基于长系列水文数据的巢湖生态水位研究

黄 军

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230088)

安徽省地处华东腹地,总面积14.01万km2,境内淮河、长江、新安江三大流域河流水系众多,山区、丘陵、平原相间,地形地貌多样。根据安徽省第一次水利普查成果,全省1km2以上的天然湖泊有128个,水面总面积3505km2[1]。巢湖为全国五大淡水湖之一,是长江中下游地区重要湿地。长期以来,巢湖在保障防洪安全、供水安全、粮食安全以及促进区域航道开发、维护生态系统多样性等方面发挥了不可替代的作用[2]。经长期不懈努力,巢湖流域防洪保安、供水保障、环境保护等工作取得了明显进展,但受地形、降水和人类活动等影响,巢湖流域水多、水少的老问题没有根本解决,洪涝干旱仍是心腹之患,同时水脏、水浪费、水生态系统弱化等问题日渐凸显,特别是水污染形势依然严峻。本文以巢湖湖区为研究对象,采用巢湖忠庙1962—2017年实测日水位数据,在分析巢湖主要特征水位的基础上,计算了巢湖的生态水位指标及年内年际保障程度,旨在为巢湖水资源的合理开发和利用、湖泊生态水位调度以及维系巢湖生态系统健康发展提供借鉴和参考。

1 湖泊概况

巢湖(东经117°00′～118°29′、北纬30°56′～32°02′)位于安徽省中部、江淮分水岭南部地区,流域总面积13906km2,约占安徽省国土面积的9.9%(图1)。巢湖常年蓄水位为8.00～8.50m(吴淞高程,下同),湖底高程一般为4.90～5.90m,常年水面面积约760km2,相应库容为17亿～21亿m3,为典型的浅水湖泊。巢湖闸上流域面积为9186km2,入湖的大小河流呈放射状汇入巢湖。巢湖湖水主要由地表径流补给,大部分入湖水量在汛期或汛后由巢湖闸经裕溪河注入长江干流(图2)。巢湖流域属北热带湿润季风气候区,年均降水量为1120.3mm,年均蒸发量为890mm。

图1 巢湖流域范围

依据相关文献[3],2017年湖区鉴定到浮游植物85属78种,其中蓝藻数量占95%以上;浮游动物43种,其中,原生动物7属10种,轮虫11属18种,枝角类6属7种,桡足类6属8种;大型底栖动物17种,隶属于3门6纲7科;水生维管束植物有36科74属88种,主要为芦、荻等挺水植物;鱼类7目12科48种。总体上,巢湖流域水生态系统近年来逐渐转好,但受人类长期活动的干扰,生物多样性仍然呈现降低趋势。

2 研究方法

2.1 主要特征水位指标

湖泊的自然特征水位在年内不同时段存在一定高低变化,考虑到水位变化发生和持续时间,湖泊水位要素一般包括高、低水位,高、低水位发生时间以及高、低水位历时等[4]。

2.1.1 水位阈值

水位阈值包括高水位和低水位,本文主要采用保证率法进行计算[5],即根据历史水文监测资料,选择一定频率作为确定条件,按照低于或高于该条件进行确定。本次结合巢湖流域实际情况,频率选择25%、75%,计算公式如下:

H=P25%(hi)

L=P75%(hi)

2.1.2 发生时间

高水位发生时间为水位初次上升至高水位阈值的日期;低水位发生时间为水位初次下降至低水位阈值的日期[6]。由于巢湖湖区面积较大,受季风影响水位存在一定的波动,因此为避免该误差,本次认为当连续7d水位达到阈值指标时,该水位被认为属于高水位或低水位事件。计算公式如下:

(i=7,8,…,12,次年i=1,2,…,6)

式中:Hst和Lst为高水位和低水位发生月份;hij为第i月第j日日水位,m;n为第i月的天数,d。

2.1.3 水位历时

水位历时指高、低水位的持续时间。计算公式如下:

Hd=Het-Hst

Ld=Let-Lst

(i=7,8,…,12,次年i=1,2,…,6)

式中:Hd和Ld为高水位和低水位持续时间;Het和Let为高水位和低水位结束时间;n为第i月的天数。

2.2 生态水位计算及保障程度

2.2.1 生态水位计算

采用Qp法、湖泊形态分析法计算巢湖最低生态水位。

为解决上述问题,本文研究一种基于网络状态的能力开放方案与流程,最大程度地满足互联网应用的保障需求,减少无效或负作用的调用次数,将QoS提升效果最大化。

a.Qp法。以天然情况下的湖泊长系列日平均水位为基础,用每年的最枯日进行排序,选择不同保证率下的日平均水位作为湖泊控制断面的生态水位。保证率P可根据湖泊所在流域水资源开发利用的程度、规模以及来水等情况选择,根据巢湖流域特点,选择90%作为设计保证率。

b.湖泊形态分析法。通过分析湖泊水面面积变化率与湖泊水位关系来确定维持湖泊基本形态需水量对应的最低水位。首先通过实测的湖泊水位H和湖泊面积F,构建湖泊水位H与湖泊面积F变化率即dF/dH的关系曲线,在湖泊枯水期低水位附近的变化率最大值对应的水位为湖泊最低生态水位hmin[7]。

2.2.2 生态水位保障程度计算

湖泊的实测水位高于生态水位的时间序列与计算序列的比值[8],可按照日、月以及年分别进行计算。公式如下:

式中:En是日生态水位保障程度,%;N为天数;he和hk为生态水位和实测水位,m;Ei为月生态水位保障程度,%;hjik为第j年第i月的平均水位,m;n为年数;I为天数;Ej为年生态水位保障程度,%;Mj为天数。

3 结果与讨论

3.1 巢湖主要特征水位

3.1.1 历年水位特征

利用巢湖忠庙、巢湖闸上站1962—2017年逐日水位系列推求逐日的多年平均、最高及最低值。以忠庙站为例,由结果可以看出,其水位具有明显的高、低水位过程,年内呈现典型的单峰分布(图3),并伴随着湖泊面积的显著改变(图4)。从多年平均水位变化趋势分析,全年可根据汛期(5—9月)、非汛期(10月至次年4月)划分为两个水位变化时期,其中汛期水位受降雨以及流域来水影响逐渐上升,多年日均水位为8.20～9.50m,最高水位达到12.78m,最低水位为7.00m;非汛期水位受蒸发渗漏损失以及流域水资源开发利用影响,缓慢下降,多年日均水位为8.20～9.20m,最高水位达到11.31m,最低水位为6.69m。总体上来说,忠庙站多年日均水位在8.10～9.50m之间变动,多年日均最大水位在9.00～12.80m区间,最小日均水位在6.70～7.60m区间,日最高和最低水位差达5.50m。巢湖闸上站的变幅及趋势与忠庙站基本一致,但其多年日均水位、最低及最高水位均较忠庙站略低。根据资料计算,巢湖忠庙站高水位(H)、低水位(L)分别为9.15m和7.99m,相应的湖泊面积为780.35km2和767.73km2,相差12.62km2。

图3 巢湖1962—2017年逐日水位变化趋势

图4 巢湖水位-库容关系曲线

3.1.2 高低水位发生时间与历时

基于巢湖忠庙水位站1962—2017年逐日水位资料,对巢湖的高水位和低水位发生时间与历时进行分析,见图5和图6。巢湖的高水位一般从每年的5月中旬开始,但受区间水资源开发利用及巢湖闸水位调控影响,年际间存在较大波动,平均年历时162.7d,年际在1～295d区间变化。以上分析表明,巢湖的高水位一般发生在汛期(5—9月),其发生的具体日期与当年的来水条件有关。其中1975年、1977年、1983年、2014年以及2016年高水位持续时间达到150d以上;巢湖低水位一般开始于1月,由于巢湖闸调控以及流域水资源开发利用要求,1994年以后巢湖闸未出现低水位。1962—2017年记录的低水位最早发生于1月,最迟发生于12月。其中1965—1967年、1971年、1976年、1978年以及1981年低水位持续时间达到100d以上。

图5 巢湖忠庙站1957—2017年高水位发生时间与历时

图6 巢湖忠庙站1957—2017年低水位发生时间与历时

3.2 巢湖生态水位

3.2.1 生态水位确定

a.Qp法。根据忠庙站历年逐日水位资料,其历年最枯月平均水位为7.78m,最大值为8.68m,最小值为6.69m,二者相差近2m;由历年最低水位变化(图7)可知,上世纪90年代中期以后随着巢湖周边经济社会的发展,对水资源的需求日益增加,巢湖最枯月平均水位呈现逐渐上升的趋势。采用Qp法进行排频计算后,巢湖生态水位为7.22m(P=90%)。

图7 巢湖忠庙站历年最低月平均水位变化

b.湖泊形态分析法。利用巢湖水位和水面面积资料,计算巢湖水位H与水面面积变化率dF/dH关系曲线(图8),历史最低水位附近的水面面积变化率最大值对应的水位即为生态水位,由此确定的巢湖最低生态水位为6.80m。

图8 巢湖水位与水面面积变化率关系dF/dH曲线

依据《水利部关于印发第一批重点河湖生态流量保障目标的函》(水资管函〔2020〕43号),巢湖忠庙最低生态水位控制为6.80m,以上计算与该成果基本一致。巢湖水生植物优势种为芦苇(挺水植物)、水烛、南荻等。根据相关资料[9],沉水植物的适宜水深为60～200cm,挺水植物的适宜水深在30～50cm,根据巢湖湖底高程可确定其生态水位在6.50～7.90m之间,其最低生态水位基本符合植被生长需求。而野生鱼类生存和繁殖的最小水深为1m,也满足鱼类产卵、育幼和生存的需求[10]。根据文献[11]研究,巢湖水位不高于7.00m时,滩地的面积可达到40km2以上,有利于水生植物的生长。因此,认为本次巢湖最低生态水位能够满足植物以及鱼类生长需求。

3.2.2 巢湖生态水位保障程度

根据巢湖生态水位目标,分析计算1957—2017年逐日实测水位的保障程度。由计算结果可知,巢湖生态水位日、月以及年保证率分别达到99.93%、100%以及100%,其生态水位保障程度较高。

3.2.3 巢湖生态水位调度

现行的巢湖水位控制方式主要依据《巢湖防汛抗旱调度暂行规定》(省防指〔2012〕41号)文件执行:“巢湖闸上控制水位6—8月为8.00m,5月和9月为8.50m,非汛期按照8.50～9.00m进行控制。”为保障经济社会发展以及通航要求,近年来,巢湖水位按照高水位状态进行控制,导致湖泊水位没有自然降低,违背了湖泊自然的高、低水位变化规律。一般来说,冬、春季保持较低的水位可以给挺水植物的种子和繁殖体的萌发提供充足的光照和氧气;夏季高水位可以促进挺水植物的快速生长[11]。所以,应在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生产、生活用水的前提下,实施巢湖生态水位调度,在非汛期适当开闸放水,对恢复巢湖的生态环境具有促进作用。

4 结 语

由于巢湖湖区多年平均水位及变化趋势可知,巢湖高水位一般从5月中旬开始,但受区间水资源开发利用及巢湖闸水位调控影响,年际间存在较大波动;低水位一般开始于1月,但1994年以后巢湖未出现低水位。巢湖忠庙站最低生态水位控制为6.80m,巢湖生态水位日、月以及年保证率分别达到99.93%、100%以及100%,其生态水位保障程度较高。

同时也可以发现,为保障流域经济社会发展以及通航水深要求,近年来,巢湖水位按照高水位状态进行了控制,虽保证了经济社会发展,但却违背了湖泊自然高、低水位变化规律,对湖泊的生态系统健康以及可持续发展不利。建议下一步应在保障巢湖防洪抗旱功能和提供生产、生活用水的前提下,积极开展并实施巢湖生态水位调度研究,以保障湖区不同种群对水位的要求,同时可促进巢湖水体循环,对于保障巢湖水生态环境以及实现水体水质改善具有积极作用。