程俊翔，徐力剛,3，姜加虎

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049； 3.江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室，江西 南昌 330046)

自20世紀(jì)90年代以來，水文過程研究越來越重視與生態(tài)過程的結(jié)合，并由此衍生出了一門新的邊緣學(xué)科——生態(tài)水文學(xué)。區(qū)別于傳統(tǒng)的水文學(xué)，生態(tài)水文學(xué)主要研究水文過程與生態(tài)過程的相互關(guān)系與耦合機制，尤其強調(diào)生物特征和尺度問題[1-3]。作為保證河流、湖泊等水域生態(tài)系統(tǒng)健康完整的核心要素，水文情勢在一定程度上決定著水域生態(tài)系統(tǒng)的生物組成、群落結(jié)構(gòu)以及生態(tài)功能等[4-5]。水文情勢變化既可以直接影響生態(tài)系統(tǒng)，還可以通過改變環(huán)境而間接地作用于生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。因此，在對水資源進行合理的開發(fā)利用時，有必要考慮水文情勢變化可能觸發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[8]。與此同時，水域生態(tài)系統(tǒng)對水文情勢變化的響應(yīng)極其敏感，而氣候變化和人類活動對水文過程的影響也日益顯著[9-11]，這也引起了國內(nèi)外社會的普遍關(guān)注。

表1 IHA參數(shù)及其對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)影響

注：整理自IHA用戶手冊[18]。

水文情勢研究一般需要通過特定的水文指標(biāo)來表征，而水文情勢指標(biāo)的定性或定量描述是生態(tài)水文過程研究的一項重要內(nèi)容。Poff等[12]率先較為全面地闡述了水文情勢變化的5個方面內(nèi)容，包括流量量級、歷時、出現(xiàn)時間、頻率和變化率，用以描述整個水文過程。隨著研究的深入，目前已有超過170個水文指標(biāo)被提出[13]，用以評估水文改變狀況及其所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。其中，Richter等[14]提出的包含32個參數(shù)的水文改變指標(biāo)(indicators of hydrologic alteration，IHA)，可以定量評估水文情勢的變化特征，成為此后生態(tài)水文過程研究的重要基礎(chǔ)。為了進一步定量評估水文改變度并設(shè)定自然狀態(tài)下的環(huán)境流量變化范圍，Richter等[15-16]在IHA的基礎(chǔ)上又提出了變化范圍法(range of variability approach，RVA)。然而，由于RVA在設(shè)定環(huán)境流量目標(biāo)時存在復(fù)雜、操作性不強等缺點，包含34個參數(shù)的環(huán)境流量成分(environmental flow components，EFCs)逐漸發(fā)展起來，能夠克服RVA的缺點并快速簡便地設(shè)定環(huán)境流量管理目標(biāo)[17-18]。經(jīng)過美國大自然保護協(xié)會的發(fā)展和完善，原來的32個IHA參數(shù)修訂為33個，增加了“斷流天數(shù)”和“基流指數(shù)”2個參數(shù)，并把原來的“流量上升次數(shù)”和“流量下降次數(shù)”兩個參數(shù)整合為“流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)”。目前，IHA與RVA、EFCs一起集成了一套開源軟件系統(tǒng)，統(tǒng)稱為IHA體系。

1 IHA體系的內(nèi)容

IHA體系主要包括IHA、RVA和EFCs三部分內(nèi)容，其中，IHA和RVA為同一套參數(shù)(表1)，而EFCs使用另一套參數(shù)(表2)。IHA體系可以快速、便捷地評估由人類活動(如大壩水庫建設(shè)、調(diào)水工程等)引起的水文改變及生態(tài)效應(yīng)，并通過設(shè)定合理的生態(tài)環(huán)境流量為水資源管理提供參考。一般地，IHA以逐日流量(河流流量)或水位(湖泊水位、地表水位等)數(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ)，能夠同時得到67個生態(tài)水文參數(shù)的結(jié)果，即33個IHA參數(shù)和34個EFCs參數(shù)。水文數(shù)據(jù)序列應(yīng)當(dāng)超過20 a，既可以是整個時段，也可以對比分析兩個時段。計算方法包括參數(shù)化方法和非參數(shù)化方法，其中參數(shù)化方法的計算結(jié)果為均值和標(biāo)準(zhǔn)差，非參數(shù)化方法的計算結(jié)果為中值和百分位數(shù)。由于水文數(shù)據(jù)一般為非正態(tài)分布，故常采用非參數(shù)化方法。高、低流量閾值以及RVA的上下限也是據(jù)此兩種方法所確定的。

1.1 IHA

IHA包含了5組33個水文參數(shù)，其分組是依據(jù)流量量級、歷時、出現(xiàn)時間、頻率、變化率來劃分的，每組均包含了若干水文指標(biāo)，并對應(yīng)著相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)影響，詳見表1。第1組包括12個水文參數(shù)，分別為12個月的流量中值或均值；第2組為年極端流量和歷時，包括12個參數(shù)，其中基流指數(shù)為年最小7 d流量與該年平均流量的比值；第3組為年最大和最小流量出現(xiàn)時間；第4組為高、低流量的發(fā)生頻率和歷時，其默認(rèn)閾值為25%和75%分位數(shù)；第5組包括上升率、下降率和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)3個參數(shù)，其中上升率(下降率)定義為連續(xù)日流量之間所有正差異(負差異)的平均值或中位數(shù)。

表2 EFCs參數(shù)及其對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)影響

注：整理自IHA用戶手冊[18]。

1.2 RVA

RVA是在IHA的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，最初是為了設(shè)定基于環(huán)境流量的河流生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)[15]，此后又可以用來定量評估河流的水文改變度[16]。RVA設(shè)定河流環(huán)境流量的管理目標(biāo)是基于流量的自然變化情況，即人類活動影響前的河流水文情勢。按照百分位數(shù)(默認(rèn)值為33%和67%)將影響前的流量序列分為高、中、低3個不同的區(qū)間，那么設(shè)定環(huán)境流量目標(biāo)時只需觀察影響后的流量值是否落在對應(yīng)的區(qū)間內(nèi)即可。與此同時，根據(jù)各個水文參數(shù)的期望頻率和實際頻率的變化百分比可以計算出對應(yīng)的水文改變度(degree of hydrologic alteration)，有利于充分理解生態(tài)水文指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)特征，并判斷水文狀況的改變度。需要注意的是，RVA只對IHA參數(shù)有效，對EFCs無效，且必須是比較兩個不同時段時才可用。

1.3 EFCs

依據(jù)水文氣候區(qū)的流量大小，河道流量可依次分為洪水、高流量脈沖、低流量和極枯流量，其中洪水又可分為大洪水和小洪水，即EFCs的5種類型(表2)，全面概括了河道流量的變化過程。EFCs包含34個水文參數(shù)，其中低流量對應(yīng)12個月的平水流量，極枯流量包括峰值流量、持續(xù)時間、出現(xiàn)時間和發(fā)生頻率4個參數(shù)，高流量脈沖、小洪水和大洪水還在極枯流量的基礎(chǔ)上增加了上升率和下降率2個參數(shù)。5種類型的劃分主要是依據(jù)流量序列的百分位數(shù)及重現(xiàn)周期，具體算法請參見IHA用戶手冊[18]。從其生態(tài)系統(tǒng)影響來看，EFCs提供了一個描述生物與水文情勢變化關(guān)系的基礎(chǔ)框架，對實現(xiàn)正常的生態(tài)功能和維持生態(tài)系統(tǒng)完整性具有重要作用，是一種評估和推薦生態(tài)環(huán)境需水的有效方法[17]。

2 IHA體系在生態(tài)水文研究中的應(yīng)用

作為評估水文改變及其生態(tài)系統(tǒng)影響的一種有效方法，IHA在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)美國大自然保護協(xié)會的初步統(tǒng)計，全世界有將近2 000位水資源管理者、水文學(xué)家、生態(tài)學(xué)家以及政策制定者運用IHA體系來評估河流、湖泊乃至流域的水文改變及其生態(tài)效應(yīng)，并為將來的水資源管理情景提供支持?？偨Y(jié)起來，IHA體系的應(yīng)用大致可以歸納為3個主要方面：水文情勢改變評估、生態(tài)環(huán)境影響評估、生態(tài)環(huán)境流量估算。

2.1 水文情勢改變評估

在全球氣候變化的大背景下，人類活動影響下的水文情勢正發(fā)生著顯著的變化，特別是水壩(庫)建設(shè)、調(diào)水工程、圍墾等對水文情勢改變的定量評估是近年來研究的熱點問題之一[19-20]。IHA體系在定量評估人類活動導(dǎo)致的水文改變時，具有快速、方便、準(zhǔn)確、全面等特點?；贗HA和RVA，學(xué)者們評估了大壩建設(shè)對我國長江[21-24]、黃河[25-26]、淮河[27]等河流以及湄公河[28]、Lower Zab河[29]等跨國河流水文情勢的影響。RVA可以定量計算出每個指標(biāo)的水文改變度Di，其絕對值分布在0～33%、34%～67%和68%～100%時分別對應(yīng)著無或低改變度、中改變度和高改變度[16]。然而，Shiau等[30-31]認(rèn)為不同的Di可能對應(yīng)著不同的改變度等級，因此提出了以權(quán)重的方式計算總體水文改變度(overall degree of hydrologic alteration)，用來從整體上評估河流的水文改變度。楊娜等[32]考慮到這兩種分級方法要么忽略Di的分布特征，要么易受數(shù)值較大參數(shù)的影響，從而根據(jù)歸一化思想對其進行了改進。Lin等[33]從IHA秩次和對稱性的角度對RVA進行了改進，并提出了頻率改變指數(shù)、趨勢改變指數(shù)和對稱性改變指數(shù)來描述水文改變狀況，得到了比傳統(tǒng)方法更加精確的定量結(jié)果。鄧迪水文情勢改變法(Dundee hydrological regime alteration method, DHRAM)也是在IHA的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種評估水文改變狀況的方法，該方法通過權(quán)重打分的形式將水文改變狀況(生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng))劃分為5個等級，依次對應(yīng)著水文狀況未受影響(無風(fēng)險)、受到輕微影響(低風(fēng)險)、受到中度影響(中風(fēng)險)、受到高度影響(高風(fēng)險)和受到極端影響(極端風(fēng)險)[34]。

我國擁有770座大型大壩和水庫[35]，位居世界前列，然而數(shù)量眾多的大壩和水庫嚴(yán)重影響了河流、湖泊的水情特征，尤其是以長江三峽為代表的水庫對其下游水情和生態(tài)的影響，吸引了人們的熱切關(guān)注。Jiang等[36]采用RVA評估了三峽大壩對長江中下游水情的影響，指出徑流變化率和年極端流量受到的影響較大，且影響程度隨著距離的增加而減弱。張颯等[37]基于RVA研究了丹江口水庫對漢江水文情勢的影響。Duan等[38]綜合運用IHA、RVA和DHRAM等分析了長江流域24個大型水庫群對長江水情的影響。此外，東江流域的水文過程也因為水庫建設(shè)而發(fā)生顯著改變，直接影響廣州、深圳等珠三角城市群以及香港的水資源供給，也是學(xué)者們的重點研究對象之一。Zhang等[39-40]采用IHA、RVA揭示了新豐江、楓樹壩等水庫對東江流域河流水情的影響。同樣以東江為研究對象，Chen等[41]認(rèn)為通過可視化圖形對RVA結(jié)果進行展示將比表格更好，并借助XmdvTool軟件以平行坐標(biāo)系圖和雷達圖等形式展示了分析結(jié)果，不僅更加生動直觀，而且信息量也更多。黃速艇等[42]、顧西輝等[43]、Lin等[44]基于IHA體系從不同角度探討了東江流域的水文情勢改變。Richter等[16,45]還采用RVA評估了大壩和水庫建設(shè)等人類活動在空間上對水文狀況的影響。此外，IHA也可用于評估氣候變化對水文情勢的影響[29]。

以上研究大都是從河流徑流量的角度來分析水文改變特征，而從水位視角進行的研究相對較少，特別是關(guān)于湖泊水位的研究鮮見報道。根據(jù)IHA和RVA，Zhang等[46]分析了珠江三角洲月水位的空間變異特征；Xu等[47]比較了我國東部城鎮(zhèn)和城郊河網(wǎng)水位的水文改變度。未來研究需要從多維度、多層次來開展，特別是需要開展湖泊水位、河網(wǎng)水位乃至流域水文過程定量評估的研究。

2.2 生態(tài)環(huán)境影響評估

IHA體系較好地將水文與生態(tài)聯(lián)系在一起，特別是為缺少生態(tài)數(shù)據(jù)的水域生態(tài)系統(tǒng)研究提供了一種嶄新的思路，而且更加強調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)的整體性。Maingi等[48]根據(jù)IHA的分析結(jié)果指出，大壩建設(shè)削減了Tana河的洪峰流量，顯著增加了最低流量，對河岸帶森林植被造成了嚴(yán)重的影響。在實際研究中，學(xué)者們往往還結(jié)合生態(tài)盈余(ecosurplus)和生態(tài)赤字(ecodeficit)來分析河道生態(tài)徑流的變化特征[49-50]。Gao等[51]和Zhang等[39]的研究都表明生態(tài)盈余和生態(tài)赤字與IHA之間的相關(guān)關(guān)系較強，不僅可以反映IHA的33個參數(shù)信息，還能有效緩解其冗余性問題?；跀?shù)據(jù)挖掘算法，Yang等[52]從33個參數(shù)中篩選出了6個生態(tài)最相關(guān)的參數(shù)，并擬合出了其與香農(nóng)指數(shù)(Shannon index)的數(shù)學(xué)表達式，為水文改變下的生物多樣性評價研究提供了參考。

在閘壩水生態(tài)效應(yīng)分析研究中，RVA強調(diào)水文與生態(tài)的聯(lián)系，評估結(jié)果更適用于生態(tài)恢復(fù)和閘壩生態(tài)調(diào)度[53]?；谏鲜龇椒?，顧西輝等[43-44]評價了水庫對東江流域河流生態(tài)徑流變化及生物多樣性的影響；Yang等[54-55]分析了黃河干流的生態(tài)徑流特征，評估了其生態(tài)效應(yīng)；史方方等[56]評估了丹江口水庫對漢江中下游水文情勢及魚類生境的影響。另外，Shieh等[57]結(jié)合IHA和棲息地改變指標(biāo)評估了大壩建設(shè)對徑流和棲息地環(huán)境的影響，并指出這一評估方法不需要生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)和生態(tài)學(xué)概念。然而，有學(xué)者對此有不同的看法，他們認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)極其復(fù)雜，IHA體系的評估結(jié)果的可靠性和精確性還需要更多的生態(tài)數(shù)據(jù)來進行驗證[52, 58]。

在評估水文改變導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境影響時，IHA體系是一項最基礎(chǔ)、最重要的研究內(nèi)容。在利用IHA體系評估水文生態(tài)效應(yīng)時，僅需要徑流量、水位等基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)即可，但是要求水文序列足夠長(≥20 a)，限制了在某些數(shù)據(jù)缺測或無測站河流的應(yīng)用，同時還缺少生態(tài)方面的數(shù)據(jù)進行補充和驗證。因此，實際應(yīng)用中往往還需要結(jié)合其他研究手段或方法來彌補其自身的缺陷和不足，這些問題也是IHA體系未來發(fā)展的一大瓶頸。

2.3 生態(tài)環(huán)境流量估算

目前，河流生態(tài)環(huán)境需水評估方法大致可以分為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生境模擬法和綜合法4類[59-60]，其中，IHA估算生態(tài)環(huán)境流量屬于水文學(xué)方法。張愛靜等[61]基于IHA體系的定量評估結(jié)果，研究了河口水流需求及調(diào)水調(diào)沙后水文情勢對環(huán)境水流的滿足度，建議適當(dāng)增加黃河口4月和5月的流量，以維持良好的河口生態(tài)環(huán)境。采用RVA建立的生態(tài)需水管理模式在美國、加拿大、澳大利亞等國家都有廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚。Galat等[62]利用RVA為Missouri河推薦了一種接近自然水文條件的水庫調(diào)度運行模式，這種模式包括增加年度洪水脈沖、推遲生長季節(jié)的日最小下泄流量出現(xiàn)時間、減少每年的徑流逆轉(zhuǎn)次數(shù)等。在國內(nèi)，陳啟慧等[63]率先介紹了計算生態(tài)需水的RVA及其應(yīng)用。馬曉超等[64]認(rèn)為基于RVA計算出的渭河中下游的生態(tài)需水與其他方法得到的結(jié)果較為接近，說明其適用性較好。盡管RVA對數(shù)據(jù)的要求不高，但是RVA設(shè)定的管理目標(biāo)和策略都比較復(fù)雜，在實際應(yīng)用中還需要因地因時制宜地進行相應(yīng)的調(diào)整。Smakhtin等[65]對RVA進行了改進，認(rèn)為1、2、…、12月流量，年最小和最大1 d、30 d流量等16個指標(biāo)也能較好代表河道生態(tài)流量，而且調(diào)控目標(biāo)越少越有利于實際應(yīng)用和管理。舒暢等[66]基于RVA提出了一種更加簡便、著眼于河流整體水文情勢的生態(tài)流量估算方法，劉貴花等[67]將其應(yīng)用于評估鄱陽湖流域的信江生態(tài)流量。官云飛等[68]也在RVA的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種河流的生態(tài)環(huán)境流量計算方法，包括最大生態(tài)環(huán)境流量、適宜生態(tài)環(huán)境流量和最小生態(tài)環(huán)境流量。

近年來，EFCs作為另一種估算和設(shè)定河流生態(tài)環(huán)境流量的方法，正受到學(xué)者們越來越多的重視。Mathews等[17]詳細介紹了IHA軟件在生態(tài)環(huán)境流量研究中的發(fā)展及應(yīng)用，并討論了美國Green河生態(tài)環(huán)境流量的適應(yīng)性管理研究。Souter[69]計算了澳大利亞南部Murray河的EFCs，并比較了自然和目前狀態(tài)下的模擬徑流數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)和推薦自然狀態(tài)下的環(huán)境流量提供了參考。Zhang等[40]研究了東江的EFCs的變化特征，為東江的環(huán)境流量需水決策提供了有力支撐?；贗HA體系，涂晶晶等[70]以東江為例給出了不同泄流量條件下的河流生態(tài)健康狀態(tài)，其中按照EFCs模式的泄流方式最符合自然徑流過程，為流域水庫調(diào)度提供了重要的參考。此外，還有學(xué)者將IHA體系與生態(tài)或水文模型進行耦合研究，如謝悅等[71]采用了IHA和EFCs，并結(jié)合HEC-RAS模型，得到了滿足自然徑流動態(tài)變化和魚類不同等級生境目標(biāo)需求的生態(tài)需水推薦結(jié)果，為淮河流域水資源配置提供了依據(jù)。

總的來看，IHA體系在評估水文情勢改變及其生態(tài)效應(yīng)時，有其獨特的優(yōu)勢，特別是RVA及其改進方法是目前使用最廣泛、最受青睞的評估方法[72]。在評估水文改變引起的生態(tài)環(huán)境影響時，往往需要結(jié)合其他手段和方法(如生態(tài)盈余和生態(tài)赤字、生態(tài)和水文模型等)，有利于指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐乃Y源管理和生態(tài)系統(tǒng)保護。然而，雖然IHA體系也可以用于估算和設(shè)定河流環(huán)境流量，但與其他評估方法相比，其優(yōu)勢并不明顯：一方面是管理目標(biāo)過多，復(fù)雜性和難操作性不言而喻；另一方面是僅僅通過水文數(shù)據(jù)來估算環(huán)境流量，沒有將生態(tài)數(shù)據(jù)進行有效的耦合，估算結(jié)果或許有失偏頗。

3 存在問題與研究展望

IHA體系作為一種快速、方便、易操作的水文改變評估工具，不僅可以全面評估水文情勢的變化特征，而且可以通過圖表的形式對分析結(jié)果進行友好的展示，受到越來越多研究者的青睞。盡管IHA體系是目前生態(tài)水文學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，但是其自身發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。

a. IHA體系的參數(shù)眾多，在某種程度上仍然存在著信息冗余問題，無疑增加了在水資源管理實踐中的操作難度。IHA體系的簡化和綜合研究將是學(xué)者們持續(xù)關(guān)注的焦點問題之一，即如何以最少的水文指標(biāo)盡可能多地表達關(guān)鍵的生態(tài)信息，如生態(tài)最相關(guān)水文指標(biāo)的選取、生態(tài)盈余和生態(tài)赤字的研究等。

b. IHA體系對生態(tài)系統(tǒng)的影響評估只是通過水文指標(biāo)進行間接的反映，目前已有的生態(tài)驗證也僅僅限于個體或種群的尺度，而忽視了生態(tài)系統(tǒng)的整體性。因此，將來的研究需要更多的生態(tài)數(shù)據(jù)來直接驗證其結(jié)果準(zhǔn)確性和精度，特別是要考慮生態(tài)系統(tǒng)的整體性，包括生境、個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等層面。

c. IHA關(guān)于水文情勢的研究主要集中在河流流量方面，而水位作為另一項最基本的水情要素，其研究尚不充分。以我國鄱陽湖和洞庭湖兩大通江湖泊為例，湖泊水情與長江水情息息相關(guān)，并相互作用相互影響，其水位變動對湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)乃至長江水情的影響都十分明顯。此外，對于無測站的河流或流域，IHA的應(yīng)用同樣受限，這也是今后水文過程研究所需要盡力克服的一個重大問題。

d. 在未來的研究中，IHA的分析結(jié)果還可以用于驗證水文模型的輸出結(jié)果，比如驗證模型預(yù)測的未來水資源管理情景的適宜性、對比模型模擬的自然條件下的水文情勢結(jié)果等，特別是與相關(guān)生態(tài)模型進行耦合將是未來發(fā)展的一個重要方向。