湖泊單一及綜合控制水位研究現狀及趨勢

翟麗妮 關洪林 崔永德 舒彩文

摘要：湖泊作為天然的水域形態之一，既是水資源的聚寶盆又是水問題的聚集地，隨著社會經濟的發展，湖泊所承載的功能需求也越來越多，如何實現湖泊生產、生活和生態功能的協調和統一，將是今后很長一段時間內湖泊管理工作必然要面臨的重點和難點問題。而對湖泊水位及其變幅的控制是實現湖泊多種功能有效發揮的關鍵技術。其中，防洪蓄澇水位的研究重點在于汛期分期和降雨徑流預報;生態景觀水位的研究重點在于保護目標與水位變幅之間的定量關系;水質調控水位的研究重點在于數據監測和模型構建;綜合控制水位的研究重點在于湖泊功能的定位、排序與取舍。

關鍵詞：湖泊水位;防洪蓄澇;生態景觀;水質調控

中圖法分類號：TV122.5 文獻標志碼：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，而要保證湖泊某項功能的正常發揮，相應的水位就要控制在一定的范圍內。例如，防洪蓄澇功能需設置汛期蓄水的上限，以騰空足夠的蓄水容積;生態保護功能需設置全年蓄水的上限和下限，以確保水生動植物的正常生長和繁殖;環境友好功能需設置全年蓄水的下限，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濟社會發展的無限用水需求。因此，湖泊每一種功能的正常發揮都對應著一定的水位控制要求，其中，能夠實現湖泊多重功能協調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、生態景觀、水質調控等單一功能控制水位及湖泊的綜合控制水位的研究現狀進行綜述。

2防洪蓄澇水位

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

2.1 汛期分期

國內對于汛期分期的研究大致經歷了從定性分析到定量研究，從單一方法到多種方法的發展歷程。20世紀80年代初期以定性分析為主，并形成了成因分析和數理統計兩類較為完善的分析方法[1-5]。從20世紀90年代開始，汛期分期的定量研究得到了長足發展，涌現出了許多的計算方法和分析技術。目前較常用的幾種方法有：模糊分析法[6-7]、變點分析法[8]、分形分析法[9]、系統聚類法[10]、Fisher最優分割法[11]、K均值法[12]等。

2.2 汛限水位的調整與運用

水庫防汛調度的實踐經驗表明，每年汛期來水雖是隨機的，但經常出現的還是中小洪水。因此，在掌握洪水季節性變化規律的基礎上，通過調整水庫的蓄泄關系，開發利用洪水資源，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根據用水需求和洪災風險的變化動態評估和調整水庫庫容;②充分利用河川徑流的季節性變化規律合理確定不同時期水庫的防洪與興利水位。

（2）汛限水位靜態控制。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，模糊數學[6]、模糊水文學分析[18]和最小二乘法[19]的運用在一定程度上解決了分期汛限水位的跳躍問題。

（3）汛限水位動態控制。包括考慮預報信息的預蓄預泄法[20]、分析各影響因子的綜合信息推理模式法[21]以及耦合實時預報調度系統的水位優選法[22]。例如，韋余廣[23]將基于混合線性回歸模型的降雨預測用于杭州市四嶺水庫汛限水位的動態控制;建劍波等[24]利用蒙特卡洛法對水庫汛限水位動態控制的風險進行了分析，得出了風險極低的結論。

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控制研究，關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湖泊起排水位的動態控制研究，關鍵是加強湖泊基礎資料的監測，提高入湖洪水中長期預報及短期預報的精度，建立數字流域模型和實時預報調度決策支持系統。

3生態景觀水位

3.1 江湖復合生態系統重要且脆弱

江湖復合生態系統即河流-洪泛平原生態系統（river-floodplain ecosystem），被世界自然基金會列為全球233個優先保護的生態區之一，由于人類活動的過度干擾，洪泛平原也被認為是世界上最瀕危的景觀。我國洪泛平原生態系統的健康問題除環境污染和過度利用外，攔河筑壩、江湖阻隔也是導致生態系統退化的直接原因。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致湖泊物種豐富度下降20%～50%，誘發湖泊富營養化，引起底棲動物、水生植物和魚類等資源衰退，造成生態系統發生根本性的改變[25]。

3.2 環境水流是江湖復合生態系統的關鍵因子

歐洲、北美、澳洲和南非等地學者的研究發現，自然水流體制（Natural Flow Regime）是江湖復合生態系統物種繁多、物產豐富的主要驅動因子[26-27]。在長期的進化過程中，生物逐漸適應了某種周期性的水文變化規律，例如，夏秋季水位上漲時，水流會攜帶大量營養物質到洪泛平原，給動植物提供豐富餌料和食物，同時也為魚類的繁殖和苗種的傳播創造了有利條件。冬春季水位下降時，部分灘地裸露，有利于植物的生長和萌發。在長期的進化過程中，不同生物逐步形成了與水文周期相適應的生活史對策，水文過程的改變必然會對生物產生重要影響。因此，自然水流體制既是江湖復合生態系統形成的驅動力，又是維持生態健康必不可少的條件。周期性水文波動屬于中等程度的干擾，具有抑制藻類過度繁殖、增強物種豐富度的作用;而突變性水文波動則會對生物的生長和生態系統的平衡產生巨大的擾動[28-31]。為此，學術界提出了環境水流需求（Environmental Flow Requirements）的概念，用來表征為維持有價值的生態系統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，環境水流需求已成為了江湖復合生態系統水文修復的定量操作依據。

環境水流的計算方法大致可以分為水文學法、水力學法、棲息地模擬法、通用法和整體法5類，各類方法的特點及常見算法詳見表1。

國內環境水流的研究起步相對較晚，目前已從水文學和水力學的角度在黃河、海河、遼河、塔里木河、漢江等水系開展過較多的環境水流工作，但關于生物的研究較少，僅就中華鱘等珍稀動物棲息地模型開展過工作[41]。中國科學院水生生物研究所在生物的環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的需求模型[42]，分析了湖水葉綠素與水文要素的關系，初步建立了底棲動物的適合度模型，探討了魚類的洄游問題等。

3.3 湖泊生態景觀水位研究趨勢

目前，關于湖泊生態水位的研究主要集中在水位波動對湖泊生物群落建立和發展的影響，以及湖泊生物適應于湖泊的水位波動作出主動或者被動的響應。因此，可以通過調控湖泊水位的方法來改變湖泊生物的群落結構，還可以通過調控湖泊水位的方法來排除外來物種或促進某些本地物種的建立和發展，從而達到恢復湖泊生態系統健康的目的。

湖泊景觀作為水域生態學的一部分，相關研究甚少，其研究需要將景觀評價深入其中。景觀評價主要應用于陸地生態系統，而在水域生態學中未見研究。城市湖泊一般都承擔著休閑、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算，實踐中，可借鑒美景度評價法（SBE法）對湖泊水體不同水位所形成的景觀進行定量評價。

4水質調控水位

4.1 湖泊水質模型研究現狀

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

4.2 湖泊水質調控水位研究趨勢

湖泊水質調控水位的研究離不開湖泊水質數值模擬、物理模型、現場試驗和工程技術4個方面。其中，水質數值模擬的研究趨勢為：模擬范圍日益擴大、狀態變量不斷增多，隨著“3S”技術的發展，實時監測將被納入模型系統，有望做到實時、動態地分析和解決水質調控問題;物理模型的發展趨勢主要是提高模型量測精度，重點在于量測儀器的開發;現場試驗的發展趨勢是選擇有代表性的湖泊，開展水質調控水位的現場試驗，提出研究時段內湖泊水質調控水位并推廣至全時段;工程技術的發展趨勢主要是如何綜合運用水位調控與生物措施、清淤措施、河湖連通等工程技術手段，達到改善湖泊水質的目的。

5綜合控制水位

5.1 湖泊綜合控制水位研究現狀

目前，國內外對于湖泊綜合控制水位的研究比較少見，通過文獻檢索，與此有一定關聯的研究也屈指可數。例如，希臘的Parisopoulos等[45]針對湖泊水位綜合調控管理效果的客觀后評價問題，提出了3個量化指標，綜合考慮了湖泊防洪、灌溉、生態等方面的需求，但其研究成果也僅局限于對既定調控方案實際運行效果的后評價，并不適用于湖泊水位運行方案的前期決策。吳顏等[46]針對新疆平原湖泊的特點，提出了湖泊最優運行水位的評價指標體系應包含社會經濟指標、水文氣象指標、生態環境指標以及綜合評價指標等4個方面。但對于指標如何量化、如何給出可信的綜合評價結論并未交代。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上是處理一個具有無限方案集的多目標決策的過程，然而，受當前理論、資料、技術等條件的限制，將湖泊綜合控制水位的確定轉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。無法采用多目標決策的原因在于難以建立湖泊綜合控制水位的目標函數并進行求解。尤其是如何對湖泊生態保護的目標進行量化目前還處于探索階段，加上生態監測資料的匱乏，以致提出定量評判湖泊生態好壞的指標都十分困難。因此，今后要著重建立湖泊生態資料系列，加強對湖泊生態景觀保護目標及量化方法的研究。

6 結語與展望

湖泊作為天然的水域形態之一，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、環境和生態問題。大多數湖泊一般都具有防洪蓄澇、凈化水質、提供生境等公益性功能，以及灌溉供水、旅游養殖等開發性功能。且隨著經濟實力的增強、發展理念的進步，人類對于湖泊的需求種類和層次都在不斷的擴大和提升。因此，如何在眾多的需求（也即矛盾）當中尋找到最佳的折中方案，從而實現湖泊生產、生活和生態功能的協調和統一，將是今后很長一段時間內湖泊管理工作必然要面臨的重難點問題。要想破解湖泊綜合控制水位這一復雜的系統問題，主要有如下兩個方面的關鍵技術。

（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是汛期分期、降雨洪水預報、數字流域仿真模擬、實時調度決策支持系統等，而提高洪水預報的準確度和預見期是對抗旱澇急轉等天氣事件最為有力的技術手段;生態景觀水位的研究重點是提出具體的量化指標、甚至是能夠被廣泛認可的目標函數，并建立保護目標與水位變幅及其波動之間的相關關系，通過控制湖泊的水文情勢來保護關鍵物種及其生態系統的穩定;水質調控水位的研究重點是水質監測技術、水質監測數據的積累、水文-水質-水動力耦合模型的研發與應用。

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

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（編輯：江 文）