基于魚類棲息地需求的雅魯藏布江中游環境流量計算

侯 俊，黃喻威，苗令占，邵國毅，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)

水電開發為人類社會創造巨大的經濟效益和社會效益的同時，也在改變著河流的水文情勢及水流形態，對河道原有的連續性、多樣性和完整性造成不利影響[1]。對于特定河流，需要保持一定水量、時間和頻率的一系列流量排放[2]。這些流量過程必須保證維持復雜的水生棲息地和河流生態系統健康，被稱為“生態流量”“生態用水需求”“環境流量”“環境用水需求”等[3]。2007年第十屆國際環境流量大會上發布的“布里斯班宣言”將環境流量描述為“維持河道及河口自然生態系統和維持人類生存發展所依賴的生態系統所需要的水量、時間和水質”[4]。2018年新發布的“布里斯班宣言”對保障環境流量的全球行動計劃做了進一步的描述。

目前計算環境流量的方法有200多種[5]，主要包括水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體法4類。棲息地模擬法不僅將流量變化與自然棲息地變化聯系在一起，還把這一信息應用到具體物種的棲息地需求上，來確定環境流量的范圍。最典型的棲息地模擬法是20世紀70年代美國漁業及野生動物署(USWFS)提出的河道內流量增加法(instream flow incremental methodology, IFIM)，考慮了流速、水深、底質等因子變化引起的特定物種處于不同生命階段的偏好變化，通過模擬計算出不同流量Q條件下棲息地加權可利用面積(weighted usable area, WUA)，根據Q-WUA關系來評估環境流量過程[6]。楊宇等[7]在總結前人研究的基礎上，將棲息地水力條件劃分為水流特征量、河道特征量和無量綱量，并給出了適用范圍；侯俊等[8]運用MIKE數值模擬與棲息地適宜度指數(habitat suitability index, HSI)模型結合的方法，得到了保護息縣樞紐工程閘下長春鳊的環境流量；魏卿等[9]運用IFIM和PHABSIM模型得到Q-WUA曲線，并計算得到洪澤湖鱖魚產卵期最小生態流量；韓仕清等[10]根據目標物種產卵場逐日流量資料，分析構建了水深、流速適宜度曲線，并采用IFIM得到水電站下泄的生態流量。

水生生物生境資料的難于獲取是目前制約棲息地模擬法發展的重要因素[11]，目前針對雅魯藏布江流域特有魚類及其環境流量需求的研究極少，主要原因也是水文和魚類生境等基礎資料難以獲取。本文采用河道內流量增加法對雅魯藏布江中游河段進行環境流量計算，以期為缺乏生境資料的河流環境流量計算提供思路，同時也為雅魯藏布江水電開發情況下水生生物棲息地保護提供理論和方法指導。

1 研究區域概況

雅魯藏布江流域位于西藏境內，流域面積為24.6萬km2，平均海拔約4 500 m，干流全長為 2 057 km，流域內總落差為5 435 m，平均水力坡降在中國境內所有大型河流中排首位。雅魯藏布江有著豐富的水電開發潛力，是西藏水能資源最豐富的河流，其干流和五大支流(多雄藏布江、年楚河、拉薩河、尼洋河、帕隆藏布江)的理論水能蘊藏量約為1.13億kW，僅次于長江流域。

雅魯藏布江中游指的是里孜至米林縣派鎮河段，長約1 340 km，總落差達1 200 m。目前該河段已建成雅魯藏布江干流上的第一座大型水電站——藏木水電站，并于2015年開始運行。其壩址處多年平均流量為1 010 m3/s，壩址控制流域面積約15.8萬km2，水庫正常蓄水位為3 310 m，最大壩高為116 m，相應庫容約0.866億m3，電站總裝機容量達51萬kW，多年平均年發電量約25億kW·h，是西藏最大的水電開發項目。

根據雅魯藏布江梯級開發的規劃，藏木水電站下游還規劃建設米林電站(水庫)。根據已掌握的基礎資料情況，同時為了排除支流尼洋河(多年平均流量約占其入匯處雅魯藏布江干流流量的40%)對雅魯藏布江干流水文情勢的干擾，選取藏木水電站下游米林—尼洋河匯口處河段作為本次研究區域。研究區域位于東經94°13′～94°28′、北緯29°14′～29°25′范圍內，河段長38.9 km，斷面寬為0.25～2.24 km，平均水深約為4.5 m，面積約為 33.4 km2，多年平均流量為1 440 m3/s。選用棲息地模擬法來計算天然狀態下該河段維持拉薩裸裂尻魚產卵繁殖適宜棲息地所需的環境流量，為已建藏木水電站以及日后米林水電站運行過程中水生生物棲息地保護提供理論支持。

在雅魯藏布江中游主要分布有拉薩裸裂尻魚、雙須葉須魚、拉薩裂腹魚、巨須裂腹魚、異齒裂腹魚和尖裸鯉共6種裂腹魚類，是當地特有的土著經濟魚類[12]。李雷等[13]分別在2015年和2017年春季對雅魯藏布江中游魚類進行了采樣調查，根據打撈物中各魚類的質量和數量來計算分布頻率，統計分析了6種魚類的相對重要性指數(index of relative importance, IRI)，結果顯示異齒裂腹魚的平均IRI最高，約為 9 800，可視為優勢種群;其次為拉薩裸裂尻魚，平均IRI約為2 200，可視為亞優勢種群。另外李雷等[13]在對6種魚類地理分布范圍的調查中發現，在藏木水電站下游江段(朗縣、米林)中，僅拉薩裸裂尻魚和巨須裂腹魚兩次均被采集到樣本。因此在研究藏木水電站下游魚類棲息地需求時拉薩裸裂尻魚具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 環境流量求解方法

釆用IFIM來計算目標魚類產卵期環境流量，通過構建研究區域二維水動力模型，得到河段內水深、流速等水力條件，再與魚類棲息地適宜度模型相結合，建立不同流量和目標魚種有效棲息地WUA之間的關系，從Q-WUA關系曲線上找出拐點對應的流量作為保障適宜魚類棲息地的環境流量，來為河流流量過程的生態調控提供依據。

在魚類棲息地適宜度模型模擬中，一般采用魚類棲息地適宜度指數來表征魚類在具體生活史階段對棲息地內不同水力條件(如水深、流速、河床底質)的偏好程度，這一適宜度指數通常用魚類棲息地適宜度曲線來表示[14]。目前國內暫無雅魯藏布江上特有裂腹魚類的可用棲息地適宜度模型，本文通過數值模擬和統計的方法來構建目標魚類的棲息地適宜度模型。

2.2 目標魚類棲息地適宜度模型構建方法

本文基于雅尼濕地干流河段(尼洋河匯口處—奴下斷面)產卵期歷史水文資料，采用數值模擬與統計的方法[15]，構建拉薩裸裂尻魚產卵期棲息地適宜度模型。拉薩裸裂尻魚繁殖時間主要在3—4月[16-17]，因此選取3—4月的水文數據來構建模型。拉薩裸裂尻魚的產卵場位于慢流河灣地區或淺灘流水處，拉薩裸裂尻魚一般產黏性卵于礫石底質的邊灘、心灘交界的水域，之后受精卵會落入石礫縫中，孵化過程同時伴隨著水流的沖刷。產卵期水深的閾值范圍為0.5～1.5 m[18]。

以米尼村附近斷面地形為例，如圖1所示，主河槽與邊灘交界處急流與緩流混雜，利于魚類產卵，滿足拉薩裸裂尻魚的產卵需求。因此，將此交界處定義為地形突變點，該點附近水域可以視為拉薩裸裂尻魚的產卵適宜區域。選取雅尼濕地干流河段8個實測斷面，提取各斷面地形突變點，作為產卵場水力條件模擬的代表區域。

圖1 米尼村斷面地形

采用MIKE21水動力模型來對產卵場代表區域進行水動力學模擬，上斷面流量根據奴下斷面的實測流量數據及控制面積的比例來推算，下斷面水位采用奴下斷面的實測水位數據，模擬區域為尼洋河匯口處—奴下斷面，模擬時間為2006—2010年的3—4月。利用模擬區域內水面線實測數據對模型進行參數率定的結果表明，各驗證點位誤差在0～0.15 m之間，絕對平均值為0.08 m，模型選取的參數較為合理，能較好模擬研究區域內的水力條件。

提取8個地形突變點的水深、流速計算結果，并參考張志廣等[18]對裂腹魚棲息地生態水力學特征的研究，舍棄水深不滿足0.5～1.5 m的計算結果。統計拉薩裸裂尻魚產卵場各水深、流速區間內樣本的數量和分布頻率，并進行歸一化處理，繪制拉薩裸裂尻魚流速、水深棲息地適宜度指數曲線。

2.3 目標魚類棲息地WUA計算方法

IFIM通過WUA來表征魚類可生存繁衍的有效棲息地面積，將其定義為計算單元的棲息地適宜度指數和該單元面積的乘積：

(1)

式中：S為WUA的值；Ai為各計算單元的面積；n為計算單元個數；Ii為計算單元的棲息地適宜度指數，由Ivi、Idi、Ici，即流速、水深、河道特征(主要為河床覆蓋物和底質情況)的適宜度指數組合而成，計算方法有乘積法、幾何平均法、最小值法和加權平均法，計算公式分別為

Ii=IviIdiIci

(2)

(3)

Ii=min(Ivi,Idi,Ici)

(4)

Ii=kvIvi+kdIdi+kcIci

(5)

式中kv、kd、kc分別為流速、水深和河道特征適宜度指數的權重系數。由于缺乏目標魚類對河床覆蓋物和底質的適宜度數據，將Ici的值默認為1，僅考慮流速和水深的共同作用，采用式(2)計算棲息地適宜度指數；將計算節點外圍的泰森多邊形的面積作為計算單元的面積，計算WUA值。

根據水動力模型得到不同流量下河段內的流速和水深分布情況，結合目標魚類對流速、水深和河道特征的適宜度指數曲線，確定不同流量下各網格區對應的棲息地適宜度指數，根據式(1)和(2)，即可得到該流量下的WUA，最終綜合得出棲息地Q-WUA關系曲線。

2.4 水動力模擬方法

選用MIKE21 Flow Model對研究區域(米林—尼洋河匯口處河段)的水動力進行數值模擬，得到不同流量下河段內的流速和水深分布情況。米林—尼洋河匯口處河段內水平尺度遠大于垂直尺度，所以可用二維淺水方程來模擬區域內水動力特征。

本次模擬采用實測斷面地形資料，研究區域內總共有20個斷面。模型地形搭建選用非結構化的三角形網格，時間步長設為60 s，模擬區域內共有 1 818個網格節點，三角形單元共有2 112個。從網格地形圖來看，地形模擬結果可以較好地反映研究區域內實際地形地貌。上斷面以流量作為邊界條件，根據羊村斷面實測流量數據及控制面積的比例推求得到；下斷面以流量作為邊界條件，通過奴下斷面的實測流量數據推求得到；其余均為陸地邊界。運用“干濕判別法”處理網格內二維動邊界，模型模擬中干水深值取0.005 m，濕水深值取0.1 m，淹沒水深值取0.05 m。

根據現場查勘，雅魯藏布江米林—尼洋河匯口處河段河床以砂質為主，有少許礫石、卵石。根據已有水邊線數據，采用不同的糙率系數n進行試算，經率定該河段糙率為0.042。對模擬結果進行誤差分析，計算得到的水深、流速驗證結果的誤差均在正常范圍內，平均偏差分別為6.6%和9.2%，且水深和流速模擬結果的變化趨勢均與實測值變化情況有較好的一致性，所以此模型選取的參數合理，模型模擬結果也可信。

3 結果與分析

3.1 拉薩裸裂尻魚棲息地適宜度指數曲線

如圖2和圖3所示，拉薩裸裂尻魚產卵期可接受的水深范圍為0.5～1.3 m，其中水深為0.7～1.0 m 時，Id≥0.6(適宜水深)；水深為0.7 m、0.9～1.0 m時，Id≥0.8(理想水深)。流速可接受的范圍為0.1～0.9 m/s，其中流速為0.4～0.6 m/s時，Iv≥0.6(適宜流速)；流速為0.5 m/s時，Iv≥0.8(理想流速)。

圖2 水深統計及適宜度指數曲線

圖3 流速統計及適宜度指數曲線

圖5 流量432 m3 /s時適宜度指數和WUA分布

3.2 拉薩裸裂尻魚棲息地WUA與流量關系

模擬計算米林—尼洋河匯口處河段多年平均流量10%～80%條件下(8種工況)水深、流速分布情況，同時結合適宜度指數曲線，計算WUA，得到Q-WUA關系曲線如圖4所示。由圖4可知，流量由144 m3/s(0.1Q，Q為米林斷面多年平均流量)增加至432 m3/s(0.3Q)，WUA由38.2萬m2持續增加至46.6萬m2。造成這一趨勢的原因可能是，米林—尼洋河匯口處河段多為辮狀河道，且區域內橫向灘地大量分布，此時水位隨流量增加抬升至邊灘區域，同時坡降沿主河槽向邊灘逐漸變緩，因此區域內WUA增加。流量由432 m3/s(0.3Q)增加至864 m3/s(0.6Q)，WUA約保持45萬m2(±1.5萬m2)。在該流量變化范圍內，水位持續抬升，主河槽內水深增加，水深適宜度指數降低；但隨著各河槽間相互連通，水面面積有所增加，因此WUA趨于穩定。流量由864 m3/s(0.6Q)增加至1 152 m3/s(0.8Q)，WUA由44.6萬m2顯著增加至58.7萬m2。此時隨流量增加，水面持續上升并淹沒兩岸灘地，適宜區域面積明顯增加；同時受坡降減小影響，灘地兩側流速、水深適宜水域均擴大，WUA顯著增加。

圖4 拉薩裸裂尻魚Q -WUA關系曲線

3.3 保障魚類產卵繁殖所需的環境流量

根據IFIM推求環境流量的建議，從Q-WUA的關系曲線上找出拐點對應的流量作為環境流量。由圖4可知，受模擬河段地形影響，Q-WUA關系曲線上存在兩個拐點，選擇第一個拐點對應的流量作為研究區域保障拉薩裸裂尻魚產卵棲息地面積的環境流量，即米林斷面多年平均流量的30%、432 m3/s。

此外，進一步分析該流量下模擬得到的適宜度指數和WUA分布情況(圖5)，可以看出，水域流動性好、連通性強的灘地附近更容易出現集中的適宜產卵區域，這也與拉薩裸裂尻魚的實際產卵場特征相符。

3.4 不同方法計算的環境流量比較

為評價棲息地模擬法的計算結果，將水文學法中的Tennant法的環境流量計算結果與本文的結果進行對比分析。

Tennant法一般將多年平均流量的10%作為水生生物生長低限，在本研究河段即為144 m3/s，可見棲息地模擬法的計算結果明顯高于Tennant法推薦的環境流量值。這是因為Tennant法沒有考慮具體水生生物對流量的需求，僅根據歷史多年平均流量資料給出河道內流量的最低下限，不能反映魚類對棲息地的適應性。通常來說，棲息地模擬法得出的環境流量數值要大于水文學方法的計算結果，適用于受人類活動影響較小的天然河流。

產卵期是魚類生活史最重要的階段，對棲息地的要求也較高。Tennant法給出的能保持河流生態系統健康的最小流量為144 m3/s，此時研究河段的適宜棲息地面積為38.2萬m2，為棲息地模擬法計算結果的82%，不能很好地保證拉薩裸裂尻魚的產卵需求。

4 結 論

a. 基于數值模擬和統計得出拉薩裸裂尻魚的棲息地適宜度指數曲線，適宜水深(Id≥0.6)為 0.7～1.0 m，適宜流速(Iv≥0.6)為0.4～0.6 m/s。

b. 流量由144 m3/s增加至432 m3/s(占多年平均流量的 10%～30%)，WUA由38.2萬m2緩慢增加至46.6萬m2；流量由432 m3/s增加至864 m3/s(占多年平均流量的 30%～60%)，WUA約保持 45萬m2(±1.5萬m2)；流量由864 m3/s增加至 1 152 m3/s(占多年平均流量的60%～80%)，WUA由44.6萬m2顯著增加至58.7萬m2。

c. 維持拉薩裸裂尻魚產卵場適宜棲息地面積的米林斷面處最小環境流量為432 m3/s(占多年平均流量的30%)，對應的WUA為46.6萬m2。

d. 與Tennant法相比，棲息地模擬法計算得到的環境流量考慮了魚類對棲息地的需求情況，更能保證拉薩裸裂尻魚產卵期的生境需求。