大伙房水庫下游魚類產卵場生境要素及環境適宜性評價分析

蘇洪洋

(沈陽市蘇家屯區農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 沈陽 110101)

在防洪排澇、航道通行、興利發電以及農業灌溉方面，水利工程為社會發展帶來巨大效益的同時，影響和破壞了河流的自然功能[1]。由于水利工程修建所造成的下游河湖之間的濕地萎縮，河流水生生物特別是魚類棲息地遭到不同程度破壞，生物多樣性喪失，水環境質量惡化等已經成為生態環境問題[2- 3]。如何降低河流生態因水利工程運行造成的影響，對河流自然生態功能進行防護，保障水生生物棲息地的生態功能，已是河流生態保護的重點和難點之一[4- 5]。這一問題同時也促進了生態水利學科的萌芽和發展[6- 9]。隨著研究的深入和社會發展的需求，人們逐漸認識到天然河道的重要作用，開始實施河道生態修復或恢復工程，同時由于魚類棲息地生態水力學的不斷發展，人們開始認識到產卵場水動力學特征及水動力學環境對魚類生活的影響[10- 15]。基于這種認識，分析天然產卵場的地形地貌特征以及生態功能，選取典型產卵場分析其水流特征和產卵活動對水力學環境的需求。以期為保護渾河魚類產卵場、河道整治規劃，以及重要生物資源的永續利用提供理論依據和參考。

1 大伙房下游河道魚類調查

1.1 魚類調查分析

結合實地調研成果及相關文獻記載，鯉形淡水魚是大伙房下游河道主要魚類，占魚類總數的75.2%，此外還分布有少量的鳙魚、青魚、草魚、鰱魚。由于人類活動影響，大伙房水庫在建庫初期河流生態系統受到不同程度的影響，河流魚類的種類逐年呈現遞減變化，主要以鯉魚和鰱魚為主，小齡魚占據的比重較高，為此對大伙房下游水庫河流魚類開展了為期一個月的現場調查工作。通過現場調查發現大伙房下游河道魚類棲息可利用的面積有所減少，生態棲息環境受到不同程度影響，大伙房下游河道水深及流速發生不同程度變化。

1.2 產卵區斷面流速特征分析

在大伙房下游主產卵區布設4個斷面進行流速脈動測量，每個斷面設置3個觀測點，各斷面流速特征如圖1所示。

圖1 大伙房下游河道魚類產卵場斷面流速分布

1.3 產卵區斷面流速脈動強度變化

水體在天然河道中受到不同因素的綜合影響，天然河流大多呈紊流狀態。水流紊動引起流速的脈動特征變化，其大小和方向受水流紊動變化的影響，通過對速脈動強度的計算可對產卵區流速的脈動變化特征進行綜合反映，脈動強度y的計算方程為：

(1)

大伙房下游產卵區水流脈動試驗流速的變化情況見表1。

分析結果表明單點最大流速為2.74m/s，最大流速偏角達225°。水面最大平均流速接為2.04m/s，最低流速為0.06m/s出現在水深最大的區域。水深縱向變化使得流速大小、脈動特征、偏角都發生遞增到遞減的變化，流速均值并不能真正反映水流的流態或散亂程度，脈動強度和流速偏角變幅則可以。流速均值較低的區域水流脈動強度較大，流速大小和方向變化形成復雜的水流流態。

1.4 產卵場三維力學特征分析

結合聲學多普勒流速儀(ADCP)觀測數據對大伙房下游產卵場三維水力學特性進行分析。并結合三維流速累積頻率分析產卵區和非產卵區水流流速變化的差異度，結果見表2及圖2所示。

從縱向流速統計結果可看出，4#斷面流速均值最大，而2#斷面最低，整個研究河段流速縱向均值為1.40m/s。各斷面產卵區縱向流速總體差異度較小，產卵區縱向流速均值稍高于整個河道的流速均值，各斷面縱向流速均值變化總體較小。縱向流速的頻率累積分布曲線表明整個研究區域縱向相對流速變化范圍為0～2.3，這說明產卵區的流速相比其他區域更具有多樣性。從橫向流速統計結果可看出，12#斷面橫向流速均值最大，而2#斷面橫向流速均值最小，各斷面橫向流速均值變化差異度較低，與整個河道橫向流速均值相似。相比于縱向流速，橫向流速的頻率累積分布曲線規則度更低，此外流速變化幅度較大的區域主要集中在4#和5#斷面，變幅在0～2.5之間，變幅最低的區域主要集中在2#、3#及11#斷面，流速相對分布較為平均。最大垂向流速主要分布在12#和10#斷面，最低流速分布在1#斷面，各斷面垂向流速變幅區域主要介于0.26～0.43之間。

表1 大伙房下游產卵區水流脈動試驗流速的變化

表2 三維流速統計分析結 單位：m/s

表3 大伙房下游河道產卵場水平渦量與單位面積卵濃度

圖2 各方向相對流速累積頻率分布

2 大伙房下游河道魚類產卵行為與水力學特征關系研究

2.1 產卵場渦強特征研究

利用流場模擬數據來計算產卵場水平渦量強度特征，并建立大伙房下游河道產卵場水平渦量與單位面積卵濃度關系，見表3及圖3所示。

從表3中可看出，各年份產卵期分布差異度均較大，主要集中在3#、4#、5#、7#和8#斷面區域，其他區域分布較少，由圖3中單位面積卵濃度～水平渦量關系可知，兩者之間存在顯著的相關性，隨著水平渦量的增加單位面積卵濃度遞減變化，單位面積產卵量高值出現在水平渦量為0.9×10-3s-1時，少量卵出現在(0.9～1.9)×10-3s-1的水平渦量范圍內。卵濃度單位面積最低值出現在水平渦強度低于0.9×10-3s-1時。從圖3(b)水平渦量值小于0.5×10-3s-1時，出現6尾，占總量的19%；水平渦量值為(0.5～1.0)×10-3s-1時，出現3尾，頻率為9.7%；水平渦量值為(1.0～1.5)×10-3s-1時，出現12尾，出現頻率為39%，出現頻率最高；水平渦量值為(1.5～2.0)×10-3s-1時，出現3尾，出現頻率9.7%；水平渦量值為(2.0～2.5)×10-3s-1時，出現4尾，出現頻率為13%；水平渦量值為(2.5～3.0)×10-3s-1時，出現1尾，出現頻率為3.2%；水平渦量值大于3.0×10-3s-1時，出現3尾，出現頻率為9.7%。

圖3 水平渦量與單位面積卵濃度

2.2 產卵場紊動能特征研究

三維數值模擬計算結果得到不同流量條件下產卵場河段底部(相對水深為0.8)處紊動動能(Turbulent Kinetic Energy簡稱TKE)分布圖，如圖4所示。由圖4可知，不同流量條件下產卵場河段的紊動動能分布具有相同特點，在產卵場河段左岸由于特殊地形的存在，水流紊動強烈，該處紊動動能較大，在主產卵區紊動動能亦較大。隨著流量的增加，紊動動能變大，整體分布特征并未變化。主產卵區屬于水流紊動強烈地區，這說明紊動劇烈的水流對魚類產卵具有一定刺激或幫助作用。

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3 大伙房下游河道魚類產卵場環境適宜性評價研究

3.1 環境適應性評價體系

評價體系主要包含魚類4個不同時期的準則層，指標層共選取了20個指標來反映研究目標的適宜性。

圖4 不同流量條件下產卵場紊動能分布圖

表4 產卵場棲息地環境適宜性評價體系

目標層為單一即總目標，表達的是棲息地的綜合適宜程度，棲息地適宜性評價目的在于綜合評價該棲息地的總體適宜水平，根據評價出的適宜性真實狀態采取相應的措施，以推進人棲息地的生物棲息適宜度指數，為保護生物棲息地提供參考。準則層是目標層的有機組成部分，分為4個方面：①幼魚期：指的是幼年魚苗的生長期；②成魚期：指的是幼魚經歷了成長期之后的階段；③產卵期：指的成魚性成熟后已到自然繁殖時間；④卵孵化期：指的是魚卵產出后在水流中孵化的時期。

3.2 環境適應性評價標準

評價標準主要結合相關魚類環境適應性分析的成果，并結合大伙房下游河道魚類生境要素的變化特點，對其棲息地環境適宜性評價標準進行劃分，見表5。

表5 產卵場棲息地環境適宜性評價標準

3.3 環境適應性評價因子隸屬度的確定

結合調查資料，對各個指標的隸屬度值進行計算，結果見表6。

表6 產卵場各指標隸屬度向量值

對不同指標的隸屬度通過三角形隸屬度函數進行確定，為對不合理的等級跳變現象進行消除，將不同指標的中間分解點進行等級的劃分，當各指標處于中間分解位置時，該指標對應的隸屬度等級值為1.0，而進入分解臨界區域位置時，該指標的隸屬度相應劃分等級值為0。

3.4 綜合評價結果

結合多級模糊綜合評判法，在各因子隸屬度分析的基礎上，對2007～2018年大伙房下游產卵場棲息地適宜水平進行綜合評價，評價結果見表7。

表7 2007～2018年大伙房下游產卵場棲息地適宜水平綜合評價結果

4 結論

本文綜合考慮了影響產卵場環境適宜性的指標，利用模糊綜合評判方法評價，考慮了影響因素之間的相依性，能夠較客觀地反映產卵場環境的適宜性水平。模型的計算結果表明評價期內大伙房下游河道產卵場環境實際適宜性狀態比較好。大伙房下游河道魚類產卵濃度隨水平渦量的增大呈下降趨勢，一般選擇水平渦量強度為較大的地方作為棲息位置。

(1)隨著流量的增加，紊動動能變大，大伙房下游河道紊動動能整體分布特征并未變化，主產卵區屬于水流紊動強烈地區，紊動劇烈的水流對魚類產卵具有一定刺激作用。

(2)環境適宜評價指標體系綜合考慮幼魚期、成魚期、產卵期和孵卵期等4個時期影響因子，評價結果和調查結果吻合度較高，方法適用性較好。

水利工程對魚類產卵影響還應包含對水溫的分析，在以后水溫數據調查的基礎上，應重點開展水庫下泄水溫對魚類產卵影響。