汈汊湖生態水位確定方法研究

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

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

生態需水量是生態研究中的一個重要概念，主要指維護河流、湖泊、濕地生態系統的基本結構和重要功能，維持生物生存的基本生境條件所需要的水量及流量過程，包括河道生態基流、敏感生態需水、河道內最基本生態需水量等。而相比于河流而言，湖泊的生態需水量研究存在不足。一些學者針對維持湖泊生態系統完整及其對人類的服務功能所需要的水位過程[3-5]，提出了湖泊生態水位的概念和一些界定方法(如頻率分析法、湖泊形態分析法、生物空間法、最低水位法、水環境模擬法等[6-7])。這些方法的提出都具有一定的理論和前提假設，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水位研究的發展。

1 研究方法

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

1.1 頻率分析法

頻率分析法的理論基礎為：其假定在長期的生態演變中，湖泊生態系統已經適應了湖泊水位的擾動，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 湖泊形態分析法

湖泊形態分析法首先假設湖泊地形為湖泊存在和其相關的水文循環提供了支撐和制約，由此湖水與湖盆構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，須將湖泊形態特征維持在一定水平。建立湖泊水位和面積的關系函數，通過求取該關系函數的一階導數(即湖面面積變化率)，確定其轉折點對應湖泊的最低生態水位。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，m。

求解上述各式即可得到湖泊最低生態水位。

1.3 生物空間法

考慮湖泊濕地內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水位，根據湖泊各類生物對生存空間的需求可確定其最低生態水位，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演化中，其生態系統逐漸調整到水位閾值和不斷演化，適應了湖泊的最低水位，由此天然情況下的低水位對生態系統的干擾在其彈性范圍內。取天然最低水位即為生態系統水位閾值的下限。其主要參考統計手段，確定各種最低水位值(如年內瞬時最低水位、年內日均最低水位、年內月均最低水位、季節最低水位等)。

1.5 水環境模擬法

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

1.6 研究區域選擇與數據

為分析和比較不同研究方法的差異，基于數據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。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 結果與討論

根據前述分析方法，計算分析汈汊湖生態水位，可分別得出汈汊湖生態水位成果。

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水位和最低生態水位。

各月P-Ⅲ型頻率曲線參數擬合結果見表1。各月適宜生態水位及最低生態水位見表2。

表1 各月P-Ⅲ型頻率曲線參數

表2 各月適宜生態水位與最低生態水位 單位：m

2.2 湖泊形態分析法

按照地形資料，汈汊湖水位(吳淞高程)-面積關系見圖1。

圖1 汈汊湖水位-面積關系

根據上述資料，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水位為23.5m。

2.3 生物空間法

魚類對湖泊生態系統具有特殊作用，同時，對低水位最為敏感。可認為魚類的最低生態水位得到滿足，則其他類型生物的最低生態水位也可得到滿足。

圖2 汈汊湖不同水位下水面增加面積

根據相關研究，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-面積關系曲線最低水位(23m，吳淞高程)為基準，則汈汊湖最低生態水位為24m。

2.4 最低水位法

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

表3 五房臺水位站年內月均最低水位 單位：m

2.5 水環境模擬法

利用DHI MIKE軟件，針對汈汊湖情景，進行指定水位下的湖區水質模擬。對比不同湖水位下不同時間模擬結果，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。從提高水環境質量的角度，確定適宜生態水位為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 結果對比分析

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

表5 汈汊湖生態水位計算結果對比 單位：m

湖泊形態分析法從水文和地形的角度分析了保持生態系統不嚴重退化的最低水位，缺點是沒有和湖泊的實際生態指標建立聯系。頻率分析法和最低水位法考慮了水文變化情況，但忽略了生態環境狀況。基于水生植物的生物空間法將水生植被覆蓋度作為水位調控的保護目標具有一定優勢，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水位。

3 結 論

湖泊生態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水位，結果表明：

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水位和最低生態水位；計算的最適宜生態水位為23.35m，最低生態水位為23.14m。

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

c.生物空間法，根據相關研究，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-面積關系曲線最低水位(23m，吳淞高程)為基準，則汈汊湖最低生態水位為24m。

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

e.水環境模擬法，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水質模擬，確定適宜生態水位為24.2m。

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