黃 兵，姜 恒，廖小紅，錢 湛

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院洞庭湖研究中心，長(zhǎng)沙 410007)

洞庭湖為我國(guó)第二大淡水湖泊，是長(zhǎng)江中下游最重要的調(diào)蓄湖泊和國(guó)際重要濕地。洞庭湖地勢(shì)西高東低，被分成東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)，自西向東形成了一個(gè)傾斜的水面。近年來(lái)，受自然演變和人類活動(dòng)等因素共同影響，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)正面臨著生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)功能退化等一系列生態(tài)問(wèn)題。

水位漲落過(guò)程是濕地變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，確定合理的生態(tài)水位，對(duì)解決洞庭湖生態(tài)退化問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前關(guān)于湖泊生態(tài)水位(或湖泊生態(tài)流量)的定義較多，不同學(xué)者從水量平衡、資源利用、生態(tài)保護(hù)、綜合等多角度提出了不同界定[1]，其中，較多學(xué)者將維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性和生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性等所需的水位作為湖泊生態(tài)水位[1-3]。國(guó)內(nèi)外研究生態(tài)水文的方法主要有天然水位資料法[4]、湖泊形態(tài)分析法[4,5]、生物空間最小需求法[4]、最低年平均水位法[5]、年保證率設(shè)定法[5]、功能法[6]、綜合指標(biāo)法[2]等。一些學(xué)者對(duì)洞庭湖生態(tài)水位和生態(tài)流量進(jìn)行了研究。程俊翔等[7]采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法、湖泊形態(tài)分析法和生態(tài)水位法計(jì)算東洞庭湖最低生態(tài)水位。謝永宏等[8]從濕地水文的角度對(duì)洞庭湖1974-1987、1988-1997、1998-2007年3個(gè)時(shí)期的最小生態(tài)需水量進(jìn)行了研究。梁婕等[3]考慮水文變異對(duì)東洞庭湖生態(tài)水位進(jìn)行研究，采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)行年尺度水文變異分析，把變異前序列作為計(jì)算序列，擬合月平均水位的最適合概率分布函數(shù)，求出概率密度最大處的月平均水位作為東洞庭湖生態(tài)水位?？紤]到洞庭湖生態(tài)水文問(wèn)題的重要性及其特殊的地理分布特征，本文對(duì)洞庭湖生態(tài)水位的研究范圍、研究方法進(jìn)行了更進(jìn)一步的考慮：以東、南、西洞庭湖出口水文站的水位序列為研究對(duì)象，分別計(jì)算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位；采用月尺度進(jìn)行水文變異分析，分別計(jì)算各月水文序列的變異點(diǎn)，可更進(jìn)一步考慮人類活動(dòng)和自然演變導(dǎo)致的水位年內(nèi)變化對(duì)水文變異的影響；分別對(duì)各站點(diǎn)變異前的各月平均水位進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，求出各月水位最優(yōu)分布函數(shù)，計(jì)算概率密度最大處的水位作為洞庭湖生態(tài)水位。

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部，長(zhǎng)江中游荊江河段以南，北緯28°30′～30°20′，東經(jīng)110°40′～113°10′之間。洞庭湖獨(dú)特的水文氣候及地理位置奠定了其在長(zhǎng)江流域乃至世界濕地生態(tài)中的重要地位。洞庭湖濕地是我國(guó)水系最為復(fù)雜的大型淡水濕地，是長(zhǎng)江流域重要的凈化池和生態(tài)前置池，是國(guó)家濕地生態(tài)系統(tǒng)與重點(diǎn)野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)域，是世界淡水魚(yú)類優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源基因庫(kù)，被譽(yù)為“拯救世界瀕危物種的希望地”[7]。

本文選取東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(目平湖)出口處水文站：城陵磯水文站、鹿角水文站和南嘴水文站1953-2016年月平均水位作為研究對(duì)象，分別計(jì)算各站點(diǎn)逐月生態(tài)水位。

2 研究方法

水位情勢(shì)是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的最主要環(huán)境要素之一，水位高低、出現(xiàn)時(shí)間、歷時(shí)及變化速率都會(huì)直接或間接影響湖泊的物理形態(tài)、動(dòng)植物的種類和數(shù)量。湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，水位過(guò)高或者過(guò)低，都將會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和物種多樣性造成不利影響[9-11]。湖泊水位偏高或偏低可能會(huì)對(duì)某一類或幾類物種產(chǎn)生有利影響，但會(huì)對(duì)其他多類物種產(chǎn)生不利的后果，進(jìn)而影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和物種多樣性。生態(tài)適宜性理論認(rèn)為，生物在適宜的環(huán)境中，生物數(shù)量最多，生長(zhǎng)最好，長(zhǎng)期的自然選擇促使生物適應(yīng)出現(xiàn)頻率較高的環(huán)境因子[12]。因此，本文選取概率密度最大處水位作為適宜生物生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)水位。

本文采用月平均水位作為計(jì)算湖泊生態(tài)水位。由于自然演變和人類活動(dòng)，水文序列往往發(fā)生變異，變異前和變異后的水文序列分布發(fā)生了改變，生態(tài)系統(tǒng)往往適應(yīng)了變異前的水位序列。因此，本文主要分析變異前水文序列的概率分布情況，并據(jù)此計(jì)算湖泊生態(tài)水位。

2.1 水文變異計(jì)算步驟

水文變異點(diǎn)的判定方法有很多，常見(jiàn)的方法有滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法、Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、滑動(dòng)F檢驗(yàn)法、有序聚類法、R/S分析法等。本文采用首先采用t檢驗(yàn)法[13]和Mann-kendall檢驗(yàn)法[14]對(duì)各站點(diǎn)水位序列進(jìn)行水文變異綜合診斷，并結(jié)合東、南、西洞庭湖的實(shí)際情況確定最可能的變異點(diǎn)。上述兩種方法的計(jì)算原理和過(guò)程見(jiàn)相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

2.2 生態(tài)水位計(jì)算步驟

如果水位序列不存在變異點(diǎn)，則認(rèn)為整個(gè)水位序列總體分布一致，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)狀水文狀態(tài)，計(jì)算湖泊生態(tài)水位時(shí)考慮整個(gè)水位序列。如果水位序列存在變異點(diǎn)，則認(rèn)為變異前后水位序列的總體分布不一致，假定洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了變異前的水文狀態(tài)，變異后的水位變化已影響湖泊濕地的生態(tài)平衡，計(jì)算湖泊生態(tài)水位時(shí)只考慮變異前的水位序列。依據(jù)生態(tài)因子與生物種群數(shù)量及生長(zhǎng)繁殖速度的關(guān)系，認(rèn)為湖泊適宜的生態(tài)水位為頻率最大處月平均水位。要計(jì)算概率密度最大處的月平均水位，首選要確定最符合計(jì)算系列的概率分布函數(shù)。因此，本文選用國(guó)內(nèi)外水文氣象領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的5種概率分布函數(shù)[12, 15]進(jìn)行頻率分析：對(duì)數(shù)正態(tài)分布(3參)、P-Ⅲ分布(3參)、廣義極值分布(3參)、廣義帕累托分布(3參)和Wakeby分布(5參)，使用線性矩方法[16]進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并采用Kolmogorow-Smirnow(K-S)方法的統(tǒng)計(jì)量D進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)[17]，從中確定最適合計(jì)算系列的概率分布函數(shù)，以相對(duì)應(yīng)的概率密度最大處月均水位作為湖泊生態(tài)水位。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文變異結(jié)果及成因分析

受自然演變和人類活動(dòng)共同影響，特別是受下荊江裁彎和長(zhǎng)江中上游三峽等控制性水利樞紐運(yùn)用的影響，三口入湖水量、沙量逐年減少，洞庭湖水位年內(nèi)年際發(fā)生了較大變化。因此，選擇以月尺度作為變異分析更能準(zhǔn)確分析洞庭湖水位序列的變異特征。采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法和Mann-Whitney U 檢驗(yàn)法兩種方法分別分析城陵磯、鹿角和南嘴三個(gè)水文站點(diǎn)的月均水位序列，結(jié)果如表1所示。

新中國(guó)成立以來(lái)，根據(jù)長(zhǎng)江干流自然演變和水利工程建設(shè)的時(shí)間，洞庭湖大致經(jīng)歷了如下6個(gè)時(shí)期：調(diào)弦口堵口前(1951-1958年)、下荊江裁彎前(1956-1966年)、下荊江裁彎中(1967-1972年)、下荊江裁彎后(1973-1980年)、葛洲壩截流后(1981-2002年)、三峽蓄水后(2003年至今)。因此，根據(jù)表1中水文變異結(jié)果可知：①洞庭湖11月至次年7月之間發(fā)生的水文變異主要是由于荊江裁彎所引起的，9月、10月發(fā)生的水文變異主要是由于長(zhǎng)江上游水庫(kù)群，尤其是三峽水利樞紐工程建設(shè)所引起的；②受長(zhǎng)江干流下游洞庭湖出口河道水位頂托影響，洞庭湖水位變異由東向西逐漸減弱，城陵磯水文站全年8個(gè)月水位序列發(fā)生變異，鹿角水文站全年7個(gè)月水位序列發(fā)生變異，南嘴水文站全年6個(gè)月水位序列發(fā)生變異。由此可見(jiàn)，荊江裁彎和三峽等長(zhǎng)江中上游樞紐工程建設(shè)是洞庭湖水位序列發(fā)生變異的主要原因。二者造成的荊南三口入流和長(zhǎng)江干流洞庭湖出口處水位變化是造成洞庭湖水位序列發(fā)生變異的直接原因。

表1 洞庭湖三個(gè)水文站點(diǎn)月均水位水文變異分析結(jié)果

3.2 生態(tài)水位計(jì)算

洞庭湖受入湖水量和長(zhǎng)江干流水位頂托等共同影響，湖區(qū)水位年內(nèi)、年際變化顯著，素有“洪水一大片，枯水幾條線、霜落洞庭湖干”之說(shuō)。當(dāng)城陵磯水位28 m以上時(shí)，東、南、西洞庭湖水面連成一片；當(dāng)城陵磯水位逐漸下降26 m左右時(shí)，東、南、西洞庭湖水面之間主要是由主河槽連接；當(dāng)城陵磯水位下降至23 m以下時(shí)，東、南、西洞庭湖水面幾乎只剩下主河槽內(nèi)有水面。因此，本文分別選擇東、南、西洞庭湖出口水位站水文序列作為研究對(duì)象，分別計(jì)算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位，可以從空間上為洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供參考依據(jù)。

根據(jù)水文變異分析結(jié)果，選擇變異前的水位序列作為研究對(duì)象，分別計(jì)算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位。首先確定各站點(diǎn)月均水位序列的概率分布函數(shù)，本文選擇5種常用的概率分布函數(shù)進(jìn)行頻率分析，分別為：對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布(3參)、P-Ⅲ分布(3參)、廣義極值分布(3參)、廣義帕累托分布(3參)、Wakeby分布(5參)。采用線性矩方法分別進(jìn)行5種概率分布的參數(shù)估計(jì)，然后使用顯著性水平為5%的Kolmogorow-Smirnow(K-S)檢驗(yàn)法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，選擇統(tǒng)計(jì)量D最小的概率分布函數(shù)。以南嘴水文站為例，基于5種概率分布函數(shù)描述各月平均水位的統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)值D見(jiàn)表2。4、6月最適概率分布為P-Ⅲ分布，2、3、5、9、11、12月最適概率分布為廣義極值分布，1、7、8、10月最適概率分布為Wakey分布。

表2 基于5種概率分布的南嘴各月平均水位的

注：帶下劃線的值代表最優(yōu)概率分布函數(shù)，帶星號(hào)的值代表Wakeby 分布簡(jiǎn)化為廣義帕累托分布。

根據(jù)上述最適概率分布函數(shù)，計(jì)算得到東、南、西洞庭湖生態(tài)水位結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 洞庭湖3個(gè)水文站各月生態(tài)水位 m

3.3 與其他生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較

將本文得到的生態(tài)水位結(jié)果與年保證率法進(jìn)行對(duì)比，年保證率法是根據(jù)系列水文資料，分別計(jì)算不同保證率的最低生態(tài)水位[6]。根據(jù)城陵磯、鹿角和南嘴水文站1953-2016年的日均水位序列，選取逐年最低水位從大到小進(jìn)行排序，得到75%保證率條件下的東、南、西洞庭湖的生態(tài)水位見(jiàn)表4。本文計(jì)算結(jié)果與年保證率法得到的年生態(tài)水位結(jié)果基本一致，可以為洞庭湖生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

表4 與年保證率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比 m

3.4 變異前后生態(tài)水位滿足率對(duì)比分析

如果實(shí)測(cè)日均水位大于等于對(duì)應(yīng)月的生態(tài)水位，則認(rèn)為該水位滿足生態(tài)水位要求。各月生態(tài)水位滿足的日數(shù)與計(jì)算序列對(duì)應(yīng)月份總?cè)諗?shù)之比即為生態(tài)水位滿足率。分別對(duì)東、南、西洞庭湖變異前后水位序列的生態(tài)水位滿足率進(jìn)行對(duì)比分析，探討自然演變和人類活動(dòng)對(duì)洞庭湖生態(tài)水位的影響。洞庭湖3個(gè)水文站水位序列變異前后生態(tài)水位滿足率結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 洞庭湖3個(gè)水文站生態(tài)水位滿足率 %

變異前，東、南、西洞庭湖實(shí)測(cè)日均水位的生態(tài)水位滿足率均在50%左右，表明變異前的洞庭湖日均水位約有50%左右的時(shí)間能夠滿足生態(tài)水位的要求。

變異后，3個(gè)水文站的生態(tài)水位滿足率變化各有差異。對(duì)于主要受荊江裁彎影響的11月-次年7月，荊江河段裁彎后，造成荊南三口入河水量減少，長(zhǎng)江干流城陵磯出口處水位抬升，城陵磯和鹿角水文站距離長(zhǎng)江干流較近，水位變異受長(zhǎng)江干流水位頂托影響站主導(dǎo)作用，導(dǎo)致變異后城陵磯和鹿角水文站水位升高，各月份生態(tài)水位滿足率出現(xiàn)不同程度的提升；南嘴水文站距離長(zhǎng)江干流較遠(yuǎn)，水位變異主要受荊南三口入流影響，導(dǎo)致變異后南嘴水文站水位消落，各月份生態(tài)水位滿足率出現(xiàn)不同程度的降低。因此，對(duì)于荊江裁彎導(dǎo)致水位序列發(fā)生的水文變異，城陵磯和鹿角水文站變異后的生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)；南嘴水文站變異后的生態(tài)水位滿足率呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì)。

對(duì)于主要受三峽等水利樞紐工程建設(shè)影響的9、10月份，三峽等水利樞紐工程建成后，9-10月為樞紐工程集中蓄水期，三峽水庫(kù)下泄流量大幅減少，導(dǎo)致荊南三口入湖水量減少和長(zhǎng)江干流城陵磯出口處水位降低，變異后城陵磯、鹿角、南嘴水文站水位受二者影響隨之大幅降低，三個(gè)水文站變異后生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。因此，對(duì)于三峽等水利樞紐工程導(dǎo)致水位序列發(fā)生的變異，三個(gè)水文站變異后生態(tài)水位滿足率均呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。

因此，在計(jì)算洞庭湖生態(tài)水位時(shí)，以月尺度進(jìn)行變異分析可以更準(zhǔn)確地分析自然演變和人類活動(dòng)對(duì)洞庭湖月均水位變異的影響，同時(shí)分別計(jì)算東、南、西洞庭湖生態(tài)水位能夠更好地從時(shí)間和空間上指導(dǎo)洞庭湖濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

4 結(jié) 論

(1)以月尺度進(jìn)行水文變異分析，分別計(jì)算水文變異條件下的東、南、西洞庭湖生態(tài)水位，結(jié)果合理且能直觀地反應(yīng)各月的水位變化規(guī)律，可以更好地從時(shí)間和空間上為洞庭湖濕地生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

(2)荊江裁彎和三峽等水利樞紐工程建設(shè)引起的荊南三口入湖水量和長(zhǎng)江干流洞庭湖出口水位變化，是導(dǎo)致東、南、西洞庭湖水位序列發(fā)生水文變異的主要原因。其中長(zhǎng)江干流洞庭湖出口水位變化在東、南洞庭湖水文變異中起主導(dǎo)作用，荊南三口入湖水量變化在西洞庭湖水文變異中起主導(dǎo)作用。

(3)荊州裁彎是洞庭湖11月至次年7月發(fā)生水文變異的主要原因，變異后東、南洞庭湖水位抬升，生態(tài)水位滿足率隨之增加；西洞庭湖水位降低生態(tài)水位滿足率隨之減少。長(zhǎng)江中上游三峽等水利樞紐工程建設(shè)是洞庭湖9、10月發(fā)生水文變異的主要原因，變異后三個(gè)水文站水位大幅降低，生態(tài)水位滿足率隨之減少。

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