洞庭湖生态水位与生态需水量研究
作者：杨恒 董世杰 吴江 翟然 吕振豫
摘要：为保护洞庭湖生态系统，基于洞庭湖鹿角、杨柳潭和南咀水文站1961～2020年逐日水位监测数据，开展洞庭湖生态水位和生态需水量的研究。运用天然水位资料法、湖泊形态法、生物空间最小需求法、年保证率法、最低年平均水位法和频率曲线法等6种分析方法计算得出洞庭湖生态水位，利用功能法计算得出洞庭湖生态需水量。结果表明：① 洞庭湖东、南、西3个湖区最低生态水位分别为24.20，27.78，29.42 m，适宜生态水位分别为25.80，29.07，30.08 m。② 洞庭湖东、南、西3个湖区最低生态需水量分别为6.31亿，10.02亿，3.83亿m3，适宜生态需水量分别为12.66亿，13.99亿，4.61亿m3，洞庭湖最低与适宜生态需水量分别为20.16億m3和31.26亿m3。研究成果可为洞庭湖区域水资源合理配置、湖区生态系统健康运转和洞庭湖治理与保护提供参考依据。
关 键 词：生态水位；生态需水量；天然水位资料法；频率曲线法；洞庭湖
中图法分类号：X143；P343.3
文献标志码：A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.012
0 引 言
洞庭湖是中国第二大淡水湖，也是长江中下游的大型通江湖泊，具有调蓄防洪、沟通航运、农业灌溉、调节区域气候、维持生物多样性、美化区域环境和水资源开发利用等多种功能［1］。同时洞庭湖也是世界著名的湿地生态保护区，对珍稀候鸟、鱼类以及生物多样性的保护具有显著的生态价值。湖泊生态水位和生态需水量是表征湖泊生态用水需求的重要指标，二者与湖泊生态系统功能联系密切。因此，进行洞庭湖生态水位与生态需水量的研究，对开展湖泊生态保护对策研究、维持湖泊生态系统健康具有十分重要的意义。
生态水位和生态需水量是湖泊生态水文的重要研究对象，国内外学者对此开展了大量研究。在湖泊生态水位方面，徐志侠等［2］运用天然水位资料法、湖泊形态分析法和生物空间最小需求法计算南四湖最低生态水位。崔保山等［3］认为湖泊最低生态水位是保护湖区生物生存和维持湖泊生态系统健康运行所需的最低水位，提出了最低年平均水位法和年保证率设定法两种生态水位计算方法。李新虎等［4］运用综合指标法计算了博斯腾湖最低生态水位。王鸿翔等［5］采用RVA法、年内展布法和数理统计的方法对东洞庭湖湿地生态水位阈值进行了研究。杨毓鑫等［6］基于湖泊最低生态水位的研究方法综合确定了洞庭湖最低生态水位。黄宇云等［7］对三峡建库后东洞庭湖适宜生态水位需求进行了分析。朱永卫［8］、成波［9］等分析了东洞庭湖水位波动对候鸟栖息地适宜性以及对冬季水鸟群落结构和多样性的影响。戴凌全等［10］分析了洞庭湖水位变化对三峡水库优化调度的影响。在湖泊生态需水量方面，Gleick［11］提出基本生态需水量的概念，即保证物种多样性和生态完整性的基本需水量。Baird等［12］系统分析了各类生态系统中植物与水文过程的相关关系，强调水因子在自然保护中发挥的关键作用，推动了国际学术界开展生态需水研究。谢永宏等［13］基于生态需水模型及计算方法对洞庭湖最小生态需水量进行了研究。安秋香等［14］对洞庭湖断流区育乐垸生态需水量进行了研究。陆平宇等［15］在聚焦前人关于湖泊生态需水量研究的基础上，对湖泊生态需水量的计算方法进行了总结。张明波［16］、郑静［17］等针对2022年长江干流及洞庭湖、鄱阳湖水系“汛期反枯”的极端干旱情况，考虑水位、需水量、出库流量、降水等因素，采用P-Ⅲ曲线和适线法分析了洞庭湖、鄱阳湖和长江干流枯水重现期，并对水库群抗旱补水调度进行研究。以上针对湖泊生态水位和生态需水量的研究多是倾向于研究湖泊单一的生态水位或生态需水量，而将二者结合的研究相对缺乏。在洞庭湖生态水位和生态需水量研究方面，目前多数学者仅考虑了洞庭湖某单一湖区生态水位或生态需水量或是将洞庭湖区作为一个整体进行计算，缺乏对洞庭湖东、南、西3个湖区生态水位和生态需水量的计算与比较研究。
鉴于此，本文采用天然水位资料法、湖泊形态法、生物空间最小需求法、年保证率设定法、最低年平均水位法、频率曲线法以及功能法，开展对洞庭湖东、南、西3个湖区生态水位和生态需水量的研究，以期进一步明晰洞庭湖不同湖区生态水位和生态需水量的相互关系以及湖区生态水文现状，为保护洞庭湖生态系统、湖区水资源综合利用、以及应对极端干旱等气候提供科学依据。
1 研究区域及数据资料
洞庭湖（28°30′N～30°20′N，111°40′E～113°10′E）位于湖南省北部、长江中游荆江河段以南，跨越湘鄂两省，南纳湘、资、沅、澧四水来水，北承荆江南岸太平、藕池、松滋三口分流，在城陵矶附近注入长江。洞庭湖是中国第二大淡水湖，也是长江流域重要的吞吐调蓄型湖泊［18］。湖区地势西高东低，分成东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖（由目平湖、七里湖组成）3个湖区［19］（图1）。
本文选取东洞庭湖鹿角水文站、南洞庭湖杨柳潭水文站以及西洞庭湖南咀水文站作为洞庭湖区的代表性站点。鹿角站（113°0′49″E，29°9′41″N）西滨东洞庭湖，北通长江，东接新墙河，南临汨罗江，是监测东洞庭湖水文气象的代表水文站；杨柳潭站（112°38′7″E，28°46′52″N）是控制湘江、资水流入南洞庭湖的观测水文站；南咀站（112°18′43″E，29°3′28″N）是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅江经西洞庭湖湖口（北端）流入南洞庭湖的国家基本水文站。选取的3个水文站各具代表性，基本能够反映洞庭湖区的水文情势变化特征。研究基于3个水文站点1961～2020年的逐日水位监测数据（水位高程均为“1985国家高程基准”），并参考前人已有研究成果，计算洞庭湖生态水位与生态需水量，水位数据来源于长江水利委员会水文局。
2 研究方法
2.1 天然水位资料法
湖泊水位在天然情况下时刻在发生变化，这将对湖泊生态系统产生一定的扰动，但在湖泊生态系统长期发展过程中，已适应了这样的扰动。天然水位资料法从天然情况下的水位变动出发，将湖泊多年最低水位作为湖泊最低生态水位，其中最低水位可以是月均最低水位、日均最低水位或瞬时最低水位等。本文采用月均最低水位作为洞庭湖最低生态水位。该方法存在一定局限性，在计算最低水位时若出现个别极端水位，会导致所求最低生态水位结果偏低，故当历史水位资料少于20 a时，该方法不适用。计算公式为
Zemin=min（Zmin1，Zmin2，…，Zminn）（1）
式中：Zemin为最低生态水位；Zmini为第i年最小月均水位；n为统计的水位资料年数。
2.2 湖泊形态分析法
湖泊形态分析法是根据水位-水面积数据，绘制二者关系曲线，并通过多项式拟合得到二者关系函数。由导函数理论可知，若某一水位在湖泊多年平均水位附近且在该水位处湖面积变化率存在一个极大值，若极大值发生变化，会导致湖面积与湖泊功能也发生显著变化，则认为该水位就是湖泊最低生态水位。计算公式为
式中：S为湖泊面积，km2；h为湖泊水位，m。
2.3 生物空间最小需求法
生物空间最小需求法是从湖泊生态系统中生物生存角度出发，由湖内和湖滨生物的生存空间所需水位来确定其最低生态水位。其中不同的水生和陆生植物有不同的适宜水位，相关研究表明，沉水植物的适宜水深为60～200 cm，挺水植物的适宜水深为植物露出水面30～50 cm，野生鱼类生存和繁殖的最小水深为1.0 m［6］。鱼类为湖泊生态系统中的顶级群落，在水生态系统中位置独特，渔业是洞庭湖的主要经济产业之一，故将鱼类作为洞庭湖水生态系统指示物种。计算公式为
Z=Zo+hmin（4）
式中：Zo為湖底高程，m；hmin为鱼类生存所需的最小水深，m。
2.4 年保证率设定法
年保证率设定法［3，20］是根据水位系列数据，将历年最低水位按从小到大的顺序排列，在选定的年保证率下计算湖泊最低生态水位的一种方法。计算公式为
式中：Hmin为湖泊最低生态水位，m；H为某保证率下所对应的水文年平均水位，m；μ为权重；P为保证率；m为某保证率下对应的水文年序列数；n为统计年数。
根据湖泊生态系统功能、地形地貌和湖泊结构选择适宜的保证率（一般情况下取75%保证率），然后确定该保证率所对应的水文年，进而计算该水文年年平均水位，再根据生态系统健康评价指标［21］，综合评价该水文年生态系统健康状况，最后据此确定权重μ。
2.5 最低年平均水位法
最低年平均水位法是根据水文学法中的河流最枯月平均流量法和Taxas法，并结合湖泊生物指标和多年水位状况所提出的一种计算湖泊最低生态水位的方法。计算公式为
式中：Hmin为湖泊最低生态水位，m；λ为权重，取值范围一般为0.65～1.55；Hi为第i年最低水位，m；n为统计年数。
2.6 频率曲线法
皮尔逊Ⅲ型频率曲线是一条不对称且一端无限，一端有限的正偏、单峰曲线，数学上称为伽玛分布，皮尔逊Ⅲ型分布的概率密度函数为
式中：α、β为皮尔逊Ⅲ型分布的形状尺度参数，α>0，β>0；Γ（α）为α的伽玛函数；x为随机变量；a0为皮尔逊Ⅲ型分布的位置参数。
α、β、a0与x、Cv、Cs之间的关系为
频率分析需知相应指定频率P的数值，xp简化公式为
式中：xp为频率P的随机变量；Φ为离均系数；Kp为模比系数；数值可根据P和Cs查表以及Cs/Cv值查表得出。
2.7 功能法
功能法是以生态系统生态学为理论基础，从维持与重建湖泊生态功能的角度出发，以恢复和保护湖泊生态系统的多样性和完整性为目标，将各个生态功能所需要的水量进行加和，得到总的生态需水量。功能法根据湖泊生态环境功能和湖泊生态系统将生态环境需水量分类如下：湖面蒸发需水量、湖泊渗漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物栖息需水量、航运需水量、湖泊植被蒸腾需水量、景观保护与建设需水量、娱乐需水量、环境稀释需水量和湖泊防盐化需水量等。该方法能较为系统全面地计算出湖泊生态环境需水量。本文综合考量洞庭湖生态需水实际情况、影响生态需水量主要因素以及相关资料情况，采用湖面蒸发需水量、湖泊渗漏需水量、湖泊土壤需水量、湖泊水生生物栖息需水量4个指标作为洞庭湖生态需水量确定的主要参考依据，不同类型各生态需水量计算方法见表1。