撫仙湖適宜生態(tài)水位研究及水位改變度分析

谷桂華，楊 侃，楊文春，朱文祥，李紅明，林家陽，陳佳林

（1.云南省水文水資源局玉溪分局，云南玉溪653100；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098）

撫仙湖是我國第二深淡水湖，系珠江源頭第一大湖，總蓄水量206.2 億m3，綜合水質(zhì)長期保持Ⅰ類，是滇中地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要載體和生命線。撫仙湖南部有2.2 km 長的隔河與星云湖連通，自然狀態(tài)下星云湖水從隔河流入撫仙湖，撫仙湖水又從東岸海口河流入南盤江。隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，星云湖水體污染日趨嚴重，湖泊富營養(yǎng)化程度日趨加劇，對下游的撫仙湖保護造成了嚴重的危害。河湖水系連通是解決湖泊水環(huán)境和水生態(tài)問題的重要手段［1］。2003年底，撫仙湖-星云湖出流改道工程開工建設(shè)，目的是改變星云湖水的出流方向，使優(yōu)質(zhì)的撫仙湖水倒流入星云湖，達到搶救星云湖、保護撫仙湖的目的［2］。2007年底，出流改道工程竣工運行后，連接星云湖和撫仙湖的隔河流向改變，撫仙湖成為星云湖的上級湖，其部分水量經(jīng)隔河瀉入星云湖；從2009年至今，撫仙湖均未從海口河出流。撫仙湖-星云湖出流改道工程的建成運行改變了撫仙湖水文水動力條件，對湖區(qū)的生態(tài)平衡將產(chǎn)生一定影響。撫仙湖作為珠江源頭第一大湖，其水生態(tài)安全性直接關(guān)系滇中地區(qū)和珠江水系及泛珠三角經(jīng)濟圈的生態(tài)安全。因此，撫仙湖水生態(tài)研究已成為一個重要課題。

近年來，有關(guān)學(xué)者對撫仙湖水環(huán)境和水生態(tài)開展的研究中，吉正元等［3］根據(jù)近年浮游植物和部分水質(zhì)理化指標監(jiān)測數(shù)據(jù)，對撫仙湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系進行了研究，還通過設(shè)置樣點并進行相關(guān)監(jiān)測統(tǒng)計，分析撫仙湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其對水質(zhì)的響應(yīng)［4］；秦潔等［5］通過野外調(diào)查及實驗室研究的方法，對撫仙湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性進行了分析；李彪等［6］則通過分析樣點表層沉積物（0～5 cm）AVS 與SEM 分布特征，對全湖重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險進行了評估，認為撫仙湖全湖尤其是南部湖區(qū)重金屬生態(tài)風(fēng)險需引起重視。

湖泊水位同河道流量一樣，是形成湖泊的重要因子，支撐著湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［7］，它能最直觀地反映湖泊水情，湖泊水量水質(zhì)的變化會通過水位的變化表現(xiàn)出來［8］，水位變化直接影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能［9，10］。因此，研究湖泊的生態(tài)水位需求，是一個十分重要的課題。楊毓鑫等［11］利用長系列水文資料采用多種方法分析了東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生態(tài)水位；黃兵等［12］根據(jù)洞庭湖水文地理特征，以區(qū)域內(nèi)水文站月均水位為研究對象，分析東、南、西洞庭湖水文變異原因及其變異條件下的生態(tài)水位；陳玥等［13］利用長系列日水位資料和實測日降水數(shù)據(jù)分析了高郵湖的生態(tài)水位和保障程度；賀金等［14］提出了基于豐平枯水年的逐月生態(tài)水位計算法并應(yīng)用于鄱陽湖；劉劍宇等［15］基于鄱陽湖水文特征，建立鄱陽湖最小生態(tài)需水計算模型，計算鄱陽湖最小生態(tài)需水量。

目前，針對撫仙湖生態(tài)水位的研究較少。本文基于IHA（Indicators of Hydrological Alteration）法和RVA（Range of Variability Approach）法，以撫仙湖?？谒徽?953-2019年日水位觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展撫仙湖適宜生態(tài)水位研究。IHA 和RVA法一般是應(yīng)用于河流生態(tài)流量和河道水文情勢演變分析。王鴻翔等［16］將該方法運用于湘江的生態(tài)流量研究中，得到能夠滿足湘江生態(tài)保護需求的生態(tài)流量結(jié)果。周星宇等［17］則運用主成分分析法對IHA 法在河流水文情勢變化特征評價時各指標相關(guān)性和冗余度對整體評價偏差的問題進行了分析，從中優(yōu)選出合理的評價指標。彭濤等［18］也將IHA 和RVA 法運用于丹江口水庫建成運行后對漢江水文情勢變化的影響研究。本文借鑒這種生態(tài)水文學(xué)方法，參照梁婕等［19］研究，將出流改道工程運行前撫仙湖從?？诤诱３隽鳎?953-2008）的水位作為維持撫仙湖生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的水位過程，計算撫仙湖生態(tài)水位需求過程，同時計算2009-2019年湖泊水位的改變度，評價2009-2019年期間湖泊生態(tài)水位的滿足程度。以期為撫仙湖水生態(tài)保護、水資源調(diào)度管理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

撫仙湖地處滇中玉溪市境內(nèi)，跨澄江市、江川區(qū)和華寧縣，地理位置為東經(jīng)102°49'～102°57'、北緯24°21'～24°38'之間，處于金沙江與珠江兩大流域的分水嶺地帶，屬珠江流域南盤江水系，省級自然保護區(qū)。撫仙湖是云南高原抬升過程中形成的斷陷型深水湖泊，現(xiàn)狀集水面積674.69 km2（已經(jīng)扣除了出流改道工程建成運行后星云湖區(qū)集水面積）。湖泊東、南、西三面環(huán)山，北面與澄江壩子相連，湖面形似葫蘆狀，南北向發(fā)育，中間窄兩端寬，中間細長如頸。當湖水位1 723.35 m 時，湖長約31.4 km，湖最寬處約11.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m，湖岸線總長約100.8 km，水面面積216.6 km2，相應(yīng)蓄水量206.2 億m3。從地理位置關(guān)系角度看，撫仙湖和星云湖為云南省九大高原湖泊中的姊妹湖，處于滇中湖群五大湖泊（撫仙湖、星云湖、杞麓湖、陽宗海和滇池）的中心部位，東鄰南盤江，南與杞麓湖流域相隔，西望滇池流域，北接陽宗海流域。

撫仙湖是我國水質(zhì)較好的淡水湖泊之一，蓄水量占云南九大高原湖泊蓄水總量的68.3%。撫仙湖流域入湖河流103 條，主要入湖河流34 條，這些河流大多是間歇性的山區(qū)河流，并呈輻合狀匯入撫仙湖。流域多年平均降雨量950 mm，5-9月降水量約占全年降水量的75%；多年平均水面蒸發(fā)量為1 450 mm，多年平均氣溫為15.6 ℃。撫仙湖流域水系見圖1。

圖1 撫仙湖流域水系示意圖Fig.1 Water system of Fuxian Lake Basin

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本文選用撫仙湖東岸?？谒徽?953-2019年日水位資料進行分析，資料來源于水文年鑒和云南省水文資料整編成果。本次分析所有水位數(shù)據(jù)都已換算到現(xiàn)行1985 國家高程基準。撫仙湖?？谒徽疚恢檬疽庖妶D1。

2.2 分析方法

2.2.1 線性趨勢分析法、M-K法和累積距平法

本次采用線性趨勢分析法中的一元線性回歸法［20］進行撫仙湖年平均水位的變化趨勢分析；Mann-Kendall 秩次相關(guān)法（簡稱M-K 法）［21］主要用于檢驗?zāi)晁蛔兓厔莸娘@著性。用累積距平法［22］分析年水位系列突變性。

2.2.2 IHA/RVA法

IHA 法［23］是河流生態(tài)流量指標法，RVA 法［24］是指標范圍法。通常以自然變化下IHA 各指標發(fā)生率的75%和25%作為RVA 閾值的上下限，認為該閾值能夠滿足水生生物生態(tài)需水的變動范圍［25-27］。

本文借鑒IHA 法指標體系以及RVA 閾值范圍法對撫仙湖生態(tài)水位進行計算分析［28］。在IHA法33個指標體系［29］中，根據(jù)撫仙湖水位波動情況，采用24個指標作為適宜生態(tài)水位計算指標體系：每月水位（1-12月月平均水位）、年極端水位（最高水位、最低水位）、年極端水位出現(xiàn)時間（最高水位、最低水位出現(xiàn)時間）、高低水位的頻率和持續(xù)時間、漲落水次數(shù)、漲落水速率，每個指標相應(yīng)的閾值為適宜生態(tài)水位需求［30］。

（1）每月水位。主要為水生生物提供棲息地、保持植物所需土壤水分、為陸生生物提供飲用水、為水生生物提供保護場所等。選用多年水位序列中每個月多年月平均水位作為撫仙湖每個月的適宜生態(tài)水位指標，分別以各月月平均水位發(fā)生頻率為25%、75%的值作為當月適宜生態(tài)水位閾值要求，用以滿足各個時期不同生物對水位的需要。

（2）年極端水位及其出現(xiàn)時間。年極端水位主要影響生物體之間競爭的平衡、湖區(qū)的形態(tài)和自然生境、植物適應(yīng)性擴張、湖泊植物群落的分布等；年極端水位出現(xiàn)時間主要為滿足生物體生命周期的需要。選用年內(nèi)最高水位（Zmax，m）、最低水位（Zmin，m）和相應(yīng)的發(fā)生時間（TZmax、TZmin，按年積日計）作為極端水位指標；并將每個指標發(fā)生頻率為25%和75%的值作為其閾值要求。

（3）高、低水位和持續(xù)時間。主要會對植物缺水、洪泛區(qū)生物安全性等造成影響。水位的漲落次數(shù)及速率與某些擱淺在水邊的生物或植物根系與水源保持接觸能力有關(guān)，同時保證湖泊的自凈能力。分別以日水位序列頻率的25%、75%為高、低水位，根據(jù)相關(guān)研究［31，32］，把高于高水位時間持續(xù)7 d 及以上情況作為高水位事件，同理低于低水位時間持續(xù)7 d 及以上情況作為低水位事件。用年內(nèi)高（低）水位總持續(xù)時間除以高（低）水位事件次數(shù)作為高（低）水位平均持續(xù)時間。以相應(yīng)指標發(fā)生頻率25%和75%處的值作為閾值統(tǒng)計每年高/低水位發(fā)生次數(shù)及年內(nèi)高/低水位平均持續(xù)時間。

（4）漲落水次數(shù)及速率。日水位漲（落）量為漲（落）水速率，以m/d表示。連續(xù)日際水位上漲（落）為一次漲（落）水，本文根據(jù)撫仙湖水位變化實際情況，以日際漲（落）≥0.02 m 的情況或連續(xù)2 天及以上漲（落）≥0.01 m 的情況為一次漲（落）水。統(tǒng)計每年漲落次數(shù)以及年均漲落水速率，以相應(yīng)指標發(fā)生頻率25%和75%處的值作為閾值。

（5）湖泊水位變化指標改變度。

式中：Ai為第i個參數(shù)的水文改變度；ei為變異后水文序列IHA指標值在25%～75%之間的實際年數(shù)；e0為水位變異后IHA 指標值在25%～75%之間的預(yù)期年數(shù)，通過γ×et來計算。

本文中，由于以各參數(shù)的75%和25%作為RVA 的閾值，則γ=50%，et為水位變異后受影響的水文序列總年數(shù)。判斷水文改變度的標準為［33］：式（1）中0≤Ai＜33%，屬于低度改變；33%≤Ai＜67%，屬于中度改變；67%≤Ai＜100%，屬于高度改變。

參考郭強等研究［34］，湖泊整體改變度計算如下：

式中：A0為湖泊整體改變度；N為指標項數(shù)。

3 撫仙湖生態(tài)水位分析

3.1 不同尺度水位過程特點

3.1.1年平均水位變化趨勢和變異節(jié)點劃分

1953-2019年撫仙湖多年平均水位1 722.04 m，最高日水位1 723.45 m（2007年9月4日），最低日水位1 720.45 m（2014年6月5日）。通過一元線性診斷（圖2），看出1953-2019年撫仙湖多年平均水位呈波動下降趨勢；經(jīng)Mann-Kendall 秩次相關(guān)檢驗，該下降趨勢不顯著。用累積距平法檢驗得到撫仙湖年平均水位系列均值在2011年前后發(fā)生顯著跳躍（圖3），由于撫仙湖-星云湖出流改道工程運行后，從2009年起，撫仙湖就不再從?？诤映隽?，完全改變了湖泊歷史自然水循環(huán)狀態(tài)，因此綜合確定撫仙湖水位系列變異節(jié)點為2009年。

圖2 撫仙湖1953-2019年多年平均水位過程Fig.2 The average water level of Fuxian Lake from 1953 to 2019

圖3 撫仙湖1953-2019年年平均水位累積距平曲線Fig.3 Annual average water level accumulation anomaly curve of Fuxian Lake from 1953 to 2019

以1953-2008年代表撫仙湖水位天然狀態(tài)時期（出流改道前），多年平均水位1 722.13 m；2009-2019年（出流改道后）撫仙湖完全改變水循環(huán)狀態(tài)后的多年平均水位為1 721.61 m，比天然狀態(tài)時期降低了0.52 m。

3.1.2 月平均水位變化

從多年平均月水位過程來看（圖4），出流改道前后的月平均水位變化趨勢基本一致，年內(nèi)高值和低值都分別出現(xiàn)在10月份和5月份。相比1953-2008年，2009-2019年各月平均水位和最低月水位分別偏低0.52和0.43 m，最高月水位則是1-7月（落水期）平均偏高0.12 m，8-12月（蓄水期）平均偏低0.40 m。

圖4 出流改道前后撫仙湖月水位過程Fig.4 The water level process of Fuxian Lake before and after the outflow diversion

3.1.3 日水位變化

從多年平均日水位過程（圖5）能更加明顯看出，2009-2019年的水位過程平均比1953-2008年的低0.52 m，但水位漲落變化趨勢基本一致，2009年前后系列年內(nèi)低水分別發(fā)生在第136日、第138日，高水分別發(fā)生在第279日、第284日。

圖5 撫仙湖多年平均日水位過程Fig.5 The average daily water level process of Fuxian Lake for many years

3.2 月平均水位過程

經(jīng)皮爾遜-Ⅲ型頻率計算，得到1953-2008年適宜生態(tài)水位及其閾值，并應(yīng)用式（1）計算得到2009-2019年水位系列的改變度，見表1。

表1 撫仙湖月水位閾值及2009-2019年改變度計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of fuxian Lake's monthly water level threshold and change degree from 2009 to 2019

1953-2008年月 平均 水 位在1 721.82～1 722.42 m 之 間變動，2009-2019年月平均水位在1 721.42～1 721.78 m 之間變動；相比1953-2008年，2009-2019年月平均水位系列的改變度為27.3%～63.6%，除了7月份為低度改變外，其他月份均為中度改變。

從出流改道前（1953-2008年）、后（2009-2019）系列月水位變幅看（圖6），總體上出流改道后，撫仙湖月水位變幅增大，其中1-8月后者大于前者約0.5 m，9月、10月兩者相差較小，到了11、12月則前者略大于后者。

圖6 出流改道前、后月水位變幅Fig.6 Fluctuation of water level before and after discharge diversion

3.3年極端水位及其發(fā)生時間

出流改道前（1953-2008年）年最高水位（Zmax）為1 722.18～1 722.87 m，發(fā)生時間（TZmax）在第235～304 d（年積日）；最低水位（Zmin）為1 721.40～1 722.03 m，發(fā)生時間（TZmin）為第127～154 d（年積日）。出流改道后（2009-2019年），年最高水位改變度為45.5%，最低水位改變度為27.3%；年最高、年最低水位發(fā)生時間改變度分別為9.1%和27.3%。年極端水位的改變程度基本屬于中低度變化。見表2和圖7。

表2 撫仙湖年極端水位及其發(fā)生時間、2009-2019年改變度計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of annual extreme water level of Fuxian Lake，its occurrence time and variation degree from 2009 to 2019

圖7 出流改道前、后年極端水位變化過程Fig.7 The change process of extreme water level before and after the outflow diversion

3.4 高低水位和持續(xù)時間

對1953-2008年系列逐日平均水位進行皮爾遜-Ⅲ型頻率計算，分別以25%、75%頻率對應(yīng)水位為高、低水位（見表3）。1953-2008年系列高、低水位分別為1 722.27 和1 721.98 m。年內(nèi)高水（日水位高于1 722.27 m 的情況）發(fā)生次數(shù)一般為0～2次，持續(xù)時長為23～150 d/次；年內(nèi)低水位（日水位低于1 721.98 m 的情況）發(fā)生次數(shù)一般為0～2次（僅1960年是3次），持續(xù)時長為38～183 d/次。

表3 撫仙湖高低水位及其持續(xù)時間、2009-2019年改變度計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of the high and low water level of Fuxian Lake，its duration and change degree from 2009 to 2019

2009-2019年系列相比1953-2008年系列，高水位降低了0.59 m，低水位降低了0.45 m，高低水位改變度均為63.6%；雖然高、低水發(fā)生次數(shù)都是0～2次，變化不大，但高、低水持續(xù)時長改變度分別為81.8%、63.6%；除了高水持續(xù)時長為高度改變外，其他均為中度改變。

3.5 漲落水次數(shù)及速率

對1953-2008年日水位系列中以日際漲（落）≥0.02 m 的情況或連續(xù)2 d 及以上漲（落）≥0.01 m 的情況為一次漲（落）水。分別統(tǒng)計每年日際水位漲落次數(shù)以及年均漲落水速率，并以各指標發(fā)生頻率25%和75%處的值作為閾值（見表4）。

表4 撫仙湖漲落水次數(shù)及其速率、2009-2019年改變度計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the frequency and rate of the fluctuation of Fuxian Lake and its variation degree from 2009 to 2019

1953-2008年撫仙湖年內(nèi)日際水位漲水次數(shù)為8～18 次，落水次數(shù)為5～14 次，漲水速率為0.014～0.020 m/d，落水速率為0.004～0.025 m/d。2009-2019年日際漲落水次數(shù)分別在2～31次之間和5～29 次之間，漲落水速率分別在0.016～0.022 m 之間和0.008～0.017 m 之間。相比1953-2008年，2009-2019年漲落水次數(shù)為低度改變，漲水速率為中度改變，落水速率為高度改變。

3.6 總體改變度與適宜生態(tài)水位

3.6.1 總體改變度

撫仙湖水位各項指標改變度2009-2019年相比1953-2008年，除了高水持續(xù)時長和日際落水速率為高度改變外，其他指標改變度在9.1%～63.6%之間，均為中低度改變。由以上各項撫仙湖水位指標改變度計算結(jié)果，根據(jù)式（2）計算得到2009-2019年撫仙湖水位總體改變度為52.2%，屬于中度改變。

3.6.2 適宜生態(tài)水位

撫仙湖-星云湖出流改道工程改變了撫仙湖歷史自然出流狀態(tài)，2009年起撫仙湖就沒再從海口河出流。將撫仙湖從?？诤诱３隽鲿r期1953-2008年共56年的水位作為維持撫仙湖生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的水位過程，以上計算得到的撫仙湖1953-2008年每月水位、年極端水位及其出現(xiàn)時間、高低水位的頻率和持續(xù)時間、漲落水次數(shù)、漲落水速率等24 項指標相應(yīng)的閾值為適宜生態(tài)水位需求，撫仙湖全年適宜生態(tài)水位需求為1 721.48～1 722.74 m。1-12月適宜生態(tài)水位依次：1 721.8～1 722.46、1 721.69～1 722.35、1 721.6～1 722.25、1 721.54～1 722.16、1 721.48～1 722.12、1 721.56～1 722.19、1 721.7～1 722.35、1 721.9～1 722.56、1 722.02～1 722.72、1 722.06～1 722.74、1 722.01～1 722.71、1 721.93～1 722.61 m；年最高水位：1 722.18～1 722.87 m，發(fā)生時間為第235～304 d（年積日）；年最低水位：1 721.40～1 722.03 m，發(fā)生時間為第127～154 d（年積日）；高水位為1 722.27 m（發(fā)生0～2 次），平均持續(xù)時間為23～150 d/次；低水位1 721.98 m（發(fā)生0～2 次），平均持續(xù)時間為38～183 d/次；日際漲水次數(shù)為8～18 次，漲水速率為0.014～0.020 m/d；日際落水次數(shù)為5～14次，落水速率為0.004～0.025 m/d。

3.6.3 2009年以來湖泊生態(tài)水位滿足程度

根據(jù)撫仙湖各月適宜生態(tài)水位閾值，對2009-2019年撫仙湖生態(tài)水位滿足情況以月為單位進行分析，見表5。2009年、2012-2017年撫仙湖各月水位均不滿足生態(tài)水位閾值區(qū)間需求；2010年、2011年、2018年和2019年滿足程度依次為：41.7%、75%、83.3%和58.3%。11年里，滿足生態(tài)水位閾值區(qū)間需求的共31個月，總體滿足程度為23.5%。

表5 2009-2019年撫仙湖生態(tài)水位滿足程度評價Tab.5 Evaluation of ecological water level satisfaction in Fuxian Lake from 2009 to 2019

3.7 撫仙湖水位變異驅(qū)動因素

撫仙湖水位動態(tài)變化驅(qū)動因素主要是氣候（降水、蒸發(fā)等）變化和人類活動影響［35］，是氣候變化和人類活動綜合作用的結(jié)果［36］。人類活動在短期內(nèi)對湖泊水位變化產(chǎn)生影響，氣候變化則是長期影響湖泊水位變化的重要因素。氣溫、地面蒸發(fā)量、降水量等氣候要素是撫仙湖面積和體積變化的主要驅(qū)動力和制約因子，氣象指標對撫仙湖水位變化的貢獻率為64.5%［10］。

2009-2013年撫仙湖流域連續(xù)多年干旱，經(jīng)水文資料統(tǒng)計，流域年均降水量低于多年平均19%；流域水資源開發(fā)利用程度較高，2019年區(qū)域水資源開發(fā)利用率達67.5%，已屬于用水總量管理紅區(qū)［37］，社會經(jīng)濟用水矛盾十分突出。所以，由于極端氣候和人類活動的影響，2009-2019年期間，撫仙湖水位發(fā)生了下降趨勢的改變，總體為中度改變。

4 結(jié)論與討論

（1）基于水文變化指標（IHA）、變化范圍法（RVA）是借鑒了河流流量的變化評估方法，本文嘗試應(yīng)用于云南高原湖泊撫仙湖生態(tài)水位的變化評估分析，得到的各生態(tài)水位閾值較直觀明確。但是本次沒有劃分豐平枯的不同來水年型，分析結(jié)果可能掩蓋湖泊自然規(guī)律中豐、平、枯的天然水文情勢變化。日后將基于豐平枯水年繼續(xù)加強撫仙湖生態(tài)水位的研究。

（2）本次應(yīng)用資料為長系列逐日數(shù)據(jù)，但計算水位改變度資料系列僅11年，未來還需從更廣泛的視角、利用科學(xué)合理的數(shù)據(jù)和方法，對撫仙湖水生態(tài)環(huán)境評價、湖泊治理與環(huán)境保護等進行持續(xù)深入研究，為撫仙湖保護提供科學(xué)支撐。