黃宇云，余明輝，陸 晶，孫昭華，田浩永

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

長江是我國最大的河流，具有重要的人文、社會經(jīng)濟功能[1]. 洞庭湖為長江中游荊江河段重要的通江湖泊，是我國第二大淡水湖，具有調節(jié)河川徑流、改善生態(tài)環(huán)境、供水灌溉等功能[2]. 三峽工程蓄水后洞庭湖面積及水位等水文特征發(fā)生了明顯變化，如：胡金金等[3]基于MODIS數(shù)據(jù)分析了洞庭湖2000-2014年湖泊面積變化發(fā)現(xiàn)研究期間湖泊面積明顯萎縮，調洪蓄水功能減弱. 孟熊等[4]分析發(fā)現(xiàn)三峽建庫后洞庭湖各站常水位、相應站枯水位較建庫前有明顯降低，城陵磯(七里山)水文站(簡稱城陵磯站)枯水位則有所抬高. 這些水文特征的變化改變了洞庭湖的生態(tài)環(huán)境，影響其生態(tài)結構和生物多樣性，同時影響其生態(tài)系統(tǒng)良性健康的發(fā)展. 如：張光貴等[5]研究發(fā)現(xiàn)三峽蓄水后洞庭湖內梅羅污染指數(shù)IP值和總磷、總氮濃度均有不同程度的升高；王琦等[6]也發(fā)現(xiàn)三峽工程運行后，洞庭湖水文水動力環(huán)境條件的變化整體上對水質產(chǎn)生了不利影響，促進了洞庭湖的富營養(yǎng)化. 此外，建庫等人類活動會造成工程下游水位過程坦化，直接表現(xiàn)在年水位過程中最高水位的降低和最低水位的升高，水位波動范圍減小. 水位的周期波動形成了大面積的草本濕地群落，維持了濕地豐富的物種多樣性[7]，但是由于洞庭湖水位變化，大片的湖底裸露成泥灘，濕地面積減小，水禽棲息地和覓食地的面積有所減小，給洞庭湖濕地的物種多樣性以及當?shù)氐亩蝤B造成了較大的威脅[8]. 且有研究表明，湖泊現(xiàn)存的植被類型是對水位長期變動的適應，不正常的水位變異會產(chǎn)生負面影響，如冬季水位過高會對越冬水鳥產(chǎn)生負面影響，早春水位過高會導致沉水植被無法正常萌芽和生長，而最高水位的降低會導致湖泊面積萎縮，且水位波動的減小，無法保證原有的湖泊與濕地營養(yǎng)鹽的交換，降低湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性，破壞其生態(tài)系統(tǒng)平衡[9-11]. 因此研究維持洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的條件是三峽工程運行后亟待解決的問題之一.

隨著人類社會的快速發(fā)展，1990s淡水資源的儲存不足和管理不當造成了廣泛的生態(tài)問題和人類淡水利用危機，而沒有相關措施保證生態(tài)需水，生態(tài)需水量的研究應運而生，1998年Gleick提出基本生態(tài)需水量(Basic Water Requirement)的概念，即保證物種多樣性和生態(tài)完整性的基本需水量[12]. 不同學者提出了眾多相關概念，如最小河流需水量(minimum instream flow requirements)、環(huán)境需水量(environmental instream flow requirements)等[13]；在國內相關概念有生態(tài)流量、最小生態(tài)需水量等[14-15]. 因其研究起步早，研究成果豐富，據(jù)2003年統(tǒng)計，有記載的生態(tài)流量的計算方式多達207種[16]，主要類別：水文學法(Tennant法、Texas法、NGPRP法、IHA法)[17-20]、水力學法(濕周法、R2-CROSS法)[21]、棲息地法(有效寬度法、IFIM法)[18]及整體法(BBM法、澳大利亞ELOHA法)[22-23]. 水位是衡量河湖水情的一個重要指標. 生態(tài)水位開始研究的時間與生態(tài)需水量相近[24]，湖泊生態(tài)需水量研究主要集中于生態(tài)水位的研究，不同的學者根據(jù)不同的研究目的給出了生態(tài)水位的定義[25-26]，大多集中在最低生態(tài)水位的界定和研究. 目前最低生態(tài)水位的計算方法主要有：湖泊形態(tài)分析法、天然資料法、生物最小空間需求法[27]、年保證率法、功能法、曲線相關法和最低年平均水位法[14]. 這些方法計算結果均為單一值[28-29]，沒有考慮不同時間生態(tài)系統(tǒng)對水位要求的不同，且上述研究皆集中于最低生態(tài)水位，但最低生態(tài)水位是維持生態(tài)系統(tǒng)基本功能不嚴重退化的水位，是短時間保持的水位，如果長時間保持這種水位，生態(tài)系統(tǒng)依然會崩潰[30]. 為此，有學者從湖泊天然水位情勢中提取出高低水位歷時、發(fā)生時間和變化率等水位指標多角度地表征生態(tài)水位過程要求，并應用到鄱陽湖生態(tài)水位計算中[31]. 但這類方法忽略了因水庫建設導致的下游水位過程坦化，因此本文研究能夠維持生態(tài)系統(tǒng)結構穩(wěn)定、健康發(fā)展的適宜生態(tài)水位過程，同時考慮年內逐月水位過程、水位波動情況.

本文借鑒IHA指標體系構建東洞庭湖適宜生態(tài)水位計算指標體系，包括年內12個月月平均水位、最高水位及其出現(xiàn)時間、最低水位及其出現(xiàn)時間、高低水位發(fā)生次數(shù)、高低水位平均持續(xù)時間、漲落水次數(shù)、漲落水速率等共24個指標. 以城陵磯站水位作為東洞庭湖代表水位，采用滑動t檢驗法對城陵磯站年均水位進行突變檢驗，將突變前的水位作為維持東洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的水位過程[32-34]，基于此利用所提出的指標體系計算東洞庭湖適宜生態(tài)水位過程.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

本文研究范圍為東洞庭湖湖區(qū)(圖1)，洞庭湖西部和南部有湘、資、沅、澧“四水”入湖并承接由松滋、太平、藕池“三口”分泄的長江干流的水流，經(jīng)由城陵磯匯入長江干流，分為東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖. 本文采用城陵磯站1953-2018年逐日水位進行適宜生態(tài)水位研究，水位序列來源于水文年鑒等資料，文中各水文站水位均已統(tǒng)一為黃海高程.

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Geographical location of research area

2 研究方法

2.1 滑動t檢驗法

本文采用滑動t檢驗法對城陵磯年均水位序列進行突變點檢測. 假定水位序列為x={x1,x2,…,xn}，設突變點為m. 假設突變點前后兩個序列總體的分布函數(shù)各為F1(x)和F2(x). 從總體F1(x)和F2(x)中分別抽取容量為n1和n2的2個樣本，構造t統(tǒng)計量：

(1)

(2)

2.2 適宜生態(tài)水位指標體系

IHA(Indicators of Hydrological Alteration)方法是Richter等[20]于1996年提出基于20年以上的水文數(shù)據(jù)系統(tǒng)地計算河流生態(tài)流量的指標體系，共5組32個指標，1998年增補至33個指標[35]，該方法不僅考慮了維持河流生態(tài)環(huán)境的最低流量，同時要求河流保留天然洪水特征來維持河流河濱生態(tài)系統(tǒng)健康. 由于IHA法中每個指標是定值，在使用時只能計算河流受到人類活動擾動后各個指標相對天然情況下的偏離程度，無法判斷受擾動后的河流生態(tài)系統(tǒng)是否健康，因此Richter等在1997年提出了RVA(Range of Variability Approach)法計算IHA法中指標可接受的閾值[36]. 大部分的研究中選取IHA各指標發(fā)生頻率25%和75%的值作為該指標參數(shù)RVA閾值[15,37-39]. 本文借鑒了IHA指標體系以及RVA閾值法對城陵磯適宜生態(tài)水位進行計算研究. 為了在保證月均水位過程的同時也能夠保證正常的年內水位波動情況，本文采用年內12個月月平均水位、最高水位及其出現(xiàn)時間、最低水位及其出現(xiàn)時間、高低水位發(fā)生次數(shù)、高低水位平均持續(xù)時間、漲落水次數(shù)、漲落水速率等共24個指標作為適宜生態(tài)水位計算指標體系，每個指標相應的閾值為適宜生態(tài)水位需求[10,20],具體指標說明如下：

2.2.1 年內月平均水位指標 選用水位序列每個月多年月平均水位作為城陵磯每個月的適宜生態(tài)水位指標(AZi(i=1～12)，m)，并將當月月均水位發(fā)生頻率為25%和75%的值作為當月適宜生態(tài)水位閾值要求，用來滿足各個時期不同生物對水位的需要.

2.2.2 極端水位指標 選用年內最高水位(Zmax，m)、最低水位(Zmin，m)和相應的發(fā)生時間(TZmax、TZmin，按年積日計)作為極端水位指標；并將每個指標發(fā)生頻率為25%和75%的值作為其閾值要求，極端水位可保證湖泊面積、濕地面積、地下水位等要素，極端水位出現(xiàn)時間是為了滿足生態(tài)系統(tǒng)中某些生物的生命周期需要.

2.2.3 高低水位發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間 選定日水位序列中25%為高水位，75%為低水位，結合淦峰等[31]的研究，認為高于高水位時間持續(xù)7天及以上為高水位事件，同理低于低水位時間持續(xù)7天及以上為低水位事件，年內高/低水位總持續(xù)時間除以高/低水位事件次數(shù)為高/低水位平均持續(xù)時間，統(tǒng)計建庫前后每年高/低水位發(fā)生次數(shù)(Nh、Nl，次)及年內高/低水位平均持續(xù)時間(Th、Tl，d/次)，以相應指標發(fā)生頻率25%和75%處的值作為閾值，高低水位發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間與某些物種特定的生長階段有關.

中原竹林栽培歷史悠久，其中河南博愛竹林是中國最理想的南竹北移引種馴化區(qū)和北方竹種繁育基地，具有非常重要的歷史、生態(tài)、社會、文化和經(jīng)濟價值[15]，因而大力發(fā)展本地區(qū)竹產(chǎn)業(yè)，提升竹子附加值，拉動產(chǎn)業(yè)鏈條，對本地區(qū)的經(jīng)濟、社會發(fā)展都具有重要的意義。

2.2.4 張落水次數(shù)及速率 日間水位上漲(落)數(shù)為漲(落)水率(Vr、Vd，m/d)，連續(xù)日間水位上漲(落)為一次漲(落)水(Nr、Nd，次)，統(tǒng)計建庫前后每年漲落次數(shù)以及年均漲落水速率，以相應指標發(fā)生頻率25%和75%處的值作為閾值，水位的漲落次數(shù)及速率與某些擱淺在水邊的生物或植物根系與水源保持接觸能力有關，同時保證湖泊的自凈能力.

3 結果分析

3.1 水位突變點

采用滑動t檢驗法對城陵磯年均水位序列進行突變點檢測，0.05顯著性水平下最可能的突變點為1980年和2004年. 水位序列是否具有一致性決定于流域的氣候條件和下墊面條件是否穩(wěn)定，從長江上的歷史事件來看，兩次突變可能是流域內氣候條件變化加上葛洲壩截流、三峽水庫蓄水所致. Yuan等[40]研究顯示，1980年前后洞庭湖水文情勢發(fā)生變化氣候影響占主導地位，而2003年前后水文情勢發(fā)生變化人類活動的影響占主導地位，同時根據(jù)廖文婷等[41]的研究，相對于三峽建庫而言葛洲壩截流導致的其下游水流條件變化貢獻率很小，這主要是由于葛洲壩水利樞紐屬于低水頭徑流式水電站，徑流調節(jié)能力較小，因此長江中游城陵磯水位因人類活動導致的突變點最可能是2004年，三峽蓄水后第一年.

3.2 三峽建庫前后城陵磯水位特征分析

3.2.1 日水位過程分析 建庫前城陵磯站水位年內變化為典型的單峰分布(圖2a)，具有明顯的高、低水位變化，整體而言，年初到7月水位逐漸上升到最大值隨后下降，多年日平均水位變化范圍為17.66～28.57 m，多年最高水位變化范圍為20.47～33.89 m，多年最低水位變化范圍為15.25～24.96 m，同一天多年最高水位與多年最低水位差值變化范圍為4.8～13.16 m；建庫后該站水位年內分布圖形態(tài)與建庫前相同(圖2b)，但建庫后汛期多年最高水位較建庫前有明顯降低，年初枯水期多年最低水位較建庫前有明顯上升，年內水位過程曲線明顯坦化，且汛末三峽蓄水期多年最低水位較建庫前有所降低. 建庫后多年日平均水位變化范圍為18.9～28.42 m，多年最高水位變化范圍為19.69～32.57 m，多年最低水位變化范圍為17.28～26.37 m. 同一天多年最高水位與多年最低水位差值變化范圍為1.85～8.91 m，較建庫前有明顯減小.

圖2 三峽建庫前、后城陵磯站水位日變化Fig.2 Diurnal variation of water level in Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

3.2.2 月平均水位過程分析 根據(jù)計算結果(表1)，三峽建庫前月平均水位變化范圍為17.86～28.17 m，建庫后月平均水位變化范圍為19.16～28.02 m，年內最高與最低月平均水位差變小. 1-6月，月平均水位較建庫前升高，變化值為0.17～1.45 m，最大變化率為7.6%；7-11月，月平均水位較建庫前降低，變化值為-0.15～-1.80 m，最大變化率為-7.3%，而12月份水位平均升高了0.34 m，變化率為1.8%，由于三峽水庫的調度調節(jié)，東洞庭湖枯水期水位上升，汛期水位降低.

3.2.3 年最高、最低水位分析 從建庫前后年最低水位大小來看，建庫前年最低水位為15.25～18.83 m，多年平均最低水位為16.95 m；建庫后最低水位為17.92～18.63 m，多年平均最低水位為18.25 m；可以看出建庫后年最低水位整體比建庫前有了明顯的升高，且變化范圍減小(圖3a). 從建庫前后最高水位大小來看，建庫前年最高水位為26.23～33.89 m，多年平均最高水位為30.04 m；建庫后最高水位為27.38～32.57 m，多年平均最低水位為29.85 m，建庫后年最高水位相對于建庫前略有降低(圖3b).

3.2.4 高低水位發(fā)生次數(shù)及歷時 將1953-2003和2004-2018年日水位序列分別排序，取25%和75%頻率下的水位作為高、低水位，建庫前高水位為25.45 m，低水位為19.94 m，建庫后高水位為24.98 m，低水位為20.44 m. 分別統(tǒng)計建庫前后每年高低水位發(fā)生次數(shù)及平均持續(xù)時間(表1)，從高低水位發(fā)生次數(shù)來看，建庫前后高低水位發(fā)生次數(shù)沒有太大的變化，均為2次左右. 從建庫前后高低水位持續(xù)時間來看(圖4)，建庫前多年平均高水位持續(xù)時間為62.83 d/次，建庫后多年平均高水位持續(xù)時間為76.13 d/次，增加約13 d/次，變化幅度為21.2%；建庫前多年平均低水位持續(xù)時間為82.54 d/次，建庫后多年平均低水位持續(xù)時間為62.51 d/次，減少約20 d/次，變化幅度為24.3%.

圖4 三峽建庫前、后城陵磯站高、低水位持續(xù)時間Fig.4 Duration of high (low) water level of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

圖5 三峽建庫前、后城陵磯站漲、落水次數(shù)Fig.5 Frequency of water level condition changes of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

圖6 三峽建庫前、后城陵磯站漲、落水速率Fig.6 Means of all positive (negative) difference between consecutive daily means of water level of Chenglingji Station pre and post the construction of TGD

3.3 城陵磯適宜生態(tài)水位分析

由于檢測出水文突變點為2004年，可認為東洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應了突變前1953-2003年的水位過程，因此本文利用1953-2003年的實測水位資料計算城陵磯的適宜生態(tài)水位. 基于城陵磯1953-2003年逐日水位資料，采用上文(2.2節(jié))所提出的適宜生態(tài)水位計算指標體系計算城陵磯適宜生態(tài)水位(表1)，由于高低水位發(fā)生次數(shù)建庫前后平均發(fā)生次數(shù)均為2次，因而在適宜生態(tài)水位過程的需求中不考慮高低水位發(fā)生次數(shù)，適宜生態(tài)水位過程需同時滿足以下內容：1-12月月平均水位：17.07～18.34、17.15～18.89、17.65～22.23、20.25～22.15、22.85～24.9、24.31～26.44、26.88～29.16、25.79～28.32、25.12～27.56、23.59～25.88、20.65～22.81、18.58～19.88 m；年最低水位及其發(fā)生時間：16.21～17.86 m，發(fā)生時間第16～51天(年積日)；年最高水位及其發(fā)生時間：28.54～31.48 m，發(fā)生時間第187～211天(年積日)；高水位平均持續(xù)時間32.62～81.32 d/次，低水位平均持續(xù)時間52.13～107.65 d/次；漲水次數(shù)21.9～26.45次，漲水速率0.17～0.21 m/d；落水次數(shù)23.17～27.6次，落水速率0.12～0.14 m/d.

三峽建庫后城陵磯適宜生態(tài)水位滿足情況分析，基于城陵磯適宜生態(tài)水位計算結果，分析城陵磯2004-2018年水位是否滿足其需求(表1)，三峽建庫后大部分時間能夠滿足需求，但消落期1月份多年月平均水位(19.17 m)較適宜生態(tài)水位需求(17.07～18.34 m)最大值高0.83 m，2月份多年平均水位(19.16 m)較適宜生態(tài)水位需求(17.15～18.89 m)高0.27 m；蓄水期10月月平均水位為22.76 m，較適宜生態(tài)水位需求(23.59～25.88 m)最小值低了0.83 m，不能滿足需求. 建庫后多年平均最低水位為18.25 m，高出適宜生態(tài)水位需求(16.21～17.86 m)0.39 m，發(fā)生在第10天(為第16～51天)，先于需求6天；建庫后多年平均最低水位為29.85 m，發(fā)生在第207天，均滿足需求(28.54～31.48 m，第187～211天). 建庫后高水位平均持續(xù)時間76.13 d/次，滿足閾值要求；建庫后低水位平均持續(xù)時間62.51 d/次，滿足閾值要求；建庫后漲水次數(shù)30次，高于閾值要求4次，建庫后漲水速率0.16 m/d，低于閾值要求0.01 m/d；建庫后落水次數(shù)29.73次，高于閾值要求2次，建庫后落水速率0.12 m/d，等于閾值下限.

4 討論

將本文計算所得生態(tài)水位與采用同站水位數(shù)據(jù)進行生態(tài)水位的研究成果進行對比分析，匯總如表2所示(數(shù)據(jù)已換算至黃海高程). 程俊翔等[29]、楊毓鑫等[42]分別采用天然水位資料法、年保證率法、最低年平均水位法、生態(tài)水位法、湖泊形態(tài)分析法及生物最小空間需求法等方法計算得到東洞庭湖最低生態(tài)水位，上述研究中天然水位資料法、年保證率法、生態(tài)水位法是基于年均水位進行計算，是對湖泊年均最低水位的約束，而本文旨在算出適宜生態(tài)水位過程，且文中適宜生態(tài)水位過程是逐月平均水位和極端水位發(fā)生時間、高低水位發(fā)生次數(shù)以及水位漲落情況共同約束的結果，無法直接對月水位過程進行平均得出年均水位與已有成果進行比較；最低年生態(tài)水位法是多年平均最低水位乘以權重得到最低生態(tài)水位，其中權重由專家打分，無法獲知其打分依據(jù)；生物最小空間需求法基于日均水位，從不同的生態(tài)需求出發(fā)得到最低生態(tài)水位，而本文是用指標從生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)進行約束得到適宜生態(tài)水位過程；湖泊形態(tài)分析法基于湖泊形態(tài)計算生態(tài)水位，在湖泊枯水期低水位附近湖泊面積隨水位變化最大處對應的水位為最低生態(tài)水位，即在該水位下，湖泊水位每降低一個單位，湖泊水面面積的減少量將顯著增加，相應的湖泊功能的減少量也將顯著增加[27]，這個方法主要是從湖泊地形的角度，保證湖泊面積來保證生態(tài)系統(tǒng)不崩潰，與本文方法的角度不同、目的不同. Zhang等[43]采用冗余分析法和響應面分析法以洞庭湖水鳥豐富度為目標計算了最低保護水位，低于本文枯期水位要求的下限，因而滿足本文的水位過程要求，就可滿足洞庭湖水鳥枯期對水位的需求. 梁婕等[33]擬合1952-1980年各月月平均水位的最適合的概率分布函數(shù)，認為概率最高的月平均水位作為當月的生態(tài)水位，由此得出東洞庭湖逐月生態(tài)水位，該成果3月份生態(tài)水位低于本文3月份水位要求下限3 cm，其他月份均在本文第一類指標月均水位范圍內.

表2 東洞庭湖湖區(qū)生態(tài)水位研究成果對比

上述方法所計算的結果均為較為單一的水位指標，本文則從整體考慮生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展研究東洞庭湖的適宜生態(tài)水位，計算成果包括12個月月平均水位、最高水位及其出現(xiàn)時間、最低水位及其出現(xiàn)時間、高低水位發(fā)生次數(shù)、高低水位平均持續(xù)時間、漲落水次數(shù)、漲落水速率等共24個指標作為適宜生態(tài)水位計算指標體系，更為全面的約束生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，且每個指標給出了相應的閾值為適宜生態(tài)水位指標的范圍，更具可操作性.

5 結論

本文基于城陵磯站1953-2018年的逐日水位資料，采用滑動t檢驗法對年平均水位序列進行突變檢驗. 將維持河流湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的水位閾值作為適宜生態(tài)水位，分析城陵磯水位突變之前的變化規(guī)律，并借鑒IHA指標和RVA法提出一種包括逐月生態(tài)水位閾值和年內水位波動范圍在內的適宜生態(tài)水位指標體系計算其適宜生態(tài)水位，分析突變后的水位是否滿足適宜生態(tài)水位需求，得出主要結論如下：

1)城陵磯站年均水位由于人類活動導致的最可能的突變點為2004年，即可認為三峽水庫蓄水導致其下游年均水位開始變化的時間為2004年.

2)三峽水庫蓄水前，東洞庭湖適宜生態(tài)水位需求包括以下內容，逐月水位：17.07～18.34、17.15～18.89、17.65～22.23、20.25～22.15、22.85～24.9、24.31～26.44、26.88～29.16、25.79～28.32、25.12～27.56、23.59～25.88、20.65～22.81、18.58～19.88 m；年最低水位：16.21～17.86 m，發(fā)生時間第16～51天(年積日)；年最高水位：28.54～31.48 m，發(fā)生時間第187～211天(年積日)；高水位平均持續(xù)時間32.62～81.32 d/次，低水位平均持續(xù)時間52.13～107.65 d/次；漲水次數(shù)21.9～26.45次，漲水速率0.17～0.21 m/d；落水次數(shù)23.17～27.6次，落水速率0.12～0.14 m/d.

3)三峽建庫后城陵磯站大部分時間能滿足建庫前適宜生態(tài)水位需求，但三峽消落期1、2月月平均水位比適宜生態(tài)水位需求高0.83、0.27 m；蓄水期10月月平均水位比適宜生態(tài)水位需求低0.83 m；多年平均最低水位高出適宜生態(tài)水位需求0.39 m，發(fā)生時間先于適宜生態(tài)水位需求6天，漲水次數(shù)高于閾值要求4次，漲水速率低于閾值要求0.01 m/d；落水次數(shù)高于閾值要求2次. 由于三峽建庫后城陵磯水位不滿足適宜生態(tài)水位需求的時間較少，且三峽運行后，其上游溪洛渡、向家壩等水庫也相繼投入運行，因此可考慮通過三峽及上游梯級水庫群調度來解決東洞庭湖區(qū)生態(tài)水位需求問題.