避暑山莊湖區(qū)生態(tài)需水量的分析與研究

單志學(xué)

(河北省承德水文勘測(cè)研究中心,河北 承德 067000)

1 概 述

避暑山莊湖區(qū)水源主要通過(guò)建設(shè)水渠引武烈河水入園,其次是山中泉水匯聚。山莊內(nèi)泉水很多,而以“熱河泉”最為有名。水在避暑山莊園林景觀構(gòu)圖中的重要性是其他名園所無(wú)法比擬的,特別是雙峰寺水庫(kù)的建成從根本上解決了山莊的補(bǔ)水問(wèn)題,將極大增強(qiáng)山莊湖泊及濕地蓄水能力、水源涵養(yǎng)能力、水資源合理配置能力,為山莊生態(tài)用水提供可靠的保障,對(duì)改善山莊水環(huán)境、改善水生動(dòng)植物生存條件都具有十分重要意義。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn),關(guān)于避暑山莊湖區(qū)生態(tài)需水研究較少。其中,大多數(shù)主要對(duì)湖區(qū)總水量及動(dòng)植物情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。本文通過(guò)對(duì)水文基本參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè),確定湖區(qū)主要水文參數(shù)基本數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)湖區(qū)最小生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算,研究成果對(duì)山莊湖區(qū)水生態(tài)建設(shè)具有重要意義。

2 避暑山莊湖泊區(qū)域概況

2.1 湖泊在避暑山莊中區(qū)域分布

山莊中來(lái)自武烈河的水經(jīng)東北部的暗渠入園,流向園內(nèi)西北部后分兩個(gè)方向,一部分水向南流入如意湖,另一部分向北流入澄湖(方位上澄湖在北,如意湖在南),最終在銀湖匯聚,從東南方向出口流出。具體湖泊區(qū)域分布見(jiàn)圖1。

圖1 避暑山莊湖泊研究區(qū)域分布圖

2.2 湖泊位置及水面面積的確定

湖區(qū)位于山莊東南,面積49.6×104m2。有大小湖泊8處,分別為鏡湖、銀湖、下湖、上湖、澄湖、如意湖、內(nèi)湖、熱河。本次分析以湖區(qū)8個(gè)湖泊為研究對(duì)象,確定研究區(qū)域位置,對(duì)湖泊名稱(chēng)和建設(shè)初期的水面面積進(jìn)行資料調(diào)查,測(cè)量當(dāng)前湖泊的水面面積,具體調(diào)查及測(cè)量情況見(jiàn)表1。

表1 避暑山莊湖泊位置及水面面積表

3 山莊湖區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取及主要特征參數(shù)

本次計(jì)算選擇4個(gè)斷面用于監(jiān)測(cè)山莊湖區(qū)水位,4個(gè)斷面分別為水心榭上監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水心榭下監(jiān)測(cè)點(diǎn)、出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)、劇院監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各湖泊主要水文基本參數(shù)見(jiàn)表2;各湖泊水位特征值見(jiàn)表3;各湖泊主要水生動(dòng)植物狀況見(jiàn)表4。

由表2可以看出,在山莊湖區(qū)的8處湖泊中,蓄水量在10×104m3(包括10×104m3)以上有兩個(gè),分別是鏡湖和澄湖;熱河蓄水量最少,為0.5×104m3。

表2 山莊湖區(qū)各湖泊水文基本參數(shù)

表3 山莊各湖泊水位特征值

表4 山莊各湖泊主要水生動(dòng)植物狀況

4 湖區(qū)最小生態(tài)需水量計(jì)算方法

根據(jù)湖泊生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范,將水文統(tǒng)計(jì)資料中年最低水位的多年平均值作為參考值,綜合選取水位的最大值作為最小生態(tài)水位,公式如下:

Hmin=max(H1,H2,H3,H平均)

(1)

H2=H0+Δh

(2)

式中:H1為湖區(qū)的死水位;H2為上層典型魚(yú)類(lèi)生存水位;H3為野生魚(yú)類(lèi)生存和繁殖所需的最低水位,本文取值為H0+1m;Hmin為湖區(qū)最低生態(tài)水位;H平均為水文統(tǒng)計(jì)資料多年平均年最低水位或90%年保證率法的水位,計(jì)算中根據(jù)實(shí)際資料情況選取確定方法;H0為一般湖底高程(高程信息參照附近水文站基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)高程)。

5 湖泊最小生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果

以鏡湖為例,根據(jù)表2-表4中數(shù)據(jù),由式(1)、式(2)計(jì)算湖泊最小生態(tài)水位。鏡湖地處山莊南側(cè)的低洼地帶,確定湖底高程0m,通過(guò)監(jiān)測(cè)平均水深值1.50m。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì),澄湖平均水位歷史最高2.19m,最低1.37m。澄湖魚(yú)類(lèi)品種豐富,目前已實(shí)際監(jiān)測(cè)到魚(yú)類(lèi)有24種,其中以草、鰱、鳙、鯉、鯽等為主,上層主要魚(yú)類(lèi)為鰱、鳙,適宜生存水深1.50m左右。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算,確定鏡湖的最小生態(tài)水位1.50m;將上層主要魚(yú)類(lèi)的生存水位設(shè)為1.50m作為澄湖最小生態(tài)水位,該水位能保證水生動(dòng)植物的正常生存。同理,可得其他各湖的最小生態(tài)水位,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 山莊湖泊最小生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果 /m

6 山莊湖區(qū)水量平衡項(xiàng)計(jì)算

根據(jù)實(shí)測(cè)資料及相關(guān)文獻(xiàn)資料,對(duì)水量平衡項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)段以最低生態(tài)需水量年為單位。

6.1 降水量W降水的確定

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)雨量站的分布,用泰森多邊形法計(jì)算避暑山莊流域降水產(chǎn)生的徑流量,公式如下:

根據(jù)承德站1956-2019年降雨量系列統(tǒng)計(jì),年降雨量為293.8～791.7mm,多年平均值為540.0mm。

W降水=540.0mm*49.6×104m2=26.78×104m3/年。

6.2 入湖徑流量

入湖徑流量R的確定包括地表徑流和地下徑流。根據(jù)流域土地利用、土壤類(lèi)型、水文氣象等條件的資料搜集情況,計(jì)算徑流量R。湖區(qū)水量來(lái)源有兩處,其一為上游山區(qū),降水通過(guò)西峪、梨樹(shù)峪、松云霞3條山谷匯流入湖,因其匯流面積較小,僅為443.5×104m2,以承德水文站控制流域?yàn)閰⒆C流域,以承德水文站作為參證站。參證站承德水文站多年徑流量2.1511×108m3,控制流域面積2 460km2,避暑山莊山區(qū)集水面積443.5×104m2,運(yùn)用水文比擬法,將相似流域的水文資料移用至研究流域,選擇相似流域的徑流深或徑流模數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于相似流域與研究流域的氣象條件和下墊面因素基本相似,僅流域面積有所不同,所以只考慮面積的影響,如果使用徑流深或徑流模數(shù),則不需修正即可直接使用。研究流域的正常年徑流量有如下關(guān)系式:

Q研=Q參*F研/F參

經(jīng)計(jì)算,出入湖徑流量為38.78×104m3/年。

6.3 武烈河補(bǔ)水W補(bǔ)

山莊來(lái)水主要為山區(qū)來(lái)水量以及武烈河補(bǔ)水量。其中,依據(jù)《雙峰寺水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告(2012年9月)中關(guān)于考慮湖區(qū)的蒸發(fā)滲漏損失以及形成流動(dòng)水體的要求,河道外避暑山莊湖區(qū)補(bǔ)水量W補(bǔ)為300×104m3/年。

6.4 湖泊水面蒸發(fā)量E

蒸發(fā)量通過(guò)鄰近蒸發(fā)站三道河子站的多年平均水面蒸發(fā)量1 230.9mm(數(shù)據(jù)參照1951-1971年)進(jìn)行確定。經(jīng)計(jì)算,湖泊水面蒸發(fā)量為61.008×104m3/年。

6.5 最小生態(tài)需水量W生態(tài)

考慮山莊內(nèi)動(dòng)植物用水等因素,綜合考慮進(jìn)行正常生命活動(dòng)所需要的水量即生態(tài)水量。根據(jù)Texas法,計(jì)算山莊湖區(qū)最小生態(tài)需水量W生態(tài)為30×104m3。

6.6 出境水量W出

根據(jù)水量平衡公式:

26.78+38.78+300=30+61.008+W出

可得:

W出=274.552×104m3/年

6.7 換水周期計(jì)算

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證可知,山莊湖區(qū)需水量約為50×104m3,山莊湖區(qū)最小生態(tài)需水量W生態(tài)為30×104m3,換水周期按照10天左右計(jì)算,每天需要換水3.0×104m3,出境流量為Q出=0.35m3/s,上述水量平衡計(jì)算結(jié)果相一致,全年大約換水9次。豐水期按照大約180天(5-10月份)湖區(qū)內(nèi)生物處于旺盛狀態(tài)計(jì)算;11-4月份為封凍期和動(dòng)植物休眠期,可以不考慮換水。

7 結(jié)論和建議

1)通過(guò)水量平衡計(jì)算,現(xiàn)行的山莊水量分配方案滿(mǎn)足生態(tài)要求,換水周期保證了湖泊健康發(fā)展及動(dòng)植物健康生長(zhǎng),做到了人、動(dòng)植物、水和諧。

2)目前,河道外避暑山莊湖區(qū)補(bǔ)水量W補(bǔ)為300×104m3/年,保證了當(dāng)前水文條件下的最小生態(tài)水位和最小生態(tài)水量。如遇到極端年份,建議增加武烈河對(duì)避暑山莊的補(bǔ)水量,以保證避暑山莊湖區(qū)動(dòng)植物和生態(tài)旅游的需求。

3)武烈河為山區(qū)季節(jié)性河流,豐水期水量較充沛,枯水期水量較小。河床覆蓋層主要為卵礫石層,平均厚度8m。根據(jù)水位及地質(zhì)條件,建議采用滲渠取水經(jīng)管道輸送至避暑山莊內(nèi)。整個(gè)避暑山莊湖區(qū)換水按10天換完考慮,新建滲渠引水流量不小于0.35m3/s。

4)依據(jù)避暑山莊水量來(lái)源和水量平衡分析,計(jì)算出避暑山莊湖泊最小生態(tài)需水量和生態(tài)水位,為科學(xué)研究和管理部門(mén)決策提供科學(xué)依據(jù)。