黄河干流兰州段生态水文评估指标体系构建及应用

黄河干流兰州段生态水文评估指标体系构建及应用

1生态水文指标体系水是人类与自然生态系统之间的联系。在某种程度上，许多与人类活动有关的河流生态问题与河流之间的联系没有直接关系。作为国际河流生态系统研究领域的重要分支,河流生态水文联系的研究一直被学术界积极关注。许多大型国际研究计划如IGBP/BAHC项目(1990—2002)、IHP-V(1996—2001)、IHP-VI(2002—2007)、GWSP都将生态水文联系纳入研究范畴。通过研究,人们发现水文过程相当复杂,涉及大量信息和规律,与生态系统在不同尺度、不同层次上存在多维结构关系,因此要完全弄清其间的物理化学过程与生态作用机理是相当困难的。但有研究成果表明水文指标与河流系统的生态变化之间存在较强的响应关系,通过建立生态水文指标体系来研究人类活动影响下复杂的河流生态水文过程是一种有效的分析生态水文联系的手段。纵观国内外关于河流生态水文联系的研究成果,不难发现其多与人类活动相关联,且主要集中于水电开发对生态水文联系的响应关系方面。而在应用生态水文指标体系评估河流生态水文态势,识别生态水文系统演变趋势等方面则不够完善。目前该方向上有代表性的研究成果包括:Poff等率先建立的一套评估生态水文变化过程的水文变化指标方法(IndicatorsofHydrologicAlteration,IHA),该指标体系从水流的流量、频率、历时、发生时间和变化率等5个方面表征生态结构信息,并应用于美国卡罗莱纳州北部罗阿诺克河的生态水文特征分析中,发现建坝前后该河发生了较大的生态水文特征变化;Growns等对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,并对澳大利亚东南部107条河流进行分析与验证,取得了较好的效果;Olden等总结了当时171个可用的水文指标,并依次对美洲大陆的420个河流站点的水文资料进行统计分析,发现了影响研究区域的具有统计意义和生态表征能力的水文指标,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等应用鱼类个体生态学矩阵法,结合研究区特殊气候环境,提出了台湾北部河流生态水文指标体系(TEIS),包含一般流量变化、高低流量、流量变化率、出现时间等60个特征指标。其特点是考虑了台湾地区的季节变化、台风和生态需求,使物种特征与水文变化关联更紧密。国内在该领域也进行了尝试性的研究,徐天宝借鉴国外已有的研究成果,在长江流域建立了一套水文指标体系,并应用于葛洲坝水利工程对长江中游生态水文特征的影响评价中。综合以上分析发现,生态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,但鉴于研究区域较为分散,且地理条件与生态特征差异较大,目前尚无法形成国际统一的研究体系,在理论和方法上仍处于探索、发展阶段,在实践上也存在很大的尝试性。黄河流域地处我国北方地区,独特的地形地貌、地质条件、土壤成分、气候特征以及社会经济的水需求规律使黄河形成了区别于其他河流的多沙、善淤、洪泛、多变的特性和水流情势,也构建了其多样、复杂的流域生态类型与特点。近年来由于人类过度取用黄河水,使黄河深受河道断流、主槽淤积萎缩、部分地区地下水位下降等问题困扰,产生了水体自净作用削弱、生物多样性遭到破坏等负面生态影响,致使黄河生态水文系统的健康状况不断恶化,流域生态环境正在经受前所未有的考验。而限于科学技术发展和生态检测手段,人们尚无法直接观测或准确了解河流生态系统的变化与演变过程。因此,现阶段黄河生态水文指标体系(YellowRiverEco-hydrologicalIndexSystem,YEHIS)的建立就显得尤为重要。通过这套指标体系,人类可了解河流生态系统的需求和生态修复活动的效果,及时评价人类活动对河流的影响程度,进而构建一个良性的人类活动与河流的交互、循环过程。2河流生态水文系统的性能2.1河流生态水文系统的概念在河流生态系统中生命要素和环境要素众多,而水是这些要素赖以存在的关键。要探索和保护这些生环要素,就必须分析水与这些相关要素间的相互作用和依存关系,即生态水文联系。为更好地研究河流生态系统中水的循环转化过程及其对生态系统的驱动作用,笔者定义了河流生态水文系统的概念,认为河流生态水文系统是河流水文系统与河流生态系统的复合体,侧重于将河流的水文循环、径流机制与河流生态过程相结合,通过蕴含了大量重要生命和环境要素信息的河流水文过程驱动生态系统中的能量流动、生命循环及栖息地变化等进程。因此,从研究方法上讲,本文河流生态水文系统的研究更侧重于水文学途径,旨在研究流域或区域生态系统中水文循环与生态过程间的联系和响应机理,以通过改变水文过程来实现改善生态系统健康状态的目标。2.2建立生态水文体系在有关生态水文联系的研究中,人们通常用指标体系来表征和评估一个流域或区域的生态水文系统健康状态。指标体系一般由一系列具有生态意义的水文要素或特征所组成,并作为生态水文系统对水需求的外在表现形式。由于生态系统的响应与演变进程极其复杂,很难量化,人类无法与自然生态系统间形成有效的信息沟通,因此只能近似地借助系统的一些外在表现来了解生态系统的演变过程。而水及水文循环在河流生态系统的循环与进化过程中具有重要的生态意义,其水文指标蕴涵了大量的生态指示信息,因此可通过生态水文指标体系来反映一些生态系统的内在需求和预警信息。人类可透过该指标体系的评估结果分析和了解河流生态系统的存在状态和演化方向,并通过改变生态水文指标,即生态系统的水供给形态,影响河流生态系统的整体运行状态和趋势,实现人与自然的良性互动即人水和谐的构想。要评估水文情势改变所引发的生态问题,就必须了解水文指标与生态变化之间的内在联系。水对河流生态水文系统具有支配作用,水文要素的改变与河流生态系统的生物组成结构和功能有着紧密的联系,且一般通过以下几个方面形成对河流生态系统的影响:(1)改变栖息地的环境因子;(2)形成自然扰动机制,影响河流物种种群结构;(3)河流物质能量流动。Poff等、Richter等、Arthington等国际著名学者在生态水文联系领域开展了大量卓有成效的研究工作,对流量过程中大小洪水、高低流量、基流等水文指标与生态因子之间的内在联系进行了长期的观测与研究,发现通常情况下水文要素在月流量状况、极端水文现象大小与历时、极端水文现象的出现时间、脉动流量频率与历时、流量变化出现频率与变化率等方面的变化将产生生态响应。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强烈有关等(表1)。3建立黄河生态水文特征和指标体系的原则3.1黄河生态系统破坏情况黄河全长3472km,流经青藏高原区、宁夏灌溉区、鄂尔多斯沙漠草原区、陕甘宁黄土丘陵区、山陕峡谷区、泾洛高原区、泾渭地堑区、晋豫山区、下游冲积平原区、鲁东地叠山区等10个自然区域,差异性的地形、地貌及气候条件,使黄河流域生态影响因子众多,环境复杂,不同的驱动力在不同河段形成了差异性的生态格局。根据黄河流域地势、地貌、气候、水文和植被等特点,黄河流域可划分为三大生态区和10个生态亚区。由于特殊的地理位置和地形地貌特征,黄河流域基本上属于生态脆弱、敏感性较高的地区,生态系统稳定性较差,容易受到外界干扰而遭到破坏。经调查,目前黄河生态系统破坏最为严重的生态区为:黄河河源生态亚区、黄土高原生态亚区以及黄河下游生态区等。存在的主要问题为:草场退化、湖泊干涸、湿地退化、水质污染、水土流失、本土鱼类频临灭绝以及下游的频繁断流、河槽淤积、河口三角洲湿地萎缩等问题。导致这些问题的因素中,除了一定程度上受气候变化的影响之外,主要是由不合理的人类活动所致,尤其是湖泊干涸、河流断流、水环境恶化、河槽淤积以及三角洲湿地萎缩等都与近些年来水文情势的改变息息相关。为了全面评估黄河水文情势改变所产生的生态影响,本文重点选取了唐乃亥(黄河河源生态亚区)、兰州、潼关(黄土高原生态亚区)和花园口(黄河下游生态区)4个水文站作为论证站点,旨在体现不同生态区的生态水文特点和问题。3.2黄河流量变化影响的主要有黄河生态水文指标体系涉及因素与相关关系复杂,要充分发挥其表征和评价功能必须遵循如下原则:(1)立足黄河河情和生态水文特点。要充分考虑黄河的水流特性,不能盲目搬抄其他地区或河流的经验和成果,要通过分析来筛选能够反映黄河生态水文特征的指标体系。(2)肯定黄河目前开发的既定事实。在指标的设定和阈值选取上要兼顾黄河防洪、供水、发电要求,遵循在满足人类基本需求的前提下,追求生态水文系统最佳的基本原则。(3)指标的代表性。针对不同断面生态水文特征存在差异性,在黄河生态水文指标体系的建立中要尽可能兼顾多数断面的需要,使指标体系在流域上更具代表性,同时又不显臃肿。(4)指标的可操控性。黄河生态水文指标体系的构建要充分考虑水库的调节特点,为后续的生态调控体系的构建奠定基础,使黄河生态水文指标体系可直接引导人类的生态修复行为。(5)指标的可获取性。在选择生态水文指标时,要着重考虑指标的获取难度和时间尺度,保证在一定时间内,能获取全部的指标用于评价或表征。综合以上几点,笔者认为应从如下方面重点考虑生态水文指标的选取:第一部分:一般流量变化。河流流量水平和规律的季节流量变化对河流生态系统尤为重要,不仅影响着生物的生命周期,也是一个流域生态种群与结构稳定的保障。流量过程的紊乱与极值加大会导致敏感物种丧失,藻类增加,栖息地有机物质被冲走,部分生物的生命周期被打乱等,而流量过于均一,则会降低生物生境的多样性,影响生物种群结构,以致生物部落发生变化。因此,在YEHIS体系中必须考虑中长期水文变化指标的影响。除此之外,由于黄河河流长,跨越区域多,且其上修建有大量水库,为了反映黄河水流的总体态势和水库群运行的影响,拟选取平均流量水平、月流量变化等指标。其中,平均流量水平反映河流的整体水流状况,而月流量则反映不同生命周期水流的流量水平。第二部分:高低流量变化。黄河流域滩地、湿地较多,很多地区已经成为黄河干流水生生物和鸟类的重要栖息地和产卵地。而这些地区的补给与联通则主要依靠高流量事件。它可以在河道与滩地、湿地间形成连接通道,为栖息地的鱼类及其他生物提供保育场地和营养物质。当然对生态系统而言,高流量也有弊处,如持续时间过长可能诱发耐淹植被大量繁育,进而改变河岸植被的覆盖类型,对水生生物而言,则可能使濒危鱼类的鱼卵进入到不宜生存的栖息地,或直接造成河道内流速增加、掺气,导致鱼类死亡;持续时间过短会导致原先水流冲刷区域被植被覆盖,水体盐度增加,陆地植被入侵,进而破坏水鸟等动物的栖息地。同样,低流量事件也是影响河流生态系统的关键指标,将引起河道内栖息地减少和水质化学参数增加。如长时间处于低流量会对水生生物的生存产生威胁,导致干旱忍耐力差的水生生物的种群密度下降。因此不难发现高低流量的持续时间是影响生物栖息和产卵过程的关键因素,持续时间的差异使流量对生物生存与繁衍所产生的作用是完全不同的。除此之外,高低流量的频率变化对生态系统也是至关重要的,其承载着很多水生生物生存与繁衍的周期信号,不稳定的高低流量的变化极有可能导致涉水生物生命周期混乱,物种多样性下降。可见,控制好黄河高低流量变化对黄河生态系统安全是尤为重要的,故在黄河生态水文指标中应反映高低流量变化,包括频率和延时。由于大多数黄河土著物种的生存期多为3年,故本文将连续3年高低流量事件的数量纳入指标体系。第三部分:涨落指标。水流变化对河流生物物种的影响是非常显著的。尤其是水库群投入运行以后,水库群因电力负荷变化而产生的泄流陡涨陡落常导致水生生物被冲刷或搁浅。而洪水期蓄洪引发的水流暴落则极易导致生物幼苗种群不能建立。除了这些极端变化现象外,水流平均变率的改变也影响水中浮游生物的生长和发展,如当河流中水流速度变化较慢,生长在岸边和河槽底部的生物群落结构和河流外形就会越接近静水模式,将直接影响某些与动水(或洪水)变化息息相关的植物。故涨落指标、水流变化率等应考虑在YEHIS中。第四部分:洪枯水和极值指标。洪水是一种流量增大、水位显著上涨的自然现象,是河流水文过程的必要组成部分。在一般情况下,河流决定着洪水的行进方向,而洪水又可能导致河床的冲淤变化,甚至让河流改道,在创造新的栖息地和生境的同时,也为沿河的湖泊、水塘、洪泛区等提供了营养补给,因此自然洪水的存在对生态系统有其积极的意义。如果季节性洪水丧失将会使鱼类繁衍受到干扰,如产卵、孵卵、迁徙等生命周期过程将无法完成,鱼类不能接近湿地或逆水区域;同时水生植物网络结构也会改变,植物生长速度减慢,再生率降低。同样枯水对水生生物也有着重要的影响,长时间的小流量将会导致水生生物聚集,植被减少或消失,植被的多样性降低,影响生物物种构成。河岸植被覆盖率也将随之减少、物种布局发生变化。除水量上的扰动,洪枯水出现的时间也至关重要。在产卵季节,极端流量事件会影响鱼类的数量,特别是对一些鱼类的产卵、孵卵、迁徙都非常关键。因此,在YEHIS中,极端事件的大小、出现时间以及小(生态)洪水都应被选择,并根据黄河的流程特点,可分丰枯季分别统计不同时程的极值。另外,黄河是一条典型的多沙河流,其重要的生态水文特征之一就是泥沙输移。且其主要依靠汛期洪水进行输送。因此,笔者认为在黄河生态水文指标体系中还应重点考虑区别于一般生态洪水的大洪水和一些输沙指标。4河流生态水文指标选取方法基于上述分析,结合笔者对黄河生态水文特征和水库影响的研究,参阅其他相关研究成果,认为黄河生态水文特征应重点反映在如下几个方面:(1)年际丰枯变化;(2)年内变化;(3)涨落变化;(4)高低流量变化;(5)极值变化;(6)水沙关系;(7)洪水等,其中每一方面可能还涉及大小、频率、延时、变化率等层面的细微变化。但这样一个覆盖全面兼顾易用性的黄河生态水文特征指标体系是相当复杂和庞大的,构建和使用起来会非常困难。为了使指标体系精简,避免重复设置,本文采用Pearson相关分析法分别对唐乃亥、兰州、潼关、花园口4个断面的相关河流生态水文指标进行分析与统计,整理后得到相关度较高的因素群,如表2所示。由于指标选取过程中,重在挖掘指标内在的生态学意义,故一般从水文序列统计方法出发的主成分分析、灰色聚类、粗糙集约简等方法并不能在指标筛选中发挥很好的效果,因此本文采取了依据原则主观筛选+相关分析客观缩减相结合的方式进行指标筛选。结合黄河实际和Pearson相关分析结果,将高度相关因子进行删减,显著相关因子适当组合,部分因子鉴于结构完整性要求予以保留。最终,提出黄河生态水文指标体系(如表3)包含7个大的分类,共50个生态水文指标,直接或间接涵盖了近90%黄河生态水文要素。与其他指标体系相比,黄河生态水文指标体系有如下特点:(1)指标体系构建基于对分布在黄河重点生态区上不同断面的综合分析,具有较强的实际背景;(2)基本涵盖了现有指标的涉及范围,更完善,更有表征意义;(3)考虑了洪水因素,把具有典型生态意义的小洪水和冲沙作用的大洪水作为评价指标列于体系中;(4)极值变化的尺度,改变了以往以旬、月、季等时间尺度为基准的做法,改以黄河特征水流的实际发生时间为标准。(5)对指标丰枯季节的区分,不同季节所采用的指标有所差异,更趋合理;(6)保持了指标资料的易获取性,只要掌握日径流过程和汛期输沙率就可利用该指标体系进行表征和评价,适用性更强。5案例研究为了分析黄河生态水文指标体系的应用效果,本文将该指标体系应用于黄河干流兰州控制断面的生态水文情势评价中。5.1基于定量评估的文学法鉴于黄河生态水文指标体系中,很多指标如高低流量、流量延时等均存在双刃性,即只在适当的区间内对生态系统是有利的,而超出阈值(过大或过小)都会损害河流生态系统健康。因此,评价方法选择变化范围法(RangeofVariabilityApproach,RVA)。该方法是一种判别落入规定数域程度的方法,主要用于分析河流受人类干扰后的改变程度。以水利设施为例,一般建立在已有水文评估指标体系的基础上,以未受人类活动影响的水文指标自然变化状态为基准(数域),通过统计评估影响前后的指标变化,得到判定结论。如:若水利设施建成后受影响的水文指标值落在设定的阈值内的比率与水利设施建设前的落定比率相当,则表示水利设施建设与运行对河流的影响轻微,仍然保有自然的流量变化特征;但若受影响的水文指标值落于设定阈值内的比率远大于或小于水利设施建设前的比率,则表示水利设施运行已经改变了原有河流的流量变化特性,此改变将可能进一步对河流生态水文系统产生严重的负面影响。方法中,评估阈值的设定是决定评估有效性的关键,本应以生态资料为依据,但限于资料和研究的不足,根据Connell等提出的中度干扰假说,通常以干扰前各指标75%和25%保证率对应的值作为各个指标的上下限来设定阈值。5.2黄河生态水文系统面临的人类活动的影响选用兰州断面日径流资料(1950—2004年)为基础资料。1950—1974年间由于兰州断面以上无大型水电工程,且人类活动较少,可近似认定为天然状态。之后的1975—2004年可认定为人类干扰期。应用YEHIS指标体系对人类干扰前后断面的水流情况进行RVA评估。评价结果如表4。计算结果显示,人类干扰后兰州断面的整体改变度为0.722,50个生态水文指标中,13个发生高度改变,27个发生中度改变,中度改变以上的指标占总指标数的80%,可见1975年以后,人类活动特别是水电开发对黄河兰州断面生态水文系统的影响是较大的。从指标的分布来看,1、2、8、9月流量、逆转次数、高流量延时、枯季最大流量、丰季最大流量发生时间、大小洪水次数以及涨水次数与延时等指标发生了剧烈改变。根据这些指标所反应的生态系统响应机理,可分析得出黄河生态水文系统会受到如下影响:(1)人类活动干扰后,丰、枯季中部分月份的月均流量特征强烈改变,将对下游河道生物的栖息环境及迁徙、洄游等产生显著影响。(2)流量的逆转次数与河流生态环境的变化周期有着紧密的联系,频繁的流量逆转将会对部分植物和有机物的生长产生较大的影响。(3)高流量延时过短,使水流对滩区、湿地水生生物的支持、泥沙运输、河道结构、底层扰动等功能的满足程度下降,无法在鱼类产卵或者育苗期提供更宽的区域来供其产卵,同时也会对育苗区域养分的补给产生较大影响。(4)极端流量的发生一般都伴随着生物特别是鱼类的洄游产卵和繁殖等行为,极值发生时间不稳定,会严重影响生物繁殖期内的行为及其栖息环境的选择。(5)生态洪水与大洪水缺失对河流地貌、自然栖息地的构建影响较大,且由于最大极值(洪峰)变小,河道和滞洪区之间的养分输运不畅,将严重影响滞洪区水生生物与周边植被的生长。大洪水减少,挟沙能力下降,冲沙期内鱼类的死亡率将有所降低,但河道内水沙关系的变异,将极不利于水生生物的生存。综合来看,这些改变将对黄河兰州段的水沙关系、生物种群数量、幼苗比例、栖息地环境以及滩区、湿地、洪泛区的植被与动物种类产生较大的影响。查阅相关生态文献,发现该结果与黄河渔业资源调查报告中鱼类资源的整体变化趋势是基本一致的。5.3yhsis评估结果为了评估YEHIS指标体