湖区生态需水-理论与实践

湖区最小生态需水包括湖区最小生态水位和湖区最小生态耗水两个方面。湖区最小生态水位对应的湖泊蓄水量，是最小生态保留水量。湖区最小生态耗水等于湖区水面蒸发量减去湖区水面降水量加上湖泊渗漏量。

为计算湖区最小生态需水，必须首先确定湖泊最低生态水位。

4.3.2.1 湖泊最低生态水位计算方法

面对我国湖泊不断干枯、萎缩的湖泊生态危机和由此造成资源性缺水的严重局面，维护湖泊的合理水位已经成为淡水资源科学配置和永续利用的基本保证。北方湖泊的主要生态问题是流域水资源严重缺乏，上游用水增加，入湖水量减少，加之湖区过量引水，导致湖泊水位大幅下降，湖泊干涸，生态系统严重退化。生态保护目标是维持湖泊湿地生态系统的基本功能，使生态系统不发生严重退化。生态保护的对策是确定最低生态水位，保证生态的最小用水；当湖水位低于最小生态水位时，限制社会经济用水；如果有可能，向湖泊补水，使湖泊水位不低于最低生态水位；从而协调社会经济用水和生态用水。

国外湖泊最小生态需水计算，主要依据所要保护的敏感指示物种对水环境指标的需求来计算。在计算时，更加注意水位的涨落限制。由于我国缺乏对湖泊敏感物种及其与水关系方面的研究，使得计算湖泊最低生态水位存在很大困难。本节研究在我国生态资料缺乏的条件下，湖泊最低生态水位的计算方法。

（1）湖泊水和生态演变。

1）天然情况下湖水和生态演变。湖泊特有的地形，储存着大量水分，产生了湖泊生态系统。湖泊水量和其生态系统具有因果关系，并存在相互作用。在天然状况下，入湖、出湖水量的年内、年际变化导致湖泊水位和水面面积的相应变化。随着季节的变化，湖泊中有些区域一年中只有部分时间被水淹没，这一部分定义为湖泊的活动区。但是，不管怎样变化，总是存在着多年一直被水淹没的区域，这个区域定义为核心区。由于这两种区域性质不同，因此，本书将其加以区分。在国家“十五”重大科技攻关项目——“中国分区域生态用水标准研究”中，对湿地核心区和活动区进行了研究[1]。

在淤泥底质的淡水湖泊，在风浪不太大时，水分条件成了决定性因素。由于活动区和核心区水分条件的差异，湖泊植物形成了圈层结构。这种圈层结构分布，在典型的草型湖泊通常呈现四个环湖带。由沿岸向湖心依次为湿生植物带、挺水植物带、浮水植物带和沉水植物带。在活动区内部，靠近湿地边沿的部分，由于被水淹没的时间少，水分相对较少，生长着湿生植物群落，水深通常小于0.5m。靠近核心区的部分，由于被水淹没的时间较长，则生长着挺水植物群落，水深通常小于1.5m。在核心区，由于常年被水淹没，则往往生长着沉水植物群落，沉水植物的适宜深度一般不超过5m。浮水植物带介于挺水植物与沉水植物之间，在湖泊水生植物带中面积最小，并常常与沉水植物混生而成为共优群落。

鱼类也适应着这种水分和植物条件。核心区常年被水淹没，是鱼类常年栖息地，是鱼类的老家。在丰水季节到来时，水位升高，水面增加，活动区开始被淹没，鱼类从核心区向活动区扩散。此时，活动区成为鱼类新的栖息地，其中的植物等群落，为鱼类提供了丰富的食物，鱼类群落得以扩大。当枯水期到来时，水位降低，水面变小，活动区露出水面，鱼类无法在此居住，因此，游回核心区。此时，核心区成为鱼类的避难所，使得鱼类群落得以存活。来年丰水期到来时，鱼类又从核心区向活动区扩散。年复一年，如此循环。

鸟类生活在整个湖泊中，并随着湖泊水面面积的变化改变着它的栖息地。核心区为在水边和水中生活的鸟类提供了基本的生活空间。

核心区是鱼类受到水分减少的威迫时，可以躲避的地方，是鱼类的避难所，为鱼类和鸟类提供了基本的空间，也是沉水植物的栖息地，为植物群落的稳定提供基本条件，是这些群落不严重退化所必须的栖息地。

2）人类干扰情况下湖水对生态的影响。人类对湖泊的影响可以分为几类：①上游人类活动的影响导致入湖水量过程的改变。这种改变包括水量和时间分布的改变。②在入湖口、出湖口修建水闸、水坝等建筑物，改变了湖泊和上下游水体的天然水力联系。③直接从湖泊取水。④围垦湖泊。⑤水质污染。⑥其他因素。

以上各种改变都对湖泊生态系统产生着影响，其中大部分是负面的影响。

（2）湖泊最低生态水位确定方法。

1）天然水位资料统计法。在天然情况下，湖泊水位发生着年际和年内的变化，对生态系统产生着扰动。这种扰动往往是非常剧烈的。然而，在漫长的生态演化中，环境改造了生物，生物也适应了环境，湖泊生态系统已经适应了这样的扰动。

实际上，在漫长的生态演变过程中，湖泊生态系统已经无数次地受到低水位的扰动，生态系统逐渐调整水位阈值，不断演化，适应了这样的低水位。正是这样，湖泊生态系统经过不断进化，达到今天的状态。因此，天然情况下的低水位对生态系统的干扰在生态系统的弹性范围内，并不影响生态系统的稳定。因此，天然最低水位是生态系统水位阈值的下限。

然而，在人类干扰情况下，例如在枯季大量取用湖泊水源、上游人类用水导致入湖水量减少等，可能导致湖泊水位低于天然最低生态水位。这种变化在时间上是突然的，是生态系统在长期的演化过程中没有遇到的，因此，天然生态系统的原有的结构无法适应这样的变化，只有通过改变其结构来适应。天然生态系统是经过漫长的生态演变，经过物竞天择而得到的最优的生态系统，人类干扰导致的生态结构的改变将偏离天然最优的生态系统，向不利于人类的方向发展，也即导致生态系统的退化。因此，将天然最低生态水位作为湖泊最低生态水位可以维持湖泊生态系统的基本功能。由于天然最低水位的持续时间短，因此，最低生态水位是在短时间内维持的水位，不能将湖泊水位长时间保持在最低生态水位。

此方法需要确定统计的最低水位的种类。最低水位可以是年内瞬时最低水位、年内日均最低水位、年内月均最低水位、季节最低水位等。

对吞吐型湖泊，枯季湖水位日内变化很小，因此，可采用日为统计时段，无需采用瞬时最低水位。若以季节为时段，则时间太长，水位在季节内变化较大，统计的最低水位不能代表年内发生的最低水位。因此，不能以季节为时段。例如淮河流域南四湖上级湖1957年季节水位在年内变化很大，季节内平均水位的代表性很差，如图4.3所示。当枯季月内日均水位变化不大时，也可以月为统计时段。例如，南四湖上级湖枯季月内日均水位变化不大，月均水位的代表性较好，如图4.4所示。

湖泊最低生态水位表达式如下：

式中：Zemin为湖泊最低生态水位；min（）为取最小值的函数；Zmini为第i年最小日均水位；n为统计的水位资料系列长度。

图4.3　南四湖上级湖1957年月均水位过程线图(www.xing528.com)

图4.4　南四湖上级湖1957年5月日均水位过程线图

由于湖泊年最低水位是随机变量，因此，统计的水位资料系列越长，湖泊最低生态水位的代表性越好。一般统计的湖泊水位系列长度应该覆盖湖泊水位年际变化的一个完整长周期。流量历时曲线法在计算生态需水时要求统计系列长度不少于20年，这是一个可以参考的长度。

2）湖泊形态分析法。历史水位资料法要求较长的天然水位资料，在天然水位资料缺乏的湖泊无法较好地使用。我国大多数湖泊往往存在天然水位资料缺乏的问题。为此，需要研究在天然水位资料缺乏的情况下，湖泊最低生态水位的计算方法。

湖泊地形为湖泊的存在提供了支撑，为水文循环提供了舞台，同时，又对水文循环产生着制约。湖泊中的生物适应着湖水变化与湖盆形态。湖水与湖盆构成的空间是生物赖以生存的栖息地，是生物生存的最基本的条件。因此，湖水和湖泊地形构成了湖泊最基础的部分。要维持湖泊自身的基本功能，必须使湖水和湖泊地形子系统的特征维持在一定的水平。为此，本书从湖水、地形及其相互作用方面研究维持湖泊生态系统自身基本功能不严重退化所需要的最低生态水位。此湖泊最低生态水位定义为：维持湖水和地形子系统功能不出现严重退化所需要的最低水位。

湖泊生态系统服务功能均和湖泊水面面积密切联系。因此，用湖泊面积作为湖泊功能指标。

图4.5　湖泊水位和湖泊面积变化率关系概化示意图

注：F为湖泊水面面积；Z为湖泊水位。

采用实测湖泊水位和湖泊面积资料，建立湖泊水位和d F/d Z关系线，其概化图见图4.5。随着湖泊水位的降低，湖泊面积随之减少。由于湖泊水位和面积之间为非线性的关系。当水位不同时，湖泊水位每减少一个单位，湖面面积的减少量是不同的。在d F/d Z和湖泊水位的关系上有一个最大值。最大值相应湖泊水位向下，湖泊水位每降低一个单位，湖泊水面面积的减少量将显著增加，也即，在此最大值向下，水位每降低一个单位，湖泊功能的减少量将显著增加。如果水位进一步减少，则每减少一个单位的水位，湖泊功能的损失量将显著增加，将是得不偿失的。湖泊水位和d F/d Z可能存在多个最大值。由于湖泊最低生态水位是湖泊枯水期的低水位。因此，在湖泊枯水期低水位附近的最大值相应水位为湖泊最低生态水位。如果湖泊水位和d F/d Z关系线没有最大值，则不能使用本方法。

湖泊最低生态水位用下式表达：

式中：Zmin为湖泊天然状况下多年最低水位，m；a1和b1分别为和湖泊水位变幅相比较小的一个正数，m。

联合求解式（4.8）、式（4.9）和式（4.10）即可得到湖泊最低生态水位。

3）生物空间最小需求法。用湖泊各类生物对生存空间的需求来确定最低生态水位。湖泊水位是和湖泊生物生存空间一一对应的，因此，用湖泊水位作为湖泊生物生存空间的指标。湖泊植物、鱼类等为维持各自群落不严重衰退均需要一个最低生态水位。取这些最低生态水位的最大值，即为湖泊最低生态水位，表示为：

式中：Zemin为湖泊最低生态水位，m；Zemini为第i种生物所需的湖泊最低生态水位，m；ne为湖泊生物种类；i等于1～ne。

湖泊生物主要包括：藻类、浮游植物、浮游动物、大型水生植物、底栖动物和鱼类等。现阶段无法将每类生物最低生态水位全部确定。因此，选用湖泊关键生物。鱼类对湖泊生态系统具有特殊作用，加之鱼类对低水位最为敏感，故将鱼类作为关键生物。认为鱼类的最低生态水位得到满足，则其他类型生物的最低生态水位也得到满足。式（4.11）简化如下：

式中：Zemin鱼为鱼类所需的最低生态水位，m。

对于在湖泊居住的鱼类，水深是最重要和基本的物理栖息地指标，因此，必须为鱼类提供最小水深。鱼类需求的最小水深加上湖底高程即为最低生态水位。鱼类所需的最低生态水位表示如下：

式中：Z0为湖底高程，m；h鱼为鱼类所需的最小水深（可以根据实验资料或经验确定），m。

4.3.2.2 湖区最小生态耗水

如前所述，在本书中提及的“湖区”一词是指湖泊水体覆盖的区域。湖区最小生态需水为维持湖泊最低生态水位所需的湖泊净蒸发量和湖泊渗漏量之和。湖区最小生态需水等于湖区水面蒸发量减去湖区水面降水量加上湖泊渗漏量。

其中　　　　　 F（t）≥Femin

式中：WW2（t）为湖区最小生态需水，m3；E（t）为水面蒸发量，m/s；F（t）为水面面积，m2；P（t）为湖面降水量，m/s；K为土壤渗透系数，无量纲；I（t）为湖泊渗流坡度，无量纲；Femin为最低生态水位相应的湖面面积，m2；F1（t）为湖泊渗漏面积，m2。