鄱陽湖生態(tài)流量適宜性評估

摘要：

近年來，鄱陽湖呈現(xiàn)出枯水期提前且持續(xù)時間延長的趨勢，研究鄱陽湖生態(tài)流量需求是否得到滿足至關(guān)重要。以鄱陽湖為研究對象，基于湖口水文站1950～2020年的資料數(shù)據(jù)，采用頻率曲線法計算鄱陽湖年內(nèi)生態(tài)流量，并從流量變化、持續(xù)時間和發(fā)生時間等方面構(gòu)建了月流量偏差率、月生態(tài)流量滿足度和月均生態(tài)流量適宜度3個生態(tài)流量適宜性評價指標(biāo)，將這3個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個綜合指標(biāo)對典型豐水年（2016年）、平水年（1997年）和枯水年（2004年）鄱陽湖的生態(tài)流量適宜性進行了評估。結(jié)果表明：① 鄱陽湖生態(tài)流量呈單峰型季節(jié)變化趨勢，谷值出現(xiàn)在12月份，為621.61 m3/s，峰值出現(xiàn)在6月份，為4 559.36 m3/s，是谷值生態(tài)流量的7倍多。② 在典型豐水年（2016年），鄱陽湖的生態(tài)流量適宜性綜合指標(biāo)為0.92～0.97，共有12個月的健康等級為“極佳”，實際徑流量能夠較好地滿足生態(tài)流量的需求。③ 在典型平水年（1997年），適宜性綜合指標(biāo)最高為0.99，最低為0.73，共有11個月的健康等級為“極佳”，健康狀態(tài)較為可觀。④ 在典型枯水年（2004年），綜合指標(biāo)為0.39～0.99，鄱陽湖有2個月的健康等級達到“中等”或“差”，處于較差的健康狀態(tài)。研究深入分析了鄱陽湖在不同典型年下的湖泊健康水平，突出了氣候變化對湖區(qū)生態(tài)流量安全的潛在威脅，進而強調(diào)生態(tài)流量調(diào)控的緊迫性，為鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞：

生態(tài)流量適宜性； 頻率曲線法； 湖口水文站； 鄱陽湖

中圖法分類號：TV213

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.016

文章編號：1006-0081（2024）07-0093-06

0 引 言

生態(tài)流量指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量（水量、水位）及其過程。維護河湖的生態(tài)流量對保障湖泊健康、推進生態(tài)保護至關(guān)重要［1-2］。生態(tài)流量適宜性是指河湖生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)流量對于維持系統(tǒng)內(nèi)特定生物群體（如魚類、水生動植物）生存和發(fā)展等功能的適宜程度［3-4］。評估研究區(qū)域河湖的生態(tài)流量滿足狀況和可持續(xù)性，有助于加強河湖生態(tài)系統(tǒng)的保護與管理［5-6］。

鄱陽湖是中國最大的淡水湖，更是全球重要的濕地和候鳥棲息地，其生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定對于維持流域生物多樣性和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［7］。然而，近年來受氣候變化與人類活動的影響，鄱陽湖呈現(xiàn)出枯水期提前且持續(xù)時間延長的趨勢［8-10］。因此，研究鄱陽湖生態(tài)流量需求是否得到滿足尤為重要。本文基于湖口水文站1950～2020年的資料系列，采用頻率曲線法計算鄱陽湖的生態(tài)流量過程。同時，從徑流量的變化、持續(xù)時間和發(fā)生時間等3個方面構(gòu)建月流量偏差率、月生態(tài)流量滿足度和月均生態(tài)流量適宜度數(shù)學(xué)模型，并形成綜合指標(biāo)評估鄱陽湖生態(tài)流量的適宜性。最后，分別選取典型豐水年（2016年）、平水年（1997年）和枯水年（2004年）3個典型年對鄱陽湖進行生態(tài)流量適宜性評估，旨在為合理保護和管理鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)提供決策支持。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖位于江西省，是中國最大的淡水湖。通過鄱陽湖的調(diào)蓄，能夠降低贛江及其他江河的洪峰強度，緩解長江洪水對沿河地區(qū)的影響。因此，鄱陽湖對長江水位的調(diào)控、水源的涵養(yǎng)、區(qū)域氣候的改善以及周邊區(qū)域的生態(tài)平衡具有重要的意義。從水文特性分析，鄱陽湖是一個季節(jié)性的吞吐型淺水湖。在不同季節(jié)和不同年份，湖水的水位變化幅度較大，年內(nèi)變化幅度為9.59～15.36 m。鄱陽湖流域的徑流量主要依靠降雨補充，五河入湖的徑流量與年際降雨分布是一致的，但分布極不均衡。根據(jù)鄱陽湖湖口站觀測數(shù)據(jù)顯示，1951～1998年平均年徑流量為4 740 m3［7］。

1.2 生態(tài)流量計算方法

生態(tài)流量的計算方法較多，包括頻率曲線法、tennant法、NGPRP法、Texas法等［11］。通常情況下，若有30 a以上長序列水文資料時采用水文頻率曲線法，選用一定頻率的月平均流量作為河湖的生態(tài)流量。根據(jù)水利部發(fā)布的SL/Z 712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》，選取95%保證率下對應(yīng)的月平均流量值作為生態(tài)流量［12］。以長系列水文資料的各月平均流量為計算基礎(chǔ)，將每個月系列數(shù)據(jù)排頻、皮爾遜Ⅲ型頻率曲線配線，構(gòu)建出1～12月的水文頻率曲線，取95%保證率相應(yīng)的月平均流量作為對應(yīng)月份的河湖控制斷面生態(tài)流量。

1.3 生態(tài)流量適宜性評估方法

生態(tài)流量適宜性評估是指對研究區(qū)域河湖的生態(tài)流量滿足狀況進行評價［5-6］。本文以歷年實際徑流量特征作為其生態(tài)流量的確定依據(jù)，從流量變化、持續(xù)時間和發(fā)生時間等3個方面建立了月流量偏差率、月生態(tài)流量滿足度和月均生態(tài)流量適宜度3個主要評價指標(biāo)，并將此3個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個綜合指標(biāo)來對河湖進行生態(tài)流量適宜性評估。

1.3.1 月流量偏差率

月流量偏差率是指生態(tài)需水量與實際徑流量的日平均流量序列中值（逐日流量序列中的中位數(shù)）的比值，能夠體現(xiàn)出生態(tài)需水量與實際徑流量之間的偏差。計算公式為

Ci=1（Qεi≤Qi）QiQεi（Qεi＞Qi）

（1）

式中：Ci為第i月流量偏差率；Qεi為第i個月的生態(tài)需水量，m3；Qi為與Qεi對應(yīng)的第i月的逐日日均徑流序列的中值，m3。當(dāng)Qi≥Qεi時，該條件下的天然徑流已經(jīng)滿足生態(tài)需求，此時偏差率為1；當(dāng)Qilt;Qεi時，天然徑流不能滿足維持生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性所需的最低流量，此時偏差率按照公式計算。由式（1）可知，Ci值越接近1，說明生態(tài)需水量與實際徑流量越接近。

1.3.2 月生態(tài)流量滿足度

月生態(tài)流量滿足度為實際徑流量能夠達到生態(tài)流量要求的天數(shù)占自然流量總天數(shù)的比值。計算公式為

ai=DijDi=∑Dik=1Sgn（Qijk－Qij）Di（2）

Sgn（Qijk－Qij）=1（Qijkgt;Qij）0（Qijklt;Qij）（3）

式中：ai為月生態(tài)流量滿足度；Dij為第j年第i月的生態(tài)流量滿足天數(shù)，d；Di為第i月的總天數(shù)，d；Sgn為數(shù)學(xué)符號函數(shù)；Qijk為第j年第i月第k天的實際徑流量，m3；Qij為第j年第i月的生態(tài)需水量，m3。

根據(jù)式（2）可知，ai∈［0，1］。ai值越大，說明連續(xù)生態(tài)需水保證率越高，實際徑流量在滿足流域的生態(tài)環(huán)境流量需要的同時，也可以滿足生態(tài)健康流量的需要。

1.3.3 月均生態(tài)流量適宜度

月均生態(tài)流量適宜度反映月生態(tài)流量與實際徑流量的適宜程度。計算公式為

Fi=1－F′i10（4）

F′i=Qmi-Q′miQmi2+Qmi-Q′極iQ′極i（5）

式中：Fi為月均生態(tài)流量適宜度；F′i為第i月月均生態(tài)流量的離散系數(shù)；Qmi為第i月的生態(tài)流量，m3/s；Q′mi為第i月的實際月均流量，m3/s；Q′極i為第i月天然日流量序列的極大值，m3/s。

當(dāng)Fi=1時，表示月生態(tài)流量與實際徑流量完全適宜；當(dāng)Fi=0時，表示月生態(tài)流量與實際徑流量不適宜；當(dāng)Filt; 0時，當(dāng)月生態(tài)流量與實際徑流量的離散程度可視為完全離散，并取Fi=0。

1.3.4 生態(tài)流量適宜性綜合指標(biāo)

Ci，ai，F(xiàn)i三個指標(biāo)分別從不同角度對比生態(tài)流量與實際徑流量過程。月流量偏差率Ci從流量值上評價生態(tài)流量的偏差，月生態(tài)流量滿足度ai從滿足生態(tài)流量的時間上評價生態(tài)流量的滿足度，而月均生態(tài)流量適宜度Fi從水量角度分析生態(tài)流量與實際徑流量的適宜程度。采用幾何平均值將3個指標(biāo)綜合為1個生態(tài)流量適宜性綜合指標(biāo)，用Zi表示，其計算公式為

Zi=3CiaiFi（6）

根據(jù)式（6）可知，Zi∈［0，1］。Zi越接近1，說明研究區(qū)域河湖的生態(tài)流量滿足狀況越高，越能夠達到湖泊健康水平需要的流量。因此，根據(jù)Zi值可將湖泊的健康狀態(tài)分為5個等級：0.8lt;Zi≤1.0為極佳，0.6lt;Zi≤0.8為佳，0.4lt;Zi≤0.6為中等，0.2lt;Zi≤0.4為差，0≤Zi≤0.2為極差。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)流量計算結(jié)果

根據(jù)鄱陽湖湖口水文站1950～2020年資料系列中1～12月的月平均流量，分別繪制月徑流頻率曲線（圖1），并獲取95%保證率對應(yīng)流量作為當(dāng)月生態(tài)流量，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，計算得到的鄱陽湖的生態(tài)流量呈單峰型季節(jié)變化趨勢，豐水期4～7月的生態(tài)流量均超過2 500 m3/s，而枯水期12月至次年2月均低于1 100 m3/s。生態(tài)流量的谷值出現(xiàn)在12月，為621.61 m3/s；而峰值出現(xiàn)在6月，為4 559.36 m3/s，是1月份生態(tài)流量的5倍多。

2.2 生態(tài)流量適宜性評估結(jié)果

分別選取2016年（豐水年）、1997年（平水年）、2004年（枯水年）作為典型代表年，進行生態(tài)流量適宜性評估，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2016年鄱陽湖的月流量偏差率均為1，表明12個月的實際流量均達到生態(tài)流量需求；從月生態(tài)流量滿足度來看，除6月和7月分別為0.97和0.87之外，其他月份均為1，表明各月自然流量均滿足鄱陽湖生態(tài)需水保證率；月均生態(tài)流量適宜度主要分布在0.85～0.92區(qū)間，說明實際徑流量與月生態(tài)流量比較適宜。生態(tài)流量綜合指標(biāo)最高為0.97（4月和10月），最低為0.92（7月）；2016年鄱陽湖的健康等級在12個月中均為“極佳”。由此可見，在豐水年鄱陽湖的實際徑流能夠較好地滿足生態(tài)流量的需求，使鄱陽湖保持在較好的健康狀態(tài)。

1997年的月流量偏差率的最小值為0.95（3月），其余月份均為1，說明實際徑流量與生態(tài)流量在一定程度上接近并滿足需求；從月生態(tài)流量滿足度來看，除3月和6月分別為0.42和0.77之外，其余月份均為1，表明鄱陽湖在平水年中個別月份的生態(tài)需水未得到保證；7～12月的生態(tài)流量適宜度較小，在0.83～0.90區(qū)間，1～6月的生態(tài)流量適宜度主要分布在0.94～0.99區(qū)間，說明月生態(tài)流量與實際徑流比較適宜。生態(tài)流量綜合指標(biāo)最高為0.99，最低值為0.73（3月）；1997年鄱陽湖健康等級共有11個月為“極佳”，1個月（3月）為“佳”。由此可見，在平水年鄱陽湖的實際徑流基本滿足生態(tài)流量的需求，鄱陽湖的健康狀態(tài)較為樂觀。

2004年的月流量偏差率的最小值為0.66（6月），除2月和6月以外，其余月份均為1，說明生態(tài)流量與實際徑流在一定程度上接近；月生態(tài)流量滿足度主要分布在0.07～1.00，除5月和7～12月較高（均大于0.85）外，其余月份生態(tài)流量滿意度普遍較低，最小值出現(xiàn)在2月（0.07），說明2月鄱陽湖的生態(tài)需水未能得到滿足；從生態(tài)流量適宜度來看，適宜度普遍較高，說明生態(tài)流量與實際徑流相適宜。生態(tài)流量綜合指標(biāo)最高為0.99（11月），最低為0.39（2月）；2004年鄱陽湖健康等級分別有10個月為“極佳”，1個月為“中等”，1個月為“差”。由此可見，在枯水年鄱陽湖的天然來水不能滿足生態(tài)流量的需求，鄱陽湖在個別月份處于較差的健康狀態(tài)。

為進一步驗證方法的可行性和合理性，分別列舉了2016年（豐水年）、1997年（平水年）、2004年（枯水年）的月實際和生態(tài)流量滿足天數(shù)圖，以進一步綜合分析生態(tài)流量，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，2016年的月實際徑流呈單峰分布狀態(tài)，流量峰值為13 816.13 m3/s（6月），1～6月呈逐月增加，9月（5 884.03 m3/s）進入枯水期。豐水年內(nèi)來流情勢較好，月流量均能滿足生態(tài)流量需求。從滿足天數(shù)來看，除6月（29 d）和7月（27 d）之外，其余月份的滿足天數(shù)均與實際天數(shù)相等。綜上可知，豐水年在流量變化、持續(xù)時間和發(fā)生時間上均符合“極佳”等級標(biāo)準(zhǔn)，河流處于較好健康狀態(tài)。

1997年的月徑流分布呈現(xiàn)雙峰型，第一個峰值在5月（6 112.91 m3/s），第二個峰值出現(xiàn)在8月（12 645.16 m3/s）。鄱陽湖河流健康等級在3月等級為“佳”，綜合評價指數(shù)為0.73。由圖可知3月實際來流為2 139.03 m3/s，3月逐日流量的中值為1 660 m3/s，比生態(tài)流量值（1 751.31 m3/s）要小，從而導(dǎo)致月流量偏差率為0.95。從滿足天數(shù)來看，3月的實際滿足天數(shù)為13 d。綜上，3月的實際徑流在流量變化和持續(xù)時間上均不太符合生態(tài)流量“極佳”的標(biāo)準(zhǔn)，但是能夠達到“佳”等級。

2004年1～3月，鄱陽湖流域的總體氣候特點是氣溫明顯偏高，降水偏少，主要受2003年下半年以來的連旱之后的持續(xù)干旱和春旱影響［10，13］。尤其是在2月，鄱陽湖的生態(tài)流量評價等級為“差”，通過分析來流情況和滿足天數(shù)發(fā)現(xiàn)，造成“差”等級的主要原因是實際來流天數(shù)嚴(yán)重不滿足生態(tài)需求，僅有2 d滿足。根據(jù)2004年江西省自然災(zāi)害公報記錄：6月干旱進一步加強，導(dǎo)致枯水期提前［14］，實際月流量（3 134.17 m3/s）遠遠小于生態(tài)流量（4 559.36 m3/s），滿足天數(shù)僅為7 d。此時月生態(tài)流量綜合等級僅為“中等”水平。隨后，鄱陽湖發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件［13］，7月之后轉(zhuǎn)為洪澇災(zāi)害，7～12月鄱陽湖河流健康等級恢復(fù)至“極佳”狀態(tài)，綜合指數(shù)恢復(fù)到0.94～0.99區(qū)間。

鄱陽湖作為中國最大的淡水湖，也是全球重要的濕地和候鳥棲息地，在枯水年的徑流量卻不能滿足生態(tài)流量的需求。這是由于近年來受人類活動與氣候變化的影響，鄱陽湖的枯水期提前且持續(xù)時間延長，枯水位屢創(chuàng)新低，水資源短缺問題愈發(fā)突出，嚴(yán)重威脅到湖區(qū)的生態(tài)安全。人類活動主要包括人工采砂、水利工程等。鄱陽湖具有豐富的優(yōu)質(zhì)泥沙資源，年采砂量占長江流域采砂總量的32%，然而過量采砂會導(dǎo)致湖泊的水位降低、水面萎縮，泄流加大，使得鄱陽湖泄流能力增加和蓄水量減少，尤其是在枯水季下降趨勢明顯，水位下降引起徑流量減少，這是造成鄱陽湖枯水期水量性缺水的主要成因［15-16］。同時，長江上游水庫、大壩等水利工程設(shè)施的修建也對鄱陽湖的徑流過程產(chǎn)生了影響，三峽水庫汛后蓄水加速了鄱陽湖水位下降的幅度［17］。氣候變化方面，近年來鄱陽湖出現(xiàn)極端洪旱災(zāi)害趨勢增加，旱澇急轉(zhuǎn)事件加劇，徑流變化顯著［18］。水文條件的改變必然導(dǎo)致鄱陽湖濕地景觀格局分布和演替改變，進而影響鳥類棲息地與魚類的產(chǎn)卵繁殖地，引發(fā)生態(tài)問題。

3 結(jié)論與展望

本文基于鄱陽湖湖口水文站1950～2020年資料系列各月平均徑流量，分別繪制月徑流頻率曲線，并獲取95%保證率對應(yīng)流量作為當(dāng)月生態(tài)流量。生態(tài)流量呈單峰型季節(jié)變化趨勢，谷值出現(xiàn)在12月，為621.61 m3/s；而峰值出現(xiàn)在6月，為4 559.36 m3/s，是12月份生態(tài)流量的7倍多。選取2016年（豐水年）、1997年（平水年）、2004年（枯水年）作為典型年，以進行生態(tài)流量適宜性評價。在豐水年（2016年），鄱陽湖的適宜性綜合指標(biāo)為0.92～0.97，共有12個月的健康等級“極佳”，實際徑流能夠較好地滿足生態(tài)流量的需求。在平水年（1997年），鄱陽湖的適宜性綜合指標(biāo)最高值為0.99，最低值為0.73（3月），健康等級為“極佳”的共有11個月，等級為“佳”的有1個月，平水年的健康狀態(tài)也較為良好。在枯水年（2004年），鄱陽湖的適宜性綜合指標(biāo)在2月和6月分別為0.39（差）和0.53（中等），共有10個月的鄱陽湖健康等級出現(xiàn)“極佳”，鄱陽湖在個別月份處于較差的健康狀態(tài)。人工采砂、水利工程等人類活動和極端洪旱災(zāi)害等氣候變化會導(dǎo)致鄱陽湖的枯水期提前且持續(xù)時間延長，嚴(yán)重威脅到湖區(qū)的生態(tài)安全。此外，鄱陽湖的徑流調(diào)控需考慮旱澇急轉(zhuǎn)事件對生態(tài)需水的影響，使其維持正常的健康水平。因此，本文計算得到的生態(tài)流量可作為鄱陽湖生態(tài)調(diào)度時的參考。

本文主要針對湖口水道的生態(tài)流量進行計算和評估。主要關(guān)注生活在主湖區(qū)的水生植物和動物（如魚類和藻類等），提出的評價指標(biāo)能夠較好地反映水生生物的生態(tài)需求。然而，對于生活在鄱陽湖周圍的碟形湖濕地的候鳥而言，情況有所不同。為了評估鄱陽湖水生態(tài)環(huán)境對候鳥的滿足程度和適宜性，需要進一步發(fā)展新的評價方法。這個新的評價方法將包括碟形湖的面積、水位、水體氮磷濃度和植被分布等濕地生態(tài)指標(biāo)的評價。通過考慮這些指標(biāo)，能更好地了解濕地候鳥的生態(tài)需求，從而更準(zhǔn)確地評估碟形湖濕地對候鳥的滿足程度，為鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)的管理保護和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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（編輯：江 文）

Suitability assessment of ecological flow in Poyang Lake

LUO Xing1，XIAO Xiao1，ZHOU Bingyi2，QIAN Bao1，3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.School of Ecology and Environment，Inner Mongolia University，Hohhot 010000，China； 3.Innovation Team for Basin Water Environment Protection and Gover-nance，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In recent years，Poyang Lake presents a trend of earlier dry season and longer duration，so it is very important to study whether the ecological flow demand of Poyang Lake can be met. Taking Poyang Lake as the research object，based on the data of Hukou Hydrological Station from 1950 to 2020，the annual ecological flow of Poyang Lake was calculated by using the frequency curve method，and three ecological flow suitability evaluation indexes，namely，monthly flow deviation rate，monthly ecological flow satisfaction degree and monthly average ecological flow suitability degree，were constructed from the aspects of flow change，duration and occurrence time. The ecological flow suitability of Poyang Lake in typical wet year （In 2016），normal year （In 1997） and dry year （In 2004） was evaluated by converting these three indexes into a comprehensive index. The results showed that： ① The ecological flow of Poyang Lake showed a unimodal seasonal variation trend，with a valley value of 621.61 m3/s in December，and a peak value of 4 559.36 m3/s in June，which was more than 7 times that of the valley value of ecological flow. ② In the typical wet year （In 2016），the comprehensive index of suitability of Poyang Lake was 0.92 to 0.97，and the health grade was excellent for a total of 12 months，and the actual runoff could better meet the needs of ecological flow. ③ In the typical normal year （In 1997），the highest comprehensive index of suitability was 0.99，the lowest was 0.73，and the health grade was excellent for a total of 11 months，indicating a considerable health state. ④ In the typical dry year （In 2004），the comprehensive index was 0.39 to 0.99，and the health grade of Poyang Lake reached the level of medium or poor for 2 months，which was in a poor health state. The study analyzed the lake health level of Poyang Lake in different typical years，highlighted the potential threat of climate change to the ecological flow security of the lake，and further emphasized the urgency of ecological flow regulation，providing a reference for the management and sustainable development of Poyang Lake′s ecosystem.

Key words：

ecological flow suitability； frequency curve method； Hukou Hydrological Station； Poyang Lake