避暑山莊湖區生態需水量的分析與研究

單志學

(河北省承德水文勘測研究中心,河北 承德 067000)

1 概 述

避暑山莊湖區水源主要通過建設水渠引武烈河水入園,其次是山中泉水匯聚。山莊內泉水很多,而以“熱河泉”最為有名。水在避暑山莊園林景觀構圖中的重要性是其他名園所無法比擬的,特別是雙峰寺水庫的建成從根本上解決了山莊的補水問題,將極大增強山莊湖泊及濕地蓄水能力、水源涵養能力、水資源合理配置能力,為山莊生態用水提供可靠的保障,對改善山莊水環境、改善水生動植物生存條件都具有十分重要意義。

通過查閱相關文獻,關于避暑山莊湖區生態需水研究較少。其中,大多數主要對湖區總水量及動植物情況進行簡單介紹。本文通過對水文基本參數進行現場實際監測,確定湖區主要水文參數基本數據,同時對湖區最小生態需水量進行計算,研究成果對山莊湖區水生態建設具有重要意義。

2 避暑山莊湖泊區域概況

2.1 湖泊在避暑山莊中區域分布

山莊中來自武烈河的水經東北部的暗渠入園,流向園內西北部后分兩個方向,一部分水向南流入如意湖,另一部分向北流入澄湖(方位上澄湖在北,如意湖在南),最終在銀湖匯聚,從東南方向出口流出。具體湖泊區域分布見圖1。

圖1 避暑山莊湖泊研究區域分布圖

2.2 湖泊位置及水面面積的確定

湖區位于山莊東南,面積49.6×104m2。有大小湖泊8處,分別為鏡湖、銀湖、下湖、上湖、澄湖、如意湖、內湖、熱河。本次分析以湖區8個湖泊為研究對象,確定研究區域位置,對湖泊名稱和建設初期的水面面積進行資料調查,測量當前湖泊的水面面積,具體調查及測量情況見表1。

表1 避暑山莊湖泊位置及水面面積表

3 山莊湖區監測點選取及主要特征參數

本次計算選擇4個斷面用于監測山莊湖區水位,4個斷面分別為水心榭上監測點、水心榭下監測點、出口監測點、劇院監測點。各湖泊主要水文基本參數見表2;各湖泊水位特征值見表3;各湖泊主要水生動植物狀況見表4。

由表2可以看出,在山莊湖區的8處湖泊中,蓄水量在10×104m3(包括10×104m3)以上有兩個,分別是鏡湖和澄湖;熱河蓄水量最少,為0.5×104m3。

表2 山莊湖區各湖泊水文基本參數

表3 山莊各湖泊水位特征值

表4 山莊各湖泊主要水生動植物狀況

4 湖區最小生態需水量計算方法

根據湖泊生態需水計算規范,將水文統計資料中年最低水位的多年平均值作為參考值,綜合選取水位的最大值作為最小生態水位,公式如下:

Hmin=max(H1,H2,H3,H平均)

(1)

H2=H0+Δh

(2)

式中:H1為湖區的死水位;H2為上層典型魚類生存水位;H3為野生魚類生存和繁殖所需的最低水位,本文取值為H0+1m;Hmin為湖區最低生態水位;H平均為水文統計資料多年平均年最低水位或90%年保證率法的水位,計算中根據實際資料情況選取確定方法;H0為一般湖底高程(高程信息參照附近水文站基準水準點高程)。

5 湖泊最小生態水位計算結果

以鏡湖為例,根據表2-表4中數據,由式(1)、式(2)計算湖泊最小生態水位。鏡湖地處山莊南側的低洼地帶,確定湖底高程0m,通過監測平均水深值1.50m。根據資料統計,澄湖平均水位歷史最高2.19m,最低1.37m。澄湖魚類品種豐富,目前已實際監測到魚類有24種,其中以草、鰱、鳙、鯉、鯽等為主,上層主要魚類為鰱、鳙,適宜生存水深1.50m左右。

根據式(1)、式(2)計算,確定鏡湖的最小生態水位1.50m;將上層主要魚類的生存水位設為1.50m作為澄湖最小生態水位,該水位能保證水生動植物的正常生存。同理,可得其他各湖的最小生態水位,具體計算結果見表5。

表5 山莊湖泊最小生態水位計算結果 /m

6 山莊湖區水量平衡項計算

根據實測資料及相關文獻資料,對水量平衡項進行計算,計算時段以最低生態需水量年為單位。

6.1 降水量W降水的確定

根據研究區內雨量站的分布,用泰森多邊形法計算避暑山莊流域降水產生的徑流量,公式如下:

根據承德站1956-2019年降雨量系列統計,年降雨量為293.8～791.7mm,多年平均值為540.0mm。

W降水=540.0mm*49.6×104m2=26.78×104m3/年。

6.2 入湖徑流量

入湖徑流量R的確定包括地表徑流和地下徑流。根據流域土地利用、土壤類型、水文氣象等條件的資料搜集情況,計算徑流量R。湖區水量來源有兩處,其一為上游山區,降水通過西峪、梨樹峪、松云霞3條山谷匯流入湖,因其匯流面積較小,僅為443.5×104m2,以承德水文站控制流域為參證流域,以承德水文站作為參證站。參證站承德水文站多年徑流量2.1511×108m3,控制流域面積2 460km2,避暑山莊山區集水面積443.5×104m2,運用水文比擬法,將相似流域的水文資料移用至研究流域,選擇相似流域的徑流深或徑流模數進行計算。由于相似流域與研究流域的氣象條件和下墊面因素基本相似,僅流域面積有所不同,所以只考慮面積的影響,如果使用徑流深或徑流模數,則不需修正即可直接使用。研究流域的正常年徑流量有如下關系式:

Q研=Q參*F研/F參

經計算,出入湖徑流量為38.78×104m3/年。

6.3 武烈河補水W補

山莊來水主要為山區來水量以及武烈河補水量。其中,依據《雙峰寺水庫工程初步設計報告(2012年9月)中關于考慮湖區的蒸發滲漏損失以及形成流動水體的要求,河道外避暑山莊湖區補水量W補為300×104m3/年。

6.4 湖泊水面蒸發量E

蒸發量通過鄰近蒸發站三道河子站的多年平均水面蒸發量1 230.9mm(數據參照1951-1971年)進行確定。經計算,湖泊水面蒸發量為61.008×104m3/年。

6.5 最小生態需水量W生態

考慮山莊內動植物用水等因素,綜合考慮進行正常生命活動所需要的水量即生態水量。根據Texas法,計算山莊湖區最小生態需水量W生態為30×104m3。

6.6 出境水量W出

根據水量平衡公式:

26.78+38.78+300=30+61.008+W出

可得:

W出=274.552×104m3/年

6.7 換水周期計算

經過實測資料驗證可知,山莊湖區需水量約為50×104m3,山莊湖區最小生態需水量W生態為30×104m3,換水周期按照10天左右計算,每天需要換水3.0×104m3,出境流量為Q出=0.35m3/s,上述水量平衡計算結果相一致,全年大約換水9次。豐水期按照大約180天(5-10月份)湖區內生物處于旺盛狀態計算;11-4月份為封凍期和動植物休眠期,可以不考慮換水。

7 結論和建議

1)通過水量平衡計算,現行的山莊水量分配方案滿足生態要求,換水周期保證了湖泊健康發展及動植物健康生長,做到了人、動植物、水和諧。

2)目前,河道外避暑山莊湖區補水量W補為300×104m3/年,保證了當前水文條件下的最小生態水位和最小生態水量。如遇到極端年份,建議增加武烈河對避暑山莊的補水量,以保證避暑山莊湖區動植物和生態旅游的需求。

3)武烈河為山區季節性河流,豐水期水量較充沛,枯水期水量較小。河床覆蓋層主要為卵礫石層,平均厚度8m。根據水位及地質條件,建議采用滲渠取水經管道輸送至避暑山莊內。整個避暑山莊湖區換水按10天換完考慮,新建滲渠引水流量不小于0.35m3/s。

4)依據避暑山莊水量來源和水量平衡分析,計算出避暑山莊湖泊最小生態需水量和生態水位,為科學研究和管理部門決策提供科學依據。