基于洪湖湿地生态水位控制的地下水位响应关系研究

刘 波， 李红梅， 石长柏， 袁 琴

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)

生态水位是维护生态系统正常运行的合理水位，而最低生态水位是生态水位的下限值，是维护生态系统正常运行的最低水位[1-2]。要维系湖泊湿地生态功能需要一定的水量与适宜的生态水位，在湖泊地形条件不变的前提下，湖泊水容量的多少与水位密切相关，水位高低也直接影响生物的生存和湿地生态恢复。湖泊最低生态水位是指能够保证特定发展阶段的湖泊生态系统结构稳定、发挥湖泊生态系统正常的生态功能和环境功能、维持湖泊生态多样性和生态系统完整性等所需的最低水位。

洪湖位于四湖流域下游的低洼地带，是天然的集水区域。自1962年以来，大旱期间洪湖月平均水位常常低于最低生态水位，湖泊生态需水保障率不高。目前四湖流域尚未编制生态调度方案、建立相关生态调度机制。2011年，旱情导致洪湖干涸见底[3]，影响了整个洪湖湿地生态。经过10年的生态恢复，洪湖湿地生态得到逐渐好转。相关学者对洪湖湿地最低生态水位、生态水位控制与调度进行了诸多研究，宁龙梅等[4]基于1980—2000年逐日平均数据和生态数据开展了洪湖湿地最低生态水位研究；王学雷等[5]分析了生态水位控制与江湖联系；朱志龙[6]提出洪湖最低生态水位建议值；潘传柏[7]从四湖流域水资源和水系现状提出了“外引内蓄、引蓄并重、分区治理、科学调度”的生态补水思路。相关湿地生态水位控制和生态水位调度很少考虑湿地生态水位—地下水位响应关系。通过建立湿地生态水文地质监测，了解生态水位控制下的地下水位响应关系，对于探索建立科学合理的湿地地下水位监测预警机制，划定湿地生态保护缓冲区有着十分重要的现实意义。

本文基于洪湖湿地及周边地下水环境长期监测数据、2011—2020年洪湖挖沟咀水位站逐日水位数据和2011—2020年长江螺山水文站逐日水位数据，系统分析洪湖湿地生态水位控制的地下水位响应关系，提出探索建立合理的生态水文地质监测地下水位预警机制，为洪湖湿地生态水位调度和湿地生态保护缓冲区的划分提供理论依据。

1 研究区概况

洪湖湿地地跨洪湖市和监利市，是湖北省的第一大湖泊，同时也是国家级保护区、国家重点湿地。洪湖湿地具有调蓄、生物多样性、环境净化、养殖、灌溉、旅游等多种功能[8]。洪湖围堤从福田寺起沿洪湖北岸—小港折向西南到螺山，再从螺山经过么河口、桐梓湖、三墩、周河口到宦子口，再从宦子口西折抵福田寺，闭合一周全长149.125 km。洪湖控制蓄水面积402 km2，控制运用水位：设防水位25.8 m，警戒水位26.2 m，保证水位26.97 m。洪湖是典型的蝶形湖泊，湖盆平浅，滨湖为沼泽湿地，湖岸平直。洪湖系全新世河流冲积而形成的大型河间洼地湖，湖底以砂、黏土为主，上层系净水沉积淤泥、腐殖质，表土黏重，下层砂重。大体可分为4层：①由黏土、亚黏土组成，呈黄褐色，质软可塑，按土质透水性划分为半透水层；②由粉砂土和极细砂土组成的浅砂层，呈灰色或黄褐色，为弱透水层；③由重黏土组成隔渗层(俗称青岗泥)，不透水；④由细砂、中砂和小卵石组成的深砂土，为强透水层。洪湖湿地区目前已纳入湖北省地质环境监测的地下水水位观测点有7处(图1)，纳入湖北省水文水资源中心水文监测的站点有2个，分别为洪湖挖沟咀水位站和长江螺山水文站。

图1 洪湖地下水位观测点示意图Fig.1 Schematic diagram of groundwater levelobservation points in Honghu Lake1.承压水孔及编号；2.潜水孔及编号；3.水文站；4.水位站；5.湿地边界；6.全新统郭家河组湖沼积；7.全新统郭家河组冲湖积；8.全新统郭家河组冲积；9.成因类型界线；10.河流；11.公路。

2 数据和方法

2.1 数据来源

洪湖湿地地下水水位监测数据来源于湖北省地质环境监测地下水环境监测2011—2020年5日观测监测数据；水文数据来源于湖北省水文水资源中心洪湖挖沟咀水位站、长江螺山水文站2011—2020年逐日平均水位数据。

2.2 研究方法

(1) 利用洪湖挖沟咀水位站2011—2020年10年间逐日平均水位，分析洪湖湿地10年水位变化；

(2) 采用湖泊形态法、生态水文法、天然水位资料法和生物最小空间需求法等4种计算方法计算洪湖湿地最低生态水位，分析2011—2020年10年间洪湖生态水位控制；

(3) 采用2011—2020年地下水位监测数据，分析洪湖湿地区地表及地下水动态特征；

(4) 洪湖湿地最低生态水位控制的湿地水位预警分析。

3 结果与分析

3.1 洪湖水位变化

洪湖处于四湖水系的尾端，地面径流通过四湖总干渠向湖内汇集。由于江湖阻隔，目前洪湖仅可通过涵闸与长江连通实现对湖泊水位和水量的调度。2011—2020年10年间观测资料显示(图2)：洪湖年最高水位为25.39～27.20 m(2020年7月21日，洪湖最高水位为27.20 m)，多年平均最高水位为24.71 m；年最低水位在23.20～24.26 m，平均为24.04 m；年平均水位在24.35～25.04 m波动，多年平均水位为24.71 m。

图2 洪湖最高水位、最低水位和年平均水位的年际变化Fig.2 Interannual variation of maximum water level,minimum water level and annual average water level in Honghu Lake

洪湖水位涨落变化主要受控于降水和四湖流域调度的影响。水位变化特征是4—9月份湖水位上涨，10月—次年3月，湖水位下降。从2011—2020年月平均水位变化(图3)上可看出洪湖6—10月的水位较高，大多在24.5～25.5 m，11月—次年5月水位较低，大多位于24.0～25.0 m。将2011—2020年期间6—10月和11—次年5月划分为相对高水位期和相对低水位期进行高低水位频率统计分析(图4)，低水位期频数最大值主要出现在24.0～24.5 m和24.5～25.0 m，约占低水位频数的94%；高水位期频数最大值出现在24.5～25.0 m和25.0～25.5 m，约占高水位频数的84%。

图3 洪湖2011—2020年月平均水位Fig.3 Monthly average water level of Honghu Lake from 2011 to 2020

图4 洪湖2011—2020年高低水位频次Fig.4 Frequency of high and low water levels in Honghu Lake from 2011 to 2020

3.2 洪湖生态水位控制

3.2.1洪湖最小生态水位

(1) 基于湖泊形态法的最低生态水位：根据洪湖最新实测水位—面积、水位—容积曲线(图5)，洪湖面积增加速度随水位升高呈明显的缓慢—加快—缓慢的态势，在湖泊水位23.4～23.8 m时，面积增加率最大，故确定面积变化率最大区间的最大水位23.8 m为最低生态水位。

图5 洪湖水位—面积、水位—容积曲线Fig.5 Water level-area and water level-volume curves of Honghu Lake

(2) 基于生态水文法的最低生态水位：2011年洪湖旱情导致的洲滩面积达108 km2，约占整个洪湖湿地保护区面积的1/4，影响整个洪湖湿地生态。由此可将2011年洪湖湿地生态状况作为最差的一年。洪湖2011年的最小平均水位为23.20 m，2011—2020年的多年月平均最小水位为23.34 m，则最小生态水位系数为0.994。以最小生态水位系数乘以多年各月最小平均水位即得到逐月最低生态水位(表1)。全年中以5月份计算的最低生态水位最低，其值为23.20 m，但考虑到2011年5月洪湖湿地生态遭受极端破坏情况，计算得到的最低生态水位23.20 m实际上是不能维系湖泊湿地系统所需要的最低水位的，不符合最小生态水位定义，应该予以剔除。那么剩下月份中全年以4月份计算的最低生态水位最低，其值为23.64 m，故确定洪湖最低生态水位为23.64 m。

(3) 基于天然水位资料法的最低生态水位：假定湖泊生态系统适应了多年的水位年际和年内的变化，则可取多年月均最低水位中的最小值作为最低生态水位。据统计，2011—2020年洪湖月平均最小水位中，最小值出现在2011年5月，水位为23.20 m。因此，天然水位资料法确定的洪湖最低生态水位应为23.20 m。

(4)基于生物最小空间需求法的最低生态水位：在洪湖湿地生态系统中，鱼类属于水生态系统中的顶级群落，处于食物链的中上层，对其它类群的存在和丰度有着重要作用。取鱼类作为指示生物，用公式Hemin=H+h鱼来计算。洪湖湖底平均高程约为22.5 m，以鱼类生存需求水深1 m 计算，洪湖最低生态水位为23.5 m。

表1 2011—2020年洪湖逐月最小水位和最低生态水位Table 1 Monthly minimum water level and minimum ecological water level of Honghu Lake from 2011 to 2020

(5) 最小生态水位合理性分析：以上四种基于不同理论和侧重点计算得到的最小生态水位结果各有不同，存在较大差异。湖泊形态法计算仅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。天然水位资料法只考虑了水文数据，忽略了生态环境状况。生物最小空间需求法只考虑了鱼类的生存与繁殖条件，但忽略了水文变化。只有生态水文法考虑了生态和水文两个方面情况，确定的最低生态水位23.64 m 满足鱼类生存空间的23.5 m，且大于多年最低水位23.20 m，与湖泊形态法计算的23.8 m也仅差0.16 m。与宁龙梅等[4]基于1980—2000年逐日水位数据计算的23.64 m以及朱志龙[6]提出洪湖最低生态水位建议值23.70 m大体相当。故洪湖最低生态水位定为23.64 m，是相对比较合理的。

3.2.2洪湖湿地生态水位控制分析

从保护洪湖湿地生态不退化、实现区域社会—经济—生态的可持续发展的角度考虑，最低水位应控制在最小生态水位23.64 m之上。2011—2020年洪湖10年逐日数据统计分析显示(表2)，日均水位处于最小生态水位23.64 m以下日数仅为2011年4—6月期间的46天。这与该期间遭遇70年一遇的特大干旱，降水量与往年相比减少七成有关。从2011—2020年10年间洪湖—长江—最低生态水位关系(图6)可以看出，在春冬季节，由于降雨量小，加上春灌取水，洪湖的水位较低；在6—10月，降雨量大，加上调蓄长江洪水，其水位明显上升。洪湖水位周年变化与长江水位的变化趋势相同。6—10月都有一个高峰期，其他月份水位回落，且汛期时长江水位远远高于洪湖水位，非汛期长江水位又低于洪湖水位。故洪湖湿地生态恢复和流域生物多样性保护需要结合洪湖湿地综合生态功能对湖泊水位的需求，研究建立闸站联合生态调度机制，加强水利调度和生态水位控制。

3.3 洪湖湿地地表及地下水动态

洪湖湿地区处于四湖流域下游低平原湖区。区内比较大的水体有长江、洪湖、四湖总干渠，此外还有大量的沟渠鱼塘，地表水是影响本地区地下水动态的最主要因素。

图6 洪湖—长江—最低生态水位关系图Fig.6 Relationship between Honghu Lake-Yangtze River-minimum ecological water level

3.3.1洪湖与地下水动态

洪湖湖底平均高程约为22.5 m。2011—2020年间最大水深4.70 m，最小水深仅0.7 m。洪湖湿地区浅层承压水顶板埋深一般在10 m以上，所以洪湖与承压水并无直接的水力联系。洪湖对近岸潜水是补给的，但是由于潜水含水层主要由粉砂、粉细砂、亚砂土组成，渗透性较差，因而它对潜水的直接补给范围也不大。洪湖是本地区最大的地表水，又是一个开放系统，周围的沟渠水位主要受其控制，而沟渠水位又是潜水动态最敏感的控制因素，因此洪湖对地下水的间接影响范围也是较广的。通过2018—2020年3年期间洪湖水位与Ⅱ1-3观测孔潜水位响应关系分析(图7)，洪湖水位与潜水位具有同步变化的趋势，且不存在明显的滞后性。

图7 洪湖水位与潜水位变化对比Fig.7 Comparison of water level and phreatic water level in Honghu Lake

3.3.2长江与地下水动态

城陵矶—汉口江段长江深泓线多在黄海基面5 m以下[9],洪湖湿地区承压含水层顶板标高多在9 m以上[10]，所以长江已经切穿了其承压含水层顶板，与其有着密切的水力联系。SK1、SK2孔2018—2020年3年承压水位与长江螺山水文站水位对比(图8)显示，在洪湖湿地周边地区，一般从6月到11月长江水位大于承压水位，长江对承压水进行补给；从12月到第二年5月长江水位低于承压水位，承压水向长江排泄。

图8 承压水位与长江水位关系图Fig.8 Relationship between confined water level and Yangtze River water level

长江与洪湖湿地及周边地区近岸的潜水也具有直接的补排关系。类似于承压水，每年6—11月份长江对潜水进行补给，12月—第二年5月份潜水向长江排泄。除了直接补排关系外，长江还通过影响其它地表水位而影响潜水动态。由于洪湖、四湖总干渠以及众多的沟渠塘堰均与长江有着很强的水力联系，而这些地表水又是潜水动态最主要的控制因素，因此从这个角度看，长江对潜水动态的影响范围和影响强度甚至超过承压水(表3、表4)。

表3 2011年地下水水位与长江水位相关分析Table 3 Correlation analysis of groundwater level and Yangtze River water level in 2011

表4 2018—2020年地下水水位与长江水位相关分析Table 4 Correlation analysis of groundwater level and Yangtze River water level from 2018 to 2020

从表3- 表4可以看出，地下水水位变化与长江水位变化的相关性非常好，长江对地下水的影响强度是随着距离增加而逐渐减少的。

3.4 洪湖湿地水位预警分析

3.4.1地表水位预警分析

从2011—2020年10年期间洪湖水位日平均变化来看，仅为2011年4—6月分别存在3、31和12天合计46天在最低生态水位以下，占2011年全年总日数的12.6%，其他均处于最低生态水位以上。自2011年洪湖见底以来，近10年间洪湖水位得到有效控制，湿地生态逐渐恢复。

洪湖水位可由人为控制。洪湖最低水位变化很大程度上受控于调蓄、灌溉、养殖等各功能的调和情况[10]。以生态水文法确定的洪湖最低生态水位只是从维持生态系统不退化、保证各项功能可以正常发挥的一个水位线，各部门在水位调控时应控制水位在23.64 m附近，低于此水位的时间不宜过长。洪湖湖泊水位预警可以根据生态水文法计算的逐月最低生态水位，作为湿地管理部门分时段水位控制参考标准来确定每月水位调控的底线。

3.4.2地下水水位预警分析

在地下水中，洪湖湖泊水与承压地下水并无直接的水力联系，影响洪湖湿地生态水位主要是湖泊水位。其潜水含水层主要由粉砂、粉细砂、亚砂土组成。洪湖是本地区最大的地表水，其对近岸潜水是补给的，近岸浅层潜水对洪湖水位是相当敏感的，并表现出同步变化趋势(图9)。

图9 2011年洪湖水位与潜水位变化Fig.9 Changes of water level and water table of Honghu Lake in 2011

由于现有的7处地下水水位观测点的建立并非为研究洪湖湿地生态水位控制下的地下水为响应关系，故地下水监测实际上难以准确反映维系洪湖湿地生态地下水水位预警响应。本研究通过对比分析2011年极端干旱年下洪湖水位低于最小生态水位的4—6月年潜水监测孔水位与洪湖湖泊水位的变化，再从此时间段内洪湖湖泊水位低于最小生态水位的46天中不同潜水监测孔水位与洪湖湖泊水位的5日变化(表5、表6、图10)，分析洪湖地区地下水预警水位。

表5 洪湖湖泊水位—潜水孔水位表(单位：m)Table 5 Water level of Honghu Lake-phreatic water table

表6 洪湖湖泊水位—潜水孔水位变化表(单位：m)Table 6 Change table of water level and phreatic water level in Honghu Lake

图10 2011年4—6月洪湖水位与潜水水位变化Fig.10 Changes of water level and phreatic water level in Honghu Lake from April to June 2011

在2011年4—6月，洪湖水位变化在-0.17～+1.06 m，Ⅱ1-3潜水水位变化在-0.22～+1.47 m，与洪湖湖泊水位同步变化相关性为72%；Ⅱ2-2潜水水位变化在-0.12～+0.30 m，与洪湖湖泊水位同步变化相关性为89%；Ⅱ4潜水水位变化在-0.20～0.59 m，与洪湖湖泊水位同步变化相关性为67%。Ⅱ1-3、Ⅱ2-2和Ⅱ4潜水与洪湖湖泊水位同步变化相关性平均为76%，存在较好的相关性，潜水变化基本上能反映湖泊水位的变化趋势。

在2011年洪湖湖泊水位低于最小生态水位的46天中，Ⅱ1-3潜水水位高程20.76～22.76 m，水位埋深1.21～3.21 m；Ⅱ2-2潜水水位高程21.32～22.05 m，水位埋深1.33～2.06 m；Ⅱ4潜水水位高程20.91～22.42 m，水位埋深0.25～1.76 m。从地下水水位预警角度分析，维系洪湖最低生态水位下，考虑洪湖近岸潜水孔Ⅱ1-3、Ⅱ2-2和Ⅱ4的地下水位高程预警值时宜取各自区间高值，即22.76 m、22.05 m和22.42 m，水位埋深预警值则宜取各自区间低值，即1.21 m、1.33 m和0.25 m。综合考虑维系洪湖湖泊最低生态水位23.64 m，建议近岸地表潜水水位高程、水位埋深的预警值取各监测孔预警值的平均值，即洪湖近岸潜水水位高程预警值为22.41 m、水位埋深预警值为0.93 m。

5 结论与建议

5.1 结论

(1) 据2011—2020年洪湖10年间水位观测表明，洪湖年最高水位在25.39～27.20 m间波动，年最低水位为23.20～24.26 m，年平均水位为24.35～25.04 m。

(2) 洪湖湿地最低生态水位为23.64 m，2011—2020年10年间出现水位处于最低生态水位以下的时间为2011年极端干旱的4—6月期间，连续长达46天。从保护洪湖湿地生态不退化、实现区域社会—经济—生态的可持续发展的角度考虑，最低水位控制线应在最低生态水位线23.64 m之上。洪湖湿地生态恢复和流域生物多样性保护需要结合洪湖湿地综合生态功能对湖泊水位的需求，研究建立闸站联合生态调度机制，加强水利调度和生态水位控制。

(3) 洪湖湿地区地表水是影响本地区地下水动态的最主要因素。洪湖水位与潜水位具有同步变化趋势，承压水位与长江水位变化的相关性非常好，长江对承压水的影响强度是随着距离增加而逐渐减少的。

(4) 研究表明，考虑维系洪湖湖泊最低生态水位23.64 m的情况下，建议近岸地表潜水水位高程的预警值在22.05～22.76 m，水位埋深的预警值在0.25～1.33 m；考虑维系洪湖湖泊最低生态水位23.64 m的情况下，建议近岸地表潜水水位高程的预警值、水位埋深的预警值取各监测孔预警值的平均值是比较合适的，即洪湖近岸潜水水位高程预警值为22.41 m、水位埋深预警值为0.93 m。

5.2 存在的问题与建议

(1) 本次研究地下水为响应关系是以湖北省地质环境监测在洪湖湿地及周边地下水环境监测布置的7处地下水观测点监测数据为基础的，由于观测点并非专门针对洪湖湿地生态水位控制下的地下水为响应关系，故难以全面准确反映维系洪湖湿地生态的地下水水位预警响应。建议今后开展专门针对洪湖湿地生态水位控制下的地下水环境监测，探索建立地下水水位水质监测预警机制。

(2) 本次研究的洪湖湿地水位预警分析是基于低于23.64 m时段各潜水监测孔水位响应变化，没有考虑生态水文法计算的逐月最低生态水位控制下分时段水位控制调控的底线和地下水水位响应关系。建议今后开展此项研究作为湿地管理部门分时段水位控制参考标准，确定每月水位调控底线基础上的地下水水位响应关系。