭湖3個水文站水位序列變異前后生態(tài)水位滿足率結果見表5。

表5 洞庭湖3個水文站生態(tài)水位滿足率 %

變異前，東、南、西洞庭湖實測日均水位的生態(tài)水位滿足率均在50%左右，表明變異前的洞庭湖日均水位約有50%左右的時間能夠滿足生態(tài)水位的要求。

變異后，3個水文站的生態(tài)水位滿足率變化各有差異。對于主要受荊江裁彎影響的11月-次年7月，荊江河段裁彎后，造成荊南三口入河水量減少，長江干流城陵磯出口處水位抬升，城陵磯和鹿角水文站距離長江干流較近，水位變異受長江干流水位頂托影響站主導作用，導致變異后城陵磯和鹿角水文站水位升高，各月份生態(tài)水位滿足率出現(xiàn)不同程度的提升；南嘴水文站距離長江干流較遠，水位變異主要受荊南三口入流影響，導致變異后南嘴水文站水位消落，各月份生態(tài)水位滿足率出現(xiàn)不同程度的降低。因此，對于荊江裁彎導致水位序列發(fā)生的水文變異，城陵磯和鹿角水文站變異后的生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)不同程度的增長；南嘴水文站變異后的生態(tài)水位滿足率呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢。

對于主要受三峽等水利樞紐工程建設影響的9、10月份，三峽等水利樞紐工程建成后，9-10月為樞紐工程集中蓄水期，三峽水庫下泄流量大幅減少，導致荊南三口入湖水量減少和長江干流城陵磯出口處水位降低，變異后城陵磯、鹿角、南嘴水文站水位受二者影響隨之大幅降低，三個水文站變異后生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)急劇下降趨勢。因此，對于三峽等水利樞紐工程導致水位序列發(fā)生的變異，三個水文站變異后生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)急劇下降趨勢。

因此，在計算洞庭湖生態(tài)水位時，以月尺度進行變異分析可以更準確地分析自然演變和人類活動對洞庭湖月均水位變異的影響，同時分別計算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位能夠更好地從時間和空間上指導洞庭湖濕地生態(tài)環(huán)境修復。

4 結 論

(1)以月尺度進行水文變異分析，分別計算水文變異條件下的東、南、西洞庭湖生態(tài)水位，結果合理且能直觀地反應各月的水位變化規(guī)律，可以更好地從時間和空間上為洞庭湖濕地生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

(2)荊江裁彎和三峽等水利樞紐工程建設引起的荊南三口入湖水量和長江干流洞庭湖出口水位變化，是導致東、南、西洞庭湖水位序列發(fā)生水文變異的主要原因。其中長江干流洞庭湖出口水位變化在東、南洞庭湖水文變異中起主導作用，荊南三口入湖水量變化在西洞庭湖水文變異中起主導作用。

(3)荊州裁彎是洞庭湖11月至次年7月發(fā)生水文變異的主要原因，變異后東、南洞庭湖水位抬升，生態(tài)水位滿足率隨之增加；西洞庭湖水位降低生態(tài)水位滿足率隨之減少。長江中上游三峽等水利樞紐工程建設是洞庭湖9、10月發(fā)生水文變異的主要原因，變異后三個水文站水位大幅降低，生態(tài)水位滿足率隨之減少。

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