洞庭湖生態(tài)水位與生態(tài)需水量研究

楊恒 董世杰 吳江 翟然 呂振豫

摘要：為保護(hù)洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)，基于洞庭湖鹿角、楊柳潭和南咀水文站1961～2020年逐日水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展洞庭湖生態(tài)水位和生態(tài)需水量的研究。運用天然水位資料法、湖泊形態(tài)法、生物空間最小需求法、年保證率法、最低年平均水位法和頻率曲線法等6種分析方法計算得出洞庭湖生態(tài)水位，利用功能法計算得出洞庭湖生態(tài)需水量。結(jié)果表明：① 洞庭湖東、南、西3個湖區(qū)最低生態(tài)水位分別為24.20，27.78，29.42 m，適宜生態(tài)水位分別為25.80，29.07，30.08 m。② 洞庭湖東、南、西3個湖區(qū)最低生態(tài)需水量分別為6.31億，10.02億，3.83億m³，適宜生態(tài)需水量分別為12.66億，13.99億，4.61億m³，洞庭湖最低與適宜生態(tài)需水量分別為20.16億m³和31.26億m³。研究成果可為洞庭湖區(qū)域水資源合理配置、湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康運轉(zhuǎn)和洞庭湖治理與保護(hù)提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：生態(tài)水位；生態(tài)需水量；天然水位資料法；頻率曲線法；洞庭湖

中圖法分類號：X143；P343.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.012

0 引 言

洞庭湖是中國第二大淡水湖，也是長江中下游的大型通江湖泊，具有調(diào)蓄防洪、溝通航運、農(nóng)業(yè)灌溉、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持生物多樣性、美化區(qū)域環(huán)境和水資源開發(fā)利用等多種功能^［1］。同時洞庭湖也是世界著名的濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，對珍稀候鳥、魚類以及生物多樣性的保護(hù)具有顯著的生態(tài)價值。湖泊生態(tài)水位和生態(tài)需水量是表征湖泊生態(tài)用水需求的重要指標(biāo)，二者與湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能聯(lián)系密切。因此，進(jìn)行洞庭湖生態(tài)水位與生態(tài)需水量的研究，對開展湖泊生態(tài)保護(hù)對策研究、維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康具有十分重要的意義。

生態(tài)水位和生態(tài)需水量是湖泊生態(tài)水文的重要研究對象，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。在湖泊生態(tài)水位方面，徐志俠等^［2］運用天然水位資料法、湖泊形態(tài)分析法和生物空間最小需求法計算南四湖最低生態(tài)水位。崔保山等^［3］認(rèn)為湖泊最低生態(tài)水位是保護(hù)湖區(qū)生物生存和維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康運行所需的最低水位，提出了最低年平均水位法和年保證率設(shè)定法兩種生態(tài)水位計算方法。李新虎等^［4］運用綜合指標(biāo)法計算了博斯騰湖最低生態(tài)水位。王鴻翔等^［5］采用RVA法、年內(nèi)展布法和數(shù)理統(tǒng)計的方法對東洞庭湖濕地生態(tài)水位閾值進(jìn)行了研究。楊毓鑫等^［6］基于湖泊最低生態(tài)水位的研究方法綜合確定了洞庭湖最低生態(tài)水位。黃宇云等^［7］對三峽建庫后東洞庭湖適宜生態(tài)水位需求進(jìn)行了分析。朱永衛(wèi)^［8］、成波^［9］等分析了東洞庭湖水位波動對候鳥棲息地適宜性以及對冬季水鳥群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。戴凌全等^［10］分析了洞庭湖水位變化對三峽水庫優(yōu)化調(diào)度的影響。在湖泊生態(tài)需水量方面，Gleick^［11］提出基本生態(tài)需水量的概念，即保證物種多樣性和生態(tài)完整性的基本需水量。Baird等^［12］系統(tǒng)分析了各類生態(tài)系統(tǒng)中植物與水文過程的相關(guān)關(guān)系，強(qiáng)調(diào)水因子在自然保護(hù)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，推動了國際學(xué)術(shù)界開展生態(tài)需水研究。謝永宏等^［13］基于生態(tài)需水模型及計算方法對洞庭湖最小生態(tài)需水量進(jìn)行了研究。安秋香等^［14］對洞庭湖斷流區(qū)育樂垸生態(tài)需水量進(jìn)行了研究。陸平宇等^［15］在聚焦前人關(guān)于湖泊生態(tài)需水量研究的基礎(chǔ)上，對湖泊生態(tài)需水量的計算方法進(jìn)行了總結(jié)。張明波^［16］、鄭靜^［17］等針對2022年長江干流及洞庭湖、鄱陽湖水系“汛期反枯”的極端干旱情況，考慮水位、需水量、出庫流量、降水等因素，采用P-Ⅲ曲線和適線法分析了洞庭湖、鄱陽湖和長江干流枯水重現(xiàn)期，并對水庫群抗旱補(bǔ)水調(diào)度進(jìn)行研究。以上針對湖泊生態(tài)水位和生態(tài)需水量的研究多是傾向于研究湖泊單一的生態(tài)水位或生態(tài)需水量，而將二者結(jié)合的研究相對缺乏。在洞庭湖生態(tài)水位和生態(tài)需水量研究方面，目前多數(shù)學(xué)者僅考慮了洞庭湖某單一湖區(qū)生態(tài)水位或生態(tài)需水量或是將洞庭湖區(qū)作為一個整體進(jìn)行計算，缺乏對洞庭湖東、南、西3個湖區(qū)生態(tài)水位和生態(tài)需水量的計算與比較研究。

鑒于此，本文采用天然水位資料法、湖泊形態(tài)法、生物空間最小需求法、年保證率設(shè)定法、最低年平均水位法、頻率曲線法以及功能法，開展對洞庭湖東、南、西3個湖區(qū)生態(tài)水位和生態(tài)需水量的研究，以期進(jìn)一步明晰洞庭湖不同湖區(qū)生態(tài)水位和生態(tài)需水量的相互關(guān)系以及湖區(qū)生態(tài)水文現(xiàn)狀，為保護(hù)洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)、湖區(qū)水資源綜合利用、以及應(yīng)對極端干旱等氣候提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)資料

洞庭湖（28°30′N～30°20′N，111°40′E～113°10′E）位于湖南省北部、長江中游荊江河段以南，跨越湘鄂兩省，南納湘、資、沅、澧四水來水，北承荊江南岸太平、藕池、松滋三口分流，在城陵磯附近注入長江。洞庭湖是中國第二大淡水湖，也是長江流域重要的吞吐調(diào)蓄型湖泊^［18］。湖區(qū)地勢西高東低，分成東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖（由目平湖、七里湖組成）3個湖區(qū)^［19］（圖1）。

本文選取東洞庭湖鹿角水文站、南洞庭湖楊柳潭水文站以及西洞庭湖南咀水文站作為洞庭湖區(qū)的代表性站點。鹿角站（113°0′49″E，29°9′41″N）西濱東洞庭湖，北通長江，東接新墻河，南臨汨羅江，是監(jiān)測東洞庭湖水文氣象的代表水文站；楊柳潭站（112°38′7″E，28°46′52″N）是控制湘江、資水流入南洞庭湖的觀測水文站；南咀站（112°18′43″E，29°3′28″N）是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅江經(jīng)西洞庭湖湖口（北端）流入南洞庭湖的國家基本水文站。選取的3個水文站各具代表性，基本能夠反映洞庭湖區(qū)的水文情勢變化特征。研究基于3個水文站點1961～2020年的逐日水位監(jiān)測數(shù)據(jù)（水位高程均為“1985國家高程基準(zhǔn)”），并參考前人已有研究成果，計算洞庭湖生態(tài)水位與生態(tài)需水量，水位數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會水文局。

2 研究方法

2.1 天然水位資料法

湖泊水位在天然情況下時刻在發(fā)生變化，這將對湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的擾動，但在湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期發(fā)展過程中，已適應(yīng)了這樣的擾動。天然水位資料法從天然情況下的水位變動出發(fā)，將湖泊多年最低水位作為湖泊最低生態(tài)水位，其中最低水位可以是月均最低水位、日均最低水位或瞬時最低水位等。本文采用月均最低水位作為洞庭湖最低生態(tài)水位。該方法存在一定局限性，在計算最低水位時若出現(xiàn)個別極端水位，會導(dǎo)致所求最低生態(tài)水位結(jié)果偏低，故當(dāng)歷史水位資料少于20 a時，該方法不適用。計算公式為

Z_emin=min（Z_min1，Z_min2，…，Z_minn）（1）

式中：Z_emin為最低生態(tài)水位；Z_mini為第i年最小月均水位；n為統(tǒng)計的水位資料年數(shù)。

2.2 湖泊形態(tài)分析法

湖泊形態(tài)分析法是根據(jù)水位-水面積數(shù)據(jù)，繪制二者關(guān)系曲線，并通過多項式擬合得到二者關(guān)系函數(shù)。由導(dǎo)函數(shù)理論可知，若某一水位在湖泊多年平均水位附近且在該水位處湖面積變化率存在一個極大值，若極大值發(fā)生變化，會導(dǎo)致湖面積與湖泊功能也發(fā)生顯著變化，則認(rèn)為該水位就是湖泊最低生態(tài)水位。計算公式為

式中：S為湖泊面積，km²；h為湖泊水位，m。

2.3 生物空間最小需求法

生物空間最小需求法是從湖泊生態(tài)系統(tǒng)中生物生存角度出發(fā)，由湖內(nèi)和湖濱生物的生存空間所需水位來確定其最低生態(tài)水位。其中不同的水生和陸生植物有不同的適宜水位，相關(guān)研究表明，沉水植物的適宜水深為60～200 cm，挺水植物的適宜水深為植物露出水面30～50 cm，野生魚類生存和繁殖的最小水深為1.0 m^［6］。魚類為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，在水生態(tài)系統(tǒng)中位置獨特，漁業(yè)是洞庭湖的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一，故將魚類作為洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)指示物種。計算公式為

Z=Z_o+h_min（4）

式中：Z_o為湖底高程，m；h_min為魚類生存所需的最小水深，m。

2.4 年保證率設(shè)定法

年保證率設(shè)定法^{［3，20］}是根據(jù)水位系列數(shù)據(jù)，將歷年最低水位按從小到大的順序排列，在選定的年保證率下計算湖泊最低生態(tài)水位的一種方法。計算公式為

式中：H_min為湖泊最低生態(tài)水位，m；H為某保證率下所對應(yīng)的水文年平均水位，m；μ為權(quán)重；P為保證率；m為某保證率下對應(yīng)的水文年序列數(shù)；n為統(tǒng)計年數(shù)。

根據(jù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能、地形地貌和湖泊結(jié)構(gòu)選擇適宜的保證率（一般情況下取75%保證率），然后確定該保證率所對應(yīng)的水文年，進(jìn)而計算該水文年年平均水位，再根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)^［21］，綜合評價該水文年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，最后據(jù)此確定權(quán)重μ。

2.5 最低年平均水位法

最低年平均水位法是根據(jù)水文學(xué)法中的河流最枯月平均流量法和Taxas法，并結(jié)合湖泊生物指標(biāo)和多年水位狀況所提出的一種計算湖泊最低生態(tài)水位的方法。計算公式為

式中：H_min為湖泊最低生態(tài)水位，m；λ為權(quán)重，取值范圍一般為0.65～1.55；H_i為第i年最低水位，m；n為統(tǒng)計年數(shù)。

2.6 頻率曲線法

皮爾遜Ⅲ型頻率曲線是一條不對稱且一端無限，一端有限的正偏、單峰曲線，數(shù)學(xué)上稱為伽瑪分布，皮爾遜Ⅲ型分布的概率密度函數(shù)為

式中：α、β為皮爾遜Ⅲ型分布的形狀尺度參數(shù)，α>0，β>0；Γ（α）為α的伽瑪函數(shù)；x為隨機(jī)變量；a₀為皮爾遜Ⅲ型分布的位置參數(shù)。

α、β、a₀與x、C_v、C_s之間的關(guān)系為

頻率分析需知相應(yīng)指定頻率P的數(shù)值，x_p簡化公式為

式中：x_p為頻率P的隨機(jī)變量；Φ為離均系數(shù)；K_p為模比系數(shù)；數(shù)值可根據(jù)P和C_s查表以及C_s/C_v值查表得出。

2.7 功能法

功能法是以生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，從維持與重建湖泊生態(tài)功能的角度出發(fā)，以恢復(fù)和保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和完整性為目標(biāo)，將各個生態(tài)功能所需要的水量進(jìn)行加和，得到總的生態(tài)需水量。功能法根據(jù)湖泊生態(tài)環(huán)境功能和湖泊生態(tài)系統(tǒng)將生態(tài)環(huán)境需水量分類如下：湖面蒸發(fā)需水量、湖泊滲漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物棲息需水量、航運需水量、湖泊植被蒸騰需水量、景觀保護(hù)與建設(shè)需水量、娛樂需水量、環(huán)境稀釋需水量和湖泊防鹽化需水量等。該方法能較為系統(tǒng)全面地計算出湖泊生態(tài)環(huán)境需水量。本文綜合考量洞庭湖生態(tài)需水實際情況、影響生態(tài)需水量主要因素以及相關(guān)資料情況，采用湖面蒸發(fā)需水量、湖泊滲漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物棲息需水量4個指標(biāo)作為洞庭湖生態(tài)需水量確定的主要參考依據(jù)，不同類型各生態(tài)需水量計算方法見表1。