棲息地法確定樟溪河生態流量研究

劉中　彭瑞文　林霞　羅艷

摘要：為確定浙江省寧波市皎口水庫下游樟溪河生態環境流量，利用棲息地法通過結合月光魚棲息地適宜度分析和二維水力模型流量模擬開展研究。結果表明，考慮月光魚在不同生長階段對水流速度和水深的要求，建議水庫在魚的生長期內最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期內每周有1～2天下泄流量達到2 m3/s以上。另外，每年還需要在豐水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”沖刷河床，以保持有一定范圍的深水區供魚類過冬。本研究為棲息地法在南方地區中小型河流的應用提供了實例和參考。

關鍵詞：環境流量；棲息地模擬法；棲息地適合度曲線；加權可用面積

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.012

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0049-03

棲息地模擬法基于生物學原則，根據指示物種所需的水力條件確定河流流量，被認為是當前較為可信的生態環境流量評價方法之一。棲息地模擬法中最常用的是河流內流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology，IFIM），該法通過水利學模型與水生生物不同階段所需要的水利條件相結合，定量描述河流流量和棲息地之間的關系，從而確定指示生物某一特定生命階段的生態需水量[1]。

樟溪河位于浙江省寧波市皎口水庫下游，受上游水資源開發強度加大影響，樟溪河河流水量發生變化，給河流生態環境帶來風險。寧波市水資源與環境工程（2006年完工）的貸款方之一世界銀行提出對下游環境流量進行調查研究并給出建議方案。本研究以樟溪河為研究對象，利用月光魚（Distoechodon tumirostris，學名圓吻鲴）作為確定河流生態流量的指示生物，通過結合二維水力學模型和針對月光魚的棲息地模擬，分析不同流量條件下的水深和流速情況，建立指示生物在不同生命階段的棲息地加權可利用面積（WUA）與生態流量的關系，計算樟溪河下游河道內最小生態流量和適宜生態流量，以期為當地水資源的綜合管理和可持續開發提供依據，同時為相關河流生態需水量計算及河道生態修復等提供參考。

1 研究概況和方法

1.1 研究概況

樟溪河位于浙江省寧波市，上游起于皎口水庫出水口下游匯入鄞江河，全長約16 km，水域面積約60 km2（圖1）。根據2007年寧波大學開展的樟溪河生態調查結果，該河生物物種豐富，有10多種不同習性的魚類，其中月光魚對河流生境和水質要求最高，可被認為是能反映樟溪河生態環境狀況的指示生物。2009年6月，對該河段的河道地形和水文數據進行實地勘測，包括6個斷面的水深和平均流速，這些數據用于二維水力模型的參數率定和模擬計算。

1.2 棲息地適合度模型

棲息地適合度模型用來計算生態環境條件對某一特定物種的棲息適合度。棲息地適合度指標作為廣泛使用的棲息地評價指標，用于表征水生生物對不同河流環境因子的偏好性。確定棲息地適合度的方法眾多，但總的來說，主要根據指示物種所需的物理生境條件確定棲息地適合度。本研究的指示物種月光魚，一般棲息在河流湖泊的中下層，冬季在深潭越冬，4月至5月的繁殖季節上溯至流水淺灘產卵繁殖。月光魚生存的適宜流速為0～0.5 m/s，幼魚沒有最小生態流量要求，但因為它們的游泳能力有限，最好是在低流速的靜態水域中生存，或者選擇高流速河流中的深水區作為避難場所。在越冬期（10月至次年3月），當地魚類主要選擇河流中水深處作為越冬點，尤其是一些流速低的大水潭，只要水深超過2 m，大多數魚類（包括月光魚）就能夠過冬。在繁殖期（4月至5月），月光魚雌魚會在高流速條件下（0.5～1.5 m/s）刺激產卵。根據實地勘測，樟溪河下游有足夠的淺灘，如果河道生態流量在月光魚繁殖期能保證在監測斷面達到0.5～1.5 m/s，就可以滿足它們的產卵要求。根據這些數據可以模擬指示物種月光魚在不同生命階段的水深和流速適合度曲線。

1.3 加權可利用面積法

加權可利用面積法通過結合不同流量條件下水文模型和指示生物棲息地偏好（或適合度），進行流量變化對棲息地影響的評價[2]。通過計算加權可利用面積（WUA）與流量之間的關系，根據轉折點（斜率為1），確定河道內最小生態流量。斷面生態流量測量避開雨季（8月至9月）和枯水期（12月至次年1月），選擇在河道內比較淺的地方，并且盡量排除人為設施和植被的影響。因為普遍認為如果能夠滿足淺灘所需要的流量，那么也可以滿足深潭和其他位置所需要的生態流量[5]。采用圣維南方程組計算二維水力學特征，研究假設在垂直方向上符合靜壓分布，水平流速是持續的，忽略科氏力和風力。結合河道斷面的水位測量數據、河床坡度（相對于皎口水庫的出水口高度）、渦流粘度（采用標準公式，λ=0.068 3）、平流向Γ（河道直而寬闊，故可以忽略，假定為0）和局部摩擦系數f（由實際測量的流速計算得到，其他深度下的摩擦系數由線性趨勢取得），再與實地測量得到的水深和流速進行校準。該二維水力學模型可以模擬不同水深或流速下的流量[6-7]。

2 結果與分析

通過野外實際測量和室內實驗結果，獲得月光魚不同生命階段的棲息地流速和水深適合度（圖2）。適合度為1代表最常用或最優先棲息地，其他參考值為適合度的0、10%、25%、50%、75%和90%。由此可以繪制棲息地適合度曲線，比如月光魚在繁殖期間的流速適合度曲線（圖3）。

通過計算各斷面在月光魚不同生活時期的最小和適宜生態流量得出的結果，可以作為皎口水庫制定下泄流量的依據。在生長期，中位水深對應的最小生態流量較高，接近最大加權可用面積法對應的所需生態流量。與之相比，中位流速對應的平均最小生態流量為2.7 m3/s。如果要想達到最佳棲息地條件，生態流量大概在2.8 m3/s。繁殖期的中位水深對應的最小生態流量平均僅為0.27 m3/s，與水文法中的Tennant法規定的10%的年平均流量相近，但在中位流速下計算得到的平均生態流量則過高（>10 m3/s），顯然是不現實的。由于流速可能是更好的生態指標，根據流速指標計算的魚類流量要求更具生態學意義，更適合用來確定環境流量[8]。在繁殖期間，雌魚需要受到快速水流的刺激（0.5～1.5 m/s）而產卵，如果要在第一個斷面蜜巖（圖1）達到這一流速，在棲息地適合度為50%時所需要的生態流量為2.83 m3/s。在其他斷面如果要形成快速水流，即流速在0.5 m/s以上，需要的最小生態流量為2 m3/s。樟溪河下游河床為鵝卵石基質，有許多淺灘，形成的淺層急流應該可以滿足雌魚產卵對流速的要求。為保證產卵棲息地不受影響，建議皎口水庫的下泄流量在4月到5月每周至少有1～2天達到2 m3/s以上。

月光魚在冬天主要棲息在較深的河段中（>2 m），特別是流速較低的深潭中。由于游動能力有限，幼魚也偏好流速較慢的水流。由于天然深潭正在消失，一項旨在清潔河道和維修堤壩的河道恢復計劃已于2008年完成，帶給月光魚更多的深水棲息地。但長期來看，還需要類似“洪峰”那樣的下泄流量來保證這些深潭不會淤積。因此，皎口水庫應該保證在豐水期有至少一次大于9 m3/s的下泄流量。

3 結論

根據本研究結論，考慮月光魚在不同生長階段對水流速度和水深的要求，建議水庫在月光魚的生長期內最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期內每周有1～2天下泄流量達到2 m3/s以上。另外，每年還需要在豐水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”沖刷河床，以保持有一定范圍的深水區供魚類過冬。

由于棲息地模擬法僅針對目標生物作評價，存在較大的局限性，而且使用起來需要較高等級的數據和對生態系統的深入了解，所以在管理目標和保護水平明確的情況下最為適用。除水深、流速和底質等環境影響因子外，棲息地適合度還應考慮水溫、pH值和生態系統養分等非物理性水利參數影響。目前，我國的生態流量研究主要以半干旱地區的大型流域的水資源管理為目的，以定性或宏觀層面的定量分析為主，本研究為棲息地法在南方地區中小型河流的應用提供了實例和參考。

參考文獻（References）：

[1] 李鳳清， 蔡慶華， 傅小城， 等. 溪流大型底棲動物棲息地適合度模型的構建與河道內環境流量的研究——以三峽庫區香溪河為例[J]. 自然科學進展， 2008， 18（12）： 1417-1424.

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[7] Rameshwaran P， Shiono K. Quasi twodimensional model for straight overbank flows through emergent vegetation on floodplains[J]. Journal of Hydraulic Research， 2007， 45（3）： 302-315.

[8] Richter B D， Mathews R， Harrison D L， et al. Ecological Sustainable Water Management： Managing River Flows for Ecological Integrity[J]. Ecological Applications， 2003， 13（1）： 206-224.