水文变异条件下的洞庭湖生态水位研究

黄 兵，姜 恒，廖小红，钱 湛

(湖南省水利水电勘测设计研究总院洞庭湖研究中心，长沙 410007)

洞庭湖为我国第二大淡水湖泊，是长江中下游最重要的调蓄湖泊和国际重要湿地。洞庭湖地势西高东低，被分成东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)，自西向东形成了一个倾斜的水面。近年来，受自然演变和人类活动等因素共同影响，洞庭湖湿地生态系统正面临着生物多样性减少、生态环境恶化、生态功能退化等一系列生态问题。

水位涨落过程是湿地变化的关键驱动力，确定合理的生态水位，对解决洞庭湖生态退化问题具有重要的现实意义。目前关于湖泊生态水位(或湖泊生态流量)的定义较多，不同学者从水量平衡、资源利用、生态保护、综合等多角度提出了不同界定[1]，其中，较多学者将维护湖泊生态系统物种多样性和生态结构完整性等所需的水位作为湖泊生态水位[1-3]。国内外研究生态水文的方法主要有天然水位资料法[4]、湖泊形态分析法[4,5]、生物空间最小需求法[4]、最低年平均水位法[5]、年保证率设定法[5]、功能法[6]、综合指标法[2]等。一些学者对洞庭湖生态水位和生态流量进行了研究。程俊翔等[7]采用最低年平均水位法、年保证率设定法、湖泊形态分析法和生态水位法计算东洞庭湖最低生态水位。谢永宏等[8]从湿地水文的角度对洞庭湖1974-1987、1988-1997、1998-2007年3个时期的最小生态需水量进行了研究。梁婕等[3]考虑水文变异对东洞庭湖生态水位进行研究，采用滑动T检验法进行年尺度水文变异分析，把变异前序列作为计算序列，拟合月平均水位的最适合概率分布函数，求出概率密度最大处的月平均水位作为东洞庭湖生态水位。考虑到洞庭湖生态水文问题的重要性及其特殊的地理分布特征，本文对洞庭湖生态水位的研究范围、研究方法进行了更进一步的考虑：以东、南、西洞庭湖出口水文站的水位序列为研究对象，分别计算东、南、西洞庭湖生态水位；采用月尺度进行水文变异分析，分别计算各月水文序列的变异点，可更进一步考虑人类活动和自然演变导致的水位年内变化对水文变异的影响；分别对各站点变异前的各月平均水位进行拟合优度检验，求出各月水位最优分布函数，计算概率密度最大处的水位作为洞庭湖生态水位。

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部，长江中游荆江河段以南，北纬28°30′～30°20′，东经110°40′～113°10′之间。洞庭湖独特的水文气候及地理位置奠定了其在长江流域乃至世界湿地生态中的重要地位。洞庭湖湿地是我国水系最为复杂的大型淡水湿地，是长江流域重要的净化池和生态前置池，是国家湿地生态系统与重点野生动物保护区域，是世界淡水鱼类优质种质资源基因库，被誉为“拯救世界濒危物种的希望地”[7]。

本文选取东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(目平湖)出口处水文站：城陵矶水文站、鹿角水文站和南嘴水文站1953-2016年月平均水位作为研究对象，分别计算各站点逐月生态水位。

2 研究方法

水位情势是影响湖泊生态系统的最主要环境要素之一，水位高低、出现时间、历时及变化速率都会直接或间接影响湖泊的物理形态、动植物的种类和数量。湖泊生态系统是一个复杂的系统，水位过高或者过低，都将会对湖泊生态系统的完整性和物种多样性造成不利影响[9-11]。湖泊水位偏高或偏低可能会对某一类或几类物种产生有利影响，但会对其他多类物种产生不利的后果，进而影响湖泊生态系统的完整性和物种多样性。生态适宜性理论认为，生物在适宜的环境中，生物数量最多，生长最好，长期的自然选择促使生物适应出现频率较高的环境因子[12]。因此，本文选取概率密度最大处水位作为适宜生物生长繁殖的生态水位。

本文采用月平均水位作为计算湖泊生态水位。由于自然演变和人类活动，水文序列往往发生变异，变异前和变异后的水文序列分布发生了改变，生态系统往往适应了变异前的水位序列。因此，本文主要分析变异前水文序列的概率分布情况，并据此计算湖泊生态水位。

2.1 水文变异计算步骤

水文变异点的判定方法有很多，常见的方法有滑动秩和检验法、Mann-Kendall(M-K)检验法、滑动T检验法、滑动F检验法、有序聚类法、R/S分析法等。本文采用首先采用t检验法[13]和Mann-kendall检验法[14]对各站点水位序列进行水文变异综合诊断，并结合东、南、西洞庭湖的实际情况确定最可能的变异点。上述两种方法的计算原理和过程见相应的参考文献。

2.2 生态水位计算步骤

如果水位序列不存在变异点，则认为整个水位序列总体分布一致，洞庭湖湿地生态系统适应现状水文状态，计算湖泊生态水位时考虑整个水位序列。如果水位序列存在变异点，则认为变异前后水位序列的总体分布不一致，假定洞庭湖生态系统已经适应了变异前的水文状态，变异后的水位变化已影响湖泊湿地的生态平衡，计算湖泊生态水位时只考虑变异前的水位序列。依据生态因子与生物种群数量及生长繁殖速度的关系，认为湖泊适宜的生态水位为频率最大处月平均水位。要计算概率密度最大处的月平均水位，首选要确定最符合计算系列的概率分布函数。因此，本文选用国内外水文气象领域广泛应用的5种概率分布函数[12, 15]进行频率分析：对数正态分布(3参)、P-Ⅲ分布(3参)、广义极值分布(3参)、广义帕累托分布(3参)和Wakeby分布(5参)，使用线性矩方法[16]进行参数估计，并采用Kolmogorow-Smirnow(K-S)方法的统计量D进行拟合优度检验[17]，从中确定最适合计算系列的概率分布函数，以相对应的概率密度最大处月均水位作为湖泊生态水位。

3 结果与分析

3.1 水文变异结果及成因分析

受自然演变和人类活动共同影响，特别是受下荆江裁弯和长江中上游三峡等控制性水利枢纽运用的影响，三口入湖水量、沙量逐年减少，洞庭湖水位年内年际发生了较大变化。因此，选择以月尺度作为变异分析更能准确分析洞庭湖水位序列的变异特征。采用滑动T检验法和Mann-Whitney U 检验法两种方法分别分析城陵矶、鹿角和南嘴三个水文站点的月均水位序列，结果如表1所示。

新中国成立以来，根据长江干流自然演变和水利工程建设的时间，洞庭湖大致经历了如下6个时期：调弦口堵口前(1951-1958年)、下荆江裁弯前(1956-1966年)、下荆江裁弯中(1967-1972年)、下荆江裁弯后(1973-1980年)、葛洲坝截流后(1981-2002年)、三峡蓄水后(2003年至今)。因此，根据表1中水文变异结果可知：①洞庭湖11月至次年7月之间发生的水文变异主要是由于荆江裁弯所引起的，9月、10月发生的水文变异主要是由于长江上游水库群，尤其是三峡水利枢纽工程建设所引起的；②受长江干流下游洞庭湖出口河道水位顶托影响，洞庭湖水位变异由东向西逐渐减弱，城陵矶水文站全年8个月水位序列发生变异，鹿角水文站全年7个月水位序列发生变异，南嘴水文站全年6个月水位序列发生变异。由此可见，荆江裁弯和三峡等长江中上游枢纽工程建设是洞庭湖水位序列发生变异的主要原因。二者造成的荆南三口入流和长江干流洞庭湖出口处水位变化是造成洞庭湖水位序列发生变异的直接原因。

表1 洞庭湖三个水文站点月均水位水文变异分析结果

3.2 生态水位计算

洞庭湖受入湖水量和长江干流水位顶托等共同影响，湖区水位年内、年际变化显著，素有“洪水一大片，枯水几条线、霜落洞庭湖干”之说。当城陵矶水位28 m以上时，东、南、西洞庭湖水面连成一片；当城陵矶水位逐渐下降26 m左右时，东、南、西洞庭湖水面之间主要是由主河槽连接；当城陵矶水位下降至23 m以下时，东、南、西洞庭湖水面几乎只剩下主河槽内有水面。因此，本文分别选择东、南、西洞庭湖出口水位站水文序列作为研究对象，分别计算东、南、西洞庭湖生态水位，可以从空间上为洞庭湖生态系统修复提供参考依据。

根据水文变异分析结果，选择变异前的水位序列作为研究对象，分别计算东、南、西洞庭湖生态水位。首先确定各站点月均水位序列的概率分布函数，本文选择5种常用的概率分布函数进行频率分析，分别为：对数标准正态分布(3参)、P-Ⅲ分布(3参)、广义极值分布(3参)、广义帕累托分布(3参)、Wakeby分布(5参)。采用线性矩方法分别进行5种概率分布的参数估计，然后使用显著性水平为5%的Kolmogorow-Smirnow(K-S)检验法进行拟合优度检验，选择统计量D最小的概率分布函数。以南嘴水文站为例，基于5种概率分布函数描述各月平均水位的统计量检验值D见表2。4、6月最适概率分布为P-Ⅲ分布，2、3、5、9、11、12月最适概率分布为广义极值分布，1、7、8、10月最适概率分布为Wakey分布。

表2 基于5种概率分布的南嘴各月平均水位的

注：带下划线的值代表最优概率分布函数，带星号的值代表Wakeby 分布简化为广义帕累托分布。

根据上述最适概率分布函数，计算得到东、南、西洞庭湖生态水位结果见表3。

表3 洞庭湖3个水文站各月生态水位 m

3.3 与其他生态水位计算结果进行比较

将本文得到的生态水位结果与年保证率法进行对比，年保证率法是根据系列水文资料，分别计算不同保证率的最低生态水位[6]。根据城陵矶、鹿角和南嘴水文站1953-2016年的日均水位序列，选取逐年最低水位从大到小进行排序，得到75%保证率条件下的东、南、西洞庭湖的生态水位见表4。本文计算结果与年保证率法得到的年生态水位结果基本一致，可以为洞庭湖生态修复提供参考依据。

表4 与年保证率计算结果进行对比 m

3.4 变异前后生态水位满足率对比分析

如果实测日均水位大于等于对应月的生态水位，则认为该水位满足生态水位要求。各月生态水位满足的日数与计算序列对应月份总日数之比即为生态水位满足率。分别对东、南、西洞庭湖变异前后水位序列的生态水位满足率进行对比分析，探讨自然演变和人类活动对洞庭湖生态水位的影响。洞庭湖3个水文站水位序列变异前后生态水位满足率结果见表5。

表5 洞庭湖3个水文站生态水位满足率 %

变异前，东、南、西洞庭湖实测日均水位的生态水位满足率均在50%左右，表明变异前的洞庭湖日均水位约有50%左右的时间能够满足生态水位的要求。

变异后，3个水文站的生态水位满足率变化各有差异。对于主要受荆江裁弯影响的11月-次年7月，荆江河段裁弯后，造成荆南三口入河水量减少，长江干流城陵矶出口处水位抬升，城陵矶和鹿角水文站距离长江干流较近，水位变异受长江干流水位顶托影响站主导作用，导致变异后城陵矶和鹿角水文站水位升高，各月份生态水位满足率出现不同程度的提升；南嘴水文站距离长江干流较远，水位变异主要受荆南三口入流影响，导致变异后南嘴水文站水位消落，各月份生态水位满足率出现不同程度的降低。因此，对于荆江裁弯导致水位序列发生的水文变异，城陵矶和鹿角水文站变异后的生态水位满足率均呈现不同程度的增长；南嘴水文站变异后的生态水位满足率呈现不同程度的降低趋势。

对于主要受三峡等水利枢纽工程建设影响的9、10月份，三峡等水利枢纽工程建成后，9-10月为枢纽工程集中蓄水期，三峡水库下泄流量大幅减少，导致荆南三口入湖水量减少和长江干流城陵矶出口处水位降低，变异后城陵矶、鹿角、南嘴水文站水位受二者影响随之大幅降低，三个水文站变异后生态水位满足率均呈现急剧下降趋势。因此，对于三峡等水利枢纽工程导致水位序列发生的变异，三个水文站变异后生态水位满足率均呈现急剧下降趋势。

因此，在计算洞庭湖生态水位时，以月尺度进行变异分析可以更准确地分析自然演变和人类活动对洞庭湖月均水位变异的影响，同时分别计算东、南、西洞庭湖生态水位能够更好地从时间和空间上指导洞庭湖湿地生态环境修复。

4 结 论

(1)以月尺度进行水文变异分析，分别计算水文变异条件下的东、南、西洞庭湖生态水位，结果合理且能直观地反应各月的水位变化规律，可以更好地从时间和空间上为洞庭湖湿地生态修复提供参考依据。

(2)荆江裁弯和三峡等水利枢纽工程建设引起的荆南三口入湖水量和长江干流洞庭湖出口水位变化，是导致东、南、西洞庭湖水位序列发生水文变异的主要原因。其中长江干流洞庭湖出口水位变化在东、南洞庭湖水文变异中起主导作用，荆南三口入湖水量变化在西洞庭湖水文变异中起主导作用。

(3)荆州裁弯是洞庭湖11月至次年7月发生水文变异的主要原因，变异后东、南洞庭湖水位抬升，生态水位满足率随之增加；西洞庭湖水位降低生态水位满足率随之减少。长江中上游三峡等水利枢纽工程建设是洞庭湖9、10月发生水文变异的主要原因，变异后三个水文站水位大幅降低，生态水位满足率随之减少。

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