湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法比較及實(shí)例應(yīng)用

陶潔，李行，左其亭,4

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)黃河生態(tài)保護(hù)與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展研究院，鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450001；4.河南省地下水污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

水生態(tài)系統(tǒng)問題自20世紀(jì)60年代開始逐漸引起國內(nèi)外專家學(xué)者[1-5]的廣泛關(guān)注，然而生態(tài)需水研究大多還是集中在河流。湖泊作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，分析確定其生態(tài)需水對河湖健康及生態(tài)文明建設(shè)具有顯著意義。部分學(xué)者也針對湖泊生態(tài)需水展開研究。例如：Abbaspour等[6]基于水量-水質(zhì)-水生生物相互關(guān)系計(jì)算了Urmia湖的生態(tài)需水量；賀新春等[7]引入防洪、水質(zhì)和景觀水位等控制要素，構(gòu)建了城市湖泊需水量模型；許文杰等[8]考慮生態(tài)需水的時空特性與湖泊功能要求，探討了基于水量水質(zhì)耦合關(guān)系和閾值的湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法；張華等[9]基于水量平衡原理建立了極端干旱區(qū)東居延海湖生態(tài)需水模型；Sajedipour等[10]根據(jù)大火烈鳥數(shù)量與Bakhtegan湖表面積之間的相關(guān)關(guān)系確定了湖泊生態(tài)需水量；何山等[11]分析計(jì)算了不同水位時期有利于湖泊生物多樣性的白洋淀生態(tài)需水量，并根據(jù)改進(jìn)的馬爾可夫鏈模型確定生態(tài)需水保障程度。

總體來看，目前湖泊生態(tài)需水研究多偏向于綜合考慮不同水文條件、水質(zhì)因素與生物狀況，但還是存在需水構(gòu)成分析不明晰、計(jì)算方法比較分散、缺少較統(tǒng)一的分類體系等問題。本文系統(tǒng)梳理基于不同原理的湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法，并以太湖為例，進(jìn)行不同計(jì)算方法的實(shí)際應(yīng)用與比較。

1 湖泊生態(tài)需水的概念與構(gòu)成

1.1 湖泊生態(tài)需水概念

生態(tài)需水屬于生態(tài)學(xué)與水文學(xué)的交叉范疇。針對不同的研究對象，其定義有很多[12-18]。針對湖泊生態(tài)需水，也有部分專家學(xué)者專門對其概念進(jìn)行了探討與研究。例如：崔保山等[19]認(rèn)為湖泊需要一定質(zhì)量的水來維持湖泊水資源功能正常與生物多樣性，所需的最小水量即為湖泊最小生態(tài)需水量；劉靜玲等[20]認(rèn)為在某一特定階段內(nèi)，湖泊若要保障生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能，則需要一定質(zhì)量和數(shù)量的水；Krishnani等[21]認(rèn)為湖泊水量低于某一值是其生態(tài)系統(tǒng)功能喪失和結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素，且只有在滿足人類生存發(fā)展和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，湖泊才是健康的?？梢?，雖然這些定義的表述不盡不同，但都指出了是滿足生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的臨界水量，具有明顯的時空異質(zhì)性、水質(zhì)水量一致性、功能差異性和閾值性。

近年來河湖生態(tài)需水與人類活動的聯(lián)系愈來愈密切，考慮我國城市化進(jìn)程與湖泊生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，湖泊生態(tài)需水的定義需要符合時代背景。因此，基于前人成果，并引申左其亭等[22]在《現(xiàn)代水文學(xué)》中生態(tài)需水的定義，本文將湖泊生態(tài)需水理解為“在特定區(qū)域、時段和條件下，湖泊生態(tài)系統(tǒng)為達(dá)到某一水平所需的水資源量”。

1.2 湖泊主要分類與湖泊生態(tài)需水組成

湖泊有多種形態(tài)分類方法[23-24]：按照湖泊成因，可分為天然湖泊和人工湖泊；按進(jìn)出水流情況，可分為閉口湖、外流湖和吞吐湖。其中：閉口湖是指有水量流入但無水量流出的湖泊；外流湖有水量流出，但無水量流入；吞吐湖則既有水量流入，也有水量流出。

一般湖泊多為吞吐湖[25]，其生態(tài)需水組成主要包括入湖、湖區(qū)、出湖3部分，見圖1。其中：入湖生態(tài)需水是指為了滿足湖區(qū)和出湖生態(tài)需水而必須對湖泊補(bǔ)充的水量；湖區(qū)生態(tài)需水量是為了保持湖泊水位、保證生物基本生境而必需的水量；出湖生態(tài)需水是為了完成湖泊水量自我更新及滿足下游河道生態(tài)需水所需的水量。這3部分構(gòu)成了湖泊生態(tài)需水的有機(jī)整體。湖泊水量一部分用于蒸發(fā)、滲漏和人類活動用水等水循環(huán)過程，一部分為滿足下游河道生態(tài)需求而流出湖泊。同時上游地表徑流、地下徑流、降雨等水資源進(jìn)入湖泊，補(bǔ)充了湖泊水量，保持湖泊水量平衡。

圖1 一般湖泊生態(tài)需水組成

2 湖泊生態(tài)需水研究現(xiàn)狀分析

采用CiteSpace文獻(xiàn)可視化分析軟件[26]在中國知網(wǎng)和Web of Science核心數(shù)據(jù)集搜索關(guān)鍵詞對湖泊生態(tài)需水研究現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。時間跨度截止到2020年，其中中英文關(guān)鍵詞有“湖泊生態(tài)需水”“湖泊生態(tài)流量”“湖泊生態(tài)環(huán)境需水”“Lake Ecological Water Demand”“Lake Ecological Water Resource”，并考慮大小寫、各種詞性變形。

通過國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜(圖2)分析可知，國內(nèi)研究多側(cè)重從水文與水生生物角度，主要關(guān)鍵詞有“水生生物棲息地”“生態(tài)水位”“景觀水位”“水量平衡”“功能法”等，在鄱陽湖、扎龍濕地、東居延海湖等湖泊都進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用研究。相較而言，國外的研究方向更加多元化，在水質(zhì)、氣候變化、水生生物等方面均有所涉及，主要關(guān)鍵詞有“eutrophication(富營養(yǎng)化)”“climate change(氣候變化)”“water quality(水質(zhì))”“management(管理)”“sediment(沉積物)”“conservation(保護(hù))”等。綜合來看，目前針對湖泊生態(tài)需水研究方法雖然仍較分散，但主要集中在從水文學(xué)角度與生態(tài)學(xué)角度2個方面，在計(jì)算生態(tài)需水時主要考慮湖泊水位、出入湖水量以及湖泊水生生物等因素。

圖2 國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜

3 湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法總結(jié)

3.1 基于水文學(xué)的計(jì)算方法

最低水位法。該方法通過確定湖泊最低生態(tài)水位來確定湖泊最小生態(tài)需水，公式為

Wmin=(Hmin-H)×S

(1)

式中：Wmin為湖泊最小生態(tài)需水量，m3；Hmin為最低生態(tài)水位，m；H為湖底高程，m；S為湖泊水面面積，m2。

湖泊最低生態(tài)水位是指保障湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的最低水位，表1統(tǒng)計(jì)了湖泊最低生態(tài)水位的常用計(jì)算方法、主要原理與數(shù)據(jù)要求。

表1 湖泊最低生態(tài)水位常用的計(jì)算方法、主要原理與數(shù)據(jù)要求

水量平衡法。根據(jù)水量平衡原理[30]，天然狀態(tài)吞吐湖任意時段的水量平衡方程為

ΔW=(P+Ri)-(E+Rf)±ΔWg

(2)

式中：ΔW為湖泊蓄水量的變化量,m3；Ri、Rf分別為地表入湖水量與出湖水量,m3；P為降雨量,m3；E為蒸發(fā)量,m3；ΔWg為地下水變化量(包括出入湖流量),m3。

如果研究對象是閉口湖，則不考慮出湖流量；如果研究對象是外流湖，則不考慮地表徑流入湖流量:方程(2)可分別簡化為方程(3)、(4)。

ΔW=P+Ri-E±ΔWg

(3)

ΔW=P-E-Rf±ΔWg

(4)

假設(shè)湖體水量變化量為零，此時湖泊生態(tài)需水等于湖區(qū)生態(tài)需水量[27]。天然狀態(tài)下湖區(qū)生態(tài)需水量等于湖區(qū)蒸發(fā)量與滲漏量之和再減去湖區(qū)降水量。當(dāng)遇到蒸發(fā)量大或降雨量較少時，可近似取蒸發(fā)量作為湖區(qū)生態(tài)需水量。蒸發(fā)量可根據(jù)湖泊植物分布情況，通過水面蒸發(fā)觀測值、不同植物蒸散發(fā)量和耗水量觀測資料計(jì)算得到。

當(dāng)湖泊受人類活動影響較大時，原有的水量平衡都會被打破并產(chǎn)生新的水量平衡，此時ΔW需考慮人類取水。在缺水且人口密集的地區(qū)，需水明顯大于供給，ΔW經(jīng)常是負(fù)值，此時需考慮人工補(bǔ)充入湖水量。

換水周期法。換水周期[31]是指水量吐納更新1次所需的時間。湖泊最小生態(tài)需水可根據(jù)換水周期計(jì)算得到，公式為

(5)

(6)

式中：Wk為枯水期出湖水量，m3；D為全年總天數(shù)，d；T為換水周期，d；W為年蓄水量，m3；Wo為年出湖水量，m3；Q為多年平均出湖流量，m3/s。

該方法中換水周期是整體平均交換時間，且可以通過控制出湖水量和流速來改變，因此該方法也常用于湖泊的健康管理。但對于干旱或半干旱區(qū)湖泊來說，湖泊來水量較小，換水導(dǎo)致湖泊水量不足，從而引起生態(tài)環(huán)境惡化，此時該方法不太適用。

3.2 基于生態(tài)學(xué)的計(jì)算方法

曲線相關(guān)法。當(dāng)湖泊水量發(fā)生較大變化時，湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能也會產(chǎn)生影響,故可根據(jù)湖泊實(shí)況選取適宜的生態(tài)功能指標(biāo)，如水質(zhì)、水生生物等。通過收集指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)和相應(yīng)年的湖泊最小水量，擬合水量與所選指標(biāo)的相關(guān)曲線。擬合曲線上的拐點(diǎn)所在位置表示其對應(yīng)的湖泊生態(tài)功能發(fā)生顯著變化，可認(rèn)為該點(diǎn)對應(yīng)水量即是湖泊最小生態(tài)需水量。若存在多個拐點(diǎn)，則可取所有拐點(diǎn)對應(yīng)水量的平均值作為湖泊最小生態(tài)需水,公式為

(7)

式中：Vj為第j個拐點(diǎn)對應(yīng)的水量,m3；J為拐點(diǎn)數(shù)量，個。

若選擇的生態(tài)功能指標(biāo)不止1個，則可針對每個指標(biāo)建立擬合關(guān)系曲線。根據(jù)最大值原則，選取不同指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的最大值作為該湖泊最小生態(tài)需水量的標(biāo)準(zhǔn)值。

生態(tài)演變分析法。由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)際研究中部分湖泊缺乏足夠監(jiān)測資料，無法建立水量指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)的定量關(guān)系，此時曲線相關(guān)法不再適用，故可從水量與湖泊的生態(tài)演變關(guān)系角度來計(jì)算湖泊生態(tài)需水。

隨著湖泊水量的不斷減少，湖泊生態(tài)系統(tǒng)大致經(jīng)歷了3個時期[32]：高產(chǎn)期，湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功能正常；穩(wěn)定期，在干旱缺水或人類干擾等情況下，湖泊水量小幅變化，水生物種生長繁殖受一定影響，但關(guān)鍵物種仍然存在，能夠滿足基本需求；退化期，湖泊水量顯著變化，水生物種明顯減少，湖泊生態(tài)健康遭受顯著破壞。

生態(tài)演變分析法，也叫生物空間需求法。該方法通過構(gòu)建指標(biāo)集(如水深、水溫、流量、水質(zhì)等)來選擇生物生存空間指標(biāo)，多選擇水深指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)有資料或?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)確定某物種生存所需的最小水深H1，再加上湖底高程即為最低生態(tài)水位，低于該水位則認(rèn)為湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入退化期。若分析x個物種，則在得到的x個生態(tài)水位中選擇最大值作為湖泊最低生態(tài)水位，公式為

Hmin=max(Hmin,1,Hmin,2,…，Hmin,a,…,Hmin,x)，

a=1,2,…,x

(8)

式中：x為湖泊內(nèi)重要生物種類數(shù)量，個；Hmin，a為第a種生物所需的湖泊最低生態(tài)水位,m。

同理可確定物種生存所需的適宜水深H2，再加上湖底高程即為湖泊適宜生態(tài)水位，高于該水位時，認(rèn)為湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入高產(chǎn)期。根據(jù)最低水位法，可分別計(jì)算得到湖泊最小生態(tài)需水和適宜生態(tài)需水。

功能法。功能法從水資源功能與水量關(guān)系出發(fā)，確定某湖泊水資源所具備的不同功能，通過確定維持不同功能的生態(tài)需水，進(jìn)而估算整個湖泊的生態(tài)需水量,公式為

(9)

式中：Wz為滿足湖泊第z個水資源功能所需的最小生態(tài)需水量,m3；Z為湖泊水資源功能數(shù),個；Uz為湖泊第z個水資源功能權(quán)重，U1+U2+…+Uz=1。

湖泊水資源主要功能見表2，不同功能計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[20]。

表2 湖泊水資源的主要功能

3.3 不同方法比較

比較上述計(jì)算方法，總結(jié)其適用性，見表3。

表3 湖泊生態(tài)需水不同計(jì)算方法比較

4 湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法實(shí)際應(yīng)用與比較

4.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

太湖是我國五大淡水湖之一，位于長江三角洲腹地。湖泊水域面積為2 338.1 km2，多年平均水位3.21 m，蓄水量49.56億m3[33]。太湖自然條件優(yōu)越，生態(tài)環(huán)境資源豐富，對維持自身乃至整個太湖流域生態(tài)平衡都具有重要作用。但是隨著流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，太湖水污染現(xiàn)象被高度關(guān)注，水治理形勢愈發(fā)復(fù)雜嚴(yán)峻,且人為的水利工程造成湖泊水體流動加快、換水周期縮短、水位逐漸抬升，有可能引起新的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險[34-35]。因此，面對太湖生態(tài)環(huán)境治理新形勢，研究其生態(tài)需水就顯得尤為重要。

根據(jù)太湖歷年相關(guān)水資源公報、健康狀況報告、水情年(月)報以及環(huán)太湖水文站點(diǎn)實(shí)測資料，獲取了太湖1986—2019年逐日徑流量與水位數(shù)據(jù)、2004—2019年出入湖水量，以及2008—2016年銀魚、2013—2017年沉水植物和挺水植物、2007—2008年底棲動物采樣數(shù)據(jù)。由于太湖受人類活動影響明顯，故綜合資料收集情況，選擇最低水位法、換水周期法和生態(tài)演變分析法進(jìn)行太湖生態(tài)需水計(jì)算分析。同時為便于3種方法結(jié)果的可對比性，故不考慮湖泊面積與水下地形變化，相關(guān)數(shù)據(jù)均采用平均值計(jì)算。

4.2 結(jié)果與分析

最低水位法計(jì)算結(jié)果。根據(jù)1986—2019年的太湖日水位數(shù)據(jù)，繪制太湖水位變化見圖3。選擇95%保證率下的年最低水位作為太湖最低生態(tài)水位，即Hmin=2.64 m。已知太湖多年平均湖底高程H=1.1 m，平均湖面面積F=2 338.1 km2，利用式(1)計(jì)算得到太湖年最小生態(tài)需水量Wmin=36.01億m3。

圖3 太湖1986—2019年水位變化

換水周期法計(jì)算結(jié)果。根據(jù)2004—2019年環(huán)太湖水文巡測統(tǒng)計(jì)資料，確定多年平均出湖水量為99.56億m3，其中枯水期(10月—次年3月)平均出湖水量53.86億m3，其變化與入湖水量變化基本一致，且2000年以來呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。根據(jù)式(5)、(6)計(jì)算得到太湖多年平均換水周期為182 d，年平均生態(tài)需水26.86億m3。

生態(tài)演變分析法計(jì)算結(jié)果。銀魚是太湖最具代表性的魚類之一，只有水深在1.5 m以上時才適宜銀魚生存[36]。綜合對比其他水生生物適宜水深(底棲動物優(yōu)勢物種河蜆的適宜水深為1.3～2.2 m，馬來眼子菜等沉水植物生長適宜水深為1.1～1.7 m，蘆葦?shù)韧λ参锷L適宜水深1.3～2.2 m)，最終選擇銀魚作為太湖指示生物。考慮到每年4—10月是銀魚生長的關(guān)鍵期，分析多年水位資料得到90%保證率下太湖4—10月內(nèi)最低月平均水位為2.76 m，故最終確定該水位作為太湖生態(tài)水位，再根據(jù)最低水位法計(jì)算公式得到太湖年生態(tài)需水38.81億m3。

計(jì)算結(jié)果比較分析。在3種方法計(jì)算結(jié)果中，生態(tài)演變分析法計(jì)算結(jié)果最大，最低水位法計(jì)算結(jié)果與其較為接近，而換水周期法計(jì)算結(jié)果最小，且與另2種方法結(jié)果相差較大。

換水周期法計(jì)算結(jié)果主要受換水周期影響。將本次計(jì)算的換水周期與文獻(xiàn)[37-39]研究結(jié)果進(jìn)行比較，可知受出入湖水量影響，太湖換水周期呈縮短趨勢(1982—2010年太湖平均換水周期為192 d，而2004—2019年為182 d，2010—2018年為154.36 d)。主要原因是引江濟(jì)太工程實(shí)施后，太湖流域水資源向周邊河網(wǎng)擴(kuò)散的速度加快，年出入湖水量增加，換水周期明顯縮短，故計(jì)算的太湖生態(tài)需水量可能較實(shí)際偏小。

最低水位法由于不考慮湖泊面積與水下地形變化，故計(jì)算結(jié)果主要受水位影響。根據(jù)圖4可知，太湖年最低水位總體呈上升趨勢。對比文獻(xiàn)[35，42]研究結(jié)果，1986—1999年太湖水位波動較大，主要是受流域降水豐枯變化影響。2000年以后，流域基本上屬于平水或枯水年份，但太湖最低水位不僅沒有隨之降低，反而逐漸升高。2000—2018年太湖最低水位明顯高于1986—1999年。根據(jù)文獻(xiàn)[40-41]以及太湖流域水情年報可知，2000年以后太湖水位變化主要受人類活動影響導(dǎo)致，流域內(nèi)大規(guī)模引水及土地利用變化等活動，不僅補(bǔ)充了枯水期的湖泊水量，造成水位抬升，還改變了最低水位在年內(nèi)出現(xiàn)時間的季節(jié)性規(guī)律，破壞了水文資料的一致性和代表性。因此，在確定湖泊最低生態(tài)水位時不能僅考慮水文資料。

與前2種方法不同，生態(tài)演變分析法主要考慮了太湖生物狀況，在計(jì)算時選擇銀魚生存水深作為太湖生物生存空間指標(biāo)，結(jié)合文獻(xiàn)[43-45]的主要研究結(jié)果，并與收集的水生植被、底棲生物等生物資料進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)1.5～1.7 m的水深能滿足太湖大部分水生生物的生存需求，認(rèn)為銀魚作為太湖指示物種的代表性較好。再根據(jù)太湖天然水位資料，經(jīng)過綜合分析后確定了最低生態(tài)水位。對比3種計(jì)算方法，綜合分析后認(rèn)為生態(tài)演變分析法計(jì)算結(jié)果最為合理，故最終確定太湖年最小生態(tài)需水為38.81億m3。所比較的與太湖生態(tài)需水相關(guān)研究見表4。

表4 與太湖生態(tài)需水相關(guān)研究成果的比較

5 結(jié)論與建議

通過對目前湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法的系統(tǒng)梳理與總結(jié)，并以太湖為例對計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用后，得到如下結(jié)論:

目前湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法主要集中在從水文學(xué)角度與生態(tài)學(xué)角度2個方面。不同方法的計(jì)算原理和適用范圍各有不同。其中：水文學(xué)計(jì)算方法主要包括最低水位法、水量平衡法和換水周期法等；生態(tài)學(xué)計(jì)算方法主要包括曲線相關(guān)法、生態(tài)演變分析法和功能法等。

通過最低水位法、換水周期法和生態(tài)演變分析法等方法開展太湖生態(tài)需水實(shí)例計(jì)算，并與太湖已有相關(guān)研究成果進(jìn)行比較，綜合分析后認(rèn)為生態(tài)演變分析法較能反映更客觀的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)系和需求，因此確定太湖年最小生態(tài)需水選取生態(tài)演變分析法計(jì)算結(jié)果，即為38.81億m3。

目前湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法大都是圍繞某個指標(biāo)或生態(tài)目標(biāo)展開，建議未來需要更深入探索湖泊生態(tài)水文過程，加強(qiáng)基于河湖聯(lián)系的生態(tài)需水研究，明確湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物之間及其與周圍環(huán)境之間的影響機(jī)理，同時加強(qiáng)對基礎(chǔ)資料的獲取，探索并充分利用新技術(shù)，探索多學(xué)科融合的定量計(jì)算方法。