洞庭湖湖區最低生態水位的確定

楊毓鑫，杜春艷，張金帆，余關龍，陳 宏，錢 湛

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114； 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114； 3.湖南省環境保護河湖污染控制工程技術中心，湖南 長沙 410114；4.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007)

我國是一個湖泊眾多的國家，全國共有1.0 km2以上的自然湖泊2 693個，總面積81 414.6 km2，約占全國土地面積的0.9%[1]。近年來，在自然環境和人類生產生活活動的雙重影響下，我國湖泊的水文情勢發生了顯著變化，特別是水位變化，成為影響湖泊生態安全的重要因素之一[2-3]。而湖泊生態系統動植物功能與水位聯系密切，應將湖泊生態水位作為湖泊生態水文的重要研究對象。

國外對于湖泊生態水文的研究開始于20世紀末，主要依據是所選取的敏感指示物種對水環境指標的需求，注重水位的漲落限制，且涉及大量的生物資料，需要現場數據的支撐[3-8]。國內對湖泊生態水文的研究起步較晚，主要分為湖泊生態需水量和湖泊生態水位兩大方向。在湖泊生態水位研究方面，徐志俠等[9-10]根據水文循環原理，提出了吞吐型湖泊的最低生態水位的理論與計算模型；衷平等[11]結合生態資料與水位數據，提出了生態水位法；近些年來，部分學者在前人研究的基礎上，對生態水位的計算方法提出了改進[12-17]，也有學者以生物及水質為保護目標，進行了湖泊生態水位的分析[18-20]。國內由于缺乏生物資料及現場觀測數據，計算方法較為單一，其中以水文數據為基礎的計算方法使用較為普遍；應結合研究區域的實際情況采用不同的計算方法，盡快提出適合我國國情的湖泊生態水位計算方法。

關于洞庭湖湖區的生態水位研究主要集中在東洞庭湖，且僅考慮了水文學和水力學要素，對洞庭湖湖區的復雜性、區域性差異性及生物指標關注較少。本文采用不同方法分析洞庭湖3個子湖區的生態水位，以期為洞庭湖及其類似湖泊水資源的合理開發和利用以及恢復湖泊水生生態系統的健康提供依據。

1 研究區域概況

洞庭湖( 28°44′～29°35′N、111°53′～113°05′E)是我國第二大淡水湖，位于湖南省東北部，長江中游荊江段南岸；湖體呈近似“U”形，湖區承接湘、資、沅、澧四水和松滋、太平、藕池三口分泄長江來水，經湖區調節后由城陵磯出流進入長江。由于氣候變化和人類活動的影響，湖體已演變為首尾相接的東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個部分。洞庭湖湖區的氣候類型為亞熱帶季風氣候，4—9月為雨季，10月至翌年3月為旱季，降水季節分配不均導致洞庭湖濕地“漲水為湖，落水為洲”。

水文控制斷面的選擇對于湖泊生態水位的確定至關重要，本文生態水位研究涉及整個洞庭湖湖區，在平衡斷面數量和工作量的基礎上，遵循典型性、穩定性、實用性和可靠性的原則，選取洞庭湖湖區具有代表性的水文站作為控制斷面，包括城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站，其中東洞庭湖以城陵磯和鹿角為代表，西洞庭湖以南嘴和小河嘴為代表，南洞庭湖以楊柳潭為代表。

2 生態水位計算

通過數據采集及對計算方法適用性的比較，選用天然水位資料法、年保證率法、最低年平均水位法、生態水位法、湖泊形態分析法和生物最小空間需求法，計算5個代表性水文站點的生態水位。計算結果均以1985黃海高程為基準。

2.1 天然水位資料法

為甄別不同年代洞庭湖水位變化的主要驅動力，20世紀50年代以來，受下荊江裁彎、葛洲壩和三峽水利樞紐工程的影響，荊南三口分流入湖水量總體呈減少趨勢，為便于分析洞庭湖水位變化的趨勢及成因，將1953—2013年大致劃分為6個時間段[21]，各水文站不同時段年平均水位如表1所示。

表1 洞庭湖各水文站不同時段年平均水位 m

考慮到荊江裁彎及葛洲壩、三峽等水利樞紐工程對洞庭湖水位的影響，采用荊江裁彎前1953—1966年的水位資料近似替代天然狀況下的多年水位情況。統計計算得到城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站的生態水位分別為22.23 m、22.96 m、28.33 m、28.19 m和26.71 m。

2.2 年保證率法

選取1953—2013年5個水文站實測最低水位數據，按從小到大的順序排列。根據經驗頻率公式(1)，取保證率P=75%，計算得到相應的水文年。參考文獻[22]對計算得到的水文年的生態系統健康進行評價，結果為差；再由湖泊生態系統健康等級與權重的對應關系，得出權重μ=1.01，結合公式(2)，可得到城陵磯、鹿角、南嘴、小河嘴和楊柳潭5個水文站的生態水位分別為23.77 m、24.59 m、28.11 m、28.35 m和27.19 m。

(1)

(2)

2.3 最低年平均水位法

選取1953—2013年5個水文站實測水位數據，確定5個水文站的多年平均最低水位，該方法的關鍵是權重λ的確定。權重λ實際上是反映湖泊歷年年最低水位的平均值與最低生態水位的接近程度，λ取值區間為0.65～1.55，通過查閱資料[23-24]和專家打分法來確定權重λ的取值。生態水位計算結果如表2所示。

表2 最低年平均水位法計算結果 m

2.4 生態水位法

通過對1953—2013年5個水文站的水位頻率分析，確定各站的高頻水位年份，再對照洞庭湖湖區魚類捕撈狀況和1960—2011年洞庭湖區的旱澇情況[25]，確定相對生態環境最差年份及其平均水位。由于魚類處于湖泊生態系統食物鏈的中上層，其對水文等環境因子和生產者、消費者等生態因子具有較好的指示作用，因此選擇魚類作為洞庭湖的生物指標。生態水位系數的確定及計算結果如表3所示。

表3 生態水位法計算結果

2.5 湖泊形態分析法

采用東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的實測水位和面積資料推算出水面面積-水位關系曲線和面積變化率-水位關系曲線，結果如圖1和圖2所示。湖泊的面積增加速度隨著水位升高呈現出先增加后減小的趨勢，面積變化率的最大值表明湖泊面積變化最大，所對應的水位即為生態水位[10]。生態水位計算結果如表4所示。

圖1 水面面積-水位關系曲線

圖2 面積變化率-水位關系曲線

表4 湖泊形態分析法計算結果 m

2.6 生物最小空間需求法

湖泊植物、魚類等為維持各自群落不嚴重衰退均需要一個最低生態水位。不同的水生和陸生植物有不同的適宜水位，而沉水植物和挺水植物更易受到水位高低的影響。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；魚類為湖泊生態系統中的頂級群落，根據現有相關研究可知野生魚類生存和繁殖的最小水深為1.0 m。綜合考慮選取魚類需求的最小水深加上湖底平均高程作為生態水位，計算結果如表5所示。

表5 生物空間最小需求法計算結果 m

3 最低生態水位的確定

天然水位資料法、年保證率法和最低年平均水位法是根據歷史水位資料計算生態水位，屬于統計學的方法，優點是不需要現場測定數據，不足之處是沒有直接考慮生物需求和生物間的相互影響，適用于計算水情對生態系統影響較大的湖泊生態水位；生態水位法通過建立水位與相關生物指標及氣象條件的關系來計算生態水位，缺點是生物指標較為單一，缺乏整體性；湖泊形態分析法通過研究湖泊水位與面積的關系來確定生態水位，屬于半經驗方法，優點是不需要詳細的生態資料，包含更多更為具體的湖泊信息，缺點是體現不出季節變化因素，對生態系統機理的研究較為粗略，適用于小型湖泊或水位變化幅度較小且相對穩定的湖泊以及湖泊水環境污染不明顯的湖泊；生物最小空間需求法屬于棲息地法的范疇，生物學基礎牢固，優點是考慮了湖泊相關生物的生態機理，缺點是所需的生物資料難以獲取，對于小型湖泊較為實用。

洞庭湖分為東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個湖區，且湖底地面自西北向東南微傾，因此分區域確定生態水位很有必要。東洞庭湖濕地自然保護區總面積為1 900 km2，其中核心區面積為290 km2，緩沖區面積為364 km2；南洞庭湖濕地水禽自然保護區總面積為1 680 km2，其中核心區面積為390 km2，緩沖區面積為610 km2；西洞庭湖自然保護區總面積為300.44 km2，其中核心區面積為90.61 km2，緩沖區面積為61.55 km2。核心區是天然狀態的生態系統以及珍惜、瀕危動植物的集中分布地，最有保護價值，是最重要的保護區域。因此，最低生態水位相應的水面面積應該保證核心區生態系統的健康發展。

為了保證3個子湖區的核心區生態系統健康發展，最低生態水位相應的湖面面積至少應滿足核心區的面積需要。綜合6種方法的計算結果，確定東洞庭、南洞庭湖和西洞庭湖湖最低生態水位分別為22.62 m、27.19 m和28.11 m，并通過水面面積-水位關系推算出各湖區最低生態水位所對應的水面面積分別為373.85 km2、406.88 km2和142.19 km2。最低生態水位所提供的水面面積滿足核心區對水面的需要，因此，從保護洞庭湖自然保護區的角度看，確定的最低水位是合理的。

4 分析與討論

將本文的計算結果與已有研究成果進行比較，結果見表6(表中計算結果均換算為1985黃海高程)。

表6 洞庭湖生態水位研究成果比較

梁婕等[13]考慮了人類活動和氣象條件的影響，通過對水位數據的變異性分析確定了洞庭湖的生態水位；謝永宏等[15]從濕地水文的角度出發，綜合考慮環境要素及人類活動，計算了洞庭湖不同時期的最低生態水位，結果表明1974—1998年洞庭湖最低生態水位呈上升趨勢；Shang等[16]認為生物多樣性會隨表面積增加而增加，提出了湖泊表面積法，與湖泊形態分析法相比，湖泊表面積法的適用范圍、計算復雜程度等方面更具有優勢；程俊翔等[24]采用最低年平均水位法、年保證率法等水文學方法計算結果的平均值作為東洞庭湖的最低生態水位；Zhang等[26]深入研究了水文、氣候變化與水鳥之間的量化關系，運用冗余分析(RDA)和響應面分析法(RSM)篩選確定了對水鳥影響最顯著的指標是流量和水位，從而以洞庭湖濕地的水鳥為保護目標，計算得到最低保護水位；余勛[27]從水文角度出發，通過引入水文指數RFD ( ratio flow deviation )和AAPFD (amend annual proportional flow deviation)對水位序列進行水文變異分析和濕地健康狀況分析，得到了洞庭湖的生態可接受水位。不同研究者所采用的計算方法理論基礎和側重點有所不同，得到的結果存在差異。以城陵磯水文站為代表的東洞庭湖多年平均水位為22.81 m，在不考慮汛期和非汛期的情況下，東洞庭湖最低生態水位為20.67～24.76 m。其中，側重于湖泊某一生態保護目標(鳥類或魚類)的湖泊生態水位計算方法忽視了洞庭湖水位情勢的變化過程及其生態意義，計算結果明顯低于其他計算方法，結果難以覆蓋完整的湖泊生態系統。考慮到國內生物資料缺乏的情況，結合研究區域的實際情況，采用以水文資料為基礎的水文學方法及水力學方法更適合洞庭湖最低生態水位的計算。

相關研究以東洞庭湖或以城陵磯站代表整個洞庭湖，缺乏對洞庭湖復雜多變的實際情況的考慮，本文以保證湖泊核心區生態健康發展為目標，結合洞庭湖的實際情況，運用6種湖泊生態水位的計算方法，最終確定了東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生態水位，可為洞庭湖湖區生態系統的恢復提供更為詳細的數據支撐和決策依據，促進湖泊健康與可持續發展。

5 結 語

本文采用天然水位資料法、年保證率法、最低年平均水位法、生態水位法、湖泊形態分析法和生物最小空間需求法計算生態水位，綜合分析確定了東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生態水位分別為22.62 m、27.19 m和28.11 m，最低生態水位所對應的水面面積滿足湖泊核心區對水面的需要，結果合理可行。同時，結合洞庭湖的實際情況，將本文的計算結果與已有的研究成果進行了比較，分析并討論了不同研究成果之間的差異，認為以水文資料為基礎的水文學方法及水力學方法更適合洞庭湖最低生態水位的計算，本文最低生態水位的確定也為洞庭湖生態系統的恢復提供了科學依據。