沂蒙山區云蒙湖水文水動力特征研究

劉標 韓慶香 申恒倫 李修嶺

摘要：指出了為研究解決云蒙湖水環境問題，必須探明云蒙湖的水文水動力過程。對云蒙湖年均水位、滯留時間、流量等因子進行了分析。結果表明：云蒙湖水位、入庫流量和水體滯留時間均受降雨量的影響，根據水體滯留時間，云蒙湖大多數年份屬于湖泊型水體，已經具有形成水體穩定分層的特征。

關鍵詞：云蒙湖;水位;入庫流量;水體滯留時間

中圖分類號：TV213

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0004-05

1 引言

河流蓄水形成水庫后，河流的水文條件由河流向湖泊特征轉變，生物群落隨生境變化經過自然選擇、演替，形成一種新平衡，使水生態系統由以底棲附著生物為主的“河流型”異養體系向以浮游生物為主的“湖沼型”自養體系演化[1]。水庫的運行管理方式（調水及供水）對生境的外在干擾，改變了水庫的水位波動、水體滯留時間以及入庫流量等水文條件和理化因子[2-4]，水動力學過程（水動力學）對水庫的水質和生物生產力的形成具有重要的作用。它們決定了懸浮物和溶解物質的運動、在生態系統內部循環的強度、污染過程的速度，以及水庫的自然凈化，間接導致水生生物學群落的更替或演替的逆轉[5，6]，并最終提供了生態系統的功能[7]。例如，由于建壩，使得巴拉那帕內馬河與哥倫比亞河水庫庫區水體滯留時間延長，水動力學條件改變，從而導致浮游植物數量增加、富營養化加劇、水質下降[6，7]。因此，水文條件的改變會引起氮、磷等各個環境因素的連鎖反應[8-10]。

楊喆等認為水庫高水位運行時藻類生物量較少，低水位時較多;出入庫流量較小時，有利于藻類的生長，出入庫流量接近或超過平均值時，藻類生長受到抑制[9]。張敏等認為夏季水位波動較劇烈的時期，水位落差對底棲動物密度具有顯著影響[4]。水力滯留時間是反映水體水動力過程的重要參數，能直接或間接影響水體生物群落結構與動態[11]，是調控水域生態系統生物地化循環的關鍵水力學參數之一[12，13]。Straskraba等分析了世界各地的水庫發現，年平均滯留時間（也稱理論滯留時間）對水庫的水動力學、化學與生物過程有直接的相關性[14]。水體滯留時間的長短影響水庫的縱向水質狀況，水體滯留時間較短時，整個水庫呈現出河流區的特征;而水體滯留時間較長時，則呈現出湖泊區特征[11，15]。喬磊等認為水庫水體分層、顆粒物的沉降、磷等有機物的滯留、浮游植物生產力和透明度等重要的湖沼學變量均與庫區水體滯留時間呈定量關系[10]。滯留時間對水生生物的影響直接表現在水生生物種群的動態。研究表明水力滯留時間是影響亞熱帶不同水庫之間輪蟲群落差異的重要因素[10];流量作為水動力條件的因子之一，也是影響水體富營養化的重要因素之一[17]。胡征宇和蔡慶華對三峽水庫22條入庫支流庫灣的營養狀態進行了綜合評價，統計分析表明，各支流庫灣葉綠素a與入庫支流的年均流量以及流域面積存在顯著的負相關關系[18]。因此，基于水庫水位波動、水體滯留時間和入庫流量等參數，分析云蒙湖20世紀80年代以年來的水文水力學動態特征，是研究其水庫生態系統動態研究重要和關鍵的環節。

本研究將分析1980～2014年云蒙湖水位波動過程年際變化規律，在此基礎上結合水庫月均入庫流量、水體滯留時間等參數，闡述云蒙湖水文水力學動態規律，為系統研究云蒙湖水體層化結構、營養鹽補給及生物群落演替機制提供水文水動力背景資料。

2 材料和方法

2.1 樣點設置

云蒙湖（北緯35°27′～36°20′，東經117°45′～118°23′之間）位于蒙山北麓的沂河支流一東汶河，地處山東省中南部沂蒙山區腹地，屬淮河流域沂沐泗河水系，距離臨沂市蒙陰縣城東15 km，臨沂市93 km。壩址座落于東汶河與梓河交匯處，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、養殖、城市供水及旅游等綜合開發利用的大型水利工程。水庫處于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候。整個流域四季分明，雨熱同季。云蒙湖正常蓄水位176 m，總庫容7.49億m3，控制流域面積1693.3 km2，庫岸線長達80 km。云蒙湖為山東省第二大水庫，也是臨沂市城市重要的水源地，山東省省級生態功能區，水源地一級保護區面積為63.6 km2，二級保護區面積為180.4 km2，準保護區面積為1387.7 km2。

2.2 采樣和分析方法

1980～2016年，云蒙湖水位、流量、蓄水量和水溫等數據由臨沂市水文局提供。云蒙湖的庫容根據特定水位的對應庫容進行指數回歸估算，每天的水體滯留時間的公式計算修改為[19]：

τ= Vτ/ Qτ

（1）

式（1）中τ為水體滯留時間（days），Vτ為水庫在第T天時的庫容（m3），Qτ為水庫或庫灣在第T天時的入庫流量（m3/d）。水體每年的水體滯留時間由該年每月的水體滯留時間取平均值所得。

水體類型分類標準采用[20]提出的水庫基本類型綜合分級方法（表1）。滯留時間低于20 d的水庫具有河流特征的完全混合系統，水體流動完全阻礙了浮游生物的發展;滯留時間介于20～300 d時，水庫同時具有河流和湖泊特征，為二者的混合一分層過渡系統，水體流動和弱分層對浮游生物的發展具有累加效應;而當水體滯留時間超過300 d時，水庫具有類似于天然湖泊特征，易形成穩定分層系統，營養類型屬于傳統的分級體系。

3 結果

3.1 水庫基本特征

云蒙湖為大型河道型水庫，水庫縱向長度14 km，平均水深5.8 m，最大水深20 m，為淺水水庫。正常蓄水176 m，相應庫容可達4.6×l08 m3.年均入庫流量達11.75 m3/s（1980～2014年均流量）。水庫流域面積與水庫面積比為59.2，流域內較大河流有東汶河、梓河、蒙河、桃墟河和莫莊河等（圖1）。其中5km以上的支流有41條，均為季節性河流。其中東汶河為上游來水和最大輸入水體，屬于淮河流域沂河水系的一級支流，是云蒙湖流域最大的河流。東汶河流域面積860 kmz，較大支流18條，河長50 km，流域平均寬15.23 km，河道縱坡約為1/300;梓河流域面積830 km2，河長50 km，流域平均寬18.54 km，縱坡1/340，較大支流有10條，分布在蒙陰縣、沂水縣及新泰市境內。

云蒙湖控制流域面積1693.3 km2，總庫容8.22億m3，相應水位181.0 m，對應湖面面積84.7 kmz;興利庫容4. 61億m3，相應興利水位176.0 m，對應湖面面積58.6 km2;警戒水位177.8 m，相應庫容5.67億m3，死水位160.3 m，相應死庫容0.20億m3（表2、圖2）。

3.2 湖泊水文特征

自1980年以來，流域內多年平均降雨量723.6mm，最少為2002年的391.2 mm，最大為1990年的1268.9 mm，2014年降雨量為420.7 mm，為近10年來最低，僅高于1988年（402.3mm）和2002年（391.2 mm）（圖3）。云蒙湖多年平均補給系數為59.22，多年平均單位人湖量為1.99，最小為2014年的0.09，最大為1995年的6.41。多年平均來水量3.70億m3，汛期來水量3.15億m3，占全年來水量的85%，豐水期來水量5.08億m3，枯水期來水量1. 23億m3，多年平均水位169.28m，相應庫容1. 86億m3。多年平均徑流量6.5億m3，建庫以來的最大年徑流量為11.08億m3，最小年徑流量0.3億m3。

3.3 水庫壩前水位波動特征

根據云蒙湖19 60～2016年運行資料分析，最高水位為175. 50 m（2011/9/15），最低水位為156.29 m（1960/6/9.），2005年以來，云蒙湖年內壩前水位在158.00～175.12 m之間波動;自2013年12月后，因為降水量驟降，年內壩前水位在158～168 m之間波動，平均水位165.82 m，形成僅10 m的水位落差，2014年3月，出現自1961年首次蓄水后歷史最低水位（158.00m）;2015年后，水位維持在166 m左右，即使在汛期，由于降雨偏少和城區供水壓力，水位波動不明顯。2013年以前，基本呈現雨季高水位，冬季低水位的狀態（圖4）。

3.4 干流入庫、出庫流量比較研究

云蒙湖入庫、出庫流量的季節性動態格局與壩前水、降雨量的動態特征基本一致，入庫流量與水位、降雨量呈顯著正相關（圖5）。其年均入庫流量和出庫流量的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和1.9～27.3 m3/s（圖6）。總體來看，云蒙湖出、入庫流量受降雨量的影響較大，年均入庫流量最低出現在2014年，僅為0.4m3/s，出庫流量為5.3 m3/s，這種情況對正常供水較為不利;最大年均入庫流量出現在2011年，為28.9m3/s，出庫流量也達到最大值，為27.3 m3/s，年均水位也達到歷年最高（圖6）。

由于云蒙湖年供水量3×l0⁷m3，年均出庫流量達到9.51 m3/s才能滿足整個城市的用水需求。據統計，近10年云蒙湖年均灌溉水量5×l0⁷ m3左右，近5年云蒙湖年均灌溉水量均不足3×l0⁷ m3，并呈逐年遞減趨勢。即使按照最低灌溉需求，年均出庫流量達到9.51m3/s才能滿足整個區域的灌溉用水需求，因此，僅有1991、1994、2004、2005和2011年的出庫流量滿足城市供水和灌溉的需求，按照入庫流量來算，1990、1991、1998、2003～2005、2011年可以滿足城市供水和灌溉的需求，相對來說，其他年份云蒙湖用水供給顯得極為緊張。

3.5 年均水體滯留時間的變化研究

水體滯留時間反映了水庫水體更新特征及水體可能的分層情況，滯留時間越長，水庫水體更新越慢，水庫水溫分層風險越大;反之水庫更新越快，水庫不易出現水體分層。隨著水位和入庫流量的季節性變化，云蒙湖水體滯留時間也表現出較為明顯的季節性特征，年內變

化非常顯著，其年均滯留時間的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和56.9～4070 d（圖7）。水體滯留時間的動態格局正好與壩前水位的動態特征相反。自1980年以來，多年平均滯留時間394.15 d，波動范圍在56.95～4070.20 d之間，年均水體滯留時間均高于300d的占29.4%，屬于典型的湖泊型水體;其余年份，年均水體滯留時間在20～300 d之間，屬于過渡性水體，在降雨量豐沛的年份，水庫水體滯留時間相對較短，水體交換頻率較高，呈現過渡型水體特征;在雨量稀少的年份，水庫水體滯留時間相對較長，水體交換頻率較低，水體呈現典型的湖泊型特征。

4 討論

云蒙湖屬于典型的季節性河流控制的水庫，其蓄水量、水位、出入庫流量、水體滯留時間均受到降雨量和供水需求的影響，除特殊年份，一般夏季水位相對較高，冬季較低。研究發現，大多數河道型水庫都會由之前的具有完全混合特征的河流型，經過中等強度分層的過渡型水體，向形成穩定分層的湖泊型水體轉變。隨著降雨量以及供水需求的變化，受壩前水位和入庫流量影響更大，基本取決于上游來水的影響。

根據Straskraba和Tundisi的水庫分級標準，水庫不同時期出現不同的水體特征。總體而言，部分時期，水庫屬于中等強度分層的水體，而在某些時段，水體屬于湖泊型水體，具備發生穩定水溫分層的水力學條件。實測的資料表明，盡管流量和流速較小，在湖泊區，云蒙湖出現溫躍層現象;在河流區，云蒙湖由于分層異重流而呈現水體分層，所以水流和分層對浮游植物具有累加效應，但由于受到上游來水的影響，水體分層并不能穩定存在。

參考文獻：

[l]Saito L，Johnson B M， Bartholow J，et al_Assessing ecosystemeffects of reservoir operations using food web - energy transferand water quality models[J].Ecosystems， 2001，4（2）：105～125.

[2]Monsen N E，Cloern J E，Lucas L V，et al.A comment on theuse of flushing time， residence time， and age as transport timescales [J]. Limnology and Oceanography， 2002， 47（ 5）：1545～15 53.

[3]Hoyer A B，Moreno- Ostos E，Vidal J，et al.The influence ofexternal perturbations on the functional composition of phytoplankton in a Mediterranean reservoir [J]. Hydrobiologia， 2009，636（1）：49～64.

[4]張敏，蔡慶華，孫志禹，等.三峽水庫水位波動對支流庫灣底棲動物群落的影響及其時滯性[J].應用與環境生物學報，2015， 21（1）：101～107.

[5] Dubnyak S， Timchenko V. Ecological role of hydrodynamicprocesses in the Dnieper reservoirs [J]. Ecological Engineering，2000，16 （1） ：181～188.

[6]Sullivan B E， Prahl F G， Small L F， et al.Seasonality of phytoplankton production in the Columbia River：A natural or anthropogenic pattern？[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2001， 65 （7）：1125～1139.

[7]Nogueira M G.Phytoplankton composition， dominance and abundance as indicators of environmental compartmentalization in Jurumirim Reservoir （Paranapanema River）， S？o Paulo， Brazil[J].Hydrobiologia， 2000， 431（2）：115 ～128.

[8]PersiC V， HorvatiC J，Has-Schon E， et al.Changes in N and Plimitation induced by water level fluctuations in Nature ParkKopa？ ki Rit （Croatia）：nutrient enrichment bioassay [J]. Aquaticecology， 2009， 43（1）：27～36.

[9]楊喆，盧金鎖，趙建超.深水庫藻類功能組演替特征及與其水動力關系[J].環境工程學報，2017， 11（2） ：945～951.

[10]喬磊，林秋奇，韓博平.珠海市調水水庫水力滯留時間對輪蟲群落結構的影響[J].應用與環境生物學報，2015， 21（3）：499 ～504.

[ll]Rueda F，Moreno-Ostos E， Armengol J.The residence time ofriver water in reservoirs[J].Ecological Modelling， 2006， 191（2） ：260～274.

[12]CarrittD E.Oceanic residence time and geobiochemical interactions [J]. Impingement of Man on the Oceans， 1971：191～199.

[13]Crump B C， Hopkinson C S，Sogin M L， et al.Microbial biogeography along an estuarine salinity gradient：combined influencesof bacterial growth and residence time [J]. Applied and environmental microbiology， 2004， 70（3）：1494～1505.

[14]Straskraba M， Tundisi J G， Duncan A. Comparative reservoirlimnology and water quality management[M]. Basel： Springer，1993：213～288.

[15]Jones I D， Elliott J A. Modelling the effects of changing retentiontime on abundance and composition of phytoplankton species in asmall lake [J]. Freshwater Biology， 2007， 52 （6）： 988～ 997.

[16]Reynolds C S，Padisak J，Sommer U. Intermediate disturbancein the ecology of phytoplankton and the mamtenance of speciesdiversity：a synthesis[J]. Hydrobiologia， 1993， 249（1一3）：183～l88.

[17]梁培瑜，王炬，馬芳冰.水動力條件對水體富營養化的影響[J].湖泊科學，2013， 25（4） ：455～462.

[18]胡征宇，蔡慶華，三峽水庫蓄水前后水生態系統動態的初步研究[J].水生生物學報，2006，30 （1） ：1～6.

[19]George G， Hurley M， Hewitt D.The impact of climate changeon the physical characteristics of the larger lakes in the EnglishLake District [J]. Freshwater Biology， 2007， 52（ 9）： 1647～l666.

[20]Straskraba M， Tundisi J G.Reservoir water quality management[M]. [S.L.]：ILEC/PNUMA， 1999.