東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康研究

于曉龍，徐洪增，劉新陽，陳 豪，汪順生，高傳昌

（1.山東黃河河務(wù)局 工程建設(shè)中心，山東 濟(jì)南250011；2.華北水利水電大學(xué)，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(gè)湖區(qū)，承擔(dān)分滯黃河洪水和蓄滯大汶河來水的任務(wù)；南水北調(diào)東線工程建成后，其功能由單純的防洪逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑篮闉橹鳎骖櫿{(diào)水、旅游、養(yǎng)殖和引水灌溉等綜合功能。作為南水北調(diào)東線工程的最末一級(jí)調(diào)節(jié)湖和山東省向膠東地區(qū)調(diào)水的水源地，東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況直接關(guān)系著調(diào)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)東平湖水質(zhì)、富營(yíng)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(zhì)和營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)方面，東平湖水環(huán)境質(zhì)量具有明顯時(shí)空差異，根據(jù)水體理化性質(zhì)指標(biāo)和藻類、底棲動(dòng)物等水生生物指標(biāo)，2007—2008年多個(gè)月份水體水質(zhì)劣于Ⅲ類［1］、水體富營(yíng)養(yǎng)化處于中富-富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)［2-3］；2011年冬季多處水質(zhì)劣于Ⅴ類，水體為中富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)［4］；2011—2012年水體處于輕度-中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)為Ⅲ類［5］；2013年水體總體處于輕度-中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)［6］和中度污染水平［7］，8 月水質(zhì)則接近Ⅳ類［8］；2015 年水質(zhì)較 2009 年有明顯改善［9］，2016 年枯水期水質(zhì)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(shì)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(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)具有持續(xù)性，影響藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子略有差別［5，14-15］；大型底棲動(dòng)物由20世紀(jì)末的30種左右下降到2013年的16種，而且優(yōu)勢(shì)種也發(fā)生了變化［7］，由軟體動(dòng)物變?yōu)樗ハx、寡毛和小型螺類，浮游動(dòng)物由100種左右下降到78種［16］。表層沉積物方面，根據(jù)2009年和2013年的研究結(jié)果，東平湖表層沉積物磷的吸附指數(shù)和重金屬空間分布變化較大，其中磷誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)較高［17］，重金屬的整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)模擬方面，類宏程等［19］水流水質(zhì)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(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

目前，主要是針對(duì)東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況某一方面進(jìn)行研究，而且各方面的研究時(shí)段不同，對(duì)于包含東平湖水文和結(jié)構(gòu)特征、水體理化性質(zhì)、水生生物群落、棲息地環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)固定值，對(duì)動(dòng)態(tài)生態(tài)水位和水位波動(dòng)引起的生態(tài)響應(yīng)鮮有報(bào)道；關(guān)于東平湖調(diào)度方式考慮較少，與生態(tài)水位相結(jié)合的調(diào)度研究目前尚未開展。因此，近期研究應(yīng)以生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康為研究重點(diǎn)，綜合利用生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水動(dòng)力學(xué)以及現(xiàn)代時(shí)頻分析技術(shù)等多學(xué)科理論知識(shí)，收集東平湖歷史水生態(tài)系統(tǒng)資料并進(jìn)行系統(tǒng)分析，開展東平湖水生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)，對(duì)東平湖生態(tài)水位、水生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)調(diào)度模式進(jìn)行研究，獲取東平湖月動(dòng)態(tài)最低生態(tài)水位并提出生態(tài)水位指標(biāo)，評(píng)價(jià)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(diào)度模式和生態(tài)綜合修復(fù)技術(shù)。

1 東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)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(zhì)量功能區(qū)的劃分，判斷東平湖水體質(zhì)量目標(biāo)；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(shù)據(jù)，以及黃河滯洪、大汶河來水和南水北調(diào)東線調(diào)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(shù)的變化規(guī)律；通過東平湖水體理化性質(zhì)、棲息地和水生生物的歷史數(shù)據(jù)，分析獲得東平湖生態(tài)健康狀況時(shí)空變化規(guī)律，探討黃河滯洪、大汶河來水和南水北調(diào)來水對(duì)東平湖水位、水體理化性質(zhì)和水生生物的影響；收集及分析東平湖周圍社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況和文物景觀等；根據(jù)東平湖污染源、污染物和治理現(xiàn)狀等資料，掌握東平湖及其沿湖周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及可能存在的污染來源，為綜合修復(fù)技術(shù)的提出提供基礎(chǔ)支撐。

1.2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)東平湖實(shí)際情況分析東平湖水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子。設(shè)置典型水體理化性質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面，汛期和非汛期獲取相應(yīng)的降雨、水體理化性質(zhì)指標(biāo)（如 pH 值、NH4-N、CODMn、CODCr、BOD5、TP、TN 和部分重金屬）、水生生物指標(biāo)（如水生植物、浮游動(dòng)物、底棲生物、魚類等的密度、頻度和優(yōu)勢(shì)度）和棲息地環(huán)境指標(biāo)（如表層沉積物、棲息地環(huán)境復(fù)雜性、流速和深度、堤岸穩(wěn)定性、植被多樣性、人類活動(dòng)強(qiáng)度和湖岸邊土地利用類型）等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析水體理化性質(zhì)、水生生物、表層沉積物時(shí)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(diào)來水水體理化性質(zhì)對(duì)東平湖的影響。

1.3 東平湖生態(tài)水位研究

利用小波技術(shù)、EMD方法和S變換研究水位多時(shí)間尺度特征，分析水位年際和年內(nèi)變化的主周期、變異點(diǎn)、水位變幅頻率，分析驅(qū)動(dòng)因素（如來水、氣候或人類活動(dòng)）與水位變化的相關(guān)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(zhǎng)期水文資料和年內(nèi)展布法分別得到東平湖月動(dòng)態(tài)最低生態(tài)水位，在水位研究的基礎(chǔ)上，提出東平湖生態(tài)水位指標(biāo)，包括最高和最低水位發(fā)生時(shí)間和歷時(shí)，最低生態(tài)水位年內(nèi)、年際保障程度和敏感時(shí)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(zhì)、水生生物以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)諸多因子共同影響。依據(jù)DPSIR模型框架和AHP模型構(gòu)建東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括湖泊水體理化性質(zhì)指標(biāo)、水文指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、棲息地指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，根據(jù)東平湖水功能區(qū)劃分，建立相應(yīng)的指標(biāo)閾值和分類標(biāo)準(zhǔn)，利用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、生態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色聚類分析法或模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)東平湖的富營(yíng)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(jìn)行評(píng)價(jià)，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(zhì)指標(biāo)、水文指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、棲息地指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康的影響程度和指標(biāo)之間的相互關(guān)系，及對(duì)驅(qū)動(dòng)因素和水位周期波動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制。

1.5 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)調(diào)度模式及綜合修復(fù)技術(shù)研究

結(jié)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(dòng)力-水體理化性質(zhì)-水生生物耦合的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)東平湖在南水北調(diào)來水、黃河來水、大汶河來水以及不同來水組合等調(diào)度情景下的水位、流速場(chǎng)、水體理化性質(zhì)、水生生物生長(zhǎng)和死亡以及換水周期（或水齡）進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出可行的生態(tài)調(diào)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(duì)不同監(jiān)測(cè)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(fù)物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)方面提出東平湖生態(tài)綜合修復(fù)技術(shù)，如射流曝氣循環(huán)、水位調(diào)控、表層沉積物疏浚、水生生物控制與恢復(fù)以及濕地修復(fù)。

2 研究目標(biāo)

以東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在水生態(tài)系統(tǒng)歷史資料以及現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，對(duì)東平湖水體理化性質(zhì)、水生生物、棲息地環(huán)境和水位變動(dòng)等進(jìn)行深入研究，利用現(xiàn)代時(shí)頻分析技術(shù)并結(jié)合水文法和水生生物法對(duì)東平湖生態(tài)水位進(jìn)行系統(tǒng)研究。借助DPSIR模型框架和AHP模型構(gòu)建東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康程度進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，建立東平湖生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)不同調(diào)度情景下東平湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，提出可行的生態(tài)調(diào)度模式和生態(tài)綜合修復(fù)技術(shù)，從而為實(shí)現(xiàn)東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供依據(jù)。

3 關(guān)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(dòng)等諸多因素共同影響，而且東平湖屬于淺水湖，水位波動(dòng)的生態(tài)效應(yīng)非常明顯，生態(tài)水位不是一個(gè)恒定值，而具有動(dòng)態(tài)特征，包括月最低生態(tài)水位，水位波動(dòng)的范圍、頻率、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間，最低生態(tài)水位保障程度以及敏感時(shí)期，適宜的生態(tài)水位對(duì)東平湖生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)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(duì)最低生態(tài)水位，根據(jù)東平湖實(shí)際情況，如何將水文特征、水生生物生活史以及現(xiàn)代時(shí)頻分析方法相結(jié)合，對(duì)于準(zhǔn)確分析東平湖生態(tài)水位十分重要，是本研究的關(guān)鍵問題之一。

3.2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)

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(zhì)、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(biāo)體系構(gòu)建基礎(chǔ)上，選擇合理的東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)模型是本研究的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

3.3 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)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(diào)來水）必然會(huì)對(duì)其水動(dòng)力、水體理化性質(zhì)和水生生物產(chǎn)生一定影響，且水動(dòng)力條件、水體理化性質(zhì)和水生生物之間是相互耦合的，水生態(tài)系統(tǒng)比較復(fù)雜，如何構(gòu)建準(zhǔn)確反映東平湖水動(dòng)力-水體理化性質(zhì)-水生生物耦合模型對(duì)于確定東平湖的生態(tài)調(diào)度模式至關(guān)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(shí)間尺度分析的小波技術(shù)、EMD方法和S變換，用于指標(biāo)體系構(gòu)建的DPSIR模型框架和AHP模型，用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的灰色聚類分析法或模糊綜合評(píng)價(jià)法，以及用于生態(tài)調(diào)度模式的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型等。

4.1 水位多時(shí)間尺度分解方法

水位可分解為趨勢(shì)項(xiàng)和波動(dòng)項(xiàng)：

式中：x（t）為年際和年內(nèi)水位時(shí)間序列；x（t）為水位趨勢(shì)項(xiàng)； x（t）′為水位波動(dòng)項(xiàng)。

對(duì)于水位趨勢(shì)項(xiàng)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(shí)傅里葉變換基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種時(shí)頻分析方法，通過母小波尺度因子和時(shí)移因子的變化，給出了一個(gè)可變和可移動(dòng)的窗函數(shù)，對(duì)水位中的快變成分，要求時(shí)域分辨率高，窄窗口可適應(yīng)其時(shí)間短的要求；而慢變成分要求時(shí)域分辨率低，寬窗口可適應(yīng)其時(shí)間長(zhǎng)的要求，因此小波變換具有自調(diào)節(jié)的能力［20］。小波變換：

式中： WTx（j，k） 為小波變換系數(shù)； ψj，k（t） 為小波基函數(shù)；k為平移離散數(shù)；j為分解層數(shù)，可實(shí)現(xiàn)水位多時(shí)間尺度分析，不同的分解層數(shù)可以提取水位不同周期的趨勢(shì)項(xiàng)；t為時(shí)間；a0、b0分別為尺度因子、時(shí)移因子，當(dāng)a0＝2、b0＝1時(shí)稱為離散二進(jìn)小波變換。

（2）EMD方法。EMD是Norden E.Huang等在瞬時(shí)頻率概念基礎(chǔ)上提出來的一種時(shí)頻分析方法，特別適用于非平穩(wěn)水位趨勢(shì)項(xiàng)的提取。EMD方法依據(jù)水位自身的時(shí)間尺度特征將水位分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），無需設(shè)定基函數(shù)，具有自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，其中分解過程中停止準(zhǔn)則和端點(diǎn)處理是關(guān)鍵［21］。對(duì)水位x（t）進(jìn)行分解后，可得到有限個(gè)IMF及余量，第1個(gè)IMF分量c1（t）瞬時(shí)頻率最高，階數(shù)越大，頻率越小，余量 rn（t）頻率最低。

式中：ci（t）為第 i個(gè) IMF 分量；rn（t）為余量。

水位趨勢(shì)項(xiàng)一般是變化緩慢的低頻部分，是余量和相鄰的幾個(gè)IMF分量求和的結(jié)果，不同的m值可以提取不同周期的水位趨勢(shì)項(xiàng)。

式中：m為相鄰IMF分量求和起始數(shù)。

對(duì)小波變換和EMD方法得到的水位趨勢(shì)項(xiàng)與水位序列的擬合精度進(jìn)行對(duì)比分析，確定東平湖水位多時(shí)間尺度的分析方法。

（3）S變換。S變換是一種很好的時(shí)頻分析工具，具備連續(xù)小波和短時(shí)傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)，時(shí)窗函數(shù)與頻率具有反向變化的特點(diǎn)，在低頻段和高頻段均可以得到較高的分辨率，可用來對(duì)波動(dòng)水位的頻率和幅值進(jìn)行分析。通過S變換，可以同時(shí)從時(shí)域以及頻域觀察水位波動(dòng)的幅值分布［22］。 水位波動(dòng) 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(shù)；τ為時(shí)移參數(shù)，可控制窗函數(shù)在時(shí)間軸上的位置；f為頻率；t為時(shí)間；i表示虛數(shù)單位；σ

4.2 最低生態(tài)水位確定方法

（1）水文法。結(jié)合長(zhǎng)期水文變化和年內(nèi)展布法確定東平湖月動(dòng)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(zhǔn)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(zhǎng)期、成熟期、種子傳播和越冬期，水生動(dòng)物（如魚類）產(chǎn)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(jù)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建和評(píng)價(jià)方法的確定

根據(jù)DPSIR概念模型，即從驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)5個(gè)方面［23］，建立東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，模型框架見圖1，其中驅(qū)動(dòng)力反映了東平湖周圍經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展?fàn)顩r，壓力反映了人類活動(dòng)對(duì)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(xué)性質(zhì)和水生生物現(xiàn)狀，影響反映了東平湖水生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值和功能的變化，響應(yīng)是人類對(duì)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(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標(biāo)體系并實(shí)現(xiàn)層次化［24］。為了便于理解，將DPSIR模型得到的指標(biāo)體系按東平湖水體理化性質(zhì)指標(biāo)、水文指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、棲息地指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分類（見圖2），包括目標(biāo)層、分類層和指標(biāo)層。

圖1 DPSIR模型框架

圖2 東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

東平湖水體理化性質(zhì)指標(biāo)影響著東平湖水體質(zhì)量及水生生物的生存，是水生生物正常生長(zhǎng)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(biāo)，包括單位面積COD負(fù)荷、COD濃度和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等。東平湖水文指標(biāo)是東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)，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(biāo)，包括可用水資源總量和水位變動(dòng)頻率等。東平湖生態(tài)指標(biāo)是東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的表現(xiàn)，可以反映人類活動(dòng)對(duì)東平湖生態(tài)演化的累積效應(yīng)，屬于DPSIR模型狀態(tài)和影響方面的指標(biāo)，包括浮游植物葉綠素a含量、生物多樣性和水產(chǎn)品價(jià)值等。東平湖結(jié)構(gòu)指標(biāo)是人類活動(dòng)和水利工程建設(shè)的結(jié)果，表現(xiàn)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(yīng)方面的指標(biāo)，包括國(guó)家環(huán)境投資和自然濕地恢復(fù)等。東平湖棲息地環(huán)境指標(biāo)反映東平湖表層沉積物污染物分布，以及湖岸帶物質(zhì)與能量交換、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(biāo)，包括重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平和棲息地服務(wù)價(jià)值等。東平湖社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反映了東平湖地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、人口增長(zhǎng)與資源和環(huán)境之間的矛盾以及服務(wù)價(jià)值等，屬于DPSIR模型驅(qū)動(dòng)力和影響方面的指標(biāo)，包括人口自然增長(zhǎng)率、人均GDP、旅游價(jià)值和蓄洪能力等。

在東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上，采用灰色聚類分析法或模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)體系是多層次的，這里僅介紹多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法［25］，其基本步驟：首先對(duì)東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)劃分，劃分為“健康”“亞健康”“臨界”“亞病態(tài)”“病態(tài)”5級(jí)；然后利用組合權(quán)重法確定指標(biāo)權(quán)重；最后確定評(píng)價(jià)模型，建立基于指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，結(jié)合權(quán)重確定分類層的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣和評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)層的模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，即東平湖水生態(tài)系統(tǒng)健康程度。

4.4 東平湖生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建方法

東平湖生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型以水動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，首先建立二維水動(dòng)力模型，包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程、水體理化性質(zhì)對(duì)流-擴(kuò)散方程，以及浮游植物和浮游動(dòng)物等水生生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程；然后考慮東平湖實(shí)際邊界條件和方程中參數(shù)設(shè)置，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)方程進(jìn)行求解，求解時(shí)空間上采用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散，時(shí)間離散項(xiàng)采用二階Runge Kutta方法計(jì)算。目前已開發(fā)的商用軟件如 MIKE21和WASP中生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型均包括了上述方程［26-27］。模型求解的關(guān)鍵在于必須根據(jù)東平湖實(shí)際情況進(jìn)行水動(dòng)力、水質(zhì)和水生生物模型參數(shù)率定。

5 結(jié) 語

南水北調(diào)東線工程建成后對(duì)東平湖的功能作用、調(diào)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(diào)度模式研究迫在眉睫。本文對(duì)東平湖生態(tài)水位和水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)、關(guān)鍵問題以及研究方法進(jìn)行了論述，通過研究可對(duì)東平湖水體理化性質(zhì)、水生生物、表層沉積物時(shí)空分布特征、水位多時(shí)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(diào)度模式和生態(tài)綜合修復(fù)技術(shù)進(jìn)行全面地了解，為東平湖水資源保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)和綜合管理提供理論和技術(shù)支撐。