(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

湖泊是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其功能包括調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、保護生物多樣性等核心生態(tài)功能[1-2]。如何維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是當今湖泊科學(xué)領(lǐng)域面臨的重要問題。我國湖泊的面積、分布和水文情勢等受人類活動影響已發(fā)生了顯著變化，為此，開展我國湖泊生態(tài)相關(guān)的研究工作是十分必要的。

生態(tài)需水量是生態(tài)研究中的一個重要概念，主要指維護河流、湖泊、濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和重要功能，維持生物生存的基本生境條件所需要的水量及流量過程，包括河道生態(tài)基流、敏感生態(tài)需水、河道內(nèi)最基本生態(tài)需水量等。而相比于河流而言，湖泊的生態(tài)需水量研究存在不足。一些學(xué)者針對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整及其對人類的服務(wù)功能所需要的水位過程[3-5]，提出了湖泊生態(tài)水位的概念和一些界定方法(如頻率分析法、湖泊形態(tài)分析法、生物空間法、最低水位法、水環(huán)境模擬法等[6-7])。這些方法的提出都具有一定的理論和前提假設(shè)，如何選擇合適的研究方法是實際工作中需要解決的重要問題。為此，本文以典型湖泊為例，通過將各種方法計算所得的生態(tài)水位進行對比與分析，研究和認識不同方法的特性，以期獲得一定的方法認識和促進湖泊生態(tài)水位研究的發(fā)展。

1 研究方法

目前湖泊生態(tài)水位的確定方法包括頻率分析法、湖泊形態(tài)分析法、生物空間法、最低水位法和水環(huán)境模擬法等。

1.1 頻率分析法

頻率分析法的理論基礎(chǔ)為：其假定在長期的生態(tài)演變中，湖泊生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了湖泊水位的擾動，因此可以選擇一定保證率下的天然水位變化過程作為湖泊最低生態(tài)水位。實際計算過程中，一般借鑒水文中常用的P-Ⅲ型頻率曲線進行計算。

1.2 湖泊形態(tài)分析法

湖泊形態(tài)分析法首先假設(shè)湖泊地形為湖泊存在和其相關(guān)的水文循環(huán)提供了支撐和制約，由此湖水與湖盆構(gòu)成的空間是湖泊生物生存的最基本條件。因此，為維持湖泊自身基本功能，須將湖泊形態(tài)特征維持在一定水平。建立湖泊水位和面積的關(guān)系函數(shù)，通過求取該關(guān)系函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)(即湖面面積變化率)，確定其轉(zhuǎn)折點對應(yīng)湖泊的最低生態(tài)水位。具體確定方法公式如下：

F=f(H)

(1)

(2)

(Hmin-a)≤H≤(Hmin+b)

(3)

式中：F為湖面面積,m2；H為湖泊水位，m；Hmin為湖泊自然狀況下多年最低水位，m；a和b分別為和湖泊水位變幅相比較小的一個正數(shù)，m。

求解上述各式即可得到湖泊最低生態(tài)水位。

1.3 生物空間法

考慮湖泊濕地內(nèi)的動植物為維持各自群落不嚴重衰退均需要一個最低生態(tài)水位，根據(jù)湖泊各類生物對生存空間的需求可確定其最低生態(tài)水位，由此建立的方法為生物空間法。其主要采用水文站資料計算最小生態(tài)需水量。

1.4 最低水位法

與生物空間法類似，考慮在湖泊漫長的生態(tài)演化中，其生態(tài)系統(tǒng)逐漸調(diào)整到水位閾值和不斷演化，適應(yīng)了湖泊的最低水位，由此天然情況下的低水位對生態(tài)系統(tǒng)的干擾在其彈性范圍內(nèi)。取天然最低水位即為生態(tài)系統(tǒng)水位閾值的下限。其主要參考統(tǒng)計手段，確定各種最低水位值(如年內(nèi)瞬時最低水位、年內(nèi)日均最低水位、年內(nèi)月均最低水位、季節(jié)最低水位等)。

1.5 水環(huán)境模擬法

針對我國水環(huán)境惡化的問題，提出了水環(huán)境模擬法。通過建立湖泊水質(zhì)模擬模型，分析不同水位下典型污染過程的發(fā)展情況，評估水位變化的影響，從而選擇生態(tài)水位。

1.6 研究區(qū)域選擇與數(shù)據(jù)

為分析和比較不同研究方法的差異，基于數(shù)據(jù)獲取的便利性和湖泊特點，本文以湖北省汈汊湖為例開展研究。

汈汊湖流域地處江漢平原東北緣，屬平原河湖區(qū)。其周邊漢川市大部分地面海拔為23.0～26.0m，天門市大部分地面海拔為24.0～28.0m，屬沖積、湖積地貌。研究收集整理了汈汊湖五房臺水位站的水位資料。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)前述分析方法，計算分析汈汊湖生態(tài)水位，可分別得出汈汊湖生態(tài)水位成果。

2.1 頻率分析法

以汈汊湖五房臺水位站月平均水位作為計算序列，采用P-Ⅲ型頻率分布擬合各月平均水位分布，分別選取50%和90%頻率下的水位作為最適宜生態(tài)水位和最低生態(tài)水位。

各月P-Ⅲ型頻率曲線參數(shù)擬合結(jié)果見表1。各月適宜生態(tài)水位及最低生態(tài)水位見表2。

表1 各月P-Ⅲ型頻率曲線參數(shù)

表2 各月適宜生態(tài)水位與最低生態(tài)水位 單位：m

2.2 湖泊形態(tài)分析法

按照地形資料，汈汊湖水位(吳淞高程)-面積關(guān)系見圖1。

圖1 汈汊湖水位-面積關(guān)系

根據(jù)上述資料，得到的不同水位下水面增加面積見圖2。由圖1可知，水位由23.0m增加到23.5m時，水面面積增加得最快。由此得到汈汊湖最低生態(tài)水位為23.5m。

2.3 生物空間法

魚類對湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有特殊作用，同時，對低水位最為敏感?？烧J為魚類的最低生態(tài)水位得到滿足，則其他類型生物的最低生態(tài)水位也可得到滿足。

圖2 汈汊湖不同水位下水面增加面積

根據(jù)相關(guān)研究，淺水湖泊魚類要求的最小水深約為1m。為保證湖泊具有一定的最小面積，以汈汊湖水位-面積關(guān)系曲線最低水位(23m，吳淞高程)為基準，則汈汊湖最低生態(tài)水位為24m。

2.4 最低水位法

五房臺水位站年內(nèi)月均最低水位見表3，由此得到汈汊湖最低生態(tài)水位為22.86m。

表3 五房臺水位站年內(nèi)月均最低水位 單位：m

2.5 水環(huán)境模擬法

利用DHI MIKE軟件，針對汈汊湖情景，進行指定水位下的湖區(qū)水質(zhì)模擬。對比不同湖水位下不同時間模擬結(jié)果，可知水位增加后，各類污染物的高濃度水域面積下降，低濃度水域面積上升，污染物濃度總體下降。不同湖水位下，模擬期末各類型污染物濃度最高值和最低值見表4。從提高水環(huán)境質(zhì)量的角度，確定適宜生態(tài)水位為24.2m。

表4 不同湖水位模擬期末污染物濃度最高值和最低值 單位：mg/L

2.6 結(jié)果對比分析

通過頻率分析法、湖泊形態(tài)分析法、生物空間法、最低水位法和水環(huán)境模擬法計算分別得到了汈汊湖的生態(tài)水位。由于每種生態(tài)水位計算方法所基于的理論和側(cè)重點不同，計算結(jié)果有較大差異。各方法計算成果見表5。

表5 汈汊湖生態(tài)水位計算結(jié)果對比 單位：m

湖泊形態(tài)分析法從水文和地形的角度分析了保持生態(tài)系統(tǒng)不嚴重退化的最低水位，缺點是沒有和湖泊的實際生態(tài)指標建立聯(lián)系。頻率分析法和最低水位法考慮了水文變化情況，但忽略了生態(tài)環(huán)境狀況?；谒参锏纳锟臻g法將水生植被覆蓋度作為水位調(diào)控的保護目標具有一定優(yōu)勢，但忽略了湖泊水文變化。因此，需對多種計算方法進行綜合分析，得到合理取值作為湖泊生態(tài)水位。

3 結(jié) 論

湖泊生態(tài)水位的研究是當前研究的熱點。本文采用不同方法計算汈汊湖生態(tài)水位，結(jié)果表明：

a.采用頻率分析法，以汈汊湖五房臺水位站月平均水位作為計算序列，采用P-Ⅲ型頻率分布擬合各月平均水位分布，分別選取50%和90%頻率下的水位作為最適宜生態(tài)水位和最低生態(tài)水位；計算的最適宜生態(tài)水位為23.35m，最低生態(tài)水位為23.14m。

b.湖泊形態(tài)分析法，用湖泊水位作為湖泊水文和地形子系統(tǒng)特征的指標，湖面面積作為湖泊功能指標，計算得到汈汊湖的最低生態(tài)水位為23.50m。

c.生物空間法，根據(jù)相關(guān)研究，淺水湖泊魚類要求的最小水深約為1m，為保證湖泊具有一定的最小面積，以汈汊湖水位-面積關(guān)系曲線最低水位(23m，吳淞高程)為基準，則汈汊湖最低生態(tài)水位為24m。

d.最低水位法，列出五房臺水位站年內(nèi)月均最低水位，由此得到汈汊湖最低生態(tài)水位為22.86m。

e.水環(huán)境模擬法，利用DHI MIKE軟件，針對汈汊湖退漁還湖后情景，進行指定水位下的湖區(qū)水質(zhì)模擬，確定適宜生態(tài)水位為24.2m。

進一步對所有結(jié)果進行比較，結(jié)果表明：雖然通過頻率分析法、湖泊形態(tài)分析法、生物空間法、最低水位法和水環(huán)境模擬法計算得到了汈汊湖的生態(tài)水位，但由于每種生態(tài)水位計算方法所基于的理論和側(cè)重點不同，計算結(jié)果有所差異。但相對而言，各種方法仍然可以相互驗證，其生態(tài)水位區(qū)間為22.86～24.50m，可以為規(guī)劃設(shè)計提供參考。