馬佳麗，劉東偉，2，3**，王 杰，程英楠，劉華民，王立新，2，3

(1：內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010021)

(2：內(nèi)蒙古自治區(qū)河流與湖泊生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010021)

(3：蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010021)

湖泊是干旱和半干旱地區(qū)重要的水資源，對調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡起著重要的作用[1-2]. 同時，區(qū)域生態(tài)環(huán)境改變也會作用于湖泊導(dǎo)致其水文情勢發(fā)生變化[3]. 湖泊水文情勢在一定程度上可以表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量. 近年來，由于氣候變化及人類活動的影響，湖泊面臨著越來越多的生態(tài)環(huán)境問題，如萎縮干涸、水質(zhì)變差、生態(tài)退化[4-7]等，尤其是在干旱半干旱地區(qū)表現(xiàn)更為明顯. 適宜生態(tài)水深是維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的合理水深[8]，湖泊水深低于最低生態(tài)水深，不僅影響湖泊水量水質(zhì)，加劇污染，魚類植被大量死亡，破環(huán)湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，也會威脅到區(qū)域健康發(fā)展[9]. 湖泊生態(tài)需水與湖泊適宜生態(tài)水深具有密切關(guān)系，保障湖泊生態(tài)需水是恢復(fù)和維持區(qū)域及湖泊生態(tài)健康的一個關(guān)鍵措施[10].

岱海是我國半干旱地區(qū)重要的內(nèi)陸湖之一[11]，是候鳥遷徙途徑中一個重要的停歇地[12]. 自1970s以來，岱海出現(xiàn)湖面水位持續(xù)下降，湖面逐漸萎縮[13-14]，礦化度增大，湖水質(zhì)變差，生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞等現(xiàn)象. 對于岱海生態(tài)環(huán)境遭到破壞這一現(xiàn)狀，早期部分學(xué)者從湖泊沉積方向進(jìn)行研究，初步推斷岱海湖泊萎縮的一個重要原因是人類活動影響[15]；部分學(xué)者借助測年技術(shù)推斷歷史時期長時間過程中岱海水位波動的主要原因是氣候變化，20世紀(jì)末期的水位變化受人類不合理利用影響較大[16-17]；黃群等[18]通過水量平衡分析確定近年來導(dǎo)致岱海水位波動的主要因素已經(jīng)從氣候變化轉(zhuǎn)為人為影響；Chen[19]和Wang等[20]發(fā)現(xiàn)大量開采地下水是導(dǎo)致湖泊退化的主要原因；孫占東等[21]從水鹽平衡方面分析岱海環(huán)境變化，分析人類活動對其的影響效果. 近年來岱海湖面萎縮現(xiàn)象較為嚴(yán)重，岱海生態(tài)恢復(fù)與治理任務(wù)緊迫，對于岱海的研究更多的集中在水質(zhì)變化[11]、水量變化[14]、生物量變化[12]以及與環(huán)境的相互影響[13，22]上，就岱海維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需水質(zhì)水量合理變化范圍方面的研究較少. 岱海適宜生態(tài)需水范圍的確定不僅能為相關(guān)的補(bǔ)水工程提供科學(xué)依據(jù)及可操作性指導(dǎo)，并且也能作為相關(guān)生態(tài)環(huán)境評價的指標(biāo)，對湖泊健康狀態(tài)實(shí)施實(shí)時監(jiān)測. 國際上生態(tài)需水方面的研究多集中在河流濕地生態(tài)需水的研究上，湖泊生態(tài)需水方面的研究較少. 在湖泊生態(tài)需水方面，Tilley等[23]基于蝦水產(chǎn)養(yǎng)殖提出湖泊最低生態(tài)需水量方案；王明凈等[24]以滇池流域?yàn)槔龑⒑雍鷳B(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來構(gòu)建湖泊生態(tài)需水模型，研究湖泊生態(tài)用水規(guī)律. 何山等[25]以白洋淀為例對湖泊生態(tài)需水進(jìn)行不確定性分析. 湖泊生態(tài)需水量常見的研究方法主要有水量平衡法、換水周期法、最小水位法及功能法. 對于岱海而言，早期黃群等[18]借助水量平衡法對水位進(jìn)行分析研究；換水周期法對來水水量有一定要求，最小水位法需要確定湖泊敏感物種受水位變化的影響程度，功能法對生態(tài)各需水組分有一定的要求，這3種方法需要足夠的資料支撐，其應(yīng)用在資料較少的岱海存在一定的困難[26]. 相比而言，天然生態(tài)水深分析法、水深經(jīng)驗(yàn)頻率分析法和湖泊形態(tài)分析法在計算湖泊生態(tài)需水時對資料要求小于以上3種方法，故本文采取這3種方法對岱海生態(tài)需水進(jìn)行研究，分析生態(tài)需水和耗水有利于干旱區(qū)有限的水資源進(jìn)行合理的分配、保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的正常生長，為岱海修復(fù)和治理提供參考.

本研究采用遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)構(gòu)建1975-2020年長時間序列的高分辨率岱海湖泊水文情勢數(shù)據(jù)集，分析岱海多年水文情勢發(fā)展及變化趨勢；同時，結(jié)合多種生態(tài)需水方法尋找湖泊生態(tài)水深，構(gòu)建基于生態(tài)耗水的湖泊生態(tài)需水模型，確定岱海水面面積變化的關(guān)鍵水深，通過水深水量關(guān)系確定維持湖泊生態(tài)環(huán)境健康所需生態(tài)水量的變化范圍，為岱海治理和恢復(fù)提供參考.

1 研究區(qū)概況

岱海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)(40°32′～40°36′N，112°37′～112°45′E)，是半干旱地區(qū)向干旱地區(qū)過渡地帶的地塹型構(gòu)造湖[17]. 岱海長11 km左右，寬7.3 km左右，地勢較為平坦，湖形走向?yàn)镾WW-NEE，湖面海拔1225 m，地下水埋深較淺. 岱海年降水量400 mm左右[27]，年內(nèi)分布不均勻，年際變化大，氣候干旱，流域年均蒸發(fā)可達(dá)1938 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈[28]，屬于典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候[29]，75%的降雨集中在每年的6-9月. 近年來，水體污染嚴(yán)重，多項(xiàng)水質(zhì)因子存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象. 岱海周圍有22條季節(jié)性河流，主要的補(bǔ)給來源為降水和徑流，排泄以蒸散發(fā)和滲漏為主[30]. 周邊工農(nóng)業(yè)的興起，地下水的過量開采導(dǎo)致岱海湖面萎縮現(xiàn)象明顯[31]，水位波動較大，湖泊生態(tài)環(huán)境狀況堪憂.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)主要由3部分構(gòu)成，分別為遙感影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù)及水質(zhì)數(shù)據(jù). 其中，遙感數(shù)據(jù)主要為美國地質(zhì)調(diào)查局(https://glovis.usgs.gov/)的Landsat MSS、Landsat TM、Landsat ETM+和Landsat OLI的6-9月的影像數(shù)據(jù)，共計97景(表1)；數(shù)字高程數(shù)據(jù)選取ASTER GDEM數(shù)據(jù)；氣象觀測數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)(http://data.cma.cn)，主要為1981-2018年月均降水量；水質(zhì)數(shù)據(jù)主要為2000-2017年三蘇木、苜花、石門、五蘇木和白廟子站點(diǎn)(圖1)測量的相關(guān)岱海水質(zhì)數(shù)據(jù).

表1 遙感影像參數(shù)

圖1 研究區(qū)概況

2.2 研究方法

2.2.1 遙感圖像解譯 采用Landsat 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，選取研究區(qū)1975-2020年無云量遮擋的影像共97幅，對遙感影像預(yù)處理后再進(jìn)行自動解譯和目視解譯雙重處理，提取出岱海近45 a的湖泊面積，結(jié)合岱海ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)，借助ENVI通過直方圖調(diào)整排除其高程異常點(diǎn)的干擾，獲得湖心高程值，利用與湖面高程的差值來確定湖心處水深，統(tǒng)計出多年來岱海的水面面積，水深以及水量等水文數(shù)據(jù)資料. 其中，自動解譯采用2015年Fisher等[32]創(chuàng)建的水體指數(shù)——線性判別分析水體指數(shù)(WI2015)來提取本研究區(qū)水體信息.

WI2015=1.7204+171GREEN+3RED-70NIR-45SWIR1-71SWIR2

(1)

式中，WI2015為線性判別分析水體指數(shù)；GREEN為綠波段；RED為紅波段；NIR為近紅外波段；SWIR1為短波紅外1；SWIR2為短波紅外2.

2.2.2 經(jīng)驗(yàn)頻率分析方法 對降水和湖泊水深進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析，尋找多年降水、湖泊多年天然水深的分布規(guī)律，從而進(jìn)一步分析獲得岱海多年演變的規(guī)律. 通過皮爾遜Ⅲ型曲線(P-Ⅲ型曲線)更加直觀地觀測到研究區(qū)多年水文要素的分布規(guī)律. 將獲得的樣本數(shù)據(jù)作為樣本從大到小排序，獲得序列：x1，x2，x3， …，xm，xn(m

(2)

式中，P為經(jīng)驗(yàn)頻率；m為樣本序號；n為樣本總量.

2.2.3 適宜生態(tài)水深 通過天然生態(tài)水深分析法、水深經(jīng)驗(yàn)頻率分析法和湖泊形態(tài)分析法計算岱海生態(tài)水深值[34-36]. 依據(jù)生態(tài)環(huán)境健康全面發(fā)展的原則，選擇最大的水深值作為適宜的生態(tài)水深值，再結(jié)合水深水量關(guān)系進(jìn)一步推求出滿足岱海生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的生態(tài)需水量.

天然生態(tài)水深法[34]是基于湖泊自然演變過程可隨環(huán)境變化能自我調(diào)節(jié)的原則，多年最低水深是保障湖泊天然系統(tǒng)不產(chǎn)生嚴(yán)重衰退的基礎(chǔ). 通過對長時間序列的湖泊水深值進(jìn)行分析，選取多年最小值作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)不被破壞所能允許的最小生態(tài)需水量值.

水深經(jīng)驗(yàn)頻率分析法[35]是指對多年水深值進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析，借助皮爾遜Ⅲ型曲線尋找一定水深值發(fā)生的頻率，也可定義在一定發(fā)生頻率下的多年一遇的水深值. 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，生態(tài)需水即某一發(fā)生頻率下的水深值.

湖泊形態(tài)分析法是基于保障湖泊生態(tài)系統(tǒng)不退化，必須保障湖水子系統(tǒng)和地形子系統(tǒng)不產(chǎn)生嚴(yán)重退化的原理來確定湖泊生態(tài)水深[36]. 由于水文和地形存在一定的相關(guān)性，正常情況下一定水深對應(yīng)著一定的湖泊面積，但是由于地形的原因，湖泊水深與面積之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，即湖泊面積隨水深下降的減少量是不同的. 這種情況下，至少存在一個位置水深，在該水深處湖泊面積會因?yàn)樗畹淖兓l(fā)生急劇變化，若將生態(tài)水深設(shè)在該水深位置處，則表明湖泊生態(tài)服務(wù)功能會在該水深位置左右發(fā)生急劇的變化，該處位置即為湖泊的生態(tài)水深值.

2.2.4 生態(tài)需水評價方法 為保障湖泊健康發(fā)展，湖泊生態(tài)水深應(yīng)滿足各項(xiàng)要求，即選取3種計算方法中的最大水深為初始生態(tài)水深，把初始生態(tài)水深向兩個方向離散得到一系列的情景水深方案，作為岱海具有可操作性的生態(tài)水深方案(表2)；然后通過對岱海周圍環(huán)境變化的分析，確定受人為影響較小的自然狀態(tài)時段，將自然狀態(tài)下的水深作為方案評價中的基礎(chǔ)水深；采用修正全年偏差指數(shù)[37](amended annual proportional flow deviation，AAPFD)分別對不同情景水深方案與自然水深狀態(tài)的差異程度做出評價，尋找出岱海生態(tài)健康的適宜生態(tài)水深；通過與自然狀態(tài)下的水深進(jìn)行分析對比，實(shí)現(xiàn)對各個生態(tài)水深方案的評價；結(jié)合岱海歷年水量與水深之間的相關(guān)關(guān)系，得出能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)健康要求的一系列年內(nèi)生態(tài)需水量方案.AAPFD指數(shù)計算公式為：

表2 生態(tài)水深方案

(3)

AAPFD指數(shù)越大，說明生態(tài)系統(tǒng)受到的影響越大，生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況也越差. 但是AAPFD指數(shù)多為小數(shù)，觀察起來有一定的難度，故可通過水文指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析，這樣可以對湖泊的水文情況及生態(tài)情況有一個更加直觀明確的了解. 澳大利亞資源與環(huán)境部對AAPFD指數(shù)給定了一個相應(yīng)的健康程度得分值，這個水資源健康程度視為水文指數(shù)，當(dāng)水文指數(shù)大于0時，說明該分值的水質(zhì)健康狀況是可以接受的；水文指數(shù)越大，表明生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況越好；等于0即人為生態(tài)系統(tǒng)受損[38].AAPFD指數(shù)與水文指數(shù)之間的關(guān)系見表3所示.

表3 AAPFD指數(shù)與水文指數(shù)的關(guān)系

2.2.5 生態(tài)需水計算 生態(tài)需水量是一個動態(tài)變化的值，并非一個定值. 不同年份的補(bǔ)給量和排泄量各不相同，枯水年年內(nèi)降水量少，水量損失大，生態(tài)需水量就較大；豐水年反之，生態(tài)需水量較小. 岱海生態(tài)需水量包括兩個部分，一部分為初始生態(tài)水深和目標(biāo)生態(tài)水深之間的差值，另一部分為湖泊的月水量損失量(蒸散發(fā)、滲漏等)扣除降水補(bǔ)給后的凈損失量. 湖泊凈損失量的計算考慮降水補(bǔ)給的影響，可將無降水年的月湖水深統(tǒng)一概化為規(guī)劃年的無降水影響的各月水深值，借助水深差值可以確定各月降水量對湖水量的影響，方便對岱海月水量凈損失量的計算；本次研究選取歷史上多年一遇的最大干旱年視為無降水年，利用干旱年的水深與規(guī)劃年的水深之間的差值確定降水對湖水量的影響，結(jié)合月初始生態(tài)水深和目標(biāo)生態(tài)水深之間的差值，即消耗水深，借助公式(4)進(jìn)行岱海的生態(tài)需水量的計算.

Qi=2f(hi)-f(hi-hhi)-f(h0i)

(4)

其中，Qi為第i月生態(tài)需水量；hi為第i月生態(tài)水深；hhi為最大干旱年第i月生態(tài)水深；h0i為第i月月初水深；f為水量-水深關(guān)系.

3 結(jié)果分析

3.1 岱海流域多年降水變化趨勢

選取距離岱海最近的涼城站1981-2018年的水文氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定多年降水均值，分析降水變化率的變化趨勢，見圖2a；對1981-2018年月降水量進(jìn)行分析，確定年內(nèi)降水分布規(guī)律，見圖2b；對多年降水進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析，繪制P-Ⅲ型經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，見圖2c.

圖2 降水變化趨勢：(a) 1981-2018年降水量及其變化率；(b) 多年月降水量變化；(c) 降水經(jīng)驗(yàn)頻率分析)

1981-2018多年平均降水量為403.98 mm，1981-2018有16 a年降水量超過均值，有14 a年降水量低于350 mm，多年變化幅度較大，降水年際分布不均勻；1981-2018年月均降水年內(nèi)大降水值多集中在6-9月，年內(nèi)小降水值多集中在1-3月，降水年內(nèi)分布極度不均勻，且差異較大. 由于降水是岱海的主要補(bǔ)給源，岱海豐水期和枯水期受降水影響較大，故選取6-9月為岱海豐水期，10月-次年5月為岱?？菟?；以1981-2018年年均降水作樣本，做降水經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，由圖2c可知，P=99%和P=90%時對應(yīng)的降水量分別為223和285 mm，即百年一遇枯水年年均降水量為223 mm，10年一遇枯水年年均降水量為285 mm，結(jié)合降水資料可知2011年年降水量為264.4 mm，2016年年降水量為269.9 mm和1986年年均降水量為270 mm，1997年年均降水量為275.6 mm，均為超過10年一遇的干旱年.

3.2 湖泊面積及水質(zhì)變化趨勢

3.2.1 湖泊面積變化趨勢 通過對遙感影像的分析及處理，獲得岱海1975-2020年湖泊面積、水量和水深等相關(guān)水文數(shù)據(jù). 由于高程數(shù)據(jù)的精度有限，提取數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)不合實(shí)際的異常值，故借助ENVI做了直方圖調(diào)整，通過將直方圖統(tǒng)計單元亮度值中高頻率的數(shù)值減去一個偏置量來減少誤差，將其作為湖泊湖面高程，湖面與湖底高程之間的差值即為水深. 結(jié)合野外實(shí)測的岱海水深2018年為7.39 m和2019年為6.6 m進(jìn)行驗(yàn)證，選取占比0.5%的值作為偏置量時計算得水深與實(shí)測值誤差值在±1.1%之間，擬合度較好，在ArcGIS中計算每年岱海的水量值和面積值，從而獲得岱海多年水深、水量和湖泊面積等相關(guān)水文數(shù)據(jù). 對1975-2020年岱海水面面積分析，擬合面積多年變化曲線并分析面積變化率變化趨勢，見圖3a；選取2000-2003年岱海月面積進(jìn)行分析，見圖3b.

圖3 岱海面積變化：(a) 1975-2020年岱海面積變化趨勢；(b) 2000-2003年岱海月面積變化趨勢

1975-2020年，岱海的水面面積約以2.3 km2/a的速率下降，45年內(nèi)湖泊面積從151.24 km2逐漸萎縮到49.1 km2，共減少了102.14 km2，減幅為67.54%，湖面呈顯著性萎縮趨勢(P≤0.01)，若不采取相應(yīng)治理措施，預(yù)計20 a后岱海將完全干涸；統(tǒng)計年中岱海湖泊面積有增大的表現(xiàn)，如1977、1995和2002-2004年岱海面積就較上年增大. 統(tǒng)計年中岱海湖面積下降速率有所不同，1983-1984年的下降速率最大，為6.11 km2/a，2004年以后湖泊面積表現(xiàn)為逐年下降，尤其以2008-2009年下降速率最快，達(dá)到3.8 km2/a. 近10 a來，岱海的湖泊面積整體上雖然仍在下降，但是下降速率在減少，尤其是2012-2013年和2017-2018年下降速率減緩趨勢相當(dāng)明顯. 結(jié)合降水資料可知，2012-2013年是降水量較大的豐水年，湖泊面積下降速率減緩可能與降水補(bǔ)給有較強(qiáng)的相關(guān)性，但是2017-2018年并非豐水年，湖泊面積下降速率有所減緩，這與當(dāng)?shù)卣?016年開始人為干預(yù)治理湖泊濕地有著不可分割的關(guān)系；湖面面積年內(nèi)波動較大，總體上呈現(xiàn)年初面積大于年末，豐水期(6-9月)水面面積值較大；2000和2002年面積年內(nèi)起伏較為平緩，6-9月岱海水面均表現(xiàn)為年內(nèi)較大的面積值；2001年則從4月起湖面面積表現(xiàn)為急劇下降；2003年7-10月面積表現(xiàn)為急增；依據(jù)岱海地區(qū)氣象數(shù)據(jù)可知岱海年降水量多集中在6-9月，2001和2003年分別是多年一遇的枯水年和豐水年，所以不同頻率降水年岱海湖面面積年內(nèi)變化受降水影響非常明顯，尤其在夏、秋季面積變化更顯著.

3.2.2 湖泊水質(zhì)變化趨勢 整理2000-2017年岱海6-9月豐水期各站點(diǎn)水質(zhì)因子(CODMn、BOD5、TP)平均值變化規(guī)律，以及各項(xiàng)水質(zhì)因子與水深之間的相關(guān)關(guān)系，見圖4.

圖4 岱海水質(zhì)因子變化：(a) CODMn變化趨勢；(b) BOD5變化趨勢；(c) TP變化趨勢；(d) 水深與CODMn的相關(guān)關(guān)系；(e) 水深與BOD5的相關(guān)關(guān)系；(f) 水深與TP的相關(guān)關(guān)系

2000-2017年，岱海水質(zhì)整體上呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，CODMn、BOD5和TP整體呈現(xiàn)上升趨勢；CODMn變化范圍為6.16～16.19 mg/L，多年平均值為10.9 mg/L，為地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是2012-2015年岱海CODMn為地表水劣V類標(biāo)準(zhǔn)；BOD5變化范圍為1.02～9.15 mg/L，多年平均值為3.95 mg/L，為地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是2012年以來岱海BOD5為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；TP變化范圍為0.005～0.404 mg/L，多年平均值為0.093 mg/L，為地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是2012年以來岱海TP為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2015和2017年達(dá)到地表水劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)合相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，2012-2013年降水量較大，湖泊周邊農(nóng)田施用的農(nóng)藥、化肥以及禽畜養(yǎng)殖排放廢水，營養(yǎng)物質(zhì)及污染物隨雨水大量沖刷流入湖內(nèi)，可能導(dǎo)致湖內(nèi)CODMn、BOD5和TP濃度發(fā)生大幅度上升現(xiàn)象.

3.3 岱海生態(tài)需水

3.3.1 生態(tài)水深的確定 岱海天然生態(tài)水深通過對岱海歷史資料進(jìn)行分析研究，在1980s之前，浮游植物種類最多38屬，數(shù)量較多，浮游動物生物量也較多，挺水植物生長旺盛，魚類組成復(fù)雜[39]. 結(jié)合提取的岱海多年水文要素的多年變化，1980s湖泊水面面積約140 km2，水深14 m，水量較多，水源充足，生態(tài)結(jié)構(gòu)較為合理，接近天然狀態(tài). 結(jié)合遙感提取數(shù)據(jù)，選擇已有的且人為影響較小的1975-2005年共30 a水深資料進(jìn)行分析，統(tǒng)計多年最低水深. 經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，已有數(shù)據(jù)中岱海天然狀態(tài)下的最低水深為8.95 m，出現(xiàn)時間在2003年3月，當(dāng)時的湖泊面積為78.54 km2，所以選擇8.95 m為岱海天然最低生態(tài)水深. 基于經(jīng)驗(yàn)頻率的岱海生態(tài)水深，對1975-2005年的岱海水深數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析，通過計算各水深樣本的經(jīng)驗(yàn)頻率，用實(shí)際的水深數(shù)據(jù)擬合理論頻率曲線，然后借助理論頻率公式向兩側(cè)外推，繪制皮爾遜Ⅲ型曲線(P-Ⅲ型曲線)(圖5). 由經(jīng)驗(yàn)頻率曲線可以直觀明了地觀察到不同頻率狀態(tài)下的水深值. 可以定義一定頻率下的水深為最低生態(tài)水深，結(jié)合常見的經(jīng)驗(yàn)頻率分析，本次研究選取經(jīng)驗(yàn)頻率為90%的水深作為岱海的最低生態(tài)水深，由經(jīng)驗(yàn)頻率曲線分析發(fā)現(xiàn)90%時對應(yīng)的水深為9.03 m，對應(yīng)的湖泊面積約為79 km2.

圖5 水深經(jīng)驗(yàn)頻率曲線

基于湖泊形態(tài)分析的岱海生態(tài)水深，湖泊面積是由地形和水文條件共同決定的，與湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康有著很大的相關(guān)性，所以湖泊面積是濕地生態(tài)系統(tǒng)研究的重要指標(biāo). 對岱海湖泊水量水深進(jìn)行分析研究(圖6a)，確定其水量水深關(guān)系，見公式(5)；對岱海面積水深進(jìn)行分析(圖6b)；由面積水深關(guān)系推算岱海水面面積隨水深變化的變化率，做水面面積變化率曲線(圖6c). 由水面面積變化率曲線可知，水面面積變化率最大值對應(yīng)的水深分別為10.90和11.75 m，故這兩個水深是岱海水面面積變化的關(guān)鍵水深.

圖6 岱海水深與水量(a)、面積(b)以及水面面積變化率(c)的關(guān)系

y=1.33-0.39x+0.11x2(R2=0.997)

(5)

3.3.2 岱海適宜的生態(tài)水深方案及評價 對比天然生態(tài)水深、水深經(jīng)驗(yàn)頻率分析和湖泊形態(tài)分析3種方法，為滿足湖泊各項(xiàng)指標(biāo)要求，選擇最大水深作為生態(tài)水深，即將10.9 m作為岱海枯水期生態(tài)水深，11.75 m作為豐水期生態(tài)水深，構(gòu)建初始生態(tài)水深方案，即方案4. 再將方案4分別向兩個方向擴(kuò)散，構(gòu)建方案1～7共7個具有可操作性的生態(tài)水深方案(表4). 方案1～7分別為方案4的1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8和0.7倍. 通過對關(guān)鍵水深的離散，對引起岱海湖面面積發(fā)生突變的水深進(jìn)行細(xì)化研究，確定更為詳細(xì)的生態(tài)水深. 岱海湖周圍人為水量影響最大的是岱海電廠，岱海電廠是2005年10月投產(chǎn)發(fā)電的，故選取2000-2003年為自然年，對生態(tài)水深各個方案進(jìn)行評估.

表4 各生態(tài)水深方案及方案評價

由各方案的評價可知，方案5和方案6的水文指數(shù)為8，相鄰的方案4和方案7的水文指數(shù)為6，故而在方案4和方案5之間、方案6和方案7之間依據(jù)上述方法進(jìn)一步離散，發(fā)現(xiàn)當(dāng)方案設(shè)定為0.8Hi和0.91Hi時AAPFD指數(shù)首次表現(xiàn)為8，結(jié)合AAPFD指數(shù)意義確定岱海適宜生態(tài)水深為這兩個方案所包括的水深范圍，即枯水期(10月-次年5月)為8.72～9.92 m，豐水期(6-9月)為9.40～10.69 m.

3.3.3 岱海生態(tài)需水量 生態(tài)耗水是通過蒸散和滲漏消耗掉的水分，是生態(tài)需水的一部分. 分析湖泊生態(tài)需水量要排除降水對湖泊水量的影響，分析湖泊耗水情況確定滿足湖泊正常演變的生態(tài)需水量. 將降水量對湖泊水量的影響轉(zhuǎn)化為降水對湖泊水深的影響. 選取20年一遇的枯水年(2011年)為最大干旱年，對水量損失進(jìn)行概化處理，將各月水量凈損失轉(zhuǎn)化為損失深度進(jìn)行計算，再利用公式(4)進(jìn)行計算，得出自然狀態(tài)下岱海生態(tài)需水量(表5). 通過計算得出自然狀態(tài)下，枯水期岱海適宜水深表現(xiàn)為8.72～9.92 m，豐水期為9.40～10.69 m，年均生態(tài)水深為8.95～10.18 m；枯水期適宜生態(tài)需水量表現(xiàn)為3.97億～6.96億m3，豐水期為6.10億～9.64億m3，年均生態(tài)需水量為5.62億～7.71億m3. 若考慮岱海不發(fā)生極端天氣和污染等方面的變化，按照以往的發(fā)展變化規(guī)律，結(jié)合圖4d～f中的水深與各項(xiàng)水質(zhì)因子的對應(yīng)關(guān)系，預(yù)計滿足湖泊生態(tài)需水量要求時，對應(yīng)適宜水深可以發(fā)現(xiàn)CODMn可達(dá)到7.45～10.16 mg/L，為地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)，BOD5達(dá)到1.04～3.33 mg/L，為地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP達(dá)到0.015～0.075 mg/L，為地表水IV類水標(biāo)準(zhǔn). 由水質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)，若不進(jìn)行人為水質(zhì)修復(fù)，達(dá)到生態(tài)需水要求時岱海水質(zhì)狀況會有一定程度的改善，但是依舊達(dá)不到湖泊健康發(fā)展的水質(zhì)需求. 水質(zhì)變化不僅與水量相關(guān)，與研究區(qū)人類活動也有緊密的聯(lián)系. 為了岱海更好地修復(fù)與治理，未來生態(tài)需水保障機(jī)制不僅需要滿足岱海水量要求，還要在水質(zhì)方面保持更多的重視.

表5 自然狀態(tài)下岱海適宜水深及生態(tài)需水量

4 結(jié)論

本研究借助遙感圖像數(shù)據(jù)及降水?dāng)?shù)據(jù)，采用生態(tài)耗水與形態(tài)分析相結(jié)合的方式計算湖泊生態(tài)需水，借助水文指數(shù)與修正全年偏差指數(shù)共同評價選擇最優(yōu)需水方案，較單一的生態(tài)需水方案更加合理，避免了傳統(tǒng)生態(tài)需水計算方法可操作性差的缺點(diǎn). 本研究探尋自然狀態(tài)下的岱海湖泊適宜水深和生態(tài)需水范圍，分析岱海湖泊水文要素多年變化規(guī)律，預(yù)測未來發(fā)展趨勢，結(jié)論如下：

1975-2020年，岱海湖泊面積呈顯著下降趨勢(P≤0.01)，湖泊面積共減少102.14 km2，減幅為67.54%，面積下降速率為2.3 km2/a，若以此速率繼續(xù)發(fā)展下去，預(yù)計20 a后岱海將徹底干涸；從整體上看，岱海湖泊水面面積多年來呈現(xiàn)下降趨勢，但從2000年開始，岱海面積變化率較之前的變化率有所減少，2016年以后湖泊變化幅度更小；通過構(gòu)建基于生態(tài)耗水和形態(tài)分析的湖泊生態(tài)需水模型，尋找出枯水期(10月-次年5月)和豐水期(6-9月)岱海水面面積變化關(guān)鍵水深分別為8.72～9.92 m和9.40～10.69 m，年均生態(tài)水深為8.95～10.18 m. 自然年狀態(tài)下枯水期岱海適宜生態(tài)需水量表現(xiàn)為3.97億～6.96億m3，豐水期為6.10億～9.64億m3，年均生態(tài)需水量為5.62億～7.71億m3. 不考慮增加污染源，預(yù)計滿足湖泊生態(tài)需水量要求時，CODMn可達(dá)到地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，BOD5達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境狀況會得到一定程度的改善.

5 附錄

附表Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2022.0117)．