基于長系列水文數據的巢湖生態水位研究

黃 軍

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

安徽省地處華東腹地,總面積14.01萬km2,境內淮河、長江、新安江三大流域河流水系眾多,山區、丘陵、平原相間,地形地貌多樣。根據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,水面總面積3505km2[1]。巢湖為全國五大淡水湖之一,是長江中下游地區重要濕地。長期以來,巢湖在保障防洪安全、供水安全、糧食安全以及促進區域航道開發、維護生態系統多樣性等方面發揮了不可替代的作用[2]。經長期不懈努力,巢湖流域防洪保安、供水保障、環境保護等工作取得了明顯進展,但受地形、降水和人類活動等影響,巢湖流域水多、水少的老問題沒有根本解決,洪澇干旱仍是心腹之患,同時水臟、水浪費、水生態系統弱化等問題日漸凸顯,特別是水污染形勢依然嚴峻。本文以巢湖湖區為研究對象,采用巢湖忠廟1962—2017年實測日水位數據,在分析巢湖主要特征水位的基礎上,計算了巢湖的生態水位指標及年內年際保障程度,旨在為巢湖水資源的合理開發和利用、湖泊生態水位調度以及維系巢湖生態系統健康發展提供借鑒和參考。

1 湖泊概況

巢湖(東經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,流域總面積13906km2,約占安徽省國土面積的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,相應庫容為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給,大部分入湖水量在汛期或汛后由巢湖閘經裕溪河注入長江干流(圖2)。巢湖流域屬北熱帶濕潤季風氣候區,年均降水量為1120.3mm,年均蒸發量為890mm。

圖1 巢湖流域范圍

依據相關文獻[3],2017年湖區鑒定到浮游植物85屬78種,其中藍藻數量占95%以上;浮游動物43種,其中,原生動物7屬10種,輪蟲11屬18種,枝角類6屬7種,橈足類6屬8種;大型底棲動物17種,隸屬于3門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;魚類7目12科48種?？傮w上,巢湖流域水生態系統近年來逐漸轉好,但受人類長期活動的干擾,生物多樣性仍然呈現降低趨勢。

2 研究方法

2.1 主要特征水位指標

湖泊的自然特征水位在年內不同時段存在一定高低變化,考慮到水位變化發生和持續時間,湖泊水位要素一般包括高、低水位,高、低水位發生時間以及高、低水位歷時等[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行計算[5],即根據歷史水文監測資料,選擇一定頻率作為確定條件,按照低于或高于該條件進行確定。本次結合巢湖流域實際情況,頻率選擇25%、75%,計算公式如下:

H=P25%(hi)

L=P75%(hi)

2.1.2 發生時間

高水位發生時間為水位初次上升至高水位閾值的日期;低水位發生時間為水位初次下降至低水位閾值的日期[6]。由于巢湖湖區面積較大,受季風影響水位存在一定的波動,因此為避免該誤差,本次認為當連續7d水位達到閾值指標時,該水位被認為屬于高水位或低水位事件。計算公式如下:

(i=7,8,…,12,次年i=1,2,…,6)

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

2.1.3 水位歷時

水位歷時指高、低水位的持續時間。計算公式如下:

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時間;Het和Let為高水位和低水位結束時間;n為第i月的天數。

2.2 生態水位計算及保障程度

2.2.1 生態水位計算

采用Qp法、湖泊形態分析法計算巢湖最低生態水位。

為解決上述問題,本文研究一種基于網絡狀態的能力開放方案與流程,最大程度地滿足互聯網應用的保障需求,減少無效或負作用的調用次數,將QoS提升效果最大化。

a.Qp法。以天然情況下的湖泊長系列日平均水位為基礎,用每年的最枯日進行排序,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水位。保證率P可根據湖泊所在流域水資源開發利用的程度、規模以及來水等情況選擇,根據巢湖流域特點,選擇90%作為設計保證率。

b.湖泊形態分析法。通過分析湖泊水面面積變化率與湖泊水位關系來確定維持湖泊基本形態需水量對應的最低水位。首先通過實測的湖泊水位H和湖泊面積F,構建湖泊水位H與湖泊面積F變化率即dF/dH的關系曲線,在湖泊枯水期低水位附近的變化率最大值對應的水位為湖泊最低生態水位hmin[7]。

2.2.2 生態水位保障程度計算

湖泊的實測水位高于生態水位的時間序列與計算序列的比值[8],可按照日、月以及年分別進行計算。公式如下:

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

3 結果與討論

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,由結果可以看出,其水位具有明顯的高、低水位過程,年內呈現典型的單峰分布(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分析,全年可根據汛期(5—9月)、非汛期(10月至次年4月)劃分為兩個水位變化時期,其中汛期水位受降雨以及流域來水影響逐漸上升,多年日均水位為8.20～9.50m,最高水位達到12.78m,最低水位為7.00m;非汛期水位受蒸發滲漏損失以及流域水資源開發利用影響,緩慢下降,多年日均水位為8.20～9.20m,最高水位達到11.31m,最低水位為6.69m?？傮w上來說,忠廟站多年日均水位在8.10～9.50m之間變動,多年日均最大水位在9.00～12.80m區間,最小日均水位在6.70～7.60m區間,日最高和最低水位差達5.50m。巢湖閘上站的變幅及趨勢與忠廟站基本一致,但其多年日均水位、最低及最高水位均較忠廟站略低。根據資料計算,巢湖忠廟站高水位(H)、低水位(L)分別為9.15m和7.99m,相應的湖泊面積為780.35km2和767.73km2,相差12.62km2。

圖3 巢湖1962—2017年逐日水位變化趨勢

圖4 巢湖水位-庫容關系曲線

3.1.2 高低水位發生時間與歷時

基于巢湖忠廟水位站1962—2017年逐日水位資料,對巢湖的高水位和低水位發生時間與歷時進行分析,見圖5和圖6。巢湖的高水位一般從每年的5月中旬開始,但受區間水資源開發利用及巢湖閘水位調控影響,年際間存在較大波動,平均年歷時162.7d,年際在1～295d區間變化。以上分析表明,巢湖的高水位一般發生在汛期(5—9月),其發生的具體日期與當年的來水條件有關。其中1975年、1977年、1983年、2014年以及2016年高水位持續時間達到150d以上;巢湖低水位一般開始于1月,由于巢湖閘調控以及流域水資源開發利用要求,1994年以后巢湖閘未出現低水位。1962—2017年記錄的低水位最早發生于1月,最遲發生于12月。其中1965—1967年、1971年、1976年、1978年以及1981年低水位持續時間達到100d以上。

圖5 巢湖忠廟站1957—2017年高水位發生時間與歷時

圖6 巢湖忠廟站1957—2017年低水位發生時間與歷時

3.2 巢湖生態水位

3.2.1 生態水位確定

a.Qp法。根據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90年代中期以后隨著巢湖周邊經濟社會的發展,對水資源的需求日益增加,巢湖最枯月平均水位呈現逐漸上升的趨勢。采用Qp法進行排頻計算后,巢湖生態水位為7.22m(P=90%)。

圖7 巢湖忠廟站歷年最低月平均水位變化

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

圖8 巢湖水位與水面面積變化率關系dF/dH曲線

依據《水利部關于印發第一批重點河湖生態流量保障目標的函》(水資管函〔2020〕43號),巢湖忠廟最低生態水位控制為6.80m,以上計算與該成果基本一致。巢湖水生植物優勢種為蘆葦(挺水植物)、水燭、南荻等。根據相關資料[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,根據巢湖湖底高程可確定其生態水位在6.50～7.90m之間,其最低生態水位基本符合植被生長需求。而野生魚類生存和繁殖的最小水深為1m,也滿足魚類產卵、育幼和生存的需求[10]。根據文獻[11]研究,巢湖水位不高于7.00m時,灘地的面積可達到40km2以上,有利于水生植物的生長。因此,認為本次巢湖最低生態水位能夠滿足植物以及魚類生長需求。

3.2.2 巢湖生態水位保障程度

根據巢湖生態水位目標,分析計算1957—2017年逐日實測水位的保障程度。由計算結果可知,巢湖生態水位日、月以及年保證率分別達到99.93%、100%以及100%,其生態水位保障程度較高。

3.2.3 巢湖生態水位調度

現行的巢湖水位控制方式主要依據《巢湖防汛抗旱調度暫行規定》(省防指〔2012〕41號)文件執行:“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進行控制。”為保障經濟社會發展以及通航要求,近年來,巢湖水位按照高水位狀態進行控制,導致湖泊水位沒有自然降低,違背了湖泊自然的高、低水位變化規律。一般來說,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提供充足的光照和氧氣;夏季高水位可以促進挺水植物的快速生長[11]。所以,應在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生產、生活用水的前提下,實施巢湖生態水位調度,在非汛期適當開閘放水,對恢復巢湖的生態環境具有促進作用。

4 結 語

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

同時也可以發現,為保障流域經濟社會發展以及通航水深要求,近年來,巢湖水位按照高水位狀態進行了控制,雖保證了經濟社會發展,但卻違背了湖泊自然高、低水位變化規律,對湖泊的生態系統健康以及可持續發展不利。建議下一步應在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生產、生活用水的前提下,積極開展并實施巢湖生態水位調度研究,以保障湖區不同種群對水位的要求,同時可促進巢湖水體循環,對于保障巢湖水生態環境以及實現水體水質改善具有積極作用。