沅江托口水電站減水河段魚類棲息生境變化模擬研究

大唐玉曲河水電開發有限公司 四川 成都 610041

水電的開發建設對河流生態系統產生的影響主要表現在河流阻隔、局部河段減脫水、庫區生態系統的演替及下游水文時空節律改變、低溫水下泄等方面。河段減水對河流的生態環境造成極大的破壞,水生生物棲息地安全性受到脅迫。為緩解減水對河段中魚類的影響,國內外普遍采取生態流量下泄、生境修復等措施。

魚類棲息地指能夠滿足魚類不同生活階段的不同需要,不僅提供魚類的生存空間,同時還提供滿足魚類生存、生長、繁殖的全部環境因子。通常包括產卵場、索餌場、越冬場及連接不同生活史階段的洄游通道。

河流棲息地評估為評估下泄流量的有效性發揮重要作用,棲息地模擬法是常用的河流生物棲息地評估方法,河道內流量增量法(InstreamFlow IncrementalMethodology,簡稱IFIM)中River2D模型運用較廣泛。River2D模型通過水力模型模擬,可以獲得河流局部流速、流向及水深,根據魚類適應性指數算出魚類有效棲息地面積。通過將水力學模型與生物信息模型相結合,定量分析魚類適宜棲息地與流量之間的關系,對流量變化對魚類棲息地的影響進行評價(黃月群等,2017)。崔玲等(2007)利用River2D漓江桂林市區江段進行流速和水深模擬。譚燕平等(2011)對雅礱江錦屏大河灣不同流量下裂腹魚的適宜棲息地面積的變化,得出有效棲息地面積最大的流量。孫嘉寧等(2013)采用River2D分析白鶴灘水庫回水支流黑水河在不同蓄水水位下魚類適宜棲息地面積的變化情況。孫瑩等(2015)模擬壩下齊口裂腹魚產卵場,為產卵場地形重塑效果進行評估。李平等(2016)利用River 2D軟件模擬不同的河漫灘糙率對應的魚類有效棲息地面積(WUA),分析了糙率的改變對河流魚類棲息地的影響。

托口水電站壩址位于湖南省沅水干流上游河段,是沅水規劃梯級的第5級,壩址處多年平均流量為540m3/s。主副壩的修建,形成約9km的減水河段,根據環境保護要求,為保證河道內的最小生態需水量(Tennant,1976),采取主壩壩后設置2組1.5萬KW的生態機組下泄生態環境流量54m3/s。托口水電站河段中喜靜水緩流生境的魚類增多,喜急流和洄游、半洄游性魚類減少。通過生境模擬分析天然流量不同時期(豐、枯水期)與生態下泄流量下魚類適宜棲息面積,建立沅河的二維物理棲息地模型,旨在保護沅河減水河段的魚類棲息地,恢復適宜魚類棲息的生境條件,對保護魚類資源、維護河流生物多樣性具有重要意義,并為河道生境修復規劃方案的制定提供基礎數據。

1 研究河段魚類資源及棲息地現狀

研究河段位于沅江上游,沅河鎮河段河勢蜿蜒,河岸邊灘分布廣泛,魚類資源豐富,隨著上下游梯級電站的興建、過度捕撈、水域污染、采砂活動頻繁,造成魚類資源下降。湘華鯪是湖南特有的大型野生經濟魚類,目前僅在沅江和資江發現分布(卞偉等,2011)。沅江鎮河段是湘華鯪的自然分布江段,托口水電站對其分布產生嚴重的阻隔,根據環保要求,拖口水電站每年對湘華鯪進行增殖放流,沅河鎮減水河段是湘華鯪潛在的分布水域,湘華鯪是研究河段中的保護物種,且具有較高的保護價值,本文將湘華鯪作為目標物種。

湘華鯪以攝食硅藻為主,4月下旬性成熟,5月為產卵盛期,具有繁殖期上溯洄游習性,卵微粘性(王賓賢等,1977&1982),喜棲息于有砂、卵石的淺灘或狹流凸石的水域,石上生長著許多的固著藻類,如苔蘚、絲狀藻等。

2 評估方法

2.1 評估方法與模型 IFIM法是棲息地模擬方法具有代表性一種方法。IFIM法設定流量變化對物種數量和分布造成影響的主要因素為水深、流速、基質和覆蓋物,通過調查分析目標物種對水深、流速、底質等因子的適應性,繪制水深、流速、底質等環境參數與適應性指數(介于0～1之間)之間的適宜性曲線,計算指示物種的有效棲息地面積(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。

River2D模型全稱為河流水動力學和魚類生境的二維平均深度模型是2002年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。能反映河流局部的流速和水深分布以及確定流量與魚類潛在適宜棲息地的關系。

2.2 水深及流速適宜性指數確定 棲息地適宜性指數(Habitat Suitability Indices,HIS)(Bovee,1986)通常以0～1之間的數值來量化物種對某棲息指標的喜好程度,0表示該物種完全不適宜,1表示該物種完全適宜,值越大表示適宜性越好。

目前湘華鯪相對應的水力適宜性研究資料還比較缺乏,本文根據卞偉等(2011)測定湘華鯪產卵場江段的水深和流速,結合湘華鯪生態習性、繁殖習性,確定湘華鯪的最適宜棲息流速為0.86～1.25m/s,最適宜棲息水深為2～6.8m。由此確定研究河段湘華鯪在繁殖期對流速、水深的適宜性曲線,如圖1和圖2所示。

圖1 湘華鯪流速適宜性曲線Fig1 velocitysui tabilitycurve of Sinil abeodecorus

2.3 模擬工況 沅河鎮河段處于托口水電站減水河段,托口水電站壩址多年平均流量為540m3/s,枯水期(10-3月)為273.8m3/s,豐水期(4-7月)為969.3m3/s,托口水電站運行期主壩下泄生態流量為54m3/s。本文以沅河鎮上下游3km河段為例,根據三種不同河道流量情況,運用River2D模型對河段生境進行模擬。河段流量工況如表1所示。

表1 模擬河段流量工況Tab1 Flow conditions for the habitat simulation study

通過對3km的模擬河段的河床地形數據進行實測了483個點位,并結合河床遙感數據,對部分河段進行修正,在R2D-Bed.exe中根據三角化不規則網格法(TIN)對地形特征以及各個節點參數進行空間內插,形成河流河床文件。R2D-Mesh.exe中由地形文件生成計算離散化網格,網格密度根據地形數據和模型計算結果調整,網格間距0.5～10.0m。邊界條件上游采用流量邊界,下游采用水位邊界,河岸邊界采用動邊界方式。

3 生境模擬

通過模擬分析,沅河鎮河段在枯水期、豐水期和生態流量下泄是的河段的平均水深分別為1.85m,2.35m和1.76m,水深變化不大,變幅在0.6m以內;平均流速在三種流量工況下分別為0.71m/s,1.55m/s和0.21m/s,河道內在生態流量下泄時,水體流速顯著降低,較豐水期和枯水期分別下降70.42%和86.45%。河道水深和流速分布見圖3。

河道在托口水電站建設前,沅河鎮河段在枯水期年均273.8m3/s流量情況下的水域總面積為72.29hm2,其中適宜性較差的水域面積為19.57 hm2,有效棲息地面積為40.00hm2,適宜性較好水域面積為36.05hm2。豐水期年均969.3m3/s流量情況下的水域總面積為80.55hm2,其中適宜性較差的水域面積為33.52hm2,有效棲息地面積為37.09hm2,適宜性較好水域面積為31.00hm2。在豐水期湘華鯪有效棲息地面積較枯水期略有下降。托口水電站建成后,減水河道下泄54m3/s的生態流量,水域面積總面積為67.49hm2,分別較枯水期和豐水期減少6.64%和16.22%;適宜性較差的水域面積為31.73hm2,較枯水期增加62.14%,較豐水期減少5.35%;適宜性較好水域面積為0.75hm2,分別較枯水期和豐水期減少97.92%和97.58%;有效棲息地面積為14.20hm2,分別較枯水期和豐水期減少64.50%和61.72%。

表2 河道棲息地適宜性模擬結果Tab2 Simulation results for riverh abitatsuit ability

圖3 模擬河段水深、流速、有效棲息地面積分布Fig3 Depth,Velocity,and WUA distribution of simulated river reach

圖4 托口水電站建設前后沅河鎮河段生境變化Fig4 Habitatchange of Yuanhe Town be for eandafter the construction of Tuokou Hydro power Station

4 結果與討論

水深是魚類棲息地水力學特征重要的指標之一,水深會影響水體的光線穿透性和水溫等水文條件,同時也會影響魚類、水生植物、底棲生物等生物的種類、密度、分布特征等,從而導致不同水深層魚類食物的種類和數量存在差異,魚類物種組成和群落數量也隨之改變(馮廣朋等,2006)。不同生活史階段的魚類對水深也是有選擇特性的(杜浩等,2010),此外,要保持水體連通性、魚類棲息活動,維持一定的水深是必要的(王銳和李嘉,2010)。水流是河流生境的主要決定因素,同時也是生物組成的決定因素,強烈影響了生物結構和行為適應性,魚類的習性與流速更是密切相關,如草魚洄游的適宜流速范圍是0.4～1.0m/s,但超過1.1m/s后,洄游成功率將明顯降低(楊慶,2019)。

模擬分析表明,托口水電站壩下減水河段在流量明顯下降時,水域面積沒有大幅度的減少,較豐水期水位下降約0.5m,水域面積減少13.06hm2,分別減少了25.1%和16.2%。這與大渡河黃金坪水電站(王琴華,2015)、永樂江一級電站(何懷光,2012)等造成減水河段水域面積明顯下降結果不一致,這些電站減水河段的年平均流量、年平均水深、年平均流速、水域面積等較建壩前明顯下降,河道平均寬度也有所減少,這些因素改變了減水河段水力生態特征,對河道中魚類及其它生物的生存和繁衍產生了重大影響。沅河鎮減水河段由于河道下游有沙洲,河道深淺相間,當地居民也為保證生活需水,對河道分叉處修筑泥土壩,阻隔部分支岔河道水流,保持河段的水面維持在一個較高的水位。但同時,河道內流量的大幅度減少,流速顯著下降,使原為山溪性急流的河段變為靜緩流水體,河道內天然平均流速從0.71～1.55m/s,下降到減水后的平均0.21m/s,減少幅度為70.42%～86.45%。這使得適應流水生境的湘華鯪等魚類,在該河段適宜性較好的水域面積幾乎喪失,面積減少在97.5%以上,只在河段上游人工圍筑收窄的河段,保持有流水河段,具有少量適宜性較好的水域;而適宜性一般的水域相對于枯水期和豐水期分別增長了110.00%和118.40%。說明湘華鯪對河段的棲息地適宜度整體顯著下降,經統計湘華鯪有效棲息面積從枯水期和豐水期的40.00hm2和37.09hm2,下降為14.20hm2,減少幅度超過60%。

減水河段水深下降、流速減緩,使適應流水生境的魚類的適宜生境喪失。在模擬河段中,生態流量狀況下,僅在人為改造的一小塊河段存在適宜性較好的生境,分布較零散。在黑水河,為緩解減水河段流速過緩、水深偏小、魚類棲息地適宜性較差等問題,孫瑩等(2015)設計對河道地形重塑,增加目標魚類適宜棲息面積,達到對河道生境進行修復的目的。改善河道生境條件,國內外常用的方法有增加河流彎道、設置水流擋板、在河床堆置大石塊成堰、布置人工階梯—深潭等(Bockelmannetal,2004;Ronietal,2006;Diego &Javier,2007;余國安等,2008;蒲玉芳等,2013)。托口電站減水河段通過對部分河段進行重塑,改善河道的水流條件,恢復河流的魚類棲息地適宜性。

5 結語

本文基于IFIM原理的棲息地模擬方法,使用River2D二維水動力學軟件,以托口水電站壩下減水河段的沅河鎮河段為例,進行電站建設前后棲息地質量和空間分布情況模擬,未考慮河床底質及餌料分布情況,分析減水河段中湘華鯪的適宜生境顯著減少,適宜性較好的河段基本喪失。本文選取的流速、水深適宜性指數較粗略,未針對湘華鯪繁殖期生境的適宜性進行分析,湘華鯪產卵需要的生境條件將更加嚴格,這需對目標魚類棲息偏好條件進行更深入的研究。