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        湖泊單一及綜合控制水位研究現(xiàn)狀及趨勢

        2021-04-09 09:08:34翟麗妮關(guān)洪林崔永德舒彩文
        水利水電快報(bào) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)景觀

        翟麗妮 關(guān)洪林 崔永德 舒彩文

        摘要:湖泊作為天然的水域形態(tài)之一,既是水資源的聚寶盆又是水問題的聚集地,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,湖泊所承載的功能需求也越來越多,如何實(shí)現(xiàn)湖泊生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,將是今后很長一段時(shí)間內(nèi)湖泊管理工作必然要面臨的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。而對湖泊水位及其變幅的控制是實(shí)現(xiàn)湖泊多種功能有效發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)。其中,防洪蓄澇水位的研究重點(diǎn)在于汛期分期和降雨徑流預(yù)報(bào);生態(tài)景觀水位的研究重點(diǎn)在于保護(hù)目標(biāo)與水位變幅之間的定量關(guān)系;水質(zhì)調(diào)控水位的研究重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)監(jiān)測和模型構(gòu)建;綜合控制水位的研究重點(diǎn)在于湖泊功能的定位、排序與取舍。

        關(guān)鍵詞:湖泊水位;防洪蓄澇;生態(tài)景觀;水質(zhì)調(diào)控

        中圖法分類號:TV122.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.004

        文章編號:1006 - 0081(2021)03 - 0023 - 06

        1 研究背景

        湖泊一般具有多種功能,而要保證湖泊某項(xiàng)功能的正常發(fā)揮,相應(yīng)的水位就要控制在一定的范圍內(nèi)。例如,防洪蓄澇功能需設(shè)置汛期蓄水的上限,以騰空足夠的蓄水容積;生態(tài)保護(hù)功能需設(shè)置全年蓄水的上限和下限,以確保水生動(dòng)植物的正常生長和繁殖;環(huán)境友好功能需設(shè)置全年蓄水的下限,以賦予水體一定的納污能力;灌溉供水功能則希望在滿足取水工程高程要求的前提下,能夠最大限度滿足周邊經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的無限用水需求。因此,湖泊每一種功能的正常發(fā)揮都對應(yīng)著一定的水位控制要求,其中,能夠?qū)崿F(xiàn)湖泊多重功能協(xié)調(diào)與平衡的水位稱為綜合控制水位。本文將分別對湖泊防洪蓄澇、生態(tài)景觀、水質(zhì)調(diào)控等單一功能控制水位及湖泊的綜合控制水位的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

        2防洪蓄澇水位

        湖泊的防洪蓄澇水位等價(jià)于水庫的汛限水位,目前所采用的手段主要是汛期分期和汛限水位的調(diào)整與運(yùn)用。

        2.1 汛期分期

        國內(nèi)對于汛期分期的研究大致經(jīng)歷了從定性分析到定量研究,從單一方法到多種方法的發(fā)展歷程。20世紀(jì)80年代初期以定性分析為主,并形成了成因分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)兩類較為完善的分析方法[1-5]。從20世紀(jì)90年代開始,汛期分期的定量研究得到了長足發(fā)展,涌現(xiàn)出了許多的計(jì)算方法和分析技術(shù)。目前較常用的幾種方法有:模糊分析法[6-7]、變點(diǎn)分析法[8]、分形分析法[9]、系統(tǒng)聚類法[10]、Fisher最優(yōu)分割法[11]、K均值法[12]等。

        2.2 汛限水位的調(diào)整與運(yùn)用

        水庫防汛調(diào)度的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,每年汛期來水雖是隨機(jī)的,但經(jīng)常出現(xiàn)的還是中小洪水。因此,在掌握洪水季節(jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整水庫的蓄泄關(guān)系,開發(fā)利用洪水資源,是緩解水資源短缺的有效途徑。目前所采用技術(shù)手段包括:

        (1)水庫庫容的重新分配。以美國為代表,Wurbs等[13-14]在20世紀(jì)80年代針對得克薩斯州水資源短缺的狀況,提出了水庫庫容重新分配的思路:①根據(jù)用水需求和洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的變化動(dòng)態(tài)評估和調(diào)整水庫庫容;②充分利用河川徑流的季節(jié)性變化規(guī)律合理確定不同時(shí)期水庫的防洪與興利水位。

        (2)汛限水位靜態(tài)控制。包括固定汛限水位和分期汛限水位兩種模式。目前,可用于汛期分期的方法有:隨機(jī)水文模擬法[15]、組合頻率法、庫水位法[16]、峰量綜合控制法[17]等。另外,模糊數(shù)學(xué)[6]、模糊水文學(xué)分析[18]和最小二乘法[19]的運(yùn)用在一定程度上解決了分期汛限水位的跳躍問題。

        (3)汛限水位動(dòng)態(tài)控制。包括考慮預(yù)報(bào)信息的預(yù)蓄預(yù)泄法[20]、分析各影響因子的綜合信息推理模式法[21]以及耦合實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的水位優(yōu)選法[22]。例如,韋余廣[23]將基于混合線性回歸模型的降雨預(yù)測用于杭州市四嶺水庫汛限水位的動(dòng)態(tài)控制;建劍波等[24]利用蒙特卡洛法對水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,得出了風(fēng)險(xiǎn)極低的結(jié)論。

        2.3 防洪蓄澇水位研究趨勢

        未來對于合理確定湖泊防洪蓄澇水位的研究主要有兩大趨勢:①湖泊起排水位的靜態(tài)控制研究,關(guān)鍵是建立一套完善的適用于湖泊汛期分期的理論和方法。②湖泊起排水位的動(dòng)態(tài)控制研究,關(guān)鍵是加強(qiáng)湖泊基礎(chǔ)資料的監(jiān)測,提高入湖洪水中長期預(yù)報(bào)及短期預(yù)報(bào)的精度,建立數(shù)字流域模型和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度決策支持系統(tǒng)。

        3生態(tài)景觀水位

        3.1 江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)重要且脆弱

        江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)即河流-洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)(river-floodplain ecosystem),被世界自然基金會列為全球233個(gè)優(yōu)先保護(hù)的生態(tài)區(qū)之一,由于人類活動(dòng)的過度干擾,洪泛平原也被認(rèn)為是世界上最瀕危的景觀。我國洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)的健康問題除環(huán)境污染和過度利用外,攔河筑壩、江湖阻隔也是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化的直接原因。研究表明,江湖阻隔所造成的自然水文過程的顯著變化可導(dǎo)致湖泊物種豐富度下降20%~50%,誘發(fā)湖泊富營養(yǎng)化,引起底棲動(dòng)物、水生植物和魚類等資源衰退,造成生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生根本性的改變[25]。

        3.2 環(huán)境水流是江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子

        歐洲、北美、澳洲和南非等地學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),自然水流體制(Natural Flow Regime)是江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)物種繁多、物產(chǎn)豐富的主要驅(qū)動(dòng)因子[26-27]。在長期的進(jìn)化過程中,生物逐漸適應(yīng)了某種周期性的水文變化規(guī)律,例如,夏秋季水位上漲時(shí),水流會攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)到洪泛平原,給動(dòng)植物提供豐富餌料和食物,同時(shí)也為魚類的繁殖和苗種的傳播創(chuàng)造了有利條件。冬春季水位下降時(shí),部分灘地裸露,有利于植物的生長和萌發(fā)。在長期的進(jìn)化過程中,不同生物逐步形成了與水文周期相適應(yīng)的生活史對策,水文過程的改變必然會對生物產(chǎn)生重要影響。因此,自然水流體制既是江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)形成的驅(qū)動(dòng)力,又是維持生態(tài)健康必不可少的條件。周期性水文波動(dòng)屬于中等程度的干擾,具有抑制藻類過度繁殖、增強(qiáng)物種豐富度的作用;而突變性水文波動(dòng)則會對生物的生長和生態(tài)系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)[28-31]。為此,學(xué)術(shù)界提出了環(huán)境水流需求(Environmental Flow Requirements)的概念,用來表征為維持有價(jià)值的生態(tài)系統(tǒng)特征和功能所需保持的水文情勢,和所能耐受的自然水流體制的改變程度。目前,環(huán)境水流需求已成為了江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水文修復(fù)的定量操作依據(jù)。

        環(huán)境水流的計(jì)算方法大致可以分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法、通用法和整體法5類,各類方法的特點(diǎn)及常見算法詳見表1。

        國內(nèi)環(huán)境水流的研究起步相對較晚,目前已從水文學(xué)和水力學(xué)的角度在黃河、海河、遼河、塔里木河、漢江等水系開展過較多的環(huán)境水流工作,但關(guān)于生物的研究較少,僅就中華鱘等珍稀動(dòng)物棲息地模型開展過工作[41]。中國科學(xué)院水生生物研究所在生物的環(huán)境水流需求方面作了一些嘗試,如建立了沉水植物對水位波動(dòng)的需求模型[42],分析了湖水葉綠素與水文要素的關(guān)系,初步建立了底棲動(dòng)物的適合度模型,探討了魚類的洄游問題等。

        3.3 湖泊生態(tài)景觀水位研究趨勢

        目前,關(guān)于湖泊生態(tài)水位的研究主要集中在水位波動(dòng)對湖泊生物群落建立和發(fā)展的影響,以及湖泊生物適應(yīng)于湖泊的水位波動(dòng)作出主動(dòng)或者被動(dòng)的響應(yīng)。因此,可以通過調(diào)控湖泊水位的方法來改變湖泊生物的群落結(jié)構(gòu),還可以通過調(diào)控湖泊水位的方法來排除外來物種或促進(jìn)某些本地物種的建立和發(fā)展,從而達(dá)到恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的目的。

        湖泊景觀作為水域生態(tài)學(xué)的一部分,相關(guān)研究甚少,其研究需要將景觀評價(jià)深入其中。景觀評價(jià)主要應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng),而在水域生態(tài)學(xué)中未見研究。城市湖泊一般都承擔(dān)著休閑、游樂和景觀等功能。因此,城市湖泊的水位不能過低裸露灘地,也不能太高淹沒湖濱帶。目前還沒有成熟的理論和方法可用于城市湖泊景觀水位的計(jì)算,實(shí)踐中,可借鑒美景度評價(jià)法(SBE法)對湖泊水體不同水位所形成的景觀進(jìn)行定量評價(jià)。

        4水質(zhì)調(diào)控水位

        4.1 湖泊水質(zhì)模型研究現(xiàn)狀

        對于河湖水質(zhì)模型的研究最早開始于20世紀(jì)40年代,自第一個(gè)水質(zhì)模型(Streeter-Phelps模型)問世以來,相繼涌現(xiàn)出了適用于不同水流條件、側(cè)重不同功能的模型[43-44]。其中,較典型的模型詳見表2。

        4.2 湖泊水質(zhì)調(diào)控水位研究趨勢

        湖泊水質(zhì)調(diào)控水位的研究離不開湖泊水質(zhì)數(shù)值模擬、物理模型、現(xiàn)場試驗(yàn)和工程技術(shù)4個(gè)方面。其中,水質(zhì)數(shù)值模擬的研究趨勢為:模擬范圍日益擴(kuò)大、狀態(tài)變量不斷增多,隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展,實(shí)時(shí)監(jiān)測將被納入模型系統(tǒng),有望做到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地分析和解決水質(zhì)調(diào)控問題;物理模型的發(fā)展趨勢主要是提高模型量測精度,重點(diǎn)在于量測儀器的開發(fā);現(xiàn)場試驗(yàn)的發(fā)展趨勢是選擇有代表性的湖泊,開展水質(zhì)調(diào)控水位的現(xiàn)場試驗(yàn),提出研究時(shí)段內(nèi)湖泊水質(zhì)調(diào)控水位并推廣至全時(shí)段;工程技術(shù)的發(fā)展趨勢主要是如何綜合運(yùn)用水位調(diào)控與生物措施、清淤措施、河湖連通等工程技術(shù)手段,達(dá)到改善湖泊水質(zhì)的目的。

        5綜合控制水位

        5.1 湖泊綜合控制水位研究現(xiàn)狀

        目前,國內(nèi)外對于湖泊綜合控制水位的研究比較少見,通過文獻(xiàn)檢索,與此有一定關(guān)聯(lián)的研究也屈指可數(shù)。例如,希臘的Parisopoulos等[45]針對湖泊水位綜合調(diào)控管理效果的客觀后評價(jià)問題,提出了3個(gè)量化指標(biāo),綜合考慮了湖泊防洪、灌溉、生態(tài)等方面的需求,但其研究成果也僅局限于對既定調(diào)控方案實(shí)際運(yùn)行效果的后評價(jià),并不適用于湖泊水位運(yùn)行方案的前期決策。吳顏等[46]針對新疆平原湖泊的特點(diǎn),提出了湖泊最優(yōu)運(yùn)行水位的評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)包含社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、水文氣象指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)以及綜合評價(jià)指標(biāo)等4個(gè)方面。但對于指標(biāo)如何量化、如何給出可信的綜合評價(jià)結(jié)論并未交代。目前,對于湖泊綜合控制水位的研究,可借鑒的成果非常有限,相關(guān)的理論也并不成熟。

        5.2 湖泊綜合控制水位研究趨勢

        湖泊綜合控制水位的確定本質(zhì)上是處理一個(gè)具有無限方案集的多目標(biāo)決策的過程,然而,受當(dāng)前理論、資料、技術(shù)等條件的限制,將湖泊綜合控制水位的確定轉(zhuǎn)化為求解有限方案集的多屬性決策是一種可行、可信的途徑。無法采用多目標(biāo)決策的原因在于難以建立湖泊綜合控制水位的目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行求解。尤其是如何對湖泊生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)進(jìn)行量化目前還處于探索階段,加上生態(tài)監(jiān)測資料的匱乏,以致提出定量評判湖泊生態(tài)好壞的指標(biāo)都十分困難。因此,今后要著重建立湖泊生態(tài)資料系列,加強(qiáng)對湖泊生態(tài)景觀保護(hù)目標(biāo)及量化方法的研究。

        6 結(jié)語與展望

        湖泊作為天然的水域形態(tài)之一,既是水資源的聚寶盆又是水問題的聚集地,這里幾乎涵蓋了所有涉水的資源、環(huán)境和生態(tài)問題。大多數(shù)湖泊一般都具有防洪蓄澇、凈化水質(zhì)、提供生境等公益性功能,以及灌溉供水、旅游養(yǎng)殖等開發(fā)性功能。且隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)、發(fā)展理念的進(jìn)步,人類對于湖泊的需求種類和層次都在不斷的擴(kuò)大和提升。因此,如何在眾多的需求(也即矛盾)當(dāng)中尋找到最佳的折中方案,從而實(shí)現(xiàn)湖泊生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,將是今后很長一段時(shí)間內(nèi)湖泊管理工作必然要面臨的重難點(diǎn)問題。要想破解湖泊綜合控制水位這一復(fù)雜的系統(tǒng)問題,主要有如下兩個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

        (1)湖泊單一功能控制水位的研究。其中,防洪蓄澇水位的研究重點(diǎn)是汛期分期、降雨洪水預(yù)報(bào)、數(shù)字流域仿真模擬、實(shí)時(shí)調(diào)度決策支持系統(tǒng)等,而提高洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和預(yù)見期是對抗旱澇急轉(zhuǎn)等天氣事件最為有力的技術(shù)手段;生態(tài)景觀水位的研究重點(diǎn)是提出具體的量化指標(biāo)、甚至是能夠被廣泛認(rèn)可的目標(biāo)函數(shù),并建立保護(hù)目標(biāo)與水位變幅及其波動(dòng)之間的相關(guān)關(guān)系,通過控制湖泊的水文情勢來保護(hù)關(guān)鍵物種及其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定;水質(zhì)調(diào)控水位的研究重點(diǎn)是水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累、水文-水質(zhì)-水動(dòng)力耦合模型的研發(fā)與應(yīng)用。

        (2)湖泊綜合控制水位的研究。首先是對湖泊功能進(jìn)行合理的定位與排序,功能越多綜合協(xié)調(diào)的難度越大,單一功能折中的幅度也越大;其次是如何運(yùn)用和改進(jìn)多準(zhǔn)則決策的理論和方法,尤其是不確定性多準(zhǔn)則決策技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用,具有廣闊的研究前景。

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        (編輯:江 文)

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