黃河河口魚類春季生態(tài)需水
2020-06-24 01:52:56于守兵張朝暉徐叢亮
水利水電科技進(jìn)展 2020年3期
于守兵，張朝暉，徐叢亮
(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 3.黃河口水文水資源勘測局，山東 東營 257091)
黃河河口及鄰近海域是黃、渤海重要漁業(yè)洄游物種的產(chǎn)卵場、育幼場和索餌場。每年4—6月為主要漁業(yè)物種的產(chǎn)卵期和育幼期。歷史上，該時期恰逢黃河上游寧蒙河段冰凌消融形成的桃汛洪水。大量的沖淡水和營養(yǎng)鹽被輸送至河口，造就了著名的萊州灣漁場。20世紀(jì)80年代中期以來，黃河干流多座大型水庫的建成及運(yùn)用以及下游兩岸引水量劇增顯著改變了其自然徑流過程[1-2]。黃河口春季徑流量下降，洪水減少，流量脈沖消失[3-4]。鯉魚等河道魚類棲息地喪失，鱽魚、鰻鱺等魚類的洄游通道被截斷，近海洄游魚類因鹽度升高產(chǎn)卵場被破壞[5]。2008年近海魚卵和仔稚魚種類、數(shù)量較1982年、1993年明顯下降[6]。1999年黃河啟動水量統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了功能性不斷流并增加了入海沖淡水量。與黃河下游斷流最嚴(yán)重時期相比，鯉魚和鱖魚等品種數(shù)量有所增加，鱽魚等洄游魚類重新出現(xiàn)，近海魚類資源得到一定程度恢復(fù)[7]。然而目前的水文情勢尚不能滿足春季河口魚類適宜生態(tài)流量、流量脈沖和近海沖淡水需求[8]。因此，研究春季魚類需水過程，通過水庫調(diào)度在一定程度上恢復(fù)天然水文情勢，對維持黃河口及鄰近海域的魚類產(chǎn)卵場功能和生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。
水利工程的修建改變了河流自然水文情勢，造成生態(tài)功能減弱[9]。面對這些挑戰(zhàn)，河流生態(tài)需水成為水資源研究的前沿和熱點(diǎn)[10-11]。其計算方法大體可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法[10]。這些方法已用于黃河生態(tài)需水研究[12-15]。其中涉及到河道魚類生態(tài)需水的主要有物理棲息地模擬法[16-17]、流量恢復(fù)法[18]、典型魚類生境法[19-20]等。近海魚類生態(tài)需水研究成果主要有：①根據(jù)魚蝦生長條件，20世紀(jì)80年代中期黃河水資源規(guī)劃提出的4—6月入海水量為60億m3或枯水年4月20億m3；②按照恢復(fù)至20世紀(jì)90年代初的目標(biāo)，得到5—6月入海水量為21億m3[18]；③根據(jù)河口適宜鹽度得到的春季水量為5.63億m3[21]和4—10月的124億m3[22]；④依據(jù)魚卵密度調(diào)查資料提出的1—5月水量50億m3 [23]。
表1 黃河利津站徑流量和流量變化特征
由于利津水文站(以下簡稱利津站)距口門尚有110 km，且該斷面為窄深斷面，從魚類洄游通道的全程性需要考慮利津站以下各斷面要求的魚類生境條件。另外，徑流自利津站傳播至口門以及出口門后與近海咸水混合需要一定的時間，近海魚類需水的時機(jī)需要提前。本文根據(jù)魚類生活習(xí)性，結(jié)合已有近期和歷史時期近海魚卵和仔稚魚密度調(diào)查資料，提出維持河道魚類棲息地、洄游通道和近海產(chǎn)卵場的春季低流量、流量脈沖和徑流量指標(biāo)。
1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來源
黃河河口指的是以山東省墾利縣寧海為頂點(diǎn)，北起徒駭河口，南至支脈溝河口之間的扇形地域以及劃定的容沙區(qū)范圍(東經(jīng)118°30′～119°15′，北緯37°10′～38°05′)。目前行洪流路為清水溝，1996年5月之前口門向東南，之后人工改向北偏東(圖1)。黃河河口多年平均(1950—2016年)徑流量為296億m3，來沙量為6.8億t，含沙量為23 kg/m3。近50年來黃河干流上修建了10余座大型水利樞紐工程，重要的有三門峽水庫、龍羊峽水庫和小浪底水庫。這些水庫的運(yùn)用再加上黃河下游兩岸引水量的劇增等顯著改變了進(jìn)入黃河下游及河口的水文過程。
圖1 黃河河口現(xiàn)行清水溝流路概況
本文中的春季采用氣象部門的劃分標(biāo)準(zhǔn)，指的是3—5月，是萬物復(fù)蘇生長發(fā)育的關(guān)鍵時期。采用的資料為黃河水利委員會統(tǒng)一發(fā)布的利津站1950—2016年實(shí)測水文數(shù)據(jù)、黃河下游引水量數(shù)據(jù)、2017年汛后黃河河道統(tǒng)測大斷面數(shù)據(jù)。同時還引用了萊州灣海域1982年[24]、2007—2009年[23-25]、2014—2016年魚卵、仔稚魚密度調(diào)查資料[26]。
2 黃河河口水文情勢
黃河下游處于整體性水資源緊缺狀態(tài)。隨著沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，黃河水資源總量供需矛盾日益突出。黃河下游年均引水量則一直呈增加態(tài)勢，由1950—1973年的31億～40億m3增加至2003—2016年的116億m3，進(jìn)入黃河口的年徑流量整體呈減少趨勢(表1)。在1950—1973年的自然時期和三門峽水庫蓄清排渾運(yùn)用前大于440億m3，之后減少至1974—1985的341億m3，并在1985年之后進(jìn)入長期連續(xù)枯水年，徑流量減少為132億m3。2002年以后隨著小浪底水庫運(yùn)行，年徑流量有所回升，為178億m3。
利津站春季徑流量占全年徑流量比例由1950—1973年的15%～18%減少至1974—2016年的12%以下。春季日均流量由1950—1973年的790～940 m3/s減少至1974—1985年的540 m3/s、1986—2016年的200 m3/s。流量脈沖頻率由1950—1985年的1.1～2.4次/a減小為1986—2016年0.6～0.8次/a(表2)。平均歷時在小浪底水庫運(yùn)行后有所增加。平均峰值由1950—1973年的2 000 m3/s以上減少為1974—1985的940 m3/s、2003—2016年的710 m3/s。平均峰值出現(xiàn)日期先提前后推遲。
表2 黃河利津站春季流量脈沖特征
3 黃河河口魚類春季生態(tài)需水
3.1 魚類生活習(xí)性和春季生態(tài)需水時機(jī)
黃河河口魚類依據(jù)生境要求大體分為3類：河道淡水魚類、河道洄游魚類和近海洄游魚類。河道淡水魚類以鯉科為主，主要有黃河鯉、赤眼鱒、鯽魚、黃桑魚、青魚等。河道洄游魚類經(jīng)歷海水和淡水兩種不同生境。從海洋向江河進(jìn)行溯河生殖洄游的有鱽魚等，從江河到海洋進(jìn)行降海生殖洄游的有鰻鱺等。依據(jù)魚類的商業(yè)和遺傳價值，以及對流量變化的敏感程度，選擇鯉魚、鱽魚和鰻鱺作為黃河下游典型河道淡水魚類和洄游魚類[18]。其春季生活習(xí)性要求河流具有一定的低流量和流量脈沖(表3。表中H為水深，v為流速)。低流量主要為魚類生存和洄游提供棲息地和通道。流量脈沖有利于擴(kuò)展棲息地面積和食物來源，刺激魚類洄游和產(chǎn)卵。近海洄游魚類有39種魚類在本海區(qū)產(chǎn)卵并育幼，超過40種以上的幼魚在此索餌。每年4—5月游入渤海產(chǎn)卵繁殖，具有低鹽河口近岸產(chǎn)卵的特性。大部分要求水深1～10 m，鹽度1.8%～3.2%，溫度12～25℃。有35種魚在10℃以上水溫的5—8月產(chǎn)卵，6月份產(chǎn)卵魚種數(shù)多達(dá)25種。萊州灣的鹽度主要受入海徑流量影響[27]。
表3 黃河口典型河道淡水魚類和洄游魚類生活習(xí)性[17]
河口魚類產(chǎn)卵旺季在4—6月，春季生態(tài)需水時機(jī)重點(diǎn)關(guān)注3—5月，其原因主要為以下方面:①3月需要一定的低流量以滿足鯉魚越冬生存棲息地和鰻鱺洄游需求。②3—5月日均流量自1950年以來呈顯著下降趨勢，由1950—1973年的790～940 m3/s下降至1974—1985年的540 m3/s和1986—2016年的200 m3/s。而6月日均流量在小浪底水庫運(yùn)行以來(2003—2016年)為950 m3/s，已達(dá)到自然時期(1950—1959年)水平。③鹽淡水混摻塑造近海低鹽產(chǎn)卵場需要一定時間。由于利津站為黃河干流最后一個控制站，一般需水指標(biāo)采用利津站流量過程。利津站至口門河長約110 km，徑流傳播需要2～3 d。1996年5月清水溝入海方向由東南改至東北(圖1)，沖淡水不能直接注入萊州灣，而是主要在余流作用下向萊州灣方向擴(kuò)散并與近海咸水混合。春季萊州灣余流流速約為0.05 m/s[28]，流向偏向西南。口門至萊州灣中心約40 km，以此估計需要18 d。因此，若以利津?yàn)榭刂普荆枰?—5月有適宜的徑流量入海，經(jīng)過約1個月的時間傳播和擴(kuò)散，在萊州灣塑造適宜的低鹽產(chǎn)卵育幼場。
3.2 河道魚類春季生態(tài)需水流量
黃河利津站及以下河道共布設(shè)水文測驗(yàn)大斷面41個。2017年汛后實(shí)測斷面資料分析(圖2)表明，利津斷面主槽寬度和面積分別為353 m和1 608 m2；蘇劉斷面主槽寬度和面積最大，分別為650 m和2 514 m2；汊加1(二)斷面主槽寬度和面積最小，分別為264 m和649 m2。主槽寬度和面積計算時根據(jù)測驗(yàn)斷面與主槽斷面的夾角并進(jìn)行修正。由于魚類洄游通道要求全程連續(xù)性，選擇利津斷面、蘇劉斷面、汊加1(二)斷面計算洄游通道要求的流量。水面比降取黃河口河床平均比降0.008%[29]，流量小于1 000 m3/s時河道糙率取0.035[30]。
圖2 黃河口利津站以下河道2017年汛后主槽寬度和主槽面積
低流量主要滿足鯉魚棲息地和鱽魚、鰻鱺洄游通道要求(表3)。鯉魚生活在靠近岸灘H>1.5 m的緩水或靜水中，要求流速0.1 m/s
表4 黃河口河道典型斷面滿足魚類棲息地和洄游的水力條件
1為低流量水位； 2為流量脈沖峰值水位圖3 利津、蘇劉、汊加1(二)斷面高程及低流量、流量脈沖峰值相應(yīng)水位
流量脈沖主要刺激鯉魚產(chǎn)卵和鱽魚洄游。兩種生態(tài)習(xí)性要求的水深均為1～2 m。前者要求流速v<0.3 m/s的緩流或靜水，后者要求v為0.5～0.8 m/s。由于鯉魚產(chǎn)卵持續(xù)時間1～3 d，自然條件下流量脈沖在7～11 d，流量漲落過程中小流量時流速基本滿足鯉魚產(chǎn)卵需求。故水力計算時以流速0.5 m/s和水深1～2 m為控制條件。3個斷面適宜的流量脈沖分別為580 m3/s、890 m3/s和300 m3/s，相應(yīng)流速為0.5 m/s(表4)。鑒于水深、流速具有一定關(guān)聯(lián)性，平均水深較大，為2.5～2.7 m。水深在1～2 m的連續(xù)河寬為63～140 m。綜合考慮，流量脈沖峰值采用890 m3/s。該值接近1986—2002年小浪底水庫運(yùn)行前的平均值(表2)。此時利津斷面和汊加1(二)斷面流速為0.6 m/s，水深在1～2 m的連續(xù)河寬為60～1 069 m(圖3)，基本滿足要求。其中，汊加1(二)斷面水流漫灘，顯著增加棲息地河寬。
自然時期黃河口流量脈沖主要由寧蒙河段冰凌解凍產(chǎn)生的桃汛洪水引起。1960年之后，由于黃河干流三門峽水庫、龍羊峽水庫和小浪底水庫等相機(jī)投入運(yùn)用，在一定程度上改變了桃汛洪水出現(xiàn)特征(表2)。流量脈沖峰值出現(xiàn)的日期在4月1—30日之間，平均歷時較自然時期增加1～6 d。參考自然時期的平均情況，流量脈沖出現(xiàn)時期建議為4月中旬的9—16日，持續(xù)時間為8 d，峰值為890 m3/s，頻率為1 a-1。
3.3 近海洄游魚類需水量
近海洄游魚類需要的沖淡水量主要依據(jù)萊州灣魚卵和仔稚魚密度調(diào)查資料確定。國內(nèi)多家海洋生態(tài)研究單位已開展渤海漁業(yè)資源調(diào)查，但在調(diào)查日期、站位布置、統(tǒng)計結(jié)果等方面不盡相同。本文主要選擇1982年、2007—2009年、2014—2016年萊州灣調(diào)查資料(表5)。這些資料基本上在5月中下旬至6月上旬開展，且統(tǒng)計結(jié)果均以“粒/m3”和“尾/m3”為單位，便于對比分析。從調(diào)查數(shù)據(jù)來看，這些年份魚卵的密度變化范圍為0.69～2.39粒/m3，而仔稚魚為0.020～2.190尾/m3，后者的變幅遠(yuǎn)高于前者。另外，在魚卵密度相差不大的年份，仔稚魚密度卻有很大變化。例如2014年和2015年魚卵密度為2.24～2.39粒/m3，而仔稚魚密度相差近百倍。因此，本文分析以魚卵密度為主，仔稚魚密度為輔。
從魚卵密度與利津站春季徑流量關(guān)系來看，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系且存在躍升現(xiàn)象(圖4)。除了2008年，其他年份魚卵密度均隨徑流量的增加而升高，并在徑流量20億m3前后出現(xiàn)躍升。具體而言，2007年、2009年和2016年徑流量小于15億m3，魚卵密度為0.69～0.82粒/m3，處于較低水平，且隨徑流量增加變化幅度不大。而1982年、2014年和2015年徑流量均大于20億m3，魚卵密度為2.22～2.39粒/m3，約為前者的3倍；同樣隨徑流量增加變化幅度不大。2008年魚卵密度雖然相對于徑流量偏低，但仔稚魚的密度為0.350尾/m3，遠(yuǎn)高于1982年的0.289尾/m3和2014年的0.020尾/m3。2015年的魚卵密度略多于2014年，但由于徑流量多達(dá)46億m3，仔稚魚的密度高達(dá)2.190尾/m3。綜合分析，黃河河口春季入海徑流量取21億m3，也即近于自然時期1982年的徑流量。
表5 萊州灣魚卵、仔稚魚密度資料與利津站春季徑流量
圖4 萊州灣魚卵密度與利津站春季徑流量關(guān)系
3.4 河口魚類春季生態(tài)需水指標(biāo)
黃河河口春季生態(tài)流量需要兼顧河道淡水魚類棲息及產(chǎn)卵要求、河道洄游魚類上溯通道要求、近海洄游魚類產(chǎn)卵要求，保障適當(dāng)?shù)牡土髁俊⒘髁棵}沖和徑流量。根據(jù)河道淡水魚類和河道洄游魚類生境需求，3—5月低流量為240 m3/s，4月中旬(9—16日)塑造240—890—240 m3/s的流量脈沖，合計入海徑流量為21.6億m3。在此條件下已滿足近海洄游魚類21億m3沖淡水需求。
4 討 論
a. 于河道低流量，已有研究以利津斷面水力計算得到的3月適宜流量為170 m3/s，4月為190 m3/s，5—6月為250 m3/s[18]。由于利津斷面較為窄深，3—5月低流量和流量脈沖不能滿足主槽面積較大的蘇劉斷面需求。另有研究采用利津斷面平均流速為0.6 m/s，計算得到的適宜流量為371 m3/s[17]。由于利津和汊加1(二)斷面窄深，流速較大時鯉魚生存棲息地不易保障。
b. 關(guān)于流量脈沖，已有研究提出5—6月需要300～500 m3/s的小脈沖洪水[18]。本文根據(jù)3個斷面滿足魚類需要的水力條件，并結(jié)合自然時期桃汛洪水產(chǎn)生的流量脈沖特征，提出每年1次、4月中旬持續(xù)8 d(4月9—16日)、峰值為890 m3/s的脈沖過程。
c. 關(guān)于近海洄游魚類生態(tài)需水量研究主要有以下幾個方面成果。黃河水資源規(guī)劃按照魚蝦生長要求，4—6月徑流量為60億m3，枯水期4月為20億m3。參照20世紀(jì)90年代初水平，5—9月徑流量應(yīng)達(dá)到120億m3，其中5—6月為21億m3。根據(jù)漁業(yè)資源調(diào)查數(shù)據(jù)并從管理角度出發(fā)確定入海水量為1—5月50億m3[20]。根據(jù)河口適宜鹽度得到的春季水量為5.63億m3[21]和4—10月的124億m3[22]。
本文根據(jù)近海洄游魚類產(chǎn)卵主要發(fā)生在4—6月，并考慮徑流在河道傳播時間和出口門后向萊州灣擴(kuò)散時間，將需水時機(jī)選擇在3—5月。通過對1982—2016年期間7年萊州灣魚卵密度調(diào)查資料分析，在春季徑流量21億m3前后，魚卵密度有較大變化。該數(shù)據(jù)接近于1982年入海徑流量，而且該時期黃河受人類活動影響較小，基本上處于自然狀態(tài)。故建議春季入海水量為21億m3，具有較強(qiáng)的可靠性和可行性。
圖5 黃河河口小浪底水庫運(yùn)行以來年徑流量和春季徑流量
d. 小浪底水庫運(yùn)行以來，春季平均徑流量達(dá)到21億m3，已滿足入海水量要求。主要問題在于年際變幅較大，為2.8億～45.85億m3，14年內(nèi)僅有7年超過21億m3(圖5)。另外，春季日均流量為200 m3/s，脈沖頻率為0.6 a-1，平均峰值為710 m3/s。這些指標(biāo)均低于要求的適宜流量240 m3/s、脈沖頻率1 a-1、峰值890 m3/s的要求。在平均入海水量已達(dá)到近海魚類需求的前提下，通過優(yōu)化小浪底水庫年內(nèi)或年際調(diào)度模式，滿足河道魚類棲息地、洄游和產(chǎn)卵洄游刺激需求具有很大可行性。
5 結(jié) 論
黃河河口春季生態(tài)需水主要兼顧河道淡水魚類棲息及產(chǎn)卵、河道洄游魚類上溯通道、近海洄游魚類產(chǎn)卵等要求。根據(jù)河道洄游魚類和近海洄游魚類的生活習(xí)性，徑流傳播和向近海擴(kuò)散時間，需水時機(jī)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3—5月。從洄游通道全程連續(xù)性出發(fā)，河道淡水魚類和河道洄游魚類生境要求3—5月低流量為240 m3/s，以及每年4月中旬為期8 d的240—890—240 m3/s流量脈沖。近海洄游魚類要求春季入海徑流量為21億m3。在保證河道淡水魚類和河道洄游魚類生態(tài)流量下，春季入海徑流量為21.6億m3，已滿足近海洄游魚類沖淡水需求。小浪底水庫運(yùn)行以來，春季平均徑流量已達(dá)到需求。通過優(yōu)化年內(nèi)或年際調(diào)度模式，滿足河道低流量和流量脈沖具有很大可行性。
