三峡建库后东洞庭湖适宜生态水位需求分析*

黄宇云，余明辉，陆 晶，孙昭华，田浩永

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

长江是我国最大的河流，具有重要的人文、社会经济功能[1]. 洞庭湖为长江中游荆江河段重要的通江湖泊，是我国第二大淡水湖，具有调节河川径流、改善生态环境、供水灌溉等功能[2]. 三峡工程蓄水后洞庭湖面积及水位等水文特征发生了明显变化，如：胡金金等[3]基于MODIS数据分析了洞庭湖2000-2014年湖泊面积变化发现研究期间湖泊面积明显萎缩，调洪蓄水功能减弱. 孟熊等[4]分析发现三峡建库后洞庭湖各站常水位、相应站枯水位较建库前有明显降低，城陵矶(七里山)水文站(简称城陵矶站)枯水位则有所抬高. 这些水文特征的变化改变了洞庭湖的生态环境，影响其生态结构和生物多样性，同时影响其生态系统良性健康的发展. 如：张光贵等[5]研究发现三峡蓄水后洞庭湖内梅罗污染指数IP值和总磷、总氮浓度均有不同程度的升高；王琦等[6]也发现三峡工程运行后，洞庭湖水文水动力环境条件的变化整体上对水质产生了不利影响，促进了洞庭湖的富营养化. 此外，建库等人类活动会造成工程下游水位过程坦化，直接表现在年水位过程中最高水位的降低和最低水位的升高，水位波动范围减小. 水位的周期波动形成了大面积的草本湿地群落，维持了湿地丰富的物种多样性[7]，但是由于洞庭湖水位变化，大片的湖底裸露成泥滩，湿地面积减小，水禽栖息地和觅食地的面积有所减小，给洞庭湖湿地的物种多样性以及当地的冬候鸟造成了较大的威胁[8]. 且有研究表明，湖泊现存的植被类型是对水位长期变动的适应，不正常的水位变异会产生负面影响，如冬季水位过高会对越冬水鸟产生负面影响，早春水位过高会导致沉水植被无法正常萌芽和生长，而最高水位的降低会导致湖泊面积萎缩，且水位波动的减小，无法保证原有的湖泊与湿地营养盐的交换，降低湖泊湿地生态系统的物种多样性，破坏其生态系统平衡[9-11]. 因此研究维持洞庭湖生态系统健康发展的条件是三峡工程运行后亟待解决的问题之一.

随着人类社会的快速发展，1990s淡水资源的储存不足和管理不当造成了广泛的生态问题和人类淡水利用危机，而没有相关措施保证生态需水，生态需水量的研究应运而生，1998年Gleick提出基本生态需水量(Basic Water Requirement)的概念，即保证物种多样性和生态完整性的基本需水量[12]. 不同学者提出了众多相关概念，如最小河流需水量(minimum instream flow requirements)、环境需水量(environmental instream flow requirements)等[13]；在国内相关概念有生态流量、最小生态需水量等[14-15]. 因其研究起步早，研究成果丰富，据2003年统计，有记载的生态流量的计算方式多达207种[16]，主要类别：水文学法(Tennant法、Texas法、NGPRP法、IHA法)[17-20]、水力学法(湿周法、R2-CROSS法)[21]、栖息地法(有效宽度法、IFIM法)[18]及整体法(BBM法、澳大利亚ELOHA法)[22-23]. 水位是衡量河湖水情的一个重要指标. 生态水位开始研究的时间与生态需水量相近[24]，湖泊生态需水量研究主要集中于生态水位的研究，不同的学者根据不同的研究目的给出了生态水位的定义[25-26]，大多集中在最低生态水位的界定和研究. 目前最低生态水位的计算方法主要有：湖泊形态分析法、天然资料法、生物最小空间需求法[27]、年保证率法、功能法、曲线相关法和最低年平均水位法[14]. 这些方法计算结果均为单一值[28-29]，没有考虑不同时间生态系统对水位要求的不同，且上述研究皆集中于最低生态水位，但最低生态水位是维持生态系统基本功能不严重退化的水位，是短时间保持的水位，如果长时间保持这种水位，生态系统依然会崩溃[30]. 为此，有学者从湖泊天然水位情势中提取出高低水位历时、发生时间和变化率等水位指标多角度地表征生态水位过程要求，并应用到鄱阳湖生态水位计算中[31]. 但这类方法忽略了因水库建设导致的下游水位过程坦化，因此本文研究能够维持生态系统结构稳定、健康发展的适宜生态水位过程，同时考虑年内逐月水位过程、水位波动情况.

本文借鉴IHA指标体系构建东洞庭湖适宜生态水位计算指标体系，包括年内12个月月平均水位、最高水位及其出现时间、最低水位及其出现时间、高低水位发生次数、高低水位平均持续时间、涨落水次数、涨落水速率等共24个指标. 以城陵矶站水位作为东洞庭湖代表水位，采用滑动t检验法对城陵矶站年均水位进行突变检验，将突变前的水位作为维持东洞庭湖生态系统健康发展的水位过程[32-34]，基于此利用所提出的指标体系计算东洞庭湖适宜生态水位过程.

1 研究区域与数据资料

本文研究范围为东洞庭湖湖区(图1)，洞庭湖西部和南部有湘、资、沅、澧“四水”入湖并承接由松滋、太平、藕池“三口”分泄的长江干流的水流，经由城陵矶汇入长江干流，分为东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖. 本文采用城陵矶站1953-2018年逐日水位进行适宜生态水位研究，水位序列来源于水文年鉴等资料，文中各水文站水位均已统一为黄海高程.

图1 研究区域地理位置Fig.1 Geographical location of research area

2 研究方法

2.1 滑动t检验法

本文采用滑动t检验法对城陵矶年均水位序列进行突变点检测. 假定水位序列为x={x1,x2,…,xn}，设突变点为m. 假设突变点前后两个序列总体的分布函数各为F1(x)和F2(x). 从总体F1(x)和F2(x)中分别抽取容量为n1和n2的2个样本，构造t统计量：

(1)

(2)

2.2 适宜生态水位指标体系

IHA(Indicators of Hydrological Alteration)方法是Richter等[20]于1996年提出基于20年以上的水文数据系统地计算河流生态流量的指标体系，共5组32个指标，1998年增补至33个指标[35]，该方法不仅考虑了维持河流生态环境的最低流量，同时要求河流保留天然洪水特征来维持河流河滨生态系统健康. 由于IHA法中每个指标是定值，在使用时只能计算河流受到人类活动扰动后各个指标相对天然情况下的偏离程度，无法判断受扰动后的河流生态系统是否健康，因此Richter等在1997年提出了RVA(Range of Variability Approach)法计算IHA法中指标可接受的阈值[36]. 大部分的研究中选取IHA各指标发生频率25%和75%的值作为该指标参数RVA阈值[15,37-39]. 本文借鉴了IHA指标体系以及RVA阈值法对城陵矶适宜生态水位进行计算研究. 为了在保证月均水位过程的同时也能够保证正常的年内水位波动情况，本文采用年内12个月月平均水位、最高水位及其出现时间、最低水位及其出现时间、高低水位发生次数、高低水位平均持续时间、涨落水次数、涨落水速率等共24个指标作为适宜生态水位计算指标体系，每个指标相应的阈值为适宜生态水位需求[10,20],具体指标说明如下：

2.2.1 年内月平均水位指标 选用水位序列每个月多年月平均水位作为城陵矶每个月的适宜生态水位指标(AZi(i=1～12)，m)，并将当月月均水位发生频率为25%和75%的值作为当月适宜生态水位阈值要求，用来满足各个时期不同生物对水位的需要.

2.2.2 极端水位指标 选用年内最高水位(Zmax，m)、最低水位(Zmin，m)和相应的发生时间(TZmax、TZmin，按年积日计)作为极端水位指标；并将每个指标发生频率为25%和75%的值作为其阈值要求，极端水位可保证湖泊面积、湿地面积、地下水位等要素，极端水位出现时间是为了满足生态系统中某些生物的生命周期需要.

2.2.3 高低水位发生次数及持续时间 选定日水位序列中25%为高水位，75%为低水位，结合淦峰等[31]的研究，认为高于高水位时间持续7天及以上为高水位事件，同理低于低水位时间持续7天及以上为低水位事件，年内高/低水位总持续时间除以高/低水位事件次数为高/低水位平均持续时间，统计建库前后每年高/低水位发生次数(Nh、Nl，次)及年内高/低水位平均持续时间(Th、Tl，d/次)，以相应指标发生频率25%和75%处的值作为阈值，高低水位发生次数及持续时间与某些物种特定的生长阶段有关.

中原竹林栽培历史悠久，其中河南博爱竹林是中国最理想的南竹北移引种驯化区和北方竹种繁育基地，具有非常重要的历史、生态、社会、文化和经济价值[15]，因而大力发展本地区竹产业，提升竹子附加值，拉动产业链条，对本地区的经济、社会发展都具有重要的意义。

2.2.4 张落水次数及速率 日间水位上涨(落)数为涨(落)水率(Vr、Vd，m/d)，连续日间水位上涨(落)为一次涨(落)水(Nr、Nd，次)，统计建库前后每年涨落次数以及年均涨落水速率，以相应指标发生频率25%和75%处的值作为阈值，水位的涨落次数及速率与某些搁浅在水边的生物或植物根系与水源保持接触能力有关，同时保证湖泊的自净能力.

3 结果分析

3.1 水位突变点

采用滑动t检验法对城陵矶年均水位序列进行突变点检测，0.05显著性水平下最可能的突变点为1980年和2004年. 水位序列是否具有一致性决定于流域的气候条件和下垫面条件是否稳定，从长江上的历史事件来看，两次突变可能是流域内气候条件变化加上葛洲坝截流、三峡水库蓄水所致. Yuan等[40]研究显示，1980年前后洞庭湖水文情势发生变化气候影响占主导地位，而2003年前后水文情势发生变化人类活动的影响占主导地位，同时根据廖文婷等[41]的研究，相对于三峡建库而言葛洲坝截流导致的其下游水流条件变化贡献率很小，这主要是由于葛洲坝水利枢纽属于低水头径流式水电站，径流调节能力较小，因此长江中游城陵矶水位因人类活动导致的突变点最可能是2004年，三峡蓄水后第一年.

3.2 三峡建库前后城陵矶水位特征分析

3.2.1 日水位过程分析 建库前城陵矶站水位年内变化为典型的单峰分布(图2a)，具有明显的高、低水位变化，整体而言，年初到7月水位逐渐上升到最大值随后下降，多年日平均水位变化范围为17.66～28.57 m，多年最高水位变化范围为20.47～33.89 m，多年最低水位变化范围为15.25～24.96 m，同一天多年最高水位与多年最低水位差值变化范围为4.8～13.16 m；建库后该站水位年内分布图形态与建库前相同(图2b)，但建库后汛期多年最高水位较建库前有明显降低，年初枯水期多年最低水位较建库前有明显上升，年内水位过程曲线明显坦化，且汛末三峡蓄水期多年最低水位较建库前有所降低. 建库后多年日平均水位变化范围为18.9～28.42 m，多年最高水位变化范围为19.69～32.57 m，多年最低水位变化范围为17.28～26.37 m. 同一天多年最高水位与多年最低水位差值变化范围为1.85～8.91 m，较建库前有明显减小.

图2 三峡建库前、后城陵矶站水位日变化Fig.2 Diurnal variation of water level in Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

3.2.2 月平均水位过程分析 根据计算结果(表1)，三峡建库前月平均水位变化范围为17.86～28.17 m，建库后月平均水位变化范围为19.16～28.02 m，年内最高与最低月平均水位差变小. 1-6月，月平均水位较建库前升高，变化值为0.17～1.45 m，最大变化率为7.6%；7-11月，月平均水位较建库前降低，变化值为-0.15～-1.80 m，最大变化率为-7.3%，而12月份水位平均升高了0.34 m，变化率为1.8%，由于三峡水库的调度调节，东洞庭湖枯水期水位上升，汛期水位降低.

3.2.3 年最高、最低水位分析 从建库前后年最低水位大小来看，建库前年最低水位为15.25～18.83 m，多年平均最低水位为16.95 m；建库后最低水位为17.92～18.63 m，多年平均最低水位为18.25 m；可以看出建库后年最低水位整体比建库前有了明显的升高，且变化范围减小(图3a). 从建库前后最高水位大小来看，建库前年最高水位为26.23～33.89 m，多年平均最高水位为30.04 m；建库后最高水位为27.38～32.57 m，多年平均最低水位为29.85 m，建库后年最高水位相对于建库前略有降低(图3b).

3.2.4 高低水位发生次数及历时 将1953-2003和2004-2018年日水位序列分别排序，取25%和75%频率下的水位作为高、低水位，建库前高水位为25.45 m，低水位为19.94 m，建库后高水位为24.98 m，低水位为20.44 m. 分别统计建库前后每年高低水位发生次数及平均持续时间(表1)，从高低水位发生次数来看，建库前后高低水位发生次数没有太大的变化，均为2次左右. 从建库前后高低水位持续时间来看(图4)，建库前多年平均高水位持续时间为62.83 d/次，建库后多年平均高水位持续时间为76.13 d/次，增加约13 d/次，变化幅度为21.2%；建库前多年平均低水位持续时间为82.54 d/次，建库后多年平均低水位持续时间为62.51 d/次，减少约20 d/次，变化幅度为24.3%.

图4 三峡建库前、后城陵矶站高、低水位持续时间Fig.4 Duration of high (low) water level of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

图5 三峡建库前、后城陵矶站涨、落水次数Fig.5 Frequency of water level condition changes of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

图6 三峡建库前、后城陵矶站涨、落水速率Fig.6 Means of all positive (negative) difference between consecutive daily means of water level of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

3.3 城陵矶适宜生态水位分析

由于检测出水文突变点为2004年，可认为东洞庭湖区生态系统已经适应了突变前1953-2003年的水位过程，因此本文利用1953-2003年的实测水位资料计算城陵矶的适宜生态水位. 基于城陵矶1953-2003年逐日水位资料，采用上文(2.2节)所提出的适宜生态水位计算指标体系计算城陵矶适宜生态水位(表1)，由于高低水位发生次数建库前后平均发生次数均为2次，因而在适宜生态水位过程的需求中不考虑高低水位发生次数，适宜生态水位过程需同时满足以下内容：1-12月月平均水位：17.07～18.34、17.15～18.89、17.65～22.23、20.25～22.15、22.85～24.9、24.31～26.44、26.88～29.16、25.79～28.32、25.12～27.56、23.59～25.88、20.65～22.81、18.58～19.88 m；年最低水位及其发生时间：16.21～17.86 m，发生时间第16～51天(年积日)；年最高水位及其发生时间：28.54～31.48 m，发生时间第187～211天(年积日)；高水位平均持续时间32.62～81.32 d/次，低水位平均持续时间52.13～107.65 d/次；涨水次数21.9～26.45次，涨水速率0.17～0.21 m/d；落水次数23.17～27.6次，落水速率0.12～0.14 m/d.

三峡建库后城陵矶适宜生态水位满足情况分析，基于城陵矶适宜生态水位计算结果，分析城陵矶2004-2018年水位是否满足其需求(表1)，三峡建库后大部分时间能够满足需求，但消落期1月份多年月平均水位(19.17 m)较适宜生态水位需求(17.07～18.34 m)最大值高0.83 m，2月份多年平均水位(19.16 m)较适宜生态水位需求(17.15～18.89 m)高0.27 m；蓄水期10月月平均水位为22.76 m，较适宜生态水位需求(23.59～25.88 m)最小值低了0.83 m，不能满足需求. 建库后多年平均最低水位为18.25 m，高出适宜生态水位需求(16.21～17.86 m)0.39 m，发生在第10天(为第16～51天)，先于需求6天；建库后多年平均最低水位为29.85 m，发生在第207天，均满足需求(28.54～31.48 m，第187～211天). 建库后高水位平均持续时间76.13 d/次，满足阈值要求；建库后低水位平均持续时间62.51 d/次，满足阈值要求；建库后涨水次数30次，高于阈值要求4次，建库后涨水速率0.16 m/d，低于阈值要求0.01 m/d；建库后落水次数29.73次，高于阈值要求2次，建库后落水速率0.12 m/d，等于阈值下限.

4 讨论

将本文计算所得生态水位与采用同站水位数据进行生态水位的研究成果进行对比分析，汇总如表2所示(数据已换算至黄海高程). 程俊翔等[29]、杨毓鑫等[42]分别采用天然水位资料法、年保证率法、最低年平均水位法、生态水位法、湖泊形态分析法及生物最小空间需求法等方法计算得到东洞庭湖最低生态水位，上述研究中天然水位资料法、年保证率法、生态水位法是基于年均水位进行计算，是对湖泊年均最低水位的约束，而本文旨在算出适宜生态水位过程，且文中适宜生态水位过程是逐月平均水位和极端水位发生时间、高低水位发生次数以及水位涨落情况共同约束的结果，无法直接对月水位过程进行平均得出年均水位与已有成果进行比较；最低年生态水位法是多年平均最低水位乘以权重得到最低生态水位，其中权重由专家打分，无法获知其打分依据；生物最小空间需求法基于日均水位，从不同的生态需求出发得到最低生态水位，而本文是用指标从生态系统整体出发进行约束得到适宜生态水位过程；湖泊形态分析法基于湖泊形态计算生态水位，在湖泊枯水期低水位附近湖泊面积随水位变化最大处对应的水位为最低生态水位，即在该水位下，湖泊水位每降低一个单位，湖泊水面面积的减少量将显著增加，相应的湖泊功能的减少量也将显著增加[27]，这个方法主要是从湖泊地形的角度，保证湖泊面积来保证生态系统不崩溃，与本文方法的角度不同、目的不同. Zhang等[43]采用冗余分析法和响应面分析法以洞庭湖水鸟丰富度为目标计算了最低保护水位，低于本文枯期水位要求的下限，因而满足本文的水位过程要求，就可满足洞庭湖水鸟枯期对水位的需求. 梁婕等[33]拟合1952-1980年各月月平均水位的最适合的概率分布函数，认为概率最高的月平均水位作为当月的生态水位，由此得出东洞庭湖逐月生态水位，该成果3月份生态水位低于本文3月份水位要求下限3 cm，其他月份均在本文第一类指标月均水位范围内.

表2 东洞庭湖湖区生态水位研究成果对比

上述方法所计算的结果均为较为单一的水位指标，本文则从整体考虑生态系统的健康发展研究东洞庭湖的适宜生态水位，计算成果包括12个月月平均水位、最高水位及其出现时间、最低水位及其出现时间、高低水位发生次数、高低水位平均持续时间、涨落水次数、涨落水速率等共24个指标作为适宜生态水位计算指标体系，更为全面的约束生态系统的健康发展，且每个指标给出了相应的阈值为适宜生态水位指标的范围，更具可操作性.

5 结论

本文基于城陵矶站1953-2018年的逐日水位资料，采用滑动t检验法对年平均水位序列进行突变检验. 将维持河流湖泊生态系统健康发展的水位阈值作为适宜生态水位，分析城陵矶水位突变之前的变化规律，并借鉴IHA指标和RVA法提出一种包括逐月生态水位阈值和年内水位波动范围在内的适宜生态水位指标体系计算其适宜生态水位，分析突变后的水位是否满足适宜生态水位需求，得出主要结论如下：

1)城陵矶站年均水位由于人类活动导致的最可能的突变点为2004年，即可认为三峡水库蓄水导致其下游年均水位开始变化的时间为2004年.

2)三峡水库蓄水前，东洞庭湖适宜生态水位需求包括以下内容，逐月水位：17.07～18.34、17.15～18.89、17.65～22.23、20.25～22.15、22.85～24.9、24.31～26.44、26.88～29.16、25.79～28.32、25.12～27.56、23.59～25.88、20.65～22.81、18.58～19.88 m；年最低水位：16.21～17.86 m，发生时间第16～51天(年积日)；年最高水位：28.54～31.48 m，发生时间第187～211天(年积日)；高水位平均持续时间32.62～81.32 d/次，低水位平均持续时间52.13～107.65 d/次；涨水次数21.9～26.45次，涨水速率0.17～0.21 m/d；落水次数23.17～27.6次，落水速率0.12～0.14 m/d.

3)三峡建库后城陵矶站大部分时间能满足建库前适宜生态水位需求，但三峡消落期1、2月月平均水位比适宜生态水位需求高0.83、0.27 m；蓄水期10月月平均水位比适宜生态水位需求低0.83 m；多年平均最低水位高出适宜生态水位需求0.39 m，发生时间先于适宜生态水位需求6天，涨水次数高于阈值要求4次，涨水速率低于阈值要求0.01 m/d；落水次数高于阈值要求2次. 由于三峡建库后城陵矶水位不满足适宜生态水位需求的时间较少，且三峡运行后，其上游溪洛渡、向家坝等水库也相继投入运行，因此可考虑通过三峡及上游梯级水库群调度来解决东洞庭湖区生态水位需求问题.