关于东洞庭湖生态水位的研究

彭飞宇,肖少怀

(湖南省岳阳水文水资源勘测局，湖南 岳阳 414000)

1 引言

在陆地水生态系统中，湖泊不仅仅维持着生物的多样性，同时还能够调节洪水和区域气候，实现补水、航运以及交通等功能[1]。人类的一系列经济活动对自然生态造成影响以后，导致陆地水生态系统也发生了变化，而这种变化已经严重的影响了我国的湖泊生态环境，导致湖泊内的生物种类以及生物数量都有所下滑。GLIKE[2]认为人类的活动必须考虑保护生态系统中物种的多样性这一问题，因此，他提出了基本水需求的概念，即人类活动应当尽可能的减少对自然生态系统的破坏，进而保证生态系统中物种的完整性不受影响[3]。要想保持湖泊生态系统的良性循环，就有必要保障该湖泊的最低生态水位，这是因为最低生态水位代表的时湖泊可持续发展的最低水量以及最低水位[4]。

我国学者研究湖泊生态水文的时间较短，但是在总结了国外学者所提出的相关研究结论以后，我国学者在湖泊生态水文方面也得出了丰富的研究成果。徐志霞[3]在研究湖泊的最小生态水位时，主要采用了生物空间最小需量法、自然水位资料法等方法，对我国南四湖的最低生态水位进行了量化计算，他认为只有保证了最低生态水位，才能够保证南四湖的生态系统不会因为人类的极度索取而退化。崔保山[4]认为，为了保证湖泊生态系统不会因为人类活动而受到影响，也为了保证该生态系统的功能和稳定性能够保持在稳定运行的状态，那么就需要保障该湖泊生态的最小水位。从生态水文原理的角度来看，不少学者们提出了最小生态水位法、曲线相关法等方法，进一步计算了湖泊的最小生态需水量，这些数据将成为人们保护湖泊生态系统的重要参考数据。李新虎[5,6]认为，要想保证湖泊生物的多样性和完整性，就有必要保证湖泊的生态系统不受破坏，而要想达到这一目标，就应当首先确定湖泊的最低生态水位，并保证人类的一系列活动不会导致湖泊水位低于最低生态水位。淦峰[7]主要采用了水文变化指标法构建了湖泊生态水位指标体系，而该指标体系中共纳入了8个研究指标，通过这些指标进一步分析湖泊生态水位的目标区域值，进而帮助人们找到有效协调湖泊生态环境和人类经济活动之间关系的方法。

2 研究区概况

洞庭湖是我国的第二大淡水湖，地跨湖北、湖南2省25县(市)，洞庭湖区有大小入湖河流73条，主要河流有湘江、资水、沅江、澧水，合称四水水系；松滋河、虎渡河、藕池河、华容河、洈水等合称四口水系；由东面入湖主要河流有汩罗江、新墙河等，最后经过城陵矶汇入长江[8]。

东洞庭湖位于磊石山以北，湖口城陵矶以南，是洞庭湖中面积最大的水域，岸线长207 km。水面高程34 m时，最大水深18 m，面积1313 km2，占全湖面积的50%；容积126.3亿m3，占全湖容积的54%。

洞庭湖在人类活动的影响之下，湖底存在大量淤泥，水位和水面面积持续下降，相比于20世纪，21世纪的洞庭湖区物理特征水文状况发生的变化十分明显，已经引发了洞庭湖区域的生态危机。要想实现洞庭湖流域水资源的可持续循环，人类就必须找到行之有效的方式保持洞庭湖的水位在合理范围内。

图1 洞庭湖湖区概图

3 数据资料与研究方法

据相关资料显示，东洞庭湖的蓄水量以及水域面积可以通过研究城陵矶水位的变化情况来分析，因此，本文在计算东洞庭湖的最小生态水位时，主要收集了1980～2016年期间，城陵矶每日水位的相关数据。

3.1 频率曲线法

频率曲线法[9]主要指的是收集30年以上的水文历史资料，查到该水域环境中每个月的水文频率，并绘制曲线。在该曲线图中超过95%个频率的径流，以及水域生态环境中的月平均流量和月平均水位相关数据，就成为了计算该水域生态环境基本环境需水量的参考数据。在计算基本生态环境的需水量时，还需要分别计算汛期需水量和非汛期需水量，并计算两个数据的平均值。

3.2 QP法

QP方法[9]是基于自然月平均流量、月平均水位或节点长度序列的径流(n>30年)。另外此方法在计算水生态环境的最小需水量时，需要首先计算该水生态环境的月平均水位和最小月流量，频率应为90%～95%。

3.3 年保证率设定法

年保证率设定法[4]需要排列超过30年水文资料中每一年的最低水位，水生态环境中的保证率每年都会发生变化，那么就需要根据不同的保证率来计算最小生态水位。年保证率设定法来计算最小生态水为时，其计算公式为：

(1)

(2)

4 结果

4.1 频率曲线法

根据1980～2016年城陵矶站的实测逐日水位数据，对1980～2016年月平均水位排序后，取90%频率相应的月平均水位作为对应月的生态水位；计算结果如表1所示，全年中以2月份的最低生态水位为最低，其值为19.66 m。

表1 洞庭湖多年月平均水位与月最低生态水位

4.2 Qp法

根据1980～2016年城陵矶月平均水位数据，对每年月平均最低水位(图2)排序，并通过频率计算后得出相应频率所对应的水位。本文在收集了城陵矶水资源开发情况以及水域生态环境规模以后，结合前文的计算公式可以得出，城陵矶的频率为90%，这就能够计算出城陵矶的最低生态水位为19.70 m。

图2 城陵矶多年月平均水位图

4.3 年保证率设定法计算结果

在收集了1980～2016年城陵矶的最低水位相关数据以后，按照由低到高的顺序来排列这些最低水位数据。本文选择东洞庭湖水域生态环境的保障率为75%，根据相关的计算公式(2)，可以看出1990年，东洞庭湖的平均水位为25.59 m。截至2016年，洞庭湖中的动植物资源并未发生显著变化，且东洞庭湖的水质仍然十分良好。从这个计算结果来看，东洞庭湖当前的生态系统仍然十分健康。从湖泊生态系统的对应关系来看，城陵矶水生态系统的权重为0.975，此时可以根据计算公式(1)，计算得出城陵矶的最低生态水位为24.95 m。

4.4 最低水位合理性分析

本文基于历史水文观测资料分别用频率曲线法、QP法、年保证率设定法3种方法计算得到的城陵矶最低生态水位分别为19.67 m、19.70 m、24.95 m。可以看出，根据不同的理论来计算城陵矶的最低生态水位，最终所得到的计算结果存在较大差异。湖泊水资源的作用是联度保证率计算法中的主要参考数据，但是这种计算方法中，并未考虑湖泊水文和湖泊地形等因素对湖泊最低水位所带来的影响，因此按照建立年度保证率方法来计算最低生态水位时，最终的计算结果要高于其余两种方法的计算结果。频率曲线法和QP法以水文资料为依据，从水文的角度分析了保持生态系统不严重退化的最低水位。因此结合本文中的三种计算方法，从不同的角度进行计算分析，综合3种计算结果对比，取其年保证率法得出的计算结果24.95m作为洞庭湖最低生态水位比较合理。

5 结论

本文以频率曲线法、QP法、年保证率设定法分别计算了东洞庭湖的最低生态水位，经过分析计算，结果为24.95 m。计算湖泊最低生态水位的方法有多种多样，在选择恰当的计算方法是，需要考虑该湖泊生态系统的自身特点，也需要分析该湖泊生态系统的相关数据资料。本文是根据长系列水位资料基础才选择的上述三种计算方法，因此本文的计算方法能够得出较为准确的计算结果。