湖泊生态需水计算方法比较及实例应用

2022-11-15陶洁李行左其亭

南水北调与水利科技 2022年2期

陶洁，李行，左其亭,4

(1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001；2.郑州大学黄河生态保护与区域协调发展研究院，郑州 450001；3.郑州市水资源与水环境重点实验室,郑州 450001；4.河南省地下水污染防治与修复重点实验室，郑州 450001)

水生态系统问题自20世纪60年代开始逐渐引起国内外专家学者[1-5]的广泛关注，然而生态需水研究大多还是集中在河流。湖泊作为水生态系统的重要组成部分，分析确定其生态需水对河湖健康及生态文明建设具有显著意义。部分学者也针对湖泊生态需水展开研究。例如：Abbaspour等[6]基于水量-水质-水生生物相互关系计算了Urmia湖的生态需水量；贺新春等[7]引入防洪、水质和景观水位等控制要素，构建了城市湖泊需水量模型；许文杰等[8]考虑生态需水的时空特性与湖泊功能要求，探讨了基于水量水质耦合关系和阈值的湖泊生态需水计算方法；张华等[9]基于水量平衡原理建立了极端干旱区东居延海湖生态需水模型；Sajedipour等[10]根据大火烈鸟数量与Bakhtegan湖表面积之间的相关关系确定了湖泊生态需水量；何山等[11]分析计算了不同水位时期有利于湖泊生物多样性的白洋淀生态需水量，并根据改进的马尔可夫链模型确定生态需水保障程度。

总体来看，目前湖泊生态需水研究多偏向于综合考虑不同水文条件、水质因素与生物状况，但还是存在需水构成分析不明晰、计算方法比较分散、缺少较统一的分类体系等问题。本文系统梳理基于不同原理的湖泊生态需水计算方法，并以太湖为例，进行不同计算方法的实际应用与比较。

1 湖泊生态需水的概念与构成

1.1 湖泊生态需水概念

生态需水属于生态学与水文学的交叉范畴。针对不同的研究对象，其定义有很多[12-18]。针对湖泊生态需水，也有部分专家学者专门对其概念进行了探讨与研究。例如：崔保山等[19]认为湖泊需要一定质量的水来维持湖泊水资源功能正常与生物多样性，所需的最小水量即为湖泊最小生态需水量；刘静玲等[20]认为在某一特定阶段内，湖泊若要保障生态系统发挥正常功能，则需要一定质量和数量的水；Krishnani等[21]认为湖泊水量低于某一值是其生态系统功能丧失和结构破坏的关键因素，且只有在满足人类生存发展和生态环境稳定的基础上，湖泊才是健康的。可见，虽然这些定义的表述不尽不同，但都指出了是满足生态系统结构与功能稳定的临界水量，具有明显的时空异质性、水质水量一致性、功能差异性和阈值性。

近年来河湖生态需水与人类活动的联系愈来愈密切，考虑我国城市化进程与湖泊生态环境现状，湖泊生态需水的定义需要符合时代背景。因此，基于前人成果，并引申左其亭等[22]在《现代水文学》中生态需水的定义，本文将湖泊生态需水理解为“在特定区域、时段和条件下，湖泊生态系统为达到某一水平所需的水资源量”。

1.2 湖泊主要分类与湖泊生态需水组成

湖泊有多种形态分类方法[23-24]：按照湖泊成因，可分为天然湖泊和人工湖泊；按进出水流情况，可分为闭口湖、外流湖和吞吐湖。其中：闭口湖是指有水量流入但无水量流出的湖泊；外流湖有水量流出，但无水量流入；吞吐湖则既有水量流入，也有水量流出。

一般湖泊多为吞吐湖[25]，其生态需水组成主要包括入湖、湖区、出湖3部分，见图1。其中：入湖生态需水是指为了满足湖区和出湖生态需水而必须对湖泊补充的水量；湖区生态需水量是为了保持湖泊水位、保证生物基本生境而必需的水量；出湖生态需水是为了完成湖泊水量自我更新及满足下游河道生态需水所需的水量。这3部分构成了湖泊生态需水的有机整体。湖泊水量一部分用于蒸发、渗漏和人类活动用水等水循环过程，一部分为满足下游河道生态需求而流出湖泊。同时上游地表径流、地下径流、降雨等水资源进入湖泊，补充了湖泊水量，保持湖泊水量平衡。

图1 一般湖泊生态需水组成

2 湖泊生态需水研究现状分析

采用CiteSpace文献可视化分析软件[26]在中国知网和Web of Science核心数据集搜索关键词对湖泊生态需水研究现状进行统计分析。时间跨度截止到2020年，其中中英文关键词有“湖泊生态需水”“湖泊生态流量”“湖泊生态环境需水”“Lake Ecological Water Demand”“Lake Ecological Water Resource”，并考虑大小写、各种词性变形。

通过国内外文献关键词共现分析图谱(图2)分析可知，国内研究多侧重从水文与水生生物角度，主要关键词有“水生生物栖息地”“生态水位”“景观水位”“水量平衡”“功能法”等，在鄱阳湖、扎龙湿地、东居延海湖等湖泊都进行了实际应用研究。相较而言，国外的研究方向更加多元化，在水质、气候变化、水生生物等方面均有所涉及，主要关键词有“eutrophication(富营养化)”“climate change(气候变化)”“water quality(水质)”“management(管理)”“sediment(沉积物)”“conservation(保护)”等。综合来看，目前针对湖泊生态需水研究方法虽然仍较分散，但主要集中在从水文学角度与生态学角度2个方面，在计算生态需水时主要考虑湖泊水位、出入湖水量以及湖泊水生生物等因素。

图2 国内外文献关键词共现分析图谱

3 湖泊生态需水计算方法总结

3.1 基于水文学的计算方法

最低水位法。该方法通过确定湖泊最低生态水位来确定湖泊最小生态需水，公式为

Wmin=(Hmin-H)×S

(1)

式中：Wmin为湖泊最小生态需水量，m3；Hmin为最低生态水位，m；H为湖底高程，m；S为湖泊水面面积，m2。

湖泊最低生态水位是指保障湖泊生态系统健康的最低水位，表1统计了湖泊最低生态水位的常用计算方法、主要原理与数据要求。

表1 湖泊最低生态水位常用的计算方法、主要原理与数据要求

水量平衡法。根据水量平衡原理[30]，天然状态吞吐湖任意时段的水量平衡方程为

ΔW=(P+Ri)-(E+Rf)±ΔWg

(2)

式中：ΔW为湖泊蓄水量的变化量,m3；Ri、Rf分别为地表入湖水量与出湖水量,m3；P为降雨量,m3；E为蒸发量,m3；ΔWg为地下水变化量(包括出入湖流量),m3。

如果研究对象是闭口湖，则不考虑出湖流量；如果研究对象是外流湖，则不考虑地表径流入湖流量:方程(2)可分别简化为方程(3)、(4)。

ΔW=P+Ri-E±ΔWg

(3)

ΔW=P-E-Rf±ΔWg

(4)

假设湖体水量变化量为零，此时湖泊生态需水等于湖区生态需水量[27]。天然状态下湖区生态需水量等于湖区蒸发量与渗漏量之和再减去湖区降水量。当遇到蒸发量大或降雨量较少时，可近似取蒸发量作为湖区生态需水量。蒸发量可根据湖泊植物分布情况，通过水面蒸发观测值、不同植物蒸散发量和耗水量观测资料计算得到。

当湖泊受人类活动影响较大时，原有的水量平衡都会被打破并产生新的水量平衡，此时ΔW需考虑人类取水。在缺水且人口密集的地区，需水明显大于供给，ΔW经常是负值，此时需考虑人工补充入湖水量。

换水周期法。换水周期[31]是指水量吐纳更新1次所需的时间。湖泊最小生态需水可根据换水周期计算得到，公式为

(5)

(6)

式中：Wk为枯水期出湖水量，m3；D为全年总天数，d；T为换水周期，d；W为年蓄水量，m3；Wo为年出湖水量，m3；Q为多年平均出湖流量，m3/s。

该方法中换水周期是整体平均交换时间，且可以通过控制出湖水量和流速来改变，因此该方法也常用于湖泊的健康管理。但对于干旱或半干旱区湖泊来说，湖泊来水量较小，换水导致湖泊水量不足，从而引起生态环境恶化，此时该方法不太适用。

3.2 基于生态学的计算方法

曲线相关法。当湖泊水量发生较大变化时，湖泊生态系统功能也会产生影响,故可根据湖泊实况选取适宜的生态功能指标，如水质、水生生物等。通过收集指标历史数据和相应年的湖泊最小水量，拟合水量与所选指标的相关曲线。拟合曲线上的拐点所在位置表示其对应的湖泊生态功能发生显著变化，可认为该点对应水量即是湖泊最小生态需水量。若存在多个拐点，则可取所有拐点对应水量的平均值作为湖泊最小生态需水,公式为

(7)

式中：Vj为第j个拐点对应的水量,m3；J为拐点数量，个。

若选择的生态功能指标不止1个，则可针对每个指标建立拟合关系曲线。根据最大值原则，选取不同指标计算结果的最大值作为该湖泊最小生态需水量的标准值。

生态演变分析法。由于湖泊生态系统的复杂性，实际研究中部分湖泊缺乏足够监测资料，无法建立水量指标与生态系统功能指标的定量关系，此时曲线相关法不再适用，故可从水量与湖泊的生态演变关系角度来计算湖泊生态需水。

随着湖泊水量的不断减少，湖泊生态系统大致经历了3个时期[32]：高产期，湖泊生态结构稳定，功能正常；稳定期，在干旱缺水或人类干扰等情况下，湖泊水量小幅变化，水生物种生长繁殖受一定影响，但关键物种仍然存在，能够满足基本需求；退化期，湖泊水量显著变化，水生物种明显减少，湖泊生态健康遭受显著破坏。

生态演变分析法，也叫生物空间需求法。该方法通过构建指标集(如水深、水温、流量、水质等)来选择生物生存空间指标，多选择水深指标。根据现有资料或实时监测数据确定某物种生存所需的最小水深H1，再加上湖底高程即为最低生态水位，低于该水位则认为湖泊生态系统进入退化期。若分析x个物种，则在得到的x个生态水位中选择最大值作为湖泊最低生态水位，公式为

Hmin=max(Hmin,1,Hmin,2,…，Hmin,a,…,Hmin,x)，

a=1,2,…,x

(8)

式中：x为湖泊内重要生物种类数量，个；Hmin，a为第a种生物所需的湖泊最低生态水位,m。

同理可确定物种生存所需的适宜水深H2，再加上湖底高程即为湖泊适宜生态水位，高于该水位时，认为湖泊生态系统进入高产期。根据最低水位法，可分别计算得到湖泊最小生态需水和适宜生态需水。

功能法。功能法从水资源功能与水量关系出发，确定某湖泊水资源所具备的不同功能，通过确定维持不同功能的生态需水，进而估算整个湖泊的生态需水量,公式为

(9)

式中：Wz为满足湖泊第z个水资源功能所需的最小生态需水量,m3；Z为湖泊水资源功能数,个；Uz为湖泊第z个水资源功能权重，U1+U2+…+Uz=1。

湖泊水资源主要功能见表2，不同功能计算方法参考文献[20]。

表2 湖泊水资源的主要功能

3.3 不同方法比较

比较上述计算方法，总结其适用性，见表3。

表3 湖泊生态需水不同计算方法比较

4 湖泊生态需水计算方法实际应用与比较

4.1 研究区概况与数据

太湖是我国五大淡水湖之一，位于长江三角洲腹地。湖泊水域面积为2 338.1 km2，多年平均水位3.21 m，蓄水量49.56亿m3[33]。太湖自然条件优越，生态环境资源丰富，对维持自身乃至整个太湖流域生态平衡都具有重要作用。但是随着流域经济社会发展，水资源供需矛盾日益突出，太湖水污染现象被高度关注，水治理形势愈发复杂严峻,且人为的水利工程造成湖泊水体流动加快、换水周期缩短、水位逐渐抬升，有可能引起新的生态环境风险[34-35]。因此，面对太湖生态环境治理新形势，研究其生态需水就显得尤为重要。

根据太湖历年相关水资源公报、健康状况报告、水情年(月)报以及环太湖水文站点实测资料，获取了太湖1986—2019年逐日径流量与水位数据、2004—2019年出入湖水量，以及2008—2016年银鱼、2013—2017年沉水植物和挺水植物、2007—2008年底栖动物采样数据。由于太湖受人类活动影响明显，故综合资料收集情况，选择最低水位法、换水周期法和生态演变分析法进行太湖生态需水计算分析。同时为便于3种方法结果的可对比性，故不考虑湖泊面积与水下地形变化，相关数据均采用平均值计算。

4.2 结果与分析

最低水位法计算结果。根据1986—2019年的太湖日水位数据，绘制太湖水位变化见图3。选择95%保证率下的年最低水位作为太湖最低生态水位，即Hmin=2.64 m。已知太湖多年平均湖底高程H=1.1 m，平均湖面面积F=2 338.1 km2，利用式(1)计算得到太湖年最小生态需水量Wmin=36.01亿m3。

图3 太湖1986—2019年水位变化

换水周期法计算结果。根据2004—2019年环太湖水文巡测统计资料，确定多年平均出湖水量为99.56亿m3，其中枯水期(10月—次年3月)平均出湖水量53.86亿m3，其变化与入湖水量变化基本一致，且2000年以来呈现逐步增加的趋势。根据式(5)、(6)计算得到太湖多年平均换水周期为182 d，年平均生态需水26.86亿m3。

生态演变分析法计算结果。银鱼是太湖最具代表性的鱼类之一，只有水深在1.5 m以上时才适宜银鱼生存[36]。综合对比其他水生生物适宜水深(底栖动物优势物种河蚬的适宜水深为1.3～2.2 m，马来眼子菜等沉水植物生长适宜水深为1.1～1.7 m，芦苇等挺水植物生长适宜水深1.3～2.2 m)，最终选择银鱼作为太湖指示生物。考虑到每年4—10月是银鱼生长的关键期，分析多年水位资料得到90%保证率下太湖4—10月内最低月平均水位为2.76 m，故最终确定该水位作为太湖生态水位，再根据最低水位法计算公式得到太湖年生态需水38.81亿m3。

计算结果比较分析。在3种方法计算结果中，生态演变分析法计算结果最大，最低水位法计算结果与其较为接近，而换水周期法计算结果最小，且与另2种方法结果相差较大。

换水周期法计算结果主要受换水周期影响。将本次计算的换水周期与文献[37-39]研究结果进行比较，可知受出入湖水量影响，太湖换水周期呈缩短趋势(1982—2010年太湖平均换水周期为192 d，而2004—2019年为182 d，2010—2018年为154.36 d)。主要原因是引江济太工程实施后，太湖流域水资源向周边河网扩散的速度加快，年出入湖水量增加，换水周期明显缩短，故计算的太湖生态需水量可能较实际偏小。

最低水位法由于不考虑湖泊面积与水下地形变化，故计算结果主要受水位影响。根据图4可知，太湖年最低水位总体呈上升趋势。对比文献[35，42]研究结果，1986—1999年太湖水位波动较大，主要是受流域降水丰枯变化影响。2000年以后，流域基本上属于平水或枯水年份，但太湖最低水位不仅没有随之降低，反而逐渐升高。2000—2018年太湖最低水位明显高于1986—1999年。根据文献[40-41]以及太湖流域水情年报可知，2000年以后太湖水位变化主要受人类活动影响导致，流域内大规模引水及土地利用变化等活动，不仅补充了枯水期的湖泊水量，造成水位抬升，还改变了最低水位在年内出现时间的季节性规律，破坏了水文资料的一致性和代表性。因此，在确定湖泊最低生态水位时不能仅考虑水文资料。

与前2种方法不同，生态演变分析法主要考虑了太湖生物状况，在计算时选择银鱼生存水深作为太湖生物生存空间指标，结合文献[43-45]的主要研究结果，并与收集的水生植被、底栖生物等生物资料进行比较后，发现1.5～1.7 m的水深能满足太湖大部分水生生物的生存需求，认为银鱼作为太湖指示物种的代表性较好。再根据太湖天然水位资料，经过综合分析后确定了最低生态水位。对比3种计算方法，综合分析后认为生态演变分析法计算结果最为合理，故最终确定太湖年最小生态需水为38.81亿m3。所比较的与太湖生态需水相关研究见表4。