基于多水文改變指標(biāo)評價(jià)東江流域河流流態(tài)變化及其對生物多樣性的影響

顧西輝,張 強(qiáng),*,孔冬冬,王 月,劉劍宇

1 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系,廣州 510275 2 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275 3 中山大學(xué)廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275

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基于多水文改變指標(biāo)評價(jià)東江流域河流流態(tài)變化及其對生物多樣性的影響

顧西輝1,2,3,張 強(qiáng)1,2,3,*,孔冬冬1,2,3,王 月1,2,3,劉劍宇1,2,3

1 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系,廣州 510275 2 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275 3 中山大學(xué)廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275

新豐江、楓樹壩和白盆珠3座大型水庫的建立對東江流域河道流量和河流流態(tài)過程有了較大改變,威脅河道下游生態(tài)系統(tǒng)的健康。基于廣義指標(biāo)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字評價(jià)了東江流域受水庫影響后流域生態(tài)需水需求目標(biāo)總的盈余和缺失變化過程,基于IHA32指標(biāo)計(jì)算的Do和DHRAM評價(jià)了水庫對下游河段河流水文過程總的改變程度以及威脅河道生態(tài)系統(tǒng)健康的風(fēng)險(xiǎn)性大小,并進(jìn)一步分析了對河道生物多樣性的影響。研究結(jié)果如下：(1)水庫對流量歷時(shí)曲線(FDC)有顯著影響,曲線上部下降,尾部上升,尤其體現(xiàn)在秋季和冬季。降水對年與夏季生態(tài)剩余影響較大,水庫對各季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字均有較大影響：秋季和冬季生態(tài)赤字幾乎為0,生態(tài)剩余顯著增加。生態(tài)剩余和生態(tài)赤字與大部分IHA中32個(gè)指標(biāo)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,可作為衡量東江流域年和季節(jié)徑流變化的生態(tài)指標(biāo)。(2)龍川、河源、嶺下和博羅4站點(diǎn)總體改變程度分別為58.48%、54.04%、54.32%和52.47%。河流流態(tài)變化導(dǎo)致總季節(jié)生態(tài)剩余增加并維持在較高水平,進(jìn)一步引起河流生物多樣性下降,并維持在較低水平。龍川和河源兩站河流流態(tài)的變化對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了高風(fēng)險(xiǎn)性影響,嶺下和博羅兩站則為中等風(fēng)險(xiǎn)。

生態(tài)剩余；生態(tài)赤字；IHA；水文改變；東江流域

河流流態(tài)和河道流量因跟水資源緊密相關(guān),所以是水循環(huán)過程中最受關(guān)注的元素,并且是保持河道生態(tài)系統(tǒng)完整性的核心要素,因此研究河流流態(tài)變化特征對于流域水資源管理和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義。氣候變化和人類活動導(dǎo)致水資源時(shí)空分布特征[1]及河流流態(tài)[2]發(fā)生變異,通過水庫或大壩導(dǎo)致下游河道徑流失去了原有的天然變化特征[3],并進(jìn)一步影響河道生態(tài)系統(tǒng)。因此在進(jìn)行水資源開發(fā)與利用時(shí),有必要考慮徑流變化的生態(tài)效應(yīng)。為了評價(jià)河流流態(tài)變化過程和對生態(tài)系統(tǒng)的影響,常常需要指標(biāo)來量化水庫或大壩對河流水文改變程度。Olden和Poff總結(jié)了170多個(gè)水文指標(biāo),發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)過于冗余且具有明顯相關(guān)性[4]。Richter等總結(jié)并歸納了33個(gè)水文改變指標(biāo)(IHA,Indicators of Hydrologic Alteration)來充分反映河流流態(tài)年內(nèi)及年際變化特征[5],并被廣泛使用[6- 7]。盡管相比170多個(gè)水文指標(biāo),IHA中的33個(gè)指標(biāo)已有較大簡化,但指標(biāo)之間相關(guān)性問題仍然沒有得到較好解決[8],且不利于水庫等基于生態(tài)河流流態(tài)的運(yùn)行調(diào)度[9]。為解決上述問題,本文采用基于流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve, FDC)的生態(tài)赤字、生態(tài)剩余等[10]無維度指標(biāo)評價(jià)河道流量需求總的缺失和盈余,并進(jìn)一步利用基于IHA32指標(biāo)計(jì)算的Do(Degree of hydrologic alteration)[11]和DHRAM(Dundee Hydrological Regime Assessment Method)[12]計(jì)算水庫對河流流態(tài)總體改變程度以及造成的河道生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性大小。生態(tài)赤字、生態(tài)剩余、Do和DHRAM等可以從總體角度分析河流流態(tài)變化過程,利于流域水資源管理。

東江流域內(nèi)建有新豐江、楓樹壩及白盆珠三大水庫,且長期為廣州、深圳等珠三角重要城市及香港供水。近幾十年來,由于氣候變化和人類活動影響,尤其是流域內(nèi)三座控制型水庫的影響,河道流量過程已有較大改變。以往的研究主要集中在河道流量年或者季節(jié)性趨勢變化,較少有研究河流流態(tài)改變程度以及對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響,尤其是3座大型水庫對下游水文過程改變引起相關(guān)生態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。因此本文研究目標(biāo)如下：(1)利用生態(tài)赤字和生態(tài)剩余兩個(gè)無維度指標(biāo)分析水庫影響下河道生態(tài)流量需求總的缺失和盈余變化過程；(2)基于IHA32指標(biāo)計(jì)算Do和DHRAM評價(jià)水庫對下游水文過程總的改變程度以及造成的河道生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性大小；(3)進(jìn)一步分析水庫引起流域水文改變后,對河道生物多樣性的影響。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

東江流域是珠江流域的重要支流,發(fā)源于江西省,主要河段位于廣東省,全長562 km,集水面積為35340 km2。東江流域?yàn)閺V東省主要城市及香港等主要水源區(qū),水資源得到高強(qiáng)度開發(fā)。另外,流域內(nèi)建有3座控制性大型水庫[13],顯著改變了東江流域河流流態(tài)、增加了水文過程復(fù)雜度[13]。

本文選取東江流域主要控制性水文站點(diǎn)(龍川、河源、嶺下和博羅4站)[13]1954—2009年日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)來源于廣東省水文局,無缺測,并且經(jīng)過系統(tǒng)整編,質(zhì)量可靠。水文序列按照水庫建成時(shí)間,劃分為受水庫影響前序列(天然序列)和受水庫影響后序列(改變序列)。龍川站和河源站分別位于楓樹壩和新豐江水庫下游[13],因此分別以兩個(gè)水庫建成時(shí)間1974、1962年作為分割點(diǎn)；嶺下站和博羅站均位于楓樹壩和新豐江水庫下游[13],張強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)嶺下和博羅兩站徑流在1973年有一個(gè)改變[14],因此以楓樹壩水庫建成時(shí)間1974年作為分割點(diǎn)。另外選取分布在整個(gè)東江流域29個(gè)降水站點(diǎn)1959—2009年日降水?dāng)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)有少量缺測。

2 研究方法

2.1 生態(tài)剩余和生態(tài)赤字

Vogel等人于2007年提出生態(tài)剩余和生態(tài)赤字兩個(gè)廣義指標(biāo)來評價(jià)河道徑流生態(tài)機(jī)制[10]。生態(tài)剩余和生態(tài)赤字均以流量歷時(shí)曲線(FDC)為基礎(chǔ)。FDC由選擇時(shí)間段的日流量數(shù)據(jù)構(gòu)造,衡量流量超過一個(gè)給定值的時(shí)間歷時(shí)百分比。一段時(shí)間內(nèi)日流量數(shù)據(jù)Qi由大到小排列,其超過概率為[10]：

pi=i/(n+1)

(1)

式中,i為秩次,n為日流量觀測值Qi的樣本大小。FDC可以表述為Qi是pi的函數(shù)。日流量序列既可以構(gòu)造年尺度FDC也可以構(gòu)造季節(jié)尺度FDC。東江流域1954—2009年日流量數(shù)據(jù),以水庫建成時(shí)間為分割點(diǎn),分割點(diǎn)前的序列代表天然機(jī)制徑流,分別構(gòu)造分割點(diǎn)前序列每一年年FDC和季節(jié)FDC,然后求得25%和75%分位數(shù)的年FDC和季節(jié)FDC,作為河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)范圍。一個(gè)給定年的年FDC或者季節(jié)FDC高于75%分位數(shù)FDC,兩個(gè)曲線圍成的面積定義為生態(tài)剩余；一個(gè)給定年的年FDC或者季節(jié)FDC低于25%分位數(shù)FDC,兩個(gè)曲線圍成的面積定義為生態(tài)赤字[10]。生態(tài)剩余和生態(tài)赤字統(tǒng)一定義為生態(tài)徑流(eco-flow)指標(biāo)。

2.2 水文改變程度評價(jià)

IHA32個(gè)指標(biāo)用于量化河流流態(tài)變化特征[15]。分割前序列每個(gè)參數(shù)的范圍被分為3類,將默認(rèn)分類分位數(shù)由33%、67%調(diào)整為25%和75%,從而和FDC分類標(biāo)準(zhǔn)一致。用主成分分析從IHA32個(gè)指標(biāo)中識別與生態(tài)最相關(guān)的水文指標(biāo),定量評價(jià)改變后河流流態(tài)與天然河流流態(tài)的偏差,水文改變程度計(jì)算如下[11]：

(2)

式中,Di為第i個(gè)指標(biāo)的水文改變程度,No,i為改變后徑流序列IHA值在25%—75%分類范圍內(nèi)的年數(shù),Ne相應(yīng)期望年數(shù)(Ne=P×NT,P為50%,NT改變后徑流序列的總年數(shù))基于每個(gè)指標(biāo)的改變程度Di,改變后序列總的水文改變程度計(jì)算如下[11]：

(3)

Black等人于2005年提出了另一個(gè)廣義的水文改變指標(biāo)DHRAM來衡量人類活動對水文機(jī)制改變的程度和范圍[12]。基于IHA32個(gè)指標(biāo)改變前后變化百分比,DHRAM計(jì)算一個(gè)分?jǐn)?shù)值(變化范圍為0—30),分?jǐn)?shù)值越大,河流流態(tài)改變程度越大,生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)越大。Do和DHRAM共同作為衡量總的水文改變程度的指標(biāo),評價(jià)水文機(jī)制改變對河流生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 生物多樣性影響評價(jià)

SI(Shannon Index,Shannon指數(shù))是運(yùn)用最廣泛的評價(jià)生物多樣性指標(biāo)[16]：

(4)

式中,pi表示群落屬于第i個(gè)物種的比例。SI越大表示生物多樣性越豐富。Yang等人用GP(Genetic Programming)算法,基于IHA32個(gè)指標(biāo)建立了SI與水文指標(biāo)的最佳擬合關(guān)系[17]：

(5)

式中,Dmin表示最小一天流量的“Julian”日期,Min3、Min7分別表示為最小3d流量和最小7天流量,Max3表示為最大3d流量,Q3、Q5分別表示為3、5月流量,Rrate表示為連續(xù)日流量之間正差異均值。由于缺乏東江流域河道生物群落和種類數(shù)量數(shù)據(jù),無法直接計(jì)算SI指標(biāo),因此公式(5)SI與水文指標(biāo)構(gòu)建的關(guān)系式,則可以初步粗略預(yù)測水庫建立后對河道生物多樣性的影響程度,但是還需要在以后的生物群落和種類數(shù)據(jù)實(shí)際測量中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 研究結(jié)果

3.1 生態(tài)徑流指標(biāo)變化

圖1為建庫前后年和季節(jié)歷年FDC散點(diǎn)分布特征。由圖1看出,年和夏季FDC建庫前后FDC分布范圍較一致,建庫后高流量和低流量能較好覆蓋建庫前高流量和低流量出現(xiàn)區(qū)域。對于春、秋以及冬季,建庫前后高流量和低流量出現(xiàn)范圍具有較大差別,尤其以秋、冬季最為明顯。秋、冬季建庫后高流量量級和次數(shù)明顯降低,低流量量級和次數(shù)明顯增加,這必然導(dǎo)致秋、冬季由低流量引起的生態(tài)剩余增加,生態(tài)赤字減小。由FDC的變化可以初步判斷出水庫對年和季節(jié)生態(tài)指標(biāo)影響,然而生態(tài)指標(biāo)的變化特征還受降水的影響(圖2，圖3)。

圖2為通過年FDC和季節(jié)FDC得到年和季節(jié)生態(tài)指標(biāo)(生態(tài)剩余和生態(tài)赤字)及1959—2009年間年和季節(jié)降水距平的時(shí)間變化特征。從年尺度來看,年生態(tài)剩余的時(shí)間變化與降水距平較為一致,受水庫影響較少。降水增加導(dǎo)致年高流量增加,年FDC超過75%分位數(shù)線的部分增加,生態(tài)剩余上升,東江流域河道生態(tài)需水處于過于滿足狀態(tài)。整個(gè)東江流域20世紀(jì)70年代中期到80年代中期,降水明顯增加,生態(tài)剩余較為明顯,20世紀(jì)80年代中期之后,降水下降,生態(tài)剩余也呈下降趨勢。相比年生態(tài)剩余,年生態(tài)赤字與降水距平并不完全一致,水庫對年生態(tài)剩余的影響較大。降水減少,導(dǎo)致年低流量減少,年FDC低于25%分位數(shù)線的部分增加,生態(tài)赤字上升,東江流域河道需水處于過于缺乏狀態(tài)。年生態(tài)赤字與降水距平較一致的時(shí)間段集中在1959—1965、1990—2009年兩個(gè)時(shí)間段。這兩個(gè)時(shí)間段,降水明顯減少,生態(tài)赤字同時(shí)明顯增加。但是對于龍川、嶺下和博羅站,1974—1985年生態(tài)赤字的變化并未完全體現(xiàn)出降水的減少程度,這段時(shí)間由于楓樹壩和新豐江兩座大型水庫的調(diào)蓄作用,年低流量的減少程度減緩了。

圖2 生態(tài)徑流指標(biāo)與降水距平百分率的時(shí)間變化Fig.2 Changes in the annual and season eco-flow metrics and the annual precipitation anomaly in the period from 1954 to 2009紅色和綠色條形為降水距平百分率,藍(lán)色曲線為生態(tài)剩余,黑色曲線為生態(tài)赤字

相比年生態(tài)指標(biāo)變化,季節(jié)生態(tài)指標(biāo)時(shí)間變化差異性較為明顯,并且變化幅度較大,穩(wěn)定性較小。季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字與降水距平的時(shí)間變化一致性較小,水庫的影響更加明顯(圖2)。在4個(gè)季節(jié)中,夏季生態(tài)指標(biāo)與降水距平具有更好的一致性。但是對于河源站,1962—1970年夏季降水明顯增加,生態(tài)剩余卻呈顯著下降,新豐江水庫的建成對河源站高流量有顯著的影響。相比春季和夏季,枯水期秋季和冬季,東江流域生態(tài)指標(biāo)受到水庫的顯著影響,降水的影響受到極大的削弱。河源、嶺下和博羅站在1962年之后,不管降水如何變化,生態(tài)赤字一直穩(wěn)定在0附近,新豐江水庫對保持秋、冬季低流量在較高的水平具有重要的作用；由于降水的減少,加上楓樹壩和新豐江兩座水庫的調(diào)節(jié)作用,秋季生態(tài)剩余在1974年之后呈穩(wěn)定下降趨勢,龍川和河源兩站冬季生態(tài)剩余則在高位震蕩。

圖3 年和季節(jié)生態(tài)指標(biāo)10a年際間變化箱型圖Fig.3 Boxplot of decadal changes in the seasonal ecosurplus and ecodeficit in the period from 1954 to 2009

圖3展示了年和季節(jié)生態(tài)指標(biāo)10a統(tǒng)計(jì)變化特征。4個(gè)站點(diǎn)年生態(tài)剩余均表現(xiàn)為1974年之前處于較低水平,1974年之后突然增加；年生態(tài)赤字變化幅度相比年生態(tài)剩余較小,龍川和河源兩站年生態(tài)赤字呈緩慢增加趨勢,嶺下和河源兩站1964—1993年維持在0值附近,1994—2009年顯著增加。4個(gè)站點(diǎn)春季生態(tài)剩余10a統(tǒng)計(jì)中值呈現(xiàn)規(guī)律的拋物線形：1954—1983年呈增加趨勢,1983—2009年呈下降趨勢；河源站春季生態(tài)赤字1954—1983呈現(xiàn)“低-高-低”的循環(huán),然后在最近的20a呈增加趨勢,表明河源站豐水期徑流有一個(gè)10a的周期,在20世紀(jì)80年代之后呈增加趨勢；龍川、嶺下和博羅在20世紀(jì)90年代之前春季生態(tài)赤字一直維持在穩(wěn)定的低水平,然后在近20a呈突然增加趨勢。

3.2 水文整體改變程度的評價(jià)

Do和DHRAM被用來衡量水文機(jī)制整體改變程度(表1)。DHRAM基于IHA5組33個(gè)參數(shù),將每類參數(shù)的平均均值和離差系數(shù)的變化程度分為3類(1代表改變程度最低,3代表改變程度最高),然后求出每類總的改變程度,進(jìn)行總體評價(jià),確定水文改變對河流生態(tài)系統(tǒng)造成的風(fēng)險(xiǎn)等級。從表1中可以看出,龍川站IHA1、3、5組(分別對應(yīng)月徑流、極端徑流出現(xiàn)時(shí)間和徑流改變頻率)整體改變程度較大,達(dá)到中等及以上水平；河源站和嶺下站均集中在IHA1、3組整體改變程度較大,博羅站僅IHA第3組整體改變程度較大,達(dá)到中等水平。DHRAM將總體改變程度分為5級,1級代表水文機(jī)制沒有受到影響(生態(tài)系統(tǒng)無風(fēng)險(xiǎn)),5級代表受到嚴(yán)重影響(生態(tài)系統(tǒng)有嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn))。從DHRAM總體打分及評價(jià)結(jié)果來看,龍川和河源兩站總得分均為13分,改變等級為4級——高風(fēng)險(xiǎn)影響；嶺下和博羅兩站總得分均為9分,改變等級為3級——中等風(fēng)險(xiǎn)影響。從Do來看,龍川站水文機(jī)制改變程度最大,達(dá)到58.48%,博羅站最小達(dá)到52.47%。與DHRAM不同的是,河源站和嶺下站水文機(jī)制改變程度幾乎相等,均在54%左右。盡管4站點(diǎn)之間Do值差別較小,但是均在50%以上,說明東江流域水文機(jī)制均較建庫前有較大改變。采用Do值的另一個(gè)作用是可以用于水庫調(diào)度中下游水文機(jī)制改變程度最小的調(diào)度目標(biāo),這在接下來的研究中繼續(xù)進(jìn)行。

表1 水庫建成前后水文改變的總體評價(jià)：DHRAM和Do結(jié)果

3.3 生態(tài)徑流的變化對生物多樣性的影響

已經(jīng)有170多個(gè)水文指標(biāo)[4]公開發(fā)表,盡管IHA總結(jié)了32個(gè)水文指標(biāo)[5],但是與生態(tài)最相關(guān)指標(biāo)(Ecologically Relevant Hydrologic Indicators, ERHIs)的選擇依然是關(guān)鍵問題。本文用PCA從IHA32個(gè)指標(biāo)中選擇ERHIs做進(jìn)一步的分析。選擇特征值大于1的主成分,保證結(jié)果中每個(gè)變量至少有更多的方差,共選擇了7個(gè)主成分：PC1—PC7。因?yàn)樵谝粋€(gè)主成分下選擇多個(gè)指標(biāo),代表河流流態(tài)相同的方程成分,所以在選擇的ERHIs中,很多指標(biāo)有較高的相關(guān)性例如：最小7d、最小30d和最小90d等。因此在明顯具有相關(guān)性的指標(biāo)中,只選擇一個(gè)最高荷載的指標(biāo)：最小7d流量。在4個(gè)站點(diǎn)中出現(xiàn)次數(shù)最多的指標(biāo)被選為東江流域ERHIs：最小7d流量(Min7)、最大7天流量(Max7)、最小流量出現(xiàn)日期(Dmin)、最大流量出現(xiàn)日期(Dmax),高流量平均歷時(shí)(High Pulse Count, HPC)。上述ERHIs與Yang等人用GP篩選出的6個(gè)ERHIs基本吻合[17],兩者相差水文轉(zhuǎn)變數(shù)量(Number of reversals,RV)、上升率(Rise rates,Rrate)兩個(gè)指標(biāo)。為了全面考慮,本文同樣將RV和Rrate兩個(gè)指標(biāo)納入ERHIs中分析(圖4)。

從圖4中可以看出,最小7d流量在1974年之后突然增加,然后維持在高位震蕩。最大7d流量由1974年之前的高位震蕩,突然減小,并且穩(wěn)定在較低水平。最小日流量出現(xiàn)時(shí)間建庫后序列震蕩幅度明顯增加,以嶺下站和河源站最顯著。最大日流量出現(xiàn)時(shí)間建庫后序列較建庫前更加穩(wěn)定,震蕩幅度顯著減小。高流量天數(shù)(HPC)建庫后均成緩慢震蕩下降趨勢。高流量量級和天數(shù)減少,直接減弱洪水對河道的沖於作用,影響底層無脊椎生物生存與繁衍；河岸邊濕地生態(tài)用水補(bǔ)充可能困難,濕地地下水也較難補(bǔ)充,并且影響濕地土壤營養(yǎng)補(bǔ)充,進(jìn)而威脅濕地系統(tǒng)的生物多樣性。Rrate建庫后的變化很顯著,均表現(xiàn)為突然下降,然后穩(wěn)定在較低水平。RV則相反,一直呈顯著增加趨勢。ERHIs的變化特征必將引起總生態(tài)赤字和總生態(tài)剩余的變化(圖5)并且導(dǎo)致河道水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的變化(SI,圖6)。

圖4 ERHIs隨時(shí)間變化特征Fig.4 The time-varying characteristics of ERHIs

圖5 總季節(jié)生態(tài)剩余和總季節(jié)生態(tài)赤字的時(shí)間變化特征Fig.5 The time-varying characteristics of total season ecosurplus and ecodeficit圖中陰影部分表示loess擬合曲線的95%置信區(qū)間

總季節(jié)生態(tài)剩余和總季節(jié)生態(tài)赤字就是分別將各季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字求和(圖5)。總季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字可以反映出季節(jié)尺度生態(tài)變化在年尺度的影響,從而和年尺度的生態(tài)多樣性指標(biāo)SI值對應(yīng)。總季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字用局部加權(quán)多項(xiàng)式(Loess函數(shù))回歸進(jìn)行擬合,并給出了95%置信區(qū)間,以判斷其變化趨勢(圖5)。從圖5中可以看出,4個(gè)水文站點(diǎn)總季節(jié)生態(tài)剩余明顯高于總季節(jié)生態(tài)赤字,并且總季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字均具有相似的變化特征。1980年之前總季節(jié)生態(tài)剩余一直呈增加趨勢,1980年之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。龍川站總季節(jié)生態(tài)赤字一直處于平穩(wěn)狀態(tài),變化較小,河源、嶺下和博羅三站總季節(jié)生態(tài)赤字1974年之前處于微弱的下降狀態(tài),1974年之后反而處于緩慢的上升狀態(tài),其中夏季生態(tài)赤字的增加起到了關(guān)鍵的作用(圖2)。

圖6給出了生物多樣性指標(biāo)SI的變化特征。從圖6中可以看出,龍川、嶺下和博羅3站SI值在1974年有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：1974年之前持續(xù)下降,1974年之后緩慢上升,1990年代之后在緩慢下降。相比建庫前,龍川、嶺下和博羅三站SI值均在下降,生物多樣性減小,水庫對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了顯著影響。河源站SI值在水庫建成后1990年代呈顯著下降趨勢, 生物多樣性受到嚴(yán)重影響,這與河源站1990年代降水顯著下降有顯著關(guān)系(圖2)。比較圖5和圖6,建庫后總季節(jié)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字的處于穩(wěn)定性變化,SI值也重新處于穩(wěn)定狀態(tài),說明：建庫后河流生態(tài)河流流態(tài)的重新平衡,對建庫后的生物多樣性的重新處于平穩(wěn)狀態(tài)具有重要作用。

圖6 生物多樣性指標(biāo)SI時(shí)間變化特征Fig.6 The time-varying characteristics of biodiversity indicators SI黑色曲線表示loess函數(shù)擬合曲線,陰影部分表示loess擬合曲線的95%置信區(qū)間

3.4 生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA32指標(biāo)比較

為了理解生態(tài)徑流指標(biāo)和IHA32指標(biāo)之間的關(guān)系,IHA32指標(biāo)與各生態(tài)徑流指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系如圖7所示。大部分生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA32指標(biāo)具有很強(qiáng)的正或者負(fù)的相關(guān)關(guān)系(圖7)。冬季月徑流(12—2月)與冬季、年以、季節(jié)總生態(tài)剩余、總生態(tài)改變以及SI具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。最小1、3、7、30d和90d流量幾乎與各生態(tài)指標(biāo)(除去夏季和秋季生態(tài)剩余和生態(tài)赤字)均有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。相比不同歷時(shí)的最小流量,最大1、3、7、30d和90d流量與各生態(tài)徑流指標(biāo)相關(guān)關(guān)系較弱。FR(Fall rate)與LPD(Low pulse duration)與大部分生態(tài)徑流指標(biāo)具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在所有的生態(tài)徑流指標(biāo)中,冬季、年以及季節(jié)總生態(tài)剩余指標(biāo)、秋季和冬季生態(tài)赤字、總生態(tài)改變以及SI與IHA32指標(biāo)具有較好的相關(guān)關(guān)系,能夠較好的表達(dá)IHA32指標(biāo)的信息：例如冬季生態(tài)剩余增加,生態(tài)赤字減少,可以充分反映出冬季月徑流增加,不用歷時(shí)最小流量的增加等。在所有的生態(tài)指標(biāo)中,夏季生態(tài)剩余和生態(tài)赤字與IHA32指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系最弱,表達(dá)IHA32指標(biāo)的信息最少。通過以上的分析,生態(tài)徑流指標(biāo)可以很好的反映出IHA32指標(biāo)的信息,生態(tài)剩余和生態(tài)赤字可以提供水文改變的一個(gè)好的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)剩余和生態(tài)赤字與IHA32指標(biāo)的計(jì)算是相互獨(dú)立的,同時(shí)生態(tài)剩余和生態(tài)赤字的應(yīng)用能夠有效的解決大量水文指標(biāo)之間的冗余與相關(guān)關(guān)系,可以作為衡量水文改變的很好的指標(biāo)[8,18]。

4 結(jié)論

用東江流域1954—2009年日流量數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)剩余和生態(tài)赤字,并結(jié)合Do和DHRAM評價(jià)東江流域水文整體改變程度,分析了ERHIs、總季節(jié)生態(tài)剩余與生態(tài)赤字以及SI指標(biāo)的變化,研究水文改變對生態(tài)多樣性的影響。研究結(jié)果如下：

(1)由于水庫的影響,建庫后高流量量級和次數(shù)明顯降低,低流量量級和次數(shù)明顯增加,導(dǎo)致FDC上端向下移動,尾部向上移動。FDC的變化引起高流量部分低于25%FDC,產(chǎn)生生態(tài)赤字,低流量部分高于75%FDC,產(chǎn)生生態(tài)剩余。

(2)年生態(tài)剩余的時(shí)間變化與降水距平較為一致,受水庫影響較少,年生態(tài)赤字則受水庫影響較大。夏季生態(tài)剩余和生態(tài)赤字與降水的變化較為一致,其他季節(jié)則受水庫的影響較大,尤其是秋季和冬季,建庫后生態(tài)赤字幾乎為0,生態(tài)剩余顯著增加。

(3)龍川和河源兩站河流流態(tài)的變化對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了高風(fēng)險(xiǎn)的影響,嶺下和博羅兩站則是中等風(fēng)險(xiǎn)(DHRAM評價(jià)),龍川、河源、嶺下和博羅4站點(diǎn)總體改變程度分別為58.48%、54.04%、54.32%和52.47%(Do)。河流流態(tài)變化導(dǎo)致總季節(jié)生態(tài)剩余增加并維持在較高水平,進(jìn)一步引起河流生物多樣性下降,并維持在較低水平。

(4)生態(tài)徑流指標(biāo)(生態(tài)剩余和生態(tài)赤字)與IHA32指標(biāo)具有較好的相關(guān)關(guān)系,能夠體現(xiàn)大部分IHA參數(shù)的信息。生態(tài)剩余和生態(tài)赤字能夠很好的應(yīng)用與東江流域反映東江流域年和季節(jié)徑流變化。

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Based on multiple hydrological alteration indicators evaluating the characteristics of flow regime with the impact on the diversity of hydrophily biology

GU Xihui1,2,3, ZHANG Qiang1,2,3,*, KONG Dongdong1,2,3, WANG Yue1,2,3, LIU Jianyu1,2,3

1DepartmentofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China2KeyLaboratoryofWaterCycleandWaterSecurityinSouthernChinaofGuangdongHighEducationInstitute,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China3GuangdongProvincialKeyLaboratoryofUrbanizationandGeo-simulation,SchoolofGeographyandPlanning,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China

Dam-induced hydrological alterations and related ecological problems have created considerable concern for hydrologists, ecologists, and policy-makers. The East River basin in China is the primary provider of water resources for mega-cities within the Pearl River Delta and meets 80% of the annual water demand of Hong Kong. Daily streamflow data from 4 hydrological stations covering the period of 1954—2009 are analyzed with respect to eco-flow regimes of the East River basin using eco-flow metrics (ecosurplus and ecodeficit) and the Indicators of Hydrologic Alteration (IHA) technique. In this study, ecodeficit and ecosurplus were analyzed to determine the ecological impact of water impoundments. In addition, Doand DHRAM (Dundee Hydrological Regime Assessment Method) were employed to evaluate the degree of alteration of hydrological regimes, and ERHIs (Ecologically Relevant Hydrologic Indicators) were used to analyze the influence of hydrological alterations on ecological diversity. Results indicate that the flow duration curve (FDC) is significantly affected by water reservoirs, which is largely mirrored by the running down of the upper curve tail and running up of the lower curve tail, especially in autumn and winter. In this way, the magnitude and frequency of high flows decrease and those of low flows increase because of reservoir regulation. Precipitation exerts greater influence on annual and summer ecosurplus, whereas seasonal ecosurplus and ecodeficit are more influenced by the hydrological regulations of the reservoirs. The ecodeficit in the autumn and winter is nearly zero, whereas the ecosurplus in these same seasons increases significantly. In addition, ecodeficit and ecosurplus in other seasons, particularly autumn and winter, are more influenced by reservoir regulation. Impacts of reservoirs on hydrological regimes and eco-flow regimes differ from one station to another owing to varying degrees of influence from the reservoirs on hydrological processes. The longer the distance between a reservoir and hydrological station, the weaker the influence the water reservoir has on hydrological processes. Because of changes in the streamflow mechanism, the fluvial ecosystems are under a high risk of degradation at the Longchuan and Heyuan stations and a moderate risk of degradation at the Lingxia and Boluo stations. The general alteration degrees of hydrology are 58.48%, 54.04%, 54.32%, and 52.47% at the Longchuan, Heyuan, Lingxia, and Boluo stations, respectively. The changes in the streamflow mechanism tend to increase seasonal ecosurplus and trigger risk of a high level of ecosurplus that causes a further decline in biodiversity. Comparing the eco-flow and IHA metrics demonstrated that combining these two groups has the potential to provide a sufficient measure of the change in the flow regime. Ecodeficit and ecosurplus can be accepted in the evaluation of alterations of hydrological processes at annual and seasonal time scales. This study provides a theoretical background for water resource management with consideration of eco-flow variations in response to reservoir regulation in other highly regulated river basins of the globe.

ecosurplus; ecodeficit; IHA; hydrology alteration; East River

國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51425903)；國家自然科學(xué)基金重大國際合作研究項(xiàng)目(51320105010)；香港特別行政區(qū)研究資助局項(xiàng)目(CUHK441313)；中山大學(xué)濱海小流域自然地理綜合過程觀測與實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)(2012年度)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2012B091100471)

2014- 12- 12;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201412122480

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn

顧西輝,張強(qiáng),孔冬冬,王月，劉劍宇.基于多水文改變指標(biāo)評價(jià)東江流域河流流態(tài)變化及其對生物多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6079- 6090.

Gu X H, Zhang Q, Kong D D, Wang Y, Liu J Y.Based on multiple hydrological alteration indicators evaluating the characteristics of flow regime with the impact on the diversity of hydrophily biology.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6079- 6090.