基于生态过程的湖泊水文健康评价体系研究Ⅰ：理论

卢 路，裴中平，贾海燕

（长江水资源保护科学研究所，武汉 430051）

目前，国内外河湖健康评价方法较多[1]，其中较为流行和成熟的方法为参照法[2-4]。该方法首先确定河湖水文健康的标准，即确定参照期。然后构建一套由若干水文指标组成的评价体系。将研究期与参照期指标数据进行比较，对照确定的河湖健康标准确定湖泊健康程度。Arthington等[5]和Poff等[6]率先建立了一套评估生态水文变化过程的水文变化指标方法（Indication of Hydrologic Alteration，IHA），该指标体系从水流的流量、频率、历时、发生时间和变化率5个方面表征生态结构信息；Brown等[7]对IHA进行了扩展，提出了一套7类指标构成的指标体系，相比IHA增加了流量的年内、年际变化和洪水指数等指标；Olden等[8]总结了当时171个可用的水文指标，提出了一个服务于未来的生态水文评价指标选择的统计框架；Suen等[9]应用鱼类个体生态学矩阵法，提出了包含60个特征指标的台湾北部河流生态水文指标体系（Taiwan Eco-hydrologic Indicator System，TEIS）。徐天宝[10]的研究显示水文指标一般对应某种生态响应，即所选指标一般由具有生态意义的水文要素组成，并作为生态系统对水文系统需求的外在表现形式。可见水文指标用于探索河流生态系统与水文过程的耦合关系是一种有效的方式。

本研究提出了改进的参照法，将参照水平年分为高水期和低水期两部分，将水文健康分为微小变化、较小变化、中等变化、较大变化和显著变化5个等级，见图1。

图1 水文健康等级赋分分布图Fig.1 Hydrological health grade distribution map

1 湖泊水文健康评价指标筛选原则

（1）代表性：所选指标具有普适性，即所选指标能适用于一类湖泊，能客观反映湖泊水文的健康程度。（2）可参照性：河湖健康程度必须有一个客观的评判标准。国际上通用的办法认为河湖在受到人工干扰以前（或人为干扰很少）是健康的。因此，所选指标的参照期一定来自检测数据本身。（3）时变性：天然湖泊水文径流具有时变性，因此，要求所选指标具有非均匀分布特征，能够反映天然径流时变过程。（4）通用性：所选指标不仅可以反映湖泊径流量的变化，还需要反映其他水文指标的变化，如水位、含沙量等。（5）量纲统一性：所选指标应该都可以用数字来进行评价，比如：0或1，或评判范围为0～1，有统一的量纲，便于计算水文健康分数。

2 基于生态过程的湖泊水文健康评价指标体系的建立

湖泊水文节律的变化符合非均匀分布，如图2所示。Richter等[11-12]研究发现，通常情况下，水文要素对月流量状况、极端水文现象（如极值）、极端水文现象出现的时间、脉冲流量频率与历时、丰枯水期变化频率等方面的变化产生生态响应。如月流量均值可以定义栖息地环境特征：湿周、流速、栖息地面积等；极端水文事件的出现时间可作为水生生物特定的生命周期或者生命活动的信号，而其发生频率又与生物的繁殖或死亡有关，进而影响生物种群的动态变化；水文变量的变化率则与生物承受变化的能力显著相关。

图2 自然状态下与湖泊生态相关的径流组分Fig.2 Runoff components associated with lake ecology in nature

洪水脉冲事件和中小径流脉冲对部分鱼类和藻类有着重要影响，这类生物在洪水期会大量繁殖；丰水期基流和枯水期基流，特别是枯水期基流对湖泊有着重要影响，该基流的大小和持续时间往往决定湖泊的健康程度，是维持湖泊生态系统正常运转的最低流量。可能出现的断流事件对湖泊生态系统的打击可能是巨大的，持续时间足够长的话，整个湖泊生态系统会崩溃，演变为草原生态系统或其他生态系统。

受到人类活动干扰的湖泊其水文情势通常会发生非常大的变化，图3显示了几种典型的人类活动对湖泊水文节律的影响。大坝调控是一种典型对水文节律产生影响的人类活动，通过大坝调控可以消减洪峰流量、减少洪水发生的频率和概率、增加两次洪水之间的间隔时间以及实现径流的再分配。另一种典型的人类活动是蓄水和供水，蓄水不仅可以消减下游洪水的峰值、增加两次洪水发生的时间间隔、减少丰水期径流流量，同时可实现径流的再分配以及改变径流丰枯特性。最后一个典型人类活动是导流，导流不能实现径流的再分配过程，但是能使低水期低流量事件持续发生，增加极低流量出现的风险。

图3 几种典型的人类活动对水文的影响Fig.3 Effects of several typical human activities on hydrology

因此，所选指标不仅要体现自然条件下径流组分，同时人类活动对水文节律的影响也要有体现。以水文指标筛选原则为基础，综合考虑湖泊水文的特点，确定以下10个湖泊水文评价指标，见表1。

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

3 湖泊水文健康评价指标计算方法

3.1 水文指标阈值的确定

自然条件下，将25%水文频率数值作为生态下限阈值、75%水文频率数值作为生态的上限阈值、连续极小流量的阈值为1%是较为通行做法。并考虑低水期和高水期各单项的权重不同，如图4。

图4 相对参照期不同水文频率分布图Fig.4 Different hydrological frequency distribution maps in the reference period

具体计算方法如下：

式中，P为试验数据水文频率，f（P）为所赋分数，H为高水期，L为低水期。

3.2 参照水平年和计算起始时间的确定

参照水平年一般为所计算数据的第一年，为了避免选择的偶然性，该参照期长度一般为10年及以上。水平年一般分为两个时期，分别为高水期和低水期，从概率角度上说，二者发生时间相同，具有相同的时间长度，即一年中6个月低水期和6个月高水期。低水期与季度流量紧密相关。首先，计算参照期每个月径流的中位数，然后将连续6个月中位数相加，得到12个中位数，这12个数中最小的数对应的时期为低水期，如图5所示，9月至翌年2月为低水期，3—8月为高水期。在计算过程中，一般不从低水期或高水期中间时段开始计算，避免割裂水文脉冲的完整性。如果从低水期开始计算，那么低水期第1个月作为计算初始期。对高水期，反之亦然。本研究采用从低水期开始计算法。

图5 鄱阳湖参照期连续6个月流量中位数之和Fig.5 The sum of the median flow of Poyang lake for six consecutive months in reference period

3.3 指标计算

如图6所示，所选指标与湖泊水文特性紧密相关，其中，HF，LF，HM，LM，SHS 5个指标对参照期水文节律变化非常敏感。也就是说，如果湖泊在自然条件下径流变化不是很大，通过人类调控改变这种状况，使径流发生非常大的变化，这时计算指标可能表现很好。对大多数河流而言，PL，PH，PVL很少出现在参照期，即便发生，通常也只有几个月。

图6 某湖泊2007—2008水平年水文健康指标之间的关系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势的变化，其计算不同于其他指标。FFI反映的是最后一次洪水发生事件，该洪水的流量是由参考期径流所确定的洪水阈值所决定的，如图7所示。首先确定一个洪水发生的最大的容差间隔，如果两次洪水发生的时间超过该时间，FFI指数将持续下降直到为0，也就是说，下次洪水发生时，分数重新被设置为1。

图7 参照期洪水阈值Fig.7 Reference period threshold of flood

3.3.1 HF和LF

试验期HF赋分是根据参照期的高水期径流量确定的，具体赋分方式为试验期任何时段总径流量超过参照期高水期同一时段最大径流量赋分为1，如果低于参照期高水期同一时段最低径流量赋分为0，具体赋分方式为：SumPt（HF）≥SumPp（HF），f（HF）=1；SumPt（HF）＜SumPp（HF），f（HF）=0。其中，Pt为试验期径流量，Pp为参照期径流量，f（HF）为所赋分数，H为高水期，L为低水期。

计算步骤：（1）计算参照期径流高水期和高水期的水文频率分布；（2）确定试验期高水期和低水期的水文频率分布；（3）计算实验期数据在参照期对应的水文频率值；（4）将该水文频率值代入图4和算式（1）～（4）计算。

LF计算方法同高水期指标HF计算方法一致。

3.3.2 HM和LM

试验期HM计算第一步是计算参照期月最大径流量的水文频率分布，当参照期月最大径流量水文频率分布确定之后，基于该结论确定试验期的水文频率分布，然后将试验期的值代入参照期系列数据，得到实验期数据在参照期数据的水文频率值，将该水文频率值代入图4和算式（1）～（4）计算。

LM计算方法同HM计算方法一致。

3.3.3 PH

第一步是计算试验期每个月径流量在水文频率中所处的频率。如果试验期每个月的径流量超过参照期最大月径流量，赋值1；如果试验期每个月的径流量小于参照期最小月径流量，赋值0。这样每个月用0或1表示。如果月径流水文频率小于等于参照期的75%，赋值0；大于75%，赋值1。考虑时间序列的变化，将连续的正数相加，如下个月赋分为0，重新计算。因此，对一年连续最大径流月而言，其值必然是正数。计算PH的方程如下：

3.3.4 PL

首先计算试验期每个月径流量在水文频率中所处的频率。如果试验期测试月的径流量超过参照期最大月径流量，赋值0；如果试验期测试月的径流量小于参照期最小月径流量，赋值-1。这样每个月用0或-1表示。如果月径流水文频率大于等于参照期的25%，赋值0；小于25%，赋值-1。考虑赋值时间次序，将连续的负数相加，如下个月赋值0，重新计算，上年相加的结果可代入下一年，由于这样的计算是一年接一年，计算累计的月份完全可以超过12个月。计算PL的方程如下：

3.3.5 PVL

该指标定义为径流量小于或等于参照期1%水文频率下的径流量。计算首先根据确定PVL的标准，对于试验期的每个月径流，任何月径流小于或等于极低径流量，该指数赋值1，否则赋值0。考虑赋值时间次序，将连续的正数相加，如下个月赋值0，则停止重新计算，上年相加的结果可代入下一年。由于这样的计算是一年接一年，因此，计算累计的月份完全超过12个月，但一般不会出现这种情况，正常情况下，一年中的高水期将超过该径流量，对一些湖泊通过调度也可以取得同样的效果。计算PVL的方程如下：

3.3.6 SHS

首先，计算参照期每个月50%径流量并排序，然后将参照期每个月径流量排序，这两个排序之间的差值为0～11，计算参照期差值的平均值，得到一个新的序列值，该值位于0～6之间。用同样的方法计算试验期该值，代入参照期序列，返回该值在参照期中的分布频率，对照下面方程（14）和（15）计算其分数。再同参照期该值比较，该值为6表示丰枯完全翻转，如果为0则丰枯水期没有变化。如果在天然状态下，该值变化范围较大，丰枯正常交替，而受到人类活动干扰的湖泊，丰枯变化不是特别明显，该值变化范围较小。

3.3.7 FFI

该指标是监测洪水减少的频率，而不是洪水本身发生的频率，也可以说是两次洪水发生之间间隔的频率。其时间为两次对生态产生负面影响独立洪水之间的长度，而不是洪水本身发生的频率。如图8所示。

图8 月洪峰平均日径流与月洪峰连续径流之间的关系图Fig.8 Relationship between daily averaged runoff and conitidions runoff during monthly flood peak

计算洪水流量间隔首先确定自然情况下洪水发生的频率，这里对洪水的定义是超过参照期月最高径流量水文频率75%的流量即为洪水。例如，以图8数据为例，参照这个标准，图8经计算可以将4年作为洪水发生的频率，也就是说，在参照期每4年就有一个径流量大于或等于该值。接着确定两次洪水发生的最大间隔，通常情况下与水文发生频率保持一致，即4年，如果在该时期内，径流对生态没有太大负面影响，FFI将被赋予1分。对于受人工调控的河湖，该值可适当延长。如果该值超过4年，得分将按线性减少，直至为0。通常情况下当时间超过洪水发生频率2倍即8年时，得分为0。也就是说如果8年之内不发生一次洪水超过水文频率75%的径流量，生态系统将会受到一定程度的负面影响。

FFI的计算是基于月时间尺度，如果用N（月）表示两次洪水发生的时间间隔，其计算方程如下：

3.3.8 LWL

该指标是维持湖泊生态系统正常运转的最低水位，是维护湖泊水资源可持续利用的基本水位。其计算方法为：首先，计算参照期各月水位的水文频率分布；其次，将试验期水位代入参照期水位频率曲线返回对应频率，代入算式（1）～（4）求得得分。

4 湖泊水文健康评价指标计算方法

采用上述湖泊水文健康评价指标计算方法分别对湖泊径流水位、含沙量等水文特征项单独进行计算得到单项健康指数FHi，将单项健康指数进行加权计算后得到湖泊水文健康综合指数，其计算公式如下：

式中，FH为湖泊水文健康综合指数；FHi为湖泊水文特征项。赋分与所选指标有着密切关系。如果其计算仅仅是简单的计算所选指标的平均数，理论上，如果全年径流量为0，其健康指标所得分数应该为0，然而实际上得分是一正数。这是由于在所选的指标中，PH与其他指标赋分方法不同，其他指标在全年径流量为0的时候得分为0，而PH得分为1。这个问题可以通过以下方法解决，可以将PH作为LF的调节因子，将PH分数乘以LF分数，得到调整后的LF分数。这时湖泊健康指数（FH）可以认为是修正后的LF分数与其他7个指标分数的平均数，得分将在0～1之间，其中0表示试验期与参照期相关度很高，而1表示试验期与参照期的相关度很低。

5 结语

本研究在参照法的基础上进行改进，将参照水平年分为高水期和低水期，介绍了高水期指标、低水期指标、连续高水期指标、连续低水期指标、连续低水期极低指标、水文节律变化指标、两次洪峰之间的间隔、年最大值、年最小值和最低生态水位等10个指标及湖泊水文健康综合指数FH组成，该方法对湖泊径流、水位、含沙量等水文项目进行一项和多项评价，最后综合得出湖泊水文健康状态。将此上述方法应用在水利部预算项目——鄱阳湖水文健康评估中，判断当前鄱阳湖水文健康状况，该研究结果将刊登在本刊今年第2期。