沂蒙山区云蒙湖水文水动力特征研究

刘标 韩庆香 申恒伦 李修岭

摘要：指出了为研究解决云蒙湖水环境问题，必须探明云蒙湖的水文水动力过程。对云蒙湖年均水位、滞留时间、流量等因子进行了分析。结果表明：云蒙湖水位、入库流量和水体滞留时间均受降雨量的影响，根据水体滞留时间，云蒙湖大多数年份属于湖泊型水体，已经具有形成水体稳定分层的特征。

关键词：云蒙湖;水位;入库流量;水体滞留时间

中图分类号：TV213

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0004-05

1 引言

河流蓄水形成水库后，河流的水文条件由河流向湖泊特征转变，生物群落随生境变化经过自然选择、演替，形成一种新平衡，使水生态系统由以底栖附着生物为主的“河流型”异养体系向以浮游生物为主的“湖沼型”自养体系演化[1]。水库的运行管理方式（调水及供水）对生境的外在干扰，改变了水库的水位波动、水体滞留时间以及入库流量等水文条件和理化因子[2-4]，水动力学过程（水动力学）对水库的水质和生物生产力的形成具有重要的作用。它们决定了悬浮物和溶解物质的运动、在生态系统内部循环的强度、污染过程的速度，以及水库的自然净化，间接导致水生生物学群落的更替或演替的逆转[5，6]，并最终提供了生态系统的功能[7]。例如，由于建坝，使得巴拉那帕内马河与哥伦比亚河水库库区水体滞留时间延长，水动力学条件改变，从而导致浮游植物数量增加、富营养化加剧、水质下降[6，7]。因此，水文条件的改变会引起氮、磷等各个环境因素的连锁反应[8-10]。

杨喆等认为水库高水位运行时藻类生物量较少，低水位时较多;出入库流量较小时，有利于藻类的生长，出入库流量接近或超过平均值时，藻类生长受到抑制[9]。张敏等认为夏季水位波动较剧烈的时期，水位落差对底栖动物密度具有显著影响[4]。水力滞留时间是反映水体水动力过程的重要参数，能直接或间接影响水体生物群落结构与动态[11]，是调控水域生态系统生物地化循环的关键水力学参数之一[12，13]。Straskraba等分析了世界各地的水库发现，年平均滞留时间（也称理论滞留时间）对水库的水动力学、化学与生物过程有直接的相关性[14]。水体滞留时间的长短影响水库的纵向水质状况，水体滞留时间较短时，整个水库呈现出河流区的特征;而水体滞留时间较长时，则呈现出湖泊区特征[11，15]。乔磊等认为水库水体分层、颗粒物的沉降、磷等有机物的滞留、浮游植物生产力和透明度等重要的湖沼学变量均与库区水体滞留时间呈定量关系[10]。滞留时间对水生生物的影响直接表现在水生生物种群的动态。研究表明水力滞留时间是影响亚热带不同水库之间轮虫群落差异的重要因素[10];流量作为水动力条件的因子之一，也是影响水体富营养化的重要因素之一[17]。胡征宇和蔡庆华对三峡水库22条入库支流库湾的营养状态进行了综合评价，统计分析表明，各支流库湾叶绿素a与入库支流的年均流量以及流域面積存在显著的负相关关系[18]。因此，基于水库水位波动、水体滞留时间和入库流量等参数，分析云蒙湖20世纪80年代以年来的水文水力学动态特征，是研究其水库生态系统动态研究重要和关键的环节。

本研究将分析1980～2014年云蒙湖水位波动过程年际变化规律，在此基础上结合水库月均入库流量、水体滞留时间等参数，阐述云蒙湖水文水力学动态规律，为系统研究云蒙湖水体层化结构、营养盐补给及生物群落演替机制提供水文水动力背景资料。

2 材料和方法

2.1 样点设置

云蒙湖（北纬35°27′～36°20′，东经117°45′～118°23′之间）位于蒙山北麓的沂河支流一东汶河，地处山东省中南部沂蒙山区腹地，属淮河流域沂沐泗河水系，距离临沂市蒙阴县城东15 km，临沂市93 km。坝址座落于东汶河与梓河交汇处，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养殖、城市供水及旅游等综合开发利用的大型水利工程。水库处于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候。整个流域四季分明，雨热同季。云蒙湖正常蓄水位176 m，总库容7.49亿m3，控制流域面积1693.3 km2，库岸线长达80 km。云蒙湖为山东省第二大水库，也是临沂市城市重要的水源地，山东省省级生态功能区，水源地一级保护区面积为63.6 km2，二级保护区面积为180.4 km2，准保护区面积为1387.7 km2。

2.2 采样和分析方法

1980～2016年，云蒙湖水位、流量、蓄水量和水温等数据由临沂市水文局提供。云蒙湖的库容根据特定水位的对应库容进行指数回归估算，每天的水体滞留时间的公式计算修改为[19]：

τ= Vτ/ Qτ

（1）

式（1）中τ为水体滞留时间（days），Vτ为水库在第T天时的库容（m3），Qτ为水库或库湾在第T天时的入库流量（m3/d）。水体每年的水体滞留时间由该年每月的水体滞留时间取平均值所得。

水体类型分类标准采用[20]提出的水库基本类型综合分级方法（表1）。滞留时间低于20 d的水库具有河流特征的完全混合系统，水体流动完全阻碍了浮游生物的发展;滞留时间介于20～300 d时，水库同时具有河流和湖泊特征，为二者的混合一分层过渡系统，水体流动和弱分层对浮游生物的发展具有累加效应;而当水体滞留时间超过300 d时，水库具有类似于天然湖泊特征，易形成稳定分层系统，营养类型属于传统的分级体系。

3 结果

3.1 水库基本特征

云蒙湖为大型河道型水库，水库纵向长度14 km，平均水深5.8 m，最大水深20 m，为浅水水库。正常蓄水176 m，相应库容可达4.6×l08 m3.年均入库流量达11.75 m3/s（1980～2014年均流量）。水库流域面积与水库面积比为59.2，流域内较大河流有东汶河、梓河、蒙河、桃墟河和莫庄河等（图1）。其中5km以上的支流有41条，均为季节性河流。其中东汶河为上游来水和最大输入水体，属于淮河流域沂河水系的一级支流，是云蒙湖流域最大的河流。东汶河流域面积860 kmz，较大支流18条，河长50 km，流域平均宽15.23 km，河道纵坡约为1/300;梓河流域面积830 km2，河长50 km，流域平均宽18.54 km，纵坡1/340，较大支流有10条，分布在蒙阴县、沂水县及新泰市境内。

云蒙湖控制流域面积1693.3 km2，总库容8.22亿m3，相应水位181.0 m，对应湖面面积84.7 kmz;兴利库容4. 61亿m3，相应兴利水位176.0 m，对应湖面面积58.6 km2;警戒水位177.8 m，相应库容5.67亿m3，死水位160.3 m，相应死库容0.20亿m3（表2、图2）。

3.2 湖泊水文特征

自1980年以来，流域内多年平均降雨量723.6mm，最少为2002年的391.2 mm，最大为1990年的1268.9 mm，2014年降雨量为420.7 mm，为近10年来最低，仅高于1988年（402.3mm）和2002年（391.2 mm）（图3）。云蒙湖多年平均补给系数为59.22，多年平均单位人湖量为1.99，最小为2014年的0.09，最大为1995年的6.41。多年平均来水量3.70亿m3，汛期来水量3.15亿m3，占全年来水量的85%，丰水期来水量5.08亿m3，枯水期来水量1. 23亿m3，多年平均水位169.28m，相应库容1. 86亿m3。多年平均径流量6.5亿m3，建库以来的最大年径流量为11.08亿m3，最小年径流量0.3亿m3。

3.3 水库坝前水位波动特征

根据云蒙湖19 60～2016年运行资料分析，最高水位为175. 50 m（2011/9/15），最低水位为156.29 m（1960/6/9.），2005年以来，云蒙湖年内坝前水位在158.00～175.12 m之间波动;自2013年12月后，因为降水量骤降，年内坝前水位在158～168 m之间波动，平均水位165.82 m，形成仅10 m的水位落差，2014年3月，出现自1961年首次蓄水后历史最低水位（158.00m）;2015年后，水位维持在166 m左右，即使在汛期，由于降雨偏少和城区供水压力，水位波动不明显。2013年以前，基本呈现雨季高水位，冬季低水位的状态（图4）。

3.4 干流入库、出库流量比较研究

云蒙湖入库、出库流量的季节性动态格局与坝前水、降雨量的动态特征基本一致，入库流量与水位、降雨量呈显著正相关（图5）。其年均入库流量和出库流量的变化范围分别为0.4～28.9 m3/s和1.9～27.3 m3/s（图6）。总体来看，云蒙湖出、入库流量受降雨量的影响较大，年均入库流量最低出现在2014年，仅为0.4m3/s，出库流量为5.3 m3/s，这种情况对正常供水较为不利;最大年均入库流量出现在2011年，为28.9m3/s，出库流量也达到最大值，为27.3 m3/s，年均水位也达到历年最高（图6）。

由于云蒙湖年供水量3×l0⁷m3，年均出库流量达到9.51 m3/s才能满足整个城市的用水需求。据统计，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，并呈逐年递减趋势。即使按照最低灌溉需求，年均出库流量达到9.51m3/s才能满足整个区域的灌溉用水需求，因此，仅有1991、1994、2004、2005和2011年的出库流量满足城市供水和灌溉的需求，按照入库流量来算，1990、1991、1998、2003～2005、2011年可以满足城市供水和灌溉的需求，相对来说，其他年份云蒙湖用水供给显得极为紧张。

3.5 年均水体滞留时间的变化研究

水体滞留时间反映了水库水体更新特征及水体可能的分层情况，滞留时间越长，水库水体更新越慢，水库水温分层风险越大;反之水库更新越快，水库不易出现水体分層。随着水位和入库流量的季节性变化，云蒙湖水体滞留时间也表现出较为明显的季节性特征，年内变

化非常显著，其年均滞留时间的变化范围分别为0.4～28.9 m3/s和56.9～4070 d（图7）。水体滞留时间的动态格局正好与坝前水位的动态特征相反。自1980年以来，多年平均滞留时间394.15 d，波动范围在56.95～4070.20 d之间，年均水体滞留时间均高于300d的占29.4%，属于典型的湖泊型水体;其余年份，年均水体滞留时间在20～300 d之间，属于过渡性水体，在降雨量丰沛的年份，水库水体滞留时间相对较短，水体交换频率较高，呈现过渡型水体特征;在雨量稀少的年份，水库水体滞留时间相对较长，水体交换频率较低，水体呈现典型的湖泊型特征。

4 讨论

云蒙湖属于典型的季节性河流控制的水库，其蓄水量、水位、出入库流量、水体滞留时间均受到降雨量和供水需求的影响，除特殊年份，一般夏季水位相对较高，冬季较低。研究发现，大多数河道型水库都会由之前的具有完全混合特征的河流型，经过中等强度分层的过渡型水体，向形成稳定分层的湖泊型水体转变。随着降雨量以及供水需求的变化，受坝前水位和入库流量影响更大，基本取决于上游来水的影响。

根据Straskraba和Tundisi的水库分级标准，水库不同时期出现不同的水体特征。总体而言，部分时期，水库属于中等强度分层的水体，而在某些时段，水体属于湖泊型水体，具备发生稳定水温分层的水力学条件。实测的资料表明，尽管流量和流速较小，在湖泊区，云蒙湖出现温跃层现象;在河流区，云蒙湖由于分层异重流而呈现水体分层，所以水流和分层对浮游植物具有累加效应，但由于受到上游来水的影响，水体分层并不能稳定存在。

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