基于生態(tài)過(guò)程的湖泊水文健康評(píng)價(jià)體系研究Ⅱ：應(yīng)用

盧 路，裴中平，賈海燕

（長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 武漢 430051）

基于生態(tài)水文過(guò)程的湖泊水文健康評(píng)價(jià)體系理論篇[1]提出了10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和湖泊水文健康綜合指數(shù)（flow health index，F(xiàn)H）。這些指標(biāo)包括：高水期（high flow，HF）、低水期（low flow，LF）、連續(xù)高水期（persistently higher，PH）、連續(xù)低水期（persistently lower，PL）、連續(xù)極低水期（persis-tently very lower，PVL）、水文節(jié)律變化（seasonality hydrology shift，SHS）、兩次洪峰之間的間隔（flood flow interval，F(xiàn)FI）、年 最 大 值（highest monthly，HM）、年最小值（lowest monthly，LM）和最低生態(tài)水位（lowest monthly water level，LWL）。由這10個(gè)指標(biāo)及湖泊水文健康綜合指數(shù)組成評(píng)價(jià)體系可對(duì)湖泊徑流、水位、含沙量等水文項(xiàng)目進(jìn)行一項(xiàng)或多項(xiàng)評(píng)價(jià)，最后綜合得出湖泊水文健康狀態(tài)。本研究將采用上述方法對(duì)鄱陽(yáng)湖水文健康進(jìn)行評(píng)估，判斷當(dāng)前鄱陽(yáng)湖水文健康狀況，以期為鄱陽(yáng)湖科學(xué)管理提供參考。

1 鄱陽(yáng)湖概況

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)第一大淡水湖，其水系徑流主要由降雨補(bǔ)給，徑流的空間分布基本與降水一致[2-3]。鄱陽(yáng)湖區(qū)在經(jīng)歷了20 世紀(jì)80 年代以來(lái)近40 年的經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展后，湖區(qū)各地均不同程度地承受著過(guò)度排污、過(guò)度采砂、河道結(jié)構(gòu)破壞、過(guò)度捕撈等多重脅迫，相應(yīng)地出現(xiàn)了水質(zhì)惡化、河道形態(tài)破壞、生境退化、水文情勢(shì)改變以及重要或敏感水生生物消亡等問(wèn)題[4-6]。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，鄱陽(yáng)湖水文水資源狀況欠佳，最低生態(tài)水位滿足程度較低。目前鄱陽(yáng)湖處于凈沖刷狀態(tài)，同流量下水位降低，特別是枯季水位下降較為明顯[7]。鄱陽(yáng)湖健康問(wèn)題十分突出，嚴(yán)重影響鄱陽(yáng)湖對(duì)人類社會(huì)發(fā)展需求和生物多樣性支撐作用，影響了生態(tài)服務(wù)功能的可持續(xù)利用。在此背景下，判斷當(dāng)前鄱陽(yáng)湖健康狀況，亟需一套科學(xué)評(píng)估河湖健康的方法為科學(xué)管理湖泊提供有效的管理工具，實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展。

2 鄱陽(yáng)湖徑流健康評(píng)估

2.1 參照期和水平期的確定

鄱陽(yáng)湖多年平均水資源總量為2.340×1010m3，其中地表水資源量為2.155×1010m3，約占水資源總量的92.1%。鄱陽(yáng)湖水位受鄱陽(yáng)湖水系來(lái)水及長(zhǎng)江干流水情雙重影響，水位的高低，對(duì)鄱陽(yáng)湖面積、容積有著直接影響。該湖泊存在著明顯的洪水期、低水期湖泊水位變化，呈現(xiàn)出獨(dú)特的水文節(jié)律。每年4—9 月為汛期，湖水水位上漲，其中4—6 月為五大水系主汛期。10月至翌年3月為低水期，水位下降。本研究采用鄱陽(yáng)湖湖口站1955—2008 年的月徑流和水位數(shù)據(jù)。參照期一般采用研究區(qū)域未經(jīng)人類活動(dòng)干擾或受人類活動(dòng)影響很小的時(shí)期，同時(shí)為了消除選擇的偶然性，參照期一般以10 年為基數(shù)，向前遞增。理論上，參照期時(shí)間選擇越長(zhǎng)，越能反映自然水文節(jié)律的變化?？紤]鄱陽(yáng)湖水資源開(kāi)發(fā)利用的歷史，同時(shí)考慮資料的收集時(shí)長(zhǎng)，將1955—1966年資料作為研究時(shí)段的參照期。參照水平年一般為參照期的第1 年即1955 年，該年通常被認(rèn)為是受人類活動(dòng)影響最小的年份。

根據(jù)水平期的計(jì)算方法，將參照期連續(xù)6個(gè)月中位數(shù)徑流量之和相加得到的最小值對(duì)應(yīng)的月份為低水期，低水期開(kāi)始的第1個(gè)月作為水平年的初始月份。經(jīng)計(jì)算，參照期連續(xù)6個(gè)月中位數(shù)之和最小值為12 882.5 m3/s，發(fā)生在9 月至翌年2 月，所對(duì)應(yīng)的第1個(gè)月份，即9月，作為參照期開(kāi)始計(jì)算的月份，9 月至翌年2 月為低水期，3—8 月為高水期。

2.2 參照期水文頻率分布和閾值的確定

根據(jù)湖泊水文健康體系理論方法，分別計(jì)算參照期、低水期及高水期月水文頻率，低水期和高水期月水文頻率、最高徑流量、最低徑流量水文頻率，參照期全年水文頻率、月徑流及月徑流排名，最后計(jì)算參照期徑流閾值。經(jīng)計(jì)算，25%來(lái)水頻率低水期和高水期流量分別為951.25 m3/s和3 455 m3/s，75%來(lái)水頻率低水期流量為2975 m3/s，75%月最高流量和最低流量分別為107 25 m3/s 和1 110 m3/s，25%月最低流量和1%流量分別為373.5 m3/s和333.59 m3/s，75%月流量排名為4.16。

2.3 鄱陽(yáng)湖徑流健康指數(shù)計(jì)算

以鄱陽(yáng)湖2008年湖口站月徑流為例進(jìn)行說(shuō)明。湖口站3—8月高水期徑流量之和為31 370 m3/s，9月至翌年2月低水期之和為17 780 m3/s，對(duì)應(yīng)的水文頻率分別為30.3%和28.6%，帶入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[1]中的式（1），求得高水期指標(biāo)HF 和低水期指標(biāo)LF 得分。湖口站最高徑流量為8 880 m3/s，最低徑流量為1 500 m3/s，對(duì)應(yīng)的水文頻率分別為62.4%和82.9%，分別帶入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[1]中式（1）和式（3），求得年最大值HM 和年最小值LM。3 月、5 月和8月3個(gè)月在參照期水文頻率低于25%、高于75%的月份有5個(gè)月，分別為10月、11月、12月、1月和2月，因此，低水期連續(xù)高水月份累計(jì)值為5。分別利用參考文獻(xiàn)[1]中的式（6）和式（9）計(jì)算連續(xù)高水期指標(biāo)PH和連續(xù)低水期指標(biāo)PL分值。湖口站月徑流量低于全年水文頻率1%對(duì)應(yīng)徑流量的月份為零，采用參考文獻(xiàn)[1]中的式（12）計(jì)算持續(xù)極低徑流量（PVL）。2008 年各月徑流量排名與參照期相比，發(fā)生了較大變化，其中，3月排名變化最大，4月排名沒(méi)有發(fā)生變化，年平均排名變化為4，對(duì)應(yīng)參照期頻率為78%，計(jì)算結(jié)果為0.88。75%水文頻率月最高流量為10 735 m3/s，最近超過(guò)該流量的年份是2006 年6 月，其徑流量為12 600 m3/s。距離2008 年年底期間共30 個(gè)月，利用參考文獻(xiàn)[1]中的方程（16）計(jì)算FFI分?jǐn)?shù)。各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2008年鄱陽(yáng)湖湖口站水文健康指數(shù)計(jì)算成果Tab.1 Hydrology health index at Hukou station of Poyang Lake in 2008

重復(fù)以上計(jì)算步驟，完成1955—2007 年的水文指標(biāo)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1 可以看出：1955—2008 年間，HF 在1963 年發(fā)生非常大的變化，1979年、2004年和2007年發(fā)生較大變化；LF發(fā)生非常大變化的年份有1965 年、1967 年、1968 年、1972 年、1979 年、1987 年、1993 年 和2004 年；PH 發(fā)生非常大變化的年份有1971 年、1994年、1996年、2000年、2001年和2003年，發(fā)生較大變化的年份有1985 年、1991 年、1995 年和1999 年；PL 和PVL 無(wú)較大變化；SHS 發(fā)生非常大變化的年份有1963年、1971年、1974年和1998 年，發(fā)生較大變化的年份有1976 年、1986 年、1989年和1991年；FFI發(fā)生非常大變化的年份有1990年、1991 年、1992 年和2006 年；HM 發(fā) 生 非 常 大 變 化的年份有1963年、1979年和2007年，發(fā)生較大變化的年份有1986 年和1987 年；LM 發(fā)生非常大變化的年份有1965 年，發(fā)生較大變化的年份有1980 年和1987 年?？偟膩?lái)說(shuō)，該站監(jiān)測(cè)資料顯示鄱陽(yáng)湖水文總體處于較健康狀態(tài)，該期間鄱陽(yáng)湖水文沒(méi)有發(fā)生非常大變化，最近幾十年發(fā)生較大變化的年份包括1991年和2004年，1991年其原因可能是7月長(zhǎng)江水位托頂?shù)构鄬?dǎo)致突變，2004年的原因是出現(xiàn)了近10 年最小徑流量，其他年份均保持平穩(wěn)，徑流健康總體處于較好水平。

圖1 鄱陽(yáng)湖水文健康評(píng)價(jià)馬賽克圖Fig.1 The mosaic of hydrological health assessment for Poyang Lake

3 鄱陽(yáng)湖水位健康評(píng)估

根據(jù)水文健康評(píng)估過(guò)程計(jì)算水位健康，主要計(jì)算LWL，對(duì)應(yīng)指標(biāo)中的低水期指標(biāo)，其計(jì)算方法和步驟與低水期指標(biāo)計(jì)算步驟相同。首先確定參照期高水期水位和低水期水位，然后計(jì)算參照期每個(gè)月水位頻率曲線，將試驗(yàn)期數(shù)據(jù)帶入?yún)⒄掌谒活l率曲線，返回對(duì)應(yīng)頻率，利用參考文獻(xiàn)[1]中的式（1）～（4）計(jì)算得分。其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 2008年鄱陽(yáng)湖湖口站水位健康得分計(jì)算表Tab.2 The score of water level health at Hukou station of Poyand Lake in 2008

2008 年湖口站1—12 月月平均水位和其在參照期所對(duì)應(yīng)的水位頻率如表2 所示，2008 年3 月、5 月、7 月水位比參照期所有年份水位都低，說(shuō)明2008 年相對(duì)參照期水位發(fā)生了劇烈變化，相對(duì)同期歷史水位嚴(yán)重偏低，其原因可能是三峽水庫(kù)調(diào)度對(duì)鄱陽(yáng)湖的影響。從季節(jié)來(lái)看，鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江的較強(qiáng)作用主要在4—6 月，而長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的較強(qiáng)作用主要發(fā)生在7—9 月。研究顯示三峽水庫(kù)運(yùn)行并沒(méi)有改變長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖作用的基本特征，在多數(shù)季節(jié)三峽水庫(kù)的影響不足以解釋長(zhǎng)江徑流量變化的10%，但是水庫(kù)在不同季節(jié)的蓄水或放水在一定程度上改變了江湖關(guān)系的時(shí)空變化過(guò)程，并對(duì)鄱陽(yáng)湖流域的旱澇情勢(shì)產(chǎn)生了一定影響。4—6月的放水加強(qiáng)了長(zhǎng)江作用，由于此時(shí)正值鄱陽(yáng)湖流域的雨季，增強(qiáng)的長(zhǎng)江作用在濕潤(rùn)氣候的環(huán)境下可能增加初夏鄱陽(yáng)湖流域發(fā)生洪澇的概率；7—9 月的少量蓄水則減弱長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的作用，降低了湖區(qū)洪澇的概率；而10月三峽水庫(kù)的大量蓄水可能增加鄱陽(yáng)湖流域的旱季干旱發(fā)生率。2008 年水位綜合得分0.61 分。

重復(fù)上述步驟對(duì)1959—2007年水位進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果見(jiàn)圖2，可以看出鄱陽(yáng)湖水位近10年相對(duì)于參照期有變低的趨勢(shì)，且突變趨勢(shì)明顯。尤其是在2004 年和2007 年，年均水位均比參照期低，說(shuō)明這兩年生態(tài)最低水位相對(duì)參照期發(fā)生了極大變化，可能已經(jīng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了影響。

圖2 鄱陽(yáng)湖水位健康評(píng)價(jià)馬賽克圖Fig.2 The mosaic of water level health assessment for Poyang Lake

4 鄱陽(yáng)湖水文健康綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合鄱陽(yáng)湖徑流健康評(píng)估結(jié)果與水位健康評(píng)估結(jié)果，取其平均值作為鄱陽(yáng)湖水文健康的綜合得分，最終計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？芍蛾?yáng)湖水文總體上較為健康，鄱陽(yáng)湖水文健康變化趨勢(shì)與水位健康變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明鄱陽(yáng)湖水文健康受水位影響較大，而受徑流變化影響相對(duì)較小。鄱陽(yáng)湖徑流變化指數(shù)與水位指數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，在個(gè)別年份（1965 年，1967 年，1993 年等）徑流變化指數(shù)趨勢(shì)與水位變化指數(shù)不同，其原因是年內(nèi)發(fā)生了持續(xù)干旱或持續(xù)高水位。過(guò)去50 年內(nèi)，鄱陽(yáng)湖水位呈周期性變動(dòng)，水位發(fā)生了6次極值變化，三峽水庫(kù)建成前，鄱陽(yáng)湖水位健康指數(shù)基本呈10 年周期變化，建成后周期縮短為3 年。鄱陽(yáng)湖徑流健康程度總體處于較好水平，但在個(gè)別年份發(fā)生了較大變化，可能是7月長(zhǎng)江水位托頂?shù)构鄬?dǎo)致的。

圖3 鄱陽(yáng)湖水文健康評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 The hydrological health evaluation results of Poyang Lake

5 結(jié)論

本研究采用基于生態(tài)過(guò)程的湖泊水文健康評(píng)價(jià)體系對(duì)鄱陽(yáng)湖水文健康進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明鄱陽(yáng)湖水文處于微小變化狀態(tài)，其水文健康受水位影響較大，受徑流影響相對(duì)較小，總體上處于較為健康狀態(tài)。但水位健康指數(shù)周期由三峽建成前的10 年縮短為三峽建成后的3 年，導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖水文健康處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鄱陽(yáng)湖處于亞健康狀態(tài)時(shí)可通過(guò)控制鄱陽(yáng)湖水位對(duì)鄱陽(yáng)湖水文健康進(jìn)行調(diào)控。目前，鄱陽(yáng)湖處于微小變化的健康狀態(tài)，鄱陽(yáng)湖水文不需要進(jìn)行人工調(diào)控。本研究采用基于生態(tài)過(guò)程的湖泊水文健康評(píng)估方法對(duì)鄱陽(yáng)湖水文健康進(jìn)行評(píng)估，但該方法是否適用于其他非通江湖泊，還需要進(jìn)一步研究。