基于時間尺度條件下的陽澄湖生態水位研究

許 強，吳小靖，秦 灝，王子建

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103)

水資源是經濟社會發展的基礎性、先導性、控制性要素；同時，它也是維系河湖生態健康的重要載體[1]。在合理開發利用有限水資源的基礎上，科學研究河湖生態流量(水位)，以實現水資源的科學配置和有效管理。河湖生態流量(水位)是維持河湖水生態系統穩定、生態平衡以及滿足河湖基本功能的基本需求[2]。通過合理確定河湖生態流量(水位)，強化生態流量(水位)管控，可以打造優質水資源、健康水生態的生態幸福河湖。生態流量(水位)確定常用的計算方法有水文學法[3- 4](Tennant法、Qp法、近10年最枯月平均法、最低生態水位法及流量歷時曲線法等)、水力學法[5- 6](濕周法及湖泊形態法等)、棲息地定額法[7](最小生物空間法等)。水文學法優點是通過分析長序列水文資料，計算不同保證程度下的流量(水位)，即可反映河湖水資源開發利用程度、規模、來水等實際情況；缺點是需要至少30年以上的長序列水文資料。水力學法優點是只需要河湖水位、水面面積關系等水力參數；缺點是計算精度不高、難以體現時間空間變化因素。棲息地定額法優點是只需要湖泊魚類生存所需最小水深、湖底高程，計算簡單，便于操作；其缺點是體現不出季節變化因素，生物學依據不夠可靠。

平原河網地區，河湖密布，水位比降小，受工程和調度影響，存在往復流，區域通常缺少長期的、不受人工閘壩調節控制的河湖流量監測資料。鑒于區域平原河網地區獨特的地形地貌和水文特點，河網水位變化相對平穩，直接反映河湖水資源的狀況，采用水位目標作為河湖生態維護的基本參數。

陽澄湖位于太湖流域陽澄淀泖區中部、蘇州市區東北部，典型的平原河網地區，是太湖流域第三大、蘇州市域第二大湖泊，是蘇州市重要的飲用水源地和戰略備用水源地，在區域經濟社會和生態環境方面發揮著重要作用。開展陽澄湖生態水位研究不僅對保障陽澄湖水源地供水安全和生態保護具有重要作用；同時，對實現水資源的集約安全利用、助力區域經濟高質量發展具有重要意義。

1 生態水位內涵、數據來源和方法

1.1 生態水位內涵及數據來源

陽澄湖周邊地區缺乏控制性徑流代表站，而水位站點較多，水位站更適于作為陽澄湖及周邊用水地區的控制斷面。湘城站位于陽澄湖西北部(見圖1)，水位穩定，變化幅度較小，可有效反映陽澄湖的水位變化，選取湘城站作為陽澄湖生態水位控制斷面。本文選用湘城站1951年～2019年日均水位水文序列數據，數據來源于江蘇省水文水資源勘測局。

圖1 陽澄湖及水位站位置示意

陽澄湖既需要保障水源地供水安全，也需要維系湖泊生態多樣性、系統性和復雜性。因此，陽澄湖生態水位包括適宜生態水位及最小生態水位[8]。其中，湖泊適宜生態水位是指以保障湖泊正常水資源供給安全為首要目標，滿足湖泊綜合功能情況下長期保持相對穩定的水位；最小生態水位是指能夠維持湖泊生態健康、滿足基本生態環境用水的最低水位。

1.2 分析方法

1.2.1 時間尺度分析

(1)水文時間序列的時間尺度。考慮蘇州市陽澄淀泖區骨干河道整治，水利工程引排能力明顯加強，河網水位普遍抬高，為能反映現狀實際情況，分別分析控制斷面1951年～2019年、1980年～2019年和1990年～2019年3個水文序列的特征水位，綜合確定研究的水文序列的時間尺度。

(2)目標需求的時間尺度。陽澄湖是滋養蘇州數百萬人的“母親湖”，是蘇州市防洪、排澇、引水和灌溉的重要調蓄和生態湖泊，是蘇州重要的飲用水源地。按照水資源集約安全利用原則，統籌區域水資源調度要求及保障水資源供給安全的需求，分成全年、5月～9月(汛期)、10月～次年4月(非汛期)3個時段反映不同時期對水資源的需求。與此同時，考慮陽澄湖生物多樣性需求，參考魚類生存所需的水深，根據國內外相關研究[9]，魚類產卵育幼期為4月～9月。

(3)時間步長的時間尺度。湖泊生態水位是體現湖泊濕地基本形態與基本生態功能的湖區最低水位，是保障湖泊濕地生態系統結構和功能的最低限值。考慮湖泊水文特性，對水文序列的時間步長要求不同，時間步長分為最枯日均、最枯月均、最枯旬均3種類型時間步長分析湖泊水文時間空間變化趨勢。

1.2.2 計算方法

(1)Qp法。Qp法又稱頻率分析法，以控制斷面長系列(n≥30 a)天然日均水位為基礎，對水文數據進行還原和修正。采用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線對選定的不同時間尺度長序列水文數據排頻，求出不同保證程度下的水位值。綜合湖泊水資源供給安全保障和生態需水等多方面需求，選擇不同保證程度下的水位作為湖泊生態水位目標值。皮爾遜Ⅲ型頻率曲線[10]數學上常稱為Γ分布，曲線概率密度函數[11]為

(1)

(2)最小生物空間法。生物的生存空間是生物生存的基礎，湖泊水體生長的浮游植物、藻類、大型水生植物、魚類、底棲動物和浮游動物等生物構成湖泊水生態系統。湖泊各生物對生存空間的需求與湖泊水位密切相關，采用湖泊水位指標作為反應湖泊生存空間的重要參數。湖泊魚類、植物等為維持群落不嚴重衰退需要保障最低水位，取各生物所需的最低水位最大值，即為湖泊最低生態水位。湖泊水生態系統中魚類是頂級生物群落，為湖泊食物鏈頂端。湖泊魚類對生存空間最為敏感，可適應湖泊環境變化，對促進其他群落豐富程度，保護水生態系統健康發展具有重要意義。故將魚類作為關鍵物種和指示生物，魚類的生存空間得到滿足，其他生物的最小生存空間也得到滿足。湖泊最低生態水位

Zemin魚=Z0+h魚

(2)

式中，Z0為湖底高程，m；h魚為魚類生存所需的最小水深，m。

(3)Tennant法[12-13]。為評估生態水位確定的合理性，采用Tennant法評價標準橫向對比。Tennant法又稱蒙大拿法，其應用于河流生態需水評估方法。Tennant法將推薦流量目標值與多年平均流量百分比作為保障河湖生態環境流量閾值，評價分級指標見表1。

表1 Tennant法評價標準分級指標 %

2 水位指標分析計算

2.1 時間尺度確定

根據控制斷面湘城站水文資料分階段(全系列(1951年～2019年)、1980年～2019年、1990年～2019年)統計多年最低水位和多年平均水位，分析階段性變化規律。

2.1.1 特征水位

根據湘城站不同時期特征水位統計(見圖2、表2)總體來看，湘城站1951年～2019年年平均低水位和年平均水位均呈上升趨勢。其中，1980年～2019年較全系列年平均低水位和年平均水位分別上升0.12 m和0.09 m；1990年～2019年較全系列年平均低水位和年平均水位分別上升0.21 m和0.16 m；1990年～2019年較1980年～2019年年平均低水位和年平均水位分別上升0.09 m和0.07 m。

圖2 湘城站特征水位年際變化趨勢

表2 湘城站特征水位統計 m

2.1.2 頻率分析

控制斷面湘城站水位頻率分析采用P-Ⅲ型適線法，分別對1980年～2019年、1990年～2019年水文系列最低日均水位頻率分析。根據水位頻率分析成果(見表3)表明，在保證率85%～99%頻率下，湘城站1990年～2019年最低日均水位頻率成果較1980年～2019年抬高0.14～0.18 m，湘城站1990年～2019年水位頻率成果上升顯著。

表3 湘城站最低日均水位頻率分析成果 m

陽澄湖生態水位控制斷面湘城站綜合不同水文序列下時間尺度的特征水位和頻率分析成果，以及考慮到20世紀90年代后陽澄淀泖區水利工程引排能力明顯加強，河網水位有普遍抬高。近三十多年來的水位特性分析成果更能反映陽澄湖實際情況，也更貼近區域的水資源需求，更有利于指導水利工程常規水資源調度。因此，陽澄湖生態水位研究采用控制斷面湘城站1990年～2019年水文序列做進一步分析。

2.2 水位特性分析

2.2.1 水位頻率分析

生態水位主要是針對日常用水及水環境、水生態需求，以控制斷面的年均水位及最枯年均水位分析較為合理。為反映不同時期對陽澄湖水資源、水生態的需求，分成以下4個時期進行歷史水位頻率分析：全年、5月～9月(汛期)、10月～次年4月(非汛期)、4月～9月(魚類產卵育幼期)，分析成果見表4。分析結果表明，湘城站年均水位在保證率50%下全年、汛期、非汛期和魚類產卵育幼期4個時期水位分別為3.15、3.22、3.10 m和3.20 m，全年水位分別低于汛期和魚類產卵育幼期0.07 m和0.05 m，高于非汛期0.05 m。

表4 湘城站分時期水位頻率分析成果

考慮保護陽澄湖湖泊生態結構對水文時間空間變化趨勢的要求，按照最枯日均、最枯月均、最枯旬均3種時間步長分別研究控制斷面湘城站最枯日均水位水位頻率成果，分析成果見表5。分析結果表明，湘城站最枯日均水位在保證率90%下最枯月均、最枯旬均、最枯日均3個時段水位分別為2.77、2.70、2.66 m，最枯月均水位較最枯旬均、最枯日均水位分別高出0.07、0.11 m。

表5 湘城站分時段水位頻率分析成果

2.2.2 特征水位分析

控制斷面湘城站特征水位分全年、汛期(5月～9月)、非汛期(10月～次年4月)、魚類產卵育幼期(4月～9月)4個時期進行分析，分別分析各個時間多年平均高水位、多年平均水位和多年平均低水位，湘城站特征水位成果見表6。分析結果表明湘城站防洪警戒水位為3.70 m，4個時期多年平均低水位分別為3.05、3.10、3.02 m和3.08 m。

表6 湘城站水位特征水位分析成果 m

2.3 水位指標確定及合理性分析

2.3.1 適宜生態水位

通常，汛期以防洪調度為主，兼顧水資源調度；而非汛期以水資源調度為主，兼顧防洪調度。隨著經濟社會高質量發展對水資源、水生態環境的要求越來越高，為滿足日益趨漲的供水安全保障，兼顧魚類產卵育幼期需求；適宜生態水位的確定應以非汛期多年平均水位及多年平均高水位為主要參考因子。

適宜生態水位下限原則上不低于非汛期多年平均水位3.11 m和頻率為50%的魚類產卵育幼期最枯年平均水位3.08 m；適宜生態水位上限原則上不高于非汛期多年平均高水位3.20 m，為確保防洪排澇安全，上限水位低于警戒水位約40 cm。綜合以上原則，確定陽澄湖適宜生態水位為3.20 m。

2.3.2 最小生態水位

最小生態水位是指保護湖泊濕地生態系統功能和結構的最低水位，也是維持湖泊基本生態功能及基本形態的最低限值，最小生態水位不能小于90%保證程度下的最枯月平均水位，并采用最小生物空間法分析湖泊各類生物對生存空間的需求綜合確定最小生態水位目標值。

通過分析計算，90%保證程度下最枯月均、最枯旬均、最枯日均及魚類產卵育幼期4個時間步長的水位為2.66～2.89 m。為滿足魚類生存空間要求[14-15]，研究表明魚類垂向轉身水深為魚類平均身高的2～3倍以及魚類產卵育幼期適宜水深大于等于0.90 m、成魚期適宜水深大于等于0.80 m。因此，魚類生存和繁殖所需水深接近1.00 m和垂向轉身所需的水深約1.80 m。陽澄湖勘探資料顯示，陽澄湖湖底平均高程約為1.06 m，綜合確定陽澄湖最小生態水位為2.90 m。

2.3.3 合理性分析

運用Tennant法評價計算結果合理性，分析結果見表7。適宜生態水位和最小生態水位目標值分別占多年平均水位的101.27%和91.77%，為Tennant評價標準的“最佳范圍值”，計算結果合理，由此證明本文方法和分析結果合理可靠。

表7 陽澄湖生態水位目標值Tennant法評價成果

3 結 語

本文基于平原河湖特性，選取水位作為河湖生態維護的基本參數，湘城站作為陽澄湖生態水位控制斷面。根據保障陽澄湖不同功能需求以及按照不同時間尺度分析陽澄湖水位特性，分別提出陽澄湖適宜生態水位和最小生態水位目標值，主要結論如下：

(1)根據陽澄湖生態水位控制斷面湘城站水文資料分1951年～2019年、1980年～2019年、1990年～2019年3個時間尺度統計特征水位和頻率分析成果，分析各時間尺度下的水位變化規律，結果表明湘城站3個時間尺度下特征水位呈上升趨勢，又考慮20世紀90年代后水利工程引排能力明顯加強，河網水位普遍抬高，1990年～2019年近三十多年的水位成果更能反映陽澄湖現狀水資源和水生態需求，本文水文序列長度選1990年～2019年。

(2)以保障陽澄湖正常水資源供給安全、滿足湖泊綜合功能目標下，綜合非汛期多年平均水位、多年平均高水位和頻率為50%的魚類產卵育幼期的需求，陽澄湖適宜生態水位目標值為3.20 m；以保障陽澄湖濕地生態系統結構和功能的最低限值，結合考慮湖泊各類生物對生存空間的需求，分析陽澄湖最枯月均、最枯旬均、最枯日均及魚類產卵育幼期4個時間尺度下水位特征值，并結合最小空間法綜合確定最小生態水位目標值為2.90 m。

(3)適宜生態水位和最小生態水位目標值分別占多年平均水位的101.27%和91.77%。依據Tennant評價標準，本文確定陽澄湖適宜生態水位和最小生態水位目標值為“最佳范圍值”，計算結果合理，證明本文方法和分析結果合理可靠。