關(guān)于東洞庭湖生態(tài)水位的研究

彭飛宇,肖少懷

(湖南省岳陽水文水資源勘測局，湖南 岳陽 414000)

1 引言

在陸地水生態(tài)系統(tǒng)中，湖泊不僅僅維持著生物的多樣性，同時(shí)還能夠調(diào)節(jié)洪水和區(qū)域氣候，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水、航運(yùn)以及交通等功能[1]。人類的一系列經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對自然生態(tài)造成影響以后，導(dǎo)致陸地水生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了變化，而這種變化已經(jīng)嚴(yán)重的影響了我國的湖泊生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致湖泊內(nèi)的生物種類以及生物數(shù)量都有所下滑。GLIKE[2]認(rèn)為人類的活動(dòng)必須考慮保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中物種的多樣性這一問題，因此，他提出了基本水需求的概念，即人類活動(dòng)應(yīng)當(dāng)盡可能的減少對自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞，進(jìn)而保證生態(tài)系統(tǒng)中物種的完整性不受影響[3]。要想保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，就有必要保障該湖泊的最低生態(tài)水位，這是因?yàn)樽畹蜕鷳B(tài)水位代表的時(shí)湖泊可持續(xù)發(fā)展的最低水量以及最低水位[4]。

我國學(xué)者研究湖泊生態(tài)水文的時(shí)間較短，但是在總結(jié)了國外學(xué)者所提出的相關(guān)研究結(jié)論以后，我國學(xué)者在湖泊生態(tài)水文方面也得出了豐富的研究成果。徐志霞[3]在研究湖泊的最小生態(tài)水位時(shí)，主要采用了生物空間最小需量法、自然水位資料法等方法，對我國南四湖的最低生態(tài)水位進(jìn)行了量化計(jì)算，他認(rèn)為只有保證了最低生態(tài)水位，才能夠保證南四湖的生態(tài)系統(tǒng)不會因?yàn)槿祟惖臉O度索取而退化。崔保山[4]認(rèn)為，為了保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)不會因?yàn)槿祟惢顒?dòng)而受到影響，也為了保證該生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性能夠保持在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，那么就需要保障該湖泊生態(tài)的最小水位。從生態(tài)水文原理的角度來看，不少學(xué)者們提出了最小生態(tài)水位法、曲線相關(guān)法等方法，進(jìn)一步計(jì)算了湖泊的最小生態(tài)需水量，這些數(shù)據(jù)將成為人們保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要參考數(shù)據(jù)。李新虎[5,6]認(rèn)為，要想保證湖泊生物的多樣性和完整性，就有必要保證湖泊的生態(tài)系統(tǒng)不受破壞，而要想達(dá)到這一目標(biāo)，就應(yīng)當(dāng)首先確定湖泊的最低生態(tài)水位，并保證人類的一系列活動(dòng)不會導(dǎo)致湖泊水位低于最低生態(tài)水位。淦峰[7]主要采用了水文變化指標(biāo)法構(gòu)建了湖泊生態(tài)水位指標(biāo)體系，而該指標(biāo)體系中共納入了8個(gè)研究指標(biāo)，通過這些指標(biāo)進(jìn)一步分析湖泊生態(tài)水位的目標(biāo)區(qū)域值，進(jìn)而幫助人們找到有效協(xié)調(diào)湖泊生態(tài)環(huán)境和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間關(guān)系的方法。

2 研究區(qū)概況

洞庭湖是我國的第二大淡水湖，地跨湖北、湖南2省25縣(市)，洞庭湖區(qū)有大小入湖河流73條，主要河流有湘江、資水、沅江、澧水，合稱四水水系；松滋河、虎渡河、藕池河、華容河、洈水等合稱四口水系；由東面入湖主要河流有汩羅江、新墻河等，最后經(jīng)過城陵磯匯入長江[8]。

東洞庭湖位于磊石山以北，湖口城陵磯以南，是洞庭湖中面積最大的水域，岸線長207 km。水面高程34 m時(shí)，最大水深18 m，面積1313 km2，占全湖面積的50%；容積126.3億m3，占全湖容積的54%。

洞庭湖在人類活動(dòng)的影響之下，湖底存在大量淤泥，水位和水面面積持續(xù)下降，相比于20世紀(jì)，21世紀(jì)的洞庭湖區(qū)物理特征水文狀況發(fā)生的變化十分明顯，已經(jīng)引發(fā)了洞庭湖區(qū)域的生態(tài)危機(jī)。要想實(shí)現(xiàn)洞庭湖流域水資源的可持續(xù)循環(huán)，人類就必須找到行之有效的方式保持洞庭湖的水位在合理范圍內(nèi)。

圖1 洞庭湖湖區(qū)概圖

3 數(shù)據(jù)資料與研究方法

據(jù)相關(guān)資料顯示，東洞庭湖的蓄水量以及水域面積可以通過研究城陵磯水位的變化情況來分析，因此，本文在計(jì)算東洞庭湖的最小生態(tài)水位時(shí)，主要收集了1980～2016年期間，城陵磯每日水位的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 頻率曲線法

頻率曲線法[9]主要指的是收集30年以上的水文歷史資料，查到該水域環(huán)境中每個(gè)月的水文頻率，并繪制曲線。在該曲線圖中超過95%個(gè)頻率的徑流，以及水域生態(tài)環(huán)境中的月平均流量和月平均水位相關(guān)數(shù)據(jù)，就成為了計(jì)算該水域生態(tài)環(huán)境基本環(huán)境需水量的參考數(shù)據(jù)。在計(jì)算基本生態(tài)環(huán)境的需水量時(shí)，還需要分別計(jì)算汛期需水量和非汛期需水量，并計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

3.2 QP法

QP方法[9]是基于自然月平均流量、月平均水位或節(jié)點(diǎn)長度序列的徑流(n>30年)。另外此方法在計(jì)算水生態(tài)環(huán)境的最小需水量時(shí)，需要首先計(jì)算該水生態(tài)環(huán)境的月平均水位和最小月流量，頻率應(yīng)為90%～95%。

3.3 年保證率設(shè)定法

年保證率設(shè)定法[4]需要排列超過30年水文資料中每一年的最低水位，水生態(tài)環(huán)境中的保證率每年都會發(fā)生變化，那么就需要根據(jù)不同的保證率來計(jì)算最小生態(tài)水位。年保證率設(shè)定法來計(jì)算最小生態(tài)水為時(shí)，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

4 結(jié)果

4.1 頻率曲線法

根據(jù)1980～2016年城陵磯站的實(shí)測逐日水位數(shù)據(jù)，對1980～2016年月平均水位排序后，取90%頻率相應(yīng)的月平均水位作為對應(yīng)月的生態(tài)水位；計(jì)算結(jié)果如表1所示，全年中以2月份的最低生態(tài)水位為最低，其值為19.66 m。

表1 洞庭湖多年月平均水位與月最低生態(tài)水位

4.2 Qp法

根據(jù)1980～2016年城陵磯月平均水位數(shù)據(jù)，對每年月平均最低水位(圖2)排序，并通過頻率計(jì)算后得出相應(yīng)頻率所對應(yīng)的水位。本文在收集了城陵磯水資源開發(fā)情況以及水域生態(tài)環(huán)境規(guī)模以后，結(jié)合前文的計(jì)算公式可以得出，城陵磯的頻率為90%，這就能夠計(jì)算出城陵磯的最低生態(tài)水位為19.70 m。

圖2 城陵磯多年月平均水位圖

4.3 年保證率設(shè)定法計(jì)算結(jié)果

在收集了1980～2016年城陵磯的最低水位相關(guān)數(shù)據(jù)以后，按照由低到高的順序來排列這些最低水位數(shù)據(jù)。本文選擇東洞庭湖水域生態(tài)環(huán)境的保障率為75%，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式(2)，可以看出1990年，東洞庭湖的平均水位為25.59 m。截至2016年，洞庭湖中的動(dòng)植物資源并未發(fā)生顯著變化，且東洞庭湖的水質(zhì)仍然十分良好。從這個(gè)計(jì)算結(jié)果來看，東洞庭湖當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)仍然十分健康。從湖泊生態(tài)系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系來看，城陵磯水生態(tài)系統(tǒng)的權(quán)重為0.975，此時(shí)可以根據(jù)計(jì)算公式(1)，計(jì)算得出城陵磯的最低生態(tài)水位為24.95 m。

4.4 最低水位合理性分析

本文基于歷史水文觀測資料分別用頻率曲線法、QP法、年保證率設(shè)定法3種方法計(jì)算得到的城陵磯最低生態(tài)水位分別為19.67 m、19.70 m、24.95 m。可以看出，根據(jù)不同的理論來計(jì)算城陵磯的最低生態(tài)水位，最終所得到的計(jì)算結(jié)果存在較大差異。湖泊水資源的作用是聯(lián)度保證率計(jì)算法中的主要參考數(shù)據(jù)，但是這種計(jì)算方法中，并未考慮湖泊水文和湖泊地形等因素對湖泊最低水位所帶來的影響，因此按照建立年度保證率方法來計(jì)算最低生態(tài)水位時(shí)，最終的計(jì)算結(jié)果要高于其余兩種方法的計(jì)算結(jié)果。頻率曲線法和QP法以水文資料為依據(jù)，從水文的角度分析了保持生態(tài)系統(tǒng)不嚴(yán)重退化的最低水位。因此結(jié)合本文中的三種計(jì)算方法，從不同的角度進(jìn)行計(jì)算分析，綜合3種計(jì)算結(jié)果對比，取其年保證率法得出的計(jì)算結(jié)果24.95m作為洞庭湖最低生態(tài)水位比較合理。

5 結(jié)論

本文以頻率曲線法、QP法、年保證率設(shè)定法分別計(jì)算了東洞庭湖的最低生態(tài)水位，經(jīng)過分析計(jì)算，結(jié)果為24.95 m。計(jì)算湖泊最低生態(tài)水位的方法有多種多樣，在選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法是，需要考慮該湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，也需要分析該湖泊生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。本文是根據(jù)長系列水位資料基礎(chǔ)才選擇的上述三種計(jì)算方法，因此本文的計(jì)算方法能夠得出較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。