生态需水理论实践-河道与湖泊

湖泊适宜生态需水组成与湖泊最小生态需水组成相同，包括入湖适宜生态需水、湖区适宜生态需水和出湖适宜生态需水。湖区适宜生态需水包括湖区适宜生态水位和湖区生态耗水量两部分内容。

5.2.6.1 适宜生态水位

为维持南四湖天然生态稳定所需的最低水位称为适宜生态水位。采用本书研究的生态演变分析法估算南四湖适宜生态水位。通过分析南四湖1950年至今的演变历史，确定其天然生态结构稳定与否的临界时期。

（1）生态演变历史。根据对南四湖生态演变历史研究分析，其生态演变历史分为以下四个阶段。

1）1950～1959年，生态接近于天然状况。此期湖面大，水较深，鱼类区系组成复杂，除了湖泊定居性鱼类之外，还有大量的过河口洄游、湖河半洄游性鱼类及河道性鱼类入湖补充。鱼类能较有效地利用饵料生物资源，捕捞力量适中，鱼类资源堪称富足。鱼类结构完整且生产力高。所以20世纪50年代南四湖生态结构较为合理，水源充足，植物茂盛，鱼类区系复杂，鸟类众多，食物链完整。南四湖生态接近天然状态。此期属于湖泊生态演变中的高产期。

2）1960～1979年，人类干扰加大时期。这个时期人类超强度捕捞水生生物，加之1960年修建了二级闸后，加之上游人类用水量增加，进入湖泊水量减少，对南四湖生态系统的人为干扰和影响逐渐扩大，致使鱼类资源的衰退，1960～1969年鱼类平均年产量只有7663.5t，比1952～1959年下降了59.12％。但是，社会经济用水相对较少，上级湖水位全部高于死水位，下级湖低于死水位的天数为0.01％，南四湖水量较为丰富，生物产量保持在一定水平。此期属于湖泊生态演变的稳定期。

3）1980～1984年，生态临界时期。这个时期社会经济用水增加，在降水量相当的情况下，湖水位比1960～1979年降低，如图5.32和5.33所示。但是，这段时期湖水位低于死水位的时间并不长，鱼类产量没有明显的进一步减少。此时期，处于生态演变的临界时期。

4）1985～2002年，生态退化时期。在这个时期，社会经济用水比1980～1984年增加约50％，湖水位进一步降低，出现湖水位长时间低于死水位情况，如图5.32～图5.34所示。同时低水位加剧了水质污染，致使鱼类和鸟类大量减少，湖区植物遭到破坏，生态结构已发生变化。1989年，南阳、昭阳、独山湖全部干涸，仅剩下微山湖部分水面。2002年，南四湖出现了严重干湖，仅航道有少量存水，船只搁浅。这两次湖泊干涸，给南四湖生态系统造成致命打击，生态系统严重退化，鱼类产量大幅降低。此期属于湖泊生态演变的衰退期。

（2）生态演变影响因素分析。降水量和水土开发因素影响分析。1986～1997年平均降水量646mm，比1956～1997年降水量713mm减少9.4％，降水量有所减少，但是减少量并不大，如图5.32和5.33所示。显然，1986～1997年湖泊水位的大幅降低并不是由于降水量减少造成的。南四湖全流域社会经济用水1980～1985年为35亿m3，1990～1999年增加至53亿m3，增长51％，如图5.34所示。南四湖供水区社会经济用水从1980～1985年的21亿m3，增加至1990～1999年的30亿m3，增长43％。因此，造成南四湖水量下降的主要因素是全流域社会经济用水大幅增加。

图5.32　南四湖上级湖年均水位与降水量过程线图

图5.33　南四湖下级湖年均水位与降水量过程线图

图5.34　南四湖全流域社会经济用水量图

（3）适宜生态水位确定。从生态演变历史看，1980～1984年为生态演变临界时期。此时期，既有降水频率为90％的1981年的枯水年，也有1982年和1983年的偏枯年，其资料代表性较好。模拟此时期所得的适宜生态水位具有较好的代表性。

将1980～1984年的月平均水位的最小值确定为该月的适宜生态水位，初步结果见表5.18。

表5.18　南四湖适宜生态水位初步分析结果　单位：m

表中出现下级湖个别月份适宜生态水位略低于最低生态水位，这不合理，是由于误差和非正常因素造成的。因此，对适宜生态水位进行修正。当某月适宜生态水位低于最低生态水位时，用最低生态水位代替，结果见表5.19。

表5.19　采用的南四湖适宜生态水位　单位：m

5.2.6.2 湖区适宜生态需水(www.xing528.com)

（1）湖区适宜生态需水模型。湖区适宜生态需水量表达如下：

其中　　　　　 F（t）≥Feb（t）

南四湖湖泊渗漏量相对于蒸发量是很小的量，因此，忽略不计。净蒸发量计算时段为月，采用典型年法，采用7月～次年6月的水文年进行计算。因此，式（5.10）简化为式（5.11）。

式中：WWb2为湖区年适宜生态需水量，m3；i=7～6月，为水文年的月份；Feb（i）为第i月适宜生态水位相应的湖面面积，m2。

为简化计算，令：

Kb（i）为第i月F（i）和Feb（i）之间的换算系数。则式（5.11）简化为式（5.13）。

式中：K 2b为Feb（i）与F（i）之间的综合折减系数。

如前所述，年生态需水是随机变量，因此，年生态需水有频率。适宜生态水位和适宜生态需水量也有频率。尚未发现有关适宜生态需水频率的文献。适宜生态需水是为维持天然生态系统结构稳定所需的最小水量，初步认为保证率为75％。用频率75％的年降水量和相应的水面蒸发量计算净蒸发量。

（2）湖区适宜生态需水计算。采用南四湖区1956～1997年降水量资料进行年降水量频率计算。计算的频率75％年降水量为621.0 mm。选取的降水量典型年为1980年7月～1981年6月，水面蒸发量采用1980年7月～1981年6月的实测值。K 2b取1.05，J（i）取表经验数值。计算的湖面净蒸发量为5.22亿m3。湖区适宜生态需水量等于K 2b和湖泊净蒸发量的乘积，为5.48亿m3。

5.2.6.3 出湖适宜生态需水

（1）出湖适宜生态需水量计算模型。

出湖适宜生态需水量用式（4.14）、式（4.15）和下式表达。

式中：Reb（i）为i月份湖泊出口河道适宜生态需水量，m3/s；Keb（i）为Reb和Reb（i）之间的换算系数；Keb为Reb和Reb（i）之间的综合换算系数；Reb为鱼类蚕卵期适宜生态需水量，m3/s。

（2）出湖适宜生态需水量计算。采用式（5.22）进行计算，需要确定Keb、Reb和t。以月为计算时段。参照本章出湖最小生态需水计算中的综合换算系数，Keb取1.10。

界首水文站流域面积29290km2，降水量728mm，多年平均天然流量为142m3/s。南四湖出口以上流域面积31700km2，降水量695.2mm，多年平均天然流量为92.6m3/s。两者均为平原河道，水文生态特征相似，采用界首水文站适宜生态流量百分比对南四湖出口河道具有代表性。湖泊出口河道全年适宜生态需水Reb采用邻近的颍河界首水文站断面的计算结果：适宜生态流量百分数为25.9％，计算的南四湖出口河道全年最小适宜生态流量为24.0m3/s。用式（5.22）计算的南四湖出湖生态需水量为8.33亿m3。

5.2.6.4 适宜生态需水结论

南四湖适宜生态需水量等于湖区适宜生态需水量和出湖适宜生态需水量之和，为13.8亿m3/a。其中湖区适宜生态需水为5.48亿m3/a，出湖适宜生态需水为8.33亿m3/a。湖泊适宜生态需水量需要入湖水量来补充，要求入湖水量为13.8亿m3/a。