水位变化是直接或间接影响湖泊湿地生态系统(包括湖泊物理形态、湿地生境等)的主要环境要素之一^[1].众多研究表明，水位的高低、出现时间、持续时间以及变化速率等构成了水位变化过程的主要要素^[2-3]，与湖泊湿地生态系统的结构、过程和功能密切相关^[2-8].

湖泊生态水位是维持湖泊生物多样性和生态系统结构、过程、功能完整性所需的水位情势，包括水位的变化范围和过程^[2].鉴于湖泊生态系统结构、过程、功能及生物多样性保护与湖泊水位密切相关，湖泊生态水位是湖泊生态水文的重要研究内容^[2].当前湖泊生态水位分析主要落脚于最小水位上^[9-15]，而其计算方法如曲线相关法、功能法和最低生态水位法的结果也均为单一值^[9].由于湖泊生态系统具有复杂性和多样性特征，现有研究结果难以为湖泊优化调控提供科学依据.因此，亟需构建可反映完整水位变化范围和过程的生态水位指标体系，并基于天然水位变化特征计算生态水位目标值范围的新方法^[2]，以水位作为标准为湖泊优化调控提供重要依据.

菜子湖包括嬉子湖、白兔湖和菜子湖3个子湖，是白头鹤、东方白鹳、豆雁及小天鹅等候鸟在东亚迁徙路线上的重要越冬地和停歇地之一，对生物多样性保护具有重要意义^[16].冬候鸟作为菜子湖湿地生态系统的指示生物，其种群数量和时空分布受到水位动态变化的影响.水位上升与下降过程对候鸟生境组成和种群数量多样性具有决定性作用^[17-22].候鸟越冬期水位长期维持在过高水平，将影响菜子湖湿地生态水文过程及泥滩地和草滩地出露过程，不利于湿生植被发育^[16].低水位的发生时间和持续时间也是影响滩涂湿生植被生长及鸟类栖息和觅食的控制性因素，对浅水区和滩涂湿地生存的候鸟种群数量有重要影响^[8].

“引江济淮”工程是综合性战略水资源配置工程，菜子湖线是双线引江布局的主力线路，对保障工程安全运行和维护工程效益意义重大^[16]. “引江济淮”工程运行后，规划水平年2030、2040年菜子湖候鸟越冬期(11月-次年3月)水位分别按7.5 m和8.1 m控制(85国家高程)，候鸟越冬期菜子湖水位较现状有一定程度的抬升.水位抬升一定程度上将影响越冬候鸟适宜生境(泥滩地和草本沼泽)的出露，并对越冬候鸟的栖息环境和食物资源可利用性产生不利影响，尤其是影响到挖掘啄取集团和浅水取食集团的越冬水鸟^[16].因此，从湖泊生态系统结构和过程的完整性角度出发，“引江济淮”工程运行期间菜子湖需维持典型的水位变化过程.

本文基于菜子湖湖区水位站(车富岭水位站)长系列逐日水位数据(1956 -2018年)，采用pettitt突变检验法分析了车富岭水位站水位的突变性特征.基于突变检验结果，采用年保证率法计算了菜子湖车富岭水位站天然状况下低水位值，并分析了天然状况下低水位发生时间、低水位历时、水位变化速率3个关键水文要素的动态变化及生态水位目标值范围，研究结果将为“引江济淮”工程运行期间菜子湖水位优化调控提供重要支撑，对协调工程效益和生态大保护之间的关系也具有重要意义.

1 研究区概况

菜子湖包括嬉子湖、白兔湖和菜子湖，1950s末湖泊总面积300 km².菜子湖原与长江天然沟通，1959年建成枞阳闸后始成为水库型湖泊.建闸前，菜子湖水位涨落与长江水位基本一致；建闸后，流域来水排泄入江和引江由枞阳闸控制.枞阳闸主要作用是汛期防洪拒江水倒灌，汛后排泄湖水，干旱季节蓄积湖水控制湖水位或引江水灌溉.根据枞阳闸控制运用办法，现状汛期蓄水位分月控制：6月为8.6~9.1 m，7、8月为9.1~9.6 m.干旱年份抗旱需要湖泊蓄水位控制在10.6 m以内.水位人为调控和调度过程维持了菜子湖丰水期水位上涨，枯水期滩涂出露的湿地变化节律^[16].湖区水位在7、8月最高，9月湖区水位开始逐渐下降，次年3月水位逐渐上升.

2 数据与研究方法 2.1 数据来源

本文所使用的数据主要包括菜子湖车富岭水位站(30°50′0.6″N，117°6′53″E) 1956 -2018年共63年逐日水位数据.数据来源于安徽省水文局，文中所有水位数据均采用85国家高程.

2.2 研究方法

相比湖泊生态水文研究，河流生态流量研究起步较早，建立了较为完整的水文变化评估指标体系^[2]，其中代表性的是水文变化指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)^[23-25]. IHA法从流量、频率、发生时间、历时和变化速率共5个方面确定了33个具有生态意义的关键水文参数.变异性范围法(Range of Variability Approach，RAV)建立在分析IHA指标参数的基础上，被广泛应用于河流生态流量估算及人类活动对河流水文条件的影响研究^[26-28].湖泊具有与河流相似的水文变化规律，因此RVA法亦应用于湖泊生态水位过程的确定^[2-3].本文首先采用pettitt突变检验法检验车富岭水位站水位变化特征，并以pettitt突变检验的结果为依据，分析车富岭水位站是否存在突变点.如存在突变点，则基于突变前的水位序列分析菜子湖车富岭水位站低水位值，并计算低水位发生时间、低水位历时、水位变化速率3个关键水文要素指数的动态变化.若不存在突变点，则基于车富岭水位站的整个时间序列分析菜子湖车富岭水位站低水位值，并计算关键水文要素指数的动态变化.最后，借鉴RVA法确定河流生态需水的标准，分别取33 %和67 %分位数计算低水位发生时间、低水位历时、水位变化速率等关键水文要素的上、下限，以此作为生态水位的区间值.

2.2.1 突变检验

采用pettitt突变检验法^[29]对菜子湖车富岭水位站、枞阳闸上水位站和枞阳闸下水位站长时间序列水位数据进行突变性检验. pettitt突变检验法的原理是在一长度为n的时间序列x_t(1≤t≤n)寻找突变点，判断突变点前后的累计分布函数是否具有统计意义上的显著水平^[29].该方法利用Mann-Whitney统计量U_{t, n}来检验样本x₁, x₂, …, x_t和x_t+1, x_t+2, …, x_n是否来自于同一总体.统计量U_{t, n}的计算方法如下^[29-31]:

$ {U_{t, n}} = \sum\limits_{i = 1}^t {\sum\limits_{j = t + 1}^n {{\mathop{\rm sgn}} } } \left( {{x_i} - {x_j}} \right) $

(1)

$ {\mathop{\rm sgn}} \left( {{x_i} - {x_j}} \right){\rm{ = }}\left\{ \begin{array}{l} + 1, \quad {\rm{ }}if\quad {\rm{ }}\left( {{x_i} - {x_j}} \right) > 0\\ 0, {\rm{ }}\quad if\quad {\rm{ }}\left( {{x_i} - {x_j}} \right) = 0\\ - 1, \quad {\rm{ }}if\quad {\rm{ }}\left( {{x_i} - {x_j}} \right) < 0 \end{array} \right. $

(2)

pettitt突变检验法通过统计量U_{t, n}计算统计序列的最大值K_t并对该值进行显著性检验以判断突变点在统计意义上是否显著^[29-31].该方法的原假设H₀为：长时间序列数据x_t(1≤t≤n)的分布函数在时间t不存在突变点；备择假设H₁为：长时间序列数据x_t(1≤t≤n)的分布函数在时间t存在突变.

$ {K_t} = {\max _{1 \le t \le n}}\left| {{U_{t, n}}} \right| $

(3)

$ P \cong 2\exp \left\{ { - 6{{\left( {{K_t}} \right)}^2}/\left( {{n^3} + {n^2}} \right)} \right\} $

(4)

2.2.2 关键水文要素

(1)低水位值.

采用长系列日水位频率大于75 %保证率的水位作为低水位值，计算公式为^[2-3]：

$ L W L=P_{75 \%}\left(D W L_{i}\right) $

(5)

式中，LWL为低水位(m)，DWL_i为实测日平均水位(m)，P_{75 %} (DWL_i)为75 %保证率下的日平均水位(m).

(2) 低水位发生时间.

湖泊低水位发生时间是指湖泊水位初次消落至低水位的日期^[2-3].为避免水位日波动造成的误差，将连续7d的水位均值达到低水位值的事件认定为低水位事件，计算公式为^[2-3]：

$ LW{L_{{\rm{st}}}} = \min (JD), {\rm{ }}s.t.{\rm{ }}\frac{1}{7}\sum\limits_{i = JD}^{JD + 6} D W{L_i} \le LWL $

(6)

式中，LWL_st为低水位发生时间(年积日)，JD为日期(年积日).

(3) 低水位历时.

低水位历时是指低水位发生的持续时间，为低水位从发生日期到结束日期的持续时间，计算公式为^[2-3]：

$ {LW{L_{\rm{d}}} = LW{L_{{\rm{et}}}} - LW{L_{{\rm{st}}}}} $

(7)

$ {LW{L_{{\rm{et}}}} = \max (JD), {\rm{ s}}{\rm{.t}}{\rm{. }}\frac{1}{7}\sum\limits_{i = JD}^{JD + 6} D W{L_i} \le LWL} $

(8)

式中，LWL_d和LWL_et分别为低水位持续时间(d)和低水位结束日期(年积日).

(4) 候鸟越冬期水位变化速率.

候鸟越冬期水位变化速率指枯水期时段内邻近2日内水位的变化速率，正值表示上升，负值表示下降，计算公式如下：

$ W L_{\mathrm{rat}}=W L_{i+1}-W L_{i} $

(9)

式中，WL_rat表示候鸟越冬期水位变化速率(m/d)，i表示第i天.

(5) 候鸟越冬期生态水位.

由于菜子湖水位的年际和年内波动，生态水位的取值也应当有一定的可变范围.在确定低水位阈值后，可计算出低水位发生时间、低水位历时及候鸟越冬期水位变化速率.借鉴RVA法确定河流生态需水的标准，取33 %和67 %分位数作为生态水位区间的上、下限^[2]，以反映水位指标的不确定性及其年际和年内自然波动.

3 结果与分析 3.1 水位变化特征 3.1.1 年内变化特征

根据菜子湖车富岭水位站多年逐日水位观测数据(1956 -2018年)，菜子湖水位在年内具有明显的高、低水位变化(图 1).多年平均情况下，最低水位发生在2月9日，为6.88 m；最高水位发生在7月25日，为11.08 m.相同日期的最高和最低水位在63年内最大差值达7.24 m.从多年日均值来看，以7月25日为界，全年可分为2个水位变化时期，2月9日至7月25日为水位上升阶段，7月25日至年末为水位下降阶段.

根据各水位站多年月平均水位统计结果(图 2)，车富岭水位站年内最高水位出现在8月，为10.90 m；年内最低水位出现在1月，为6.90 m.从多年月平均水位来看，以8月为界，全年可分为2个水位变化时间，1 -8月为水位上升阶段，8 -12月为水位下降阶段.

3.1.2 水位突变特征

突变检验分析结果表明，车富岭水位站1956 -2018年年平均水位数据未出现显著性超过0.05的突变点(K_t=62，P>0.05)(图 3).

3.2 低水位发生时间与历时

菜子湖低水位，即75 %保证率水位为6.94 m.从发生时间来看，菜子湖低水位一般开始于11月或12月，但不同年份之间存在一定波动，年际低水位发生时间的标准差为27 d. 1956 -2018年记录的低水位最早和最迟发生时间分别为10月和次年3月，其中1978、1997、2015 -2018年未发生低水位事件.

从水位历时来看，低水位的年均历时为69 d，历史上低水位历时最大值为167 d(1956年)，低水位历时最小值为0 d(1978、1997、2015 -2018年)，年际低水位历时的标准差为49 d(图 4).

3.3 候鸟越冬期水位变化速率

从菜子湖候鸟越冬期多年水位值的计算结果来看，菜子湖候鸟越冬期水位变化速率的均值为-0.009 m/d，但水位变化速率存在一定的年内和年际波动.从年际变化速率来看，候鸟越冬期水位变化速率年均值为-0.034~0.009 m/d(图 5a).从年内变化速率来看，候鸟越冬期水位变化速率日均值为-0.051~0.016 m/d(图 5b).

3.4 候鸟越冬期生态水位

候鸟越冬期菜子湖生态水位是由低水位发生时间与历时、候鸟越冬期水位变化速率等天然水位情势指标构成的.基于菜子湖车富岭水位站低水位发生时间与历时以及水位变化速率等计算结果，计算出33 %和67 %分位数数值作为生态水位的区间阈值.根据菜子湖生态水位的区间阈值的计算结果，菜子湖低水位发生时间的区间阈值为332~351 d(11月27日至12月16日)，历时的区间阈值为33~98 d.菜子湖候鸟越冬期水位变化速率的区间阈值为-0.070~0.020 m/d.

4 讨论

水位是湖泊水文情势的主要特征指标，是直接或间接影响湖泊湿地生态系统结构、过程和功能的主要环境要素之一^[1].当前，湖泊生态水位研究主要集中于计算湖泊的最低生态水位^[10-15].然而，众多研究表明：水位的高低、出现时间、持续时间以及变化速率等构成了水位变化过程的主要要素^[2-3].因此，维持与湖泊生态系统结构、过程和功能密切相关的湖泊生态水位过程是当今湖泊科学领域面临的重要科学问题^{[2-5, 22]}，也是实现湖泊生态系统健康(包括结构、过程和功能完整性)的重要需求.

“引江济淮”工程是综合性战略水资源配置工程，对保障工程安全运行和维护工程效益意义重大^[16]. “引江济淮”工程运行后，规划水平年2030、2040年菜子湖候鸟越冬期(11月-次年3月)水位分别按7.5 m和8.1 m控制(85国家高程)，较天然水位情势下菜子湖低水位值会有所抬升，将从一定程度上影响菜子湖在长期的发育过程中已形成的适宜水位变化规律，对越冬候鸟泥滩地和草本沼泽等适宜生境的出露及越冬候鸟的栖息环境和食物资源可利用性产生不利影响^[16].在长江大保护的政策背景下，“引江济淮”工程前期设计阶段，多家设计单位就菜子湖水位的优化调度进行数次论证，但如何全面协调工程效益和生态大保护之间的关系，如何维持菜子湖生态系统结构、过程和功能的完整性，仍是”引江济淮”这项大型跨流域调水工程的重大难点^[16].从湖泊生态系统结构和过程的完整性角度出发，“引江济淮”工程运行期间菜子湖需维持典型的水位变化过程.但鉴于菜子湖车富岭水位站2015 -2018年连续4年也未发生低水位事件，而且缺乏客观数据和研究成果表明工程运行后菜子湖候鸟越冬期水位较天然水位情势下低水位值抬升时会对冬候鸟适宜生境造成不可逆影响.建议结合越冬期湿地生境保护适应性水位调度试验和生态环境监测，研究菜子湖湿地生境、重要水鸟种群数量、种群空间分布格局和群落结构、候鸟栖息地选择对水位的响应关系，揭示低水位值抬升对菜子湖越冬候鸟适宜生境及重要越冬水鸟种群数量和分布格局的影响机制，为运行期菜子湖水位优化调控、湿地生境保护提供数据支撑，为落实水利工程建设的绿色发展理念提供指导.

5 结论

本文利用pettitt突变检验法对菜子湖1956 -2018年的年均水位进行突变检验.利用年保证率法计算菜子湖低水位值，借鉴河流生态流量计算中的变异性范围法(RVA)，分析低水位发生时间、历时和水位变化速率等在内的生态水位指标体系.具体结论有：

1) 菜子湖车富岭水位站1956 -2018年年均水位无显著突变.从发生时间来看，菜子湖车富岭水位站低水位一般开始于11月或12月，低水位发生时间的均值为344 d，年际低水位发生时间的标准差为27 d，其中有6年未发生低水位事件.从水位历时来看，低水位的年均历时为69 d，历史上低水位历时最大值为167 d，最小值为0 d，标准差为49 d.菜子湖候鸟越冬期水位变化速率的均值为-0.009 m/d，但水位变化速率存在一定的年内和年际波动.候鸟越冬期水位变化速率年均值为-0.034~0.009 m/d，日均值为-0.051~0.016 m/d.

2) 菜子湖低水位发生时间在年内的332~351 d之间，历时为33~98 d，对湖泊生态系统结构、过程和功能不会产生较大影响.菜子湖11月-次年3月水位变化速率维持在-0.070~0.020 m/d，对维持冬候鸟栖息和觅食生境具有重要意义.

3) 加强低水位值抬升对菜子湖越冬候鸟适宜生境及重要越冬水鸟种群数量和分布格局的影响研究，用科学试验和生态环境监测数据为菜子湖水位进一步优化调度提供科学依据.