山區彎曲河道魚類產卵棲息地適宜度的分布特征*

鐘 亮，戴思遙,廖尚超

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

天然河道大多數是彎曲的，由主流和二次流疊加形成的彎道水流結構復雜[1]，尤其在山區河道彎曲段，其獨特的河道形態和水流結構直接影響生物多樣性[2]，也為魚類產卵棲息提供了較為理想的場所。魚類生活棲息地包括產卵場、索餌場、越冬場以及連接不同生活階段水域的洄游通道等(簡稱“三場一通道”)[3]，其中產卵場是重要且敏感的魚類棲息場所。開展山區彎曲河道魚類產卵棲息地適宜度的分布特征研究，對河道魚類資源保護和生態航道工程建設等具有重要意義。現有魚類產卵生境指標體系方面的研究成果[4-5]，為產卵棲息地適宜度問題研究提供了科學依據。目前，魚類產卵棲息地適宜度問題的研究已取得一定進展：易雨君等[6]建立了四大家魚產卵棲息地適宜度模型，討論不同水文背景下的產卵場適宜度；王煜等[7]分析了大壩泄流方式與四大家魚產卵棲息地適宜度的相關性；李永等[8]探討了魚類產卵生境面積隨河道流量的變化特征；童朝鋒等[9]、易亮等[10]、常留紅等[11]研究了航道整治工程對魚類棲息環境的影響。在彎曲河道魚類棲息地適宜度研究方面，Krieger等[12]評估了鱘魚產卵棲息地的質量，認為在彎道及流速變化較大區域其產卵棲息地適宜度較高；Macura等[13]建立了彎曲河道中鮭魚的生境適宜度曲線，討論鮭魚生境適宜度與水深、流速間的響應關系；Parsapour等[14]、Harrison等[15]分析了山區河道形態變化對魚類產卵棲息地適宜度的影響，探討兩者的相關性。總體而言，目前魚類(四大家魚)產卵棲息地適宜度問題研究仍不充分，針對山區彎曲河道的研究成果依然較少，彎曲河道中魚類產卵棲息地適宜度的分布特征及其隨流量的變化規律等問題還有待探討。

本文以長江上游中盤子彎曲河段為例，以淡水養殖中重要經濟魚類四大家魚為代表，基于平面二維水流數值模擬資料，探討山區彎曲河道魚類產卵棲息地適宜度指標隨流量的變化特征，分析適宜度指標在彎道中的分布規律。研究成果將有助于豐富彎曲河道魚類產卵棲息地適宜度分布問題的認識，并可為山區河道魚類資源保護和生態航道工程建設等提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 研究資料

中盤子河段位于長江上游，航道里程854～857 km，整個河勢呈彎曲河道形態(圖1)，彎道中心角約69°，凸岸和凹岸的彎曲半徑分別約為1.1 km和2.2 km。彎道進口為順直段，在雙線子附近右轉形成急彎，凹岸有中盤子、對窩灘等石梁突伸江中，岸線抗沖能力強，限制橫向沖刷發展，水流下切在礁石頭部沖刷形成深槽；在彎道環流的作用下，表流沖向凹岸，泥沙則隨底流輸移至凸岸，在凸岸淤積形成狹長形分布的卵石邊灘。中盤子河道兩岸礁石密布，岸線極不規則，航槽彎窄，具有山區彎曲河道的典型特征。中盤子河段下游12.8 km有長江支流赤水河入匯，赤水河于貴州赤水市設有水文站，下游13.2 km有合江水位站，下游48 km有長江朱沱水文站(航道里程806 km)，上述測站水文資料相對豐富，對研究河段的水文條件有較為完整的控制。

圖1 中盤子河段河勢

本文采用平面二維水流數學模型開展研究，模型的基本控制方程見式(1)～(3)。方程時間離散采用有限差分法，空間離散采用有限單元法，離散區域內采用6節點三角形等參單元，利用Newton-Raphson迭代法求解離散后的非線性代數方程。

水流連續方程：

(1)

x方向水流運動方程：

(2)

y方向水流運動方程:

(3)

式中：z為水位；t為時間；h為水深；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；g為重力加速度；n為曼寧糙率系數；νt為渦流黏性系數，采用零方程模型確定，νt=(0.6±0.3)u*h，u*為摩阻流速，當遇急彎或斷面急劇變化時νt取大值。當水流為恒定流時，各式中的時間導數項取為0。

河道水流數值模擬基于2015年3月實測的工程河段地形(測圖比尺1:2 000，1985國家高程基準，1954北京坐標系)，考慮彎道進出口順直段的長度要求，取計算區域航道里程853～858 km，河段長約5 km，計算網格采用三角形非結構網格，共31 245個單元，63 000個節點，網格邊長約15 m。進口流量采用朱沱水文站和赤水水文站實測流量的差值，出口水位綜合考慮朱沱水文站和合江水位站水位，由一維水流數學模型推算得到。模型驗證采用工程河段洪、中、枯多級流量下的實測水面線和流速流向資料，經率定得到工程河段各級流量下的綜合糙率在0.031 3～0.034 7之間。模型驗證結果[16]顯示，計算和實測水面線的走勢相同，水位偏差在±0.10 m以內；流速大小、分布以及最大值和最小值的位置均與實測資料吻合較好，流量偏差控制在±5%以內；數模計算的流場流向與浮標跡線走向較為一致。綜上，本文建立的平面二維水流數學模型，計算精度滿足JTS/T 231-4—2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》的要求，可用于下一步研究。

為系統分析中盤子河段四大家魚棲息地適宜度指標的變化規律，數模計算選取包括枯水流量和中水流量在內的多級流量，計算工況見表1。

表1 數模計算工況參數

1.2 分析方法

根據現有研究，產卵棲息地適宜度可用流速適宜度SV、水深適宜度SD、棲息地適宜指數SH和微生境適應性面積SA等參數進行評價，計算公式為

SHi=SVi×SDi

(4)

(5)

式中：SVi、SDi、SHi分別表示網格節點i的流速適宜度、水深適宜度和棲息地適宜指數，SVi、SDi、SHi均為0～1之間的無量綱數值；SVi、SDi根據平面二維水流數值模擬獲得的節點i流速和水深，通過四大家魚水深和流速適宜性曲線[17]確定；SHj為第j單元中心的棲息地適宜指數，根據該單元6個節點的SHi插值計算得到；Aj表示第j單元的水表面面積；n為單元總數；SA為根據SHj加權計算得到的微生境適宜性面積。

2 適宜度指標隨流量的變化特征

2.1 棲息地適宜度指數

在復雜彎道水流的作用下，河道往往會形成具有邊灘和深槽的橫斷面形態，該斷面形態在彎道出口附近尤為明顯。下面以彎道出口附近(彎角65°)的典型橫斷面為例進行分析，圖2給出該斷面適宜度參數隨流量的變化。結果顯示：

1)枯水流量時(工況1)，凹岸邊灘基本不過流，流速適宜度SV總體為0，灘槽交互區的SV逐漸增大，至深槽處SV接近于1，該區域具有較適合魚類產卵棲息的流速。流量增大后(工況2～4)，深槽SV呈逐漸減小的趨勢，SV最大值出現的位置逐漸由灘槽交互區向凹岸邊灘轉移。流量繼續增大(工況5～6)，河道流速明顯增加，深槽SV基本為0，邊灘SV沿兩岸方向逐漸增大，SV較大值主要出現在河道兩側的邊灘附近。

2)水深適宜度SD在邊灘和深槽也呈現不同的變化規律。當流量較小時(工況1)，深槽處具有較適合魚類產卵棲息的水深，流量增大后(工況2～6)，河道水位抬高，深槽水深增大，逐漸超出魚類產卵棲息的最適宜水深，SD呈逐漸減小的趨勢。邊灘處SD變化趨勢與深槽總體相反，SD經歷了“先增大后減小”的變化過程；流量較小時(工況1)，邊灘水深不足，SD較小；流量增大后(工況2～5)，邊灘水深增加，SD相應增大；但流量增加到一定程度后(工況6)，邊灘水深超過魚類產卵棲息的最適宜水深，SD將會變小。

3)棲息地適宜指數SH體現了流速適宜度SV和水深適宜度SD的綜合作用。流量較小時(工況1)在深槽處SH接近1，隨流量增大深槽處SH逐漸減小，邊灘處SH隨流量的增大呈“先增大后減小”的變化趨勢；當水深較小時，適于魚類產卵棲息的區域主要集中在深槽；流量增大后，該區域逐漸向河岸遷移。

綜上所述，適于魚類產卵棲息的區域將隨流量的變化而在深槽和邊灘之間進行轉化，小流量下該區域多居深槽，流量增大后該區域多居邊灘。總體上看，多年平均流量下(工況3)，SH> 0.8的河寬最大，表明該流量下魚類產卵棲息條件最好。

圖2 適宜度參數隨流量的變化

2.2 微生境適宜性面積

系用1.2節的方法計算河道區域各單元的棲息地適宜指數SH后，即可統計大于某SH值的面積AH。由于面積值與河道長度有關，統計時已將面積值轉換為1 km長度的數值。圖3a)給出各計算工況下大于某SH的面積AH變化。可見，AH隨SH的增大而減小，遞減變化趨勢隨流量的增大呈現“緩慢→加快→緩慢”的過程，河段流量5 650 m3/s ≤Q≤ 11 120 m3/s時(工況2～4)，AH隨SH總體接近線性遞減變化，遞減速度較其余流量時更快。圖3b)進一步給出SH> 0.8所對應面積AH隨流量Q的變化。結果表明，AH隨流量Q呈“先增大后減小”的變化趨勢，峰值出現在多年平均流量(工況3)附近，中水時期的面積最大。

根據式(5)可計算由SH加權得到的微生境適宜性面積SA。圖3c)給出SA隨流量Q的變化，與AH隨流量Q的變化趨勢相似，SA隨流量Q也呈“先增大后減小”的變化特征，SA峰值出現在多年平均流量附近，中水時期微生境適宜面積最大。

圖3 微生境適宜性面積隨流量的變化

3 適宜度指標在彎道中的分布規律

前述研究得出最適于魚類產卵棲息的流量為多年平均流量(工況3)。因此，本節以多年平均流量為例，從適宜度指標的總體分布及其隨彎道中心角和橫向位置的變化等方面，進一步分析適宜度指標在彎道中的分布規律。

3.1 適宜度指標的總體分布

圖4給出多年平均流量下的流速適宜度SV、水深適宜度SD和棲息地適宜指數SH分布云圖。結果顯示：1)SV值較大區域主要出現在河道兩側區域，尤其在凹岸中盤子石梁和凸岸鼓眼磧邊灘附近的SV值較大，一般大于0.8，水流流速較適合魚類產卵棲息。2)凹岸中盤子石梁和凸岸雙線子、鼓眼磧邊灘等處因水深較小，SD值較小，在0.4～0.6；此外，河道內其余區域的SD值接近1，魚類產卵棲息具有較好的水深條件。3)SH的分布

圖4 適宜度參數的分布云圖

與SV總體相似，較大值的出現位置也基本吻合，這是由于在多年平均流量下，河道內具有較適于魚類產卵棲息的水深(SD值較接近1)，SH主要受SV影響，因而兩者分布規律具有一致性。

3.2 隨彎道中心角的變化

圖5給出多年平均流量下河道凹岸、深泓和凸岸3個縱剖面的適宜度參數沿程變化。分析表明：1)受石梁凸嘴等局部地形影響，凹岸剖面地形呈鋸齒狀，高程起伏變化復雜，流速適宜度SV、水深適宜度SD和棲息地適宜指數SH沿程分布波動明顯，SV、SD和SH的平均值分別為0.668、0.204和0.133。2)河道深泓剖面的水深適宜度SD均為1，SV和SH的沿程分布重合，平均值為0.529。3)凸岸剖面地形沿程變化相對平緩，SV、SD和SH的沿程波動也較凹岸減弱，平均值分別為0.845、0.110和0.093。4)比較而言，河道兩岸的SV較大，具有較適于魚類產卵棲息的流速條件；中部深泓的SD較大，SH也明顯大于兩岸，魚類產卵棲息適宜度更好。5)凹岸及凸岸的SD、SH之間均具有一定的相關性，其相關系數R2分別為0.57和0.91，SH隨SD呈線性遞增變化趨勢。

圖5 適宜度參數沿程變化

3.3 隨橫向位置的變化

圖6給出多年平均流量下彎道進口、中部和出口3個橫剖面的適宜度參數沿河寬變化。結果顯示：1)各斷面的水深適宜度SD沿河寬分布呈“兩端小、中間大”的特征，SD平均值分別為0.944、0.920和0.916，斷面中部SD基本呈水平線分布，數值約為1，兩岸SD驟然減小。2)SV、SH沿河寬分布總體重合，數值差異主要體現在兩岸附近；彎道進口斷面SV、SH的平均值分別為0.636和0.593，沿河寬呈“M”狀分布，斷面兩岸及深泓處的SV、SH最小；中部斷面SV、SH的平均值分別為0.643和0.575，沿河寬呈“S”狀分布，凹岸邊灘中部SV、SH最大，深槽附近SV、SH最小；出口斷面SV、SH的平均值分別為0.756和0.692，沿河寬的分布形狀及最大值、最小值出現位置與中部斷面基本一致。3)各斷面河道深泓處SH值分別為0.316、0.324和0.511，SH> 0.8的區域主要集中在河道兩岸和凹岸邊灘，該區域較適于魚類產卵棲息。

圖6 適宜度參數沿河寬變化

山區彎曲河道水流運動復雜，魚類產卵棲息適宜度研究尚處起步階段。本文初步探討四大家魚產卵棲息地適宜度在彎道中的分布特征，今后可進一步研究適宜度在彎道灘槽之間的轉換機制，深化對魚類水力生境指標變化規律的認識。

4 結論

1)隨著流量的變化，適于魚類產卵棲息的區域將在深槽和邊灘之間轉化：小流量下適宜區域多居深槽，流量增大后適宜區域多居邊灘。

2)大于某棲息地適宜指數SH的面積AH隨SH的增大而減小，遞減變化趨勢與流量有關；微生境適宜性面積SA隨流量Q呈“先增大后減小”的變化特征，SA峰值出現在多年平均流量附近。

3)河道兩岸流速適宜度SV相對較大，中部深泓水深適宜度SD和棲息地適宜指數SH相對較大；凹岸及凸岸的SD、SH之間均具有一定的相關性，SH隨SD呈線性遞增變化趨勢。

4)多年平均流量下，彎道沿程各斷面的SD沿河寬分布呈“兩端小、中間大”的特征，SV、SH沿河寬分布總體重合，數值差異主要體現在兩岸附近；SH> 0.8的區域主要集中在河道兩岸和凹岸邊灘，該區域較適于魚類產卵棲息。