基于淮河中游魚類不同等級生境保護目標的生態需水

謝悅　夏軍　張翔　柏慕琛

摘要：隨著社會經濟發展，生產生活用水長期擠占生態環境用水，造成河道斷流、生境破壞、生態系統惡化等一系列生態環境問題。針對淮河流域目前的水生態環境問題，以淮河中游魚類為研究對象，通過分析河段天然流量過程，以淮河流域生態恢復為目標，建立魚類保護目標概念模型，采用IHA及EFC指標體系分析天然流量變化特性，并用HEC-RAS模型基于魚類生態水力需求確定流量值大小，得出符合天然流量動態變化且滿足不同等級生境目標需求的生態需水推薦結果，可為淮河流域水資源優化配置提供依據。

關鍵詞：生境目標；魚類保護；IHA分析；HEC-RAS模型；生態需水

中圖分類號：X176 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0076-06

水是河道生態系統的載體，承擔著物質遷移轉化、能量交換及為水生生物提供生存繁殖空間的作用，健康的河道必須維持一定的水量。隨著社會經濟的高速發展，生產生活用水不斷增加，河道水量不斷減少，造成河道斷流、水質惡化、生態系統破壞等一系列生態環境問題。如何在經濟發展的同時保證水生態環境以及保障河流等生態系統良性發展的生態需水量，已成為當前研究的熱點問題。

我國的生態需水研究采用的方法大致可分為水文學法、水力學法及棲息地法。水文學方法以歷史日流量資料為依據，通過變異性分析、頻率分析或流量組分分析等統計分析方法確定生態需水值。水力學法大多以河道地形斷面條件為依據，通過分析斷面水力變化來確定生態需水，如水力半徑法、濕周法等。棲息地法的應用研究大多集中在長江流域，以中華鱘、大型底棲動物等珍稀物種的棲息地保護為重點，通過建立流速、水溫、水深等參數與棲息地面積關系曲線來確定生態需水。上述方法中，水文學和水力學方法對水生物需求采用經驗概化或直接忽略，與生態系統聯系較弱，同時推薦值大多為年均值或月均值，忽略了水文過程的動態性和季節性；棲息地法則需要大量的水文、生物、地質等數據，而我國大多數流域長期以來缺乏生態監測，相關數據較少，應用難度較大。因此，需要建立一種資料需求適中、與生態系統有直接聯系的生態需水計算方法。由于水生態系統恢復是個長期的過程，最小生態需水并不能滿足健康河道對水量的需求，同時考慮水資源年際間豐枯變化及用水差異，需要根據不同等級生境保護目標確定生態需水量以達到滿足不同時期河道保護目標的需求目的。

淮河是我國受人類活動影響最為嚴重的河流之一，水利工程在發揮防洪、發電、灌溉及供水方面的功能的同時改變了河道水文形勢，出現了河道斷流、主槽淤積萎縮等問題，嚴重影響河道生態系統健康。據統計淮河流域64%的河流處于不健康或亞健康狀態，河道中魚類等大量水生物出現死亡甚至滅絕的狀態，水生態問題已成為淮河流域經濟社會發展的重要制約因素之一。如何在經濟社會發展的同時逐步恢復淮河流域生態健康成為當前研究的一個重點問題。

1研究對象

1.1研究區概況

淮河流域位于我國東部，流域面積2 75×10⁵km²，流域內多年平均降水量為888 mm，多年平均徑流深約為221 mm。淮河流域為典型季節性河流，受梅雨及臺風的影響，6月-9月（汛期）暴雨頻發，汛期降水總量約占淮河流域全年降水量的60%。流域總人口約1.70億，流域平均人口密度為631人/km²，國內生產總值（GDP）為1.73萬億元，人均1.02萬元。人口密度大，經濟基礎比較差，屬于經濟欠發達地區。

淮河流域歷史上水資源豐富，魚類資源眾多，淮河中游曾經分布著較多的產卵場，其中安徽省鳳臺縣的峽山口由于其得天獨厚的水流條件使其在歷史上成為淮河中游重要的產卵場，但是由于近年來截彎取直、水文情勢改變和過度捕撈等造成河道生態環境不斷惡化，產卵場逐漸消失，淮河流域魚類數量急劇下降。本次在淮河鳳臺縣河段選取了分布距離較為均勻的8個典型大斷面，區間河段河床為巖石底質，斷面較為穩定，河段平均比降為0.02%，糙率0.03。研究區及研究斷面見圖1。

1.2指示性物種

參考《淮河流域生態一環境調查與評價報告》和《淮河流域生態用水調度研究報告》，淮河流域魚類有23種，隸屬于9科，其中鳳臺縣河段魚類主要有鯉魚科鯽、餐、蛇鮈、油餐、銀鮈、蒙古鲌、紅鰭鲌、青梢鲌及鱗科光澤黃顙魚、長吻鮠，鯉魚科為絕對優勢種群。魚類是河道生態系統的項級生物，魚類種群的改變可直觀反映河道水文情勢的變化對河道生態系統的影響，同時，適宜魚類生存繁殖的流量過程也能使河道達到健康狀態。本文選擇鳳臺縣典型魚類為研究對象，將魚類在不同時期對水流條件的需求作為生態需水制定的依據。同時本次將4月-6月定義為魚類產卵期繁殖期，6月-9月定義為育幼期，該時間段對于魚類種群豐度具有極其重要的作用，對其需求應重點考慮及研究。魚類生態習性見表1。

2研究內容

2.1研究方法

河流水文情勢與河流生態過程具有內在關系，是河流生態過程的主要驅動力。天然水文過程較為復雜，但生物與環境在長期相互作用的過程中，河流水文情勢的變化與水生物年內生命階段之間形成了天然的匹配關系。國際上普遍認為，流量的天然變化過程包括大小、頻率、發生及持續時間、漲落率等最適宜魚類的生存，對河道健康最有利。本文在確立不同等級生境保護目標的基礎上，建立生態一水文響應概念性模型，通過歷史流量資料分析確定流量組分年內分布變化特征，同時根據魚類不同時期需求對生境保護目標賦予不同水力學指標，根據一維水力學模型演算確定流量值，綜合確定生態需水推薦值。研究流程如圖2所示。

2.2生境保護目標確定

淮河流域水資源問題突出，水資源時空差異性明顯，生態環境整體較差。在本次研究中，對研究區域設定了三個不同等級生境：（1）不斷流，即河道基流維持水體縱向聯通性，無法維持水生生物的正常生存空間，生物由于缺水逐漸消亡生態系統處于極不健康狀態；（2）最小生境，即維持河道生態系統現狀不惡化，為關鍵性物種如魚類提供最小生存空間；（3）適宜生境，定義為維持水生態系統完整性，河道水文情勢能滿足魚類正常生存繁殖的水文、水力學要求，生態系統呈健康狀態。生境保護目標的確定為生態需水推求提供了理論基礎和依據。endprint

2.3生態需水組成要素分析

根據淮河流域特點，以天然流量過程的變化為基準，以IHA（Indicator of Hydrologic Aiteration即水文變異指標法）及EFC（Enuironmental Flow Components即環境流量指數）指標體系為基礎建立一套適用于研究河段生態的水文指標，建立流量組分生態作用概念性模型如圖3。分析河道1956年-2012年日流量過程，統計不同流量組分年內時間分布及變化特征，并確定極低流量、低流量、高流量、脈沖流量及洪水的年內發生時間、頻率的統計規律及適宜值（表2）。由于漫灘洪水會對社會經濟造成損害，且其生態作用小洪水也能達到，因此在生態需水過程推薦中不考慮該種流量組分。

2.4確定基于魚類需求的生態需水

生態過程與特定的流量組分之間有極高的聯系，但生態過程難以與特定的流量值形成對應關系，但是這種關系能建立在生態過程與一些與生態系統具有較大聯系的水力學參數如水深、流速、濕周上，如平均水深反映了魚類在整個斷面上生存空間的情況，最大水深為魚類提供通道條件，淺灘水深為黏性卵魚類在產卵時期提供繁殖及幼魚生存空間。本文通過前期調查搜集文獻及資料，結合R2CROSS法（基于曼寧方程并綜合考慮棲息地有關水流指數的計算方法）中數據及Tennant野外試驗統計數據，確定研究區域魚類不同生命歷程的水力學需求；通過河道地形數據、糙率等資料，采用HEC-RAS構建一維水力學模型，模擬給定流量的水力學特性，建立水力學參數與流量之間的聯系。

3生態需水推薦

基于魚類需求及水文特性，對不同等級生態需水推薦結果為：在極端情況下，為防止河流生態系統發生毀滅性災難，推薦至少維持17.5 m³/s的基流；維持生態系統現狀不惡化的最小生境，推薦在10年-翌年5月、6月-9月分別維持44.9 m³/s、93.23m³/s的基流，為魚類產卵繁殖及幼魚生長提供一定的條件和空間，推薦在4月-6月產卵繁殖期保證2次以上峰值不小于238.45 m³/s，且漲水2天以上過程不少于7天的脈沖流量，6月-9月汛期發生1次以上峰值不小于1237.07 m³/s，漲水不小于3天，峰值持續2天整個過程不少于12天的非漫灘洪水；維持河道生態系統健康的適宜生境，推薦在10月-5月、6月-9月分別維持93.27 m³/s、169.49 m³/s的基流，為魚類產卵繁殖及幼魚生長提供適宜的條件和空間，推薦在4月-6月產卵繁殖期保證4次以上峰值不小于577.1 m³/s，且漲水2天以上過程不少于7天的脈沖流量，6月-9月汛期發生2次以上峰值不小于1881.06 m³/s，漲水不小于3天，峰值持續2天整個過程不少于12天的非漫灘洪水。三種推薦生態需水過程示意圖見圖4。通過計算結果與Tennant法棲息地質量等級對比（表4）可看出，不斷流流量處于嚴重退化等級，河道生態系統不能維持正常功能；最小生態需水在枯水期處于較差水平，汛期處于中等水平；適宜生態需水在枯水期處于中等偏好水平，汛期處于較好等級。由于Tennant法采用年均流量比例的方法劃分質量等級，忽略了流量季節性變化，均化了河流汛期脈沖流量及洪水對河道流量的改變，對季節性河流非汛期生態需水推薦偏大，并不能完全反映淮河流域生態需水特點，僅具有參考價值。

4結語

生態需水是生態用水的依據，在生態系統修復中起著重要的作用，本文在淮河流域現有資料的基礎上，參考大量國內外研究，提出一種符合淮河流域的實際生態需水計算方法。在本次研究中綜合考慮河道天然水文情勢變化特點及以魚類為代表的水生態系統的需求，同時推薦的生態需水量在對于魚類種群具有重要意義的產卵繁殖期及育幼期特別考慮，特別推薦了該時期脈沖或洪水發生的頻率及漲落持續時間，更具有可操作性。本文資料需求適中且較為綜合地考慮了水文生態系統，不同等級推薦流量均符合Tennant法棲息地等級范圍，有利于水資源管理者在不同水資源管理策略中選擇適宜的生態需水，實現水資源合理配置和高效利用，為淮河流域中長期水資源規劃提供參考。

本次推薦的生態需水值是基于特定的河道地形條件由水力學參數確定的，由于水流沖刷作用導致河道地形復雜且多變，因此推薦的流量值并非一成不變，在不同時期生態需水可根據河道地形變化做適當的調整。同時，本文研究僅以魚類作為生態系統的代表研究其在不同生境條件下生態過程與流量之間的關系，在今后研究中會加入河道生態系統中底棲、浮游動植物等生態需水情況研究，同時考慮水質變化對生態系統的影響綜合確定生態需水。本文在分析長系列日流量資料時忽略氣候變化及人類活動對水文過程一致性的影響，在以后研究中也應該加入對水文變異性的分析。endprint