云南程海湖最低生態水位分析與預測

摘要：

近年來，受到降水與蒸發量變化、引調水工程建設以及工農業生產生活用水等多個方面影響，云南省程海湖流域出現生態水量缺乏、湖泊水位持續下降以及水資源承載力不足等問題。基于此，開展了程海湖最低生態水位分析與預測研究。基于程海湖河口水文站1985～2021年實測水位數據，采用最低年平均水位法、天然水位資料法、湖泊形態數據法對程海湖歷史水位演變進行綜合分析，得到程海湖現階段最低生態水位為1 495.43 m。并以未來程海湖水位恢復法定最低水位的年份為界，計算確定了1 499.20 m為程海湖最低生態水位。根據生態水位計算結果和程海湖已建、在建的引、調水工程補水量，預測程海湖未來恢復法定最低生態水位年份為2025年。研究成果將為程海湖生態系統的修復、湖區治理與保護、合理開發利用流域水資源以及推進高原湖泊綜合治理與保護提供參考。

關鍵詞：

最低生態水位； 生態水量； 引調水工程； 程海湖

中圖法分類號：TV213

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.016

文章編號：1006-0081（2025）02-0088-06

0 引 言

湖泊是陸地水圈和水循環的重要組成部分，干旱區內陸湖泊具有更獨特的水文、水化學和水生態性質［1］。干旱區內陸湖泊作為干旱區水分循環的關鍵，其生物和生態系統相對脆弱，一旦環境惡化，干旱區內陸湖將會最早做出相應反應。由于人類活動和當地環境的影響，干旱區內陸湖泊水位發生變化并且嚴重危害到湖泊生態系統的健康，需要實時監測和保障其生態水位，確保干旱區經濟和社會的可持續發展。

生態需水量的研究始于20世紀末，Raskin等［1］提出為滿足湖泊水資源的可持續利用，應保證湖泊生態水量的一定需求。Ngana等［2］提出湖泊的生態需水量是維持湖泊生態系統穩定以及生態環境協調發展的基本水量。中國學者重點研究生態水量中湖泊生態水位的確定，以直觀地反映湖泊水情［3］。徐志俠等［4］認為能夠保證湖泊生態系統不再繼續退化時的最低水位即為湖區最低生態水位；崔保山等［5］指出湖泊最低生態水位是保證湖泊生態系統結構及功能完整且系統內生物多樣性不受損的最低生態水位，并從生態水文學原理出發，提出最小生態需水量的3種計算方法；王鴻翔等［6］將生態水位年內展布法和IHA-RVA法相結合，計算湖泊最小和適宜生態水位。金鑫等［7］結合水庫群生態調度實踐需求，在分布式水文模型技術支撐下，提出流域生態需水整合模型。康玲等［8］針對漢江中下游主要生態問題并結合不同時期觀測資料，計算漢江最小生態流量，并對丹江口水庫進行河流生態需水量和人造洪水調度研究。李建等［9］根據水華與水文過程響應關系，提出了抑制水華的關鍵指標及其調控閾值，構建了漢江中下游水利工程聯合生態調度方案，明確了抑制水華的生態調度方式和調度持續時間。高勛等［10］綜合考慮流速、水位、水質3個方面的要求，并利用水動力模型，確定了能夠達到生態流速、生態水位和水質目標的河道水量調度方法。

干旱區內陸湖——程海湖位于云南省第一少雨區域，且處于中亞熱帶高原季風氣候區，常年日照時間較長，蒸發量遠大于降水量，加上經濟高速發展，水資源利用增加，導致水位逐年降低，影響程海湖生態環境安全。本文以程海湖為研究對象，采取不同生態水位計算方法分析得到其最低生態水位［11］，并結合程海湖補水工程、流域蒸發與降水情況以及工農業生產生活用水等方面進行水資源供需平衡分析，得到程海湖未來生態水位，最后根據程海湖已建和在建的引、調水工程，預測程海湖未來恢復法定最低生態水位的年份。研究成果可為優化配置水資源，恢復河湖良好連通性，維持湖泊水面面積，修復受損的河湖生態系統提供參考。

1 研究區域水資源平衡分析

程海湖是云南省九大高原湖泊之一，為內陸封閉型湖泊，地處滇西北高原與云貴高原的銜接部位，位于金沙江中段［5］。程海湖湖面水域南北長約19 km，東西寬約3.0～5.5 km，湖泊面積75.97 km2，流域面積為318.3 km2，東部、西部與北部山體連綿高聳，中部深陷積水，南部地勢較低。流域年均降水量733.6 mm；年均蒸發量2 169 mm，位于云南省第一少雨中心區域［4］，主要入庫河流和沖溝共47條，但流程短小，均為季節性河流。程海湖及其湖區水系如圖1所示。

河口街水文站是程海湖唯一一個具有完整水位監測資料的站點。根據控制斷面選取原則，結合程海湖水文站網分布情況，選取河口街水文站作為程海湖生態水位控制斷面。如圖1所示，河口街水文站位于麗江市永勝縣程海湖鎮，集水面積為318.3 km2，海拔高1 540 m。

根據《程海保護治理規劃（2028～2035）》相關數據，以河口街水文站1985～2021年降水量為基準，對程海湖進行水文頻率分析，采用年特征值，通過計算經驗頻率，基于P-Ⅲ型分布得到不同水文頻率下的陸面產水、湖面降水。根據程海湖水位-水面積關系函數計算出水面面積，采用年均水面面積推算各個典型年湖面產水量，并根據程海湖地區相關基礎數據推算各類水量平衡關系（表1），程海湖水量收入主要為陸面產水和湖面降水，湖面蒸發占水資源消耗總量的80%以上。

基于流域水量平衡狀況，在無其他水量輸入情況

下，程海湖流域常年處于水量虧損狀態，僅當降水量高

于785～803 mm（P=45%）時，水量可能出現盈余。

而在河口街水文站歷史水位-降水量數據中，非補水

年份，需要連續多年年降水量均大于785 mm，其水位下降才會出現緩慢或略有回升的情況。根據水量平衡原理，程海湖水量差額為負值。水位逐年下降的主要原因為降水量小，蒸散發量大以及地表徑流補給不足。由圖2擬合情況可知，流域降水量與水位呈逐年遞減趨勢。而且，人口的持續增長，農業、工業的不斷發展，大量取用程海湖水改變了自然水循環的條件，增加陸面蒸散發，減少入湖徑流。

2 現階段最低生態水位計算

2.1 控制斷面水位變化趨勢分析

以程海湖河口街水文站實測水文數據為基礎，分

析1985～2021年程海湖水位變化趨勢，其中，程海湖

年均最低水位為1 495.62 m（2021年），1985～2021年

年均水位的總體線性變化趨勢為不斷降低且幅度較大，多年平均水位為1 499.25 m，年均最高水位為1 501.80 m（圖3）。

研究參考《云南省程海保護條例》（2007）第五條，程海湖最高運行水位為1 501 m，最低控制水位為1 499.20 m。2017年年均水位已經低于最低控制水位2.34 m。由圖3可知，32 a間程海湖水位變化可分為3個階段：① 第一階段（1985～1990年），水位波動下降，總體下降1.1 m，年均下降0.22 m；② 第二階段（1993～2002年），水位波動上升，水位總體上升2.36 m，年均上升0.26 m；③ 第三階段（2002～2021年），水位持續顯著下降，明顯低于法定水位紅線（1 501 m），水位下降約6.18 m，年均水位下降約0.33 m，水位下降速率加快，程海湖蓄水量持續減少，近15 a均值為2 628萬m3。

根據《麗江市水資源綜合規劃》數據，對流域已建和在建水利工程、引調水工程和氣候變化對程海湖的影響進行階段性分析：① 第一階段（1985～1990年），無引調水工程補水，且降雨偏少，但此階段人類活動影響小，工農業用水量不大，程海湖水位變化呈下降趨勢但波動不大。② 第二階段（1993～2002年），啟用仙人河外流域引水工程，即通過引水隧道將仙人河水引入程海湖（1993～2000年），年均補給量為1 700萬m3，雖然在此階段流域附近生產生活快速發展，工農業用水量相比前一階段有所增加，但程海湖水位仍呈現波動上升趨勢；2000年后，由于仙人河水質惡化，未再引仙人河水入程海湖，水位停止增長。③ 第三階段（2002～2021年），無引水工程的實施，且此階段流域附近工農業發展加快，用水量增大。而且，2009～2012年程海湖處于干旱年，降水量驟減，導致此階段程海湖水位持續顯著下降。2017年后壩箐河、坪河至仙人河隧道程海湖生態應急補水工程投入運行，使程海湖水位下降速度有所緩和。永勝縣程海湖流域生態綜合治理水利骨干應急補水工程于2020年9月建成試通水，程海湖水位下降愈發緩慢，呈現平穩下降趨勢。程海湖水位變化特征見表2。

2.2 控制斷面生態水位目標

近年來，程海湖水位持續顯著下降，近10 a的平均水位為1 496.97 m，最高水位僅為1 499.11 m（2012年），未能達到法定最低生態水位的要求。已有成果提出的法定生態水位目標與程海湖現階段湖泊水位情況不協調，無法保障生態環境安全，故重新研究確定程海湖最低生態水位。

根據圖4可知，程海湖近年水位變化趨勢一致性較高，且每年月均水位呈逐年下降趨勢［12］，除全年最枯月均水位分布在5～7月，多年最枯月均水位為2021年5月的1 495.46 m。

根據SL/Z 479-2010《河湖生態需水評估導則（試行）》和SL/T 712-2021《河湖生態環境需水計算規范》，最低生態水位是指維持湖泊濕地基本形態與基本生態功能的湖區最低水位，是保障湖泊濕地生態系統結構和功能的最低限值。最低生態水位計算方法如下。

（1） 最低年平均水位法。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，提出一種計算湖泊最低生態水位的方法［6］：

Hmin=λ∑ni=1Hin（1）

式中：Hmin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；

Hi為i年最低水位，m；

n為統計年數。選擇近14 a最枯月平均水位進行計算，得到Hmin=1 497.706 m。

（2） 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，最低水位可選取月均最低水位、日均最低水位或瞬時最低水位等［4］。本文采用月均最低水位作為最低生態水位：

Zemin=min（Zmin1，Zmin2，…，Zminn）（2）

式中：Zemin為最低生態水位;

Zmini為第i年最小月均水位。計算得到Zemin=1 495.43 m。

（3） 湖泊形態數據法。最大值相應的湖泊水位向下，每降低一個單位，湖泊水面面積的減少量將顯著增加，若此最大值相應的水位在湖泊天然最低水位附近，則湖泊水文和地形子系統將出現嚴重退化［4］。因此，此最大值為最低生態水位：

F=f（H）

2FH2=0

（Hmin-a）≤H≤（Hmin+b）（3）

式中：F為湖面面積，m2；

H為湖泊水位，m；

Hmin為湖泊自然狀況下多年最低水位，m；

a和b分別為湖泊水位變幅較小的正數，m。

計算得到Hmin=1 499.09 m。

根據《云南省程海保護條例》（2007年），程海湖最高運行水位為1 501.00 m，最低控制水位為1 499.20 m。《麗江市水資源保護規劃報告》（2016年）提出的程海湖最低生態水位也為1 499.20 m，同時，1 499.20 m也是程海湖法定最低生態水位。

結合河口街水文站水文系列資料，綜合確定程海湖的生態水位目標，其最低生態水位應低于多年平均水位。對比3個生態水位計算結果得出，最低生態水位應為1 495.43 m。故以未來程海湖水位恢復法定最低水位的年份為界，未恢復法定最低水位之前的以1 495.43 m作為程海湖最低生態水位，恢復法定最低水位之后的則以1 499.20 m為程海湖最低生態水位（表3）。

3 未來最低生態水位預測

3.1 流域水利工程建設情況

程海湖流域已建水庫5座，分別為螞蟻坪水庫、毛家箐水庫、馬家大墳水庫、紅海子水庫、紅墳水庫，均為小（2）型水庫，水庫總設計庫容為84.3萬m3，興利庫容為57萬m3。流域共有27個泵站取水口，其中22個泵站取水口用途為農業用水，4個泵站取水口用途為工業用水，1個泵站取水口用途為生態用水，泵站年設計取水總量為478萬m3。

由于程海湖水位持續下降，水庫和取水泵站引水量較少，遠不能滿足程海湖所缺的生態需水量［13］。為了增加入湖清潔水量，恢復程海湖運行水位，遏制水位持續下降趨勢，采取外流域引調水模式，興建外流域引調水工程［14］。程海湖控制斷面與水工程見圖5，目前，已建成壩箐河程海湖生態應急補水工程（工程A）、羊坪河至仙人河隧道程海湖生態應急補水工程（工程B）、永勝縣程海湖流域生態綜合治理水利骨干應急提灌補水工程（工程C）。2022年建設永勝縣小米田水庫至仙人河水系連通工程（工程D）和明子橋河至白草坪水庫的連通補水工程（工程E）。目前，程海湖的水位恢復和湖區水質改善主要靠引調水工程補水，未來將延續這一趨勢。

3.2 引調水工程生態水量調度分析

根據《云南省用水定額》，以程海湖流域2019年人口統計為基準，年自然增長率取1.06%，鄉鎮人口按總人口20%測算。鄉鎮企業加工需水量按年均增長1萬m3計，耗水系數按0.2估算，其余水量支出根據文中表1估算，得到年水量支出與收入明細見表4。

由表5可知，在2018～2021年期間，工程A、工程B和工程C，分別向程海湖補水682.68萬m3、2 202.5萬m3、8 468萬m3，補水量遠大于表4中的流域水量平衡差額。通過引調水工程補水，程海湖流域內的生產生活用水基本置換為外流域水源供水，流域水量全部作為生態用水，工程有效遏制了程海湖水位的持續下降。但2021年12月程海湖水位為1 495.63 m，仍比法定最低運行水位低3.57 m；對應湖泊容量為15.02億m3，較法定最低水位對應湖容還差1.90億m3。程海湖恢復期生態需水量約為3.73億m3，2018～2021年，3個已建補水工程實際總補水量約為1.14億m3，缺水量仍為2.59億m3。工程D和工程E預計于2025年建成運行，與已建3個引調水工程實現聯動補水，以改變目前程海湖水位的下降趨勢。在建工程預計未來補水情況見表6。

基于已建工程和在建工程相關信息，以及上述程海湖取用水情況，對未來程海湖能否恢復至法定最低水位1 499.20 m進行可行性分析。工程D，E均于2022年開工建設，預計2025年可實現工程通水運行。預測已建工程補水量，達到法定最低生態水位的年份為2025年。分別按2021年、2020年已有實測補水量假定，預測工程D年均生態補水量為6 756.0萬m3，工程E年均生態補水量為257.5萬m3。

通過表7預測分析可知，2025年工程D、E參與補水后，無論2022～2025年程海湖已建3個工程實際補水量是按2020年假定還是2021年假定，程海湖都將于2025年，即在建工程運行補水第一年，恢復至法定最低生態水位1 499.20 m。

4 結 論

（1） 為改變程海湖近年來湖泊生態水位持續下降的水生態現狀，利用河口街水文站水文系列資料，參考最低生態水位已有成果，并根據最低年平均水位法、天然水位資料法 、湖泊形態數據法，計算確定現階段程海湖最低生態水位為1 495.43 m，并在未恢復法定生態水位之前以此作為最低生態水位。

（2） 通過對程海湖已建和在建的引調水工程進行生態水量調度分析，并對程海湖恢復至法定水位的可行性進行分析，將程海湖于2025年恢復至法定最低生態水位1 499.20 m作為未來最低生態水位。隨著5個引調水工程的聯動補水，2025年將可改善程海湖水位逐年下降和水資源短缺問題。

（3） 本文僅根據引調水工程對程海湖未來生態水位恢復可行性進行分析。為保障程海湖生態環境安全，需從流域各類生物需水量、水體水質管理目標等多個方面，進一步優化程海湖最低生態水位計算。并且，應結合現代科技手段實時監測流域生態環境，及時調整引、調水工程，緩解流域缺水狀況。

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（編輯：李 慧）

Analysis and prediction of lowest ecological water level of Chenghai Lake in Yunnan Province

YU Guo1，DONG Shijie1，WU Jiang2，LI Yinghai1，YU Jia1

（1.School of Water Resources and Environment，Three Gorges University，Yichang 443002，China；

2.Institute of Water Resources Comprehensive Utilization，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract： In recent years，factors such as changes in precipitation and evaporation in Chenghai Lake Basin of Yunnan Province，the construction of water diversion projects，and water use for industrial，agricultural，and domestic purposes had led to issues such as ecological water shortages，continuous decline in lake water levels，and insufficient water resource carrying capacity.We analyzed and predicted the lowest ecological water level of Chenghai Lake.Based on measured water level data from Hekou Street Hydrological Station from 1985 to 2021，a comprehensive analysis of historical water level evolution was carried out by using the minimum annual average water level method，natural water level data method and lake morphology data method.The results showed that the current lowest ecological water level of Chenghai Lake was 1 495.43 m.Taking the year in which Chenghai Lake′s water level was restored to its legally defined minimum level as the boundary，the lowest ecological water level was determined to be 1 499.20 m.Based on the ecological water level calculation results and the water supplementation volume of completed and ongoing water diversion projects，it is predicted that Chenghai Lake will restore its legally defined lowest ecological water level by 2025.The research findings can provide a reference for the restoration of Chenghai Lake′s ecosystem，the management and protection of the lake area，the rational development and utilization of basin water resources，and the advancement of comprehensive management and protection of plateau lakes.

Key words：

lowest ecological water level； ecological water volume； water diversion project； Chenghai Lake