彭飛宇,肖少懷

(湖南省岳陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，湖南 岳陽(yáng) 414000)

1 引言

在陸地水生態(tài)系統(tǒng)中，湖泊不僅僅維持著生物的多樣性，同時(shí)還能夠調(diào)節(jié)洪水和區(qū)域氣候，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水、航運(yùn)以及交通等功能[1]。人類(lèi)的一系列經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)造成影響以后，導(dǎo)致陸地水生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，而這種變化已經(jīng)嚴(yán)重的影響了我國(guó)的湖泊生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致湖泊內(nèi)的生物種類(lèi)以及生物數(shù)量都有所下滑。GLIKE[2]認(rèn)為人類(lèi)的活動(dòng)必須考慮保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中物種的多樣性這一問(wèn)題，因此，他提出了基本水需求的概念，即人類(lèi)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)盡可能的減少對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞，進(jìn)而保證生態(tài)系統(tǒng)中物種的完整性不受影響[3]。要想保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，就有必要保障該湖泊的最低生態(tài)水位，這是因?yàn)樽畹蜕鷳B(tài)水位代表的時(shí)湖泊可持續(xù)發(fā)展的最低水量以及最低水位[4]。

我國(guó)學(xué)者研究湖泊生態(tài)水文的時(shí)間較短，但是在總結(jié)了國(guó)外學(xué)者所提出的相關(guān)研究結(jié)論以后，我國(guó)學(xué)者在湖泊生態(tài)水文方面也得出了豐富的研究成果。徐志霞[3]在研究湖泊的最小生態(tài)水位時(shí)，主要采用了生物空間最小需量法、自然水位資料法等方法，對(duì)我國(guó)南四湖的最低生態(tài)水位進(jìn)行了量化計(jì)算，他認(rèn)為只有保證了最低生態(tài)水位，才能夠保證南四湖的生態(tài)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槿祟?lèi)的極度索取而退化。崔保山[4]認(rèn)為，為了保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)而受到影響，也為了保證該生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性能夠保持在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，那么就需要保障該湖泊生態(tài)的最小水位。從生態(tài)水文原理的角度來(lái)看，不少學(xué)者們提出了最小生態(tài)水位法、曲線(xiàn)相關(guān)法等方法，進(jìn)一步計(jì)算了湖泊的最小生態(tài)需水量，這些數(shù)據(jù)將成為人們保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要參考數(shù)據(jù)。李新虎[5,6]認(rèn)為，要想保證湖泊生物的多樣性和完整性，就有必要保證湖泊的生態(tài)系統(tǒng)不受破壞，而要想達(dá)到這一目標(biāo)，就應(yīng)當(dāng)首先確定湖泊的最低生態(tài)水位，并保證人類(lèi)的一系列活動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致湖泊水位低于最低生態(tài)水位。淦峰[7]主要采用了水文變化指標(biāo)法構(gòu)建了湖泊生態(tài)水位指標(biāo)體系，而該指標(biāo)體系中共納入了8個(gè)研究指標(biāo)，通過(guò)這些指標(biāo)進(jìn)一步分析湖泊生態(tài)水位的目標(biāo)區(qū)域值，進(jìn)而幫助人們找到有效協(xié)調(diào)湖泊生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間關(guān)系的方法。

2 研究區(qū)概況

洞庭湖是我國(guó)的第二大淡水湖，地跨湖北、湖南2省25縣(市)，洞庭湖區(qū)有大小入湖河流73條，主要河流有湘江、資水、沅江、澧水，合稱(chēng)四水水系；松滋河、虎渡河、藕池河、華容河、洈水等合稱(chēng)四口水系；由東面入湖主要河流有汩羅江、新墻河等，最后經(jīng)過(guò)城陵磯匯入長(zhǎng)江[8]。

東洞庭湖位于磊石山以北，湖口城陵磯以南，是洞庭湖中面積最大的水域，岸線(xiàn)長(zhǎng)207 km。水面高程34 m時(shí)，最大水深18 m，面積1313 km2，占全湖面積的50%；容積126.3億m3，占全湖容積的54%。

洞庭湖在人類(lèi)活動(dòng)的影響之下，湖底存在大量淤泥，水位和水面面積持續(xù)下降，相比于20世紀(jì)，21世紀(jì)的洞庭湖區(qū)物理特征水文狀況發(fā)生的變化十分明顯，已經(jīng)引發(fā)了洞庭湖區(qū)域的生態(tài)危機(jī)。要想實(shí)現(xiàn)洞庭湖流域水資源的可持續(xù)循環(huán)，人類(lèi)就必須找到行之有效的方式保持洞庭湖的水位在合理范圍內(nèi)。

圖1 洞庭湖湖區(qū)概圖

3 數(shù)據(jù)資料與研究方法

據(jù)相關(guān)資料顯示，東洞庭湖的蓄水量以及水域面積可以通過(guò)研究城陵磯水位的變化情況來(lái)分析，因此，本文在計(jì)算東洞庭湖的最小生態(tài)水位時(shí)，主要收集了1980～2016年期間，城陵磯每日水位的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 頻率曲線(xiàn)法

頻率曲線(xiàn)法[9]主要指的是收集30年以上的水文歷史資料，查到該水域環(huán)境中每個(gè)月的水文頻率，并繪制曲線(xiàn)。在該曲線(xiàn)圖中超過(guò)95%個(gè)頻率的徑流，以及水域生態(tài)環(huán)境中的月平均流量和月平均水位相關(guān)數(shù)據(jù)，就成為了計(jì)算該水域生態(tài)環(huán)境基本環(huán)境需水量的參考數(shù)據(jù)。在計(jì)算基本生態(tài)環(huán)境的需水量時(shí)，還需要分別計(jì)算汛期需水量和非汛期需水量，并計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

3.2 QP法

QP方法[9]是基于自然月平均流量、月平均水位或節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度序列的徑流(n>30年)。另外此方法在計(jì)算水生態(tài)環(huán)境的最小需水量時(shí)，需要首先計(jì)算該水生態(tài)環(huán)境的月平均水位和最小月流量，頻率應(yīng)為90%～95%。

3.3 年保證率設(shè)定法

年保證率設(shè)定法[4]需要排列超過(guò)30年水文資料中每一年的最低水位，水生態(tài)環(huán)境中的保證率每年都會(huì)發(fā)生變化，那么就需要根據(jù)不同的保證率來(lái)計(jì)算最小生態(tài)水位。年保證率設(shè)定法來(lái)計(jì)算最小生態(tài)水為時(shí)，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

4 結(jié)果

4.1 頻率曲線(xiàn)法

根據(jù)1980～2016年城陵磯站的實(shí)測(cè)逐日水位數(shù)據(jù)，對(duì)1980～2016年月平均水位排序后，取90%頻率相應(yīng)的月平均水位作為對(duì)應(yīng)月的生態(tài)水位；計(jì)算結(jié)果如表1所示，全年中以2月份的最低生態(tài)水位為最低，其值為19.66 m。

表1 洞庭湖多年月平均水位與月最低生態(tài)水位

4.2 Qp法

根據(jù)1980～2016年城陵磯月平均水位數(shù)據(jù)，對(duì)每年月平均最低水位(圖2)排序，并通過(guò)頻率計(jì)算后得出相應(yīng)頻率所對(duì)應(yīng)的水位。本文在收集了城陵磯水資源開(kāi)發(fā)情況以及水域生態(tài)環(huán)境規(guī)模以后，結(jié)合前文的計(jì)算公式可以得出，城陵磯的頻率為90%，這就能夠計(jì)算出城陵磯的最低生態(tài)水位為19.70 m。

圖2 城陵磯多年月平均水位圖

4.3 年保證率設(shè)定法計(jì)算結(jié)果

在收集了1980～2016年城陵磯的最低水位相關(guān)數(shù)據(jù)以后，按照由低到高的順序來(lái)排列這些最低水位數(shù)據(jù)。本文選擇東洞庭湖水域生態(tài)環(huán)境的保障率為75%，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式(2)，可以看出1990年，東洞庭湖的平均水位為25.59 m。截至2016年，洞庭湖中的動(dòng)植物資源并未發(fā)生顯著變化，且東洞庭湖的水質(zhì)仍然十分良好。從這個(gè)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，東洞庭湖當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)仍然十分健康。從湖泊生態(tài)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，城陵磯水生態(tài)系統(tǒng)的權(quán)重為0.975，此時(shí)可以根據(jù)計(jì)算公式(1)，計(jì)算得出城陵磯的最低生態(tài)水位為24.95 m。

4.4 最低水位合理性分析

本文基于歷史水文觀測(cè)資料分別用頻率曲線(xiàn)法、QP法、年保證率設(shè)定法3種方法計(jì)算得到的城陵磯最低生態(tài)水位分別為19.67 m、19.70 m、24.95 m?？梢钥闯?，根據(jù)不同的理論來(lái)計(jì)算城陵磯的最低生態(tài)水位，最終所得到的計(jì)算結(jié)果存在較大差異。湖泊水資源的作用是聯(lián)度保證率計(jì)算法中的主要參考數(shù)據(jù)，但是這種計(jì)算方法中，并未考慮湖泊水文和湖泊地形等因素對(duì)湖泊最低水位所帶來(lái)的影響，因此按照建立年度保證率方法來(lái)計(jì)算最低生態(tài)水位時(shí)，最終的計(jì)算結(jié)果要高于其余兩種方法的計(jì)算結(jié)果。頻率曲線(xiàn)法和QP法以水文資料為依據(jù)，從水文的角度分析了保持生態(tài)系統(tǒng)不嚴(yán)重退化的最低水位。因此結(jié)合本文中的三種計(jì)算方法，從不同的角度進(jìn)行計(jì)算分析，綜合3種計(jì)算結(jié)果對(duì)比，取其年保證率法得出的計(jì)算結(jié)果24.95m作為洞庭湖最低生態(tài)水位比較合理。

5 結(jié)論

本文以頻率曲線(xiàn)法、QP法、年保證率設(shè)定法分別計(jì)算了東洞庭湖的最低生態(tài)水位，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，結(jié)果為24.95 m。計(jì)算湖泊最低生態(tài)水位的方法有多種多樣，在選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法是，需要考慮該湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，也需要分析該湖泊生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。本文是根據(jù)長(zhǎng)系列水位資料基礎(chǔ)才選擇的上述三種計(jì)算方法，因此本文的計(jì)算方法能夠得出較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。