基于水质管理目标的博斯腾湖生态水位研究

胡春明,娜仁格日乐,尤 立

1 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085 2 新疆巴音郭楞蒙古自治州博斯腾湖科学研究所,库尔勒 841000

湖泊及其流域是支持人类文明发展的重要场所,其生态服务功能对于社会经济发展极为重要,包括水资源提供、水产品提供、径流调节、气候调节、生物多样性维持、旅游等。随着流域开发活动不断加剧,江湖阻断以及围垦、围网、围堤、乱修乱建等导致湖泊生境破碎和生物栖息地减少,湖泊生态平衡破坏,生物多样性受损,生态功能退化。研究湖泊生态水位或生态需水量,对于维持湖泊生态系统健康意义重大。

对湖泊生态需水的研究始于20世纪末,Rashin等[1]提出为保证水资源的可持续利用,应满足湖泊生态系统对水量的需求,首次提出了湖泊生态需水量的概念。David等[2]提出,为了最大程度地实现湖泊的生态价值,须满足它本身所需要的水量。Ngana等[3]提出,保证一定水量来维持湖泊生态系统的需要、维持社会经济和生态环境协调发展。

自21世纪起,国内陆续开展了湖泊生态水位或生态需水研究,并提出诸多生态水位计算方法,主要包括水文学法、水力学法以及功能法。水文学法认为湖泊生态系统在常年演变中与水文情势建立了相互适应关系,可基于湖泊系列水文资料分析提出生态水位,代表性方法有保证率法[4]、水位资料法[5]、水量平衡法[6]及借鉴河流生态需水形成的水文变化指标法[7]。水力学法主要从湖泊地形出发,基于水位、水面面积、库容等相互关系分析得出生态水位,代表性方法有湖泊形态分析法[5]。功能法从维持和保证湖泊生态系统正常的生态环境功能或某项特定功能的角度出发,综合分析提出生态水位,在目前湖泊生态水位研究中得到了广泛应用,如：崔保山等[8]根据湖泊水量与生态功能相关性计算生态需水量；王效科等[9]从乌梁素海水量平衡、水质改善角度提出引黄河水补给的最小生态需水量；白元等[10]以恢复塔里木河下游地下水位及植被面积为目标提出区域生态需水量；梁犁丽等[11]基于乌伦古湖鱼类、盐度、水量关系提出生态水位；姜亮亮[12]基于艾里克湖面积及周边湿地、河谷林水量需求提出艾里克湖流域生态需水量。还有研究在方法应用上做了一定探索：贺金等[13]在丰平枯水年划分的基础上研究鄱阳湖生态水位；陈玥等[14]在年内高、低水位期划分的基础上提出高邮湖生态水位；张华等[15]综合应用保证率法、水量平衡法研究东居延海在不同湖面面积保证率时的生态需水。总体上,生态水位研究方法较成熟且各具特点,结合研究目标、湖泊特征、基础资料等情况在实际工作中进行选择、优化应用。

博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖,也是新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州“母亲湖”,但持续的流域开发给博斯腾湖水环境质量带来相应影响：一是污染源输入增多,湖泊水体化学需氧量(COD)不能达到地表水环境Ⅲ类标准限值,且空间差异明显[16]；二是湖泊水文情势发生改变,现状湖区水源输入口(开都河东支)与输出口(扬水站)距离过近,湖泊内循环能力较差,水文循环主要靠风力驱动[17]。因此,从水质管理角度研究提出博斯腾湖生态水位对于博斯腾湖水环境保护及水资源利用具有现实意义。

湖泊水质通常受到水文情势影响：水位上升意味着更多污染物输入湖泊,另一方面也引起湖泊原有污染物的稀释、混合[18]；水位波动改变湖泊水动力条件以及营养盐的释放与富集[19]；水动力条件决定水体内污染物、泥沙和能量的输移与转化,并通过稀释水体和加快物质交换来影响污染物浓度分布[20-21]。部分研究发现,水文情势因子与COD、高锰酸盐指数、氮、磷等水质指标甚至存在显著相关性[19,22]。

博斯腾湖水动力影响区域主要为西南湖区,即开都河东支入湖口与扬水站区域,其他湖区受水动力影响极弱[17],这一水动力特征导致水位对整个湖区的影响远高于其他水文情势因子。已有研究表明博斯腾湖水位对营养盐[16]、矿化度[23]、生态系统健康状况[24]均有较大影响,而水位对COD的影响尚无研究,若两者存在显著相关性,则可通过调控水位改善水体COD浓度。本研究拟分析博斯腾湖水位和COD浓度关系,研究提出基于水质管理目标的生态水位,以期为博斯腾湖水资源、水环境管理提供参考。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域

图1 博斯腾湖地理位置图Fig.1 The geographical location of Bosten Lake

博斯腾湖位于中国天山南麓焉耆盆地东南部低洼处,地理位置介于86°19′—87°28E,41°46′—42°08′N,是开都河等水系的尾闾,又是孔雀河水系的源头(图1)。流域属于干旱大陆性气候,干旱少雨、蒸发量大、日照时间长。根据博斯腾湖附近的焉耆气象站数据：多年平均降雨量72.3 mm,多年平均蒸发量1887 mm,多年平均气温7.9℃,多年平均日照数3111.5 h。

博斯腾湖分为大湖区和小湖区,湖区及周边水系见图2。大湖区是湖体主要部分,水位1047.00 m时,湖面面积1064.1 km2,容积73.03亿 m3,平均水深约7.5 m,最深处约16 m。小湖区位于大湖区西南部,由诸多浅小湖泊和大片芦苇沼泽湿地组成。大、小湖区之间有大小湖隔堤工程,由设置的生态涵管保持水力联系。

历史上汇入博斯腾湖的河流有开都河、黄水沟、清水河、曲惠沟、乌拉斯台河。目前黄水沟、清水河、曲惠沟、乌拉斯台河随着流域农业用水需求增大,已无径流汇入。而开都河经宝浪苏木分水枢纽控制,东支汇入博斯腾湖大湖区,西支汇入小湖区。流域各类污水汇入黄水沟湿地、小湖区湿地及其他人工湿地进行净化。

博斯腾湖唯一出水口是位于大湖区西南角的扬水站,包括建成于1983年的西泵站和建成于2008年的东泵站,出水进入下游孔雀河,水量由人为控制。

图2 博斯腾湖水系图Fig.2 Water system of Bosten Lake

1.2 基础数据

博斯腾湖2008年前有14个国家地表水环境质量监测点,2009年后增加15、16、17号监测点(图2)。巴音郭楞蒙古自治州环境监测站于每年4—10月份每月采样、监测一次,监测包括COD在内的32项指标,同时从新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局获取采样当日的水位数据。

因COD指标自2003年开始监测,本研究采用2003年至2016年博斯腾湖COD监测数据及其对应的水位数据,共计1183组数据。数据在各点位及各月份的统计情况见表1。

此外,从塔里木河流域管理局获取1964年至2016年博斯腾湖月均水位数据。

表1 博斯腾湖基础数据量统计

1.3 数据分析与制图

利用PASW Statistics 18对基础数据进行统计分析、相关分析及回归分析,利用OriginPro 8.5及ArcGIS 10.2制图。

2 博斯腾湖水位-COD关系研究

2.1 博斯腾湖COD特征

图3 博斯腾湖水体COD浓度空间差异Fig.3 Spatial difference of COD concentration in Bosten Lake

由于空间位置及边界条件差异,博斯腾湖17个监测点的COD浓度差别较大(图3)。14号监测点位于博斯腾湖西南部,由于临近开都河东支入湖口,受开都河Ⅱ类地表水补给,COD浓度最低((20.42±7.31) mg/L),类似的有1、12、13号监测点。7号监测点位于博斯腾湖西北部,由于毗邻黄水沟湿地,受污染物输入影响,COD浓度最高((26.47±4.26) mg/L),类似的有8、9号监测点；17号监测点位于博斯腾湖东部,远离水源输入口及输出口导致水动力条件较差,与开都河Ⅱ类地表水的交换也最弱,COD浓度较高((25.12±3.94) mg/L),类似的有16号监测点；其他区域的各监测点COD浓度平均值普遍为23—25 mg/L。

2.2 博斯腾湖水位特征

自1964年以来,博斯腾湖水位可大致分为3个阶段(图4)：1964—1987年为水位下降期,年均水位由1047.95 m下降至1045.00 m；1987—2002年为水位上升期,年均水位逐渐上升至1048.66 m；2002—2013年为水位下降期,年均水位逐渐下降至1045.12 m；2014年起,博斯腾湖水位呈现上升趋势。

伊丽努尔·阿力甫江[25]认为：影响博斯腾湖水位的主要自然因素有气温、入湖径流量以及降水量,主要人为因素是灌溉耗水量、灌区引水量与耕地面积；1958—2002年,水位变化主要驱动因素呈自然因素向人类活动的变化趋势,2003年以后人类活动对水位影响显著增加。

博斯腾湖年内水位变化存在一定趋势(图4)：3—10月水位较高,可视为流域丰水期；而11月至次年2月则水位较低,可视为流域的枯水期。但年内水位差异较小,多年平均水位9月份最高为1046.58 m,1月份最低为1046.40 m。原因在于博斯腾湖容积远大于地表径流补给量,湖泊调蓄作用削弱了流域不同水文期的影响：大湖区容积73.03亿m3(水位1047.00 m时),而开都河东支多年平均径流量约17亿m3。

由博斯腾湖年内水位变化趋势也可发现人类活动影响的痕迹：3月份流域冰川融水开始为博斯腾湖带来径流补给,4月份湖泊出现一个水位峰值；5月至8月期间是流域主要灌溉季节,灌溉用水需求高于径流量,湖泊水位略有降低；9月进入非灌溉期,而地表径流仍较为充沛,湖泊水位达到峰值；10月中下旬流域开始冬灌,且地表径流减少,水位持续下降。

图4 博斯腾湖水位变化Fig.4 Water level variation of Bosten Lake

2.3 水位-COD相关分析

将COD数据与其相应的水位数据进行相关分析,采用Pearson简单相关系数的双侧检验,结果表明两者之间具有显著负相关(表2)。

表2 博斯腾湖水位-COD相关系数

**P<0.01

2.4 水位-COD回归分析

对COD浓度及水位尝试进行回归分析,选择一元线性、对数等六种函数模型进行曲线估计,结果显示各模型的拟合结果均不理想,R2值最高仅0.193(表3)。其原因主要有两方面：一是博斯腾湖水质空间分布不均,虽然各监测点COD浓度均与水位显著相关,但相关关系不尽相同；二是水位仅为COD浓度的影响因素之一。

3 博斯腾湖生态水位分析

3.1 累计水位分析

鉴于博斯腾湖水位与COD浓度的显著相关性,基于水位控制实现COD浓度管理成为可能。若两者之间存在某种函数关系,根据COD目标浓度即可得出相应的生态水位,但水位与COD浓度曲线估计结果却不理想。因此,引入累计水位概念进行统计分析,即：大于等于或小于等于某浓度的COD数据所对应水位的平均值。

基于COD浓度降序排列得出的累计水位统计结果如图5。以地表水Ⅲ类标准限值的COD浓度20 mg/L为目标值,在1183组数据中,COD浓度大于等于20 mg/L的数据共有995组,该995组数据的水位平均值为1046.02 m。同理,基于COD浓度升序排列得出的累计水位统计结果如图5,COD浓度小于等于20 mg/L的数据共有208组,水位平均值为1046.40 m。

表3 博斯腾湖水位-COD曲线估计结果

x为水位,y为COD

需要说明的是,本研究基于历史监测数据得出的累计水位具有统计学意义,但与博斯腾湖COD浓度没有必然关系。以累积水位1046.4 m为例,得出该水位的208组数据中有106组数据的水位低于1046.4 m；而在1183组数据中水位大于等于1046.4 m数据的COD平均值为21.85 mg/L,仍高于20 mg/L。

图5 博斯腾湖累计水位Fig.5 Cumulative water level of Bosten Lake

3.2 生态水位分析

1964—2016年博斯腾湖月均水位的累积频率如图6所示。由于博斯腾湖丰水期及枯水期的水位差别不大,特征水位在不同水文时期的累积频率也较为接近：两个特征水位1046.02、1046.40 m在历史水位的频率分别为59.19%、44.05%；在历史丰水期(3—10月)水位的频率分别为60.83%、44.70%。鉴于本研究采用的COD数据实际为4—10月份,故采用丰水期水位频率分析结果。

图6 博斯腾湖水位累积频率分布图Fig.6 Cumulative frequency distributing graph of water level in Bosten Lake

保证率法通常采用90%、75%、50%特征频率分析湖泊、河流生态水位[4,26]。本研究以实现博斯腾湖水体COD浓度达标为目标,两个特征水位的频率与水文学法有所差异,但仍较具有代表性：特征水位1046.02 m在历史丰水期水位的频率为60.83%,属于偏枯水月频率；特征水位1046.4 m在历史丰水期水位的频率为44.70%,属于平水月频率。因此,将1046.02 m以及1046.4 m分别作为博斯腾湖的最小生态水位、适宜生态水位是较合理的。

4 讨论

水文学法、水力学法、功能法三大类方法在生态水位研究中各有优劣[27]：水文学法基础数据容易获得,且不需要现场测量,但精度往往不够,主要适用于初步确定生态水位；水力学法需要开展现场测量,较适合于河湖床相对稳定的浅滩式水体,缺点是忽略了水体季节变化,不适用于时令河湖；功能法思路清晰、理论性强,但资料需求普遍较多,应用难度相对较大。

在最初的湖泊生态水位研究中,通常采用不同方法分别计算生态水位,然后比选确定最终的生态水位[4- 6]。随着人类对湖泊生态服务功能的需求日益增长,生态水位研究更多从维持湖泊某项功能或保护湖泊生态系统角度出发,功能法也成为了主要研究方法。本研究以维持博斯腾湖COD浓度达标为主要目标,基于水位与COD浓度统计分析研究提出生态水位,属于功能法应用范畴,但在数据统计分析以及生态水位分析过程中,借鉴了水文学法研究手段。

影响博斯腾湖COD浓度的因素有很多,气温、降雨、风力风向、地表径流、水位、湖泊生态系统等自然因素以及人口、耕地面积、灌溉制度、用水量、水利开发等人为因素均与COD浓度有着相关关系。水位与COD浓度显著负相关还易于调控,这使得通过控制生态水位实现博斯腾湖水质管理具有理论意义和可操作性。已有研究从不同角度分析了博斯腾湖生态水位：夏军等[28]综合考虑博斯腾湖水位对水质、生态环境以及社会经济的影响,建议控制水位1046.0—1047.5 m以减少水体矿化度上升、有机质污染、周边湿地退化、渔业资源减少等问题。李新虎等[29]基于天然水位资料、湖泊形态和芦苇研究,建议博斯腾湖最低生态水位1047.16 m。周孝德等[24]构建包括10项指标的博斯腾湖评估体系,评估认为博斯腾湖水位低于1046.2 m时健康生态状况较差,水位高于1046.8 m时健康生态状况较好。侯佳文等[30]以博斯腾湖滨柽柳为对象,研究提出柽柳年轮指数相应敏感的湖水位范围为1045.3—1046.3 m。

本研究提出适宜生态水位1046.4 m基本符合夏军、周孝德及侯佳文的生态水位研究成果,说明博斯腾湖在水位1046.4 m时既有利于水质管理,也可保障湖泊整体生态系统健康。在具体生态水位数据上各研究成果有所差异,主要原因在两方面：一是关注的功能目标不同,本研究以水体COD浓度控制为目标；二是采用的水文基础数据不同,本研究采用2003—2016年数据,李新虎采用1956—1970年数据,夏军采用1955—2000年数据,周孝德采用1993—2012年数据。

5 结论

1)博斯腾湖水位与水体COD浓度显著负相关,但由于COD浓度空间差异较大以及影响因素不唯一,水位与COD浓度两者曲线估计结果不理想。

2)为实现博斯腾湖COD浓度小于20 mg/L的水质管理目标,引入累计水位概念进行统计分析得到两个特征水位：所有COD浓度大于等于20 mg/L的数据对应水位的平均值为1046.02 m,该水位在历史丰水期水位的频率为60.83%,可作为最小生态水位；所有COD浓度小于等于20 mg/L的数据对应水位的平均值为1046.4 m,该水位在历史丰水期水位的频率为44.70%,可作为适宜生态水位。

3)本研究综合应用功能法与水文学法进行博斯腾湖生态水位分析,研究结论与已有研究基本相符,博斯腾湖在适宜生态水位1046.4 m时既有利于水质管理,也可保障湖泊整体生态系统健康。