基于长系列水文数据的巢湖生态水位研究.pdf

DOI:1016616/jcnki10-1326/TV20230802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)【摘 要】本文基于巢湖湖区 19622017 年长系列逐日水位资料,分析计算了巢湖历年特征水位及高低水位发生时间与历时;在此基础上分析确定了巢湖的生态水位,并对其生态水位保障程度进行了分析。主要结论有:巢湖忠庙站最低生态水位为 6 80m;巢湖生态水位日、月、年保障程度均较高;20 世纪 90 年代中期以来,受湖区周边水资源开发利用影响,巢湖最低控制水位逐渐升高,虽有助于经济社会发展,但对湖区生态系统的可持续发展不利。建议积极开展巢湖生态水位调度研究,以保障巢湖生态系统健康。【关键词】巢湖;生态水位;时间与历时;保障程度中图分类号:P331 文献标志码:B 文章编号:2096-0131(2023)08-008-06Research on Ecological Water Level of Chaohu Lake Based onLong-Term Hydrological DataHUANG Jun(Anhui Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower Co,Ltd,Hefei 230088,China)收稿日期:2023-02-20网络首发地址:http:/ on the daily water level data from 1962 to 2017 in the Chaohu Lake area,this paper analyzes andcalculates the annual characteristic water levels and the occurrence timing and duration of high and low water levels in theChaohu Lake.On this basis,the ecological water level of the Chaohu Lake is determined,and the degree of ecologicalwater level assurance is analyzed.The main conclusions are as follows:(1)The minimum ecological water level at theZhongmiao Station in the Chaohu Lake is 6.80m;(2)The daily,monthly,and yearly assurance levels of the ecologicalwater level in the Chaohu Lake are relatively high;(3)Since the mid-1990s,due to the demands of water resourcesdevelopment and utilization in the surrounding areas of the lake,the minimum control water level of the Chaohu Lake hasgradually increased.Although this has contributed to economic and social development,it is unfavorable for the sustainabledevelopment of the lakes ecosystem.It is recommended to actively conduct research on ecological water level regulation inthe Chaohu Lake to ensure the health of its ecosystem.Key words:the Chaohu Lake;ecological water level;timing and duration;guarantee extent 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8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 19622017 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 11700 11829、北纬 3056 3202)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。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。图 1 巢湖流域范围9黄 军/基于长系列水文数据的巢湖生态水位研究 图 2 巢湖湖区及水文(位)站位置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)式中:H、L 为高水位和低水位,m;P25%(hi)和 P75%(hi)为相应保证率下湖泊日均水位,m。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:Hst=min(i),s,t1nnj=1hij Hh(i=1,2,12)Lst=min(i),s,t1nnj=1hij Lh(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-HstHet=max(i),s,t1nnj=1hij Hh(i=1,2,12)Ld=Let-LstLet=max(i),s,t1nnj=1hij Lh(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。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01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 hmin7。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:En=Nk=1sgn(hk-he)N 100%,sgn(hk-he)=1,若 hk-he 01,若 hk-he0Ei=njIk=1sgn(hjik-hei)n 100%,sgn(hjik-hei)=1,若 hjik-hei 01,若 hjik-hei0Ej=12i=1Ik=1sgn(hjik-hei)Mj 100%,sgn(hjik-hei)=1,若 hjik-hei 01,若 hjik-hei0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 19622017 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(59 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 19622017 年逐日水位变化趋势11黄 军/基于长系列水文数据的巢湖生态水位研究 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 19622017 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(59 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。19622017 年记录的低水位最早发生于 1 月,最迟发生于 12 月。其中 19651967 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 19572017 年高水位发生时间与历时图 6 巢湖忠庙站 19572017 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,巢图 7 巢湖忠庙站历年最低月平均水位变化21湖生态水位为 7 22m(P=90%)。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202043 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 60200cm,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 19572017 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201241 号)文件执行:“巢湖闸上控制水位 68 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。参考文献1 安徽省第一次全国水利普查成果报告系列:第一卷 河湖基本情况M.北京:中国水利水电出版社,2013.2 谢三桃,朱青.巢湖“一湖一策”技术思路及实施途径J.中国水利,2017(20):9-12.3 合肥市“十四五”巢湖综合治理规划R.合肥:合肥市发展改革委员会,2022.(下转第 19 页)31黄 军/基于长系列水文数据的巢湖生态水位研究 此外,由水文过程线与滞后 1 天水文过程线的相关性系数(AC1)和高流量频率 Fh 可知,径流变异改变上中游的极端高流量,但未显著改变流域水文过程。总之,非一致性条件下黑河流域的水文规律发生了较大改变,尤其是对极端水文特征指标的影响较大。4 结 语本文以受气候变化和人类活动影响大的黑河流域为研究对象,充分考虑流域尺度气候和下垫面要素的空间异质性,将黑河流域划分为两个子流域,采用Pettitt 突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征。最后,基于11 种水文特征指标,精准揭示非一致性条件下流域水文特征的时空变异规律。结果表明:a 上中游对应的莺落峡水文站和正义峡水文站均发生了突变,其突变年份分别为 1993 和 1989 年,且通过了 95%置信水平显著性检验;同时 19851995 年间莺落峡和正义峡水文站年径流量出现极端低值区,整体来讲年径流量呈弱增加上升趋势变化规律。b 径流变异改变了流量历时曲线(FDC)的极端高值区,且近年来极端高流量呈增大趋势;同时,中游的极端高值改变量大于上游。参考文献1 ADDOR N,NEARING G,PRIETO C,et al.A ranking ofhydrological signatures based on their predictability in spaceJ.Water resources 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