避暑山庄湖区生态需水量的分析与研究

单志学

(河北省承德水文勘测研究中心,河北 承德 067000)

1 概 述

避暑山庄湖区水源主要通过建设水渠引武烈河水入园,其次是山中泉水汇聚。山庄内泉水很多,而以“热河泉”最为有名。水在避暑山庄园林景观构图中的重要性是其他名园所无法比拟的,特别是双峰寺水库的建成从根本上解决了山庄的补水问题,将极大增强山庄湖泊及湿地蓄水能力、水源涵养能力、水资源合理配置能力,为山庄生态用水提供可靠的保障,对改善山庄水环境、改善水生动植物生存条件都具有十分重要意义。

通过查阅相关文献,关于避暑山庄湖区生态需水研究较少。其中,大多数主要对湖区总水量及动植物情况进行简单介绍。本文通过对水文基本参数进行现场实际监测,确定湖区主要水文参数基本数据,同时对湖区最小生态需水量进行计算,研究成果对山庄湖区水生态建设具有重要意义。

2 避暑山庄湖泊区域概况

2.1 湖泊在避暑山庄中区域分布

山庄中来自武烈河的水经东北部的暗渠入园,流向园内西北部后分两个方向,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),最终在银湖汇聚,从东南方向出口流出。具体湖泊区域分布见图1。

图1 避暑山庄湖泊研究区域分布图

2.2 湖泊位置及水面面积的确定

湖区位于山庄东南,面积49.6×104m2。有大小湖泊8处,分别为镜湖、银湖、下湖、上湖、澄湖、如意湖、内湖、热河。本次分析以湖区8个湖泊为研究对象,确定研究区域位置,对湖泊名称和建设初期的水面面积进行资料调查,测量当前湖泊的水面面积,具体调查及测量情况见表1。

表1 避暑山庄湖泊位置及水面面积表

3 山庄湖区监测点选取及主要特征参数

本次计算选择4个断面用于监测山庄湖区水位,4个断面分别为水心榭上监测点、水心榭下监测点、出口监测点、剧院监测点。各湖泊主要水文基本参数见表2;各湖泊水位特征值见表3;各湖泊主要水生动植物状况见表4。

由表2可以看出,在山庄湖区的8处湖泊中,蓄水量在10×104m3(包括10×104m3)以上有两个,分别是镜湖和澄湖;热河蓄水量最少,为0.5×104m3。

表2 山庄湖区各湖泊水文基本参数

表3 山庄各湖泊水位特征值

表4 山庄各湖泊主要水生动植物状况

4 湖区最小生态需水量计算方法

根据湖泊生态需水计算规范,将水文统计资料中年最低水位的多年平均值作为参考值,综合选取水位的最大值作为最小生态水位,公式如下:

Hmin=max(H1,H2,H3,H平均)

(1)

H2=H0+Δh

(2)

式中:H1为湖区的死水位;H2为上层典型鱼类生存水位;H3为野生鱼类生存和繁殖所需的最低水位,本文取值为H0+1m;Hmin为湖区最低生态水位;H平均为水文统计资料多年平均年最低水位或90%年保证率法的水位,计算中根据实际资料情况选取确定方法;H0为一般湖底高程(高程信息参照附近水文站基准水准点高程)。

5 湖泊最小生态水位计算结果

以镜湖为例,根据表2-表4中数据,由式(1)、式(2)计算湖泊最小生态水位。镜湖地处山庄南侧的低洼地带,确定湖底高程0m,通过监测平均水深值1.50m。根据资料统计,澄湖平均水位历史最高2.19m,最低1.37m。澄湖鱼类品种丰富,目前已实际监测到鱼类有24种,其中以草、鲢、鳙、鲤、鲫等为主,上层主要鱼类为鲢、鳙,适宜生存水深1.50m左右。

根据式(1)、式(2)计算,确定镜湖的最小生态水位1.50m;将上层主要鱼类的生存水位设为1.50m作为澄湖最小生态水位,该水位能保证水生动植物的正常生存。同理,可得其他各湖的最小生态水位,具体计算结果见表5。

表5 山庄湖泊最小生态水位计算结果 /m

6 山庄湖区水量平衡项计算

根据实测资料及相关文献资料,对水量平衡项进行计算,计算时段以最低生态需水量年为单位。

6.1 降水量W降水的确定

根据研究区内雨量站的分布,用泰森多边形法计算避暑山庄流域降水产生的径流量,公式如下:

根据承德站1956-2019年降雨量系列统计,年降雨量为293.8～791.7mm,多年平均值为540.0mm。

W降水=540.0mm*49.6×104m2=26.78×104m3/年。

6.2 入湖径流量

入湖径流量R的确定包括地表径流和地下径流。根据流域土地利用、土壤类型、水文气象等条件的资料搜集情况,计算径流量R。湖区水量来源有两处,其一为上游山区,降水通过西峪、梨树峪、松云霞3条山谷汇流入湖,因其汇流面积较小,仅为443.5×104m2,以承德水文站控制流域为参证流域,以承德水文站作为参证站。参证站承德水文站多年径流量2.1511×108m3,控制流域面积2 460km2,避暑山庄山区集水面积443.5×104m2,运用水文比拟法,将相似流域的水文资料移用至研究流域,选择相似流域的径流深或径流模数进行计算。由于相似流域与研究流域的气象条件和下垫面因素基本相似,仅流域面积有所不同,所以只考虑面积的影响,如果使用径流深或径流模数,则不需修正即可直接使用。研究流域的正常年径流量有如下关系式:

Q研=Q参*F研/F参

经计算,出入湖径流量为38.78×104m3/年。

6.3 武烈河补水W补

山庄来水主要为山区来水量以及武烈河补水量。其中,依据《双峰寺水库工程初步设计报告(2012年9月)中关于考虑湖区的蒸发渗漏损失以及形成流动水体的要求,河道外避暑山庄湖区补水量W补为300×104m3/年。

6.4 湖泊水面蒸发量E

蒸发量通过邻近蒸发站三道河子站的多年平均水面蒸发量1 230.9mm(数据参照1951-1971年)进行确定。经计算,湖泊水面蒸发量为61.008×104m3/年。

6.5 最小生态需水量W生态

考虑山庄内动植物用水等因素,综合考虑进行正常生命活动所需要的水量即生态水量。根据Texas法,计算山庄湖区最小生态需水量W生态为30×104m3。

6.6 出境水量W出

根据水量平衡公式:

26.78+38.78+300=30+61.008+W出

可得:

W出=274.552×104m3/年

6.7 换水周期计算

经过实测资料验证可知,山庄湖区需水量约为50×104m3,山庄湖区最小生态需水量W生态为30×104m3,换水周期按照10天左右计算,每天需要换水3.0×104m3,出境流量为Q出=0.35m3/s,上述水量平衡计算结果相一致,全年大约换水9次。丰水期按照大约180天(5-10月份)湖区内生物处于旺盛状态计算;11-4月份为封冻期和动植物休眠期,可以不考虑换水。

7 结论和建议

1)通过水量平衡计算,现行的山庄水量分配方案满足生态要求,换水周期保证了湖泊健康发展及动植物健康生长,做到了人、动植物、水和谐。

2)目前,河道外避暑山庄湖区补水量W补为300×104m3/年,保证了当前水文条件下的最小生态水位和最小生态水量。如遇到极端年份,建议增加武烈河对避暑山庄的补水量,以保证避暑山庄湖区动植物和生态旅游的需求。

3)武烈河为山区季节性河流,丰水期水量较充沛,枯水期水量较小。河床覆盖层主要为卵砾石层,平均厚度8m。根据水位及地质条件,建议采用渗渠取水经管道输送至避暑山庄内。整个避暑山庄湖区换水按10天换完考虑,新建渗渠引水流量不小于0.35m3/s。

4)依据避暑山庄水量来源和水量平衡分析,计算出避暑山庄湖泊最小生态需水量和生态水位,为科学研究和管理部门决策提供科学依据。