東平湖老湖生態(tài)補(bǔ)水相關(guān)問(wèn)題探討

王永剛，齊永志，豐煥平

（山東黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

東平湖水源主要為汶河來(lái)水，南水北調(diào)東線一期工程建成后，長(zhǎng)江水也成為東平湖水源之一，受降雨及上游攔蓄影響，2014年訊后大汶河來(lái)水無(wú)法保證，造成東平湖老湖區(qū)水位持續(xù)下降，長(zhǎng)江水成為東平湖主要補(bǔ)給水源，但對(duì)老湖區(qū)域水源補(bǔ)給局限性較大。

東平湖是重要的省級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，東平湖老湖區(qū)水位持續(xù)下降造成了生態(tài)與環(huán)境惡化，漁業(yè)與旅游業(yè)發(fā)展受到制約，湖區(qū)群眾的生產(chǎn)生活受到嚴(yán)重影響。研究分析東平湖的生態(tài)水位，通過(guò)科學(xué)合理的補(bǔ)給措施保證其水位，是促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，有利于維護(hù)東平湖老湖區(qū)生態(tài)與環(huán)境安全，有利于推動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展和湖區(qū)移民脫貧致富。

1 生態(tài)補(bǔ)水路線

分析東平湖老湖區(qū)及與黃河的地理位置關(guān)系，可以擬定3條引黃線路。路線一是從國(guó)那里引黃閘，經(jīng)引黃渠道（岱廟灌區(qū)6.3 km），由二級(jí)湖堤新建進(jìn)湖閘進(jìn)入；路線二是從陳?ài)蛞S閘，經(jīng)引黃渠道（長(zhǎng)約19 km）、梁濟(jì)運(yùn)河（長(zhǎng)約17 km）、鄧樓泵站、柳長(zhǎng)河渠道（長(zhǎng)約21.6 km），由八里灣泵站進(jìn)入；路線三是從龐口防倒灌閘新建泵站，經(jīng)出湖閘后渠道（長(zhǎng)約5.5 km），由陳山口、清河門出湖閘進(jìn)入。

從引水條件、引渠長(zhǎng)度、工程影響等方面綜合分析，國(guó)那里引黃閘生態(tài)補(bǔ)水路線是最為經(jīng)濟(jì)合理的。

2 生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)及補(bǔ)水時(shí)機(jī)

據(jù)1954—2016年水位統(tǒng)計(jì)資料，東平湖1980年前最低湖水位較低為37.22 m（1977年7月），2000年后水位較高最低湖水位分別為38.33 m（2003年8月）和38.91 m（2016年1月），詳見(jiàn)表1。

表1 各時(shí)間段最低湖水位及出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

2.1 生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)

東平湖老湖區(qū)生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)主要結(jié)合東平湖市級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)、南水北調(diào)東線一期工程運(yùn)用、老湖區(qū)最低水位變化及生態(tài)環(huán)境需水位分析確定。

2.1.1 濕地對(duì)東平湖老湖區(qū)水位的要求

東平湖市級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)總面積為259.27 km2，其中核心區(qū)面積約88.58 km2，緩沖區(qū)面積約37.77 km2，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積約132.92 km2。為保證東平湖市級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)正常生態(tài)功能，應(yīng)確保核心區(qū)及緩沖區(qū)常年有水，以此分析相應(yīng)東平湖老湖區(qū)水位為38.99 m。

2.1.2 南水北調(diào)東線工程運(yùn)用水位

水利部關(guān)于南水北調(diào)東線一期工程水量調(diào)度方案的相關(guān)文件中規(guī)定，東平湖水量調(diào)度期為10月至翌年5月，當(dāng)東平湖老湖區(qū)水位低于39.22 m且有調(diào)水要求時(shí)，八里灣泵站則開(kāi)始抽水補(bǔ)充東平湖老湖區(qū)，補(bǔ)湖水位按39.22 m控制，即南水北調(diào)調(diào)水東平湖老湖控制水位為39.22 m。

2.1.3 生態(tài)環(huán)境需水位

研究生態(tài)水位的方法[1]較多，主要有水量平衡法、換水周期法、最小水位法、功能法等。其中，功能法是以生態(tài)系統(tǒng)學(xué)為理論基礎(chǔ)，從湖泊生態(tài)功能的維持與重建的角度出發(fā)，以保護(hù)和恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性為目標(biāo)，遵循生態(tài)優(yōu)先、兼容性、最大值和等級(jí)制原則，能夠較為全面地計(jì)算湖泊生態(tài)環(huán)境需水量。因此，東平湖老湖區(qū)最低生態(tài)水位采用基于功能法的計(jì)算方法進(jìn)行確定。

1）東平湖最低生態(tài)環(huán)境水位。湖泊最低生態(tài)環(huán)境水位[2]一般采用湖泊形態(tài)法和水文分析法進(jìn)行計(jì)算，取兩者中的大值做為湖泊最低生態(tài)環(huán)境水位。

一是采用湖泊形態(tài)法計(jì)算生態(tài)環(huán)境最低水位。湖泊水位和面積或容積之間為非線性關(guān)系。在湖泊面積或容積隨水位的變化率中有一個(gè)最大值，達(dá)到最大值后湖泊水位每降低一個(gè)單位，湖泊水面面積或湖泊容積將顯著減少，同時(shí)湖泊功能也將顯著減少。湖泊水位與湖泊面積或容積隨水位的變化率的關(guān)系可能存在多個(gè)“最大值”。由于湖泊最低生態(tài)水位是湖泊枯水期的低水位。因此，在湖泊枯水期低水位附近的“最大值”相應(yīng)的水位為湖泊最低生態(tài)水位。所以可以用湖泊水位作為湖泊水文和地形子系統(tǒng)特征的指標(biāo)，用湖面面積或湖泊容積作為湖泊功能指標(biāo)，建立湖泊水位與湖泊面積或容積隨水位的變化率之間的關(guān)系曲線[3]。

根據(jù)東平湖水位-面積變化率曲線，可得出東平湖為水位37.72 m時(shí)對(duì)應(yīng)的面積最大，以后東平湖水位每降低一個(gè)單位，湖泊面積減少率顯著增加，因此可將37.72 m作為東平湖最低生態(tài)水位。

二是水文法計(jì)算生態(tài)環(huán)境最低水位。在水文統(tǒng)計(jì)資料中，一般將90%保證率下的湖泊多年平均月最低水位，作為防止湖泊生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步退化的生態(tài)水位。以1954—2016年逐月最低水位序列做為研究對(duì)象，得出90%保證率下的最低水位為37.95 m。

圖1 東平湖水位-面積變化率曲線圖

三是計(jì)算最低生態(tài)環(huán)境需水位。湖泊最低生態(tài)環(huán)境需水位采用湖泊形態(tài)法和水文分析法兩者中的大值確定，為37.95 m。

2）水生生物棲息需水位。湖泊水生生物除自身生長(zhǎng)繁殖需水之外，還要有必需的生息空間及產(chǎn)卵和越冬的場(chǎng)所。湖泊水生生物需水量及水位與棲息地等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見(jiàn)表2。

表2 水生生物棲息地等級(jí)

東平湖平均湖底高程為37.5 m左右，生態(tài)需水量按最小等級(jí)計(jì)算，則對(duì)應(yīng)水位為39.0 m。

3）東平湖湖區(qū)航運(yùn)需水位。在南水北調(diào)東線一期工程建設(shè)中，南四湖至東平湖段以輸水與航運(yùn)結(jié)合的原則，按Ⅲ級(jí)航道、Ⅱ級(jí)船閘標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。批復(fù)的東平湖區(qū)段最低航運(yùn)水位為39.22 m，最高航運(yùn)水位44.72 m。

4）東平湖生態(tài)環(huán)境最低水位。綜上，東平湖生態(tài)環(huán)境最低水位應(yīng)取生態(tài)環(huán)境最低水位、水生生物需水位、航運(yùn)需水位3者中的最大值，為39.22 m。

2.1.4 生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)水位

生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)水位既要滿足東平湖市級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)的需求，又要滿足南水北調(diào)東線一期工程的正常運(yùn)行，還要滿足生態(tài)環(huán)境水位需求，同時(shí)結(jié)合東平湖老湖區(qū)歷年最低水位綜合進(jìn)行分析，最終確定東平湖老湖生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)水位為39.22 m。

2.2 補(bǔ)水時(shí)機(jī)

根據(jù)南水北調(diào)調(diào)度方案，東平湖水量調(diào)度期為當(dāng)年10月至翌年5月，補(bǔ)湖水位按39.22 m控制。因此生態(tài)補(bǔ)水期為南水北調(diào)非調(diào)水期，即在6月1日～9月30日進(jìn)行相機(jī)補(bǔ)水。

3 補(bǔ)水量計(jì)算

3.1 蒸發(fā)量

依據(jù)戴村壩水文站1981—2016年多年平均蒸發(fā)、降水資料，對(duì)東平湖老湖區(qū)6～9月多年平均蒸發(fā)能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 6～9月多年平均蒸發(fā)能力計(jì)算表mm

如表3所示，東平湖老湖區(qū)6～9月多年平均蒸發(fā)能力為150.6 mm，老湖水面面積按39.22 m水位對(duì)應(yīng)湖區(qū)面積130.6 km2進(jìn)行計(jì)算，則老湖區(qū)6～9月蒸發(fā)量為1 967萬(wàn)m3。

3.2 滲漏量

河流、湖泊中有水存在，水位抬高，水壓加大，在地下水位較低的情況下就會(huì)產(chǎn)生滲漏損失。河湖、水庫(kù)滲漏的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：W滲為河湖滲漏損失，m3；W蓄為河湖平均需水量，m3；K為經(jīng)驗(yàn)取值或系數(shù)。

東平湖老湖區(qū)滲漏地質(zhì)條件較差，6～9月滲漏損失量按39.22 m水位對(duì)應(yīng)蓄水量1.996億m3進(jìn)行計(jì)算，月滲漏損失系數(shù)取為1.5%，則老湖區(qū)6～9月滲漏損失量為1 198萬(wàn)m3。

3.3 周邊灌區(qū)引水量

東平湖老湖區(qū)周邊共有二十里鋪灌區(qū)等6處引湖灌區(qū)，灌溉面積為95.33 hm2，引水期主要為每年的2～10月。

老湖區(qū)湖周灌區(qū)用水量年際變化較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，6～9月最大引量為2014年的1 075.94萬(wàn)m3，最低為零，分別在2007年和2008年。老湖區(qū)湖周灌區(qū)用水量受氣候影響較大，干旱年份用水量大，因此東平湖老湖區(qū)相機(jī)補(bǔ)水時(shí)機(jī)應(yīng)選在干旱年份，湖周灌區(qū)6～9月用水量采用2014年用水量1 075.94萬(wàn)m3，取整為1 076萬(wàn)m3，見(jiàn)表4。

表4 東平湖老湖區(qū)引湖灌區(qū)引水量統(tǒng)計(jì)表 萬(wàn)m3

3.4 補(bǔ)水量

東平湖老湖區(qū)最低生態(tài)水位為39.22 m，相應(yīng)庫(kù)容為1.996億m3，南水北調(diào)調(diào)水期水位基本維持在39.22 m以上。在非調(diào)水期，為維持東平湖老湖區(qū)最低生態(tài)水位，應(yīng)綜合考慮蒸發(fā)滲漏量及湖周灌溉用水量，計(jì)算可得，總的生態(tài)環(huán)境需水量為4 241萬(wàn)m3，月均補(bǔ)水量為1 060萬(wàn)m3。

綜合考慮國(guó)那里閘現(xiàn)狀引水、灌溉、相機(jī)補(bǔ)水及含沙量等因素，新建河湖連通生態(tài)補(bǔ)水二級(jí)湖堤桑園閘設(shè)計(jì)流量可確定為20 m3/s。

4 結(jié)語(yǔ)

老湖生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)水位采用湖泊最低生態(tài)水位計(jì)算方法分析確定。在分析過(guò)程中結(jié)合東平湖的實(shí)際情況，重點(diǎn)分析了老湖濕地正常生態(tài)功能目標(biāo)水位和航運(yùn)功能需求目標(biāo)水位，從而綜合

分析確定了老湖生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)水位，并結(jié)合東平湖作為黃河下游重要滯洪區(qū)的特殊區(qū)位功能和水源情況，分析確定了保證生態(tài)目標(biāo)水位的進(jìn)湖閘建設(shè)措施。