岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位研究

高 翔，胡 振，李小英，周緒申，3

（1.海河水利委員會(huì)漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局，山東 德州 253009；2.海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，天津 300061；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

水庫(kù)在調(diào)節(jié)陸地地表水生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有攔蓄洪水、供給農(nóng)業(yè)和生活用水、維護(hù)生物多樣性等多種功能，是地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人們賴以生存的基礎(chǔ)[1]。近年來(lái)，由于人們對(duì)水資源開發(fā)利用強(qiáng)度持續(xù)加大，而對(duì)水資源配置過程中生態(tài)蓄水的重視程度不足，導(dǎo)致了水環(huán)境質(zhì)量下降、生物多樣性降低、供水短缺等多種問題[2]。維持健康的水庫(kù)生態(tài)環(huán)境，不僅需要水庫(kù)蓄有較高的水位水量，而且應(yīng)保持動(dòng)態(tài)平衡的來(lái)水量和放水量。當(dāng)來(lái)水量較少，放水量較多，水庫(kù)水位持續(xù)下降，水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)隨之變?nèi)酢＞S持水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的最低水位為水庫(kù)最低生態(tài)水位。該水位的研究對(duì)水庫(kù)合理配置水資源和保持生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用[3]。

GLEICK[4]提出維護(hù)生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)完整性需要可持續(xù)用水的概念。徐志俠等[5]在對(duì)南四湖生態(tài)水位研究中，將湖泊天然水位作為重要因素計(jì)算最低生態(tài)水位。梁犁麗等[6]通過研究魚類生存、繁殖環(huán)境與水量的關(guān)系確定最低生態(tài)水位。劉劍宇等[2]通過研究鄱陽(yáng)湖的動(dòng)態(tài)出入湖水量計(jì)算水生生物生存空間和生態(tài)需水量。程俊翔等[3]計(jì)算東洞庭湖最小生態(tài)水位則是采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法、形態(tài)分析法和生態(tài)水位法4種方法。

岳城水庫(kù)為國(guó)家大（1）型水庫(kù)，2006年被水利部列為全國(guó)第一批重要水源地。近年來(lái)，由于水庫(kù)蓄水量減少、需水量增加等因素影響，水庫(kù)出現(xiàn)泥沙淤積、生物多樣性大量減少等問題。為維護(hù)岳城水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)平衡，應(yīng)對(duì)水庫(kù)最低生態(tài)水位進(jìn)行研究。本文結(jié)合岳城水庫(kù)實(shí)際情況，采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法和生物最小空間需求法3種方法計(jì)算岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位，為岳城水庫(kù)防洪減災(zāi)、水資源管理與保護(hù)以及優(yōu)化調(diào)水等提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

岳城水庫(kù)位于河北、河南兩省交界的漳河干流出山口處，控制流域面積18100 km2，其輸水渠道包括漳南渠、民有渠及其管道，為邯鄲、安陽(yáng)兩市及下游地區(qū)提供生活、農(nóng)業(yè)用水。水庫(kù)泄水入漳河，維持河道水生態(tài)環(huán)境。多年來(lái)，國(guó)家先后多次實(shí)施“引岳濟(jì)津”“引岳濟(jì)淀”等調(diào)水工程，在2022—2023年的京杭大運(yùn)河全線貫通補(bǔ)水中岳城水庫(kù)發(fā)揮了重要作用。岳城水庫(kù)已被列入《全國(guó)重要飲用水水源地名錄》，而且成為向北京市供水的備用水源地，其地位越發(fā)重要[7]。岳城水庫(kù)上游建有大量中小型水庫(kù)，總庫(kù)容超過3億m3，屬于人為干擾嚴(yán)重的湖泊水庫(kù)，加上水庫(kù)處于缺水區(qū)域，因此開展水庫(kù)最低生態(tài)水位研究具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于岳城水庫(kù)（壩上站）1969—2022年實(shí)測(cè)逐日水位數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 最低年平均水位法

最低年平均水位法是統(tǒng)計(jì)歷年水庫(kù)最低水位，取其平均值與權(quán)重（歷年水庫(kù)最低水位平均值與最低生態(tài)水位的接近程度，取值范圍在0.650～1.550）的乘積作為最低生態(tài)水位。

2.2.2 年保證率設(shè)定法

年保證率設(shè)定法[3]是對(duì)歷年水庫(kù)最低水位從小到大排序，計(jì)算不同年保證率下的最低生態(tài)水位。其計(jì)算公式為：

式中：Zmin為最低生態(tài)水位（m）；Z為年平均水位（m）；μ為權(quán)重；P為保證率；m為年序列數(shù)；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

根據(jù)水庫(kù)的自然地理環(huán)境、調(diào)蓄灌溉功能選擇相應(yīng)的保證率（50%、75%、95%），得到保證率所對(duì)應(yīng)的水文年，計(jì)算年平均水位。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)水文年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。健康等級(jí)與權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳見表1。

表1 水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)與權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2.3 生物最小空間需求法

根據(jù)徐志俠等[5]的研究，水庫(kù)水位與生物生存空間一一對(duì)應(yīng)，所以采用水位作為水生生物生存空間指標(biāo)。水生生物包括藻類、浮游動(dòng)植物、大型水生植物、底棲動(dòng)物和魚類等，為維持各自群落生存均需最低水位，這些最低水位的最大值即為最低生態(tài)水位。其計(jì)算公式為：

式中：Zemin為最低生態(tài)水位（m）；Zemini為第i種水生生物所需的最低生態(tài)水位（m），i= 1～n；n為水生生物種類。

水生生物中魚類對(duì)水位最為敏感，并且對(duì)其他水生生物的生存發(fā)展有重要作用[8]，因此將適于魚類生存的最低水位作為水庫(kù)最低生態(tài)水位，即：

式中：Hemin魚為魚類所需的最低生態(tài)水位（m）。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 最低年平均水位法計(jì)算分析

根據(jù)1969—2022年岳城水庫(kù)（壩上站）實(shí)測(cè)逐日水位數(shù)據(jù)，繪制岳城水庫(kù)歷年最低水位，如圖1所示。岳城水庫(kù)歷年最低水位最大值與最小值相差11.32 m，2011年最低水位與歷年最低水位平均值相差0.12 m，為最接近的年份。近幾年，岳城水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)為地表水Ⅱ類及以上標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好，達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求，歷年最低水位為上漲趨勢(shì)，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度逐年好轉(zhuǎn)，處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[9-11]。巴音查汗等[12]采用最低年平均水位法研究確定新疆賽里木湖流域最低生態(tài)水位，權(quán)重取1.0。所以，根據(jù)水文統(tǒng)計(jì)方法和反饋法確定權(quán)重λ值為1.0，經(jīng)計(jì)算得岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位為127.57 m。

3.2 年保證率設(shè)定法計(jì)算分析

岳城水庫(kù)地質(zhì)較復(fù)雜、進(jìn)水口單一，取保證率為75%，水文年為2007年，年平均水位為131.68 m，詳見表2。岳城水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥含較多有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)，故底棲動(dòng)物生物指數(shù)賦分偏低[13]。2016—2018年，漳衛(wèi)南局實(shí)行最嚴(yán)格水源地保護(hù)措施，庫(kù)區(qū)水生態(tài)、水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)逐漸改善。2019年岳城水庫(kù)健康狀況評(píng)估為健康，評(píng)價(jià)結(jié)果為較好[14]。根據(jù)表1，權(quán)重取0.975，岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位為128.39 m。

表2 不同保證率下年平均水位統(tǒng)計(jì)

3.3 生物最小空間需求法計(jì)算分析

岳城水庫(kù)野生魚類品種豐富，有鯉、鯽、鳙、鰱等，保護(hù)魚類也是衡量生物多樣性的重要指標(biāo)。根據(jù)庫(kù)區(qū)野生魚類生存和繁殖需求，岳城水庫(kù)至少需要1.5 m 的水深（魚類生存的極限水深）。根據(jù)李增強(qiáng)等[15]的研究，岳城水庫(kù)可調(diào)用水量的基礎(chǔ)水位應(yīng)在死水位以上，才可保證水庫(kù)及下游河道的水生態(tài)環(huán)境，因此維持庫(kù)區(qū)野生魚類生存的最低水位為126.50 m。岳城水庫(kù)上游山區(qū)地質(zhì)為石灰?guī)r及土石山，且暴雨主要集中在山區(qū)迎風(fēng)坡，大量泥沙、碎石隨暴雨洪水進(jìn)入庫(kù)區(qū)，且水庫(kù)建成以來(lái)未曾進(jìn)行清淤，導(dǎo)致水庫(kù)淤積情況逐年增加。截至2020年，根據(jù)基本水尺斷面水尺零點(diǎn)高程測(cè)量結(jié)果得到最低一根水尺淤積深度已達(dá)到0.95 m。所以，維持魚類種群長(zhǎng)期生存的最低水位應(yīng)提升0.95 m，為127.45 m。

3.4 最低生態(tài)水位合理性分析

采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法和生物最小空間需求法3 種方法計(jì)算得到岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位，均低于旱限水位[16]，高于死水位。岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果及差值比較，詳見表3。

表3 岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果及差值比較m

由于不同計(jì)算方法基于理論和側(cè)重點(diǎn)不同，所以其得到的結(jié)果也并不完全相同。年保證率設(shè)定法和最低年平均水位法是基于長(zhǎng)序列水位資料計(jì)算最低生態(tài)水位，重點(diǎn)考慮水庫(kù)水資源功能正常發(fā)揮，不需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而權(quán)重確定比較困難，兩者確定的岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位相差0.82 m，沒有考慮水生生物空間的影響[17]。生物最小空間需求法屬于棲息地法的范疇，著重考慮了相關(guān)生物的生態(tài)機(jī)理，并且將淤積現(xiàn)狀考慮在內(nèi)，比最低年平均水位法和年保證率設(shè)定法低0.12 和0.94 m。因此，在保證水庫(kù)水資源功能正常發(fā)揮和水生生物正常存活繁育發(fā)展的情況下，岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位取計(jì)算結(jié)果的平均值127.80 m。

根據(jù)2012—2022年岳城水庫(kù)逐日水位狀況，年最低水位持續(xù)高于127.80 m，表明近年來(lái)岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位滿足程度較好，水位高、水庫(kù)蓄水量大，尤其在2021年漳河“21·7”洪水期間，岳城水庫(kù)最高水位達(dá)152.27 m，攔蓄洪水2.730 億m3，泄洪2.148 億m3，洪水期前后水庫(kù)水質(zhì)基本穩(wěn)定，維持在地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。本研究結(jié)果也從另一方面印證了岳城水庫(kù)水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

（1）采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法和生物最小空間需求法3種方法計(jì)算得到岳城水庫(kù)最低生態(tài)水位127.80 m，高于死水位，低于旱限水位。最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法考慮了水庫(kù)水資源功能的正常發(fā)揮，其計(jì)算結(jié)果高于生物最小空間需求法的計(jì)算結(jié)果，在水位持續(xù)下降時(shí)，應(yīng)減少或停止岳城水庫(kù)向外供水，以保持水庫(kù)的水生態(tài)平衡。

（2）2012—2022年，岳城水庫(kù)持續(xù)加強(qiáng)水資源管理與保護(hù)，保證每年最低水位高于最低生態(tài)水位，庫(kù)區(qū)水生態(tài)環(huán)境逐年改善。

（3）隨著岳城水庫(kù)上游來(lái)水的減少以及城市生活、農(nóng)業(yè)需水的增加，需加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的管控、庫(kù)區(qū)居民生活垃圾的存放及處理、上游河道兩岸水土保持、庫(kù)區(qū)水體漂浮物清除等，建立岳城水庫(kù)上下游聯(lián)動(dòng)協(xié)商機(jī)制，定期協(xié)商、充分掌握上游來(lái)水水量水質(zhì)等情況。