用于描述欧洲湖泊水文地貌特征并确定其生态状况的指标清单

《Ecological Indicators》：Inventory of metrics for characterizing the hydromorphology and defining the ecological status of European lakes

　　克里斯汀·阿尔吉利埃 | 托尔·哈康·巴肯 | 亚历山德拉·卡里埃雷 | 马尔齐亚·钱皮蒂埃洛 | 塞巴斯蒂安·库蒂拉 | 阿格涅什卡·科拉达 | 约尔诺·图鲁宁 | 瓦西利基·齐奥乌西 | 安德烈亚斯·胡斯纳 | 卡塔里娜·瓦尔蒂亚 | 桑德拉·明加雷利
法国艾克斯-马赛大学INRAE、UMR RECOVER，F-13182

**摘要**
水文形态条件是决定湖泊生物群落组成和丰度的关键因素之一。因此，水文形态的变化会显著影响水生生物多样性和湖泊生态系统的生态状况。国际上已经开发了多种方法来监测和评估水文和形态状况，尤其是在欧洲，根据《水框架指令》（WFD）做出了尤为全面的努力。在这项研究中，我们整理和回顾了目前在欧洲用于评估湖泊水文形态状况的13种方法中包含的水文和形态指标。这些方法既适用于自然湖泊也适用于人工湖泊，并旨在支持WFD的实施。我们根据空间尺度、受影响的过程和数据要求对指标进行了分类，以便更战略性地选择指标，并提高其与湖泊管理和恢复策略的契合度。在所审查的指标中，那些反映水流变化和滨水栖息地质量的指标描述最为详细。相比之下，湖泊与地下水之间的水文联系变化则很少被评估。持续的方法论进步和技术发展，特别是在遥感领域，有望提高湖泊水文形态变化评估的准确性和效率。未来的研究需要重点关注气候变化如何影响湖泊的水文和形态特征，特别是区分人为影响与大规模自然过程的影响。更清晰地理解这些动态对于应对气候变化制定有效的湖泊恢复策略至关重要。

**1. 引言**
水文形态（HYMO）条件是影响湖泊生物群落组成和丰度的关键因素。许多物理特征，如湖泊面积、深度、水停留时间、水位变化和底质组成，已被记录为影响众多生物栖息地特征的关键物理参数，从而影响湖泊物种群落组成和生物多样性模式（Jennings等人，1999年；Mehner等人，2007年；Strayer和Findlay，2010年；Tolonen等人，2001年）。这些HYMO属性对湖泊生物多样性的影响已有广泛记录，尤其是在人为活动改变了这些特征的情况下（Ciampittiello等人，2017年；Lyche-Solheim等人，2013年；Poikane等人，2020a）。形态变化由一系列人类活动引起（例如娱乐活动、筑坝、疏浚、取水；McParland和Barrett，2009年），这些活动主要改变了湖泊的滨水区和河岸带的物理结构。形态变化通常会影响滨水生物，如水生大型植物和底栖大型无脊椎动物（Poikane等人，2016年）以及鱼类（Petriki等人，2017年），而对浮游生物（如植物浮游生物和动物浮游生物）的影响则记录较少（Ciampittiello等人，2017年）。与形态变化相比，水文压力（如流量变化）对浮游生物（包括植物浮游生物和动物浮游生物群落）的影响更为显著。然而，它们也可能通过改变滨水栖息地的可用性和质量间接影响滨水生物群落（Kuty?a等人，2025年；?awniczak-Malińska，2023年；Sutela等人，2013年）。这些影响的程度部分取决于湖泊水停留时间和水文动态的变化，特别是水位波动。此类变化可以影响物理过程、栖息地结构和生物多样性，从而对整个水生生态系统的健康产生连锁反应（Aroviita和H?m?l?inen，2008年；Boggero等人，2022a，Boggero等人，2022b；Ciampittiello等人，2023年；Logez等人，2016年）。例如，在许多湖泊中，滨水区和河岸带栖息地的地带性受季节性水位变化的影响。

欧盟《水框架指令》（WFD；欧盟委员会，2000年）的制定旨在阻止欧洲水体的恶化，并使其达到良好的化学和生态状况或潜力。为了评估生态状况或潜力，使用了多种生物学质量指标，包括水生植物、植物浮游生物、大型无脊椎动物和鱼类。然而，它们的物种组成和丰度受到栖息地HYMO特征的影响。因此，在评估湖泊的生态状况和识别可能阻碍达到良好生态状况或潜力的压力时，必须考虑湖泊的HYMO特征。具体来说，WFD要求监测湖泊的六个HYMO参数：水量和动态、停留时间、与地下水的连接、湖泊深度变化、湖底结构及底质和湖岸结构。同时，已经发布了用于评估湖泊HYMO特征的标准（[CEN]欧洲标准化委员会，2011年）以及确定其HYMO变化程度的标准（[CEN]欧洲标准化委员会，2017年）。

测量和量化水文和形态特征的可靠方法对于有效描述和比较自然湖泊和人工湖泊的物理条件至关重要。这些方法也有助于建立可靠的压力量-影响关系，将HYMO压力与湖泊生物指标联系起来，从而有效量化HYMO变化对湖泊生物的影响。早期的一些研究方法侧重于测量形状、坡度、湖岸底质结构、栖息地异质性、水深和水文制度等特征（H?kanson，1981年）。20世纪90年代末，Baker等人（1997年）开发了一个美国协议，用于收集有关水质、生态变量和湖泊物理结构的数据，包括湖泊内的物理和化学测量以及湖岸带栖息地调查。该协议是在环境监测和评估计划（EMAP）框架下开发的（https://archive.epa.gov/emap/archive-emap/web/html/），旨在评估地表水的生态状况。该协议在理念和方法上与后来在欧洲实施的WFD有相似之处。事实上，WFD在提高水管理实践中的水文形态重要性方面发挥了关键作用，要求成员国将水体HYMO条件的评估和管理作为其河流流域管理计划的一部分。

在WFD中，水文形态被视为一个支持性质量要素，意味着它旨在支持水生生物的生存条件（欧盟委员会，2000年）。因此，HYMO监测和评估系统必须反映可能影响生物群落结构和功能的HYMO变化程度，并建立HYMO状态与生物指标之间的压力量-影响关系（Lyche-Solheim等人，2013年；Poikane等人，2020a）。为了有效实施WFD并监测湖泊生态，使用适当的压力指标描述压力梯度并确定其对用于定义生态状况或潜力的生物指标的影响非常重要。对于WFD的实施，这些指标通常依赖于在滨水区收集的大型无脊椎动物群落（Poikane等人，2020a）。一些HYMO指标已在科学研究中被描述，用于评估湖泊水文形态（Bakken等人，2019年；Carriere等人，2024年；Kuty?a等人，2021年；Latinopoulos等人，2018年；Rowan等人，2006年）。其他指标已在案例研究中应用于评估HYMO变化对生物群落的影响，特别是对大型无脊椎动物（例如，Miler等人，2015年；Peterlin和Urbani?，2013年；Tolonen等人，2001年），以及大型植物和植物浮游生物（Hellsten和Mjelde，2009年；Jusik和Macio?，2014年；Kuty?a等人，2025年）和鱼类（Sutela和Vehanen，2008年；Sutela等人，2011年）。然而，要全面了解目前在欧洲监管框架内考虑的各种HYMO变化背景下使用的或潜在适用的指标仍然具有挑战性。

本研究的目的是：(i) 识别和描述目前在欧洲欧盟WFD实施中使用的或计划使用的HYMO指标；(ii) 根据考虑的空间尺度和HYMO质量要素对所识别的指标进行分类；(iii) 评估这些现有指标在环境（例如Natura 2000）和WFD要求方面的优点和缺点。这些指标可以作为WFD背景下湖泊压力的指标，并有助于开发用于分析全球变化条件下生物多样性模式的压力量-影响模型。

**2. 方法**
为了在整个欧洲采用《水框架指令》（WFD）的统一实施策略，欧盟委员会于2003年成立了一个生态状况工作组（WG ECOSTAT）。该工作组内有一个由不同成员国提名专家组成的子组，负责提出评估湖泊HYMO状况的建议，以支持生物完整性并提高生态评估的一致性。本文中使用的数据信息于2023年从该成员国的专家子组收集而来。为此目的组织了五次研讨会，召集了来自20个欧盟国家及相关成员国的专家，即奥地利、克罗地亚、塞浦路斯、捷克共和国、丹麦、芬兰、法国、德国、希腊、匈牙利、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、挪威、波兰、罗马尼亚、西班牙和瑞典。这些研讨会旨在分享目前在欧盟成员国中实施或正在开发的评估自然湖泊和人工湖泊HYMO质量的原则和方法，并讨论它们的优点和缺点。在研讨会上，专家们被邀请以他们选择的形式介绍各自国家用于实施WFD的方法。随后我们对这些专家进行了采访，以获取更多技术细节。所有在演讲和讨论中收集的信息都被整理并发送给专家进行验证。专家们还被要求提供任何补充或支持讨论信息的材料。因此，本研究还参考了来自奥地利、意大利、拉脱维亚和罗马尼亚的官方国家文件（相应语言版本），以及三篇描述法国、挪威和波兰官方应用方法的已发表论文（Bakken等人，2019年；Carriere等人，2024年；Kuty?a等人，2021年）。

在收集、验证和整理信息后，基于13个国家（奥地利、芬兰、法国、德国、匈牙利、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、挪威、波兰、罗马尼亚、西班牙和瑞典）应用的方法，建立了一份指标清单。该清单包括指标的描述及其单位、它们对应的WFD参数（如引言中所述）、计算方法（包括时间尺度和数据要求），以及每个指标的参考文献。对于部分指标，还提供了详细的计算程序。专家们被允许审查和评论这些发现，并在2024年10月举行的WG ECOSTAT会议上进一步讨论了这些发现。

本文介绍了参与上述研讨会的不同欧洲国家的专家报告的指标。我们将指标分为两组：一组代表影响湖泊HYMO过程的流域特征，另一组描述湖泊层面的HYMO特征或过程。每个指标或一组指标对应于WFD监管框架中用于生态状况分类的一个或多个HYMO参数。此外，我们还评估了计算这些指标的数据要求。这有助于澄清如何解释和应用这些指标。在以下章节中，所用的术语和特征符合与湖泊水文形态相关的标准（Boon等人，2019年；[CEN]欧洲标准化委员会，2011年；[CEN]欧洲标准化委员会，2017年）。

**3. 结果**
在咨询过程中描述了超过170个指标，尽管其中许多指标相似或重叠（Argillier等人，2023年）。其中一些指标可以很容易地与至少一个WFD参数相关联。对于其他指标，关联则不太直接，因为它们提供了与多个参数相关的信息，或者因为它们涉及可能影响多个HYMO参数的过程。指标可以分为与流域尺度特征相关的指标和与湖泊属性不同方面相关的指标。在这两组指标中，一些指标直接测量HYMO特征或过程，而其他指标则作为这些HYMO特征的代理。由于许多报告的指标量化了类似的HYMO特征，我们仅报告在欧洲最常用的指标，并且这些指标与WFD中定义的六个HYMO参数之一相对应，用于在流域和湖泊尺度上评估水文和形态压力。在WFD HYMO状态中考虑的六个参数中，岸线改变和水流分别是第一个和第二个参数，针对这两个参数开发了最多的指标，并将其纳入了评估方法中。相反，只有一个指标被直接用来测量与地下水的连接。3.1. 流域尺度上的改变这组指标与湖泊上游流域发生的变化有关，这些变化会影响其HYMO状态。在欧盟成员国报告的指标中，我们识别出了11个指标，这些指标已被纳入或计划纳入国家HYMO评估系统，以评估湖泊流域尺度上的HYMO压力（表1）。这些指标大多与入流量的变化有关，从而影响湖泊的水量平衡。这样的变化还可能影响湖泊的形态，例如通过改变沉积物输送和底质结构（表1）。表1. 被调查的欧盟成员国使用的流域尺度水文形态（HYMO）指标。指标/指标集受影响特征和过程所需数据被大坝或其他结构拦截的上游流域相对面积（%）影响湖泊内底质的入流量和沉积物输送变化的间接指标描绘湖泊流域和支流上障碍物位置的地图。关于支流大小和大坝高度的信息可以提供更准确的入流量和沉积物输送变化信息，这些变化可以从大规模的改变（例如河流长度数百公里）到非常局部的尺度不等水文结构的重要性及上游流动障碍物的密度（无量纲）形态或纵向剖面发生变化的支流比例（%）至少被一个障碍物阻碍的上游河段比例（%）上游水库总量除以湖泊年平均入流量（体积）入流量变化的直接指标；影响湖泊内底质的沉积物输送变化的间接指标显示上游水库位置、这些水库的体积以及在湖泊或目标水库入口处的支流流量测量的地图流入或流出湖泊流域的水量比例（总入流量的百分比）入流量变化的直接指标；影响湖泊内底质的沉积物输送变化的间接指标（通常由用户提供）关于抽取或排放到湖泊流域的水量的信息从湖泊流域转移进或出的流域面积比例（%）影响湖泊内底质的入流量和沉积物输送变化的间接指标包含湖泊流域划分的地图，以及水资源在不同流域之间转移的点，以便对这些转移影响的流域部分进行加减非自然土地覆盖在流域内的比例（%）影响湖泊内底质的入流量和沉积物输送变化的间接指标土地利用覆盖的GIS数据关于人为改变湖泊水流存在与否、强度的专家判断（不同类别的定性评估，例如高、中、低）影响湖泊内底质的入流量变化和相关沉积物输送变化的间接评估只有三个指标（表1）提供了水流变化的直接评估：一个与上游水滞留有关，另外两个与流域间水转移有关（图1）。据我们所知，尽管描述流域间水转移的指标对于湖泊水量平衡可能很重要，但这些指标往往是基于点的数据，因此在较大空间尺度上难以评估。这是因为关于转移量及转移点确切位置的信息很少在国家层面上集中。当转移量数据不可用时，一种可能的方法是基于抽取点上游的流域来进行估算。然而，这应该被视为一种粗略的近似。大多数指标旨在根据流域内人为压力的不同程度来近似水流变化，例如上游结构的存在、支流状况和流域土地利用情况。计算这些指标相对简单，所需信息通常可以在国家数据库中找到。为了考虑堰和大坝的影响差异，特别是障碍物的高度，可以根据障碍物类型进行加权（Carriere等人，2024年）。AMBER Barrier Atlas提供了有关流入湖泊的河流沿线这些人工结构的有用信息（AMBER Consortium，2020年；Belletti等人，2020年）。下载：下载高分辨率图像（358KB）下载：下载全尺寸图像下载：下载高分辨率图像（205KB）下载：下载全尺寸图像图1. 挪威方法的两个指标示例（Bakken等人，2019年）；(a) 计算参数“上游沉积物障碍物”，其中一个障碍物是人类制造的，另一个是在要评估的湖泊的主要支流中自然形成的。(b) 水从四个较小的流域（用红色表示）通过取水口（蓝点）和隧道（蓝线）转移到要评估的湖泊（Gr?sj?湖）中。蓝色流域是流入Gr?sj?湖的自然流域，而红色区域（流域）是新增加的部分。（有关此图例中颜色参考的解释，请参阅文章的网络版本。）还应该注意的是，由于数据可用性有限或缺乏足够敏感的生物指标来检测HYMO变化，有时会使用专家判断来定性评估这种HYMO变化的程度（例如，低、中、高）。然而，这种方法也有其缺点，特别是在多个专家评估不同生态系统时，因此应仅限于没有其他信息可用的情况。大多数指标的计算需要访问高质量的水文数据，这些数据可以通过现场观察、水文模型或两者的结合来获得（Argillier等人，2025年）。3.2. 湖泊尺度上的水文变化水框架指令指出，在湖泊的HYMO评估中，至少必须评估水流的数量和动态、停留时间以及与地下水体的连接。在欧盟成员国报告的指标中，我们识别出了六组指标，这些指标已被纳入或计划纳入国家HYMO评估系统，以评估湖泊尺度上的水文压力（表2）。表2. 描述水流周期变化的指标及其所需数据指标/指标集指标描述受影响特征和过程所需数据不同季节（冬季、春季、夏季、秋季）年平均最低或最高水位的改变用于评估由于人类干预（例如，河流调节）是否导致季节性最低或最高水位发生变化偏离自然水文状况每日水位时间序列冬季或夏季期间水位的平均偏差，基于当前平均水位与参考（未调节）平均水位之间的差异反映了变化最大的季节的偏差程度偏离自然水文状况和水位波动的强度具有至少每月分辨率的水位时间序列填充或排空时间的变化（以相对于参考条件的天数偏移表示）量化与自然条件相比的填充或排空开始时间的变化偏离自然水文状况冬季水位下降的强度（结冰期间的水位与冰覆盖期间的最低水位之间的差异）可以相对于平均深度表示，或者表示为湖泊表面积的变化上层滨水带的干燥和冻结，下层滨水带的冰压缩和磨损。滨水带的栖息地质量水位时间序列；冰形成和融化的日期（来自现场观察或遥感）湖泊水位制度与支流水文制度之间的不匹配通过比较同一年度内湖泊月平均最低和最高水位之间的差异与相应支流流量之间的差异来计算偏离自然水文状况按月尺度的水位时间序列平均水位、最高水位或最低水位的变化可以在每日、每周、每月或年度尺度上进行评估。这些指标可以表示为给定时期的平均值、最大值或最小值。也可以相对于湖泊深度表示（例如，最高调节水位与最低调节水位之间的差异除以平均深度）偏离自然水文状况和水位波动的强度水位时间序列；关于调节时间的信息这些指标旨在描述湖泊水量平衡的变化，以及那些不被与流域尺度上人为压力相关的指标所捕捉到的自然季节性水位动态的变化。由于流量调节等原因，湖泊入流和出流的大小和时间的改变可能对生态系统功能产生重大影响。因此，在所有审查的方法中都至少包含了一个评估水文变化的指标。对于这些指标，参考条件通常是根据调节前的时期定义的，考虑了流域的自然水文状况（雨季型、雪季型或混合型）。在当前气候变化的背景下，这可能是有争议的，因为气候变化导致水文和温度制度发生非常快速的变化（见讨论），这可能会加剧或掩盖其他人为改变的影响。3.2.1. 水量平衡水量平衡的变化指的是湖泊入流、出流和储存的任何变化。一组指标用于通过比较人为影响发生前后的支流入口或湖泊出口处的流量条件来量化这些变化（例如，图2）。这些变化可以在年度或季节尺度上进行评估，时间分辨率可以从月度到每日，以捕捉影响湖泊的不同类型的压力。年度变化可能反映长期变化，例如用于灌溉或家庭供水的永久性取水，或水储存和调节。相比之下，日度或周度指标可以捕捉短期变化，例如与平衡能源服务的水力发电相关，或在特定情况下与抽水蓄能操作相关（例如，抽水式水电）。下载：下载高分辨率图像（63KB）下载：下载全尺寸图像图2. 随时间变化的水库填充日期和相应的水位（WL）的示意图。黑线和红线分别代表调节前后的情况。虚线垂直线表示填充开始的日子，它们之间的差值表示偏移的天数。虚线水平线表示填充开始时的水位，它们之间的差值表示调节引起的水位变化。（有关此图例中颜色参考的解释，请参阅文章的网络版本。）与一些流域尺度上的指标类似，湖泊水量平衡指标也需要访问水文数据，这些数据可以通过观察或建模获得（Argillier等人，2025年）。当有包括影响前后时期的长期水文观察数据时，可以相应地划分时间序列来量化这些条件之间的变化。一些指标也基于湖泊水位数据。在这种情况下，必须使用水位与体积之间的关系将入流和出流的变化转化为湖泊体积和储存的变化。除了考虑多个环境参数的建模方法外，有时还会使用更简单的代理指标来近似水量平衡的变化。这些指标依赖于当前条件与参考条件（历史或调节前）之间的湖泊面积或体积的变化，表示为差异或比率（表2）。对于受调节的湖泊，还使用湖泊体积波动指标，这些指标是通过计算最大和最小水面体积之差与设计蓄水深度之比来评估计划与实际水资源管理之间的偏差。这些指标的优势在于所需数据相对较少（但并不总是可用），通常是测深信息和调节前后通过现场或遥感获得的水位测量值。3.2.2. 湖泊与相连河流之间交换的周期性和季节性一组指标用于量化当前条件与人类影响前的自然参考条件之间水流周期性的偏差（奥地利、法国、芬兰、德国、挪威；表2）。所有这些指标都能够定量评估流量周期性和季节性的变化，相对于历史条件或法规实施前的情况。类似于在流域尺度上使用的方法，当没有数据可用时，可以通过评估湖泊进出水流的变化情况（是否存在、变化程度等）来定性估计人类活动对水平衡的影响。当这种基于专家的评估应用于多个湖泊时，可以支持比较分析并确定不同地点的流量变化水平。此外，现场观察（如泵站的存在、数量或规模）也有助于描述这些变化的强度。

3.2.3 水位波动
水位波动（WLF）是另一个关键特征，它既反映了水量的变化，也反映了水流的动态。可以通过水位波动的幅度和频率的变化来评估与预设参考条件的偏差。参考条件通常指的是水位在调整前的自然波动范围，同时考虑到流域的自然水流模式（降雨型、雪水型或混合型）。
在欧洲用于描述WLF强度的方法中，已经识别出多种数据类型、时间分辨率和指标公式之间的组合（表2）。选择哪种指标通常取决于数据的可获得性、当地气候条件以及湖泊的自然水文状况。这些指标可以反映水位的上升或下降，具体取决于主导的变形情况。
这些指标可以使用按日、周、月、季节或年尺度收集的数据进行计算。它们通常表示为单个值的变化（例如最高或最低水位），或者表示为定义时间段内的平均值，单位通常是米（表2；图2示例）。对于受调控的湖泊，常用最高和最低调控水位之间的差值来表征WLF的幅度及其相对于湖泊深度的潜在影响。在某些情况下，这些指标会通过湖泊的平均深度进行标准化（表2）。
关于WLF的频率，一些成员国使用年度水位反向变化的平均次数（基于每日测量数据）作为描述波动事件频率的指标（表2）。然而，在像鱼类产卵季节这样的生态相关时期进行频率评估可能会提供更有意义的见解。此外，如果没有关于波动时间和幅度的详细信息，评估生态后果可能会很困难。水位变化的频率增加与海岸线不稳定性的增加相关，从而导致河岸侵蚀率升高（Ciampittiello等人，2023年）。
当无法直接测量水位时，可以利用湖泊表面积的变化作为WFL幅度的粗略代理指标。现在，卫星观测可以提供相对较高时间分辨率的湖泊水位信息（尽管通常不是每天一次）。这在缺乏现场监测或数据难以获取的情况下提供了一种有价值的替代方案。

3.2.4 停留时间
这一水文特征表示湖泊内水体完全更新所需的时间。与其他指标一样，停留时间的变化有时也可以通过专家对人类影响的了解来进行定性评估。然而，更常见的计算方法是将湖泊体积除以所有支流的平均入流量，或者使用水文模型得出。
评估通常将调节前的参考条件与当前条件进行比较。其计算需要湖泊的水深数据以及湖泊入口或出口处的水文监测数据，理想情况下应包括调节前后的时间序列数据。考虑到蒸发蒸腾过程可以进一步提高估计的准确性。
在西班牙采用的一种方法特别适用于临时性湖泊，该方法是通过评估湖泊中水体的存在时间是否与其自然停留期相匹配来进行的。这一指标量化了当前水文状况与自然参考状态之间干旱期和淹没期的季节性对应程度。它是基于历史数据计算得出的当前停留时间与参考停留时间之间的差值。这种方法依赖于遥感数据，参考条件通常使用1984年之前的数据来定义，因为当时西班牙开始有此类观测数据。必须特别注意参考状态的定义，因为这一指标可能受到气候变化的影响很大。比较受人类影响和未受影响的类似湖泊可以提供有价值的额外背景信息。

3.2.5 与地下水的连接
这一过程难以测量，因为关于湖泊与地下水之间潜在交换区域的信息往往不足。尽管如此，有时也可以间接进行评估。当有关地下水体的水文状况的信息可用时，可以从中推断出湖泊与地下水之间的连通性变化。例如，如果假设地下水体不受抽取影响，则可以认为湖泊与地下水之间的连接基本保持不变。这种方法提供定性评估，并且至少需要地下水体的空间数据、地下渗透性信息以及地下水抽取情况。对于某些湖泊，不透水的混凝土河岸比例和湖底改造可以作为湖泊-地下水连通性改变的代理指标，因为这些因素会影响近地表的水文流入和流出（Carriere等人，2024年）。在湖泊-地下水相互作用显著的系统中，评估水文平衡及其变化也可以间接反映这种连通性的变化（Ciampittiello等人，2021年）。

3.3 湖泊尺度的形态变化指标
《Water Framework Directive》（WFD）规定了在湖泊HYMO评估中需要评估的三个形态参数：1）湖泊深度变化；2）湖底的数量、结构和基底；3）湖岸结构。欧盟成员国在其国家HYMO评估方法中不同程度地纳入了这些形态参数的指标。

3.3.1 湖泊深度变化
由人类活动引起的湖泊深度变化可能来自诸如非自然沉积物沉积、沉积物提取或在湖泊入口或出口处建设水管理基础设施等过程。虽然这些变化可以通过水文指标（如水位波动或滞留时间）间接推断出来，但从形态学角度直接量化仍较为有限。在典型情况下，湖泊平均水位的永久性变化信息可以从历史记录中轻松获得。评估湖泊深度的形态变化需要详细了解影响水深的人为压力的类型、时间和空间范围。通常这涉及比较人为改造前后生成的水深图或数字高程模型（DEM）。

3.3.2 湖底的数量、结构和基底
湖底数量和结构的变化是WFD下湖泊评估中需要考虑的关键水文质量组成部分。这一类别的指标关注湖底材料的数量、分布和质量，特别是在滨水带。这些特征对生态系统功能起着基础性作用，影响底栖生物栖息地、水生植被、水质和沉积动力学。已有超过20种指标被用来描述11种欧洲评估方法中的湖底沉积物数量、结构和基底特征。这些指标的范围和计算方法因国家而异，反映了方法多样性和当地环境条件。大多数指标集中在两个主要方面：沉积过程和滨水带的基底组成（表3）。这些指标捕捉了基底组成、粒径大小、自然程度、空间分布和物质通量的变化（表3）。它们通常以不同的单位或格式表示，包括深度（例如沉积物厚度）、面积（平方米）、百分比（%），或者以分数或指数值的形式。特别是由流域内沉积物输出变化驱动的沉积过程的变化，为评估湖底潜在的改变提供了另一种手段（参见第3.1节）。

表3. 描述湖底结构和基底变化的指标/指标组合
受影响特征和过程
所需数据
沉积和淤积
底部形态变化；沉积物体积变化
现场观察、水深数据、正射影照片
沉积物提取
底部形态变化；沉积物体积变化
现场观察、水深数据、正射影照片
滨水带中的木质残骸
木质残骸和其他有机物质的输入和体积变化
现场观察、正射影照片
基底的自然程度
滨水带中人为基底的存在；基底组成的变化
现场观察、基底粒度分析
滨水带中的人为形态结构
现场观察、正射影照片

在受调控的湖泊中，还可以通过计算设计停留水位处的体积与观测年份的实际体积之间的差值来间接评估沉积过程的变化。这种方法需要准确估计湖泊体积，因此依赖于详细的水深数据。与湖底数量、结构和基底相关的参数主要来自实地调查。然而，从正射影照片和描述湖泊形态的数字数据集中也可以获得补充信息。对于长期评估，历史地图和水深数据特别有价值，因为它们能够分析随时间变化的沉积趋势。需要注意的是，根据本研究汇编的信息，当前的指标并未包括对湖泊中心（浮游）区域的测量。

3.3.3 湖岸结构
在定义这一指标组时面临的主要挑战之一是缺乏一个清晰、普遍接受的岸域定义，尽管已有相关标准（[CEN] 欧洲标准化委员会，2011年）。科学文献中提出了多种解释（例如，Strayer和Findlay，2010年）。一般来说，岸域包括滨水带和河岸带，其范围取决于周围地形的形态（图3；D?browska等人，2016年；Ostendorp等人，2004年）。
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图3. 湖岸带示意图（改编自D?browska等人，2016年）
在欧洲的方法中列出了超过70种用于描述湖岸变化的指标（Argillier和Carriere，2023年），所有评审的方法都至少包含一个与此参数相关的指标。这些指标可以大致分为三类：1）岸线和滨水带变化；2）河岸带变化；3）滨水带内水生植被的变化。

3.3.3.1 岸线和滨水带变化
最常用的指标包括一种或多种影响岸域的人为压力：人工基底压实、非自然侵蚀、岸线改造、森林火灾的影响、人为物质输入以及沿岸的人造结构，包括硬质工程、岸线防护和所有其他人造构造。这些指标通常表示为受影响岸线的长度（较少见的是滨水带面积），或者按照在欧洲广泛应用的Lake Habitat Survey方法推荐的受影响监测站数量（Rowan等人，2006年）。它们通常根据总岸线长度、滨水带总面积或监测站总数进行加权。
Carriere等人（2024年）描述的方法还考虑了由人造结构引起的栖息地破碎化，即随机选择的两个地点位于不同、不连续区域的可能性。其计算基于Jaeger（2000年）定义的景观分割程度，可以基于岸线长度或滨水带面积（Carriere等人，2024年）。
为了计算这些指标，需要岸域的数据，这些数据可以通过实地研究或航空影像获得，其中包含关于各种类型改变的详细信息。参考条件对应于岸线或滨水带没有人为改造的情况（例如，没有岸线侵蚀、人造结构或破碎化）。另一个相关指标，特别是对于受调控的湖泊，用于量化由于水位下降导致的总岸域面积变化。它表示为低水位时流失的岸域面积相对于高水位时的面积的百分比。该计算需要精确的水深数据（可能包括坡度信息）和水位的时间序列数据。水位波动也会影响适合大型植物生长的栖息地范围，因此，这一区域的变化可以作为水生植被变化的间接指标。

3.3.3.2河岸带改变

在欧洲的方法中，最常用的指标之一是河岸植被的丧失百分比。它反映了受人类活动影响而失去自然植被的河岸带的比例。另一种描述这种改变的方式是量化人为改变的河岸带的比例。这些改变包括耕地、建成区以及其他形式的非自然土地覆盖，它们可以单独分类或考虑。这些指标通常以受人类活动影响的河岸带面积的百分比来表示。这可以通过退化河岸带的长度或面积与总岸线长度或总河岸带面积的比值来表达。当评估基于有限的监测站数量时，该指标也可以用受影响的监测站的数量或比例来表示（Kuty?a等人，2021年）。

在评估河岸带的状态时，识别人为压力也很重要，例如堤坝、加固物和岸线结构（如码头、船屋、污水排放口），以及工程干预措施（如硬质或软质稳定化）。相关指标是根据受某种类型干预影响的岸线长度的百分比来计算的（Carriere等人，2024年），或者记录了这些结构的岸线地块的比例（Kuty?a等人，2021年；Rowan等人，2006年；Rowan等人，2012年）。此外，挪威使用的一个指标考虑了整个岸带区域的变化，包括由于湖泊水位调节而导致的干涸区域（Bakken等人，2019年）。该指标以受调节影响的岸带面积的百分比来表示，计算方法是将低水位时暴露的面积与高水位时的总岸带面积的比值。这种计算需要准确的水深图（可能包括坡度测量）和水位的时间序列数据。由于水位波动也会影响大型水生植物生长的适宜栖息地的范围，因此这个指标可以间接反映水生植被的变化。

这些指标主要来源于实地调查，但可以通过空间土地利用和土地覆盖数据集进行补充。参考条件是指河岸带没有受到人为改变的情况。例如，在法国方法中（Carriere等人，2024年），参考条件是指沿湖岸存在连续的森林带，除非是在高海拔湖泊或自然被湿地环绕的系统中。

3.3.3.3. 滨海带水生植被的变化

这一组指标描述了滨海带水生植被范围的变化（平方米或岸线长度），导致水生大型植物生长形式的数量变化，以及指示物种或入侵物种的存在。辛普森指数（Simpson，1949年）是一个常用的生物多样性指数，但Greene（1979年）、Chu（1997年）和Kashian与Burton（2000年）指出，使用生物多样性指数进行跨生态系统比较可能不可靠。在本研究中，这些指数主要用作描述性工具来识别一般模式，同时承认直接比较不同系统的局限性。在法国方法中（Carriere等人，2024年），参考条件假设在水深小于10%和底物粒径小于250毫米的情况下，水生植被占据了滨海带的所有适宜区域。

这些指标的计算依赖于基于实地调查或遥感的底物类型、植被和人为特征（如系泊设施）的完整或部分测绘。历史数据对于评估长期岸线结构和河岸带土地利用的变化特别有价值。这些指标通常会进行加权，并且需要了解感兴趣区域的总长度或面积，以及湖泊的特征，例如最大深度，因为植被通常出现在水体的中心区域。

3.4. 一般湖泊特征

在某些评估方法中，一般湖泊特征被用作多方面水文-地貌-植被（HYMO）改变的代理指标。湖泊的使用和人类活动的强度可以提供有关HYMO退化程度的信息（Poikane等人，2017年）。这些包括主要的社会经济用途（如水流调节）和娱乐活动（如游泳、划船），它们影响岸线侵蚀和人工结构的范围。虽然关于湖泊使用的定性信息（如低或高娱乐压力）通常容易获得，但由于数据有限或使用时间上的高度变化，定量评估（如游客数量、船只密度或通航强度）往往更具挑战性。

4. 讨论

本研究强调了《欧洲水框架指令》在开发新的湖泊HYMO状况特征方法中的主导作用。这项调查使得能够准备一份相当全面的综述，涵盖了欧盟成员国用于WFD实施湖泊HYMO评估的所有指标。大多数方法和指标尚未在同行评审的期刊上发表，仅在各国语言的国家报告中描述，这使得科学家、水资源管理者和更广泛的受众难以获取。

分析的方法中的一个显著特点是，在大多数情况下，使用与生态过程相关的标准来描述湖泊HYMO状况的改变。例如，岸线侵蚀和栖息地多样性丧失等过程通常使用一系列形态学指标进行监测。从这些评估中获得的信息可以通过针对物理栖息地退化的根本原因和过程来支持恢复工作的优先级排序（Ford，2021年），从而支持管理规划。此外，理解这些改变的过程有助于指导监测策略的设计，使恢复后的变化和实施措施的结果能够得到更有效的评估。在流域、河岸带和湖泊不同空间尺度上整合HYMO描述符，确保大多数方法与当前标准保持一致（Boon等人，2019年；[CEN]欧洲标准化委员会，2011年；[CEN]欧洲标准化委员会，2017年）。最后，方法上的进步和新技术，如遥感（Ptak等人，2026年）和深度学习（Song等人，2025年），可以通过在更大空间范围内提供更准确和成本效益更高的数据，显著推进湖泊HYMO状态的监测。河岸栖息地的结构复杂性被认为是重要的生物多样性变量（Kissling等人，2018年；Lumbierres等人，2025年）。遥感技术的持续进步（例如，机载激光雷达和低空无人机获取的高分辨率影像）预计将加深我们对河岸栖息地特征各个方面的理解。例如，在浅水湖中，Sentinel-2影像结合机器学习已成功用于绘制水生植被（Mohnsen等人，2025年）。同样，声学信号的处理也被应用于表征湖泊底质和形态特征（Hilgert等人，2024年；Perivolioti等人，2025年；Poulain等人，2011年）。

尽管有这些进步，我们的分析显示，与湖泊Pelagic带（深水区）相关的HYMO参数在当前的评估方法中仍然表现不佳。虽然底质改变在滨海带经常被评估，但在中心区域很少被评估。这可能源于一个假设，即Pelagic带的湖底形态受人类活动的影响较小，或者由于缺乏成本效益高的监测工具。例如，沉积过程在自然和人工湖泊中都可能非常显著，这是由于流域内的强烈土地利用压力造成的（Gellis等人，2006年；Rodriguez等人，2023年；Schleiss等人，2016年），但从未被作为Pelagic带的形态学参数进行测量。从水文学的角度来看，报告的指标中没有量化风暴露或水流的变化，这可能是由于方法上的困难。同样，湖泊与地下水的连通性虽然被《欧洲水框架指令》列为必须考虑的HYMO参数，但在审查的方法中并未直接测量。在WFD中，HYMO参数支持应该反映生物质量要素状况的要素，最终提供良好的生态状态或潜力所需的物理栖息地条件。因此，HYMO评估必须捕捉影响湖泊生物状况的关键物理压力。然而，只有少数成员国发布了研究，探讨了使用的生物指标与HYMO指标之间的关联（Poikane等人，2020b）。考虑到大多数国家现在都有评估湖泊水文地貌的方法，这种情况应该会迅速改变。

根据采访的专家意见，本文描述的指标通常适用于天然湖泊和人工湖泊。然而，对于像由大坝在河流上创建的水库这样的严重改造的水体，定义符合最大生态潜力的HYMO条件仍然是一个关键问题，实践中的差异仍然存在（Argillier等人，2025年）。最近的欧洲调查证实了这种变异性：各国在定义HYMO评估的参考条件方面存在差异，有些采用天然湖泊的参考状态，有些调整以反映水库的改造性质和用途，还有一些采用结合自然和人工标准的混合方法（Argillier等人，2022年）。统一方法无疑将更清楚地呈现水文地貌改变水体的范围，并有助于定义生态潜力（Argillier等人，2023年）。

由于正在进行的全球变化，特别是气候变化，湖泊生态系统正在迅速发生变化，这影响了水文和热 regime、生物地球化学循环和生态功能（Hanson等人，2021年；Jiménez-Navarro等人，2023年）。此外，人类对农业和饮用水提取、水力发电、捕鱼和其他娱乐活动的需求增加，可能会进一步加剧湖泊的HYMO压力（Adrian等人，2009年）。预计气候变化将改变流域向下游湖泊的水文输入。温度升高和降水模式的变化将修改自然水文制度（Kundzewicz，2008年；Yao等人，2009年；Zaitchik等人，2023年），同时也会影响人类用水的提取和排放（Rosa和Sangiorgio，2025年）。在北部地区，积雪量的变化和提前融雪已经影响了水位调节做法，因为现在更多的冬季降水以雨的形式降落，增加了冬季径流并减少了春季融雪高峰（Veijalainen等人，2010年）。未来的情景表明湖泊生态系统将发生重大变化，影响物理、化学、水文、形态和生物过程。迄今为止，很少有研究评估这些变化和多种压力如何在长时间内与湖泊生态系统的所有组成部分相互作用（Soares等人，2025年）。气候变化和人类活动的综合效应（这些活动也可能因气候变化而变化）通过极端水文事件如干旱、洪水、强降雨和热浪表现出来（Chukwuma Sr，2025年）。湖泊和水库中多种压力因素的生态反应已经得到了很好的研究，特别是营养和水分压力的相互作用（N?ges等人，2016年）。然而，这些作者表明因果关系仍然量化不足，且往往统计上不显著（甚至未经验证）。因此，尽管现在评估湖泊水文地貌变化的方法已经相当发达，但理解这些变化对水生社区以及更广泛的生态系统功能的影响仍然是一个挑战。此外，来自北方北方地区的几项研究记录了湖泊的褐变现象，这是由流域地区溶解有机碳（DOC）和铁的输入增加驱动的（R?ike等人，2024年；Paltsev等人，2025年）。这种现象部分与气候变化有关，但也归因于环境政策导致的硫沉积减少，以及与林业相关的土地利用实践（R?ike等人，2024年；Paltsev等人，2025年）。褐变增加了光衰减，从而影响热分层并减少了光合作用区的深度。然而，这些变化与湖泊中的HYMO压力之间的相互作用仍然不甚了解。在这种复杂的、多压力背景下，需要进一步的研究来更好地理解气候驱动因素与人类活动之间的相互作用，这些因素影响湖泊的水文地貌（Paule-Mercado等人，2024年；Poikane等人，2020a）。这对于改进符合WFD的当前评估方法的诊断能力至关重要，以便区分可以通过局部或区域恢复行动解决的改变和那些由大规模过程驱动的改变。尽管如此，管理干预仍然可以在增强生态系统对这类广泛压力的抵抗力方面发挥重要作用。

CRediT作者贡献声明：
Christine Argillier：撰写——初稿、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Tor Haakon Bakken：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
Alexandra Carriere：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
Marzia Ciampittiello：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
Sebastian Kuty?a：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
Agnieszka Kolada：撰写——初稿、方法论、概念化。
Jarno Turunen：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
Vasiliki Tsiaoussi：撰写——审阅与编辑、概念化。
Andreas Hussner：撰写——审阅与编辑、概念化。
Katarina Vartia：撰写——审阅与编辑、概念化。
Sandra Mingarelli：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、项目管理、方法论。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明：
在准备本工作时，作者使用了Grammarly工具对修订后的文本进行了语言正确性（包括风格、语法和标点）的校对。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

资金来源：
本项工作得到了法国生物多样性机构（OFB）的支持。