基于生态过程的湖泊水文健康评价体系研究Ⅱ：应用

卢 路，裴中平，贾海燕

（长江水资源保护科学研究所, 武汉 430051）

基于生态水文过程的湖泊水文健康评价体系理论篇[1]提出了10 个评价指标和湖泊水文健康综合指数（flow health index，FH）。这些指标包括：高水期（high flow，HF）、低水期（low flow，LF）、连续高水期（persistently higher，PH）、连续低水期（persistently lower，PL）、连续极低水期（persis-tently very lower，PVL）、水文节律变化（seasonality hydrology shift，SHS）、两次洪峰之间的间隔（flood flow interval，FFI）、年 最 大 值（highest monthly，HM）、年最小值（lowest monthly，LM）和最低生态水位（lowest monthly water level，LWL）。由这10个指标及湖泊水文健康综合指数组成评价体系可对湖泊径流、水位、含沙量等水文项目进行一项或多项评价，最后综合得出湖泊水文健康状态。本研究将采用上述方法对鄱阳湖水文健康进行评估，判断当前鄱阳湖水文健康状况，以期为鄱阳湖科学管理提供参考。

1 鄱阳湖概况

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，其水系径流主要由降雨补给，径流的空间分布基本与降水一致[2-3]。鄱阳湖区在经历了20 世纪80 年代以来近40 年的经济社会快速发展后，湖区各地均不同程度地承受着过度排污、过度采砂、河道结构破坏、过度捕捞等多重胁迫，相应地出现了水质恶化、河道形态破坏、生境退化、水文情势改变以及重要或敏感水生生物消亡等问题[4-6]。监测结果显示，鄱阳湖水文水资源状况欠佳，最低生态水位满足程度较低。目前鄱阳湖处于净冲刷状态，同流量下水位降低，特别是枯季水位下降较为明显[7]。鄱阳湖健康问题十分突出，严重影响鄱阳湖对人类社会发展需求和生物多样性支撑作用，影响了生态服务功能的可持续利用。在此背景下，判断当前鄱阳湖健康状况，亟需一套科学评估河湖健康的方法为科学管理湖泊提供有效的管理工具，实现流域可持续发展。

2 鄱阳湖径流健康评估

2.1 参照期和水平期的确定

鄱阳湖多年平均水资源总量为2.340×1010m3，其中地表水资源量为2.155×1010m3，约占水资源总量的92.1%。鄱阳湖水位受鄱阳湖水系来水及长江干流水情双重影响，水位的高低，对鄱阳湖面积、容积有着直接影响。该湖泊存在着明显的洪水期、低水期湖泊水位变化，呈现出独特的水文节律。每年4—9 月为汛期，湖水水位上涨，其中4—6 月为五大水系主汛期。10月至翌年3月为低水期，水位下降。本研究采用鄱阳湖湖口站1955—2008 年的月径流和水位数据。参照期一般采用研究区域未经人类活动干扰或受人类活动影响很小的时期，同时为了消除选择的偶然性，参照期一般以10 年为基数，向前递增。理论上，参照期时间选择越长，越能反映自然水文节律的变化。考虑鄱阳湖水资源开发利用的历史，同时考虑资料的收集时长，将1955—1966年资料作为研究时段的参照期。参照水平年一般为参照期的第1 年即1955 年，该年通常被认为是受人类活动影响最小的年份。

根据水平期的计算方法，将参照期连续6个月中位数径流量之和相加得到的最小值对应的月份为低水期，低水期开始的第1个月作为水平年的初始月份。经计算，参照期连续6个月中位数之和最小值为12 882.5 m3/s，发生在9 月至翌年2 月，所对应的第1个月份，即9月，作为参照期开始计算的月份，9 月至翌年2 月为低水期，3—8 月为高水期。

2.2 参照期水文频率分布和阈值的确定

根据湖泊水文健康体系理论方法，分别计算参照期、低水期及高水期月水文频率，低水期和高水期月水文频率、最高径流量、最低径流量水文频率，参照期全年水文频率、月径流及月径流排名，最后计算参照期径流阈值。经计算，25%来水频率低水期和高水期流量分别为951.25 m3/s和3 455 m3/s，75%来水频率低水期流量为2975 m3/s，75%月最高流量和最低流量分别为107 25 m3/s 和1 110 m3/s，25%月最低流量和1%流量分别为373.5 m3/s和333.59 m3/s，75%月流量排名为4.16。

2.3 鄱阳湖径流健康指数计算

以鄱阳湖2008年湖口站月径流为例进行说明。湖口站3—8月高水期径流量之和为31 370 m3/s，9月至翌年2月低水期之和为17 780 m3/s，对应的水文频率分别为30.3%和28.6%，带入参考文献[1]中的式（1），求得高水期指标HF 和低水期指标LF 得分。湖口站最高径流量为8 880 m3/s，最低径流量为1 500 m3/s，对应的水文频率分别为62.4%和82.9%，分别带入参考文献[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个月在参照期水文频率低于25%、高于75%的月份有5个月，分别为10月、11月、12月、1月和2月，因此，低水期连续高水月份累计值为5。分别利用参考文献[1]中的式（6）和式（9）计算连续高水期指标PH和连续低水期指标PL分值。湖口站月径流量低于全年水文频率1%对应径流量的月份为零，采用参考文献[1]中的式（12）计算持续极低径流量（PVL）。2008 年各月径流量排名与参照期相比，发生了较大变化，其中，3月排名变化最大，4月排名没有发生变化，年平均排名变化为4，对应参照期频率为78%，计算结果为0.88。75%水文频率月最高流量为10 735 m3/s，最近超过该流量的年份是2006 年6 月，其径流量为12 600 m3/s。距离2008 年年底期间共30 个月，利用参考文献[1]中的方程（16）计算FFI分数。各指标计算结果见表1。

表1 2008年鄱阳湖湖口站水文健康指数计算成果Tab.1 Hydrology health index at Hukou station of Poyang Lake in 2008

重复以上计算步骤，完成1955—2007 年的水文指标计算，计算结果见图1。从图1 可以看出：1955—2008 年间，HF 在1963 年发生非常大的变化，1979年、2004年和2007年发生较大变化；LF发生非常大变化的年份有1965 年、1967 年、1968 年、1972 年、1979 年、1987 年、1993 年 和2004 年；PH 发生非常大变化的年份有1971 年、1994年、1996年、2000年、2001年和2003年，发生较大变化的年份有1985 年、1991 年、1995 年和1999 年；PL 和PVL 无较大变化；SHS 发生非常大变化的年份有1963年、1971年、1974年和1998 年，发生较大变化的年份有1976 年、1986 年、1989年和1991年；FFI发生非常大变化的年份有1990年、1991 年、1992 年和2006 年；HM 发 生 非 常 大 变 化的年份有1963年、1979年和2007年，发生较大变化的年份有1986 年和1987 年；LM 发生非常大变化的年份有1965 年，发生较大变化的年份有1980 年和1987 年。总的来说，该站监测资料显示鄱阳湖水文总体处于较健康状态，该期间鄱阳湖水文没有发生非常大变化，最近几十年发生较大变化的年份包括1991年和2004年，1991年其原因可能是7月长江水位托顶倒灌导致突变，2004年的原因是出现了近10 年最小径流量，其他年份均保持平稳，径流健康总体处于较好水平。

图1 鄱阳湖水文健康评价马赛克图Fig.1 The mosaic of hydrological health assessment for Poyang Lake

3 鄱阳湖水位健康评估

根据水文健康评估过程计算水位健康，主要计算LWL，对应指标中的低水期指标，其计算方法和步骤与低水期指标计算步骤相同。首先确定参照期高水期水位和低水期水位，然后计算参照期每个月水位频率曲线，将试验期数据带入参照期水位频率曲线，返回对应频率，利用参考文献[1]中的式（1）～（4）计算得分。其计算结果如表2所示。

表2 2008年鄱阳湖湖口站水位健康得分计算表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参照期所对应的水位频率如表2 所示，2008 年3 月、5 月、7 月水位比参照期所有年份水位都低，说明2008 年相对参照期水位发生了剧烈变化，相对同期历史水位严重偏低，其原因可能是三峡水库调度对鄱阳湖的影响。从季节来看，鄱阳湖对长江的较强作用主要在4—6 月，而长江对鄱阳湖的较强作用主要发生在7—9 月。研究显示三峡水库运行并没有改变长江与鄱阳湖作用的基本特征，在多数季节三峡水库的影响不足以解释长江径流量变化的10%，但是水库在不同季节的蓄水或放水在一定程度上改变了江湖关系的时空变化过程，并对鄱阳湖流域的旱涝情势产生了一定影响。4—6月的放水加强了长江作用，由于此时正值鄱阳湖流域的雨季，增强的长江作用在湿润气候的环境下可能增加初夏鄱阳湖流域发生洪涝的概率；7—9 月的少量蓄水则减弱长江对鄱阳湖的作用，降低了湖区洪涝的概率；而10月三峡水库的大量蓄水可能增加鄱阳湖流域的旱季干旱发生率。2008 年水位综合得分0.61 分。

重复上述步骤对1959—2007年水位进行评估，其结果见图2，可以看出鄱阳湖水位近10年相对于参照期有变低的趋势，且突变趋势明显。尤其是在2004 年和2007 年，年均水位均比参照期低，说明这两年生态最低水位相对参照期发生了极大变化，可能已经对湖泊生态系统产生了影响。

图2 鄱阳湖水位健康评价马赛克图Fig.2 The mosaic of water level health assessment for Poyang Lake

4 鄱阳湖水文健康综合评价

结合鄱阳湖径流健康评估结果与水位健康评估结果，取其平均值作为鄱阳湖水文健康的综合得分，最终计算结果如图3所示。可知鄱阳湖水文总体上较为健康，鄱阳湖水文健康变化趋势与水位健康变化趋势相同，说明鄱阳湖水文健康受水位影响较大，而受径流变化影响相对较小。鄱阳湖径流变化指数与水位指数变化趋势基本一致，在个别年份（1965 年，1967 年，1993 年等）径流变化指数趋势与水位变化指数不同，其原因是年内发生了持续干旱或持续高水位。过去50 年内，鄱阳湖水位呈周期性变动，水位发生了6次极值变化，三峡水库建成前，鄱阳湖水位健康指数基本呈10 年周期变化，建成后周期缩短为3 年。鄱阳湖径流健康程度总体处于较好水平，但在个别年份发生了较大变化，可能是7月长江水位托顶倒灌导致的。

图3 鄱阳湖水文健康评价结果Fig.3 The hydrological health evaluation results of Poyang Lake

5 结论

本研究采用基于生态过程的湖泊水文健康评价体系对鄱阳湖水文健康进行评估，结果表明鄱阳湖水文处于微小变化状态，其水文健康受水位影响较大，受径流影响相对较小，总体上处于较为健康状态。但水位健康指数周期由三峡建成前的10 年缩短为三峡建成后的3 年，导致鄱阳湖水文健康处于不稳定状态。当鄱阳湖处于亚健康状态时可通过控制鄱阳湖水位对鄱阳湖水文健康进行调控。目前，鄱阳湖处于微小变化的健康状态，鄱阳湖水文不需要进行人工调控。本研究采用基于生态过程的湖泊水文健康评估方法对鄱阳湖水文健康进行评估，但该方法是否适用于其他非通江湖泊，还需要进一步研究。