岳城水庫最低生態(tài)水位研究

高 翔，胡 振，李小英，周緒申，3

（1.海河水利委員會漳衛(wèi)南運河管理局，山東 德州 253009；2.海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，天津 300061；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072）

水庫在調節(jié)陸地地表水生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有攔蓄洪水、供給農業(yè)和生活用水、維護生物多樣性等多種功能，是地區(qū)經濟可持續(xù)發(fā)展和人們賴以生存的基礎[1]。近年來，由于人們對水資源開發(fā)利用強度持續(xù)加大，而對水資源配置過程中生態(tài)蓄水的重視程度不足，導致了水環(huán)境質量下降、生物多樣性降低、供水短缺等多種問題[2]。維持健康的水庫生態(tài)環(huán)境，不僅需要水庫蓄有較高的水位水量，而且應保持動態(tài)平衡的來水量和放水量。當來水量較少，放水量較多，水庫水位持續(xù)下降，水庫生態(tài)系統(tǒng)隨之變弱。維持水庫生態(tài)系統(tǒng)正常運行的最低水位為水庫最低生態(tài)水位。該水位的研究對水庫合理配置水資源和保持生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用[3]。

GLEICK[4]提出維護生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)完整性需要可持續(xù)用水的概念。徐志俠等[5]在對南四湖生態(tài)水位研究中，將湖泊天然水位作為重要因素計算最低生態(tài)水位。梁犁麗等[6]通過研究魚類生存、繁殖環(huán)境與水量的關系確定最低生態(tài)水位。劉劍宇等[2]通過研究鄱陽湖的動態(tài)出入湖水量計算水生生物生存空間和生態(tài)需水量。程俊翔等[3]計算東洞庭湖最小生態(tài)水位則是采用最低年平均水位法、年保證率設定法、形態(tài)分析法和生態(tài)水位法4種方法。

岳城水庫為國家大（1）型水庫，2006年被水利部列為全國第一批重要水源地。近年來，由于水庫蓄水量減少、需水量增加等因素影響，水庫出現泥沙淤積、生物多樣性大量減少等問題。為維護岳城水庫生態(tài)系統(tǒng)平衡，應對水庫最低生態(tài)水位進行研究。本文結合岳城水庫實際情況，采用最低年平均水位法、年保證率設定法和生物最小空間需求法3種方法計算岳城水庫最低生態(tài)水位，為岳城水庫防洪減災、水資源管理與保護以及優(yōu)化調水等提供技術支撐。

1 研究區(qū)域概況

岳城水庫位于河北、河南兩省交界的漳河干流出山口處，控制流域面積18100 km2，其輸水渠道包括漳南渠、民有渠及其管道，為邯鄲、安陽兩市及下游地區(qū)提供生活、農業(yè)用水。水庫泄水入漳河，維持河道水生態(tài)環(huán)境。多年來，國家先后多次實施“引岳濟津”“引岳濟淀”等調水工程，在2022—2023年的京杭大運河全線貫通補水中岳城水庫發(fā)揮了重要作用。岳城水庫已被列入《全國重要飲用水水源地名錄》，而且成為向北京市供水的備用水源地，其地位越發(fā)重要[7]。岳城水庫上游建有大量中小型水庫，總庫容超過3億m3，屬于人為干擾嚴重的湖泊水庫，加上水庫處于缺水區(qū)域，因此開展水庫最低生態(tài)水位研究具有重要意義。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本研究數據來源于岳城水庫（壩上站）1969—2022年實測逐日水位數據。

2.2 研究方法

2.2.1 最低年平均水位法

最低年平均水位法是統(tǒng)計歷年水庫最低水位，取其平均值與權重（歷年水庫最低水位平均值與最低生態(tài)水位的接近程度，取值范圍在0.650～1.550）的乘積作為最低生態(tài)水位。

2.2.2 年保證率設定法

年保證率設定法[3]是對歷年水庫最低水位從小到大排序，計算不同年保證率下的最低生態(tài)水位。其計算公式為：

式中：Zmin為最低生態(tài)水位（m）；Z為年平均水位（m）；μ為權重；P為保證率；m為年序列數；n為統(tǒng)計年數。

根據水庫的自然地理環(huán)境、調蓄灌溉功能選擇相應的保證率（50%、75%、95%），得到保證率所對應的水文年，計算年平均水位。根據生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標，對水文年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行綜合評價。健康等級與權重的對應關系，詳見表1。

表1 水庫生態(tài)系統(tǒng)健康等級與權重的對應關系

2.2.3 生物最小空間需求法

根據徐志俠等[5]的研究，水庫水位與生物生存空間一一對應，所以采用水位作為水生生物生存空間指標。水生生物包括藻類、浮游動植物、大型水生植物、底棲動物和魚類等，為維持各自群落生存均需最低水位，這些最低水位的最大值即為最低生態(tài)水位。其計算公式為：

式中：Zemin為最低生態(tài)水位（m）；Zemini為第i種水生生物所需的最低生態(tài)水位（m），i= 1～n；n為水生生物種類。

水生生物中魚類對水位最為敏感，并且對其他水生生物的生存發(fā)展有重要作用[8]，因此將適于魚類生存的最低水位作為水庫最低生態(tài)水位，即：

式中：Hemin魚為魚類所需的最低生態(tài)水位（m）。

3 計算結果分析

3.1 最低年平均水位法計算分析

根據1969—2022年岳城水庫（壩上站）實測逐日水位數據，繪制岳城水庫歷年最低水位，如圖1所示。岳城水庫歷年最低水位最大值與最小值相差11.32 m，2011年最低水位與歷年最低水位平均值相差0.12 m，為最接近的年份。近幾年，岳城水庫水質評價為地表水Ⅱ類及以上標準，水質良好，達到飲用水標準要求，歷年最低水位為上漲趨勢，水體富營養(yǎng)化程度逐年好轉，處于中營養(yǎng)狀態(tài)[9-11]。巴音查汗等[12]采用最低年平均水位法研究確定新疆賽里木湖流域最低生態(tài)水位，權重取1.0。所以，根據水文統(tǒng)計方法和反饋法確定權重λ值為1.0，經計算得岳城水庫最低生態(tài)水位為127.57 m。

3.2 年保證率設定法計算分析

岳城水庫地質較復雜、進水口單一，取保證率為75%，水文年為2007年，年平均水位為131.68 m，詳見表2。岳城水庫庫區(qū)底泥含較多有機質和腐殖質，故底棲動物生物指數賦分偏低[13]。2016—2018年，漳衛(wèi)南局實行最嚴格水源地保護措施，庫區(qū)水生態(tài)、水體富營養(yǎng)化狀態(tài)逐漸改善。2019年岳城水庫健康狀況評估為健康，評價結果為較好[14]。根據表1，權重取0.975，岳城水庫最低生態(tài)水位為128.39 m。

表2 不同保證率下年平均水位統(tǒng)計

3.3 生物最小空間需求法計算分析

岳城水庫野生魚類品種豐富，有鯉、鯽、鳙、鰱等，保護魚類也是衡量生物多樣性的重要指標。根據庫區(qū)野生魚類生存和繁殖需求，岳城水庫至少需要1.5 m 的水深（魚類生存的極限水深）。根據李增強等[15]的研究，岳城水庫可調用水量的基礎水位應在死水位以上，才可保證水庫及下游河道的水生態(tài)環(huán)境，因此維持庫區(qū)野生魚類生存的最低水位為126.50 m。岳城水庫上游山區(qū)地質為石灰?guī)r及土石山，且暴雨主要集中在山區(qū)迎風坡，大量泥沙、碎石隨暴雨洪水進入庫區(qū)，且水庫建成以來未曾進行清淤，導致水庫淤積情況逐年增加。截至2020年，根據基本水尺斷面水尺零點高程測量結果得到最低一根水尺淤積深度已達到0.95 m。所以，維持魚類種群長期生存的最低水位應提升0.95 m，為127.45 m。

3.4 最低生態(tài)水位合理性分析

采用最低年平均水位法、年保證率設定法和生物最小空間需求法3 種方法計算得到岳城水庫最低生態(tài)水位，均低于旱限水位[16]，高于死水位。岳城水庫最低生態(tài)水位計算結果及差值比較，詳見表3。

表3 岳城水庫最低生態(tài)水位計算結果及差值比較m

由于不同計算方法基于理論和側重點不同，所以其得到的結果也并不完全相同。年保證率設定法和最低年平均水位法是基于長序列水位資料計算最低生態(tài)水位，重點考慮水庫水資源功能正常發(fā)揮，不需要現場監(jiān)測數據，而權重確定比較困難，兩者確定的岳城水庫最低生態(tài)水位相差0.82 m，沒有考慮水生生物空間的影響[17]。生物最小空間需求法屬于棲息地法的范疇，著重考慮了相關生物的生態(tài)機理，并且將淤積現狀考慮在內，比最低年平均水位法和年保證率設定法低0.12 和0.94 m。因此，在保證水庫水資源功能正常發(fā)揮和水生生物正常存活繁育發(fā)展的情況下，岳城水庫最低生態(tài)水位取計算結果的平均值127.80 m。

根據2012—2022年岳城水庫逐日水位狀況，年最低水位持續(xù)高于127.80 m，表明近年來岳城水庫最低生態(tài)水位滿足程度較好，水位高、水庫蓄水量大，尤其在2021年漳河“21·7”洪水期間，岳城水庫最高水位達152.27 m，攔蓄洪水2.730 億m3，泄洪2.148 億m3，洪水期前后水庫水質基本穩(wěn)定，維持在地表水Ⅲ類標準。本研究結果也從另一方面印證了岳城水庫水生態(tài)環(huán)境現狀。

4 結論

（1）采用最低年平均水位法、年保證率設定法和生物最小空間需求法3種方法計算得到岳城水庫最低生態(tài)水位127.80 m，高于死水位，低于旱限水位。最低年平均水位法、年保證率設定法考慮了水庫水資源功能的正常發(fā)揮，其計算結果高于生物最小空間需求法的計算結果，在水位持續(xù)下降時，應減少或停止岳城水庫向外供水，以保持水庫的水生態(tài)平衡。

（2）2012—2022年，岳城水庫持續(xù)加強水資源管理與保護，保證每年最低水位高于最低生態(tài)水位，庫區(qū)水生態(tài)環(huán)境逐年改善。

（3）隨著岳城水庫上游來水的減少以及城市生活、農業(yè)需水的增加，需加強對農業(yè)面源污染的管控、庫區(qū)居民生活垃圾的存放及處理、上游河道兩岸水土保持、庫區(qū)水體漂浮物清除等，建立岳城水庫上下游聯(lián)動協(xié)商機制，定期協(xié)商、充分掌握上游來水水量水質等情況。