洞庭湖生態水位與生態需水量研究

楊恒 董世杰 吳江 翟然 呂振豫

摘要：為保護洞庭湖生態系統，基于洞庭湖鹿角、楊柳潭和南咀水文站1961～2020年逐日水位監測數據，開展洞庭湖生態水位和生態需水量的研究。運用天然水位資料法、湖泊形態法、生物空間最小需求法、年保證率法、最低年平均水位法和頻率曲線法等6種分析方法計算得出洞庭湖生態水位，利用功能法計算得出洞庭湖生態需水量。結果表明：① 洞庭湖東、南、西3個湖區最低生態水位分別為24.20，27.78，29.42 m，適宜生態水位分別為25.80，29.07，30.08 m。② 洞庭湖東、南、西3個湖區最低生態需水量分別為6.31億，10.02億，3.83億m³，適宜生態需水量分別為12.66億，13.99億，4.61億m³，洞庭湖最低與適宜生態需水量分別為20.16億m³和31.26億m³。研究成果可為洞庭湖區域水資源合理配置、湖區生態系統健康運轉和洞庭湖治理與保護提供參考依據。

關 鍵 詞：生態水位；生態需水量；天然水位資料法；頻率曲線法；洞庭湖

中圖法分類號：X143；P343.3

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.012

0 引 言

洞庭湖是中國第二大淡水湖，也是長江中下游的大型通江湖泊，具有調蓄防洪、溝通航運、農業灌溉、調節區域氣候、維持生物多樣性、美化區域環境和水資源開發利用等多種功能^［1］。同時洞庭湖也是世界著名的濕地生態保護區，對珍稀候鳥、魚類以及生物多樣性的保護具有顯著的生態價值。湖泊生態水位和生態需水量是表征湖泊生態用水需求的重要指標，二者與湖泊生態系統功能聯系密切。因此，進行洞庭湖生態水位與生態需水量的研究，對開展湖泊生態保護對策研究、維持湖泊生態系統健康具有十分重要的意義。

生態水位和生態需水量是湖泊生態水文的重要研究對象，國內外學者對此開展了大量研究。在湖泊生態水位方面，徐志俠等^［2］運用天然水位資料法、湖泊形態分析法和生物空間最小需求法計算南四湖最低生態水位。崔保山等^［3］認為湖泊最低生態水位是保護湖區生物生存和維持湖泊生態系統健康運行所需的最低水位，提出了最低年平均水位法和年保證率設定法兩種生態水位計算方法。李新虎等^［4］運用綜合指標法計算了博斯騰湖最低生態水位。王鴻翔等^［5］采用RVA法、年內展布法和數理統計的方法對東洞庭湖濕地生態水位閾值進行了研究。楊毓鑫等^［6］基于湖泊最低生態水位的研究方法綜合確定了洞庭湖最低生態水位。黃宇云等^［7］對三峽建庫后東洞庭湖適宜生態水位需求進行了分析。朱永衛^［8］、成波^［9］等分析了東洞庭湖水位波動對候鳥棲息地適宜性以及對冬季水鳥群落結構和多樣性的影響。戴凌全等^［10］分析了洞庭湖水位變化對三峽水庫優化調度的影響。在湖泊生態需水量方面，Gleick^［11］提出基本生態需水量的概念，即保證物種多樣性和生態完整性的基本需水量。Baird等^［12］系統分析了各類生態系統中植物與水文過程的相關關系，強調水因子在自然保護中發揮的關鍵作用，推動了國際學術界開展生態需水研究。謝永宏等^［13］基于生態需水模型及計算方法對洞庭湖最小生態需水量進行了研究。安秋香等^［14］對洞庭湖斷流區育樂垸生態需水量進行了研究。陸平宇等^［15］在聚焦前人關于湖泊生態需水量研究的基礎上，對湖泊生態需水量的計算方法進行了總結。張明波^［16］、鄭靜^［17］等針對2022年長江干流及洞庭湖、鄱陽湖水系“汛期反枯”的極端干旱情況，考慮水位、需水量、出庫流量、降水等因素，采用P-Ⅲ曲線和適線法分析了洞庭湖、鄱陽湖和長江干流枯水重現期，并對水庫群抗旱補水調度進行研究。以上針對湖泊生態水位和生態需水量的研究多是傾向于研究湖泊單一的生態水位或生態需水量，而將二者結合的研究相對缺乏。在洞庭湖生態水位和生態需水量研究方面，目前多數學者僅考慮了洞庭湖某單一湖區生態水位或生態需水量或是將洞庭湖區作為一個整體進行計算，缺乏對洞庭湖東、南、西3個湖區生態水位和生態需水量的計算與比較研究。

鑒于此，本文采用天然水位資料法、湖泊形態法、生物空間最小需求法、年保證率設定法、最低年平均水位法、頻率曲線法以及功能法，開展對洞庭湖東、南、西3個湖區生態水位和生態需水量的研究，以期進一步明晰洞庭湖不同湖區生態水位和生態需水量的相互關系以及湖區生態水文現狀，為保護洞庭湖生態系統、湖區水資源綜合利用、以及應對極端干旱等氣候提供科學依據。

1 研究區域及數據資料

洞庭湖（28°30′N～30°20′N，111°40′E～113°10′E）位于湖南省北部、長江中游荊江河段以南，跨越湘鄂兩省，南納湘、資、沅、澧四水來水，北承荊江南岸太平、藕池、松滋三口分流，在城陵磯附近注入長江。洞庭湖是中國第二大淡水湖，也是長江流域重要的吞吐調蓄型湖泊^［18］。湖區地勢西高東低，分成東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖（由目平湖、七里湖組成）3個湖區^［19］（圖1）。

本文選取東洞庭湖鹿角水文站、南洞庭湖楊柳潭水文站以及西洞庭湖南咀水文站作為洞庭湖區的代表性站點。鹿角站（113°0′49″E，29°9′41″N）西濱東洞庭湖，北通長江，東接新墻河，南臨汨羅江，是監測東洞庭湖水文氣象的代表水文站；楊柳潭站（112°38′7″E，28°46′52″N）是控制湘江、資水流入南洞庭湖的觀測水文站；南咀站（112°18′43″E，29°3′28″N）是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅江經西洞庭湖湖口（北端）流入南洞庭湖的國家基本水文站。選取的3個水文站各具代表性，基本能夠反映洞庭湖區的水文情勢變化特征。研究基于3個水文站點1961～2020年的逐日水位監測數據（水位高程均為“1985國家高程基準”），并參考前人已有研究成果，計算洞庭湖生態水位與生態需水量，水位數據來源于長江水利委員會水文局。

2 研究方法

2.1 天然水位資料法

湖泊水位在天然情況下時刻在發生變化，這將對湖泊生態系統產生一定的擾動，但在湖泊生態系統長期發展過程中，已適應了這樣的擾動。天然水位資料法從天然情況下的水位變動出發，將湖泊多年最低水位作為湖泊最低生態水位，其中最低水位可以是月均最低水位、日均最低水位或瞬時最低水位等。本文采用月均最低水位作為洞庭湖最低生態水位。該方法存在一定局限性，在計算最低水位時若出現個別極端水位，會導致所求最低生態水位結果偏低，故當歷史水位資料少于20 a時，該方法不適用。計算公式為

Z_emin=min（Z_min1，Z_min2，…，Z_minn）（1）

式中：Z_emin為最低生態水位；Z_mini為第i年最小月均水位；n為統計的水位資料年數。

2.2 湖泊形態分析法

湖泊形態分析法是根據水位-水面積數據，繪制二者關系曲線，并通過多項式擬合得到二者關系函數。由導函數理論可知，若某一水位在湖泊多年平均水位附近且在該水位處湖面積變化率存在一個極大值，若極大值發生變化，會導致湖面積與湖泊功能也發生顯著變化，則認為該水位就是湖泊最低生態水位。計算公式為

式中：S為湖泊面積，km²；h為湖泊水位，m。

2.3 生物空間最小需求法

生物空間最小需求法是從湖泊生態系統中生物生存角度出發，由湖內和湖濱生物的生存空間所需水位來確定其最低生態水位。其中不同的水生和陸生植物有不同的適宜水位，相關研究表明，沉水植物的適宜水深為60～200 cm，挺水植物的適宜水深為植物露出水面30～50 cm，野生魚類生存和繁殖的最小水深為1.0 m^［6］。魚類為湖泊生態系統中的頂級群落，在水生態系統中位置獨特，漁業是洞庭湖的主要經濟產業之一，故將魚類作為洞庭湖水生態系統指示物種。計算公式為

Z=Z_o+h_min（4）

式中：Z_o為湖底高程，m；h_min為魚類生存所需的最小水深，m。

2.4 年保證率設定法

年保證率設定法^［3，20］是根據水位系列數據，將歷年最低水位按從小到大的順序排列，在選定的年保證率下計算湖泊最低生態水位的一種方法。計算公式為

式中：H_min為湖泊最低生態水位，m；H為某保證率下所對應的水文年平均水位，m；μ為權重；P為保證率；m為某保證率下對應的水文年序列數；n為統計年數。

根據湖泊生態系統功能、地形地貌和湖泊結構選擇適宜的保證率（一般情況下取75%保證率），然后確定該保證率所對應的水文年，進而計算該水文年年平均水位，再根據生態系統健康評價指標^［21］，綜合評價該水文年生態系統健康狀況，最后據此確定權重μ。

2.5 最低年平均水位法

最低年平均水位法是根據水文學法中的河流最枯月平均流量法和Taxas法，并結合湖泊生物指標和多年水位狀況所提出的一種計算湖泊最低生態水位的方法。計算公式為

式中：H_min為湖泊最低生態水位，m；λ為權重，取值范圍一般為0.65～1.55；H_i為第i年最低水位，m；n為統計年數。

2.6 頻率曲線法

皮爾遜Ⅲ型頻率曲線是一條不對稱且一端無限，一端有限的正偏、單峰曲線，數學上稱為伽瑪分布，皮爾遜Ⅲ型分布的概率密度函數為

式中：α、β為皮爾遜Ⅲ型分布的形狀尺度參數，α>0，β>0；Γ（α）為α的伽瑪函數；x為隨機變量；a₀為皮爾遜Ⅲ型分布的位置參數。

α、β、a₀與x、C_v、C_s之間的關系為

頻率分析需知相應指定頻率P的數值，x_p簡化公式為

式中：x_p為頻率P的隨機變量；Φ為離均系數；K_p為模比系數；數值可根據P和C_s查表以及C_s/C_v值查表得出。

2.7 功能法

功能法是以生態系統生態學為理論基礎，從維持與重建湖泊生態功能的角度出發，以恢復和保護湖泊生態系統的多樣性和完整性為目標，將各個生態功能所需要的水量進行加和，得到總的生態需水量。功能法根據湖泊生態環境功能和湖泊生態系統將生態環境需水量分類如下：湖面蒸發需水量、湖泊滲漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物棲息需水量、航運需水量、湖泊植被蒸騰需水量、景觀保護與建設需水量、娛樂需水量、環境稀釋需水量和湖泊防鹽化需水量等。該方法能較為系統全面地計算出湖泊生態環境需水量。本文綜合考量洞庭湖生態需水實際情況、影響生態需水量主要因素以及相關資料情況，采用湖面蒸發需水量、湖泊滲漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物棲息需水量4個指標作為洞庭湖生態需水量確定的主要參考依據，不同類型各生態需水量計算方法見表1。