抚仙湖适宜生态水位研究及水位改变度分析

谷桂华，杨 侃，杨文春，朱文祥，李红明，林家阳，陈佳林

（1.云南省水文水资源局玉溪分局，云南玉溪653100；2.河海大学水文水资源学院，南京210098）

抚仙湖是我国第二深淡水湖，系珠江源头第一大湖，总蓄水量206.2 亿m3，综合水质长期保持Ⅰ类，是滇中地区社会经济可持续发展的重要载体和生命线。抚仙湖南部有2.2 km 长的隔河与星云湖连通，自然状态下星云湖水从隔河流入抚仙湖，抚仙湖水又从东岸海口河流入南盘江。随着区域社会经济的快速发展，星云湖水体污染日趋严重，湖泊富营养化程度日趋加剧，对下游的抚仙湖保护造成了严重的危害。河湖水系连通是解决湖泊水环境和水生态问题的重要手段［1］。2003年底，抚仙湖-星云湖出流改道工程开工建设，目的是改变星云湖水的出流方向，使优质的抚仙湖水倒流入星云湖，达到抢救星云湖、保护抚仙湖的目的［2］。2007年底，出流改道工程竣工运行后，连接星云湖和抚仙湖的隔河流向改变，抚仙湖成为星云湖的上级湖，其部分水量经隔河泻入星云湖；从2009年至今，抚仙湖均未从海口河出流。抚仙湖-星云湖出流改道工程的建成运行改变了抚仙湖水文水动力条件，对湖区的生态平衡将产生一定影响。抚仙湖作为珠江源头第一大湖，其水生态安全性直接关系滇中地区和珠江水系及泛珠三角经济圈的生态安全。因此，抚仙湖水生态研究已成为一个重要课题。

近年来，有关学者对抚仙湖水环境和水生态开展的研究中，吉正元等［3］根据近年浮游植物和部分水质理化指标监测数据，对抚仙湖浮游植物群落结构及其与环境因子的关系进行了研究，还通过设置样点并进行相关监测统计，分析抚仙湖浮游植物群落结构特征及其对水质的响应［4］；秦洁等［5］通过野外调查及实验室研究的方法，对抚仙湖浮游植物群落结构及物种多样性进行了分析；李彪等［6］则通过分析样点表层沉积物（0～5 cm）AVS 与SEM 分布特征，对全湖重金属潜在生态风险进行了评估，认为抚仙湖全湖尤其是南部湖区重金属生态风险需引起重视。

湖泊水位同河道流量一样，是形成湖泊的重要因子，支撑着湖泊生态系统服务功能［7］，它能最直观地反映湖泊水情，湖泊水量水质的变化会通过水位的变化表现出来［8］，水位变化直接影响湖泊生态系统功能［9，10］。因此，研究湖泊的生态水位需求，是一个十分重要的课题。杨毓鑫等［11］利用长系列水文资料采用多种方法分析了东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的最低生态水位；黄兵等［12］根据洞庭湖水文地理特征，以区域内水文站月均水位为研究对象，分析东、南、西洞庭湖水文变异原因及其变异条件下的生态水位；陈玥等［13］利用长系列日水位资料和实测日降水数据分析了高邮湖的生态水位和保障程度；贺金等［14］提出了基于丰平枯水年的逐月生态水位计算法并应用于鄱阳湖；刘剑宇等［15］基于鄱阳湖水文特征，建立鄱阳湖最小生态需水计算模型，计算鄱阳湖最小生态需水量。

目前，针对抚仙湖生态水位的研究较少。本文基于IHA（Indicators of Hydrological Alteration）法和RVA（Range of Variability Approach）法，以抚仙湖海口水位站1953-2019年日水位观测数据为基础，开展抚仙湖适宜生态水位研究。IHA 和RVA法一般是应用于河流生态流量和河道水文情势演变分析。王鸿翔等［16］将该方法运用于湘江的生态流量研究中，得到能够满足湘江生态保护需求的生态流量结果。周星宇等［17］则运用主成分分析法对IHA 法在河流水文情势变化特征评价时各指标相关性和冗余度对整体评价偏差的问题进行了分析，从中优选出合理的评价指标。彭涛等［18］也将IHA 和RVA 法运用于丹江口水库建成运行后对汉江水文情势变化的影响研究。本文借鉴这种生态水文学方法，参照梁婕等［19］研究，将出流改道工程运行前抚仙湖从海口河正常出流（1953-2008）的水位作为维持抚仙湖生态系统健康发展的水位过程，计算抚仙湖生态水位需求过程，同时计算2009-2019年湖泊水位的改变度，评价2009-2019年期间湖泊生态水位的满足程度。以期为抚仙湖水生态保护、水资源调度管理提供科学参考。

1 研究区概况

抚仙湖地处滇中玉溪市境内，跨澄江市、江川区和华宁县，地理位置为东经102°49'～102°57'、北纬24°21'～24°38'之间，处于金沙江与珠江两大流域的分水岭地带，属珠江流域南盘江水系，省级自然保护区。抚仙湖是云南高原抬升过程中形成的断陷型深水湖泊，现状集水面积674.69 km2（已经扣除了出流改道工程建成运行后星云湖区集水面积）。湖泊东、南、西三面环山，北面与澄江坝子相连，湖面形似葫芦状，南北向发育，中间窄两端宽，中间细长如颈。当湖水位1 723.35 m 时，湖长约31.4 km，湖最宽处约11.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m，湖岸线总长约100.8 km，水面面积216.6 km2，相应蓄水量206.2 亿m3。从地理位置关系角度看，抚仙湖和星云湖为云南省九大高原湖泊中的姊妹湖，处于滇中湖群五大湖泊（抚仙湖、星云湖、杞麓湖、阳宗海和滇池）的中心部位，东邻南盘江，南与杞麓湖流域相隔，西望滇池流域，北接阳宗海流域。

抚仙湖是我国水质较好的淡水湖泊之一，蓄水量占云南九大高原湖泊蓄水总量的68.3%。抚仙湖流域入湖河流103 条，主要入湖河流34 条，这些河流大多是间歇性的山区河流，并呈辐合状汇入抚仙湖。流域多年平均降雨量950 mm，5-9月降水量约占全年降水量的75%；多年平均水面蒸发量为1 450 mm，多年平均气温为15.6 ℃。抚仙湖流域水系见图1。

图1 抚仙湖流域水系示意图Fig.1 Water system of Fuxian Lake Basin

2 数据和方法

2.1 数 据

本文选用抚仙湖东岸海口水位站1953-2019年日水位资料进行分析，资料来源于水文年鉴和云南省水文资料整编成果。本次分析所有水位数据都已换算到现行1985 国家高程基准。抚仙湖海口水位站位置示意见图1。

2.2 分析方法

2.2.1 线性趋势分析法、M-K法和累积距平法

本次采用线性趋势分析法中的一元线性回归法［20］进行抚仙湖年平均水位的变化趋势分析；Mann-Kendall 秩次相关法（简称M-K 法）［21］主要用于检验年水位变化趋势的显著性。用累积距平法［22］分析年水位系列突变性。

2.2.2 IHA/RVA法

IHA 法［23］是河流生态流量指标法，RVA 法［24］是指标范围法。通常以自然变化下IHA 各指标发生率的75%和25%作为RVA 阈值的上下限，认为该阈值能够满足水生生物生态需水的变动范围［25-27］。

本文借鉴IHA 法指标体系以及RVA 阈值范围法对抚仙湖生态水位进行计算分析［28］。在IHA法33个指标体系［29］中，根据抚仙湖水位波动情况，采用24个指标作为适宜生态水位计算指标体系：每月水位（1-12月月平均水位）、年极端水位（最高水位、最低水位）、年极端水位出现时间（最高水位、最低水位出现时间）、高低水位的频率和持续时间、涨落水次数、涨落水速率，每个指标相应的阈值为适宜生态水位需求［30］。

（1）每月水位。主要为水生生物提供栖息地、保持植物所需土壤水分、为陆生生物提供饮用水、为水生生物提供保护场所等。选用多年水位序列中每个月多年月平均水位作为抚仙湖每个月的适宜生态水位指标，分别以各月月平均水位发生频率为25%、75%的值作为当月适宜生态水位阈值要求，用以满足各个时期不同生物对水位的需要。

（2）年极端水位及其出现时间。年极端水位主要影响生物体之间竞争的平衡、湖区的形态和自然生境、植物适应性扩张、湖泊植物群落的分布等；年极端水位出现时间主要为满足生物体生命周期的需要。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。

（3）高、低水位和持续时间。主要会对植物缺水、洪泛区生物安全性等造成影响。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。分别以日水位序列频率的25%、75%为高、低水位，根据相关研究［31，32］，把高于高水位时间持续7 d 及以上情况作为高水位事件，同理低于低水位时间持续7 d 及以上情况作为低水位事件。用年内高（低）水位总持续时间除以高（低）水位事件次数作为高（低）水位平均持续时间。以相应指标发生频率25%和75%处的值作为阈值统计每年高/低水位发生次数及年内高/低水位平均持续时间。

（4）涨落水次数及速率。日水位涨（落）量为涨（落）水速率，以m/d表示。连续日际水位上涨（落）为一次涨（落）水，本文根据抚仙湖水位变化实际情况，以日际涨（落）≥0.02 m 的情况或连续2 天及以上涨（落）≥0.01 m 的情况为一次涨（落）水。统计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。

（5）湖泊水位变化指标改变度。

式中：Ai为第i个参数的水文改变度；ei为变异后水文序列IHA指标值在25%～75%之间的实际年数；e0为水位变异后IHA 指标值在25%～75%之间的预期年数，通过γ×et来计算。

本文中，由于以各参数的75%和25%作为RVA 的阈值，则γ=50%，et为水位变异后受影响的水文序列总年数。判断水文改变度的标准为［33］：式（1）中0≤Ai＜33%，属于低度改变；33%≤Ai＜67%，属于中度改变；67%≤Ai＜100%，属于高度改变。

参考郭强等研究［34］，湖泊整体改变度计算如下：

式中：A0为湖泊整体改变度；N为指标项数。

3 抚仙湖生态水位分析

3.1 不同尺度水位过程特点

3.1.1年平均水位变化趋势和变异节点划分

1953-2019年抚仙湖多年平均水位1 722.04 m，最高日水位1 723.45 m（2007年9月4日），最低日水位1 720.45 m（2014年6月5日）。通过一元线性诊断（图2），看出1953-2019年抚仙湖多年平均水位呈波动下降趋势；经Mann-Kendall 秩次相关检验，该下降趋势不显著。用累积距平法检验得到抚仙湖年平均水位系列均值在2011年前后发生显著跳跃（图3），由于抚仙湖-星云湖出流改道工程运行后，从2009年起，抚仙湖就不再从海口河出流，完全改变了湖泊历史自然水循环状态，因此综合确定抚仙湖水位系列变异节点为2009年。

图2 抚仙湖1953-2019年多年平均水位过程Fig.2 The average water level of Fuxian Lake from 1953 to 2019

图3 抚仙湖1953-2019年年平均水位累积距平曲线Fig.3 Annual average water level accumulation anomaly curve of Fuxian Lake from 1953 to 2019

以1953-2008年代表抚仙湖水位天然状态时期（出流改道前），多年平均水位1 722.13 m；2009-2019年（出流改道后）抚仙湖完全改变水循环状态后的多年平均水位为1 721.61 m，比天然状态时期降低了0.52 m。

3.1.2 月平均水位变化

从多年平均月水位过程来看（图4），出流改道前后的月平均水位变化趋势基本一致，年内高值和低值都分别出现在10月份和5月份。相比1953-2008年，2009-2019年各月平均水位和最低月水位分别偏低0.52和0.43 m，最高月水位则是1-7月（落水期）平均偏高0.12 m，8-12月（蓄水期）平均偏低0.40 m。

图4 出流改道前后抚仙湖月水位过程Fig.4 The water level process of Fuxian Lake before and after the outflow diversion

3.1.3 日水位变化

从多年平均日水位过程（图5）能更加明显看出，2009-2019年的水位过程平均比1953-2008年的低0.52 m，但水位涨落变化趋势基本一致，2009年前后系列年内低水分别发生在第136日、第138日，高水分别发生在第279日、第284日。

图5 抚仙湖多年平均日水位过程Fig.5 The average daily water level process of Fuxian Lake for many years

3.2 月平均水位过程

经皮尔逊-Ⅲ型频率计算，得到1953-2008年适宜生态水位及其阈值，并应用式（1）计算得到2009-2019年水位系列的改变度，见表1。

表1 抚仙湖月水位阈值及2009-2019年改变度计算结果Tab.1 Calculation results of fuxian Lake's monthly water level threshold and change degree from 2009 to 2019

1953-2008年月 平均 水 位在1 721.82～1 722.42 m 之 间变动，2009-2019年月平均水位在1 721.42～1 721.78 m 之间变动；相比1953-2008年，2009-2019年月平均水位系列的改变度为27.3%～63.6%，除了7月份为低度改变外，其他月份均为中度改变。

从出流改道前（1953-2008年）、后（2009-2019）系列月水位变幅看（图6），总体上出流改道后，抚仙湖月水位变幅增大，其中1-8月后者大于前者约0.5 m，9月、10月两者相差较小，到了11、12月则前者略大于后者。

图6 出流改道前、后月水位变幅Fig.6 Fluctuation of water level before and after discharge diversion

3.3年极端水位及其发生时间

出流改道前（1953-2008年）年最高水位（Zmax）为1 722.18～1 722.87 m，发生时间（TZmax）在第235～304 d（年积日）；最低水位（Zmin）为1 721.40～1 722.03 m，发生时间（TZmin）为第127～154 d（年积日）。出流改道后（2009-2019年），年最高水位改变度为45.5%，最低水位改变度为27.3%；年最高、年最低水位发生时间改变度分别为9.1%和27.3%。年极端水位的改变程度基本属于中低度变化。见表2和图7。

表2 抚仙湖年极端水位及其发生时间、2009-2019年改变度计算结果Tab.2 Calculation results of annual extreme water level of Fuxian Lake，its occurrence time and variation degree from 2009 to 2019

图7 出流改道前、后年极端水位变化过程Fig.7 The change process of extreme water level before and after the outflow diversion

3.4 高低水位和持续时间

对1953-2008年系列逐日平均水位进行皮尔逊-Ⅲ型频率计算，分别以25%、75%频率对应水位为高、低水位（见表3）。1953-2008年系列高、低水位分别为1 722.27 和1 721.98 m。年内高水（日水位高于1 722.27 m 的情况）发生次数一般为0～2次，持续时长为23～150 d/次；年内低水位（日水位低于1 721.98 m 的情况）发生次数一般为0～2次（仅1960年是3次），持续时长为38～183 d/次。

表3 抚仙湖高低水位及其持续时间、2009-2019年改变度计算结果Tab.3 Calculation results of the high and low water level of Fuxian Lake，its duration and change degree from 2009 to 2019

2009-2019年系列相比1953-2008年系列，高水位降低了0.59 m，低水位降低了0.45 m，高低水位改变度均为63.6%；虽然高、低水发生次数都是0～2次，变化不大，但高、低水持续时长改变度分别为81.8%、63.6%；除了高水持续时长为高度改变外，其他均为中度改变。

3.5 涨落水次数及速率

对1953-2008年日水位系列中以日际涨（落）≥0.02 m 的情况或连续2 d 及以上涨（落）≥0.01 m 的情况为一次涨（落）水。分别统计每年日际水位涨落次数以及年均涨落水速率，并以各指标发生频率25%和75%处的值作为阈值（见表4）。

表4 抚仙湖涨落水次数及其速率、2009-2019年改变度计算结果Tab.4 Calculation results of the frequency and rate of the fluctuation of Fuxian Lake and its variation degree from 2009 to 2019

1953-2008年抚仙湖年内日际水位涨水次数为8～18 次，落水次数为5～14 次，涨水速率为0.014～0.020 m/d，落水速率为0.004～0.025 m/d。2009-2019年日际涨落水次数分别在2～31次之间和5～29 次之间，涨落水速率分别在0.016～0.022 m 之间和0.008～0.017 m 之间。相比1953-2008年，2009-2019年涨落水次数为低度改变，涨水速率为中度改变，落水速率为高度改变。

3.6 总体改变度与适宜生态水位

3.6.1 总体改变度

抚仙湖水位各项指标改变度2009-2019年相比1953-2008年，除了高水持续时长和日际落水速率为高度改变外，其他指标改变度在9.1%～63.6%之间，均为中低度改变。由以上各项抚仙湖水位指标改变度计算结果，根据式（2）计算得到2009-2019年抚仙湖水位总体改变度为52.2%，属于中度改变。

3.6.2 适宜生态水位

抚仙湖-星云湖出流改道工程改变了抚仙湖历史自然出流状态，2009年起抚仙湖就没再从海口河出流。将抚仙湖从海口河正常出流时期1953-2008年共56年的水位作为维持抚仙湖生态系统健康发展的水位过程，以上计算得到的抚仙湖1953-2008年每月水位、年极端水位及其出现时间、高低水位的频率和持续时间、涨落水次数、涨落水速率等24 项指标相应的阈值为适宜生态水位需求，抚仙湖全年适宜生态水位需求为1 721.48～1 722.74 m。1-12月适宜生态水位依次：1 721.8～1 722.46、1 721.69～1 722.35、1 721.6～1 722.25、1 721.54～1 722.16、1 721.48～1 722.12、1 721.56～1 722.19、1 721.7～1 722.35、1 721.9～1 722.56、1 722.02～1 722.72、1 722.06～1 722.74、1 722.01～1 722.71、1 721.93～1 722.61 m；年最高水位：1 722.18～1 722.87 m，发生时间为第235～304 d（年积日）；年最低水位：1 721.40～1 722.03 m，发生时间为第127～154 d（年积日）；高水位为1 722.27 m（发生0～2 次），平均持续时间为23～150 d/次；低水位1 721.98 m（发生0～2 次），平均持续时间为38～183 d/次；日际涨水次数为8～18 次，涨水速率为0.014～0.020 m/d；日际落水次数为5～14次，落水速率为0.004～0.025 m/d。

3.6.3 2009年以来湖泊生态水位满足程度

根据抚仙湖各月适宜生态水位阈值，对2009-2019年抚仙湖生态水位满足情况以月为单位进行分析，见表5。2009年、2012-2017年抚仙湖各月水位均不满足生态水位阈值区间需求；2010年、2011年、2018年和2019年满足程度依次为：41.7%、75%、83.3%和58.3%。11年里，满足生态水位阈值区间需求的共31个月，总体满足程度为23.5%。

表5 2009-2019年抚仙湖生态水位满足程度评价Tab.5 Evaluation of ecological water level satisfaction in Fuxian Lake from 2009 to 2019

3.7 抚仙湖水位变异驱动因素

抚仙湖水位动态变化驱动因素主要是气候（降水、蒸发等）变化和人类活动影响［35］，是气候变化和人类活动综合作用的结果［36］。人类活动在短期内对湖泊水位变化产生影响，气候变化则是长期影响湖泊水位变化的重要因素。气温、地面蒸发量、降水量等气候要素是抚仙湖面积和体积变化的主要驱动力和制约因子，气象指标对抚仙湖水位变化的贡献率为64.5%［10］。

2009-2013年抚仙湖流域连续多年干旱，经水文资料统计，流域年均降水量低于多年平均19%；流域水资源开发利用程度较高，2019年区域水资源开发利用率达67.5%，已属于用水总量管理红区［37］，社会经济用水矛盾十分突出。所以，由于极端气候和人类活动的影响，2009-2019年期间，抚仙湖水位发生了下降趋势的改变，总体为中度改变。

4 结论与讨论

（1）基于水文变化指标（IHA）、变化范围法（RVA）是借鉴了河流流量的变化评估方法，本文尝试应用于云南高原湖泊抚仙湖生态水位的变化评估分析，得到的各生态水位阈值较直观明确。但是本次没有划分丰平枯的不同来水年型，分析结果可能掩盖湖泊自然规律中丰、平、枯的天然水文情势变化。日后将基于丰平枯水年继续加强抚仙湖生态水位的研究。

（2）本次应用资料为长系列逐日数据，但计算水位改变度资料系列仅11年，未来还需从更广泛的视角、利用科学合理的数据和方法，对抚仙湖水生态环境评价、湖泊治理与环境保护等进行持续深入研究，为抚仙湖保护提供科学支撑。