基于數(shù)值模擬的清泥河魚類水力生境評(píng)價(jià)

邢寶龍，宋文超

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州450016）

1 研究背景

河流在人類活動(dòng)和維持生態(tài)系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源的開發(fā)利用，河流形態(tài)及水環(huán)境發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致部分水生生物棲息地退化或消失[1-2]。近年來，國家大力開展水生態(tài)文明建設(shè)，旨在解決水資源短缺、水災(zāi)害威脅和水生態(tài)退化三大水問題，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性。水生態(tài)修復(fù)是生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而魚類是水生態(tài)系統(tǒng)重要的指示性物種之一，因此選取魚類來評(píng)價(jià)水生態(tài)修復(fù)效果。

魚類棲息地是魚類賴以生存的環(huán)境，魚類棲息地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，筆者從水力學(xué)角度選取水深、流速為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)一次洪水過程中魚類水力生境適宜性變化進(jìn)行研究，以期為魚類棲息地的營造提供參考[3]。

2 研究方法

首先建立二維水動(dòng)力模型獲取典型洪水過程水力學(xué)指標(biāo)，然后采用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)域生境適宜性指數(shù)，最后利用ArcMap可視化工具繪制魚類棲息地適宜性分布圖，進(jìn)而得到魚類棲息地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.1 二維水動(dòng)力模型

利用Mike21 FM軟件建立二維水動(dòng)力模型，通過模擬分析得到評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的水深和流速，為水力生境適宜性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Mike21 FM利用有限體積法對(duì)淺水方程進(jìn)行離散求解，模型的控制方程[4-5]為

式中：t為時(shí)間，s；n 為曼寧糙率系數(shù)；u、v為 x、y 方向的流速分量，m/s；z、h 為 x、y 處的水位和水深，m；g 為重力加速度x、y方向的水流運(yùn)動(dòng)阻力。

2.2 典型洪水過程推求

研究區(qū)域缺少徑流資料，因此基于《河南省暴雨參數(shù)圖集》（2005年版）計(jì)算典型洪水流量過程。通過查閱暴雨圖集，確定設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量、設(shè)計(jì)面雨量及設(shè)計(jì)凈雨，并由設(shè)計(jì)凈雨推求洪峰流量及洪水過程線，洪峰流量和一次洪水的洪量可以用排水模數(shù)公式（式（2）、式（3）計(jì)算）。一次洪水過程線利用概化洪水過程線及洪水歷時(shí)推求。選用概化洪水過程線見表1（其中：T為洪水歷時(shí)，用已經(jīng)歷時(shí)間占總時(shí)間的百分比表示；Q為T時(shí)刻流量占洪峰流量的百分比）。用式（4）計(jì)算洪水歷時(shí)。

表1 概化洪水過程線

式中：M 為排水模數(shù)，m3/（s·km2）；Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；K為峰量系數(shù)，K取值為0.035；R為設(shè)計(jì)凈雨，mm；F為流域面積，km2；W為概化洪水過程線系數(shù)。

2.3 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)《清泥河水生態(tài)狀況調(diào)查研究報(bào)告》[6]，子陵吻虎魚為底棲小型魚類，常棲息在沙石底的山溪流水，亦在江河、湖泊的淺水區(qū)生活，喜食水生昆蟲或底棲性小魚以及魚卵。子陵吻虎魚有溯水習(xí)性，5—6月繁殖，將卵產(chǎn)在沙穴中。子陵吻虎魚產(chǎn)卵需要沙質(zhì)底質(zhì)，對(duì)水質(zhì)有一定要求，并且為食物鏈上層的肉食動(dòng)物，所以對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)起重要指示作用，是清泥河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指示物種。選用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行子陵吻虎魚的水力生境適宜性評(píng)價(jià)。

（1）建立評(píng)價(jià)因子集。對(duì)魚類棲息地而言，最重要的幾何形態(tài)指標(biāo)為水深。適當(dāng)?shù)乃睿环矫鏋榈讞~類提供活動(dòng)空間，另一方面為沉性魚卵提供孵化環(huán)境。但是水深過大，不利于魚卵的孵化及仔魚的生長，因此選取水深作為水力生境適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。流速是反映水體流動(dòng)快慢的指標(biāo)，是水流與河寬、坡度、糙率相互作用的結(jié)果。適當(dāng)?shù)牧魉僖环矫婵梢源碳~類產(chǎn)卵，另一方面可以刺激魚類性腺發(fā)育，但流速過大不利于魚類的生存及繁殖。因此，選取流速作為水力生境適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)[7-8]。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集：U=｛水深、流速｝。

（2）建立評(píng)價(jià)集。把評(píng)價(jià)結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)集V=｛不適宜，基本適宜，適宜，較適宜，非常適宜｝。

（3）建立模糊關(guān)系矩陣。用隸屬度來刻畫分級(jí)界限，設(shè)rij表示第i種指標(biāo)可以被評(píng)價(jià)為第j類適宜性的可能性（即i對(duì)j的隸屬度，它們的關(guān)系即為隸屬函數(shù)），這樣就構(gòu)成了水質(zhì)評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)類別的模糊關(guān)系矩陣R=（rij）。根據(jù)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)及《清泥河水生態(tài)狀況調(diào)查研究報(bào)告》，計(jì)算各指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，流速、水深隸屬度見圖1～圖2。

圖1 流速隸屬度

圖2 水深隸屬度

（4）確定權(quán)重及建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型。水力生境適宜性的隸屬度為各指標(biāo)隸屬度函數(shù)計(jì)算結(jié)果的幾何平均（指標(biāo)權(quán)重均為0.5），即首先由構(gòu)建的二維水動(dòng)力模型計(jì)算出水深及流速，把水深及流速代入各自的隸屬度函數(shù)，計(jì)算出各指標(biāo)的隸屬度值，然后把這兩個(gè)指標(biāo)的隸屬度按權(quán)重0.5求和，即得到綜合適宜性指數(shù)，計(jì)算公式為

式中：k為二維水動(dòng)力模型計(jì)算時(shí)網(wǎng)格剖分單元編號(hào)；Wkj為第k個(gè)單元隸屬于評(píng)價(jià)集第j項(xiàng)的綜合得分，其中 j=1，2，…，5；fv、fh分別為流速及水深的隸屬度函數(shù)；vk、hk分別為k單元的流速及水深。

根據(jù)最大隸屬度原則，待評(píng)價(jià)單元的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為 max（Wk1，Wk2，…，Wk5）。

3 實(shí)例應(yīng)用

許昌清泥河屬于淮河流域潁河水系，生態(tài)修復(fù)重要節(jié)點(diǎn)雙龍湖位于清泥河下游運(yùn)糧河匯入口附近。運(yùn)糧河流速約為0.1 m/s，流速十分緩慢。運(yùn)糧河控制斷面處10 a一遇洪水流量過程見圖3，10 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為163.6 m3/s，洪量為1 568 m3。為了分析運(yùn)糧河在不同流量下水力生境適宜性，選取10 a一遇洪水過程進(jìn)行分析，研究運(yùn)糧河在洪水起漲時(shí)段、洪峰時(shí)段及消落時(shí)段的水力生境適宜性。

以10 a一遇洪水流量過程為雙龍湖上游流量入流邊界，模擬在該流量過程下雙龍湖的水深及流速。為了分析模擬范圍內(nèi)適宜性指數(shù)在不同洪水流量下的變化情況，計(jì)算0%、6%、12%、24%、48%時(shí)刻各網(wǎng)格單元的適宜性綜合得分，這些時(shí)刻分別代表起始時(shí)刻、洪水起漲時(shí)刻、洪峰時(shí)刻及洪水消退初期和后期的水力生境變化情況，模擬結(jié)果見圖4。

圖3 10 a一遇洪水過程線

圖4 不同時(shí)刻水力生境適宜性分布

由圖4（a）可知，模擬范圍內(nèi)的水力生境評(píng)價(jià)得分均在適宜標(biāo)準(zhǔn)以下，適宜區(qū)域在兩岸附近呈帶狀分布。洪水來臨前，水體幾乎沒有流速，導(dǎo)致評(píng)價(jià)區(qū)域適宜性較低。由圖4（b）可知，兩岸附近出現(xiàn)了非常適宜的區(qū)域，該區(qū)域流速及水深都極其符合子陵吻虎魚的水力生存環(huán)境。在近岸處，由于流速及水深均較小，所以適宜性較差。由圖4（c）可知，非常適宜性區(qū)域較上一時(shí)刻有所減少，且河流中間地帶由適宜區(qū)域變成基本適宜區(qū)域。在洪峰時(shí)刻，中間水域水深及流速均較大，不利于子陵吻虎魚的生存。在24%、48%時(shí)刻，隨著洪水的消退，區(qū)域流速逐漸減小，水力生境適宜性逐漸降低。通過各適宜性分析圖的綜合比較，在6%時(shí)刻，區(qū)域水力生境適宜性分布范圍最廣，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的洪水流量為59.70 m3/s。

4 結(jié) 語