基于魚類需求的息縣樞紐工程閘下河段環境流量研究

侯 俊，裴佳琦，黃喻威，梁小雨，龔雪瀅,丁 偉,吳 淼

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098; 2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

大壩工程在防洪、發電、供水、航運等方面發揮著巨大效益的同時，也在改變著河流的水文情勢及水流形態，產生嚴重的環境生態效應[1]。河流的連通性會直接影響魚類的洄游，對魚類的種質交流造成阻隔[2]。同時，閘壩的攔截會減少下游水流中的含沙量，導致下游河道沖刷作用增強，減小魚類的棲息地面積，進而會使得魚類生物量減少，影響河流生態系統的完整性和多樣性。壩下徑流的顯著減少甚至出現河道脫水現象，會破壞河流生態系統基本功能的維持，流量不足或過多至物種的耐受極限時，都會導致該物種不能正常生存甚至滅絕[3]。環境流量指為維持河流的健康及功能所需的流量及其水文過程，全年范圍內其數值是動態變化的[4]。環境流量的計算對于流域水資源的合理開發、配置以及維持河流生態系統的健康具有重要意義，其計算結果可為制定河流生態調度方案提供理論依據[5]。

全球約有200多種環境流量計算方法，可歸為4類：水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體法，每類方法都各有優缺點及適用范圍[6]，其中棲息地模擬法是基于河道內水生生物的流量需求進行計算，所以結果較為可靠[7-8]。Wang等[9]對棲息地模型進行改進，考慮了棲息地的質量和數量，以棲息地斑塊的連通性和破碎性指數作為評價魚類棲息地質量的指標，并應用于評估水利工程對魚類棲息地的影響。Zhang等[10]選擇中華絨螯蟹作為目標物種來研究長江口的環境流量，采用基于物種空間分布的環境流量評估方法，同時考慮到中華絨螯蟹在潛在棲息地斑塊中的分散情況以及淡水流量的變化。

本研究采用棲息地模擬法計算長春鳊(Parabramispekinensis)不同生命期的環境流量，利用MIKE建立淮河上游息縣樞紐工程閘下河段的二維水動力學模型，根據長春鳊對水動力學因子的適宜度標準確定不同流量下的棲息地加權可利用面積(WUA)，得到其不同生命階段WUA隨流量的變化情況。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

淮河流域位于111°55′E～121°25′E、30°55′N～36°36′N之間，流域面積為2.7×105km2，干流全長 1 000 km。淮河上游指洪河口以上河段，總長約 360 km，河流落差178 m[11]?；春痈闪鞯慕邓觌H變化大、年內分布不均，年內降水量60%以上主要集中在汛期6—9月份?；春舆^境水量豐富，但豐枯期變化大，汛期來水多以洪水形式出現，非汛期來水量較少、水位較低，且淮河干流上游區域內水利基礎設施薄弱，現有水利工程調蓄能力差，取用水困難，區域內工程性缺水和水資源供需矛盾極為突出。

擬建息縣樞紐工程主要功能是城市供水及農田灌溉，樞紐閘上正常蓄水位39.20 m，蓄水量 1.2億m3，設計灌溉面積2.38萬hm2。多年平均向受水區供水量16 545萬m3，其中向城市供水 10 308萬m3，向灌區供水6 237萬m3。樞紐工程位于息縣水文站下游6.7 km處，采用全深孔閘方案，閘底板頂高程29.0 m，共布置26孔，每孔凈寬15 m，總凈寬390 m。本研究選取擬建閘址下游 4.9 km 的河段來研究河道內水生生物對河流流量的需求。研究河段面積約2.3 km2，多年平均流量為 128.68 m3/s。息縣站斷面地形多年來基本保持穩定，研究河段平均糙率的經驗值為0.025～0.040，坡降為0.49‰。

大型水庫雖然可以直接控制下游的泄流過程，但是目前大部分的水庫并沒有充分考慮到河道生態流量需水，導致水庫的泄流量過程與天然流量過程差異較大，給下游生態系統造成不利影響[12]。擬建息縣樞紐工程的主要功能是城市供水及農田灌溉，如果取水不合理，勢必會造成下游流量減少和流量過程發生變化，導致棲息地萎縮及棲息地質量下降，嚴重影響水生生物的生存和繁殖。本文選用棲息地模擬法計算天然狀態下淮河干流上游息縣段河道內長春鳊適宜的環境流量，為閘壩建成蓄水后維持閘壩下游河道內水生生物的棲息地面積和質量而下泄的流量提供參考。

1.2 生態保護目標

作為河流生態系統中的頂級部落，魚類對生態環境的變化最為敏感，是河流系統健康的最佳指示物種。王麗等[13]通過考慮魚類對攝食和產卵棲息地等方面的需求來對淮河干流魚類進行比較分析，采用層次分析法構建判斷矩陣，計算出淮河干流各種魚類的排序權值，長春鳊的排序權值為4.09，為所有研究魚類中最高，在研究淮河干流中水生生物的棲息地需求時長春鳊具有較好的代表性。

長春鳊為草食性魚類，其攝食強度隨季節有很大變化。冬季一般很少攝食，春季從3月份開始增大食量，夏季強度最大。一般生活于水體中下層，產漂浮性卵，要求有一定的流水刺激，在靜水中不能產卵，且長春鳊體型呈側扁形，游泳能力較差，對流速和流量有較高要求。經生態調查發現，研究河段內長春鳊數量豐富，分布廣泛，全年范圍內均有長春鳊生活，所以選擇長春鳊來判斷研究河段中水生物種對流量的需求是合理的。

長春鳊的產卵繁殖行為受到很多因素的綜合影響，其中最重要的水力要素是水深和流速。長春鳊不同時期對水深和流速的適宜度曲線見圖1～2。

圖1 不同時期水深-適宜度曲線Fig.1 Water depth-suitability curves for different periods

1.3 研究方法

棲息地模擬法[14-17]主要由兩部分組成：一是水動力模型，用來模擬不同流量下河道內的水深和流速分布；二是棲息地模型，結合某一特定生命階段時目標物種對水深、流速的偏好程度，將水力學因素轉化為棲息地適宜度評價指標。

1.3.1二維水動力模型

模擬區域選擇擬建息縣樞紐工程下游4.9 km范圍內的河段。研究河段位于東經114°47′～114°50′，北緯32°17′～32°18′范圍內，面積約為 2.3 km2，多年平均流量為128.68 m3/s[18]。河段平均河寬約300 m，平均水深約3 m。由于河段在垂直方向上的尺度遠小于水平尺度，所以適宜用二維淺水方程來描述區間水流的運動。本文選用MIKE21 Flow Model對淮河干流息縣段的河流水動力場進行數值模擬，以期得到不同流量下河道內的流場分布。

圖2 不同時期流速-適宜度曲線Fig.2 Velocity-suitability curves for different periods

模型選擇采用非結構化的三角形網格，計算區域內三角形網格節點共有413個，三角形單元有602個，時間步長為60 s。三角形網格可以較為準確地體現出研究河段的實際地形特征。上下游斷面均采用流量邊界條件，其他為陸地邊界，上游斷面流量采用息縣水文站的實測流量數據，下游斷面流量采用淮濱控制斷面的實測流量數據及控制面積的比例來推算。網格的二維動邊界的處理采用“干濕判別法”，模型計算中淹沒水深為0.05 m，干水深為0.005 m，濕水深為0.1 m。

研究河段的河床底質較為均一，所以整個研究范圍的流場可選用相同的糙率。通過選取不同的河床糙率n，對比已知點的實測值和模擬結果，對模型進行率定，最終選定糙率n=0.04。模型模擬出的河道內水深和流速的變化趨勢與實測值變化情況吻合，水深和流速的平均偏差分別為6.8%和9.5%，在正常誤差范圍內，用于研究河段模型參數的設置是合理的，模擬結果較為可靠。通過設定不同的流量邊界，模擬得到不同流量下河道內的水深和流速的分布情況，進行棲息地適宜性分析。

1.3.2棲息地模型

棲息地適宜度指數模型主要以目標物種對棲息地的選擇、棲息地限制因子等生態學理論為基礎，根據選定的保護物種對不同棲息地因子的需求之間的函數關系構建模型。由于研究區域的水流較為簡單，河床底質為砂質，適宜魚類生存，故可將底質的適宜度指數全部取為1，且水質較好，所以只考慮流速和水深對棲息地質量的影響。假設水深和流速對長春鳊的影響力相同，采用乘積法來計算組合適宜度指數:

IHSI=f(v)f(D)

(1)

式中：IHSI為棲息地適宜度指數；f(v)為流速的適宜度指數；f(D)為水深的適宜度指數。

在某一流量下，結合水動力學模型得到的水深和流速分布和目標物種對水動力因子(水深和流速)的適宜度指數，采用乘積法確定不同網格單元的組合棲息地適宜度指數，將不同網格單元的IHSI與單元面積相乘并累加，即得到特定流量下所對應的棲息地WUA。綜合不同流量對應的WUA，得到WUA-流量曲線，即可分析目標物種在不同生長期對河流流量的需求。

2 結果與分析

通過模型計算得到研究河段內長春鳊在不同生長期內棲息地WUA與流量之間的變化關系，從而得到適宜的環境流量過程。從不同時期的模擬結果得到WUA-流量曲線，見圖3。

圖3 不同時期WUA-流量曲線Fig.3 WUA-flow curves for different periods

2.1 產卵期

4—7月為長春鳊產卵期，其中比較集中的產卵期是5—7月。對1990—2012年4—7月的平均月流量進行統計分析，得到流量范圍為18～378 m3/s，故模擬10～400 m3/s流量范圍內對應的棲息地WUA，得到產卵期WUA-流量曲線(圖3)。

隨著流量的增大，WUA整體上先顯著增加后達到最大值，接著略有減小后趨于平緩?；春由嫌蜗⒖h段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的過程中，長春鳊產卵棲息地WUA隨著流量的增大而不斷增加；當流量超過150 m3/s之后，WUA隨著流量的增大而呈現出逐漸減小的趨勢。流量在100～200 m3/s范圍內時，WUA值達到最大，該流量范圍為最適宜長春鳊產卵的流量區間。造成這一趨勢的原因可能是，長春鳊在產卵期對流速的要求較高，僅0.1～0.4 m/s范圍內最適宜長春鳊產卵。當流量增大時，流速也不斷增大，WUA也增加。但流速過大不利于長春鳊產卵，當流速超過最適宜流速時，流速適宜性降低，導致WUA增加緩慢，甚至減少。

2.2 捕食期

每年的8—11月，長春鳊的捕食量增大。為了研究捕食期的棲息地現狀，對10～300 m3/s流量范圍進行模擬，得到7種流量工況下對應的棲息地WUA(圖3)。

由于捕食期對水深的要求不高，研究河段水深絕大部分時間均超過1.2 m，能夠滿足捕食期長春鳊所需的最佳水深范圍，所以即使流量很小時也有一定的WUA。隨著流量增大，流速也隨之增大，部分區域可以達到長春鳊捕食期最適宜的流速范圍(0.7～1.2 m/s)，所以隨著流量增大，棲息地WUA也隨之增大，更加滿足長春鳊捕食期對水深和流速的需求。但是WUA隨流量增大而增加的趨勢較為平緩。

在捕食期，為保證長春鳊可以捕食到所需的物質和能量資源，河流流速須小于長春鳊的臨界游泳流速1.2 m/s。在河流流速小于1.2 m/s時，流速越高，適宜度指數越高；當流速超過1.2 m/s時，會影響長春鳊正常攝食，且流速適宜度隨著流速的增大而降低。在研究河段，在模擬的流量范圍下，流速均未達到1.2 m/s，所以水深和流速的組合適宜度指數隨著流量的增加而增大，WUA隨流量增大呈現出緩慢增長的趨勢。

表1 Tennant法的環境流量計算結果Table 1 Calculation results of environmental flow based on Tennant method m3/s

2.3 越冬期

對長春鳊越冬期12月至次年3月河段的模擬流量范圍定為10～200 m3/s，對8種不同流量工況下的棲息地現狀進行整合，得到越冬期長春鳊WUA與流量的對應關系(圖3)。

長春鳊越冬期對流速的需求與捕食期相同。由于越冬期長春鳊對流速的要求不高，在0～1.2 m/s 流速范圍內，流速適宜性都高于0.8，所以水深是長春鳊越冬期棲息地需求的最主要影響因素。但由于12月至次年3月大部分時間屬于枯水期，淮河干流水位較低，而長春鳊在越冬期的最佳水深應大于 3 m，所以在整個研究時期，長春鳊適宜棲息地WUA僅在 1.4～1.7 km2范圍內，且隨流量增大而略有降低，整體變化不大。造成這一結果的原因是，長春鳊生活在水體下層，越冬期在深水區河底棲息，水深是影響其棲息地適宜性的主要因素。在越冬期，研究河段內的水位波動幅度不大，而流速對長春鳊越冬期的棲息地影響較小，所以綜合來看，隨著流量增加，長春鳊越冬期棲息地WUA略有減小，但整體變化不明顯。

2.4 環境流量的討論

河道中適宜環境流量的估算是為了保障河流中水生生物的棲息地WUA。當棲息地WUA達到最大時，表示對應的流量最適宜魚類生存，即該流量為適宜環境流量，可作為水資源規劃依據。

為評價棲息地模擬法的計算結果，本文的計算結果與Tennant法的結果(表1)進行對比分析。

由表1可見，棲息地模擬法的計算結果明顯高于Tennant法推薦的環境流量。這是因為Tennant法是根據歷史流量資料給出河道內基本流量，沒有考慮具體物種對流量的需求，因而不能反映魚類棲息地狀況。通常來說，棲息地模擬法得出的環境流量值要比水文學方法得到的結果大，適用于受人類活動影響較小的河流。

產卵期是魚類最重要的生命階段，對生境的要求較高。對應Tennant法給出的最小環境流量(12.9 m3/s)，研究河段的適宜棲息地面積僅有13%左右，很難滿足長春鳊產卵需求。根據棲息地模擬法結果，流量在100～200 m3/s之間時，適宜棲息地面積可達85%以上。在長春鳊捕食期和越冬期，河道流量基本都可滿足長春鳊需求，適宜棲息地面積分別在80%和65%以上。

目前大部分學者聚焦于最小環境流量的研究，但是，即使滿足了最小環境流量，也會導致生物多樣性減少和生態完整性降低，生態系統質量下降。適宜環境流量考慮到生物的需求，是根據目標物種最適宜的水文條件模擬得到的，所以更能保證河流生態系統的健康。在水生生物較為豐富和生態資料較為齊全的河段，計算適宜環境流量采用棲息地模擬法比其他方法更有意義。

3 結 論

a. 在長春鳊產卵期，研究河段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的過程中，長春鳊產卵棲息地WUA隨著流量的增大而不斷增加；當流量超過150 m3/s之后，WUA隨著流量的增大而呈逐漸減小的趨勢；流量在100～200 m3/s范圍內時，WUA達到最大值，該流量范圍為長春鳊最適宜產卵的流量區間，其中，150 m3/s是最適宜環境流量。

b. 在長春鳊捕食期，WUA隨著流量的增大呈現出緩慢增長的趨勢。

c. 在長春鳊越冬期，隨著流量增加，長春鳊的棲息地WUA略有減小，但整體變化不明顯。

d. 4—7月，環境流量適宜范圍是100～200 m3/s，8月至次年3月，不同環境流量均可滿足長春鳊捕食和越冬的需求。