中國湖泊水量調節能力及其動態變化

饒恩明， 肖 燚,*，歐陽志云，江 波, 嚴登華

(1. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室， 北京 100085；2. 中國水利水電科學研究院水資源所， 北京 100038)

中國湖泊水量調節能力及其動態變化

饒恩明1， 肖 燚1,*，歐陽志云1，江 波1, 嚴登華2

(1. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室， 北京 100085；2. 中國水利水電科學研究院水資源所， 北京 100038)

湖泊水量調節是指湖泊生態系統通過洪水蓄積和徑流補給實現水資源的再分配，進而減輕洪旱災害。在圍湖造田、退田還湖和氣候變化影響下，科學評估我國湖泊水量調節能力現狀及變化情況，是實現湖泊洪水調蓄功能和水資源調節功能評價的重要基礎?；谌珖凑{查數據，將全國劃分為5個評價區，探討了面向全國尺度的湖泊水量調節能力評價方法，在此基礎上對全國湖泊的水量調節能力及其動態變化進行了分析評價。結果表明：(1)我國湖泊(面積>1 km2)水量調節總量為1500.02億m3，其中東部平原區和青藏高原區的調節量最高，分別占全國總量的44.46%和43.63%；(2)湖泊調節水量的效能以東部平原區最高(310.19萬m3/km2)，其次是東北平原與山區(191.19萬m3/km2)，圍湖造田/退田還湖將導致該區湖泊水量調節能力明顯削弱/增強；(3)近幾十年來，我國湖泊水量調節能力呈小幅增長(增長量9.76億m3，增幅0.65%)，5個評價區僅蒙新高原區湖泊水量調節能力明顯削弱，其余區域均呈不同程度增強，且以東部平原區增加最多，東北平原與山區增幅最大。研究可以為評估我國湖泊生態系統水量調節能力、分析土地利用變化對流域洪水調蓄和水資源調節功能的影響提供參考。

湖泊；水量調節；生態系統服務功能；可調蓄水量；評價模型；中國

受季風氣候和地形地貌影響，我國水資源年際年內變化大，年內約60%—80%的徑流量集中在汛期，水旱災害頻繁并嚴重威脅著人民群眾的生命財產安全和社會經濟的可持續發展。據統計，2010年全國有30個省(自治區、直轄市)發生了洪澇災害，受災人口2.11億人，因災死亡3222人，直接經濟損失3745.43億元；有27個省(自治區、直轄市)發生了干旱災害，受災面積13258.61×103hm2，3334.52萬人面臨飲水困難，直接經濟損失1509.18億元[1]。

水量調節是湖泊生態系統為人類提供的最具價值的調節服務[2- 3]，主要表現為蓄洪補枯，即湖泊通過蓄納入湖洪峰水量，爾后緩慢泄出，從而實現均化洪水，增加河流旱季流量的作用[4- 5]。研究表明，銀川市大小湖泊每年蓄洪防旱的價值為5360萬元，有效削減洪峰的同時還起到了明顯的防旱作用[6]；鄱陽湖調節五河(贛江、撫河、信江、饒河、修河)和長江干流水量而減少的洪災損失高達159.5億元，約占其總服務功能價值的43.98%[7]。

湖泊在調節河川徑流、減輕流域洪旱災害方面發揮著重要作用[8]。但隨著人口的急劇增長和經濟的快速發展，土地資源日益緊缺，湖泊灘地的墾殖利用規模空前。據不完全統計，自20世紀40年代末至今，長江中下游地區(大通以上)有超過1/3的湖泊面積被圍墾，由此導致湖泊調蓄能力明顯降低，洪水頻度持續增加[9- 10]。直至1998年大水后，隨著“平垸行洪，退田還湖”工程的實施，部分湖泊的調蓄能力才逐步得到恢復和增強[11- 14]。

在圍湖造田和退田還湖的雙重作用下，在氣候變化的影響下，科學評估我國湖泊水量調節能力現狀以及近幾十年來的變化情況，是實現湖泊洪水調蓄功能和水資源調節功能評價的重要基礎。本研究基于全國湖泊調查數據，探討了面向全國尺度的湖泊水量調節能力評價方法，在此基礎上對全國湖泊的水量調節能力及其動態變化進行了分析評價。本研究可以為評估我國湖泊生態系統水量調節能力、分析土地利用變化對流域洪水調蓄和水資源調節功能的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據集

以《中國湖泊志》[8]、《中國湖泊名稱代碼(SL261- 98)》[15]和第二次全國湖泊調查數據[16]為基礎，結合相關文獻資料，對我國湖泊(面積>1 km2)相關信息進行收集和整理。主要包括湖泊位置、面積、平均水深、蓄水量、集水面積、多年平均水位變幅和可調蓄水量等。湖泊水量調節能力及其動態變化的評估即以該數據集為基礎展開。

1.2 評價指標

嚴格來講，湖泊的水量調節是一個連續的過程，其調節量是汛期出湖流量連續小于入湖流量的時段內湖泊滯留的洪水量與枯水期出湖流量連續大于入湖流量的時段內湖泊對下游河川徑流的補給量之和。實時調節量的確定需要非常詳盡的水文觀測數據，且計算過程極為繁瑣，這在我國現有條件下還難以實現?？烧{蓄水量是湖泊的重要屬性，它主要反映了湖泊水位變化引起的蓄水量改變，是湖泊蓄水量中體現其調節作用的部分[8]。本文以可調蓄水量表征湖泊生態系統的水量調節能力，即湖泊發揮水量調節作用的潛在能力，有別于實際調節量。

1.3 評價方法

湖泊的水量調節作用與湖面面積、蓄水量和集水面積等湖泊屬性密切相關[8, 10, 17]。考慮到湖泊可調蓄水量數據較少，湖面面積、蓄水量和集水面積等數據相對豐富，首先通過相關分析選取湖面面積、蓄水量和集水面積中與可調蓄水量相關性較大者，基于兩者的數量關系，構建湖泊水量調節能力評價模型。在此基礎上，以第二次全國湖泊調查數據[16]代表我國湖泊近況，以《中國湖泊志》[8]和《中國湖泊名稱代碼 (SL261- 98)》[15]記錄的第一次全國湖泊調查數據代表我國20世紀60—80年代的湖泊狀況，分析評估我國湖泊水量調節能力現狀以及近幾十年來的變化情況。

由于不同區域湖泊的背景條件差異較大，將全國湖泊劃分為東部平原、蒙新高原、云貴高原、青藏高原和東北平原與山區共5個湖區[8](圖1)，并假定湖區內各湖泊水文條件相近。

圖1 全國五大湖區的空間分布Fig.1 Spatial distribution of five lake zones in China

2 結果與分析

2.1 相關性分析

相關分析表明，東部平原區、蒙新高原區和青藏高原區以湖面面積與湖泊可調蓄水量的相關性最大，云貴高原區和東北平原與山區則以集水面積與湖泊可調蓄水量的相關性最大。各湖區湖面面積與可調蓄水量的相關系數都在0.85以上，而云貴高原區和東北平原與山區的蓄水量與可調蓄水量以及青藏高原區的集水面積與可調蓄水量之間相關系數都較低(表1)。綜合而言，相比蓄水量和集水面積，湖面面積與可調蓄水量具有更好的相關性。

表1 各湖區湖泊可調蓄水量與湖面面積、蓄水量、集水面積的相關性

**顯著性水平為0.01；*顯著性水平為0.05

2.2 湖泊水量調節能力評價模型

基于不同湖區湖泊的可調蓄水量和湖面面積數據，建立了各湖區湖泊水量調節能力評價模型：

東部平原區：ln(Cr)=1.128 ln(A)+4.924 (N=55，R2=0.885)

蒙新高原區：ln(Cr)=0.680 ln(A)+5.653 (N=8，R2=0.815)

云貴高原區：ln(Cr)=0.927 ln(A)+4.904 (N=7，R2=0.769)

青藏高原區：ln(Cr)=0.678 ln(A)+6.636 (N=6，R2=0.963)

東北平原與山區：ln(Cr)=0.866 ln(A)+5.808 (N=5，R2=0.744)

式中，Cr為可調蓄水量(萬m3)；A為湖面面積(km2)。

各湖泊的可調蓄水量可通過其湖面面積由所屬湖區相應經驗模型估算得到，興凱湖等邊境湖泊的可調蓄水量按我國境內面積占總面積的比例折算。

2.3 全國湖泊水量調節能力現狀

基于第二次全國湖泊調查數據計算得出，我國湖泊(面積>1 km2)的可調蓄水量為0.01—123.98億m3，平均為0.56億m3，總量為1500.02億m3。其中鄱陽湖可調蓄水量最大，約123.98億m3，洞庭湖次之，約98.46億m3，太湖和洪澤湖分別為95.19億m3和59.12億m3。按不同量級劃分，我國可調蓄水量在10億m3以上的湖泊12個，可調蓄水量之和為530.97億m3，約占全國總量的35.40%，主要分布在東部平原區；介于1—10億m3之間的湖泊235個，可調蓄水量之和為550.41億m3，約占全國總量的36.69%，大部分位于青藏高原區；可調蓄水量在1億m3以下的湖泊多達2446個，占全國湖泊總數的90.83%，可調蓄水量之和為418.64億m3，約占全國總量的27.91%，散布于各大湖區(表2)。

表2 各湖區具不同量級水量調節能力的湖泊數量(個)

氣候、地形等自然條件的差異導致不同湖區間水分循環和水文特征明顯不同，由此形成了我國湖泊生態系統水量調節能力的區域差異。比較發現，東部平原區湖泊可調蓄水量最高(666.87億m3)，約占全國總量的44.46%；其次是青藏高原區，約占43.63%；東北平原與山區和蒙新高原區的比例分別為5.93%和5.17%；云貴高原區湖泊可調蓄水量最低(12.10億m3)，僅占全國總量的0.81%(表3)。

單位湖面面積可調蓄水量可以反映湖泊調節水量的效能以及圍湖造田/退田還湖等湖面面積變化對湖泊水量調節能力的影響。結果表明，我國湖泊平均單位湖面面積可調蓄水量為183.50萬m3/km2；不同湖區間，以東部平原區最高(310.19萬m3/km2)，其次是東北平原與山區(191.19萬m3/km2)，青藏高原區為157.33萬m3/km2，云貴高原區和蒙新高原區較低(表3)。

表3 各湖區湖泊水量調節能力的比較

2.4 全國湖泊水量調節能力動態變化

基于前后兩次全國湖泊調查數據得出，近幾十年來我國湖泊數量共減少268個，減幅約9.05%，湖泊面積共減少9299.96 km2，減幅約10.21%，可調蓄水量則增加了9.76億m3，增幅約0.65%。其中，東部平原區、蒙新高原區和青藏高原區湖泊數量減少，以蒙新高原區減少最明顯，云貴高原區和東北平原與山區湖泊數量增加；蒙新高原區和青藏高原區湖泊面積減小，東部平原區、云貴高原區和東北平原與山區湖泊面積略有增加；除蒙新高原區湖泊可調蓄水量明顯減少(24.91億m3)外，其余區域均表現為增加，以東部平原區增加最多(15.04億m3)，東北平原與山區增幅最大(10.48%)(圖2)。

圖2 各湖區湖泊數量、面積、可調蓄水量的動態變化Fig.2 Dynamics of lake number, lake area, and available storage capacity in each lake zone

3 討論

相比湖泊蓄水量和集水面積，湖面面積與湖泊可調蓄水量具有更好的相關性，表現為特定區域內，湖面面積越大，湖泊的調節能力越強[8,11,18]。同時，湖面面積還具有易于測量，對土地利用變化敏感等特點，且方便與遙感相結合。本研究通過分析湖泊可調蓄水量與湖面面積的數量關系，初步構建了全國尺度湖泊水量調節能力評價模型，可以用于評估我國湖泊水量調節能力，并為評估我國湖泊的洪水調蓄功能提供參考。

研究表明，我國湖泊可調蓄水量總量為1500.02億m3，對調節我國河川徑流，減輕流域洪旱災害做出了重要貢獻[8]。其中，東部平原區和青藏高原區湖泊可調蓄水量最高，分別占全國總量的44.46%和43.63%。對于水資源豐富且洪水頻發的東部平原區(我國7個洪水高危險區中，有6個位于該區)[19]，尤其是長江中游地區，湖泊生態系統在調節洪峰、滯后洪水方面發揮著極為重要的作用[11]；對于洪水低發的青藏高原區[19]，其水量調節作用更多的是作為一種應對未來氣候變化導致降水格局改變的潛在能力。從湖泊調蓄水量的效能來看，我國湖泊平均單位湖面面積可調蓄水量為183.50萬m3/km2，相當于每減少1 km2湖面，平均損失調蓄量183.50萬m3。不同湖區間以東部平原區最高(310.19萬m3/km2)，約為全國平均水平的1.7倍，圍湖造田/退田還湖將導致該區湖泊水量調節能力明顯削弱/增強[20]；其次是東北平原與山區(191.19萬m3/km2)，略高于全國平均水平，該區湖泊的開發利用將影響其水量調節能力的發揮。

近幾十年來，在自然和人類活動的影響下，我國湖泊數量和面積分別減少了268個和9299.96 km2，減幅分別為9.05%和10.21%，可調蓄水量則呈現小幅增長(0.65%)，增長量約9.76億m3。其中，東部平原區湖泊數量減少，面積和可調蓄水量增加，這主要與該區部分湖泊圍墾消失[21]，部分湖泊在退田還湖中調節能力逐漸恢復有關；青藏高原區和蒙新高原區主要受氣候變化影響[21]，一方面氣候趨干化導致部分湖泊萎縮干涸，另一方面融雪增加導致部分湖泊面積、水量增大；東北平原與山區湖泊數量、面積和可調蓄水量的增加主要來自新生湖泊和退田還濕；云貴高原區湖泊變化相對較小。部分區域出現湖泊面積總量與可調蓄水量總量變化方向不一致的原因在于二者之間并非簡單線性關系，一個湖泊面積增大所增加的調節能力并不等于另一個湖泊減小相應面積所喪失的調節能力。以洞庭湖為例，根據兩次調查結果，洞庭湖面積增大了181.86 km2，其可調蓄水量則增加了7.69億m3，而面積192.50 km2的軍山湖可調蓄水量為5.19億m3，若該湖泊消失將導致區域湖泊面積總量減少10.64 km2，但可調蓄水量總量卻會增加2.50億m3。

4 結論

(1)相比湖泊蓄水量和集水面積，湖面面積與湖泊水量調節能力具有更好的相關性，表現為特定區域內，湖面面積越大，湖泊調節能力越強。

(2)我國湖泊水量調節功能總量為1500.02億m3，在調節河川徑流、減輕洪旱災害方面發揮著重要作用；其中東部平原區和青藏高原區的湖泊調蓄量最高，分別占全國總量的44.46%和43.63%。

(3)湖泊調節水量的效能以東部平原區最高(310.19萬m3/km2)，其次是東北平原與山區(191.19萬m3/km2)，圍湖造田/退田還湖將導致該區湖泊水量調節能力明顯削弱/增強。

(4)近幾十年來，我國湖泊水量調節能力呈現小幅增長(增長量9.76億m3，增幅0.65%)。5個評價區僅蒙新高原區湖泊水量調節能力明顯削弱，其余區域均呈不同程度增強，以東部平原區增加最多(15.04億m3)，東北平原與山區增幅最大(10.48%)。

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Status and dynamics of China′s lake water regulation

RAO Enming1, XIAO Yi1,*, OUYANG Zhiyun1, JIANG Bo1, YAN Denghua2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2WaterResourcesDepartment,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China

Lakes provide humans with many different types of ecosystem goods and services that are necessary to sustain human livelihoods. In the past several decades, humanity has substantially increased its efforts to produce desired ecosystem goods from lakes, such as fish, food, and ornaments. However, these efforts have ignored other important ecosystem services from lakes such as water storage and damage mitigation from floods and droughts because lakes are important in regulating the hydrological cycle. The major impacts on the water regulation function of lakes are lake reclamation, returning croplands to lakes, and climate change by impacting the hydrological cycle. Scientific research on measuring the current status and dynamics of lakes in terms of their water regulation capacities can help improve lake ecosystem management in China by filling an important scientific blank. Managers want quick but effective evaluation methods to assess the water regulation capacity of lake ecosystems to clarify the vital role lakes play in supporting human well-being. In this paper, we try to address this scientific need by first conducting a regression analysis to construct a primary water regulation model that connects available water storage capacity to lake area, based on data from the book titled “Records for Chinese Lakes”. We then evaluated the biophysical quantity of water regulation across China′s five lake zones and the temporal changes across the time-series based on the constructed models using regulation capacity and regulation efficiency indicators. From our analysis we had three main findings. First for lakes bigger than 1 km2in area, the water regulation capacity totaled 1500.02×108m3. The water regulation capacity of the Eastern Plain and the Tibetan Plateau were the highest among the five lake zones identified in this paper. The Eastern Plain and the Tibetan Plateau occupied 44.46% and 43.63% of the total capacity respectively. Second in terms of water regulating efficiency, the Eastern Plain was the highest among all five lake zones with a regulating efficiency of 310.19×104m3/km2followed by the Northeast China Plain and Mountain, which was 191.19×104m3/km2. Lake reclamation (opposite efforts return croplands to lakes) would significantly weaken (strengthen) the water regulation capacity for lakes in these zones. Third in recent decades, the water regulation capacity for China′s lakes displayed a slight increasing trend of an absolute increase of 9.76×108m3and a growth rate of 0.65%. Four lake zones (Inner Mongolia-Xinjiang was only zone not applicable) showed an increase in water regulation capacity with the largest absolute increase in the Eastern Plain, and the highest growth rate in the Northeast China Plain and Mountain. This paper lays the groundwork for creating a quick monitoring and assessment method to evaluate the water regulation capacity of China′s lakes. Also it is applicable to management by providing a means to assess the influence of land-use change on the water regulation capacity of lakes to buffer against flood and drought disasters. Lastly, this paper provides a basis for analyzing the trade-offs among ecosystem goods and services, thus it has real-world implications for managing lake ecosystems in China.

lake; water regulation; ecosystem services; available storage capacity; evaluation model; China

國家林業公益性行業科研專項(201204201)；國家科技支撐計劃(2011BAC09B08- 02)

2013- 10- 12;

2014- 04- 18

10.5846/stxb201310122456

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xiaoyi@rcees.ac.cn

饒恩明， 肖燚，歐陽志云，江波, 嚴登華.中國湖泊水量調節能力及其動態變化.生態學報,2014,34(21):6225- 6231.

Rao E M, Xiao Y, Ouyang Z Y, Jiang B, Yan D H.Status and dynamics of China′s lake water regulation.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6225- 6231.