基于長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)的巢湖生態(tài)水位研究

黃 軍

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

安徽省地處華東腹地,總面積14.01萬(wàn)km2,境內(nèi)淮河、長(zhǎng)江、新安江三大流域河流水系眾多,山區(qū)、丘陵、平原相間,地形地貌多樣。根據(jù)安徽省第一次水利普查成果,全省1km2以上的天然湖泊有128個(gè),水面總面積3505km2[1]。巢湖為全國(guó)五大淡水湖之一,是長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要濕地。長(zhǎng)期以來(lái),巢湖在保障防洪安全、供水安全、糧食安全以及促進(jìn)區(qū)域航道開(kāi)發(fā)、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性等方面發(fā)揮了不可替代的作用[2]。經(jīng)長(zhǎng)期不懈努力,巢湖流域防洪保安、供水保障、環(huán)境保護(hù)等工作取得了明顯進(jìn)展,但受地形、降水和人類(lèi)活動(dòng)等影響,巢湖流域水多、水少的老問(wèn)題沒(méi)有根本解決,洪澇干旱仍是心腹之患,同時(shí)水臟、水浪費(fèi)、水生態(tài)系統(tǒng)弱化等問(wèn)題日漸凸顯,特別是水污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻。本文以巢湖湖區(qū)為研究對(duì)象,采用巢湖忠廟1962—2017年實(shí)測(cè)日水位數(shù)據(jù),在分析巢湖主要特征水位的基礎(chǔ)上,計(jì)算了巢湖的生態(tài)水位指標(biāo)及年內(nèi)年際保障程度,旨在為巢湖水資源的合理開(kāi)發(fā)和利用、湖泊生態(tài)水位調(diào)度以及維系巢湖生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供借鑒和參考。

1 湖泊概況

巢湖(東經(jīng)117°00′～118°29′、北緯30°56′～32°02′)位于安徽省中部、江淮分水嶺南部地區(qū),流域總面積13906km2,約占安徽省國(guó)土面積的9.9%(圖1)。巢湖常年蓄水位為8.00～8.50m(吳淞高程,下同),湖底高程一般為4.90～5.90m,常年水面面積約760km2,相應(yīng)庫(kù)容為17億～21億m3,為典型的淺水湖泊。巢湖閘上流域面積為9186km2,入湖的大小河流呈放射狀匯入巢湖。巢湖湖水主要由地表徑流補(bǔ)給,大部分入湖水量在汛期或汛后由巢湖閘經(jīng)裕溪河注入長(zhǎng)江干流(圖2)。巢湖流域?qū)俦睙釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量為1120.3mm,年均蒸發(fā)量為890mm。

圖1 巢湖流域范圍

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3],2017年湖區(qū)鑒定到浮游植物85屬78種,其中藍(lán)藻數(shù)量占95%以上;浮游動(dòng)物43種,其中,原生動(dòng)物7屬10種,輪蟲(chóng)11屬18種,枝角類(lèi)6屬7種,橈足類(lèi)6屬8種;大型底棲動(dòng)物17種,隸屬于3門(mén)6綱7科;水生維管束植物有36科74屬88種,主要為蘆、荻等挺水植物;魚(yú)類(lèi)7目12科48種。總體上,巢湖流域水生態(tài)系統(tǒng)近年來(lái)逐漸轉(zhuǎn)好,但受人類(lèi)長(zhǎng)期活動(dòng)的干擾,生物多樣性仍然呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

2 研究方法

2.1 主要特征水位指標(biāo)

湖泊的自然特征水位在年內(nèi)不同時(shí)段存在一定高低變化,考慮到水位變化發(fā)生和持續(xù)時(shí)間,湖泊水位要素一般包括高、低水位,高、低水位發(fā)生時(shí)間以及高、低水位歷時(shí)等[4]。

2.1.1 水位閾值

水位閾值包括高水位和低水位,本文主要采用保證率法進(jìn)行計(jì)算[5],即根據(jù)歷史水文監(jiān)測(cè)資料,選擇一定頻率作為確定條件,按照低于或高于該條件進(jìn)行確定。本次結(jié)合巢湖流域?qū)嶋H情況,頻率選擇25%、75%,計(jì)算公式如下:

H=P25%(hi)

L=P75%(hi)

2.1.2 發(fā)生時(shí)間

高水位發(fā)生時(shí)間為水位初次上升至高水位閾值的日期;低水位發(fā)生時(shí)間為水位初次下降至低水位閾值的日期[6]。由于巢湖湖區(qū)面積較大,受季風(fēng)影響水位存在一定的波動(dòng),因此為避免該誤差,本次認(rèn)為當(dāng)連續(xù)7d水位達(dá)到閾值指標(biāo)時(shí),該水位被認(rèn)為屬于高水位或低水位事件。計(jì)算公式如下:

(i=7,8,…,12,次年i=1,2,…,6)

式中:Hst和Lst為高水位和低水位發(fā)生月份;hij為第i月第j日日水位,m;n為第i月的天數(shù),d。

2.1.3 水位歷時(shí)

水位歷時(shí)指高、低水位的持續(xù)時(shí)間。計(jì)算公式如下:

Hd=Het-Hst

Ld=Let-Lst

(i=7,8,…,12,次年i=1,2,…,6)

式中:Hd和Ld為高水位和低水位持續(xù)時(shí)間;Het和Let為高水位和低水位結(jié)束時(shí)間;n為第i月的天數(shù)。

2.2 生態(tài)水位計(jì)算及保障程度

2.2.1 生態(tài)水位計(jì)算

采用Qp法、湖泊形態(tài)分析法計(jì)算巢湖最低生態(tài)水位。

為解決上述問(wèn)題,本文研究一種基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的能力開(kāi)放方案與流程,最大程度地滿足互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的保障需求,減少無(wú)效或負(fù)作用的調(diào)用次數(shù),將QoS提升效果最大化。

a.Qp法。以天然情況下的湖泊長(zhǎng)系列日平均水位為基礎(chǔ),用每年的最枯日進(jìn)行排序,選擇不同保證率下的日平均水位作為湖泊控制斷面的生態(tài)水位。保證率P可根據(jù)湖泊所在流域水資源開(kāi)發(fā)利用的程度、規(guī)模以及來(lái)水等情況選擇,根據(jù)巢湖流域特點(diǎn),選擇90%作為設(shè)計(jì)保證率。

b.湖泊形態(tài)分析法。通過(guò)分析湖泊水面面積變化率與湖泊水位關(guān)系來(lái)確定維持湖泊基本形態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的最低水位。首先通過(guò)實(shí)測(cè)的湖泊水位H和湖泊面積F,構(gòu)建湖泊水位H與湖泊面積F變化率即dF/dH的關(guān)系曲線,在湖泊枯水期低水位附近的變化率最大值對(duì)應(yīng)的水位為湖泊最低生態(tài)水位hmin[7]。

2.2.2 生態(tài)水位保障程度計(jì)算

湖泊的實(shí)測(cè)水位高于生態(tài)水位的時(shí)間序列與計(jì)算序列的比值[8],可按照日、月以及年分別進(jìn)行計(jì)算。公式如下:

式中:En是日生態(tài)水位保障程度,%;N為天數(shù);he和hk為生態(tài)水位和實(shí)測(cè)水位,m;Ei為月生態(tài)水位保障程度,%;hjik為第j年第i月的平均水位,m;n為年數(shù);I為天數(shù);Ej為年生態(tài)水位保障程度,%;Mj為天數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 巢湖主要特征水位

3.1.1 歷年水位特征

利用巢湖忠廟、巢湖閘上站1962—2017年逐日水位系列推求逐日的多年平均、最高及最低值。以忠廟站為例,由結(jié)果可以看出,其水位具有明顯的高、低水位過(guò)程,年內(nèi)呈現(xiàn)典型的單峰分布(圖3),并伴隨著湖泊面積的顯著改變(圖4)。從多年平均水位變化趨勢(shì)分析,全年可根據(jù)汛期(5—9月)、非汛期(10月至次年4月)劃分為兩個(gè)水位變化時(shí)期,其中汛期水位受降雨以及流域來(lái)水影響逐漸上升,多年日均水位為8.20～9.50m,最高水位達(dá)到12.78m,最低水位為7.00m;非汛期水位受蒸發(fā)滲漏損失以及流域水資源開(kāi)發(fā)利用影響,緩慢下降,多年日均水位為8.20～9.20m,最高水位達(dá)到11.31m,最低水位為6.69m。總體上來(lái)說(shuō),忠廟站多年日均水位在8.10～9.50m之間變動(dòng),多年日均最大水位在9.00～12.80m區(qū)間,最小日均水位在6.70～7.60m區(qū)間,日最高和最低水位差達(dá)5.50m。巢湖閘上站的變幅及趨勢(shì)與忠廟站基本一致,但其多年日均水位、最低及最高水位均較忠廟站略低。根據(jù)資料計(jì)算,巢湖忠廟站高水位(H)、低水位(L)分別為9.15m和7.99m,相應(yīng)的湖泊面積為780.35km2和767.73km2,相差12.62km2。

圖3 巢湖1962—2017年逐日水位變化趨勢(shì)

圖4 巢湖水位-庫(kù)容關(guān)系曲線

3.1.2 高低水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

基于巢湖忠廟水位站1962—2017年逐日水位資料,對(duì)巢湖的高水位和低水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)進(jìn)行分析,見(jiàn)圖5和圖6。巢湖的高水位一般從每年的5月中旬開(kāi)始,但受區(qū)間水資源開(kāi)發(fā)利用及巢湖閘水位調(diào)控影響,年際間存在較大波動(dòng),平均年歷時(shí)162.7d,年際在1～295d區(qū)間變化。以上分析表明,巢湖的高水位一般發(fā)生在汛期(5—9月),其發(fā)生的具體日期與當(dāng)年的來(lái)水條件有關(guān)。其中1975年、1977年、1983年、2014年以及2016年高水位持續(xù)時(shí)間達(dá)到150d以上;巢湖低水位一般開(kāi)始于1月,由于巢湖閘調(diào)控以及流域水資源開(kāi)發(fā)利用要求,1994年以后巢湖閘未出現(xiàn)低水位。1962—2017年記錄的低水位最早發(fā)生于1月,最遲發(fā)生于12月。其中1965—1967年、1971年、1976年、1978年以及1981年低水位持續(xù)時(shí)間達(dá)到100d以上。

圖5 巢湖忠廟站1957—2017年高水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

圖6 巢湖忠廟站1957—2017年低水位發(fā)生時(shí)間與歷時(shí)

3.2 巢湖生態(tài)水位

3.2.1 生態(tài)水位確定

a.Qp法。根據(jù)忠廟站歷年逐日水位資料,其歷年最枯月平均水位為7.78m,最大值為8.68m,最小值為6.69m,二者相差近2m;由歷年最低水位變化(圖7)可知,上世紀(jì)90年代中期以后隨著巢湖周邊經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,對(duì)水資源的需求日益增加,巢湖最枯月平均水位呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。采用Qp法進(jìn)行排頻計(jì)算后,巢湖生態(tài)水位為7.22m(P=90%)。

圖7 巢湖忠廟站歷年最低月平均水位變化

b.湖泊形態(tài)分析法。利用巢湖水位和水面面積資料,計(jì)算巢湖水位H與水面面積變化率dF/dH關(guān)系曲線(圖8),歷史最低水位附近的水面面積變化率最大值對(duì)應(yīng)的水位即為生態(tài)水位,由此確定的巢湖最低生態(tài)水位為6.80m。

圖8 巢湖水位與水面面積變化率關(guān)系dF/dH曲線

依據(jù)《水利部關(guān)于印發(fā)第一批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)的函》(水資管函〔2020〕43號(hào)),巢湖忠廟最低生態(tài)水位控制為6.80m,以上計(jì)算與該成果基本一致。巢湖水生植物優(yōu)勢(shì)種為蘆葦(挺水植物)、水燭、南荻等。根據(jù)相關(guān)資料[9],沉水植物的適宜水深為60～200cm,挺水植物的適宜水深在30～50cm,根據(jù)巢湖湖底高程可確定其生態(tài)水位在6.50～7.90m之間,其最低生態(tài)水位基本符合植被生長(zhǎng)需求。而野生魚(yú)類(lèi)生存和繁殖的最小水深為1m,也滿足魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵、育幼和生存的需求[10]。根據(jù)文獻(xiàn)[11]研究,巢湖水位不高于7.00m時(shí),灘地的面積可達(dá)到40km2以上,有利于水生植物的生長(zhǎng)。因此,認(rèn)為本次巢湖最低生態(tài)水位能夠滿足植物以及魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)需求。

3.2.2 巢湖生態(tài)水位保障程度

根據(jù)巢湖生態(tài)水位目標(biāo),分析計(jì)算1957—2017年逐日實(shí)測(cè)水位的保障程度。由計(jì)算結(jié)果可知,巢湖生態(tài)水位日、月以及年保證率分別達(dá)到99.93%、100%以及100%,其生態(tài)水位保障程度較高。

3.2.3 巢湖生態(tài)水位調(diào)度

現(xiàn)行的巢湖水位控制方式主要依據(jù)《巢湖防汛抗旱調(diào)度暫行規(guī)定》(省防指〔2012〕41號(hào))文件執(zhí)行:“巢湖閘上控制水位6—8月為8.00m,5月和9月為8.50m,非汛期按照8.50～9.00m進(jìn)行控制。”為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及通航要求,近年來(lái),巢湖水位按照高水位狀態(tài)進(jìn)行控制,導(dǎo)致湖泊水位沒(méi)有自然降低,違背了湖泊自然的高、低水位變化規(guī)律。一般來(lái)說(shuō),冬、春季保持較低的水位可以給挺水植物的種子和繁殖體的萌發(fā)提供充足的光照和氧氣;夏季高水位可以促進(jìn)挺水植物的快速生長(zhǎng)[11]。所以,應(yīng)在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生產(chǎn)、生活用水的前提下,實(shí)施巢湖生態(tài)水位調(diào)度,在非汛期適當(dāng)開(kāi)閘放水,對(duì)恢復(fù)巢湖的生態(tài)環(huán)境具有促進(jìn)作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于巢湖湖區(qū)多年平均水位及變化趨勢(shì)可知,巢湖高水位一般從5月中旬開(kāi)始,但受區(qū)間水資源開(kāi)發(fā)利用及巢湖閘水位調(diào)控影響,年際間存在較大波動(dòng);低水位一般開(kāi)始于1月,但1994年以后巢湖未出現(xiàn)低水位。巢湖忠廟站最低生態(tài)水位控制為6.80m,巢湖生態(tài)水位日、月以及年保證率分別達(dá)到99.93%、100%以及100%,其生態(tài)水位保障程度較高。

同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn),為保障流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及通航水深要求,近年來(lái),巢湖水位按照高水位狀態(tài)進(jìn)行了控制,雖保證了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,但卻違背了湖泊自然高、低水位變化規(guī)律,對(duì)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康以及可持續(xù)發(fā)展不利。建議下一步應(yīng)在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生產(chǎn)、生活用水的前提下,積極開(kāi)展并實(shí)施巢湖生態(tài)水位調(diào)度研究,以保障湖區(qū)不同種群對(duì)水位的要求,同時(shí)可促進(jìn)巢湖水體循環(huán),對(duì)于保障巢湖水生態(tài)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)水體水質(zhì)改善具有積極作用。