湖泊单一及综合控制水位研究现状及趋势

翟丽妮 关洪林 崔永德 舒彩文

摘要：湖泊作为天然的水域形态之一，既是水资源的聚宝盆又是水问题的聚集地，随着社会经济的发展，湖泊所承载的功能需求也越来越多，如何实现湖泊生产、生活和生态功能的协调和统一，将是今后很长一段时间内湖泊管理工作必然要面临的重点和难点问题。而对湖泊水位及其变幅的控制是实现湖泊多种功能有效发挥的关键技术。其中，防洪蓄涝水位的研究重点在于汛期分期和降雨径流预报;生态景观水位的研究重点在于保护目标与水位变幅之间的定量关系;水质调控水位的研究重点在于数据监测和模型构建;综合控制水位的研究重点在于湖泊功能的定位、排序与取舍。

关键词：湖泊水位;防洪蓄涝;生态景观;水质调控

中图法分类号：TV122.5 文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.004

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0023 - 06

1 研究背景

湖泊一般具有多种功能，而要保证湖泊某项功能的正常发挥，相应的水位就要控制在一定的范围内。例如，防洪蓄涝功能需设置汛期蓄水的上限，以腾空足够的蓄水容积;生态保护功能需设置全年蓄水的上限和下限，以确保水生动植物的正常生长和繁殖;环境友好功能需设置全年蓄水的下限，以赋予水体一定的纳污能力;灌溉供水功能则希望在满足取水工程高程要求的前提下，能够最大限度满足周边经济社会发展的无限用水需求。因此，湖泊每一种功能的正常发挥都对应着一定的水位控制要求，其中，能够实现湖泊多重功能协调与平衡的水位称为综合控制水位。本文将分别对湖泊防洪蓄涝、生态景观、水质调控等单一功能控制水位及湖泊的综合控制水位的研究现状进行综述。

2防洪蓄涝水位

湖泊的防洪蓄涝水位等价于水库的汛限水位，目前所采用的手段主要是汛期分期和汛限水位的调整与运用。

2.1 汛期分期

国内对于汛期分期的研究大致经历了从定性分析到定量研究，从单一方法到多种方法的发展历程。20世纪80年代初期以定性分析为主，并形成了成因分析和数理统计两类较为完善的分析方法[1-5]。从20世纪90年代开始，汛期分期的定量研究得到了长足发展，涌现出了许多的计算方法和分析技术。目前较常用的几种方法有：模糊分析法[6-7]、变点分析法[8]、分形分析法[9]、系统聚类法[10]、Fisher最优分割法[11]、K均值法[12]等。

2.2 汛限水位的调整与运用

水库防汛调度的实践经验表明，每年汛期来水虽是随机的，但经常出现的还是中小洪水。因此，在掌握洪水季节性变化规律的基础上，通过调整水库的蓄泄关系，开发利用洪水资源，是缓解水资源短缺的有效途径。目前所采用技术手段包括：

（1）水库库容的重新分配。以美国为代表，Wurbs等[13-14]在20世纪80年代针对得克萨斯州水资源短缺的状况，提出了水库库容重新分配的思路：①根据用水需求和洪灾风险的变化动态评估和调整水库库容;②充分利用河川径流的季节性变化规律合理确定不同时期水库的防洪与兴利水位。

（2）汛限水位静态控制。包括固定汛限水位和分期汛限水位两种模式。目前，可用于汛期分期的方法有：随机水文模拟法[15]、组合频率法、库水位法[16]、峰量综合控制法[17]等。另外，模糊数学[6]、模糊水文学分析[18]和最小二乘法[19]的运用在一定程度上解决了分期汛限水位的跳跃问题。

（3）汛限水位动态控制。包括考虑预报信息的预蓄预泄法[20]、分析各影响因子的综合信息推理模式法[21]以及耦合实时预报调度系统的水位优选法[22]。例如，韦余广[23]将基于混合线性回归模型的降雨预测用于杭州市四岭水库汛限水位的动态控制;建剑波等[24]利用蒙特卡洛法对水库汛限水位动态控制的风险进行了分析，得出了风险极低的结论。

2.3 防洪蓄涝水位研究趋势

未来对于合理确定湖泊防洪蓄涝水位的研究主要有两大趋势：①湖泊起排水位的静态控制研究，关键是建立一套完善的适用于湖泊汛期分期的理论和方法。②湖泊起排水位的动态控制研究，关键是加强湖泊基础资料的监测，提高入湖洪水中长期预报及短期预报的精度，建立数字流域模型和实时预报调度决策支持系统。

3生态景观水位

3.1 江湖复合生态系统重要且脆弱

江湖复合生态系统即河流-洪泛平原生态系统（river-floodplain ecosystem），被世界自然基金会列为全球233个优先保护的生态区之一，由于人类活动的过度干扰，洪泛平原也被认为是世界上最濒危的景观。我国洪泛平原生态系统的健康问题除环境污染和过度利用外，拦河筑坝、江湖阻隔也是导致生态系统退化的直接原因。研究表明，江湖阻隔所造成的自然水文过程的显著变化可导致湖泊物种丰富度下降20%～50%，诱发湖泊富营养化，引起底栖动物、水生植物和鱼类等资源衰退，造成生态系统发生根本性的改变[25]。

3.2 环境水流是江湖复合生态系统的关键因子

欧洲、北美、澳洲和南非等地学者的研究发现，自然水流体制（Natural Flow Regime）是江湖复合生态系统物种繁多、物产丰富的主要驱动因子[26-27]。在长期的进化过程中，生物逐渐适应了某种周期性的水文变化规律，例如，夏秋季水位上涨时，水流会携带大量营养物质到洪泛平原，给动植物提供丰富饵料和食物，同时也为鱼类的繁殖和苗种的传播创造了有利条件。冬春季水位下降时，部分滩地裸露，有利于植物的生长和萌发。在长期的进化过程中，不同生物逐步形成了与水文周期相适应的生活史对策，水文过程的改变必然会对生物产生重要影响。因此，自然水流体制既是江湖复合生态系统形成的驱动力，又是维持生态健康必不可少的条件。周期性水文波动属于中等程度的干扰，具有抑制藻类过度繁殖、增强物种丰富度的作用;而突变性水文波动则会对生物的生長和生态系统的平衡产生巨大的扰动[28-31]。为此，学术界提出了环境水流需求（Environmental Flow Requirements）的概念，用来表征为维持有价值的生态系统特征和功能所需保持的水文情势，和所能耐受的自然水流体制的改变程度。目前，环境水流需求已成为了江湖复合生态系统水文修复的定量操作依据。

环境水流的计算方法大致可以分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法、通用法和整体法5类，各类方法的特点及常见算法详见表1。

国内环境水流的研究起步相对较晚，目前已从水文学和水力学的角度在黄河、海河、辽河、塔里木河、汉江等水系开展过较多的环境水流工作，但关于生物的研究较少，仅就中华鲟等珍稀动物栖息地模型开展过工作[41]。中国科学院水生生物研究所在生物的环境水流需求方面作了一些尝试，如建立了沉水植物对水位波动的需求模型[42]，分析了湖水叶绿素与水文要素的关系，初步建立了底栖动物的适合度模型，探讨了鱼类的洄游问题等。

3.3 湖泊生态景观水位研究趋势

目前，关于湖泊生态水位的研究主要集中在水位波动对湖泊生物群落建立和发展的影响，以及湖泊生物适应于湖泊的水位波动作出主动或者被动的响应。因此，可以通过调控湖泊水位的方法来改变湖泊生物的群落结构，还可以通过调控湖泊水位的方法来排除外来物种或促进某些本地物种的建立和发展，从而达到恢复湖泊生态系统健康的目的。

湖泊景观作为水域生态学的一部分，相关研究甚少，其研究需要将景观评价深入其中。景观评价主要应用于陆地生态系统，而在水域生态学中未见研究。城市湖泊一般都承担着休闲、游乐和景观等功能。因此，城市湖泊的水位不能过低裸露滩地，也不能太高淹没湖滨带。目前还没有成熟的理论和方法可用于城市湖泊景观水位的计算，实践中，可借鉴美景度评价法（SBE法）对湖泊水体不同水位所形成的景观进行定量评价。

4水质调控水位

4.1 湖泊水质模型研究现状

对于河湖水质模型的研究最早开始于20世纪40年代，自第一个水质模型（Streeter-Phelps模型）問世以来，相继涌现出了适用于不同水流条件、侧重不同功能的模型[43-44]。其中，较典型的模型详见表2。

4.2 湖泊水质调控水位研究趋势

湖泊水质调控水位的研究离不开湖泊水质数值模拟、物理模型、现场试验和工程技术4个方面。其中，水质数值模拟的研究趋势为：模拟范围日益扩大、状态变量不断增多，随着“3S”技术的发展，实时监测将被纳入模型系统，有望做到实时、动态地分析和解决水质调控问题;物理模型的发展趋势主要是提高模型量测精度，重点在于量测仪器的开发;现场试验的发展趋势是选择有代表性的湖泊，开展水质调控水位的现场试验，提出研究时段内湖泊水质调控水位并推广至全时段;工程技术的发展趋势主要是如何综合运用水位调控与生物措施、清淤措施、河湖连通等工程技术手段，达到改善湖泊水质的目的。

5综合控制水位

5.1 湖泊综合控制水位研究现状

目前，国内外对于湖泊综合控制水位的研究比较少见，通过文献检索，与此有一定关联的研究也屈指可数。例如，希腊的Parisopoulos等[45]针对湖泊水位综合调控管理效果的客观后评价问题，提出了3个量化指标，综合考虑了湖泊防洪、灌溉、生态等方面的需求，但其研究成果也仅局限于对既定调控方案实际运行效果的后评价，并不适用于湖泊水位运行方案的前期决策。吴颜等[46]针对新疆平原湖泊的特点，提出了湖泊最优运行水位的评价指标体系应包含社会经济指标、水文气象指标、生态环境指标以及综合评价指标等4个方面。但对于指标如何量化、如何给出可信的综合评价结论并未交代。目前，对于湖泊综合控制水位的研究，可借鉴的成果非常有限，相关的理论也并不成熟。

5.2 湖泊综合控制水位研究趋势

湖泊综合控制水位的确定本质上是处理一个具有无限方案集的多目标决策的过程，然而，受当前理论、资料、技术等条件的限制，将湖泊综合控制水位的确定转化为求解有限方案集的多属性决策是一种可行、可信的途径。无法采用多目标决策的原因在于难以建立湖泊综合控制水位的目标函数并进行求解。尤其是如何对湖泊生态保护的目标进行量化目前还处于探索阶段，加上生态监测资料的匮乏，以致提出定量评判湖泊生态好坏的指标都十分困难。因此，今后要着重建立湖泊生态资料系列，加强对湖泊生态景观保护目标及量化方法的研究。

6 结语与展望

湖泊作为天然的水域形态之一，既是水资源的聚宝盆又是水问题的聚集地，这里几乎涵盖了所有涉水的资源、环境和生态问题。大多数湖泊一般都具有防洪蓄涝、净化水质、提供生境等公益性功能，以及灌溉供水、旅游养殖等开发性功能。且随着经济实力的增强、发展理念的进步，人类对于湖泊的需求种类和层次都在不断的扩大和提升。因此，如何在众多的需求（也即矛盾）当中寻找到最佳的折中方案，从而实现湖泊生产、生活和生态功能的协调和统一，将是今后很长一段时间内湖泊管理工作必然要面临的重难点问题。要想破解湖泊综合控制水位这一复杂的系统问题，主要有如下两个方面的关键技术。

（1）湖泊单一功能控制水位的研究。其中，防洪蓄涝水位的研究重点是汛期分期、降雨洪水预报、数字流域仿真模拟、实时调度决策支持系统等，而提高洪水预报的准确度和预见期是对抗旱涝急转等天气事件最为有力的技术手段;生态景观水位的研究重点是提出具体的量化指标、甚至是能够被广泛认可的目标函数，并建立保护目标与水位变幅及其波动之间的相关关系，通过控制湖泊的水文情势来保护关键物种及其生态系统的稳定;水质调控水位的研究重点是水质监测技术、水质监测数据的积累、水文-水质-水动力耦合模型的研发与应用。

（2）湖泊综合控制水位的研究。首先是对湖泊功能进行合理的定位与排序，功能越多综合协调的难度越大，单一功能折中的幅度也越大;其次是如何运用和改进多准则决策的理论和方法，尤其是不确定性多准则决策技术在该领域的应用，具有广阔的研究前景。

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（编辑：江 文）