長江上游水文情勢變化對保護區銅魚產卵的影響

(長江科學院 流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010)

金沙江下游規劃有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座巨型水電站，向家壩和溪洛渡水電站已分別于2012年10月和2013年5月開始蓄水發電，另外2座大型水電站也正在建設中[1]。緊臨向家壩水庫下游的長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(以下簡稱保護區)是我國唯一的以魚類為保護對象的跨越多個省(市)的國家級自然保護區[2]。向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行顯著改變了保護區長江干流江段自然徑流過程，從而影響了壩下保護區魚類的產卵繁殖活動。

近年來，已有學者研究了水庫蓄水運行后壩下水文過程的變化對魚類產卵的影響。薛靜等[3]研究認為水利工程的修建改變了河流生態系統的連續性，一方面阻隔了魚類的洄游通道，另一方面水庫形成后，水體的水文條件發生較大變化，從而改變了魚類的棲息環境。郭文獻等[4]利用1882～2006 年宜昌水文站流量資料，分析了三峽水庫蓄水前后，中華鱘和四大家魚產卵期內多年平均流量的變化，結果表明三峽水庫蓄水后多年平均流量減少，中華鱘和四大家魚的產卵量下降。李翀等[5]利用宜昌站1900～2004年共105 a的日徑流資料，根據IHA方法的原理，選取四大家魚產卵期漲水過程數、總漲水日數、平均每次漲水過程日數三項生態水文指標，得出總漲水日數是決定家魚苗發江量重要因素。李清清等[6]采用水文變化指標和變動范圍法, 研究三峽工程建壩前后水文情勢變化情況，得出水文情勢變化影響四大家魚產卵繁殖的概念性模型，三峽水庫蓄水后河道洪水過程趨于均一化和單一化，使四大家魚第一次產卵的信號減弱或消失，不利于四大家魚產卵增產。李建等[7]分析了三峽工程蓄水引起的下游生態水文條件的改變，認為三峽的初期蓄水使得中華鱘卵孵化適宜度和四大家魚產卵適宜度明顯降低。目前的這些研究主要是定性分析水文過程變化對魚類的影響，對水文過程定量化的描述較少；水文特征指標的選取存在一定程度指標冗余的現象，如何根據河流水文過程的特點，選取具有代表性的水文指標，更好地反映水文變化究竟是如何影響魚類的產卵繁殖還需要進一步研究。

銅魚屬于典型的產漂流性卵魚類，廣泛存在于長江水系, 主要分布于長江中上游的干支流, 在保護區漁獲物中占較高比例[8]。銅魚產卵需要一定的流量、水溫、含沙量等生態水文條件，產卵期這些因子的變化直接影響銅魚的產卵數量和質量。根據前人已有的研究[4-6]認為水溫和流量過程是影響產漂流性卵魚類產卵繁殖的重要條件，因此本文重點分析銅魚產卵繁殖期5～7月份生態水文條件的變化。調查時間為2009～2016年，每年5月5日至7月14日，在此期間的水溫最低為18.8 ℃，滿足銅魚的產卵條件。因此，本文暫不考慮水溫對銅魚產卵繁殖的影響，重點分析向家壩和溪洛渡水電站運行前后水文過程的變化對銅魚產卵繁殖的影響。

采用水庫下游朱沱水文站實測流量資料，基于IHA水文變化指標體系，針對保護區河段水文情勢的變化和銅魚產卵的需求，重點選取漲水過程和高流量脈沖過程特征指標，定量分析向家壩和溪洛渡水庫蓄水運行后銅魚產卵期的水文情勢變化情況以及銅魚產卵的變化情況，揭示了長江上游水文情勢變化對保護區銅魚產卵的影響。

1 數據與方法

1.1 產卵數據

2009年以來，中國水產科學研究院長江水產研究所在保護區開展了魚類資源的常規監測，其中保護區魚類早期資源的監測點位于長江上游江津區幾江江段(E106°15′，N29°18′)。本文產卵數據時間段為2009～2016年。

1.2 水文數據

銅魚產卵期的實測水文數據時間段同樣為2009～2016年。監測采樣的江津幾江斷面無水文測站，位于監測采樣點上游約80 km處設有朱沱水文站。朱沱站是保護區河段的核心水文站，水文站上下幾十千米的江段范圍內都是代表性魚類的重點產卵場，朱沱站至江津采樣斷面區間無支流匯入，朱沱站的流量數據能反映江津斷面的水文過程[7]。

1.3 研究方法

Richter[9]建立了一套評估生態水文變化過程的IHA方法(Indicators of Hydrologic Alteration)，包括月流量、極限流量、時刻、高流量和低流量、漲水落水等32個指標。并將這些指標劃歸為流量、頻率、出現時機、持續時間、和變化率等具有生態意義的五大類。無論是IHA指標體系還是其他的指標體系，普遍存在指標冗余現象。實際應用水文指標體系量化水文過程時，可根據當地河流水文過程的特點，從眾多指標體系中選擇一些對當地生態系統影響較大的指標構成新的指標體系。參考已建立的評估河流生態水文變化的IHA 法，銅魚產卵期內(5月1日至7月31日)選取日平均流量、日最小和最大流量、最小流量出現時間和最大流量出現時間，重點選取漲水過程的漲水日均流量、漲水次數、漲水持續時間、流量漲幅、流量日均漲幅和流量日上漲率6個特征指標和高流量脈沖過程的高流量脈沖發生次數、歷時、起漲流量、起始漲幅、峰值流量、峰值流量對應歷時、平均漲幅7個特征指標，分析向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后下游水文情勢的變化，揭示長江上游水文情勢變化對保護區銅魚產卵的影響。

2 銅魚產卵期的流量過程變化

2.1 水文指標

表1 和表2為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產卵期流量過程變化，根據表1～2可知，蓄水運行后的 2013～2016年和蓄水前的2009～2012年相比，5月日均流量基本不變，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量顯著減小2 057 m3/s；日最小流量基本不變，但日最大流量顯著減少；最小流量出現時間都集中在5月初，最大流量出現時間集中于7月中旬。

表1 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產卵期流量過程變化Tab.1 Changes in the flow process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表2 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產卵期流量過程變化Tab.2 Changes of flow process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower station

2.2 漲水過程

江水上漲后銅魚要經過一定的時間才開始產卵，結合前人的研究[10-11]，漲水后需2 d以上的連續漲水過程銅魚開始產卵，產卵與歷時3 d及以上的漲水過程高度相關。本文定義連續3 d(含3 d)以上的漲水為一個漲水過程。選取了漲水過程的6個特征指標：漲水日均流量、漲水次數、漲水持續時間、流量漲幅、流量日均漲幅和流量日上漲率。表3和表4為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產卵期漲水過程變化情況，分析了2009～2016年向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產卵期6個漲水特征指標的變化情況，表中的漲水特征是統計了各年份銅魚產卵期內所有漲水過程的均值。根據表3和表4可知，蓄水運行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，漲水日均流量減小794 m3/s；總漲水次數無明顯變化，大約在7次左右；持續時間無明顯變化；流量漲幅減小629 m3/s；流量日均漲幅減小了79 m3/s，流量日上漲率增大2.12%。

2.3 高流量脈沖過程變化情況

因研究區域和時間尺度上的差異，IHA中對高流量脈沖組分的界定以及高流量脈沖特征指標的統計不能直接應用于本次研究。根據對保護區實際水文特征的分析，本文修改IHA的生態流組分計算參數，定義流量頻率小于45%的流量為低流量，對應流量小于4 660 m3/s；流量頻率大于70%的流量為高流量，對應流量大于10 600 m3/s，流量頻率范圍在45%～70%之間時，日流量漲幅超過15%，則高流量脈沖開始，直到某天下降超過10%結束；結合自然水文情勢中的 5 種水文要素、IHA 軟件中的 6 個統計指標重新確定高流量脈沖特征指標。參考已有的研究成果[11-13]，選取高流量脈沖出現次數、歷時(高流量脈沖出現至結束)、起漲流量(高流量脈沖出現前1 d的流量)、起始漲幅(高流量脈沖出現的流量與起漲流量的差值)、峰值流量、峰值流量對應歷時(高流量脈沖出現到峰值流量出現的歷時)和平均漲幅(起漲流量到峰值流量的斜率)7個特征指標。其次，根據 2009～2016年銅魚產卵期內朱沱站流量資料和保護區江津斷面的銅魚產卵監測資料，一般歷時 3 d及以上的高流量脈沖才能監測到相應的產卵過程[13]，本文定義連續3 d(含3 d)以上的連續高流量脈沖為一個高流量脈沖過程。

表3 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產卵期漲水過程特征變化情況Tab.3 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表4 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產卵期漲水過程特征變化情況Tab.4 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表5和表6為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產卵期高流量脈沖特征變化情況，表中的高流量脈沖特征是統計了各年份銅魚產卵期內所有高流量脈沖的均值。根據表5和表6可知，蓄水運行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，蓄水后高流量脈沖發生次數較蓄水前的自然狀況增多；歷時變短，從蓄水前的11.1 d下降至10.7 d；起漲流量無明顯變化，起始漲幅增大928 m3/s；峰值流量顯著下降，蓄水前的峰值流量均值為18 622 m3/s，蓄水后的峰值流量均值為11 543 m3/s，下降了7 079 m3/s，且發生時間提前；峰值流量對應歷時變短，縮短了10 d；平均漲幅明顯增大，蓄水前平均日漲幅為681 m3/s，蓄水后平均日漲幅為1 644 m3/s，增大了963 m3/s。

表5 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產卵期高流量脈沖特征變化情況Tab.5 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表6 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產卵期高流量脈沖特征變化情況Tab.6 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

3 銅魚產卵情況變化

向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后銅魚的產卵繁殖情況發生了明顯改變，為了說明銅魚產卵繁殖變化情況，從銅魚產卵規模及時間、次數方面進行分析。

3.1 產卵量

長江上游江津斷面魚類早期資源量自2009年開展長期監測以來，銅魚在保護區漁獲物中的比重較大，銅魚魚類早期資源數量呈現平穩波動趨勢，出現頻率最高達到了90%以上。隨著向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行，產卵規模呈現急劇下降趨勢，目前回落至60%，中間有波動，但總體呈下降趨勢。表7為向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產卵規模變化。根據表7可知向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚產卵規模明顯下降，蓄水運行前年產卵量的均值為2.71×108顆，其中2012年產卵量高達3.87×108顆；蓄水運行后年產卵量的均值為0.82×108顆，其中2013年產卵規模銳減至0.48×108顆，2014年產卵回升至1.29×108顆，但與蓄水前相比銅魚產卵量明顯下降。

表7 向家壩和溪洛渡水電站運行前后銅魚產卵量變化情況Tab.7 Changes in spawning scale of Coreius heterodon before and after the operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations ×108顆

3.2 產卵時間及次數變化

根據2009～2016年保護區銅魚產卵期卵苗監測數據資料分析可知，蓄水運行前后銅魚產卵的起始時間和產卵的次數無明顯變化。第一次產卵日期最早開始于5月 5 日，最晚開始于 5 月19日，最后一次產卵日期最早結束于6月28日，最晚結束于7月7日。連續產卵次數(單日和多日)平均每年為12次，產卵的總天數為24 d。對銅魚的產卵情況進行統計分析可知，蓄水運行前，銅魚產卵期內產卵量在5～7月分布比較均勻，各月產卵量占總產卵量的百分比為10%～30%；然而向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后銅魚產卵主要集中于6月份，6月中上旬的產卵量占總產卵量的50%，可見向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚的產卵高峰期相對比較集中。

4 流量過程變化對銅魚產卵情況的影響

在選取的各項生態水文指標中，高流量脈沖過程的7個特征指標在向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后變化比較明顯。蓄水前2010年和2011年，蓄水后2015年和2016年銅魚產卵期高流量脈沖過程的變化情況見圖1。由于向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行，完整的長歷時高流量脈沖過程被水庫調度干擾，不同于蓄水運行前自然的高流量脈沖表現為一種流量逐步增大，且伴隨小波動的循序漸進過程，蓄水運行后漲水變快、變猛，歷時較短，過程較陡，突然性變大，峰值流量遠小于天然狀況，不利于銅魚的產卵繁殖。

根據以上對向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產卵情況的變化分析可知，向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚產卵量降低，產卵高峰期比蓄水前集中且主要集中于6月份。表8為向家壩和溪洛渡蓄水運行后6月份單次高流量脈沖特征。對比分析表5和表8，可初步提出銅魚產卵繁殖對高流量脈沖過程特征指標的需求，高流量脈沖歷時4～20 d，起漲流量4 350～10 400 m3/s，起始漲幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s,峰值流量對應歷時4～18 d, 平均漲幅447～763 m3/s。

圖1 向家壩和溪洛渡水電站運行前后銅魚產卵期高流量脈沖過程對比Fig.1 High flow pulse process during the spawning period of Coreius heterodon before and after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

項目歷時/d起漲流量/(m3·s-1)起始漲幅/(m3·s-1)峰值流量/(m3·s-1)峰值流量對應歷時/d平均日漲幅/(m3·s-1)2013 第1次2043508701238015502 第2次76790312014670226272014 第1次7512011501019041014 第2次569801850923027502015 第1次196185143812730134682016 第1次41040045801498012290 第2次161025031901864010763

5 結 論

本文分析計算了向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后保護區江段銅魚產卵期的漲水過程特征指標和高流量脈沖過程特征指標及其變化特征，分析了水文變化下保護區代表性魚類銅魚產卵規模的變化，初步提出了銅魚產卵的高流量脈沖需求，得到以下結論。

(1) 水庫運行后銅魚產卵期內5月日均流量基本不變，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量顯著減小2 057 m3/s；產卵期內日最小流量基本不變,但日最大流量顯著減少；最小流量都集中在5月初出現，最大流量出現時間集中于7月中旬。

(2) 蓄水運行后漲水過程的漲水日均流量減小，總漲水次數變化不明顯，持續時間變短，流量漲幅減小，流量日上漲率增大；高流量脈沖過程的高流量脈沖次數增多，歷時變短，起漲流量無明顯變化，起始漲幅增大，峰值流量變小且提前，平均漲幅增大。結果表明向家壩和溪洛渡水電站運行改變了保護區內銅魚產卵期的漲水過程和高流量脈沖過程，所選取的漲水過程和高流量脈沖過程的特征指標一定程度內都發生了變化且高流量脈沖過程變化明顯。

(3) 蓄水運行前后銅魚的產卵情況發生了變化，蓄水運行后銅魚產卵規模明顯下降，產卵高峰期相對比較集中。

(4) 初步提出銅魚產卵繁殖對高流量脈沖過程特征指標的需求為：高流量脈沖歷時4～20 d，起漲流量4 350～10 400 m3/s，起始漲幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s，峰值流量對應歷時4～18 d，平均日漲幅447～763 m3/s。

本文只分析了長江上游水文情勢變化對銅魚產卵繁殖的影響，初步提出了銅魚產卵繁殖的高流量脈沖需求，下一步應結合珍稀特有魚類的生態水文需求確定高流量脈沖的閾值范圍，進行梯級水庫面向魚產卵的生態調度研究。