漓江枯水期流量變化對魚類棲息地的影響模擬

黃月群,蔡德所,楊培思,陳俊華

1.廣西大學土木建筑工程學院,南寧530004

2.桂林理工大學,廣西礦冶與環境科學實驗中心,桂林541004

1 前言

河流生物棲息地評估是評價水資源是否科學合理分配以及評價河流生態修復效果的一種有效方法,對河流水資源的分配及管理、河流生態修復及水生態環境保護起到了重要的指導作用。棲息地模擬法是河流生物棲息地評估的一種常見方法,其采用河道內流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology,簡稱IFIM)將水力學模型和生物信息模型結合起來,建立魚類適宜棲息地與流量之間的定量關系來評價流量變化對魚類棲息地的影響,為確定最理想的河流生態流量和解決水資源分配問題提供參考依據。

目前采用二維模型來模擬河流生物棲息地的研究也逐漸增多,如River 2D模型采用水力模型模擬出河流局部流速、流向及水深,采用精確的生境適宜性指數模擬出魚類適宜棲息地面積。譚燕平等人利用River 2D軟件模擬雅礱江錦屏大河灣特征河段目標物種適宜棲息地面積的變化情況,定性描述魚類適宜棲息地分布隨流量變化的關系[1];孫嘉寧等人采用River 2D對白鶴灘水庫回水支流黑水河進行水動力模擬和魚類棲息地模擬,根據加權可利用面積分析蓄水前后魚類適宜物理棲息地的數量和質量變化[2]。孫瑩等人利用二維軟件模擬了河流生態修復前后魚類棲息地面積的變化特征[3]。李向陽等人提出河道整治中要考慮魚類棲息地的影響[4]。李平等人利用River 2D軟件模擬洪泛區林地開發對魚類棲息地面積的影響,評價了河漫灘糙率的改變對河流魚類棲息地造成的影響[5]。鑒于上述研究成果,本文以漓江桂林市區河段為研究對象,采用河流二維模型對漓江枯水期成年鯉棲息地隨流量變化進行模擬研究。

2 研究區枯水期概況

本文研究河段為漓江桂林市區段,由桂林水文站至南洲大橋,長為12.86 km(見圖1),兩岸地面標高在132—154 m之間,河槽寬在125—585 m之間,河岸高3—5 m,研究段河床平均比降為0.44‰。河床由砂、卵石組成,并常年長有水草,枯水期河灘水深小于1 m。歷史上漓江市區河段多年平均最枯流量為10.8 m3·s-1,最低水位為140.18 m(1989年),歷史實測最枯流量僅為3.8 m3·s-1(1951年2月),基本處于斷流狀態[6]。枯水期為每年的12月至次年2月,長期嚴重缺水導致河道水量幾乎枯竭。在枯水期間,漓江河道干涸、生物棲息地嚴重萎縮,生物多樣性顯著下降,特別是一些珍稀魚類由于無法適應現今的生態環境而出現滅絕,嚴重影響漓江的生物結構群落。

圖1 研究河段Fig.1 The study river section

2006年10月廣西桂林氣象和水文部門聯手首次制定了主要江河枯水位指標及相應流量,確定漓江桂林水文站枯水位標準為141.00m,流量為45m3·s-1,此指標的制定在全國尚屬首例。如果漓江水位低于這一指標則為枯水期,表明會對生態環境、水質、漓江景觀等產生重要影響[7]。此外,從漓江流域生態環境、旅游通航、城市建設及水資源配置方案等多方面綜合分析,根據一、二、三期補水工程聯合向漓江補水后,桂林水文站斷面的最小生態需水量為60 m3·s-1,可使漓江全線生態環境狀態達到好至很好狀態,基本解決漓江枯水期的斷航問題。

因此,本文通過采用河道內流量增加法,建立漓江桂林市區河段在枯水期歷史實測最枯流量3.8m3·s-1、枯水期標準流量45 m3·s-1和生態補水量60 m3·s-1三種不同流量情況下成年鯉的棲息地模型,分析漓江枯水期成年鯉有效棲息地面積與流量之間的定量關系,評價流量變化對成年鯉棲息地的影響。

3 研究河段棲息地模擬分析

3.1 河流二維模型簡介

河流二維模型是基于二維水力模擬與計算單元為三角形來計算加權可利用面積(Weighted Usable Area,簡稱WUA,也稱有效棲息地面積)的一種模型,其與傳統一維棲息地模型的基本原理是一致的,但是河流二維模型的水力模擬對局部流態的模擬更為準確,更優于傳統一維棲息地模型。河流二維模型通過模擬研究河段不同流量下水深和流速的分布情況,演算目標生物的棲息地數量即有效棲息地面積WUA,確定其適宜生存的可利用面積和流量之間的定量關系,可提供更準確的棲息地適宜性及有效面積模擬效果。其主要有以下四個步驟:編輯研究河段的河床地形文件;對編輯好的河床地形文件進行有限單元網格化;運行并模擬不同流量下水深和流速的分布情況;根據魚類適宜性曲線、河道基質及覆蓋物生態適宜性曲線演算出研究河段的有效棲息地面積 WUA[8–9]。

3.2 河道適宜性指數的確定

根據《廣西淡水魚類志(第二版)》漓江魚類以鯉科為最多[10]。因此,本文選取成年鯉作為指示物種。通過在河流二維模型中導入河床文件,進行河流流場計算,在Channel Index命令下導入三個影響因子(水深、流速和河道指標)的適宜性曲線與河流流場計算相結合進行河流棲息地模擬。

適宜性曲線考慮研究河段的天然水力學條件并結合前人有關魚類適宜性曲線的研究成果來確定[11–13]。其水深和流速適宜性曲線最佳水深范圍為1.0 m—1.5 m,最佳流速范圍為0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,河道基質及覆蓋物生態適宜性值都取為1,忽略其對魚類棲息地的影響[14–16]。

3.3 模擬結果分析

圖2 三種不同流量研究段面的水深曲線圖Fig.2 Depth curves of three different flows

通過河流二維模擬漓江流域桂林市區河段成年鯉在歷史實測最枯流量3.8 m3·s-1、枯水期標準流量45 m3·s-1和生態補水量 60 m3·s-1三種不同流量情況下成年鯉的有效棲息地面積。

(1)研究河段水深分布情況

研究河段三種不同流量下的水深分布如圖2所示。模擬結果表明歷史實測最枯流量3.8 m3·s-1時水面寬度為85 m,水深為0 m—1.0 m,低于鯉棲息地最佳水深范圍1.0 m—1.5 m,此時河床嚴重裸露,成年鯉幾乎無棲息地可棲息;枯水期標準流量45 m3·s-1時水面寬度為125 m,水深為0 m—2.2 m,生態補水流量60 m3·s-1時水面寬度為135 m,水深為0 m—2.4 m,此時這兩種流量下的水深均大于鯉科棲息地最佳水深范圍1.0 m—1.5 m,對成年鯉棲息地影響不大。

模擬結果表明生態補水流量60 m3·s-1時的水深與枯水期標準流量45 m3·s-1時的水深相差不大,說明枯水期標準流量45 m3·s-1可基本滿足漓江順流單向通航要求和生態用水需求,低于此流量標準則會對成年鯉棲息地造成影響。如果枯水期出現流量低于枯水期標準流量45 m3·s-1如歷史實測最枯流量3.8 m3·s-1時,在只考慮魚類棲息地安全情況下只需從上游青獅潭水庫增加補水量41.2 m3·s-1即可滿足漓江魚類對棲息地的要求。

(2)研究河段流速分布情況

研究河斷在三種不同流量情況下的流速分布情況如圖3所示。模擬結果表明歷史最枯流量3.8 m3·s-1時平均流速只有0.06 m·s-1,枯水期標準流量45 m3·s-1和生態補水量60 m3·s-1時平均流速為0.23 m·s-1和0.26 m·s-1,兩者相差不大。根據適宜性曲線鯉魚棲息地最佳流速范圍0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,枯水期標準流量45 m3·s-1和生態補水量60 m3·s-1時均介于適宜性曲線最佳流速范圍,說明漓江流量大于枯水期標準流量45 m3·s-1時,漓江水流流速適合鯉魚對棲息地的要求,而歷史最枯流量3.8 m3·s-1時平均流速遠遠低于該范圍,此時河流流速過低,不適合成年鯉棲息。

圖3 三種不同流量研究段面的流速曲線圖Fig.3 Velocity curves of three different flows

(3)研究河段補水前后有效棲息地面積模擬結果及變化分析

根據研究河段棲息地的流速、水深、基質及覆蓋物等得到模擬河段適宜性指數(combined suitability index,簡稱CSI),其綜合函數為f(Vi,Di,Ci)與每個網格單元的面積A即得到模擬河段的WUA值,其公式為:

其中Vi為流速指標;Di為水深指標;Ci為河道指數。本文忽略其對魚類棲息地的影響,即河道基質及覆蓋物生態適宜性取值為1。值得注意的是由于WUA忽略了河道底質、水草覆蓋物等非水力因素的影響,因此它不是魚類實際棲息地使用的真實反映,不能用來衡量總棲息地面積的尺度,適用于河流管理中潛在可用棲息地面積指標的確定[17]。

因此,本文將WUA轉換成百分比可用面積(percentages usable area,簡稱PUA)[18],轉換公式如下:

式中,PUA為魚類有效棲息地面積占研究河段總面積的比值;At為研究河段總面積。

圖4 三種不同流量研究河段的有效棲息地WAU值Fig.4 WAU of three different flows

根據模擬及演算結果(見圖4),研究河段河道總面積At為 3103895m2, 三種不同流量 3.8 m3·s-1、45 m3·s-1和60 m3·s-1下成年鯉的有效棲息地面積WUA分別為5622 m2、34737 m2和34949 m2。在歷史最枯流量3.8 m3·s-1情況下鯉魚的可用棲息地面積百分比僅占0.18%,幾乎沒有棲息地可供成年鯉使用。枯水期標準流量 45 m3·s-1和生態補水量 60 m3·s-1分別為1.12%和1.13%,兩者相差不大,比歷史最枯流量3.8 m3·s-1成年鯉的可用棲息地面積百分比PUA均增加了5倍多,說明漓江成年鯉適宜棲息地隨流量增大而增大并由河道中間逐漸向河兩邊移動。由歷史最枯流量3.8 m3·s-1至枯水期標準流量45 m3·s-1變化時成年鯉適宜棲息地面積迅速增大,而由枯水期標準流量45 m3·s-1至生態補水量60 m3·s-1變化時成年鯉適宜棲息地面積變化不大,說明成年鯉的棲息地面積隨著流量增加而增大,但增加到了一定的流量,適宜棲息地面積的增長速度明顯降低甚至基本保持不變。

在枯水期間,如上游補水工程水資源緊張且只考慮漓江魚類生態環境及其棲息地情況下,補水后只要漓江過流量不低于45 m3·s-1即可滿足成年鯉對棲息地的要求,這與相關部門制定的枯水期水位和流量劃分標準是一致的。

4 漓江枯水期魚類棲息地變化原因分析

對于漓江流域來說,影響枯水期流量大小的因素是錯綜復雜的,因此枯水期成年鯉棲息地面積變化原因也是多方面的,主要表現在以下幾點:

(1)流域地勢變化大,河床坡度較陡,枯水期水位變化大

漓江流域地形北高南低,起伏較大,流域河床坡降較大,特別是從大溶江到桂林市區一帶河床平均坡降將近1‰。流域內洪水匯流時間短,暴漲暴落,最大實測漲幅約為2.16 m·h-1時,有時一次漲幅甚至可達到5 m之多,特別是在枯水期河槽水位降落大,嚴重影響了魚類的棲息地面積。

(2)流域面積較小,相應的河流基流量也小,直接影響到魚類的棲息地面積

河流的徑流量與流域的面積呈指數關系,流域的面積越大,河流的基流也就越大,反之也就亦小。以桂林水文站為控制斷面的流域面積約為2762 km2,河流基流量小,從而影響到了流域魚類的棲息地面積。

(3)降雨量年內分配不均,枯水期較長,河床裸露嚴重,棲息地嚴重萎縮

漓江屬于山區雨源性的河流,降水量在年內分配不均,枯水期從9月至次年2月,枯水期時間較長,降水量少,部分河床河灘嚴重裸露,河流生物棲息地面積嚴重縮小。

(4)枯水期地表水向地下水排泄、補給比較強烈

漓江沿岸均為典型的南方喀斯特地貌,呈地上與地下含水系統結構。在枯水期,由于地下水位低于河流水位而導致流域側向補給地下水,而流域的地下水運動速度過快導致流域徑流在時間上也更為集中,使流域水資源缺乏有意義的天然性季節調節,導致枯水期河流基流量減少,流域棲息地也隨之變小。

(5)城市化的快速發展,沿江用水量增長過快,導致河道過水量降低

隨著桂林市城鎮化的快速發展,沿江兩岸用水量也大幅度增長。目前桂林市區飲用水的主要來源是以漓江為取水水源的東鎮路水廠、東江水廠和瓦窯水廠三個水廠共4個取水點,總供水能力為35.5×104m3·d-1時, 相當于 4.1 m3·s-1, 超過了漓江流域枯水期的歷史最枯流量3.8 m3·s-1,河道過水量降低,影響了魚類的棲息地面積。

(6)沿江兩岸排污口較多,影響了漓江水體質量

沿江兩岸特別是在桂林市區河段隨處可見入江排污口,污染物來源主要為工業廢水、農業污染物以及未經處理的生活污水。漓江自進入市區后,水質污染愈為嚴重,主要污染物為石油類、氨氮、高錳酸鹽指數、糞大腸菌群。特別是在枯水期,來水量少,河道自凈能力降低且取水量又逐年增加,極易造成漓江水體的污染,嚴重影響了河道的生態環境以及魚類的棲息地。

5 總結

本文選取漓江桂林市區河段為研究范圍,采用河流二維模型對枯水期三種流量情況下成年鯉的有效棲息地面積進行了模擬及演算。本文僅從水文生態學的角度對成年鯉的有效棲息地面積進行模擬,沒有考慮其本身對河流環境的主動性及棲息地的選擇。此外,本文只考慮鯉魚成魚階段棲息地的水深和流速兩個因素而忽略了河道指標的影響,因此演算結果不能真正反映鯉魚的實際棲息地面積,但對于在同一條件下評價漓江流域枯水期及補水前后棲息地面積的變化具有一定的指導及應用意義。在后期的研究工作中,可將上述兩種情況加以研究,為漓江魚類棲息地面積的評估與保護提供更準確的數據依據。

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