基于生態(tài)過程的湖泊水文健康評價體系研究Ⅰ：理論

盧 路，裴中平，賈海燕

（長江水資源保護科學研究所，武漢 430051）

目前，國內外河湖健康評價方法較多[1]，其中較為流行和成熟的方法為參照法[2-4]。該方法首先確定河湖水文健康的標準，即確定參照期。然后構建一套由若干水文指標組成的評價體系。將研究期與參照期指標數據進行比較，對照確定的河湖健康標準確定湖泊健康程度。Arthington等[5]和Poff等[6]率先建立了一套評估生態(tài)水文變化過程的水文變化指標方法（Indication of Hydrologic Alteration，IHA），該指標體系從水流的流量、頻率、歷時、發(fā)生時間和變化率5個方面表征生態(tài)結構信息；Brown等[7]對IHA進行了擴展，提出了一套7類指標構成的指標體系，相比IHA增加了流量的年內、年際變化和洪水指數等指標；Olden等[8]總結了當時171個可用的水文指標，提出了一個服務于未來的生態(tài)水文評價指標選擇的統(tǒng)計框架；Suen等[9]應用魚類個體生態(tài)學矩陣法，提出了包含60個特征指標的臺灣北部河流生態(tài)水文指標體系（Taiwan Eco-hydrologic Indicator System，TEIS）。徐天寶[10]的研究顯示水文指標一般對應某種生態(tài)響應，即所選指標一般由具有生態(tài)意義的水文要素組成，并作為生態(tài)系統(tǒng)對水文系統(tǒng)需求的外在表現(xiàn)形式?？梢娝闹笜擞糜谔剿骱恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)與水文過程的耦合關系是一種有效的方式。

本研究提出了改進的參照法，將參照水平年分為高水期和低水期兩部分，將水文健康分為微小變化、較小變化、中等變化、較大變化和顯著變化5個等級，見圖1。

圖1 水文健康等級賦分分布圖Fig.1 Hydrological health grade distribution map

1 湖泊水文健康評價指標篩選原則

（1）代表性：所選指標具有普適性，即所選指標能適用于一類湖泊，能客觀反映湖泊水文的健康程度。（2）可參照性：河湖健康程度必須有一個客觀的評判標準。國際上通用的辦法認為河湖在受到人工干擾以前（或人為干擾很少）是健康的。因此，所選指標的參照期一定來自檢測數據本身。（3）時變性：天然湖泊水文徑流具有時變性，因此，要求所選指標具有非均勻分布特征，能夠反映天然徑流時變過程。（4）通用性：所選指標不僅可以反映湖泊徑流量的變化，還需要反映其他水文指標的變化，如水位、含沙量等。（5）量綱統(tǒng)一性：所選指標應該都可以用數字來進行評價，比如：0或1，或評判范圍為0～1，有統(tǒng)一的量綱，便于計算水文健康分數。

2 基于生態(tài)過程的湖泊水文健康評價指標體系的建立

湖泊水文節(jié)律的變化符合非均勻分布，如圖2所示。Richter等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下，水文要素對月流量狀況、極端水文現(xiàn)象（如極值）、極端水文現(xiàn)象出現(xiàn)的時間、脈沖流量頻率與歷時、豐枯水期變化頻率等方面的變化產生生態(tài)響應。如月流量均值可以定義棲息地環(huán)境特征：濕周、流速、棲息地面積等；極端水文事件的出現(xiàn)時間可作為水生生物特定的生命周期或者生命活動的信號，而其發(fā)生頻率又與生物的繁殖或死亡有關，進而影響生物種群的動態(tài)變化；水文變量的變化率則與生物承受變化的能力顯著相關。

圖2 自然狀態(tài)下與湖泊生態(tài)相關的徑流組分Fig.2 Runoff components associated with lake ecology in nature

洪水脈沖事件和中小徑流脈沖對部分魚類和藻類有著重要影響，這類生物在洪水期會大量繁殖；豐水期基流和枯水期基流，特別是枯水期基流對湖泊有著重要影響，該基流的大小和持續(xù)時間往往決定湖泊的健康程度，是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運轉的最低流量。可能出現(xiàn)的斷流事件對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的打擊可能是巨大的，持續(xù)時間足夠長的話，整個湖泊生態(tài)系統(tǒng)會崩潰，演變?yōu)椴菰鷳B(tài)系統(tǒng)或其他生態(tài)系統(tǒng)。

受到人類活動干擾的湖泊其水文情勢通常會發(fā)生非常大的變化，圖3顯示了幾種典型的人類活動對湖泊水文節(jié)律的影響。大壩調控是一種典型對水文節(jié)律產生影響的人類活動，通過大壩調控可以消減洪峰流量、減少洪水發(fā)生的頻率和概率、增加兩次洪水之間的間隔時間以及實現(xiàn)徑流的再分配。另一種典型的人類活動是蓄水和供水，蓄水不僅可以消減下游洪水的峰值、增加兩次洪水發(fā)生的時間間隔、減少豐水期徑流流量，同時可實現(xiàn)徑流的再分配以及改變徑流豐枯特性。最后一個典型人類活動是導流，導流不能實現(xiàn)徑流的再分配過程，但是能使低水期低流量事件持續(xù)發(fā)生，增加極低流量出現(xiàn)的風險。

圖3 幾種典型的人類活動對水文的影響Fig.3 Effects of several typical human activities on hydrology

因此，所選指標不僅要體現(xiàn)自然條件下徑流組分，同時人類活動對水文節(jié)律的影響也要有體現(xiàn)。以水文指標篩選原則為基礎，綜合考慮湖泊水文的特點，確定以下10個湖泊水文評價指標，見表1。

表1 湖泊水文健康指標Tab.1 Lake hydrological indicators

3 湖泊水文健康評價指標計算方法

3.1 水文指標閾值的確定

自然條件下，將25%水文頻率數值作為生態(tài)下限閾值、75%水文頻率數值作為生態(tài)的上限閾值、連續(xù)極小流量的閾值為1%是較為通行做法。并考慮低水期和高水期各單項的權重不同，如圖4。

圖4 相對參照期不同水文頻率分布圖Fig.4 Different hydrological frequency distribution maps in the reference period

具體計算方法如下：

式中，P為試驗數據水文頻率，f（P）為所賦分數，H為高水期，L為低水期。

3.2 參照水平年和計算起始時間的確定

參照水平年一般為所計算數據的第一年，為了避免選擇的偶然性，該參照期長度一般為10年及以上。水平年一般分為兩個時期，分別為高水期和低水期，從概率角度上說，二者發(fā)生時間相同，具有相同的時間長度，即一年中6個月低水期和6個月高水期。低水期與季度流量緊密相關。首先，計算參照期每個月徑流的中位數，然后將連續(xù)6個月中位數相加，得到12個中位數，這12個數中最小的數對應的時期為低水期，如圖5所示，9月至翌年2月為低水期，3—8月為高水期。在計算過程中，一般不從低水期或高水期中間時段開始計算，避免割裂水文脈沖的完整性。如果從低水期開始計算，那么低水期第1個月作為計算初始期。對高水期，反之亦然。本研究采用從低水期開始計算法。

圖5 鄱陽湖參照期連續(xù)6個月流量中位數之和Fig.5 The sum of the median flow of Poyang lake for six consecutive months in reference period

3.3 指標計算

如圖6所示，所選指標與湖泊水文特性緊密相關，其中，HF，LF，HM，LM，SHS 5個指標對參照期水文節(jié)律變化非常敏感。也就是說，如果湖泊在自然條件下徑流變化不是很大，通過人類調控改變這種狀況，使徑流發(fā)生非常大的變化，這時計算指標可能表現(xiàn)很好。對大多數河流而言，PL，PH，PVL很少出現(xiàn)在參照期，即便發(fā)生，通常也只有幾個月。

圖6 某湖泊2007—2008水平年水文健康指標之間的關系Fig.6 The relationship between the hydrological indicators of a lake in the 2007 to 2008

由于FFI反映的是年季水文情勢的變化，其計算不同于其他指標。FFI反映的是最后一次洪水發(fā)生事件，該洪水的流量是由參考期徑流所確定的洪水閾值所決定的，如圖7所示。首先確定一個洪水發(fā)生的最大的容差間隔，如果兩次洪水發(fā)生的時間超過該時間，F(xiàn)FI指數將持續(xù)下降直到為0，也就是說，下次洪水發(fā)生時，分數重新被設置為1。

圖7 參照期洪水閾值Fig.7 Reference period threshold of flood

3.3.1 HF和LF

試驗期HF賦分是根據參照期的高水期徑流量確定的，具體賦分方式為試驗期任何時段總徑流量超過參照期高水期同一時段最大徑流量賦分為1，如果低于參照期高水期同一時段最低徑流量賦分為0，具體賦分方式為：SumPt（HF）≥SumPp（HF），f（HF）=1；SumPt（HF）＜SumPp（HF），f（HF）=0。其中，Pt為試驗期徑流量，Pp為參照期徑流量，f（HF）為所賦分數，H為高水期，L為低水期。

計算步驟：（1）計算參照期徑流高水期和高水期的水文頻率分布；（2）確定試驗期高水期和低水期的水文頻率分布；（3）計算實驗期數據在參照期對應的水文頻率值；（4）將該水文頻率值代入圖4和算式（1）～（4）計算。

LF計算方法同高水期指標HF計算方法一致。

3.3.2 HM和LM

試驗期HM計算第一步是計算參照期月最大徑流量的水文頻率分布，當參照期月最大徑流量水文頻率分布確定之后，基于該結論確定試驗期的水文頻率分布，然后將試驗期的值代入參照期系列數據，得到實驗期數據在參照期數據的水文頻率值，將該水文頻率值代入圖4和算式（1）～（4）計算。

LM計算方法同HM計算方法一致。

3.3.3 PH

第一步是計算試驗期每個月徑流量在水文頻率中所處的頻率。如果試驗期每個月的徑流量超過參照期最大月徑流量，賦值1；如果試驗期每個月的徑流量小于參照期最小月徑流量，賦值0。這樣每個月用0或1表示。如果月徑流水文頻率小于等于參照期的75%，賦值0；大于75%，賦值1?？紤]時間序列的變化，將連續(xù)的正數相加，如下個月賦分為0，重新計算。因此，對一年連續(xù)最大徑流月而言，其值必然是正數。計算PH的方程如下：

3.3.4 PL

首先計算試驗期每個月徑流量在水文頻率中所處的頻率。如果試驗期測試月的徑流量超過參照期最大月徑流量，賦值0；如果試驗期測試月的徑流量小于參照期最小月徑流量，賦值-1。這樣每個月用0或-1表示。如果月徑流水文頻率大于等于參照期的25%，賦值0；小于25%，賦值-1?？紤]賦值時間次序，將連續(xù)的負數相加，如下個月賦值0，重新計算，上年相加的結果可代入下一年，由于這樣的計算是一年接一年，計算累計的月份完全可以超過12個月。計算PL的方程如下：

3.3.5 PVL

該指標定義為徑流量小于或等于參照期1%水文頻率下的徑流量。計算首先根據確定PVL的標準，對于試驗期的每個月徑流，任何月徑流小于或等于極低徑流量，該指數賦值1，否則賦值0?？紤]賦值時間次序，將連續(xù)的正數相加，如下個月賦值0，則停止重新計算，上年相加的結果可代入下一年。由于這樣的計算是一年接一年，因此，計算累計的月份完全超過12個月，但一般不會出現(xiàn)這種情況，正常情況下，一年中的高水期將超過該徑流量，對一些湖泊通過調度也可以取得同樣的效果。計算PVL的方程如下：

3.3.6 SHS

首先，計算參照期每個月50%徑流量并排序，然后將參照期每個月徑流量排序，這兩個排序之間的差值為0～11，計算參照期差值的平均值，得到一個新的序列值，該值位于0～6之間。用同樣的方法計算試驗期該值，代入參照期序列，返回該值在參照期中的分布頻率，對照下面方程（14）和（15）計算其分數。再同參照期該值比較，該值為6表示豐枯完全翻轉，如果為0則豐枯水期沒有變化。如果在天然狀態(tài)下，該值變化范圍較大，豐枯正常交替，而受到人類活動干擾的湖泊，豐枯變化不是特別明顯，該值變化范圍較小。

3.3.7 FFI

該指標是監(jiān)測洪水減少的頻率，而不是洪水本身發(fā)生的頻率，也可以說是兩次洪水發(fā)生之間間隔的頻率。其時間為兩次對生態(tài)產生負面影響獨立洪水之間的長度，而不是洪水本身發(fā)生的頻率。如圖8所示。

圖8 月洪峰平均日徑流與月洪峰連續(xù)徑流之間的關系圖Fig.8 Relationship between daily averaged runoff and conitidions runoff during monthly flood peak

計算洪水流量間隔首先確定自然情況下洪水發(fā)生的頻率，這里對洪水的定義是超過參照期月最高徑流量水文頻率75%的流量即為洪水。例如，以圖8數據為例，參照這個標準，圖8經計算可以將4年作為洪水發(fā)生的頻率，也就是說，在參照期每4年就有一個徑流量大于或等于該值。接著確定兩次洪水發(fā)生的最大間隔，通常情況下與水文發(fā)生頻率保持一致，即4年，如果在該時期內，徑流對生態(tài)沒有太大負面影響，F(xiàn)FI將被賦予1分。對于受人工調控的河湖，該值可適當延長。如果該值超過4年，得分將按線性減少，直至為0。通常情況下當時間超過洪水發(fā)生頻率2倍即8年時，得分為0。也就是說如果8年之內不發(fā)生一次洪水超過水文頻率75%的徑流量，生態(tài)系統(tǒng)將會受到一定程度的負面影響。

FFI的計算是基于月時間尺度，如果用N（月）表示兩次洪水發(fā)生的時間間隔，其計算方程如下：

3.3.8 LWL

該指標是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運轉的最低水位，是維護湖泊水資源可持續(xù)利用的基本水位。其計算方法為：首先，計算參照期各月水位的水文頻率分布；其次，將試驗期水位代入參照期水位頻率曲線返回對應頻率，代入算式（1）～（4）求得得分。

4 湖泊水文健康評價指標計算方法

采用上述湖泊水文健康評價指標計算方法分別對湖泊徑流水位、含沙量等水文特征項單獨進行計算得到單項健康指數FHi，將單項健康指數進行加權計算后得到湖泊水文健康綜合指數，其計算公式如下：

式中，F(xiàn)H為湖泊水文健康綜合指數；FHi為湖泊水文特征項。賦分與所選指標有著密切關系。如果其計算僅僅是簡單的計算所選指標的平均數，理論上，如果全年徑流量為0，其健康指標所得分數應該為0，然而實際上得分是一正數。這是由于在所選的指標中，PH與其他指標賦分方法不同，其他指標在全年徑流量為0的時候得分為0，而PH得分為1。這個問題可以通過以下方法解決，可以將PH作為LF的調節(jié)因子，將PH分數乘以LF分數，得到調整后的LF分數。這時湖泊健康指數（FH）可以認為是修正后的LF分數與其他7個指標分數的平均數，得分將在0～1之間，其中0表示試驗期與參照期相關度很高，而1表示試驗期與參照期的相關度很低。

5 結語

本研究在參照法的基礎上進行改進，將參照水平年分為高水期和低水期，介紹了高水期指標、低水期指標、連續(xù)高水期指標、連續(xù)低水期指標、連續(xù)低水期極低指標、水文節(jié)律變化指標、兩次洪峰之間的間隔、年最大值、年最小值和最低生態(tài)水位等10個指標及湖泊水文健康綜合指數FH組成，該方法對湖泊徑流、水位、含沙量等水文項目進行一項和多項評價，最后綜合得出湖泊水文健康狀態(tài)。將此上述方法應用在水利部預算項目——鄱陽湖水文健康評估中，判斷當前鄱陽湖水文健康狀況，該研究結果將刊登在本刊今年第2期。