洞庭湖生態(tài)水位及其保障研究

王鴻翔，朱永衛(wèi)，查胡飛，郭文獻(xiàn)

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

洞庭湖是我國(guó)第二大淡水湖，是調(diào)節(jié)湘、資、沅、澧四水和分蓄長(zhǎng)江洪水重要的天然湖泊，為長(zhǎng)江流域重要的調(diào)蓄湖泊和水源地，對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江中游的防洪和水資源利用舉足輕重，同時(shí)洞庭湖也是世界著名的濕地生態(tài)保護(hù)地區(qū)，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)和生物多樣性的保護(hù)具有重要作用[1]. 然而，由于氣候變化以及人類(lèi)活動(dòng)等多種因素，濕地面積不斷萎縮，湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)也造成較大破壞[2]. 湖泊水位情勢(shì)變化是決定湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素，其時(shí)空變化過(guò)程對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響. 因此，確定湖泊生態(tài)水位，對(duì)于恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能以及維護(hù)湖泊健康可持續(xù)發(fā)展具有重要研究意義.

關(guān)于湖泊生態(tài)水位，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究. 國(guó)外生態(tài)水位研究起源于美國(guó)，其中Zacharias等2005年運(yùn)用MIKESHE軟件、遙感和GIS等手段對(duì)Trichonis湖泊濕地的生態(tài)需水和生態(tài)水位變化進(jìn)行了估算[3]. Desgranges等2006年研究了濕地鳥(niǎo)類(lèi)和水位之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用生態(tài)統(tǒng)計(jì)方法和構(gòu)建模型估算出適合鳥(niǎo)類(lèi)繁衍的水位[4]. Hudon等2006年運(yùn)用綜合模擬方案研究了湖泊水位與植物之間的關(guān)系，確定了適合植被生長(zhǎng)的生態(tài)水位[5]. 我國(guó)研究湖泊生態(tài)水位相對(duì)較晚，其中崔保山等2005年基于生態(tài)水文學(xué)原理提出了計(jì)算最小生態(tài)需水量的3種方法：曲線(xiàn)相關(guān)法、功能法和最低生態(tài)水位法[6]. 李新虎等2007年運(yùn)用綜合指標(biāo)法計(jì)算分析了博斯騰湖最低生態(tài)水位[7]. 淦峰等2015年提出湖泊生態(tài)水位包括水位變化范圍和過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建高低水位發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和水位變化率等生態(tài)水位指標(biāo)體系，確定了鄱陽(yáng)湖生態(tài)水位目標(biāo)值的范圍[8]. 已有一些關(guān)于洞庭湖生態(tài)水位的相關(guān)研究. 謝永宏等2012年計(jì)算分析了洞庭湖1974、1988和1998年3個(gè)時(shí)期城陵磯水文站最小生態(tài)水位分別是24、24和24.6 m[9]. 梁婕等2013年對(duì)東洞庭湖城陵磯水文站擬合水文變異前月均水位序列的最適合概率分布函數(shù)，認(rèn)為概率最高處的月均水位為生態(tài)水位(24.90 m)[10]. 程俊翔等2015年采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法、湖泊形態(tài)分析法和生態(tài)水位法計(jì)算東洞庭湖最低生態(tài)水位為25.42 m[11]. 根據(jù)目前相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)湖泊生態(tài)水位計(jì)算方法主要包括天然水位資料法、湖泊形態(tài)分析法和生物空間最小需求法，這些方法大多計(jì)算一個(gè)最低生態(tài)水位，忽略了湖泊的年內(nèi)水位變化過(guò)程，實(shí)際上湖泊中水生生物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)湖泊水位的需求也不相同，多樣化的水位情勢(shì)變化，同時(shí)也增加了水生生物多樣性.

考慮到湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，筆者認(rèn)為湖泊生態(tài)水位是指維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能完整性所需的水位，包括水位的變化范圍和過(guò)程. 為了計(jì)算方便，通常將湖泊生態(tài)水位分為最小和適宜生態(tài)水位進(jìn)行計(jì)算，其中湖泊最小生態(tài)水位是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)生物物種不消亡、湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康以及基本功能不嚴(yán)重退化所需要保持的最低水位；適宜生態(tài)水位是指維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生物多樣性不受損所需的最適宜水位. 本文針對(duì)洞庭湖湖泊水文變異情況，提出了一種計(jì)算湖泊生態(tài)水位的水文學(xué)新方法，該方法將年內(nèi)展布法[12]與IHA-RVA法[13]進(jìn)行結(jié)合，分別計(jì)算湖泊最小和適宜生態(tài)水位，并分析了水文變異前后生態(tài)水位保障程度，提出了洞庭湖生態(tài)水位保障措施，該研究為洞庭湖濕地健康恢復(fù)提供了理論依據(jù).

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

洞庭湖位于湖南省北部，跨湘、鄂兩省，是我國(guó)第二大淡水湖泊. 洞庭湖西高東低，被分為東洞庭湖(城陵磯)、南洞庭湖(楊柳潭)、西洞庭湖(南咀)，自西向東形成一個(gè)傾斜的水面(圖1).

圖1 洞庭湖示意圖Fig.1 Sketch map of Lake Dongting

洞庭湖作為長(zhǎng)江中下游最為典型的吞吐型湖泊，不但有著蓄水防洪的作用，同時(shí)也是世界公認(rèn)的重要濕地保護(hù)區(qū). 洞庭湖優(yōu)越的地理位置以及良好的生態(tài)環(huán)境，使其在我國(guó)水生態(tài)保護(hù)區(qū)中有著舉足輕重的地位，在維護(hù)生物多樣性、旅游觀光以及水資源調(diào)度中發(fā)揮著巨大的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益. 作為世界級(jí)濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)洞庭湖濕地每年有大量的珍稀候鳥(niǎo)在此越冬，有國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物13種，包括白鶴、白頭鶴、白鸛、黑鸛、大鴇、中華秋沙鴨、東方白鸛、黑鸛、白尾海雕、白鶴、白頭鶴、大鴇、游隼，二級(jí)保護(hù)動(dòng)物天鵝、白琵鷺、鴻雁等35種. 同時(shí)也有國(guó)家Ⅰ級(jí)保護(hù)植物水杉、銀杏和Ⅱ級(jí)保護(hù)植物翠柏、馬蹄參、野大豆、八角蓮等30種珍稀植物，另外洞庭湖濕地也是長(zhǎng)江四大家魚(yú)重要產(chǎn)卵地之一和國(guó)家一級(jí)保護(hù)魚(yú)類(lèi)中華鱘、白鱘等珍稀瀕危水生動(dòng)物的保護(hù)地[1]. 近年來(lái)，由于氣候變化以及人類(lèi)活動(dòng)等多因素影響，洞庭湖水系調(diào)蓄功能衰退、生態(tài)環(huán)境逐漸惡劣、生物多樣性及水生生物的生存繁殖面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn). 這就使得對(duì)洞庭湖濕地進(jìn)行科學(xué)合理的水文水生態(tài)研究迫在眉睫. 本文選取分別代表東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的3個(gè)代表水文站城陵磯、楊柳潭、南咀的日均水位為研究對(duì)象，3個(gè)代表水文站日均水位數(shù)據(jù)序列為1959-2016年，數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究總院.

1.2 趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化變量Z，與某一置信水平α(取0.05)下的臨界變量對(duì)比. 當(dāng)Z為正表示有上升趨勢(shì)，為負(fù)則表示有下降趨勢(shì)；當(dāng)Z超臨界值時(shí)表明上升或下降趨勢(shì)顯著，同時(shí)對(duì)原時(shí)間序列的逆序列進(jìn)行同樣的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，使UB=-UF，若兩條曲線(xiàn)在95%置信度水平內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，表明在該時(shí)間點(diǎn)發(fā)生突變[14]. M-K非參數(shù)檢驗(yàn)不受樣本值和分布類(lèi)型的干擾，但是檢驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，需要對(duì)這些突變點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證. 累積距平法是年均水文數(shù)據(jù)和多年年均水文數(shù)據(jù)之間差值的累積值，選取累積量存在的極值點(diǎn)為水文突變點(diǎn)[15]. 滑動(dòng)T檢驗(yàn)法是通過(guò)計(jì)算T統(tǒng)計(jì)量，觀察T統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)顯著水平線(xiàn)，若超過(guò)了顯著水平線(xiàn)，則表示該時(shí)間點(diǎn)為水文突變點(diǎn)[16]. 3種算法應(yīng)用較為廣泛和普遍，本文不再做詳細(xì)介紹，具體算法參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14-16]. 依據(jù)3種算法的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)歷史水位數(shù)據(jù)確定洞庭湖水文變異的時(shí)間點(diǎn)，并依次劃分水文分析的基準(zhǔn)期和評(píng)價(jià)期.

1.3 生態(tài)水位計(jì)算方法

湖泊水文過(guò)程具有周期性變化規(guī)律，并伴隨著相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)與特定的生態(tài)作用. 湖泊水生生物的生命史已經(jīng)適應(yīng)湖泊的天然水文情勢(shì)，湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài). 而天然最小月均水位能夠滿(mǎn)足湖泊基本生態(tài)環(huán)境功能、水生生物生存及群落結(jié)構(gòu)對(duì)水量的基本需求，天然適宜生態(tài)水位為能夠保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的適宜水位[12,17]. 然而，由各月最小月均水位和適宜生態(tài)水位構(gòu)成的年內(nèi)過(guò)程不能很好地反映出河流的水文特征，而湖泊多年月均水位過(guò)程能夠更好地反映出湖泊歷史水文情勢(shì)變化特征. 因此，本研究認(rèn)為湖泊生態(tài)水位計(jì)算方法應(yīng)該基于湖泊天然徑流過(guò)程的自身特征來(lái)進(jìn)行確定與量化水文指標(biāo)，并結(jié)合多年條件下的同期平均徑流進(jìn)行生態(tài)水位計(jì)算，即基于長(zhǎng)時(shí)間序列的天然月均水位資料，選取多年年均水位與年內(nèi)各月最小(適宜)月均水位的年均值這兩個(gè)典型的水文特征變量確定與量化關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合典型年水位過(guò)程或多年平均水位過(guò)程進(jìn)行湖泊內(nèi)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)水位的年內(nèi)過(guò)程計(jì)算.

首先，根據(jù)上述水文變異的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用突變前的天然水位資料，分別計(jì)算多年平均水位和最小年均水位；其次，利用多年年均水位和最小年均水位，計(jì)算各水文斷面的同期均值比；然后，分析歷史湖泊天然水位過(guò)程，利用歷史水位資料構(gòu)建多年月平均水位的年內(nèi)過(guò)程，結(jié)合同等比例縮放的原理進(jìn)行湖泊生態(tài)水位計(jì)算，得到各控制斷面的最小生態(tài)水位年內(nèi)過(guò)程. 計(jì)算公式為[12]：

(1)

在計(jì)算最小生態(tài)水位過(guò)程基礎(chǔ)上，采用IHA-RVA法計(jì)算湖泊適宜生態(tài)水位，其計(jì)算原理考慮到湖泊適宜生態(tài)水位變動(dòng)范圍不應(yīng)超過(guò)天然可變范圍(即RVA閾值)，這樣才能夠維持湖泊健康生態(tài)系統(tǒng). RVA閾值描述水位過(guò)程線(xiàn)的可變范圍，也即天然生態(tài)系統(tǒng)可以承受的變化范圍，這為估算湖泊生態(tài)水位系列提供了參考. 我們以各指標(biāo)的平均值(標(biāo)準(zhǔn)差)或者以頻率為75%和25%作為各個(gè)指標(biāo)的上下限，稱(chēng)為高低水位閾值，研究以下限水位的年均值作為適宜年均水位(等同于最小生態(tài)水位計(jì)算公式中的最小年均水位)[13,18-19]. 基于長(zhǎng)時(shí)間序列的天然日均水位資料，選取多年年均水位和適宜年均水位這兩個(gè)典型的水文特征變量進(jìn)行確定與量化關(guān)鍵水文指標(biāo)——同期均值比，并結(jié)合多年平均水位過(guò)程進(jìn)行湖泊內(nèi)適宜生態(tài)水位的年內(nèi)過(guò)程計(jì)算，計(jì)算步驟與公式(1)類(lèi)似.

1.4 生態(tài)水位保障度

根據(jù)計(jì)算的最小和適宜生態(tài)水位，進(jìn)行湖泊生態(tài)水位保障度計(jì)算[20]. 生態(tài)水位保障度即計(jì)算時(shí)段內(nèi)，湖泊水位能夠保障生態(tài)水位的天數(shù)與總天數(shù)的比值. 該值越大，表明該時(shí)段水位越能夠保障湖泊的生態(tài)水位要求. 生態(tài)保障度越高則湖泊生態(tài)系統(tǒng)越健康.

生態(tài)水位保障度的計(jì)算公式為：

(2)

式中，αij表示第i年第j月的生態(tài)水位保障度；Dij表示第i年第j月生態(tài)水位的保障天數(shù)；D表示第i年第j月的總天數(shù).

其中：

(3)

式中，Zijk表示第i年第j月第k日的湖泊日水位(m)；Zj表示第i年第j月的生態(tài)水位(m).

2 結(jié)果分析

2.1 洞庭湖年均水位趨勢(shì)及其突變性分析

如圖2所示，通過(guò)點(diǎn)繪1959-2016年年平均水位年際變化過(guò)程曲線(xiàn)可知，研究期間，洞庭湖水系年平均水位除1965、1972、1983、1992、1998、2006、2011年特枯年或特大洪水年的波動(dòng)幅度較大外，城陵磯和楊柳潭呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，南咀呈緩慢降低趨勢(shì). 運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法檢驗(yàn)3個(gè)站點(diǎn)年平均水位變化的趨勢(shì)性可知，城陵磯、楊柳潭年平均水位總體呈微弱上升態(tài)勢(shì)，其中楊柳潭上升趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，城陵磯上升趨勢(shì)通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn)；南咀年均水位呈下降態(tài)勢(shì)，且下降趨勢(shì)通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn).

圖2 洞庭湖年均水位變化Fig.2 Annual water level changes of Lake Dongting

運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法、累積距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)洞庭湖城陵磯、南咀、楊柳潭3個(gè)水文控制站研究期間的年均水位序列進(jìn)行突變年份檢驗(yàn)(圖3). 通過(guò)以上3種檢測(cè)方法綜合判別洞庭湖3個(gè)水文站點(diǎn)理論上的突變年份(表1).

表1 洞庭湖3個(gè)水文站年均水位突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了便于研究，統(tǒng)一將2003年以前洞庭湖日水位過(guò)程作為自然基準(zhǔn)水位序列，2003-2016年洞庭湖日水位過(guò)程作為水文變異后的水位改變序列. 在此基礎(chǔ)上運(yùn)用生態(tài)水位年內(nèi)展布法和RVA法對(duì)洞庭湖進(jìn)行最小生態(tài)水位和適宜生態(tài)水位的計(jì)算.

2.2 洞庭湖生態(tài)水位計(jì)算

最低生態(tài)水位為主要考慮防止湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步衰退的水位，保護(hù)湖泊核心區(qū)的水位，保護(hù)濕地水文要求以及保護(hù)水生生物的最低水位，在該水位要求下大部分濕地生態(tài)能夠保存基本的生態(tài)活動(dòng)，滿(mǎn)足生態(tài)系統(tǒng)的基本運(yùn)轉(zhuǎn)，但是如果長(zhǎng)時(shí)間處于該水位將會(huì)導(dǎo)致生物生長(zhǎng)發(fā)展的缺失，最終導(dǎo)致生物的消亡. 基于洞庭湖的湖泊實(shí)際情況，將湖泊生態(tài)需水劃分為湖泊最小生態(tài)水位計(jì)算和湖泊適宜生態(tài)水位計(jì)算，通過(guò)洞庭湖突變發(fā)生前(1959-2002年)天然水位日均資料，運(yùn)用生態(tài)水位年內(nèi)展布法確定湖泊的最小生態(tài)水位.

湖泊適宜生態(tài)水位在最小生態(tài)水位的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)的完整性，在保護(hù)水生植物和水生動(dòng)物的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中鳥(niǎo)類(lèi)的保護(hù)，比最小生態(tài)水位有更高的要求. 基于湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中的水生植物及水生動(dòng)物以及鳥(niǎo)類(lèi)對(duì)水位的最低要求，采用基于IHA-RVA法的湖泊適宜生態(tài)水位計(jì)算方法，其原理是認(rèn)為湖泊宜生態(tài)水位變動(dòng)范圍不應(yīng)超過(guò)天然可變范圍(即RVA閾值)，這樣才能夠維持湖泊健康生態(tài)系統(tǒng).

根據(jù)湖泊生態(tài)水位計(jì)算方法，選取洞庭湖水系城陵磯、南咀、楊柳潭3個(gè)水位站的典型水文站1959-2002年的近天然日水位資料，通過(guò)生態(tài)水位年內(nèi)展布法計(jì)算湖泊生態(tài)水位，并以Tennant法進(jìn)行驗(yàn)證，選取多年平均水位、最小年均水位和適宜年均水位，計(jì)算各水文站的同期均值比(表2)，并以多年月均水位過(guò)程為基準(zhǔn)(表3)，計(jì)算各水文站基本生態(tài)水位和適宜生態(tài)水位年內(nèi)水位過(guò)程，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4. 圖4為洞庭湖生態(tài)水位過(guò)程.

圖3 Mann-Kendall突變性分析Fig.3 Mutation analysis by Mann-Kendall

圖4 洞庭湖生態(tài)水位Fig.4 Ecological water level in Lake Dongting

東洞庭湖、西洞庭湖和南洞庭湖的最低生態(tài)水位同期均值比分別為86.3%、95.9%和 95.7%，三者的適宜生態(tài)水位同期均值比依次為93.9%、97.8%和97.5%(表2). 可以看出除東洞庭的最低生態(tài)水位同期均值比低于90%，其余均高于90%，可以推斷出東洞庭湖的最小水位和平均水位間隔較大. 東洞庭的年內(nèi)水位波動(dòng)最大，最高水位與最低水位相差10.26 m，而南洞庭和西洞庭則相差較小，分別為3.61和4.19 m. 年內(nèi)水位最高都發(fā)生在7月，最低水位都在1月(表3). 在空間分布上西洞庭湖的水位原本就比南洞庭和東洞庭湖的水位要高些，當(dāng)?shù)厣镌跉v史演變過(guò)程中也慢慢適應(yīng)了在該水位下生存，所以計(jì)算出來(lái)的適宜和最小生態(tài)水位相比較南洞庭和東洞庭湖水位都更高些(表4). 在動(dòng)植物生長(zhǎng)的旺盛期(5-10月)需要較高的水位來(lái)滿(mǎn)足其繁殖需求，洞庭湖年內(nèi)最高水位需求都出現(xiàn)在7月，東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖的適宜生態(tài)水位分別達(dá)到28.38、30.56 m和31.88 m. 洞庭湖水位波動(dòng)較大，長(zhǎng)期高水位會(huì)引起敞水區(qū)面積增加，沉水植被向近岸區(qū)域擴(kuò)展，深水區(qū)收縮，引起適宜高水位的外來(lái)物種的大量繁殖，降低物種多樣性；水位上升還會(huì)增加對(duì)堤岸的侵蝕，降低底質(zhì)中的溶解氧，增大磷的釋放率，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化. 長(zhǎng)期低水位會(huì)減少敞水區(qū)和湖濱帶的面積，導(dǎo)致無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)棲息地范圍和大型植物的生物量減少，這就會(huì)造成生物多樣性和生產(chǎn)力降低. 因此，生態(tài)水位對(duì)保障洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)的健康至關(guān)重要.

為了分析本研究成果合理性，采用Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，在Tennant法評(píng)價(jià)中，以預(yù)先確定的多年平均流量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將保護(hù)水生態(tài)河水環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值(200%)、最佳范圍值(60%～100%)、極好狀態(tài)值(枯水期40%，豐水期60%)、很好狀態(tài)值(枯水期30%，豐水期50%)、良好狀態(tài)值(枯水期20%，豐水期40%)、一般狀態(tài)值((枯水期10%，豐水期30%))、差狀態(tài)值(10%)和極差狀態(tài)值(0～10%). 其評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5.

表2 洞庭湖各水文站的同期均值比

表4 洞庭湖各水文站的最小和適宜生態(tài)水位

表5 洞庭湖生態(tài)水位Tennant法評(píng)價(jià)

本文根據(jù)洞庭湖區(qū)水文特征，將Tennant法的豐水期修正為4-9月，枯水期修正為10月至翌年3月，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與Tennant法比較可知，洞庭湖各水文斷面的基本生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果與修正后的Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，在枯水期(10-3月)各個(gè)水文斷面生態(tài)水位占多年年均水位的77.1%～94.4%，根據(jù)Tennant法評(píng)價(jià)均處在最佳范圍，此時(shí)湖泊水文條件仍要保持一定的水深、流速、河寬，滿(mǎn)足生物生存、洄游、景觀的一般要求，是絕大多數(shù)水生生物維持短時(shí)間生存的水位推薦值. 在豐水期(4-9月)，各水文斷面生態(tài)水位占多年年均水位的95.5%～103.9%，處于最佳范圍，能夠滿(mǎn)足水生生物棲息和產(chǎn)卵、育幼等目標(biāo)的水位需求. 因此利用生態(tài)水位年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算的最小生態(tài)水位和IHA-RVA法計(jì)算出的適宜生態(tài)水位與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿(mǎn)足湖泊生態(tài)目標(biāo)的需求.

關(guān)于洞庭湖生態(tài)水位的相關(guān)研究，謝永宏、梁婕和程俊翔等分別針對(duì)洞庭湖城陵磯水文站進(jìn)行分析[9-11]，計(jì)算出最小生態(tài)水位為25 m左右，與本研究計(jì)算分析的枯水期結(jié)果(19.1 m)相比明顯偏大，另外這些研究只是計(jì)算出一個(gè)數(shù)值，而本研究計(jì)算的生態(tài)水位是一個(gè)水位過(guò)程. 而楊毓鑫等采用多種方法計(jì)算洞庭湖最低生態(tài)水位[21]，其中東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖分別為22.62、27.19和28.11 m，與本研究的結(jié)果相差不大. 黃兵等認(rèn)為湖泊適宜的生態(tài)水位為頻率最大處月平均水位[22]，通過(guò)計(jì)算得出東洞庭湖為24.39 m，南洞庭湖為25.61 m，西洞庭湖為30.2 m，而本研究計(jì)算得到東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖分別為 23.29、28.36和29.51 m，計(jì)算結(jié)果基本一致，只有南洞庭湖差別較大，其原因是本研究選用了楊柳潭水文站，而黃兵等選用了鹿角水文站. 總體而言，本研究相對(duì)前人研究結(jié)果更具有可操作性，其結(jié)果也更加符合湖泊天然水位變化規(guī)律.

2.3 洞庭湖水文突變前后保障程度

圖5 洞庭湖各站點(diǎn)突變前后生態(tài)水位保障程度Fig.5 The guarantee degree of ecological water level before and after the abrupt change in Lake Dongting

根據(jù)前文得到的洞庭湖水文突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將洞庭湖城陵磯、南咀、楊柳潭3個(gè)控制站點(diǎn)1959-2016年間的日平均水位數(shù)據(jù)分成水文突變前(1959-2002年)和突變后(2003-2016年)，分別計(jì)算突變前、后3個(gè)水文站的最低生態(tài)水位和適宜生態(tài)水位保證率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5.

根據(jù)圖5可知，水文突變前(1959-2002年)洞庭湖城陵磯、南咀、楊柳潭水文站的最小生態(tài)水位保障程度普遍較高. 其中，以城陵磯站最小生態(tài)水位保障程度最高，年內(nèi)共有6個(gè)月的日均保障程度達(dá)到100%，年保障程度也達(dá)到94.4%；而南咀相對(duì)較低，年保障程度為82.7%，尤其在7、8、9、10月的保障程度不足80%. 通過(guò)適宜生態(tài)水位的保障程度分析可知，城陵磯站依然保持著較高的保障程度，達(dá)到84.2%；楊柳潭的適宜生態(tài)水位保障程度雖然有一定的下降，但還保持良好，仍在75%以上；南咀站的適宜生態(tài)水位保障程度有些偏低，8-11月的保障程度都在50%以下. 從年內(nèi)各月份保障程度的對(duì)比看，洞庭湖各站點(diǎn)適宜生態(tài)水位保障程度與最小生態(tài)水位保障程度相似，均在8、9、10月的保障程度較低. 水文突變后(2003-2016年)城陵磯、南咀、楊柳潭水文站的最小和適宜生態(tài)水位保障程度相對(duì)于水文突變前普遍偏低，尤其是汛期，其中8、9、10月生態(tài)水位保障程度下降明顯. 從總體上來(lái)看，枯水期(11-4月)的保障程度都較高，在汛期(8-10月)生態(tài)水位保障程度偏低，說(shuō)明長(zhǎng)江中上游的梯級(jí)水庫(kù)在枯水期的調(diào)度作用明顯. 汛期生態(tài)水文保障程度偏低應(yīng)該引起重視，在滿(mǎn)足湖泊防洪工程的基礎(chǔ)上，盡量保持該時(shí)期湖泊內(nèi)的水位，以維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康.

3 結(jié)論

本文將洞庭湖區(qū)域城陵磯、楊柳潭、南咀3個(gè)水文站1959-2016年實(shí)測(cè)日均水位運(yùn)用M-K突變分析法結(jié)合累積距平法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法找出長(zhǎng)時(shí)間軸上的突變點(diǎn)，認(rèn)為在1959-2002年是洞庭湖區(qū)域在自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，對(duì)該時(shí)間序列的日均水位進(jìn)行分析，利用年內(nèi)展布法和結(jié)合IHA-RVA法的適宜生態(tài)水位計(jì)算法得出3個(gè)站點(diǎn)的最小生態(tài)水位和適宜生態(tài)水位，并以Tenntant法進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)最小生態(tài)水位和適宜生態(tài)水位在水文突變前后的保障度進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)洞庭湖城陵磯和楊柳潭水文站年均水位呈上升趨勢(shì)，而且城陵磯站水位上升趨勢(shì)顯著，南咀站年均水位呈顯著下降趨勢(shì). 洞庭湖水位年際變化突變年份為2003年，突變年份基本上與三峽工程蓄水時(shí)間相符，選取1959-2002年為近天然狀況下水位序列，2003-2013年為水文突變后水位序列.

2)根據(jù)水文突變前水位序列計(jì)算出城陵磯、南咀和楊柳潭年均最小生態(tài)水位分別為21.41、28.95和27.84 m，分別占多年平均水位的86.3%、95.9%和95.7%；城陵磯、南咀和楊柳潭年均適宜生態(tài)水位分別為23.29、29.51和28.36 m，分別占多年平均水位的93.9%、97.8%和97.5%；洞庭湖年內(nèi)生態(tài)水位差別較大，其中1月份水位最低，7月份水位最高；參考Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，利用生態(tài)水位年內(nèi)展布法和IHA-RVA法計(jì)算出的最小和適宜生態(tài)水位都與Tennant法設(shè)定的分期相符，能夠滿(mǎn)足河流生態(tài)目標(biāo)的需求，計(jì)算結(jié)果較為合理.

3)根據(jù)生態(tài)水位保障度計(jì)算分析，城陵磯水文站的水文突變后生態(tài)水位保障度相對(duì)較高，除10月份保障程度下降，其他月份的保障程度均高于突變以前的保障程度；南咀站和楊柳潭站水文突變后的保障程度相對(duì)較差，大部分月份的保障程度都比突變前的保障程度低. 從總體來(lái)看，枯水期(11-4月)的保障程度較高，在汛期(8-10月)生態(tài)水位保障程度偏低，尤其是10月，最小和生態(tài)水位保障度大幅度下降，這與該時(shí)段洞庭湖流域上游水庫(kù)蓄水導(dǎo)致洞庭湖水位下降有直接關(guān)系.

4)針對(duì)洞庭湖生態(tài)水位保障問(wèn)題，特別是生態(tài)水位在10月各站點(diǎn)均出現(xiàn)保障程度大幅下降的情況，適當(dāng)在該期間補(bǔ)充水量，延遲湖泊洼地水位提前下降對(duì)濕地提前出露的影響，為水生植物和水生動(dòng)物提供較穩(wěn)定的環(huán)境，保障湖區(qū)生態(tài)安全.