第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
变化环境下的水安全问题是国际社会广泛关注的热点，也是我国水安全保障和实现可持续发展面临的重大挑战。受工业化、城镇化的快速发展及全球气候变化等因素的影响，城市水资源短缺、水污染、洪涝灾害等水安全问题日益突出。城市湖泊作为城市水循环的重要载体，具有防洪排涝、供水、生态景观、改善气候等多种功能。此外，城市湖泊也是一种重要的自然景观，在维持生态系统平衡、提高城市居民生活质量和幸福指数、丰富城市景观等方面具有重要意义。
近年来，随着城市化进程的发展，以武汉市湖泊群为典型代表的长江中下游湖泊群发生了重大变化。城市扩张和闸坝修建导致江湖阻隔，致使城市湖泊水域面积萎缩，调蓄功能弱化，自净能力下降，富营养化日益严重；垂直堤岸使得湖滨带生境破坏，湖泊中水生植物群落退化严重（谭飞帆等，2012；陈晓江，2010）。此外，城市发展导致长江水循环变化加剧，“城市看海”问题、合流制溢流及面源污染问题频发，城市水问题与经济发展的矛盾日益凸显。以武汉市为例，近年来城市暴雨内涝频繁发生，2016 年暴雨内涝灾害造成全市12个区75.7万人受灾，直接经济损失达22.65 亿元（夏军，2018）。近几十年来，武汉市湖泊面积大量减少（汪晖，2017），河湖及湿地生态系统退化严峻，武汉市虽湖泊众多，但由于湖泊相对*立，水动力条件不足，部分湖泊水质较差，洪涝灾害和水环境等水安全问题日益严峻，已成为制约城市经济社会持续健康发展的关键瓶颈。
合理的湖泊水位调控是保障防洪安全、改善水环境和生态修复的重要手段。城市湖泊通常兼具防洪排涝、供水、生态景观等多种功能，但由于各种功能所需水位存在矛盾，城市湖泊的各种功能通常难以兼顾和协调。在保障湖泊防洪排涝安全时，往往会将湖泊降至较低水位，从而忽略了湖泊的生态景观功能，造成湖泊水量较少、汛后无水可蓄的状况，与湖泊供水和景观功能相矛盾。因此，城市湖泊水位调控问题是在防洪安全、生态健康、环境友好等复杂约束集合条件下的多目标优化问题，与单一功能湖泊的水位调控相比更为复杂。如何在众多的需求当中寻找*优的湖泊水位调控方案，实现湖泊多重功能协调发展，达到湖泊资源利用*大化是城市发展的迫切需求，也是湖泊管理工作必然要面临的重点和难点问题。
在此背景下，本书以快速城市化典型区域——武汉市汤逊湖地区为研究对象，针对研究区域面临的防洪排涝、水环境、水生态等水安全问题，开展基于城市水安全的河湖网络水位调控和水力优化调度方法与应用研究，这一研究可为城市湖泊防洪排涝和生态环境综合调控提供技术支撑，对于我国同类湖泊的管理和保护具有重要参考价值和借鉴意义。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 湖泊防洪排涝水位研究进展
防洪排涝水位即湖泊汛期起排水位，类似于水库的汛限水位。汛限水位是水库调度中的一个重要水位，是防洪与兴利的结合点。目前对于汛限水位的研究大多集中于水库，对于湖泊起排水位的研究并不多见，但其原理和方法可借鉴水库。湖泊分期调度水位研究需要解决两个关键问题：一是汛期分期的划分；二是湖泊洪涝模型的构建。目前我国许多学者对这两个问题进行了有益的探索，其应用已取得了一定的成效。
1. 汛期分期的划分
传统的水库（湖泊）防洪调度运行方式要求在整个汛期以较低的汛限水位迎汛，这往往导致了汛期不敢蓄水，而汛期过后又无水可蓄，防洪与兴利之间矛盾突出，水资源不能有效利用的局面。而解决这一矛盾的有效途径之一就是对汛期进行分期，以分期设计洪水及先进的洪水预报技术制定分期汛限水位，在不增加防洪风险的前提下充分利用洪水资源，以缓解水资源短缺矛盾。其中如何科学合理地制定汛期分期是一个重要的技术环节。
对于汛期的划分方法*初是从形成暴雨的天气系统及暴雨、洪水本身的季节性变化特性入手，定性地寻找分期规律。研究成果大多存在着主观性和不确定性。因此，从20 世纪90 年代开始，汛期分期的定量研究得到了长足发展，并涌现出了大量的计算方法和分析技术。目前常用的汛期划分方法有成因分析法、数理统计法、模糊分析法、变点分析法、矢量统计分期法、相对频率分期及分形分析法等。胡振鹏等（1992）针对丹江口水库调度的需要对汛期划分进行了研究，主要包括水文统计分析和气候成因分析两个方面；陈守煜（1995）明确提出汛期的边界不清晰，是客观存在着的模糊现象，并提出了水文成因、概率统计、模糊集分析相结合的确定汛期隶属函度的综合性方法；侯玉等（1999）提出了用分形理论划分洪水分期的方法；刘攀等（2005）提出利用变点分析理论对三峡水库汛期分期进行划分；高波等（2005 ）研究提出了采用多因子、基于模糊相似矩阵的系统聚类分析方法。
2. 湖泊洪涝模型
20 世纪70 年代早期，随着美国等一些国家政府机构开展城市雨洪模型研发，城市雨洪模型得到迅速发展，其主要经历了经验性模型、概念性模型和物理性模型三个阶段（Singh et al.，2015；Cantone and Schmidt，2011）。经验性模型基于对输入输出的经验来构建数学方程，又称“黑箱”模型，由于缺少对水文物理过程的分析，往往不能达到预期的精度，但其可为缺乏资料城市地区的雨洪计算提供依据，可弥补概念性模型和物理性模型在该点的不足。概念性模型是基于水量平衡原理构建的，具有一定的物理意义，其*主要的特点是模型中的参数需要实测的资料进行率定，再依据参数和构建的模型进行模拟（朱冬冬等，2011；Schmitt et al.，2004），概念性模型构建时在模型算法、架构、约束等方面做了简化，在精细化方面有待进一步提高。物理性模型以水动力学为基础，主要建立在圣维南方程组理论上，把研究区域在空间上网格化，因此是一类分布式的水文模型（Burns et al.，2012；王晓霞和徐宗学，2008），该类模型在下垫面复杂且产汇流交织的城市地表建立难度大，对资料的要求高，求解烦琐，但其模拟精度高。
城市雨洪模型一般包括降雨径流子模块、地表汇流子模块和管网流量演算子模块（宋晓猛等，2014；Adams and Papa，2000）。降雨径流子模块即城市降雨产流过程：降雨落到城市地表，其中落到植物上的部分先被截留蒸发；落到透水地表的雨水因地表在开始降雨时往往是较干燥的，所以会先下渗，且在降雨初期雨强还较小时，雨水全部入渗，随着降雨时间的增加及降雨强度的增大，地表逐渐开始有多余的雨水产生，该部分余水在填补洼蓄后，便产生透水地表部分的径流；落到不透水面的雨水因不透水地表不存在下渗，因此雨水填补不透水地表的洼蓄后便可形成径流；当降雨趋于结束，其降雨强度逐渐减小，一般此时地表仍存在积水，因此径流还不会停止，直到地表的积水完全退去（芮孝芳，2004）。城市地表产流较天然流域时间缩短，产流量增大，洪峰提前，其产流不均匀（邹霞等，2014；Nix，1994）。
自 20 世纪 90 年代以来，随着遥感（remote sensing，RS）、地理信息系统（geographic information system，GIS ）等信息技术的快速发展，将信息技术和传统机理模型相结合成为研究的热点。初期应用阶段，RS 和GIS 技术主要用来提取城市雨洪模型输入数据，包括流域地形、河网、土地利用等，属于信息技术与城市雨洪模型的松散耦合（王龙等，2010）。BASINS、InfoWorks CS 等模型的出现实现了城市雨洪模型与信息技术的紧密耦合。此外还有许多应用较为广泛的模型，包括暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM）、Mike Urban 模型、HSPF （hydrological simulation program FORTRAN ，水文模拟程序FORTRAN ）模型、DR3-QUAL 模型等。GIS 平台丰富了城市雨洪模型功能，为研究结果提供了便捷的可视化平台和友好的人机交互界面，模型功能覆盖的全面性程度有了本质飞跃，这些新兴信息技术极大地充实了机理模型的研究条件和研究手段，推动了机理模型的快速发展。
1.2.2 湖泊生态水位研究进展
20 世纪90 年代末，Gleick（1992）*次提出了湿地基本生态需水的概念，提出为湿地系统提供一定的水量，以满足生物生境需求，恢复湿地天然生态系统。到20 世纪末，湖泊生态水位研究已取得了较大发展。生态水位评估方法已逐渐从水文分析为主发展为以生物需求为主要目标。常用的方法分为四类：历史流量法、水力评价法、生境评价法和整体评价法（Arthington and Zalucki，1998）。其中，历史流量法和水力评价法在很大程度上依赖于可靠的长期水文数据的可用性（Chen et al.，2017；Dai et al.，2016）。这两种方法基于的概念是，低于长期形成的天然水位状况将破坏生态系统的完整性（Gao et al.，2010）。生境评价法源于水力评价法，近年来得到了广泛的应用。这种方法是利用指标物种的生态需求来评估生态系统过程的适宜性。常用的方法有物理生境模拟模型方法（Shuler and Nehring，1994）、*小生物空间需求法（Xu et al.，2005 ）和生境分析方法（Burgess and Vanderbyl，1996）。整体评价法是综合考虑水文和生态指标的多学科方法。由于水文因子与生态因子之间的相互作用机制极其复杂，该方法的研究尚处于起步阶段（Cui et al.，2010）。在现有的方法中，大多数是为了确定河流的环境流量需求而发展起来的，而不能直接应用于湖泊湿地。此外，这些方法的主要重点是研究*低生态水位，较少强调动态水位波动对水生物种的影响。
湖泊湿地生态需水的研究不同于河流等其他水生态系统（王新功等，2007），维持生物多样性是湖泊需水研究的关键目标，其中以植物需水量为主，大多学者都是将植物生长与水文过程的关系作为研究重点，同时也有部分研究考虑了湖泊中动物对水量的需求，但整体而言，基于生物需求的湿地生态需水是现有研究的基本思路。由于湖泊湿地类型多样，不同研究者对湿地生态需水概念的出发点和关注角度不尽相同：部分专家认为湖泊湿地需水量是指补充蒸散发、下渗等消耗的水量（崔保山和杨志峰，2002），以此维持生态系统的良性发展；同时也有研究者认为，在湿地生态需水的研究中，应该考虑满足湿地内部合理的蓄存水量，即湿地生态需水量指为达到某种生态水平和保护生物多样性所需要的水量（张祥伟，2005）；还有专家认为湿地需水研究中应将湿地蓄水量和耗水量分别计算，即湿地生态需水量应包括维持湿地不同管理目标下的生态环境功能的地表蓄水量和湿地耗水量两部分（周林飞等，2007）。
总体来说，湖泊湿地生态水位的研究尚处于起步阶段，至今尚未形成统一的计算方法，也没有形成完善的理论体系。当前的研究大多侧重于湖泊*低生态水位的研究，且基于目标生物水文-生态机理的生态水位研究并不多见，这些不足应是未来研究湖泊生态水位需要考虑的重要因素。
1.2.3 湖泊水质调控水位研究进展
湖泊水质调控水位是使湖泊水质达到水功能区划要求所需的*低水位（蒋婷等，2018）。根据“中央一号文件”中水功能区限制纳污红线，可计算湖泊纳污能力，从而达到严格控制入湖排污总量，维护湖泊良好水环境的目标。目前国内外专家学者开展了部分关于湖泊水质调控水位的研究，但研究相对较少。White 等（2008）对北美五大湖区四个偏远区域的水位、水质和水生生物群的长期数据进行了整理，揭示了自然水位波动对水质和水生生物群落的影响。张琳等（2020）构建河湖群水质数学模型，对非汛期不同水位调控方案下河湖群水质改善情况进行了模拟和分析。蒋婷等（2018）提出了三种计算湖泊水质调控水位的方法，并将其应用于黄石市磁湖，结果表明通过湖泊水位调控可以较好地改善湖泊的水质状况。李景璇等（2021 ）采用相关系数法开展了东平湖水位
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