基于地形重塑的魚類棲息地模擬修復設計

孫瑩，牛天祥，王玉蓉，王銳，郭曉華

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 西安 710065； 2.四川大學， 成都 610065；3.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 成都 610072)

基于地形重塑的魚類棲息地模擬修復設計

孫瑩1，牛天祥1，王玉蓉2，王銳3，郭曉華1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 西安 710065； 2.四川大學， 成都 610065；3.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 成都 610072)

在魚類棲息地不斷被壓縮、魚類原生境保護范圍非常有限的背景下，采取一定的生態修復手段修復魚類棲息地的結構和功能，顯得非常必要。通過河道內流量增加法，采用二維River2D模型對水電站壩下齊口裂腹魚產卵場進行模擬，根據對修復前后適宜產卵場面積的加權計算，分析修復前后棲息地的變化情況，為產卵場修復工程設計提供依據。模擬修復結果表明，地形重塑后，適宜齊口裂腹魚產卵的水深、流速范圍以及有效棲息地面積較修復前顯著增加，地形重塑效果顯著。

河道內流量增加法；魚類棲息地；模擬；修復；地形重塑

攔河筑壩工程顯著改變了河流系統原有的水文、水力學特征，對棲息其中的魚類產生了較大程度的影響[1]。水庫蓄水在淹沒了流水性魚類棲息地的同時，流水條件的改變也減少了適應流水環境的魚類的棲息范圍；水庫對天然徑流的調節，從流態、挾帶組分、水溫、徑流周期、河床形態變化等方面也會對大壩下游魚類棲息地產生影響[2]。因此，在魚類棲息地不斷被壓縮、魚類原生境保護范圍非常有限的背景下，采取一定的生態修復手段，修復魚類棲息地的結構和功能，就顯得尤為重要。這也是在河流開發不斷深化的現實背景下，保護魚類自然資源的現實選擇。

在水電工程魚類保護措施的設計中，可結合棲息地生境本底、替代生境相似度和種群相似度，明確棲息地保護目標，制定有針對性的棲息地保護方案，并采取相應的工程措施。River2D模型可以通過棲息地模擬，定量給出生物適宜棲息地面積及其分布與各水力控制因素之間的定量關系，這對于進行河流工程的設計與評價具有較大價值[3]。本文通過河道內流量增加法(IFIM)，采用二維River2D模型對水電站壩下齊口裂腹魚產卵場進行地形重塑修復模擬，為棲息地修復工程設計提供參考。

1 研究河段魚類資源及棲息地現狀

研究河段位于大渡河上游，主要分布有裂腹魚類、條鰍亞科魚類和鮡科魚類。其中，齊口裂腹魚(SchizothoraxPrenanti)為長江上游特有魚類，是研究河段的主要經濟魚類。

齊口裂腹魚屬典型高原魚類區系，為底棲型魚類，喜流水生境，主要刮食著生藻類，有短距離生殖洄游習性。天然情況下，該研究河段齊口裂腹魚主要繁殖時段為3月末至4月，其魚卵為沉粘性卵，多產于急流淺灘的砂礫石上。

該研究河段河勢蜿蜒，河岸邊灘分布廣泛，齊口裂腹魚產卵場歷史分布較多。但是近年來，由于采砂活動頻繁，河道右岸灘地出現許多不規則的淘沙坑，岸坡局部受到破壞，大量石渣入河，破壞了魚類繁殖原有生境，亟需有效修復。

2 棲息地二維模擬方法與結果分析

2.1 模擬方法

棲息地模擬方法以IFIM法為代表性方法。該方法由美國魚類及野生動物管理局研究開發，通過結合水力學模型和生物信息模型，建立了有效棲息地數量、質量與流量之間的關系，用以評價流量變化對魚類棲息地的影響[3- 4]。

IFIM法設定水深、流速、基質和覆蓋物為流量變化對物種數量和分布造成影響的主要因素，通過調查分析指示物種對水深、流速、底質等因子的適應性，繪制水深、流速、底質等環境參數與喜好度(被表示為0～1之間的值)之間的適宜性曲線，計算指示物種的有效可利用面積(WUA)。公式如下：

式中，CSF(Vi,Di,Ci)為每個影響因子的組合適宜性值，其中，i為劃分的單元數，V為流速適宜指數，D為水深適宜指數，C為河道適宜指數(基質和覆蓋物)；Ai為每個單元的水平面積。本文主要考慮水深和流速的影響。對于棲息地組合適宜性值的確定，采取影響因子適宜指數相乘的方式，從而體現影響因子的綜合作用。

目前，微生境棲息地模擬模式主要包含一維PHABSIM模式、EVHA模型、HABITAT模型，二維River2D模型，三維DELFT3D軟件等。River2D模型是由加拿大淡水研究所、亞伯特大學土木與環境系、美國地質調查局中部生態科學中心、亞伯特漁業部共同研究開發與測試的棲息地模擬軟件。它將水力模擬和生態模擬緊密結合，主要用于微生境(水深、流速、基質和河面覆蓋等)的模擬評價。River2D軟件包括R2D_Bed、R2D_Mesh、R2D_Ice、River2D 4部分，分別用于地形處理、網格生成、河流覆冰模擬及棲息地模擬。

River2D中水力模型是二維垂向平均水動力學模型，其基本假定為：沿水深垂向方向，壓力符合靜壓分布；水深方向上的水平流速為常數；忽略科氏應力和風應力。River2D魚類棲息地模型是在水力模型計算的基礎上，根據目標物種的棲息地適應性曲線，找出每個單元影響因子的組合棲息地適宜值，計算研究河段的有效棲息地面積(WUA)。

2.2 生境適宜性曲線

(1)目標物種確定

根據魚類資源調查統計分析，齊口裂腹魚在研究河段中為優勢物種，且具有較高的經濟價值，本文將齊口裂腹魚作為目標物種。

(2)水深及流速適宜性指數確定

棲息地適宜性指數[5](Habitat Suitability Indices, HIS)對于棲息地模擬準確性起著至關重要的作用，通常以0～1之間的數值來量化物種對棲息地的喜好程度，0表示完全不適宜，1表示完全適宜，值越大表示適應性越好。

經現場調查，結合目前國內關于裂腹魚生態習性、繁殖習性、游泳能力的研究試驗成果，確定齊口裂腹魚繁殖的適宜水深為0.15～1.5 m，其中最適宜水深為0.2～0.8 m；適宜流速為0.07～1.5 m/s，其中最適宜流速為0.2～0.8 m/s。由此確定研究河段齊口裂腹魚在繁殖期對水深、流速的適宜性曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 齊口裂腹魚繁殖期水深適宜性曲線Fig.1 Depth suitability curve of Schizothorax prenanti breeding season

圖2 齊口裂腹魚繁殖期流速適宜性曲線Fig.2 Velocity suitability curve of Schizothorax prenanti breeding season

2.3 模擬結果

(1)魚類棲息地地形重塑前數值模擬

地形重塑前，在電站367 m3/s流量運行工況下，研究河段受挖沙破壞的齊口裂腹魚產卵場有效棲息地面積為9 088 m2，棲息地主要分布在兩岸淺灘處。地形重塑前產卵場水深、流速及有效棲息地分布如圖3所示。

(2)魚類棲息地地形重塑后數值模擬

結合齊口裂腹魚生活習性，研究河段受挖沙破壞的齊口裂腹魚產卵場地形重塑方案設計如下：以2 139.7 m地形高程為基準，將產卵場內淘沙坑填平，并將高于基準高程的區域進行平整；在靠近主河道區域，為使水流平順，避免出現跌水，將該區域作為地形過渡段，設置坡度為2%～3%的緩斜坡，將重塑后灘地平緩過渡到主河道區域。隨后在修復地形上鋪設30 cm厚砂礫石底質。

圖3 地形重塑前產卵場水深、流速、有效棲息地面積分布Fig.3 Depth, velocity, and WUA distribution of spawning grounds before terrain remodeling

圖4 地形重塑后產卵場水深、流速、有效棲息地面積分布Fig.4 Depth, velocity, and WUA distribution of spawning grounds after terrain remodeling

經模擬計算，地形重塑后，在電站367 m3/s流量運行工況下，齊口裂腹魚有效棲息地面積增長至28 078 m2，有效棲息地主要分布在地形重塑后的區域內。地形重塑后產卵場水深、流速及有效棲息地分布如圖4所示。

(3)魚類棲息地地形重塑效果分析

產卵場地形重塑后有效棲息地面積變化情況如表1所示。由表1可以看出，地形重塑使齊口裂腹魚產卵場適宜產卵繁殖的區域較重塑前增加了18 990 m2，地形重塑效果顯著。

表1 地形重塑前后產卵場有效棲息地面積及變化統計表

3 結語

(1)本文通過河道內流量增加方法(IFIM)，采用二維River 2D模型，計算分析水電站壩下齊口裂腹魚產卵場地形重塑前后棲息地流場、水深及有效棲息地面積的變化情況。模擬結果顯示，根據本文確定的齊口裂腹魚繁殖期流速、水深適宜性曲線，地形重塑前，在電站367 m3/s流量運行工況下，齊口裂腹魚有效棲息地面積局限在河岸兩側，呈斷續斑塊分布；地形重塑后，右岸有效棲息地面積顯著增加，形成淺灘型產卵場。

(2)通過二維River 2D模型進行模擬計算，可以較好地模擬地形重塑前后魚類產卵場有效棲息地面積的變化情況，為魚類棲息地修復工程設計提供參考和依據。

(3)由于缺乏底質實測資料，本次棲息地適宜性指數僅考慮了齊口裂腹魚產卵適宜流速和適宜水深兩個方面，未疊加齊口裂腹魚適宜底質這一因素。為提高模擬效果，建議進一步開展齊口裂腹魚棲息地適宜底質的調查研究工作，從而進一步提升棲息地模擬預測結果的準確性。

(4)為保持地形重塑區域的穩定性，重塑區及底質的鋪設需采取一定的防沖刷工程措施。

[1] 中國科學院三峽工程生態與環境科研項目領導小組. 長江三峽工程對生態與環境的影響及對策研究[M]. 北京: 科學出版社, 1988.

[2] 楊宇, 喬曄. 魚類棲息地水力學研究方法簡述[C]// 第七屆全國環境水力學學術研討會. 2006: 542- 547.

[3] 王曉剛, 嚴忠民. 河道匯流口水力特性對魚類棲息地的影響[J]. 天津大學學報, 2008, 41(2): 204- 208.

[4] 崔玲, 陳余道, 蔣亞萍. River2D模型及其在漓江桂林市區段的初步應用[J]. 廣西水利水電, 2007(3): 6- 9, 13.

[5] Bovee K D. Development and evaluation of habitat suitability criteria for use in the instream flow incremental methodology[R]. Washington: United States Fish and Wildlife Service, 1986.

Design of Simulative Restoration of Fish Habitat Based on Terrain Remolding

SUN Ying1，NIU Tian-xiang1，WANG Yu-rong2，WANG Rui3，GUO Xiao-hua1

(1.Powerchina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China; 2.Sichuan University, Chengdu 610065, China;3.Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

Under the context that fish habitat is being constantly compressed and the area of in-situ conservation is very limited, it is quite essential and critical to take ecological measures to restore the structure and functions of the fish habitat. By applying the instream flow incremental methodology, the spawning ground ofSchizothoraxprenantilocated at the downstream of a hydropower dam is simulated by the model of River2D. Through the weighted calculation of areas of suitable spawning ground before and after restoration, changes of habitat is analyzed in order to provide basis for the design of habitat restoration project. The results of simulative restoration showed that after the terrain remolding, there are significant increase in the suitable water depth for spawning ofSchizothoraxprenanti, flow velocity area and the total weighted usable area.

Instream Flow Incremental Methodology; fish habitat; restoration; simulation; terrain remolding

2014-12-31

孫瑩(1981—)，女，陜西乾縣人，高級工程師，碩士，主要研究方向為水電工程環境影響評價與環境保護設計，E-mail：sunying@nwh.cn

10.14068/j.ceia.2015.03.008

X171.4

A

2095-6444(2015)03-0029-04