汈汊湖生态水位确定方法研究

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000；2.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074)

湖泊是自然生态系统的重要组成部分，其功能包括调蓄洪水、涵养水源、保护生物多样性等核心生态功能[1-2]。如何维持湖泊生态系统健康是当今湖泊科学领域面临的重要问题。我国湖泊的面积、分布和水文情势等受人类活动影响已发生了显著变化，为此，开展我国湖泊生态相关的研究工作是十分必要的。

生态需水量是生态研究中的一个重要概念，主要指维护河流、湖泊、湿地生态系统的基本结构和重要功能，维持生物生存的基本生境条件所需要的水量及流量过程，包括河道生态基流、敏感生态需水、河道内最基本生态需水量等。而相比于河流而言，湖泊的生态需水量研究存在不足。一些学者针对维持湖泊生态系统完整及其对人类的服务功能所需要的水位过程[3-5]，提出了湖泊生态水位的概念和一些界定方法(如频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法、最低水位法、水环境模拟法等[6-7])。这些方法的提出都具有一定的理论和前提假设，如何选择合适的研究方法是实际工作中需要解决的重要问题。为此，本文以典型湖泊为例，通过将各种方法计算所得的生态水位进行对比与分析，研究和认识不同方法的特性，以期获得一定的方法认识和促进湖泊生态水位研究的发展。

1 研究方法

目前湖泊生态水位的确定方法包括频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法、最低水位法和水环境模拟法等。

1.1 频率分析法

频率分析法的理论基础为：其假定在长期的生态演变中，湖泊生态系统已经适应了湖泊水位的扰动，因此可以选择一定保证率下的天然水位变化过程作为湖泊最低生态水位。实际计算过程中，一般借鉴水文中常用的P-Ⅲ型频率曲线进行计算。

1.2 湖泊形态分析法

湖泊形态分析法首先假设湖泊地形为湖泊存在和其相关的水文循环提供了支撑和制约，由此湖水与湖盆构成的空间是湖泊生物生存的最基本条件。因此，为维持湖泊自身基本功能，须将湖泊形态特征维持在一定水平。建立湖泊水位和面积的关系函数，通过求取该关系函数的一阶导数(即湖面面积变化率)，确定其转折点对应湖泊的最低生态水位。具体确定方法公式如下：

F=f(H)

(1)

(2)

(Hmin-a)≤H≤(Hmin+b)

(3)

式中：F为湖面面积,m2；H为湖泊水位，m；Hmin为湖泊自然状况下多年最低水位，m；a和b分别为和湖泊水位变幅相比较小的一个正数，m。

求解上述各式即可得到湖泊最低生态水位。

1.3 生物空间法

考虑湖泊湿地内的动植物为维持各自群落不严重衰退均需要一个最低生态水位，根据湖泊各类生物对生存空间的需求可确定其最低生态水位，由此建立的方法为生物空间法。其主要采用水文站资料计算最小生态需水量。

1.4 最低水位法

与生物空间法类似，考虑在湖泊漫长的生态演化中，其生态系统逐渐调整到水位阈值和不断演化，适应了湖泊的最低水位，由此天然情况下的低水位对生态系统的干扰在其弹性范围内。取天然最低水位即为生态系统水位阈值的下限。其主要参考统计手段，确定各种最低水位值(如年内瞬时最低水位、年内日均最低水位、年内月均最低水位、季节最低水位等)。

1.5 水环境模拟法

针对我国水环境恶化的问题，提出了水环境模拟法。通过建立湖泊水质模拟模型，分析不同水位下典型污染过程的发展情况，评估水位变化的影响，从而选择生态水位。

1.6 研究区域选择与数据

为分析和比较不同研究方法的差异，基于数据获取的便利性和湖泊特点，本文以湖北省汈汊湖为例开展研究。

汈汊湖流域地处江汉平原东北缘，属平原河湖区。其周边汉川市大部分地面海拔为23.0～26.0m，天门市大部分地面海拔为24.0～28.0m，属冲积、湖积地貌。研究收集整理了汈汊湖五房台水位站的水位资料。

2 结果与讨论

根据前述分析方法，计算分析汈汊湖生态水位，可分别得出汈汊湖生态水位成果。

2.1 频率分析法

以汈汊湖五房台水位站月平均水位作为计算序列，采用P-Ⅲ型频率分布拟合各月平均水位分布，分别选取50%和90%频率下的水位作为最适宜生态水位和最低生态水位。

各月P-Ⅲ型频率曲线参数拟合结果见表1。各月适宜生态水位及最低生态水位见表2。

表1 各月P-Ⅲ型频率曲线参数

表2 各月适宜生态水位与最低生态水位 单位：m

2.2 湖泊形态分析法

按照地形资料，汈汊湖水位(吴淞高程)-面积关系见图1。

图1 汈汊湖水位-面积关系

根据上述资料，得到的不同水位下水面增加面积见图2。由图1可知，水位由23.0m增加到23.5m时，水面面积增加得最快。由此得到汈汊湖最低生态水位为23.5m。

2.3 生物空间法

鱼类对湖泊生态系统具有特殊作用，同时，对低水位最为敏感。可认为鱼类的最低生态水位得到满足，则其他类型生物的最低生态水位也可得到满足。

图2 汈汊湖不同水位下水面增加面积

根据相关研究，浅水湖泊鱼类要求的最小水深约为1m。为保证湖泊具有一定的最小面积，以汈汊湖水位-面积关系曲线最低水位(23m，吴淞高程)为基准，则汈汊湖最低生态水位为24m。

2.4 最低水位法

五房台水位站年内月均最低水位见表3，由此得到汈汊湖最低生态水位为22.86m。

表3 五房台水位站年内月均最低水位 单位：m

2.5 水环境模拟法

利用DHI MIKE软件，针对汈汊湖情景，进行指定水位下的湖区水质模拟。对比不同湖水位下不同时间模拟结果，可知水位增加后，各类污染物的高浓度水域面积下降，低浓度水域面积上升，污染物浓度总体下降。不同湖水位下，模拟期末各类型污染物浓度最高值和最低值见表4。从提高水环境质量的角度，确定适宜生态水位为24.2m。

表4 不同湖水位模拟期末污染物浓度最高值和最低值 单位：mg/L

2.6 结果对比分析

通过频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法、最低水位法和水环境模拟法计算分别得到了汈汊湖的生态水位。由于每种生态水位计算方法所基于的理论和侧重点不同，计算结果有较大差异。各方法计算成果见表5。

表5 汈汊湖生态水位计算结果对比 单位：m

湖泊形态分析法从水文和地形的角度分析了保持生态系统不严重退化的最低水位，缺点是没有和湖泊的实际生态指标建立联系。频率分析法和最低水位法考虑了水文变化情况，但忽略了生态环境状况。基于水生植物的生物空间法将水生植被覆盖度作为水位调控的保护目标具有一定优势，但忽略了湖泊水文变化。因此，需对多种计算方法进行综合分析，得到合理取值作为湖泊生态水位。

3 结 论

湖泊生态水位的研究是当前研究的热点。本文采用不同方法计算汈汊湖生态水位，结果表明：

a.采用频率分析法，以汈汊湖五房台水位站月平均水位作为计算序列，采用P-Ⅲ型频率分布拟合各月平均水位分布，分别选取50%和90%频率下的水位作为最适宜生态水位和最低生态水位；计算的最适宜生态水位为23.35m，最低生态水位为23.14m。

b.湖泊形态分析法，用湖泊水位作为湖泊水文和地形子系统特征的指标，湖面面积作为湖泊功能指标，计算得到汈汊湖的最低生态水位为23.50m。

c.生物空间法，根据相关研究，浅水湖泊鱼类要求的最小水深约为1m，为保证湖泊具有一定的最小面积，以汈汊湖水位-面积关系曲线最低水位(23m，吴淞高程)为基准，则汈汊湖最低生态水位为24m。

d.最低水位法，列出五房台水位站年内月均最低水位，由此得到汈汊湖最低生态水位为22.86m。

e.水环境模拟法，利用DHI MIKE软件，针对汈汊湖退渔还湖后情景，进行指定水位下的湖区水质模拟，确定适宜生态水位为24.2m。

进一步对所有结果进行比较，结果表明：虽然通过频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法、最低水位法和水环境模拟法计算得到了汈汊湖的生态水位，但由于每种生态水位计算方法所基于的理论和侧重点不同，计算结果有所差异。但相对而言，各种方法仍然可以相互验证，其生态水位区间为22.86～24.50m，可以为规划设计提供参考。