2022, Vol. 34 
(2: 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210098)
(3: 黄河水利科学研究院，郑州 450003)
(4: 江苏省水利厅, 水土保持生态环境监测总站, 南京 210029)
(2: State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210098, P.R.China)
(3: Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, P.R.China)
(4: Soil and Water Conservation Ecological Environment Monitoring Station, Water Resources Department of Jiangsu Province, Nanjing 210029, P.R.China)
湖泊作为重要的国土资源，具有调节径流、发展灌溉、提供水源、沟通航运以及改善区域生态环境等多种功能，在社会、经济、生态方面有着不可取代的地位[1]. 我国湖泊众多，面积在1 km2以上的自然湖泊就有2693个，其总面积达8.14×104 km2[2]. 随着全球变暖和社会经济的快速发展，国内众多湖泊出现了面积萎缩、水质恶化、生态退化等问题[3-7]，而水位是反映湖泊水文情势和湖泊规划管理的重要指标，其时空变化过程会对湖泊生态系统产生深远的影响，是解决上述问题的关键所在[8]. 因此，科学地研究湖泊生态水文需求，综合量化湖泊生态水位，对于维持湖泊生态功能，保证湖区生态系统健康可持续发展有着重要的意义.
目前关于湖泊生态水位的研究分为两个方面：最小生态水位和适宜生态水位. 最小生态水位是满足湖泊生态系统基本需求的水位红线，常见计算方法有湖泊形态分析法、生物最小空间需求法、年保证率法和最低年平均水位法等[9-13]. 最小生态水位往往可在短时期内保护湖泊生态系统功能和结构不受到严重破坏，但长期地维持会导致湖泊流域生态系统退化甚至崩溃[14]，并且最小生态水位多为一固定的水文特征值，难以反映湖泊系统在不同时间节点对水位的要求. 因此，确定维持生态系统可持续健康发展的适宜生态水位成为了湖泊生态系统研究的新热点. 相较于湖泊生态水位研究，河流生态流量研究起步较早，其中水文变化指标法(indicators of hydrological alteration)是较具有代表性的水文变化评估体系[15]. 淦峰等借鉴IHA指标体系和RVA法(range of variability approach)，研究了长时间序列湖泊天然水位变化过程，构建了包括高低水位阈值、发生时间、持续时间和水位变化率等在内的生态水位指标体系，提出了旨在通过恢复天然水位情势来增强湖泊水质、生态多样性的适宜生态水位计算方法——IHA-RVA法[16]. 之后，国内学者针对IHA-RVA法在湖泊适宜生态水位的应用上进行了一系列深入研究[17-18]. 但IHA-RVA法侧重于还原历史资料中的天然水位情势，展现人类干预较少情况下湖泊生态系统对于水量的需求. 大型过水型湖泊往往承担着防洪、供水、航运等多种功能，人类活动对其影响显著[19]. 众多研究表明，我国大型过水型湖泊的生态环境均已经发生了较大改变，污染负荷增加使水质状况出现了不同程度的恶化[20-22]. 重金属富集、蓝藻暴发等污染现象时有发生，破坏了湖泊生态系统健康的可持续发展[23-24]. 因此，仅依靠IHA-RVA方法计算的适宜生态水位难以全面地反映生物群落健康发展对生存环境的需求，有必要将水质因素纳入过水型湖泊适宜生态水位推求的考虑范围. 目前，国内学者针对过水型湖泊水位-水质相关性开展了大量研究[25-26]，但考虑过水型湖泊水质需求的适宜生态水位研究还较为少见，管理部门多使用最小生态水位作为过水型湖泊的生态需水指标. 同时过水型湖泊出入湖水量大的特点，也使现有水质调控的一些成熟经验(如特定时期增加入湖水量改善湖区水质等)的实践应用效果不佳[27-29]. 因此，开展基于水位-水质二元响应关系的适宜生态水位研究是一项具有重要实践应用价值的课题.
本文针对过水型湖泊吞吐性强、水位调控可以有效改变换水周期的特点，提出了一种基于水位-水质的二元响应关系，恢复湖泊天然水位情势的适宜生态水位计算方法. 以大型过水型湖泊——洪泽湖为例，首先采用IHA-RVA方法分析其天然水位情势，计算生物群落对于生存空间的需求；再从滞留污染物总量、纳污能力和水位-水质经验公式三方面量化水位与水质的相关关系；最后基于水位-水质响应关系修正天然水位情势，获取可以平衡湖泊自净能力和污染物滞留比例，满足湖泊生态系统对水体大小和水质环境两方面需求的适宜生态水位，为洪泽湖生态保护、水资源管理提供相关借鉴.
1 研究区与数据 1.1 流域概况洪泽湖地处淮河中下游结合部，汇水面积达15.8 km2，是中国第四大淡水湖. 作为过水型湖泊，洪泽湖吞吐性强，换水周期短. 自1990s以来，洪泽湖污染逐渐严重，水质恶化，近年来虽有好转，但仍处于轻度富营养化状态. 目前，洪泽湖水质多为劣Ⅴ类，总氮是主要污染物，不考虑总氮的情况下，洪泽湖水质可达III类标准[30]. 洪泽湖水体主要依靠地表径流补给，其主要入湖河流为淮河、新汴河、怀洪新河、池河、新濉河、老濉河和徐洪河，主要出湖河流为入江水道、苏北灌溉总渠和入海水道. 其中淮河是洪泽湖水量的主要来源，也是入湖总氮的主要来源. 洪泽湖地理位置及出入湖河流和水质监测点分布如图 1所示.
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图 1 洪泽湖及出入湖河流的地理位置和水质监测点分布 Fig.1 Location of Lake Hongze and its rivers and water quality monitoring sites |
本文涉及的水文数据有1988—2018年蒋坝站逐日水位数据和2003—2014年洪泽湖主要入湖河道(淮河、新汴河、怀洪新河、池河、新濉河、老濉河和徐洪河)和出湖河道(入江水道、苏北灌溉总渠和入海水道)的逐日流量数据. 根据《淮安市水资源公报》，它们分别约占总入湖水资源量和总出湖水资源量的95 % 和88 %. 水质数据有2013—2018年湖区15个水质监测点的逐月总氮监测数据和主要入湖河道(淮河、新汴河、怀洪新河、池河、新濉河、老濉河和徐洪河)逐月入湖总氮浓度数据. 文中水文数据来自淮河水文年鉴，水位采用废黄河高程，水质数据来自江苏省环境检测中心.
2 研究方法 2.1 基于IHA-RVA法初步计算湖泊适宜生态水位适宜湖泊生态水位应当为生物群落提供充足的生存空间，满足生物发育、繁衍等活动对水量的需求，保证生物群落的结构稳定. 在河流生态流量研究中，IHA法是具有代表性的水文变化评估体系，其基于长时间序列的水文数据，从流量、频率、发生时间、历时和变化速率5个方面33个流量指标系统地评价河流水文情势[31-32]. 其中大多数研究选取IHA指标发生频率为25 % 和75 % 的值为RVA阈值，以确定适宜流量的变动范围，维持河流生态系统的健康[16]. 但目前的湖泊适宜生态水位研究并没有形成统一的评价体系，因此本文借鉴IHA指标体系和RVA阈值法计算洪泽湖天然水位情势，基于洪泽湖多年逐日水位数据，采用月平均水位(Zave, i, i=1~12, m)和五日平均日水位变化率(ΔZj, j=1~365, m)作为适宜生态水位计算指标，选取各指标发生频率为25 % 和75 % 的值作为RVA阈值，初步确定不同时期湖泊生态系统对于湖泊水体大小与水位变化速率的需求.
2.2 湖泊水位-水质反馈关系的量化分析过水型湖泊吞吐性强的特点加剧了水位调控对污染物滞留比例的影响，使水位与水质的相关性更加显著. 但其年内水位变动剧烈，不仅容易削弱生态系统稳定性和自净能力，当入湖污染负荷较重时，也容易造成水质恶化. 因此，本文从历史经验关系、逐月水位变化率和纳污能力3个角度出发，分别量化过水型湖泊水位-水质反馈关系，以期得到减少湖体污染物浓度、改善湖泊水质的水位区间过程. 根据以往研究成果，总氮是洪泽湖水质的决定性因素，且近年来浓度较为稳定[30]，因此本文采用总氮浓度作为洪泽湖水质指标，以Ⅴ类水质为目标进行研究.
2.2.1 分阶段绘制湖泊水位-水质关系图湖泊水位-水质响应关系的分析量化结果可以对适宜生态水位进行科学的调整. 但湖泊水质影响因素众多、彼此之间关系复杂，以全年为时间尺度进行水位-水质关系的分析可能会导致相关性不够明显. 因此，本文基于多年平均数据，从水文因素变化趋势(水位、入湖水量)和入湖污染物负荷变化趋势(入湖总氮浓度、入湖总氮总量)两个方面对水位-水质反馈关系进行年内分期；再在每个时段内绘制洪泽湖水位-水质站点达标比例散点图；最后依据历史数据拟合经验公式，计算满足Ⅴ类水质目标要求的适宜生态水位取值范围.
2.2.2 计算湖区逐月水位变化率湖区水位变化率反映了湖泊出入湖水量差值的变动，对湖泊的污染物总量有直接影响. 大量蓄滞入湖径流可以提升湖泊自净能力，然而当入湖河流水质较差时，反而会造成湖区水质快速下降；同样，防洪泄水可以降低污染物滞留比例，但是泄水过快会削弱湖泊生态系统稳定性和自净能力. 为避免水位剧烈变化导致水质恶化，本文选用发生频率为75 % 和25 % 的多年月水位变化率作为逐月水位变化率的阈值，计算公式为：
| $ {\rm{\Delta }}HZ_i^\prime = {P_{75{\rm{\% }}}}\left( {{\rm{\Delta }}Z'} \right) $ | (1) |
| $ {\rm{\Delta }}LZ_i^\prime = {P_{25{\rm{\% }}}}\left( {{\rm{\Delta }}Z'} \right) $ | (2) |
式中，ΔHZ′i和ΔLZ′i分别为湖泊逐月水位变化率的上限和下限，m/月；P75 % (ΔZ′)和P25%(ΔZ′)为75 % 和25 % 发生频率的湖泊多年月水位变化率，m/月.
2.2.3 计算湖区纳污能力纳污能力是指在区域最大自净能力下，环境所能容纳的污染物的最大量，湖泊的纳污能力随其水位上升而增强. 适宜生态水位下，湖泊的纳污能力应大于输入的污染物量，将水质长期维持在可接受范围内. 本文根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173—2010)，选取Dillon模型计算洪泽湖主要污染物总氮的纳污能力，并基于多年月平均出湖水量和入湖污染物计算适宜生态水位下限. 该模型计算公式为：
| $ W = {10^{ - 6}} \cdot \frac{{{\rho _{\rm{s}}}Z{Q_{\rm{a}}}A}}{{\left( {1 - {R_{\rm{p}}}} \right)V}} $ | (3) |
| $ {R_{\rm{p}}} = 0.426{{\rm{e}}^{ - 0.271\frac{{{Q_{\rm{a}}}}}{v}}} + 0.547{{\rm{e}}^{ - 0.00949\frac{{{Q_{\rm{a}}}}}{v}}} $ | (4) |
| $ {Q_{\rm{a}}} = Q \times 12/n $ | (5) |
式中，W为湖泊中总氮的纳污能力，t/a；ρs为总氮控制目标浓度，mg/L；Z为湖泊平均深度，m；Qa为年出湖水量，m3；A为湖泊面积，m2；V为湖泊库容，m3；Rp为总氮在湖泊中的滞留系数，a-1；Q为时期内出湖水量，m3；n为时期内月数.
2.3 适宜生态水位阈值修正过水型湖泊水位变动趋势随季节变化较为显著，不同时期内水位变化情势对水质的影响差别较大. 因此本文将湖泊水位变动趋势分为下降趋势、波动趋势和上涨趋势3类，并采用相应的修正策略对适宜生态水位进行调整. 波动趋势多出现于非汛期，出入湖水量较小，水位在较小的范围内波动，此类水位变化趋势对水质的负面影响主要体现在入湖污染物的滞留比例过高和纳污能力不足两方面. 因此应以水质调控水位直接替换不符合水质需求的适宜生态水位阈值(图 2a)，基于水位-水质响应关系对于波动趋势IHA-RVA计算结果进行逐月水位阈值修正的计算公式为：
| $ HZ_i^\prime = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {H{Z_{{\rm{wq}}}}}&{H{Z_i} > H{Z_{{\rm{wq}}}}}\\ {H{Z_i}}&{H{Z_i} \le H{Z_{{\rm{wq}}}}} \end{array}} \right. $ | (6) |
| $ LZ_i^\prime = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {L{Z_{{\rm{wq}}}}}&{L{Z_i} < L{Z_{{\rm{wq}}}}}\\ {L{Z_i}}&{L{Z_i} \ge L{Z_{{\rm{wq}}}}} \end{array}} \right. $ | (7) |
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图 2 适宜生态水位修正方法示意图 Fig.2 Schematic diagram of suitable ecological water level correction method |
式中，HZ′i为修正后波动期第i月适宜生态水位上限，m；LZ′i为修正后波动期第i月适宜生态水位下限，m；HZwq为水质调控水位上限，m；LZwq为水质调控下限，m；HZi为修正前波动期第i月适宜生态水位上限，m；LZi为修正前波动期第i月适宜生态水位下限，m.
下降趋势多由汛前泄水增加防汛库容导致，出湖水量较大，水位快速下降，此类水位变化趋势对于水质的负面影响主要体现在湖底冲刷加强和岸边生态系统稳定性降低两方面；持续的上涨趋势多由雨季降水或汛后蓄水需求导致，入湖水量较大，水位抬升速率较快，此类水位变化趋势对于水质的负面影响主要体现在蓄水过程导致入湖污染物总量和滞留比例增加两方面. 因此，对这两类水位变化趋势应根据式(6)~(7)，通过水质调控水位限制水位总变动幅度，再按天然水位情势和纳污能力分配水位变动过程(图 2b，2c). 水位变动过程分配的计算公式为：
| $ HZ_k^\prime = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\frac{{\left( {H{Z_k} - H{Z_0}} \right)}}{{\left( {H{Z_j} - H{Z_0}} \right)}}\left( {H{Z_{\rm{r}}} - H{Z_0}} \right) + H{Z_0}}&{H{Z_j} > H{Z_{{\rm{wq}}}}}\\ {H{Z_i}}&{H{Z_j} \le H{Z_{{\rm{wq}}}}} \end{array}} \right. $ | (8) |
| $ LZ_k^\prime = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {L{Z_i}}&{L{Z_j} > L{Z_{{\rm{wq}}}}}\\ {\max \left\{ {\frac{{\left( {L{Z_k} - L{Z_0}} \right)}}{{\left( {L{Z_j} - L{Z_0}} \right)}}\left( {L{Z_{\rm{r}}} - L{Z_0}} \right) + L{Z_0}, L{Z_{\rm{p}}}} \right\}}&{L{Z_j} \le L{Z_{{\rm{wq}}}}} \end{array}} \right. $ | (9) |
式中，HZ′k为修正后第k月适宜生态水位上限，m；LZ′k为修正后第k月适宜生态水位下限，m；LZk为修正前第k月适宜生态水位上限，m；HZ0为修正前第k月适宜生态水位下限，m；LZ0为水位变动前一月修正后适宜生态水位上限，m；LZp为水位变动前一月修正后适宜生态水位下限，m；LZr为基于水位水质经验关系计算出的水位上限，m；LZp为基于水位水质经验关系计算出的水位下限，m；j为基于纳污能力计算出的水位下限，m；j为水位变化期间总月数；k=1，2，…，j-1.
3 结果和分析 3.1 IHA-RVA法初步计算洪泽湖适宜生态水位分析1988—2018年洪泽湖水位并没有发生较为明显的突变[33]，基于IHA-RVA计算得出的适宜生态水位阈值和适宜逐日水位变动率分别见图 3a和3b. 非汛期洪泽湖水位变化幅度较小，汛期洪泽湖水位呈现先降后升的趋势(图 3a)；洪泽湖的大幅度水位变动主要发生在5—8月，其中5—6月呈下降趋势而7—8月呈上升趋势，年内其余时段的水位波动幅度较小(图 3b). 洪泽湖适宜逐月水位变化范围为12.92~13.31、12.79~13.31、12.84~13.36、12.86~13.38、12.71~13.2、12.11~12.81、11.97~12.93、12.50~13.07、12.65~13.26、12.65~13.26、12.58~13.29、12.58~13.29、12.68~13.35、12.78~13.41 m；适宜逐日水位变化率为-0.06~0.05 m. 适宜生态水位区间范围与五日平均水位变化率区间范围具有较强的相关关系，两者的最小区间范围和最大区间范围分别出现在1—4月和6—7月.
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图 3 IHA-RVA法计算结果 Fig.3 Results of IHA-RVA method |
洪泽湖多年月平均水位变化范围为12.05~13.14 m(图 4a). 受人为调控影响，洪泽湖水位呈现出反季相水位变化趋势，入湖、出湖水量在汛期达到峰值，而水位却达到谷值. 多年逐月入湖水量和出湖水量在5—10月差距较大，其余时期较为接近. 多年逐月入湖水量变化范围为8.0亿~86.5亿m3，全年可分为3个水量变化时期：1—6月洪泽湖入湖水量较少，总体呈波动趋势；7月入湖水量达到峰值，随后8—9月呈下降趋势，但总量较大，7—9月入湖水量占全年入湖水量的65.9 %；10—12月入湖水量大幅下降，12月的入湖水量不足10月的一半. 按五日水位变化率全年可以分为4个时期：1—4月洪泽湖水位在13~13.14 m之间小幅波动；5—6月由于汛期的防汛需求，洪泽湖水位迅速下降；7月后随着汛期来水湖泊水位迅速上涨；汛期结束后，10—12月水位缓慢抬升(图 4b). 洪泽湖入湖水量和水位的关系为时间序列循环曲线，可被分为4个具有明显特征的阶段(图 4c).
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图 4 洪泽湖水文因素逐月变化趋势 Fig.4 Monthly variation of hydrological factors in Lake Hongze |
2013—2018年洪泽湖湖区年内水质变化趋势比较统一，水质站点达标平均比例年内变化如图 5a所示. 按水质站点达标比例可将洪泽湖年内水质变化分为4个时期：1—3月洪泽湖水质站点达标比例稳定在50 % 左右；4—6月水质站点达标比例出现了小幅增长；7—9月洪泽湖大面积湖区水质先恶化至Ⅴ类以下，然后出现了明显反弹，水质达到全年最佳水平；10—12月，水质又逐渐变差. 根据入湖总氮浓度和入湖总氮总量，可将洪泽湖污染负荷年内变化分为4个时期(图 5b). 洪泽湖逐月平均总氮入湖浓度范围为1.96~3.75 mg/L，年内变化为：1—4月浓度在3.37~3.75 mg/L之间波动；5—6月浓度呈小幅下降趋势；7—9月由于汛期入湖水量迅速增加，造成总氮浓度大幅下降，9月仅为1.75 mg/L；10—12月总氮浓度出现大幅反弹. 总体而言，洪泽湖各入湖河道总氮浓度严重超标，多数月份浓度远高于湖泊Ⅴ类水质标准，即2 mg/L. 洪泽湖多年月平均总氮入湖总量变化范围为3170.44~12301.92 t，汛期入湖量远大于非汛期，年内变化趋势以7月为界主要呈现单峰变化，先增后减，10月出现小幅反弹.
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图 5 洪泽湖水质因素逐月变化趋势 Fig.5 Monthly changes in water quality factors in Lake Hongze |
基于洪泽湖水文情势和总氮负荷年内变化趋势(表 1)，本文将全年分为4个时期：平水期(1—4月)、泄水期(5—6月)、蓄水前期(7—9月)和蓄水后期(10—12月)，分别进行水位-水质反馈关系的量化.
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表 1 洪泽湖水文因素和总氮负荷年内变化趋势* Tab. 1 Changes of hydrological factors and load of total nitrogen in Lake Hongze |
根据洪泽湖2013—2018年水位和水质站点达标比例绘制不同时期的散点图，可以发现两者之间具有显著的相关性，如图 6所示. 蓄水前期水质有随水位升高而变好的趋势，而余下各时段的水质均与水位呈负相关关系. 入湖总氮浓度偏高是平水期、泄水期和蓄水后期洪泽湖水位-水质形成显著负相关性的主要原因. 在平水期等温度较低的时期，生态系统自净能力较弱，水位抬升会增加总氮滞留比例，加重污染负荷，导致水质恶化. 在蓄水前期等温度较高的时期，藻类大量繁殖，生态系统对营养盐的消耗能力有较大的提升，但也具备了蓝藻水华暴发的条件. 有研究显示，流速较快、水体浑浊抑制了洪泽湖藻类大规模繁殖[34]. 但洪泽湖北部湖区流速缓慢，水位抬升有利于蓝藻向表层上浮、扩散，增加蓝藻水华等恶性水质事件发生的可能性. 去除部分水位变动趋势异常数据后，本文采用SPSS软件对这3个时期的水位-水质站点达标比例进行相关性计算和经验关系公式拟合，结果显示平均Pearson系数达-0.77(图 6).
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图 6 洪泽湖水位-水质站点达标比例散点图 Fig.6 Scatter diagram of water level and proportion of water quality stations meeting standard in Lake Hongze |
蓄水前期洪泽湖水位-水质关系在低水位情况下相关性较差，但随着水位升高，两者的正相关性会逐渐增强. 蓄水前期低水位情况多发生在7月，此时由于洪水携带大量上游污染物，入湖总氮总量达到全年最高水平；且洪泽湖7月多年平均水深仅为1.65 m，洪水对湖底造成了剧烈的冲刷，沉积在底泥中的氮元素大量释放进湖体，两者综合造成了7月湖体水质的下降. 但随着汛期的进行，入湖河道的总氮浓度逐渐降低，减轻了生态系统净化压力，且蓄洪导致的水位抬升也减轻了对湖区底泥的冲刷情况，使得湖区水质情况迅速好转.
3.2.3 逐月水位变化率计算洪泽湖入湖河流常年总氮浓度较高，导致洪泽湖水位过快上升会对湖体造成严重污染. 洪泽湖在2016年10月内水位抬升2.16 m，同时入湖径流的总氮浓度较高，平均为2 mg/L，导致湖区总氮浓度在10月内翻倍. 而高水位造成湖内总氮滞留比例和换水周期增加，使得湖泊水质在接下来的数月内逐渐恶化，一定程度上抵消了入湖水量的稀释作用(图 7). 因此，在入湖河流水质较差的情况下，需要限制不同月份的水位变动幅度，才能平衡污染物总量和湖泊纳污能力，改善水质. 根据公式(3)~(5)计算的洪泽湖多年适宜逐月水位变化率为-1.12~0.79 m(表 2)，泄水期在5—6月，蓄水时期在7—9月，年内其余时期水位变动较小.
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图 7 2016年汛期后洪泽湖水位和水质变化趋势 Fig.7 Monthly changes of water level and water quality in Lake Hongze after flood season in 2016 |
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表 2 洪泽湖适宜逐月水位变化率(m/月) Tab. 2 Suitable change rate of water level in Lake Hongze (m/month) |
出湖水量和湖泊水位是富营养化湖泊纳污能力的主要影响因素. 根据2003—2018年逐月出湖水量和2013—2018年逐月入湖污染物量，采用公式(3)~(5)以Ⅴ类水质标准计算得出的平水期、泄水期和蓄水后期适宜生态水位下限分别为11.08、12.39和12.90 m(表 3). 从全年来看，受益于较短的换水周期，洪泽湖纳污能力大于入湖总氮总量. 但受到出入湖水量年内时程分布不均的影响，洪泽湖年内不同时期的多年平均纳污能力差距较大. 较高的入湖总氮浓度使泄水期和蓄水后期的湖区自净压力较大，对水位要求较高，而对于入湖总氮总量最小的平水期和入湖总氮浓度最小的蓄水前期来说，湖泊的纳污能力则有所富余.
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表 3 洪泽湖纳污能力计算结果 Tab. 3 Water environmental capacity of Lake Hongze |
基于上文推求的天然水位情势和水位-水质响应关系，本文以全湖80 % 的水质监测点达到Ⅴ类及更好水质标准为目标，计算洪泽湖适宜生态水位，逐月适宜生态水位阈值为12.92~12.99、12.79~12.99、12.84~12.99、12.86~12.99、12.71~12.89、12.39~12.63、11.97~12.93、12.50~13.07、12.65~13.26、12.90~13.04、12.90~13.04、12.90~13.04 m(图 8). 相较于IHA-RVA法，本文基于水质因素修正的适宜生态水位区间出现了较大幅度的缩减. 除蓄水前期外，各时期的适宜生态水位区间平均缩小了73.4 %，说明湖泊自净能力和污染物滞留总量存在激烈的竞争关系，对洪泽湖生态系统造成了较大的压力.
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图 8 修正后洪泽湖适宜生态水位阈值 Fig.8 Revised threshold of suitable ecological water level in Lake Hongze |
此外，各时期适宜生态水位修正的原因并不相同. 平水期洪泽湖的入湖水量处于全年最低水平，多年逐月平均入湖水量仅为8×108 m3，入湖河流总氮浓度处于年内峰值，因此需要降低湖泊适宜生态水位上限缩短湖泊换水周期，减少总氮滞留比例；为降低防洪风险，泄水期湖区水位快速降低，水体交换率有一定的提升，但这一时期内入湖总氮浓度仍维持在较高水平，同时气温上升，因此不仅需要降低适宜生态水位上限减少蓝藻水华暴发的可能性，也需要抬升适宜生态水位下限维持湖泊生态系统的稳定性和自净能力；蓄水后期为满足来年供水需要大量蓄水，但此时入湖径流的总氮浓度上升，蓄水过程不仅会造成水质下降，也会增大总氮滞留比例，致使湖泊水体总氮浓度进一步上升，因此需要控制适宜生态水位区间来平衡洪泽湖的纳污能力和污染物滞留总量；蓄水前期较为特殊，该时期内洪泽湖换水周期平均仅为12.64 d，极大的降低了蓝藻水华发生的可能性，且入湖河流中的总氮浓度处于年内最低水平，两者综合作用下减小了蓄水前期的洪泽湖水质压力，适宜生态水位范围基本没有变化.
目前关于洪泽湖适宜生态水位的研究较少，现有研究多集中于水位变化对周边植被的影响. 邱新天等认为，3月水位控制在13 m和7月控制在12.34 m时可以有效改善鸟类栖息地的植物生长状况[35]. 秦敬岚等的研究从挺水植物的角度出发，认为3、5、7、9月适宜生态水位分别为13.20、13.10、12.70、12.85 m[36]. 本文基于水质因素计算的适宜生态水位区间总体上与这些研究成果较为相近，可以在控制水质的同时在一定程度上满足洪泽湖及周边生态系统的需求. 而各研究3月的适宜生态水位研究成果有所差距，主要原因有两方面：一是关注的功能目标不同，本研究以天然水位情势和水体总氮浓度控制为目标，在目前淮河高强度总氮输入的背景下，适宜生态水位上限受到了较大的限制；二是采用的水文基础数据时间尺度不同，邱新天等和秦敬岚等采用的是1950—2019年的蒋坝站水位数据，本文考虑到闸坝建设对水位情势的影响，采用的是1988—2018年的蒋坝站水位数据. 根据本文的方法，在确定了湖泊适宜生态水位后，即可为洪泽湖多目标优化调度提供生态约束，协调防洪、供水、航运等目标之间的矛盾，将适宜生态水位研究落实到最终的水位调控方案，为洪泽湖生态保护和水资源管理提供相关借鉴. 此外，在研究的深化过程中，可以建立水质水动力模型，根据湖泊长期规划开展不同流域污染负荷条件下洪泽湖适宜生态水位研究.
4 结论与展望针对过水型湖泊主要入湖污染物对湖泊水质的影响问题，本文基于量化的水位-水质二元响应关系对洪泽湖适宜生态水位的设计开展研究，提出了一套综合考虑生存空间和湖泊水质需求的过水型湖泊适宜生态水位计算的方法. 该方法首先借鉴IHA-RVA法初步计算逐月适宜生态水位阈值和适宜逐日水位变化率；然后通过水文情势和污染物输入变化趋势区分年内不同时期，在不同时期内从水位-水质经验公式、逐月水位变动率、纳污能力3个方面分别量化水位-水质响应关系；最后在保留天然水位情势的基础上，基于水质调控水位对适宜生态水位阈值进行修正. 本文得出主要结论如下：
1) 基于IHA-RVA法初步计算的洪泽湖适宜生态水位包括以下内容：逐月水位变化为12.92~13.31、12.79~13.31、12.84~13.36、12.86~13.38、12.71~13.2、12.11~12.81、11.97~12.93、12.50~13.07、12.65~13.26、12.65~13.26、12.58~13.29、12.58~13.29、12.68~13.35、12.78~13.41m；逐日水位变化率为-0.06~0.05 m. 受防洪调度原因，洪泽湖适宜生态水位呈现独特反季相水位变化特征，在5—9月水位先降后升.
2) 按水位流量关系和入湖污染物变化情况，洪泽湖的年内水位-水质响应关系可被分为4个时期：平水期(1—4月)、泄水期(5—6月)、蓄水前期(7—9月)和蓄水后期(10—12月). 洪泽湖各时期水位和水质之间有较强的相关性，蓄水前期水质随水位上升而改善，其余各时期水质均随着水位提升而降低. 年内逐月水位变化率为-1.12~0.79 m，基于湖区纳污能力反推出的平水期、泄水期和蓄水后期适宜生态水位下限分别为11.08、12.39和12.90 m.
3) 根据水位-水质经验公式和纳污能力要求修正的逐月适宜生态水位阈值为：12.92~12.99、12.79~12.99、12.84~12.99、12.86~12.99、12.71~12.89、12.39~12.63、11.97~12.93、12.50~13.07、12.65~13.26、12.90~13.04、12.90~13.04、12.90~13.04 m；洪泽湖蓄水前期适宜生态水位范围变化较小，但其他时期适宜生态水位范围较IHA-RVA法计算范围缩小了73.4 %，表明现阶段洪泽湖的自净能力和污染物滞留比例竞争较为激烈.
该套方法将水质作为生存环境需求纳入了适宜生态水位的考虑因素，拓宽了适宜生态水位的适用范围，但是也存在以下几个问题需要继续改进与完善：1)本文在实例中仅计算了多年平均来水条件下的洪泽湖适宜生态水位，未考虑不同来水频率对于水质的影响，应增加预设情况；2)在本文所提方法中，水位与水质的响应关系是通过对历史实测数据拟合得到的，存在数据尺度大，代表性不足的问题，在未来的研究中可以建立水质模拟模型，对水位-水质的反馈关系进行进一步的探索.
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