沂蒙山區(qū)云蒙湖水文水動(dòng)力特征研究

劉標(biāo) 韓慶香 申恒倫 李修嶺

摘要：指出了為研究解決云蒙湖水環(huán)境問(wèn)題，必須探明云蒙湖的水文水動(dòng)力過(guò)程。對(duì)云蒙湖年均水位、滯留時(shí)間、流量等因子進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：云蒙湖水位、入庫(kù)流量和水體滯留時(shí)間均受降雨量的影響，根據(jù)水體滯留時(shí)間，云蒙湖大多數(shù)年份屬于湖泊型水體，已經(jīng)具有形成水體穩(wěn)定分層的特征。

關(guān)鍵詞：云蒙湖;水位;入庫(kù)流量;水體滯留時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0004-05

1 引言

河流蓄水形成水庫(kù)后，河流的水文條件由河流向湖泊特征轉(zhuǎn)變，生物群落隨生境變化經(jīng)過(guò)自然選擇、演替，形成一種新平衡，使水生態(tài)系統(tǒng)由以底棲附著生物為主的“河流型”異養(yǎng)體系向以浮游生物為主的“湖沼型”自養(yǎng)體系演化[1]。水庫(kù)的運(yùn)行管理方式（調(diào)水及供水）對(duì)生境的外在干擾，改變了水庫(kù)的水位波動(dòng)、水體滯留時(shí)間以及入庫(kù)流量等水文條件和理化因子[2-4]，水動(dòng)力學(xué)過(guò)程（水動(dòng)力學(xué)）對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)和生物生產(chǎn)力的形成具有重要的作用。它們決定了懸浮物和溶解物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的強(qiáng)度、污染過(guò)程的速度，以及水庫(kù)的自然凈化，間接導(dǎo)致水生生物學(xué)群落的更替或演替的逆轉(zhuǎn)[5，6]，并最終提供了生態(tài)系統(tǒng)的功能[7]。例如，由于建壩，使得巴拉那帕內(nèi)馬河與哥倫比亞河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水體滯留時(shí)間延長(zhǎng)，水動(dòng)力學(xué)條件改變，從而導(dǎo)致浮游植物數(shù)量增加、富營(yíng)養(yǎng)化加劇、水質(zhì)下降[6，7]。因此，水文條件的改變會(huì)引起氮、磷等各個(gè)環(huán)境因素的連鎖反應(yīng)[8-10]。

楊喆等認(rèn)為水庫(kù)高水位運(yùn)行時(shí)藻類(lèi)生物量較少，低水位時(shí)較多;出入庫(kù)流量較小時(shí)，有利于藻類(lèi)的生長(zhǎng)，出入庫(kù)流量接近或超過(guò)平均值時(shí)，藻類(lèi)生長(zhǎng)受到抑制[9]。張敏等認(rèn)為夏季水位波動(dòng)較劇烈的時(shí)期，水位落差對(duì)底棲動(dòng)物密度具有顯著影響[4]。水力滯留時(shí)間是反映水體水動(dòng)力過(guò)程的重要參數(shù)，能直接或間接影響水體生物群落結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)[11]，是調(diào)控水域生態(tài)系統(tǒng)生物地化循環(huán)的關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)之一[12，13]。Straskraba等分析了世界各地的水庫(kù)發(fā)現(xiàn)，年平均滯留時(shí)間（也稱(chēng)理論滯留時(shí)間）對(duì)水庫(kù)的水動(dòng)力學(xué)、化學(xué)與生物過(guò)程有直接的相關(guān)性[14]。水體滯留時(shí)間的長(zhǎng)短影響水庫(kù)的縱向水質(zhì)狀況，水體滯留時(shí)間較短時(shí)，整個(gè)水庫(kù)呈現(xiàn)出河流區(qū)的特征;而水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，則呈現(xiàn)出湖泊區(qū)特征[11，15]。喬磊等認(rèn)為水庫(kù)水體分層、顆粒物的沉降、磷等有機(jī)物的滯留、浮游植物生產(chǎn)力和透明度等重要的湖沼學(xué)變量均與庫(kù)區(qū)水體滯留時(shí)間呈定量關(guān)系[10]。滯留時(shí)間對(duì)水生生物的影響直接表現(xiàn)在水生生物種群的動(dòng)態(tài)。研究表明水力滯留時(shí)間是影響亞熱帶不同水庫(kù)之間輪蟲(chóng)群落差異的重要因素[10];流量作為水動(dòng)力條件的因子之一，也是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一[17]。胡征宇和蔡慶華對(duì)三峽水庫(kù)22條入庫(kù)支流庫(kù)灣的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析表明，各支流庫(kù)灣葉綠素a與入庫(kù)支流的年均流量以及流域面積存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。因此，基于水庫(kù)水位波動(dòng)、水體滯留時(shí)間和入庫(kù)流量等參數(shù)，分析云蒙湖20世紀(jì)80年代以年來(lái)的水文水力學(xué)動(dòng)態(tài)特征，是研究其水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

本研究將分析1980～2014年云蒙湖水位波動(dòng)過(guò)程年際變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上結(jié)合水庫(kù)月均入庫(kù)流量、水體滯留時(shí)間等參數(shù)，闡述云蒙湖水文水力學(xué)動(dòng)態(tài)規(guī)律，為系統(tǒng)研究云蒙湖水體層化結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給及生物群落演替機(jī)制提供水文水動(dòng)力背景資料。

2 材料和方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置

云蒙湖（北緯35°27′～36°20′，東經(jīng)117°45′～118°23′之間）位于蒙山北麓的沂河支流一東汶河，地處山東省中南部沂蒙山區(qū)腹地，屬淮河流域沂沐泗河水系，距離臨沂市蒙陰縣城東15 km，臨沂市93 km。壩址座落于東汶河與梓河交匯處，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水及旅游等綜合開(kāi)發(fā)利用的大型水利工程。水庫(kù)處于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候。整個(gè)流域四季分明，雨熱同季。云蒙湖正常蓄水位176 m，總庫(kù)容7.49億m3，控制流域面積1693.3 km2，庫(kù)岸線長(zhǎng)達(dá)80 km。云蒙湖為山東省第二大水庫(kù)，也是臨沂市城市重要的水源地，山東省省級(jí)生態(tài)功能區(qū)，水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)面積為63.6 km2，二級(jí)保護(hù)區(qū)面積為180.4 km2，準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積為1387.7 km2。

2.2 采樣和分析方法

1980～2016年，云蒙湖水位、流量、蓄水量和水溫等數(shù)據(jù)由臨沂市水文局提供。云蒙湖的庫(kù)容根據(jù)特定水位的對(duì)應(yīng)庫(kù)容進(jìn)行指數(shù)回歸估算，每天的水體滯留時(shí)間的公式計(jì)算修改為[19]：

τ= Vτ/ Qτ

（1）

式（1）中τ為水體滯留時(shí)間（days），Vτ為水庫(kù)在第T天時(shí)的庫(kù)容（m3），Qτ為水庫(kù)或庫(kù)灣在第T天時(shí)的入庫(kù)流量（m3/d）。水體每年的水體滯留時(shí)間由該年每月的水體滯留時(shí)間取平均值所得。

水體類(lèi)型分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)采用[20]提出的水庫(kù)基本類(lèi)型綜合分級(jí)方法（表1）。滯留時(shí)間低于20 d的水庫(kù)具有河流特征的完全混合系統(tǒng)，水體流動(dòng)完全阻礙了浮游生物的發(fā)展;滯留時(shí)間介于20～300 d時(shí)，水庫(kù)同時(shí)具有河流和湖泊特征，為二者的混合一分層過(guò)渡系統(tǒng)，水體流動(dòng)和弱分層對(duì)浮游生物的發(fā)展具有累加效應(yīng);而當(dāng)水體滯留時(shí)間超過(guò)300 d時(shí)，水庫(kù)具有類(lèi)似于天然湖泊特征，易形成穩(wěn)定分層系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型屬于傳統(tǒng)的分級(jí)體系。

3 結(jié)果

3.1 水庫(kù)基本特征

云蒙湖為大型河道型水庫(kù)，水庫(kù)縱向長(zhǎng)度14 km，平均水深5.8 m，最大水深20 m，為淺水水庫(kù)。正常蓄水176 m，相應(yīng)庫(kù)容可達(dá)4.6×l08 m3.年均入庫(kù)流量達(dá)11.75 m3/s（1980～2014年均流量）。水庫(kù)流域面積與水庫(kù)面積比為59.2，流域內(nèi)較大河流有東汶河、梓河、蒙河、桃墟河和莫莊河等（圖1）。其中5km以上的支流有41條，均為季節(jié)性河流。其中東汶河為上游來(lái)水和最大輸入水體，屬于淮河流域沂河水系的一級(jí)支流，是云蒙湖流域最大的河流。東汶河流域面積860 kmz，較大支流18條，河長(zhǎng)50 km，流域平均寬15.23 km，河道縱坡約為1/300;梓河流域面積830 km2，河長(zhǎng)50 km，流域平均寬18.54 km，縱坡1/340，較大支流有10條，分布在蒙陰縣、沂水縣及新泰市境內(nèi)。

云蒙湖控制流域面積1693.3 km2，總庫(kù)容8.22億m3，相應(yīng)水位181.0 m，對(duì)應(yīng)湖面面積84.7 kmz;興利庫(kù)容4. 61億m3，相應(yīng)興利水位176.0 m，對(duì)應(yīng)湖面面積58.6 km2;警戒水位177.8 m，相應(yīng)庫(kù)容5.67億m3，死水位160.3 m，相應(yīng)死庫(kù)容0.20億m3（表2、圖2）。

3.2 湖泊水文特征

自1980年以來(lái)，流域內(nèi)多年平均降雨量723.6mm，最少為2002年的391.2 mm，最大為1990年的1268.9 mm，2014年降雨量為420.7 mm，為近10年來(lái)最低，僅高于1988年（402.3mm）和2002年（391.2 mm）（圖3）。云蒙湖多年平均補(bǔ)給系數(shù)為59.22，多年平均單位人湖量為1.99，最小為2014年的0.09，最大為1995年的6.41。多年平均來(lái)水量3.70億m3，汛期來(lái)水量3.15億m3，占全年來(lái)水量的85%，豐水期來(lái)水量5.08億m3，枯水期來(lái)水量1. 23億m3，多年平均水位169.28m，相應(yīng)庫(kù)容1. 86億m3。多年平均徑流量6.5億m3，建庫(kù)以來(lái)的最大年徑流量為11.08億m3，最小年徑流量0.3億m3。

3.3 水庫(kù)壩前水位波動(dòng)特征

根據(jù)云蒙湖19 60～2016年運(yùn)行資料分析，最高水位為175. 50 m（2011/9/15），最低水位為156.29 m（1960/6/9.），2005年以來(lái)，云蒙湖年內(nèi)壩前水位在158.00～175.12 m之間波動(dòng);自2013年12月后，因?yàn)榻邓矿E降，年內(nèi)壩前水位在158～168 m之間波動(dòng)，平均水位165.82 m，形成僅10 m的水位落差，2014年3月，出現(xiàn)自1961年首次蓄水后歷史最低水位（158.00m）;2015年后，水位維持在166 m左右，即使在汛期，由于降雨偏少和城區(qū)供水壓力，水位波動(dòng)不明顯。2013年以前，基本呈現(xiàn)雨季高水位，冬季低水位的狀態(tài)（圖4）。

3.4 干流入庫(kù)、出庫(kù)流量比較研究

云蒙湖入庫(kù)、出庫(kù)流量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)格局與壩前水、降雨量的動(dòng)態(tài)特征基本一致，入庫(kù)流量與水位、降雨量呈顯著正相關(guān)（圖5）。其年均入庫(kù)流量和出庫(kù)流量的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和1.9～27.3 m3/s（圖6）?？傮w來(lái)看，云蒙湖出、入庫(kù)流量受降雨量的影響較大，年均入庫(kù)流量最低出現(xiàn)在2014年，僅為0.4m3/s，出庫(kù)流量為5.3 m3/s，這種情況對(duì)正常供水較為不利;最大年均入庫(kù)流量出現(xiàn)在2011年，為28.9m3/s，出庫(kù)流量也達(dá)到最大值，為27.3 m3/s，年均水位也達(dá)到歷年最高（圖6）。

由于云蒙湖年供水量3×l0⁷m3，年均出庫(kù)流量達(dá)到9.51 m3/s才能滿足整個(gè)城市的用水需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年云蒙湖年均灌溉水量5×l0⁷ m3左右，近5年云蒙湖年均灌溉水量均不足3×l0⁷ m3，并呈逐年遞減趨勢(shì)。即使按照最低灌溉需求，年均出庫(kù)流量達(dá)到9.51m3/s才能滿足整個(gè)區(qū)域的灌溉用水需求，因此，僅有1991、1994、2004、2005和2011年的出庫(kù)流量滿足城市供水和灌溉的需求，按照入庫(kù)流量來(lái)算，1990、1991、1998、2003～2005、2011年可以滿足城市供水和灌溉的需求，相對(duì)來(lái)說(shuō)，其他年份云蒙湖用水供給顯得極為緊張。

3.5 年均水體滯留時(shí)間的變化研究

水體滯留時(shí)間反映了水庫(kù)水體更新特征及水體可能的分層情況，滯留時(shí)間越長(zhǎng)，水庫(kù)水體更新越慢，水庫(kù)水溫分層風(fēng)險(xiǎn)越大;反之水庫(kù)更新越快，水庫(kù)不易出現(xiàn)水體分層。隨著水位和入庫(kù)流量的季節(jié)性變化，云蒙湖水體滯留時(shí)間也表現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)性特征，年內(nèi)變

化非常顯著，其年均滯留時(shí)間的變化范圍分別為0.4～28.9 m3/s和56.9～4070 d（圖7）。水體滯留時(shí)間的動(dòng)態(tài)格局正好與壩前水位的動(dòng)態(tài)特征相反。自1980年以來(lái)，多年平均滯留時(shí)間394.15 d，波動(dòng)范圍在56.95～4070.20 d之間，年均水體滯留時(shí)間均高于300d的占29.4%，屬于典型的湖泊型水體;其余年份，年均水體滯留時(shí)間在20～300 d之間，屬于過(guò)渡性水體，在降雨量豐沛的年份，水庫(kù)水體滯留時(shí)間相對(duì)較短，水體交換頻率較高，呈現(xiàn)過(guò)渡型水體特征;在雨量稀少的年份，水庫(kù)水體滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，水體交換頻率較低，水體呈現(xiàn)典型的湖泊型特征。

4 討論

云蒙湖屬于典型的季節(jié)性河流控制的水庫(kù)，其蓄水量、水位、出入庫(kù)流量、水體滯留時(shí)間均受到降雨量和供水需求的影響，除特殊年份，一般夏季水位相對(duì)較高，冬季較低。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)河道型水庫(kù)都會(huì)由之前的具有完全混合特征的河流型，經(jīng)過(guò)中等強(qiáng)度分層的過(guò)渡型水體，向形成穩(wěn)定分層的湖泊型水體轉(zhuǎn)變。隨著降雨量以及供水需求的變化，受壩前水位和入庫(kù)流量影響更大，基本取決于上游來(lái)水的影響。

根據(jù)Straskraba和Tundisi的水庫(kù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)不同時(shí)期出現(xiàn)不同的水體特征。總體而言，部分時(shí)期，水庫(kù)屬于中等強(qiáng)度分層的水體，而在某些時(shí)段，水體屬于湖泊型水體，具備發(fā)生穩(wěn)定水溫分層的水力學(xué)條件。實(shí)測(cè)的資料表明，盡管流量和流速較小，在湖泊區(qū)，云蒙湖出現(xiàn)溫躍層現(xiàn)象;在河流區(qū)，云蒙湖由于分層異重流而呈現(xiàn)水體分層，所以水流和分層對(duì)浮游植物具有累加效應(yīng)，但由于受到上游來(lái)水的影響，水體分層并不能穩(wěn)定存在。

參考文獻(xiàn)：

[l]Saito L，Johnson B M， Bartholow J，et al_Assessing ecosystemeffects of reservoir operations using food web - energy transferand water quality models[J].Ecosystems， 2001，4（2）：105～125.

[2]Monsen N E，Cloern J E，Lucas L V，et al.A comment on theuse of flushing time， residence time， and age as transport timescales [J]. Limnology and Oceanography， 2002， 47（ 5）：1545～15 53.

[3]Hoyer A B，Moreno- Ostos E，Vidal J，et al.The influence ofexternal perturbations on the functional composition of phytoplankton in a Mediterranean reservoir [J]. Hydrobiologia， 2009，636（1）：49～64.

[4]張敏，蔡慶華，孫志禹，等.三峽水庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)支流庫(kù)灣底棲動(dòng)物群落的影響及其時(shí)滯性[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2015， 21（1）：101～107.

[5] Dubnyak S， Timchenko V. Ecological role of hydrodynamicprocesses in the Dnieper reservoirs [J]. Ecological Engineering，2000，16 （1） ：181～188.

[6]Sullivan B E， Prahl F G， Small L F， et al.Seasonality of phytoplankton production in the Columbia River：A natural or anthropogenic pattern？[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2001， 65 （7）：1125～1139.

[7]Nogueira M G.Phytoplankton composition， dominance and abundance as indicators of environmental compartmentalization in Jurumirim Reservoir （Paranapanema River）， S？o Paulo， Brazil[J].Hydrobiologia， 2000， 431（2）：115 ～128.

[8]PersiC V， HorvatiC J，Has-Schon E， et al.Changes in N and Plimitation induced by water level fluctuations in Nature ParkKopa？ ki Rit （Croatia）：nutrient enrichment bioassay [J]. Aquaticecology， 2009， 43（1）：27～36.

[9]楊喆，盧金鎖，趙建超.深水庫(kù)藻類(lèi)功能組演替特征及與其水動(dòng)力關(guān)系[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2017， 11（2） ：945～951.

[10]喬磊，林秋奇，韓博平.珠海市調(diào)水水庫(kù)水力滯留時(shí)間對(duì)輪蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2015， 21（3）：499 ～504.

[ll]Rueda F，Moreno-Ostos E， Armengol J.The residence time ofriver water in reservoirs[J].Ecological Modelling， 2006， 191（2） ：260～274.

[12]CarrittD E.Oceanic residence time and geobiochemical interactions [J]. Impingement of Man on the Oceans， 1971：191～199.

[13]Crump B C， Hopkinson C S，Sogin M L， et al.Microbial biogeography along an estuarine salinity gradient：combined influencesof bacterial growth and residence time [J]. Applied and environmental microbiology， 2004， 70（3）：1494～1505.

[14]Straskraba M， Tundisi J G， Duncan A. Comparative reservoirlimnology and water quality management[M]. Basel： Springer，1993：213～288.

[15]Jones I D， Elliott J A. Modelling the effects of changing retentiontime on abundance and composition of phytoplankton species in asmall lake [J]. Freshwater Biology， 2007， 52 （6）： 988～ 997.

[16]Reynolds C S，Padisak J，Sommer U. Intermediate disturbancein the ecology of phytoplankton and the mamtenance of speciesdiversity：a synthesis[J]. Hydrobiologia， 1993， 249（1一3）：183～l88.

[17]梁培瑜，王炬，馬芳冰.水動(dòng)力條件對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響[J].湖泊科學(xué)，2013， 25（4） ：455～462.

[18]胡征宇，蔡慶華，三峽水庫(kù)蓄水前后水生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的初步研究[J].水生生物學(xué)報(bào)，2006，30 （1） ：1～6.

[19]George G， Hurley M， Hewitt D.The impact of climate changeon the physical characteristics of the larger lakes in the EnglishLake District [J]. Freshwater Biology， 2007， 52（ 9）： 1647～l666.

[20]Straskraba M， Tundisi J G.Reservoir water quality management[M]. [S.L.]：ILEC/PNUMA， 1999.