于曉龍，徐洪增，劉新陽，陳 豪，汪順生，高傳昌

（1.山東黃河河務局 工程建設中心，山東 濟南250011；2.華北水利水電大學，河南 鄭州450045）

東平湖是山東省第二大淡水湖，為淺水湖泊，總面積627 km2，包括新老兩個湖區(qū)，承擔分滯黃河洪水和蓄滯大汶河來水的任務；南水北調東線工程建成后，其功能由單純的防洪逐漸轉變?yōu)橐苑篮闉橹?，兼顧調水、旅游、養(yǎng)殖和引水灌溉等綜合功能。作為南水北調東線工程的最末一級調節(jié)湖和山東省向膠東地區(qū)調水的水源地，東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況直接關系著調水工程受水區(qū)的水安全。

近幾年，為了了解東平湖的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，國內外學者對東平湖水質、富營養(yǎng)化狀況、生態(tài)水位、水生生物群落和表層沉積物等開展了大量研究。水體水質和營養(yǎng)化狀態(tài)方面，東平湖水環(huán)境質量具有明顯時空差異，根據水體理化性質指標和藻類、底棲動物等水生生物指標，2007—2008年多個月份水體水質劣于Ⅲ類［1］、水體富營養(yǎng)化處于中富-富營養(yǎng)化狀態(tài)［2-3］；2011年冬季多處水質劣于Ⅴ類，水體為中富營養(yǎng)化狀態(tài)［4］；2011—2012年水體處于輕度-中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質為Ⅲ類［5］；2013年水體總體處于輕度-中度富營養(yǎng)化狀態(tài)［6］和中度污染水平［7］，8 月水質則接近Ⅳ類［8］；2015 年水質較 2009 年有明顯改善［9］，2016 年枯水期水質較差，為劣Ⅴ類［10］。生態(tài)水位方面，東平湖最低生態(tài)水位為39.0 m（大沽高程），適宜水位為41.2 m［11］。水生生物群落方面，水生植物單一化發(fā)展趨勢明顯［5］，春季以菹草為主，挺水植物除蘆葦外基本消失，浮葉植物生存空間變??；2010—2011年5月浮游植物 8 門 72 屬［12］，2011 年 8 月 6 門 55 屬［13］，2013 年8門76屬［6］，浮游植物多樣性和生物量未發(fā)生明顯變化；東平湖富營養(yǎng)化狀態(tài)具有持續(xù)性，影響藻類群落結構的環(huán)境因子略有差別［5，14-15］；大型底棲動物由20世紀末的30種左右下降到2013年的16種，而且優(yōu)勢種也發(fā)生了變化［7］，由軟體動物變?yōu)樗ハx、寡毛和小型螺類，浮游動物由100種左右下降到78種［16］。表層沉積物方面，根據2009年和2013年的研究結果，東平湖表層沉積物磷的吸附指數和重金屬空間分布變化較大，其中磷誘發(fā)富營養(yǎng)化的風險較高［17］，重金屬的整體生態(tài)風險水平為中等，Cd、Cu、Zn為主要污染物，Cd和Hg為主要生態(tài)危害因子［18］。水質模擬方面，類宏程等［19］水流水質模擬表明，大汶河入湖流量和COD濃度需滿足一定的要求才能保證出湖口COD達到Ⅲ類水標準。

目前，主要是針對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況某一方面進行研究，而且各方面的研究時段不同，對于包含東平湖水文和結構特征、水體理化性質、水生生物群落、棲息地環(huán)境以及社會經濟的整體水生態(tài)系統(tǒng)健康研究較少；東平湖生態(tài)水位的研究以最低生態(tài)水位為主，且是一個固定值，對動態(tài)生態(tài)水位和水位波動引起的生態(tài)響應鮮有報道；關于東平湖調度方式考慮較少，與生態(tài)水位相結合的調度研究目前尚未開展。因此，近期研究應以生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康為研究重點，綜合利用生態(tài)學、水文學、環(huán)境科學、水動力學以及現代時頻分析技術等多學科理論知識，收集東平湖歷史水生態(tài)系統(tǒng)資料并進行系統(tǒng)分析，開展東平湖水生態(tài)系統(tǒng)現狀監(jiān)測，對東平湖生態(tài)水位、水生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)調度模式進行研究，獲取東平湖月動態(tài)最低生態(tài)水位并提出生態(tài)水位指標，評價東平湖整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，提出可行的生態(tài)調度模式和生態(tài)綜合修復技術。

1 東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)研究內容

1.1 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)歷史資料收集與分析

基于東平湖水環(huán)境質量功能區(qū)的劃分，判斷東平湖水體質量目標；通過收集東平湖流域和湖泊形態(tài)特征、東平湖水位—容積曲線、東平湖水文站水文和氣象數據，以及黃河滯洪、大汶河來水和南水北調東線調水豐水期、平水期和枯水期水量等資料，綜合分析東平湖水位、形態(tài)、容積和水文等參數的變化規(guī)律；通過東平湖水體理化性質、棲息地和水生生物的歷史數據，分析獲得東平湖生態(tài)健康狀況時空變化規(guī)律，探討黃河滯洪、大汶河來水和南水北調來水對東平湖水位、水體理化性質和水生生物的影響；收集及分析東平湖周圍社會經濟情況和文物景觀等；根據東平湖污染源、污染物和治理現狀等資料，掌握東平湖及其沿湖周邊地區(qū)的經濟發(fā)展狀況以及可能存在的污染來源，為綜合修復技術的提出提供基礎支撐。

1.2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測

根據東平湖實際情況分析東平湖水生態(tài)系統(tǒng)評價因子。設置典型水體理化性質和水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測斷面，汛期和非汛期獲取相應的降雨、水體理化性質指標（如 pH 值、NH4-N、CODMn、CODCr、BOD5、TP、TN 和部分重金屬）、水生生物指標（如水生植物、浮游動物、底棲生物、魚類等的密度、頻度和優(yōu)勢度）和棲息地環(huán)境指標（如表層沉積物、棲息地環(huán)境復雜性、流速和深度、堤岸穩(wěn)定性、植被多樣性、人類活動強度和湖岸邊土地利用類型）等監(jiān)測數據，分析水體理化性質、水生生物、表層沉積物時空分布特征和水生生物生活史，利用回歸分析法研究大汶河和南水北調來水水體理化性質對東平湖的影響。

1.3 東平湖生態(tài)水位研究

利用小波技術、EMD方法和S變換研究水位多時間尺度特征，分析水位年際和年內變化的主周期、變異點、水位變幅頻率，分析驅動因素（如來水、氣候或人類活動）與水位變化的相關性和影響程度。利用最低年平均水位法、湖泊形態(tài)分析法、生物最小空間需求法等湖泊生態(tài)水位傳統(tǒng)研究方法，確定東平湖最低生態(tài)水位；利用水生生物生活史、基于長期水文資料和年內展布法分別得到東平湖月動態(tài)最低生態(tài)水位，在水位研究的基礎上，提出東平湖生態(tài)水位指標，包括最高和最低水位發(fā)生時間和歷時，最低生態(tài)水位年內、年際保障程度和敏感時期。

1.4 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康研究

東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康受氣候、水文特征、水體理化性質、水生生物以及社會經濟諸多因子共同影響。依據DPSIR模型框架和AHP模型構建東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及評價標準，包括湖泊水體理化性質指標、水文指標、生態(tài)指標、結構指標、棲息地指標和社會經濟指標等，根據東平湖水功能區(qū)劃分，建立相應的指標閾值和分類標準，利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法、生態(tài)學評價法、灰色聚類分析法或模糊綜合評價法對東平湖的富營養(yǎng)化狀況、棲息地適宜性以及汛期和非汛期的水生態(tài)系統(tǒng)健康程度進行評價，判斷東平湖整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，研究湖泊水體理化性質指標、水文指標、生態(tài)指標、結構指標、棲息地指標和社會經濟指標對水生態(tài)系統(tǒng)健康的影響程度和指標之間的相互關系，及對驅動因素和水位周期波動的響應機制。

1.5 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)調度模式及綜合修復技術研究

結合東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究成果，通過建立水動力-水體理化性質-水生生物耦合的生態(tài)動力學模型對東平湖在南水北調來水、黃河來水、大汶河來水以及不同來水組合等調度情景下的水位、流速場、水體理化性質、水生生物生長和死亡以及換水周期（或水齡）進行預測，并提出可行的生態(tài)調度方案和管理策略，以滿足最高和最低水位下生態(tài)系統(tǒng)功能要求。

針對不同監(jiān)測斷面的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和湖區(qū)土地利用狀況，從生態(tài)修復物理技術、化學技術和生物技術方面提出東平湖生態(tài)綜合修復技術，如射流曝氣循環(huán)、水位調控、表層沉積物疏浚、水生生物控制與恢復以及濕地修復。

2 研究目標

以東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，在水生態(tài)系統(tǒng)歷史資料以及現狀監(jiān)測基礎上，對東平湖水體理化性質、水生生物、棲息地環(huán)境和水位變動等進行深入研究，利用現代時頻分析技術并結合水文法和水生生物法對東平湖生態(tài)水位進行系統(tǒng)研究。借助DPSIR模型框架和AHP模型構建東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康程度進行全面評價。在此基礎上，建立東平湖生態(tài)動力學模型并對不同調度情景下東平湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行數值模擬，提出可行的生態(tài)調度模式和生態(tài)綜合修復技術，從而為實現東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供依據。

3 關鍵問題

3.1 東平湖生態(tài)水位的確定

東平湖水位受氣候變化、人類活動等諸多因素共同影響，而且東平湖屬于淺水湖，水位波動的生態(tài)效應非常明顯，生態(tài)水位不是一個恒定值，而具有動態(tài)特征，包括月最低生態(tài)水位，水位波動的范圍、頻率、發(fā)生時間、持續(xù)時間，最低生態(tài)水位保障程度以及敏感時期，適宜的生態(tài)水位對東平湖生態(tài)系統(tǒng)的維護以及可持續(xù)發(fā)展起著重要作用。目前湖泊生態(tài)水位的研究主要是針對最低生態(tài)水位，根據東平湖實際情況，如何將水文特征、水生生物生活史以及現代時頻分析方法相結合，對于準確分析東平湖生態(tài)水位十分重要，是本研究的關鍵問題之一。

3.2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的準確評價

東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受水文特征、水體理化性質、水生生物和棲息地環(huán)境等諸多因素共同影響，在水生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系構建基礎上，選擇合理的東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價模型是本研究的另一個關鍵問題。

3.3 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)調度模式的提出

東平湖在不同來水和出水情景下（尤其是南水北調來水）必然會對其水動力、水體理化性質和水生生物產生一定影響，且水動力條件、水體理化性質和水生生物之間是相互耦合的，水生態(tài)系統(tǒng)比較復雜，如何構建準確反映東平湖水動力-水體理化性質-水生生物耦合模型對于確定東平湖的生態(tài)調度模式至關重要。

4 研究方法

東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康研究方法較多，包括用于水位多時間尺度分析的小波技術、EMD方法和S變換，用于指標體系構建的DPSIR模型框架和AHP模型，用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的灰色聚類分析法或模糊綜合評價法，以及用于生態(tài)調度模式的生態(tài)動力學模型等。

4.1 水位多時間尺度分解方法

水位可分解為趨勢項和波動項：

式中：x（t）為年際和年內水位時間序列；x（t）為水位趨勢項； x（t）′為水位波動項。

對于水位趨勢項的提取目前常用的是小波變換和EMD方法。

（1）小波變換。小波變換是在短時傅里葉變換基礎上發(fā)展起來的一種時頻分析方法，通過母小波尺度因子和時移因子的變化，給出了一個可變和可移動的窗函數，對水位中的快變成分，要求時域分辨率高，窄窗口可適應其時間短的要求；而慢變成分要求時域分辨率低，寬窗口可適應其時間長的要求，因此小波變換具有自調節(jié)的能力［20］。小波變換：

式中： WTx（j，k） 為小波變換系數； ψj，k（t） 為小波基函數；k為平移離散數；j為分解層數，可實現水位多時間尺度分析，不同的分解層數可以提取水位不同周期的趨勢項；t為時間；a0、b0分別為尺度因子、時移因子，當a0＝2、b0＝1時稱為離散二進小波變換。

（2）EMD方法。EMD是Norden E.Huang等在瞬時頻率概念基礎上提出來的一種時頻分析方法，特別適用于非平穩(wěn)水位趨勢項的提取。EMD方法依據水位自身的時間尺度特征將水位分解為多個固有模態(tài)函數（IMF），無需設定基函數，具有自適應的優(yōu)點，其中分解過程中停止準則和端點處理是關鍵［21］。對水位x（t）進行分解后，可得到有限個IMF及余量，第1個IMF分量c1（t）瞬時頻率最高，階數越大，頻率越小，余量 rn（t）頻率最低。

式中：ci（t）為第 i個 IMF 分量；rn（t）為余量。

水位趨勢項一般是變化緩慢的低頻部分，是余量和相鄰的幾個IMF分量求和的結果，不同的m值可以提取不同周期的水位趨勢項。

式中：m為相鄰IMF分量求和起始數。

對小波變換和EMD方法得到的水位趨勢項與水位序列的擬合精度進行對比分析，確定東平湖水位多時間尺度的分析方法。

（3）S變換。S變換是一種很好的時頻分析工具，具備連續(xù)小波和短時傅里葉變換的優(yōu)點，時窗函數與頻率具有反向變化的特點，在低頻段和高頻段均可以得到較高的分辨率，可用來對波動水位的頻率和幅值進行分析。通過S變換，可以同時從時域以及頻域觀察水位波動的幅值分布［22］。 水位波動 x′（t） 的 S變換：

式中：s（τ，f） 為 S變換，其模值表示為幅值譜；h（τ -t，f）為高斯窗函數；τ為時移參數，可控制窗函數在時間軸上的位置；f為頻率；t為時間；i表示虛數單位；σ

4.2 最低生態(tài)水位確定方法

（1）水文法。結合長期水文變化和年內展布法確定東平湖月動態(tài)最低生態(tài)水位，首先求得最低生態(tài)水位與多年平均水位的比值，然后以多年月平均水位為基準按同比值得到東平湖各月最低生態(tài)水位。

（2）水生生物生活史法。首先分析東平湖水生生物生活史以及種群分布特征，如水生植物萌芽期、幼苗期、生長期、成熟期、種子傳播和越冬期，水生動物（如魚類）產卵期、仔魚期、幼魚期、成魚期和衰老期；然后研究水生生物生活史各生育期的適宜水位；最后根據湖底高程和適宜水位確定水生生物各生育期的最低生態(tài)水位。

4.3 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價指標體系構建和評價方法的確定

根據DPSIR概念模型，即從驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應5個方面［23］，建立東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，模型框架見圖1，其中驅動力反映了東平湖周圍經濟社會的發(fā)展狀況，壓力反映了人類活動對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)的干擾和損害，狀態(tài)反映了東平湖水體的物理化學性質和水生生物現狀，影響反映了東平湖水生態(tài)系統(tǒng)價值和功能的變化，響應是人類對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)變化采取的一系列措施。采用AHP模型來構建水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標體系并實現層次化［24］。為了便于理解，將DPSIR模型得到的指標體系按東平湖水體理化性質指標、水文指標、生態(tài)指標、結構指標、棲息地指標和社會經濟指標進行分類（見圖2），包括目標層、分類層和指標層。

圖1 DPSIR模型框架

圖2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

東平湖水體理化性質指標影響著東平湖水體質量及水生生物的生存，是水生生物正常生長和人類健康的重要保障，屬于DPSIR模型壓力、狀態(tài)和影響方面的指標，包括單位面積COD負荷、COD濃度和水質達標率等。東平湖水文指標是東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎，能夠反映氣候變化、地形地貌及水利工程干擾程度等，屬于DPSIR模型壓力方面的指標，包括可用水資源總量和水位變動頻率等。東平湖生態(tài)指標是東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的表現，可以反映人類活動對東平湖生態(tài)演化的累積效應，屬于DPSIR模型狀態(tài)和影響方面的指標，包括浮游植物葉綠素a含量、生物多樣性和水產品價值等。東平湖結構指標是人類活動和水利工程建設的結果，表現為水體與湖岸交換的快慢、棲息地環(huán)境的優(yōu)劣、湖岸穩(wěn)定及連續(xù)性等方面，屬于DPSIR模型響應方面的指標，包括國家環(huán)境投資和自然濕地恢復等。東平湖棲息地環(huán)境指標反映東平湖表層沉積物污染物分布，以及湖岸帶物質與能量交換、營養(yǎng)物質吸收和水生生物多樣性等方面，棲息地環(huán)境可以提供水生生物生存空間并吸收和釋放污染物，屬于DPSIR模型狀態(tài)和影響方面的指標，包括重金屬生態(tài)風險水平和棲息地服務價值等。東平湖社會經濟指標反映了東平湖地區(qū)社會經濟發(fā)展狀況、人口增長與資源和環(huán)境之間的矛盾以及服務價值等，屬于DPSIR模型驅動力和影響方面的指標，包括人口自然增長率、人均GDP、旅游價值和蓄洪能力等。

在東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系構建的基礎上，采用灰色聚類分析法或模糊綜合評價法對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價。指標體系是多層次的，這里僅介紹多級模糊綜合評價法［25］，其基本步驟：首先對東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價等級劃分，劃分為“健康”“亞健康”“臨界”“亞病態(tài)”“病態(tài)”5級；然后利用組合權重法確定指標權重；最后確定評價模型，建立基于指標層評價指標隸屬度函數的模糊綜合評價矩陣，結合權重確定分類層的模糊綜合評價矩陣和評價結果，進而計算出目標層的模糊綜合評價指數，即東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康程度。

4.4 東平湖生態(tài)動力學模型構建方法

東平湖生態(tài)動力學模型以水動力學為理論依據，首先建立二維水動力模型，包括質量守恒方程和動量守恒方程、水體理化性質對流-擴散方程，以及浮游植物和浮游動物等水生生物生長動力學方程；然后考慮東平湖實際邊界條件和方程中參數設置，采用數值計算方法對方程進行求解，求解時空間上采用有限體積法對方程進行離散，時間離散項采用二階Runge Kutta方法計算。目前已開發(fā)的商用軟件如 MIKE21和WASP中生態(tài)動力學模型均包括了上述方程［26-27］。模型求解的關鍵在于必須根據東平湖實際情況進行水動力、水質和水生生物模型參數率定。

5 結 語

南水北調東線工程建成后對東平湖的功能作用、調度和水資源管理均有較大影響，東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康顯得尤為重要，因此開展東平湖生態(tài)水位、水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和生態(tài)調度模式研究迫在眉睫。本文對東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究內容、研究目標、關鍵問題以及研究方法進行了論述，通過研究可對東平湖水體理化性質、水生生物、表層沉積物時空分布特征、水位多時間尺度特征、生態(tài)水位、水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、生態(tài)調度模式和生態(tài)綜合修復技術進行全面地了解，為東平湖水資源保護、水生態(tài)修復和綜合管理提供理論和技術支撐。