基于时间尺度条件下的阳澄湖生态水位研究

许 强，吴小靖，秦 灏，王子建

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215103)

水资源是经济社会发展的基础性、先导性、控制性要素；同时，它也是维系河湖生态健康的重要载体[1]。在合理开发利用有限水资源的基础上，科学研究河湖生态流量(水位)，以实现水资源的科学配置和有效管理。河湖生态流量(水位)是维持河湖水生态系统稳定、生态平衡以及满足河湖基本功能的基本需求[2]。通过合理确定河湖生态流量(水位)，强化生态流量(水位)管控，可以打造优质水资源、健康水生态的生态幸福河湖。生态流量(水位)确定常用的计算方法有水文学法[3- 4](Tennant法、Qp法、近10年最枯月平均法、最低生态水位法及流量历时曲线法等)、水力学法[5- 6](湿周法及湖泊形态法等)、栖息地定额法[7](最小生物空间法等)。水文学法优点是通过分析长序列水文资料，计算不同保证程度下的流量(水位)，即可反映河湖水资源开发利用程度、规模、来水等实际情况；缺点是需要至少30年以上的长序列水文资料。水力学法优点是只需要河湖水位、水面面积关系等水力参数；缺点是计算精度不高、难以体现时间空间变化因素。栖息地定额法优点是只需要湖泊鱼类生存所需最小水深、湖底高程，计算简单，便于操作；其缺点是体现不出季节变化因素，生物学依据不够可靠。

平原河网地区，河湖密布，水位比降小，受工程和调度影响，存在往复流，区域通常缺少长期的、不受人工闸坝调节控制的河湖流量监测资料。鉴于区域平原河网地区独特的地形地貌和水文特点，河网水位变化相对平稳，直接反映河湖水资源的状况，采用水位目标作为河湖生态维护的基本参数。

阳澄湖位于太湖流域阳澄淀泖区中部、苏州市区东北部，典型的平原河网地区，是太湖流域第三大、苏州市域第二大湖泊，是苏州市重要的饮用水源地和战略备用水源地，在区域经济社会和生态环境方面发挥着重要作用。开展阳澄湖生态水位研究不仅对保障阳澄湖水源地供水安全和生态保护具有重要作用；同时，对实现水资源的集约安全利用、助力区域经济高质量发展具有重要意义。

1 生态水位内涵、数据来源和方法

1.1 生态水位内涵及数据来源

阳澄湖周边地区缺乏控制性径流代表站，而水位站点较多，水位站更适于作为阳澄湖及周边用水地区的控制断面。湘城站位于阳澄湖西北部(见图1)，水位稳定，变化幅度较小，可有效反映阳澄湖的水位变化，选取湘城站作为阳澄湖生态水位控制断面。本文选用湘城站1951年～2019年日均水位水文序列数据，数据来源于江苏省水文水资源勘测局。

图1 阳澄湖及水位站位置示意

阳澄湖既需要保障水源地供水安全，也需要维系湖泊生态多样性、系统性和复杂性。因此，阳澄湖生态水位包括适宜生态水位及最小生态水位[8]。其中，湖泊适宜生态水位是指以保障湖泊正常水资源供给安全为首要目标，满足湖泊综合功能情况下长期保持相对稳定的水位；最小生态水位是指能够维持湖泊生态健康、满足基本生态环境用水的最低水位。

1.2 分析方法

1.2.1 时间尺度分析

(1)水文时间序列的时间尺度。考虑苏州市阳澄淀泖区骨干河道整治，水利工程引排能力明显加强，河网水位普遍抬高，为能反映现状实际情况，分别分析控制断面1951年～2019年、1980年～2019年和1990年～2019年3个水文序列的特征水位，综合确定研究的水文序列的时间尺度。

(2)目标需求的时间尺度。阳澄湖是滋养苏州数百万人的“母亲湖”，是苏州市防洪、排涝、引水和灌溉的重要调蓄和生态湖泊，是苏州重要的饮用水源地。按照水资源集约安全利用原则，统筹区域水资源调度要求及保障水资源供给安全的需求，分成全年、5月～9月(汛期)、10月～次年4月(非汛期)3个时段反映不同时期对水资源的需求。与此同时，考虑阳澄湖生物多样性需求，参考鱼类生存所需的水深，根据国内外相关研究[9]，鱼类产卵育幼期为4月～9月。

(3)时间步长的时间尺度。湖泊生态水位是体现湖泊湿地基本形态与基本生态功能的湖区最低水位，是保障湖泊湿地生态系统结构和功能的最低限值。考虑湖泊水文特性，对水文序列的时间步长要求不同，时间步长分为最枯日均、最枯月均、最枯旬均3种类型时间步长分析湖泊水文时间空间变化趋势。

1.2.2 计算方法

(1)Qp法。Qp法又称频率分析法，以控制断面长系列(n≥30 a)天然日均水位为基础，对水文数据进行还原和修正。采用皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线对选定的不同时间尺度长序列水文数据排频，求出不同保证程度下的水位值。综合湖泊水资源供给安全保障和生态需水等多方面需求，选择不同保证程度下的水位作为湖泊生态水位目标值。皮尔逊Ⅲ型频率曲线[10]数学上常称为Γ分布，曲线概率密度函数[11]为

(1)

(2)最小生物空间法。生物的生存空间是生物生存的基础，湖泊水体生长的浮游植物、藻类、大型水生植物、鱼类、底栖动物和浮游动物等生物构成湖泊水生态系统。湖泊各生物对生存空间的需求与湖泊水位密切相关，采用湖泊水位指标作为反应湖泊生存空间的重要参数。湖泊鱼类、植物等为维持群落不严重衰退需要保障最低水位，取各生物所需的最低水位最大值，即为湖泊最低生态水位。湖泊水生态系统中鱼类是顶级生物群落，为湖泊食物链顶端。湖泊鱼类对生存空间最为敏感，可适应湖泊环境变化，对促进其他群落丰富程度，保护水生态系统健康发展具有重要意义。故将鱼类作为关键物种和指示生物，鱼类的生存空间得到满足，其他生物的最小生存空间也得到满足。湖泊最低生态水位

Zemin鱼=Z0+h鱼

(2)

式中，Z0为湖底高程，m；h鱼为鱼类生存所需的最小水深，m。

(3)Tennant法[12-13]。为评估生态水位确定的合理性，采用Tennant法评价标准横向对比。Tennant法又称蒙大拿法，其应用于河流生态需水评估方法。Tennant法将推荐流量目标值与多年平均流量百分比作为保障河湖生态环境流量阈值，评价分级指标见表1。

表1 Tennant法评价标准分级指标 %

2 水位指标分析计算

2.1 时间尺度确定

根据控制断面湘城站水文资料分阶段(全系列(1951年～2019年)、1980年～2019年、1990年～2019年)统计多年最低水位和多年平均水位，分析阶段性变化规律。

2.1.1 特征水位

根据湘城站不同时期特征水位统计(见图2、表2)总体来看，湘城站1951年～2019年年平均低水位和年平均水位均呈上升趋势。其中，1980年～2019年较全系列年平均低水位和年平均水位分别上升0.12 m和0.09 m；1990年～2019年较全系列年平均低水位和年平均水位分别上升0.21 m和0.16 m；1990年～2019年较1980年～2019年年平均低水位和年平均水位分别上升0.09 m和0.07 m。

图2 湘城站特征水位年际变化趋势

表2 湘城站特征水位统计 m

2.1.2 频率分析

控制断面湘城站水位频率分析采用P-Ⅲ型适线法，分别对1980年～2019年、1990年～2019年水文系列最低日均水位频率分析。根据水位频率分析成果(见表3)表明，在保证率85%～99%频率下，湘城站1990年～2019年最低日均水位频率成果较1980年～2019年抬高0.14～0.18 m，湘城站1990年～2019年水位频率成果上升显著。

表3 湘城站最低日均水位频率分析成果 m

阳澄湖生态水位控制断面湘城站综合不同水文序列下时间尺度的特征水位和频率分析成果，以及考虑到20世纪90年代后阳澄淀泖区水利工程引排能力明显加强，河网水位有普遍抬高。近三十多年来的水位特性分析成果更能反映阳澄湖实际情况，也更贴近区域的水资源需求，更有利于指导水利工程常规水资源调度。因此，阳澄湖生态水位研究采用控制断面湘城站1990年～2019年水文序列做进一步分析。

2.2 水位特性分析

2.2.1 水位频率分析

生态水位主要是针对日常用水及水环境、水生态需求，以控制断面的年均水位及最枯年均水位分析较为合理。为反映不同时期对阳澄湖水资源、水生态的需求，分成以下4个时期进行历史水位频率分析：全年、5月～9月(汛期)、10月～次年4月(非汛期)、4月～9月(鱼类产卵育幼期)，分析成果见表4。分析结果表明，湘城站年均水位在保证率50%下全年、汛期、非汛期和鱼类产卵育幼期4个时期水位分别为3.15、3.22、3.10 m和3.20 m，全年水位分别低于汛期和鱼类产卵育幼期0.07 m和0.05 m，高于非汛期0.05 m。

表4 湘城站分时期水位频率分析成果

考虑保护阳澄湖湖泊生态结构对水文时间空间变化趋势的要求，按照最枯日均、最枯月均、最枯旬均3种时间步长分别研究控制断面湘城站最枯日均水位水位频率成果，分析成果见表5。分析结果表明，湘城站最枯日均水位在保证率90%下最枯月均、最枯旬均、最枯日均3个时段水位分别为2.77、2.70、2.66 m，最枯月均水位较最枯旬均、最枯日均水位分别高出0.07、0.11 m。

表5 湘城站分时段水位频率分析成果

2.2.2 特征水位分析

控制断面湘城站特征水位分全年、汛期(5月～9月)、非汛期(10月～次年4月)、鱼类产卵育幼期(4月～9月)4个时期进行分析，分别分析各个时间多年平均高水位、多年平均水位和多年平均低水位，湘城站特征水位成果见表6。分析结果表明湘城站防洪警戒水位为3.70 m，4个时期多年平均低水位分别为3.05、3.10、3.02 m和3.08 m。

表6 湘城站水位特征水位分析成果 m

2.3 水位指标确定及合理性分析

2.3.1 适宜生态水位

通常，汛期以防洪调度为主，兼顾水资源调度；而非汛期以水资源调度为主，兼顾防洪调度。随着经济社会高质量发展对水资源、水生态环境的要求越来越高，为满足日益趋涨的供水安全保障，兼顾鱼类产卵育幼期需求；适宜生态水位的确定应以非汛期多年平均水位及多年平均高水位为主要参考因子。

适宜生态水位下限原则上不低于非汛期多年平均水位3.11 m和频率为50%的鱼类产卵育幼期最枯年平均水位3.08 m；适宜生态水位上限原则上不高于非汛期多年平均高水位3.20 m，为确保防洪排涝安全，上限水位低于警戒水位约40 cm。综合以上原则，确定阳澄湖适宜生态水位为3.20 m。

2.3.2 最小生态水位

最小生态水位是指保护湖泊湿地生态系统功能和结构的最低水位，也是维持湖泊基本生态功能及基本形态的最低限值，最小生态水位不能小于90%保证程度下的最枯月平均水位，并采用最小生物空间法分析湖泊各类生物对生存空间的需求综合确定最小生态水位目标值。

通过分析计算，90%保证程度下最枯月均、最枯旬均、最枯日均及鱼类产卵育幼期4个时间步长的水位为2.66～2.89 m。为满足鱼类生存空间要求[14-15]，研究表明鱼类垂向转身水深为鱼类平均身高的2～3倍以及鱼类产卵育幼期适宜水深大于等于0.90 m、成鱼期适宜水深大于等于0.80 m。因此，鱼类生存和繁殖所需水深接近1.00 m和垂向转身所需的水深约1.80 m。阳澄湖勘探资料显示，阳澄湖湖底平均高程约为1.06 m，综合确定阳澄湖最小生态水位为2.90 m。

2.3.3 合理性分析

运用Tennant法评价计算结果合理性，分析结果见表7。适宜生态水位和最小生态水位目标值分别占多年平均水位的101.27%和91.77%，为Tennant评价标准的“最佳范围值”，计算结果合理，由此证明本文方法和分析结果合理可靠。

表7 阳澄湖生态水位目标值Tennant法评价成果

3 结 语

本文基于平原河湖特性，选取水位作为河湖生态维护的基本参数，湘城站作为阳澄湖生态水位控制断面。根据保障阳澄湖不同功能需求以及按照不同时间尺度分析阳澄湖水位特性，分别提出阳澄湖适宜生态水位和最小生态水位目标值，主要结论如下：

(1)根据阳澄湖生态水位控制断面湘城站水文资料分1951年～2019年、1980年～2019年、1990年～2019年3个时间尺度统计特征水位和频率分析成果，分析各时间尺度下的水位变化规律，结果表明湘城站3个时间尺度下特征水位呈上升趋势，又考虑20世纪90年代后水利工程引排能力明显加强，河网水位普遍抬高，1990年～2019年近三十多年的水位成果更能反映阳澄湖现状水资源和水生态需求，本文水文序列长度选1990年～2019年。

(2)以保障阳澄湖正常水资源供给安全、满足湖泊综合功能目标下，综合非汛期多年平均水位、多年平均高水位和频率为50%的鱼类产卵育幼期的需求，阳澄湖适宜生态水位目标值为3.20 m；以保障阳澄湖湿地生态系统结构和功能的最低限值，结合考虑湖泊各类生物对生存空间的需求，分析阳澄湖最枯月均、最枯旬均、最枯日均及鱼类产卵育幼期4个时间尺度下水位特征值，并结合最小空间法综合确定最小生态水位目标值为2.90 m。

(3)适宜生态水位和最小生态水位目标值分别占多年平均水位的101.27%和91.77%。依据Tennant评价标准，本文确定阳澄湖适宜生态水位和最小生态水位目标值为“最佳范围值”，计算结果合理，证明本文方法和分析结果合理可靠。