金沙江下游向家壩水庫不同出庫流量對四大家魚生境面積影響的定量分析

戴凌全, 王 煜， 戴會超, 劉海波, 郭家力, 湯正陽, 蔡卓森

1.三峽大學水利與環境學院, 湖北 宜昌 443002

2.中國長江三峽集團有限公司, 北京 100038

3.中國長江電力股份有限公司三峽梯級調度通信中心, 湖北 宜昌 443002

隨著我國大規模水電開發的持續推進，目前已建成了許多大型水庫[1-2]，水庫的建設和運行在發揮防洪、發電、航運等巨大綜合效益的同時，也會引起下游河道水文情勢發生改變，威脅水生生物賴以生存的適宜生境[3-4]. 金沙江下游河段(攀枝花至宜賓)是長江流域水能資源最富集的河段，依次規劃建設有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座巨型梯級水電站，溪洛渡和向家壩水電站是規劃開發的第一期工程，裝機容量分別為1 260×104和600×104kW，已相繼于2013年、2012年蓄水發電[5]. 同時金沙江下游也是“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區”(簡稱“保護區”)的重要組成部分，保護區范圍自向家壩水電站壩軸線下游1.8 km至重慶地維長江大橋江段，長度約360 km. 保護區以其得天獨厚的水流流態、氣候和自然生態環境孕育了豐富多樣的水生生物，其中魚類資源尤其豐富，擁有四大家魚、達氏鱘、胭脂魚等70余種珍稀魚類[6-7]. 水庫運行后保護區河段的水文情勢發生了較大改變，導致魚類產卵量下降，與水電站運行前相比，保護區內魚類種類和數量均呈下降趨勢. 棲息地面積是反映魚類生存空間的直接指標，水庫建設運行導致魚類棲息地面積日益萎縮、生境的連續性和完整性受到分割和削弱[8-9]，其生境面積增減與魚類產卵數量變化趨勢較為一致[10-11]，說明棲息地面積在很大程度上影響了其產卵分布和數量. 維持水庫適宜的出庫流量及棲息地面積是保證魚類產卵數量的前提條件[12-14]，因此確定河道適宜生態流量對于魚類生境的恢復和保護日益緊迫和必要，也是開展面向魚類生境改善的水庫生態調度的前提條件[15].

生態流量的計算方法歸納起來可分為4類[16-18]：生態水文學法、生態水力學法、生境模擬法及整體分析法. 生態水文學法以實測水文數據為基礎，結合特定比例或者百分位數確定最小或適宜生態流量，常用的方法有Tennant法、7Q10法、年內展布法、流量歷時曲線法(Flow Duration Curve，FDC)；生態水力學法是將水生生物資料與河道流量相結合，通過構建水力參數與流量間的關系判斷河流應具有的特征流量，常見的方法有濕周法、R2CROSS法；生境模擬法是將水動力學模型與特定水生生物不同階段生活史相結合，定量描述流量和棲息地面積之間的關系，從而確定物種特定生活階段的生態流量，常見的方法有PHABSIM模型、River2D模型；基于河流生態系統理論的整體分析法是綜合上述方法從不同角度分析生態流量，如BBM法、DRIFT法、ELOHA法等. 生境模擬法以河道內流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology，IFIM)為理論框架，通過水動力學模型與棲息地模型相耦合，計算不同流量下目標物種棲息地面積的變化情況[16]. 其中，物理棲息地模型是生境模擬法之一，該模型考慮了特定目標物種不同時期的流量需求，計算得到的流量更符合現實要求[19]. 例如：班璇等[20]以長江干流監利江段為例，建立了底棲動物各類群的物理棲息地模型，計算變化流量下棲息地適宜面積的時間序列，并據此進行生態流量決策；劉國民等[21]運用水力學模型模擬新安江壩下江段不同流量條件下的水深、流量分布，利用物理棲息地模型繪制流量-加權可利用面積關系曲線，并得出虹鱒魚的適宜生態流量；Nagaya等[22]構建了日本Gokasegawa River香魚(Ayu)的棲息地模型，并提出了魚類繁殖所需要的流量過程；Johnson等[23]采用物理棲息地模型評估了印度達維利河(Godavari River)魚類繁殖所需要的流量. 由此可知，物理棲息地模型考慮了生物本身對物理生境的要求，被認為是目前生態流量計算方法中最復雜和最具科學依據的方法之一，在求解國內外部分河道魚類繁殖所需生態流量方面已有應用. 但在金沙江下游生態流量的計算方面目前已有的成果多是基于生態水文學方法，如龍凡等[24]采用年內展布法、改進的FDC法量化了金沙江下游不同典型年最小及適宜生態流量；蔡卓森等[25-26]采用生態水文學中的應用變化范圍法(Range of Variability Approach, RVA)量化了金沙江下游河道適宜生態流量；Jia等[27]基于Pearson-Ⅲ型曲線的流量分配法(Distribution Flow Method, DFM)計算了河道的最優生態流量，為水庫調度提出了生態目標. 上述研究成果對于金沙江下游生態流量的認知提供了重要依據，然而基于生態水文學的方法難以反映特定魚類產卵繁殖棲息地的真實流量需求. 因此，該文以金沙江下游向家壩水電站壩址與宜賓水文站之間的干流區段(簡稱“宜賓江段”)為例，采用物理棲息地模型明確四大家魚產卵繁殖所需要的適宜生態流量，以期為水庫優化調度提供具體的生態目標.

1 研究方法

物理棲息地模型(Physical Habitat Simulation Model，PHABSIM)是關于河道內物理棲息地水動力變量、底質和覆蓋度等參數及其變化的一種概念模型，其基本觀點是在河流生態系統中水生生物處于不同生命階段(如產卵繁殖期、幼苗期、生長期、成熟期)對生境的需求可以用水動力學因子表征，并通過選擇水動力更適宜的區域來響應水文條件的變化[28-29]. 物理棲息地模型分為水動力學模型(Hydrodynamic Model)和棲息地模型(Habitat Model)兩部分，水動力學模型計算不同流量下的棲息地流速及水深分布，棲息地模型通過建立棲息地目標物種的適宜度曲線，依據不同流量下的河道流速與水深分布找出對應的棲息地適宜度指數，賦予各自權重之后計算棲息地面積.

采用物理棲息地模型量化金沙江下游宜賓江段四大家魚棲息地產卵適宜生態流量的具體步驟：①收集目標物種產卵地點、時間、數量以及對應的水動力條件；②將棲息地適宜性指標與目標物種生境的水動力影響因子(水深、流速)關聯，制定適宜度標準，量化目標物種對棲息地水動力因素的偏好程度，得到影響因子的棲息地適宜度指數，繪制目標物種產卵繁殖期的生境適宜性曲線；③建立目標物種產卵棲息地的水動力學模型，以不同流量為邊界條件模擬目標物種產卵繁殖期間棲息地水動力分布的空間特征；④將目標物種生境適宜性曲線輸入棲息地模型，結合水動力學模型模擬的水深、流速計算河道不同流量下的加權可利用面積.

目標物種的加權可利用面積計算方法：

(1)

式中：WUA為目標物種的加權可利用面積(Weighted Usable Area，WUA)，m2；n為網格單元的數量；CSFi為第i個網格單元的組合適宜值(Combined Suitability Factor, CSF)；Vi為第i個網格單元水體的流速，m/s；Hi為第i個網格單元水體的水深，m；Ci為第i個網格單元的河道指標參數；Ai為第i個網格單元水域的面積，m2.

對于組合適宜值CSF，常用的計算方法主要有4種：乘積法、幾何平均法、最小值法和加權平均法. 該研究擬采用乘積法計算組合適宜值，計算公式：

CSFi(Vi,Hi,Ci)=f(Vi)×f(Hi)×f(Ci)

(2)

式中：f(Vi)、f(Hi)分別為第i個網格單元的流速、水深適宜度指數，分別由流速和水深對應的適宜性曲線查得；f(Ci)為第i個網格單元河床底質和覆蓋物適宜度指數.

通過物理棲息地模型求解適宜生態流量的步驟如圖1所示.

圖1 物理棲息地模型(PHABSIM)求解適宜生態流量流程

2 應用實例

2.1 目標物種的選擇

為研究魚類產卵期間所需的生態流量，首先需要遴選能代表保護區重要魚類的指示性魚種. 四大家魚是典型的產漂流性卵魚類，產卵場主要分布在長江中游、金沙江中下游干流以及雅礱江干流部分江段[30-32]，且對流量的變化十分敏感，因此該研究選擇四大家魚為目標物種. 向家壩水電站建成后，宜賓江段成為四大家魚重要的產卵繁殖地之一，因此研究區域選定為宜賓江段，全長約34.0 km(見圖2).

圖2 研究區域地理位置

2.2 水動力學模型計算和驗證

棲息地水動力分布特征采用MIKE 21 FM平面二維水動力模型進行分析，水動力模型可模擬河流的水位變化和由于各種力的作用而產生的流速變化，模擬范圍上至向家壩壩址，下至宜賓水文站，區間內支流為橫江. 該模型采用非結構化不規則三角網格，能精細刻畫模擬區域的岸線條件，網格大小根據計算效率和地形的空間分布確定，地形數據采用1∶2 000 河床地形圖. 根據上述原則并兼顧計算時間，網格節點總數為 12 854 個，單元總數為 23 845 個，網格最大面積為 1 580.2 m2，最小面積為138.3 m2.

首先進行模型的參數率定，上邊界選取向家壩出庫流量及橫江水文站流量，下邊界采用宜賓水文站水位，計算時段自2019年5月1日—6月30日，驗證站為向家壩水文站、二郎灘水文站(見圖2). 向家壩水文站距壩址2.0 km，斷面大致呈對稱梯形，最低高程為250.0 m時對應的河底寬度約為105.0 m，高程為280.0 m時對應的斷面寬度約為219.0 m. 二郎灘水文站距壩址11.0 km，斷面呈非對稱梯形，左岸由于受支流橫江沖刷岸坡較陡，斷面最低高程為256.0 m時對應的河底寬度約為172.0 m，高程為285.0時斷面寬度約為498.0 m. 水位驗證采用5月1日—6月30日的日均水位，5月30日生態調度試驗結束時出庫流量變幅較大，因此選擇5月30日兩個斷面的日均流速進行流速驗證. 水位、流速的模擬值與實測值對比如圖3所示，可以看出模擬值與實測值吻合度較高，向家壩水文站水位平均誤差為0.08 m，最大誤差為0.22 m，二郎灘水文站水位平均誤差為0.07 m，最大誤差為0.14 m，流速方面向家壩水文站因受水庫出庫流量的影響其誤差略大，平均誤差為0.07 m/s，最大誤差為0.12 m/s，二郎灘水文站流速誤差較小，但整體而言模型模擬效果較好，率定河道的曼寧系數為30.0 m1/3/s.

圖3 向家壩及二郞灘水文站水位、流速實測值與模擬值對比

2.3 四大家魚產卵繁殖期生境適宜性曲線

確定四大家魚的棲息地適宜性曲線是棲息地模擬法中的重要一步，適宜性曲線的建立以棲息地適宜度指數(Habitat Suitability Index，HSI)為基礎，將四大家魚對棲息地的偏好性和生境因子之間的關系進行量化分析. 適宜性曲線以生境因子為橫坐標，以四大家魚對生境因子的適宜度為縱坐標，建立各生境因子的偏好與生境因子之間關系的連續曲線，從而定量表征棲息地水動力特征與四大家魚在該條件下的生存質量，用0～1之間的數值定義四大家魚對生境因子的偏好，0表示完全不適宜，1表示完全適宜，取值越趨近于1則表示四大家魚對此生境因子的偏好性越大. 金沙江下游四大家魚每年產卵的時間為5—6月，親魚的排卵活動與水溫和水動力條件密切相關[33-35]，21～24 ℃時為產卵盛期，當江水溫度低于18 ℃時，四大家魚停止產卵. 由于水溫與氣溫、水庫閘門開啟方式關系密切，且變化規律十分復雜，因此該文在構建四大家魚產卵繁殖期生境適宜性曲線時只考慮水動力條件(流速、水深)，未考慮水溫對產卵的影響. 2017—2019年水庫共開展了4次針對四大家魚自然繁殖的生態調度試驗，調度期間宜賓江段水動力特征及四大家魚產卵量如表1所示.

表1 生態調度期間宜賓江段水動力特征及四大家魚產卵量

向家壩水庫自2012年開始運行，筆者陸續開展了四大家魚自然繁殖期間水動力及產卵效果監測，因此建立四大家魚生境適宜性曲線時采用2012—2019年的監測成果并結合已有研究成果[36]：經統計金沙江下游四大家魚產卵期的適宜流速為0.6～1.3 m/s，最佳流速為0.9～1.0 m/s，適宜水深為3.0～18.0 m，最佳水深為9.0～12.0 m(見圖4)，這與宜賓江段四大家魚的生活習性相符合，構建物理棲息地模型時認為研究區域的底質狀況良好，將適宜度全部設定為1.

圖4 金沙江下游四大家魚產卵繁殖期水動力生境適宜度曲線

3 結果與分析

3.1 模擬流量的確定

根據2012—2019年已有水文及魚類產卵監測數據，四大家魚產卵主要集中在每年5—6月，產卵期向家壩水庫下泄起漲流量為 1 700 m3/s，最高流量為 5 800 m3/s，因此取水動力模型設定的上游邊界流量范圍為 1 500～6 000 m3/s，該范圍足以涵蓋研究河段的實際流量情形. 在上述流量范圍內取向家壩水庫出庫流量分別為 1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000 m3/s這10種工況作為模擬流量.

3.2 不同出庫流量下四大家魚棲息地加權可利用面積變化特征

根據水動力學模型計算不同流量條件下河段的流速和水深分布，結合棲息地四大家魚產卵的適宜性曲線，獲得不同出庫流量下四大家魚棲息地加權可利用面積(WUA). 研究河段總面積為15.10 km2(宜賓水文站水位為262.50 m)，10種不同流量下WUA及占河段總面積的比例如表2所示，當向家壩庫出庫流量為 1 500 m3/s時，WUA最小，僅為1.81 km2，占河段總面積的12.01%；隨著水庫出庫流量的增大，WUA先呈增加趨勢，當出庫流量為 3 000 m3/s時，WUA達到最大值，為3.66 km2，占河段總面積的24.26%；其后隨著出庫流量的增大，WUA開始降低，當出庫流量增至 6 000 m3/s時，WUA降為2.41 km2，占河段總面積的15.97%. 由此可見，四大家魚產卵繁殖期在水庫出庫流量較小或較大時適宜生境面積較小，流量適中時生境面積較為適宜.

表2 向家壩水庫不同出庫流量下四大家魚棲息地加權可利用面積(WUA)

根據水庫出庫流量與WUA的關系確定生態流量的判別方式有多種，當以目標物種WUA作為出庫流量的唯一目標時，可選擇目標物種在WUA最大值時所對應的流量. 物理棲息地模型中假設WUA與魚類產卵量呈正相關，即WUA值越大，魚類的產卵量也就越多，所以取出庫流量-WUA關系曲線中WUA取最大值時對應的流量作為最佳生態流量. 基于物理棲息地模型模擬得到10種不同出庫流量下對應的WUA值，繪制出庫流量-WUA關系曲線圖(見圖5). 由圖5可見，在向家壩水庫出庫流量由小變大的過程中，四大家魚棲息地的WUA呈先增大再逐漸減小的趨勢，當出庫流量小于 2 500 m3/s時，隨著出庫流量的增加，WUA增加趨勢較為明顯，說明四大家魚對較小流量工況較為敏感；當出庫流量為 2 500～3 000 m3/s時，WUA的增幅隨流量的增加趨于平緩，在出庫流量為 3 000 m3/s時WUA達到最大值，表明此時的出庫流量最符合四大家魚產卵繁殖期對流量的需求；在出庫流量大于 3 000 m3/s以后，隨著流量的增大，WUA呈較為平緩的下降趨勢，說明出庫流量繼續增加對四大家魚棲息地產生不利影響. WUA占研究河段總面積的比例(Percent Usable Area，PUA)是衡量生物生存空間的重要指標[37-38]，根據河道地形和歷史水文數據，當金沙江下游宜賓江段的PUA達到20%左右時，即棲息地面積維持在3.0 km2以上時，棲息地面積即可滿足四大家魚產卵繁殖所需要的空間，當棲息地面積小于3.0 km2時，產卵繁殖的空間受到擠壓，河流生態系統功能受到損害，因此適宜生態流量范圍為 2 000～4 500 m3/s，最佳生態流量為 3 000 m3/s.

圖5 向家壩水庫出庫流量-WUA關系曲線

自2017年起，溪洛渡-向家壩梯級水庫每年5—6月擇機開展針對下游河道魚類自然繁殖的聯合生態調度試驗，生態調度考慮魚類繁殖所需的水文及水溫條件，水溫調度主要是針對產黏沉性卵魚類，如達氏鱘、胭脂魚等. 對于產漂流性卵魚類，如四大家魚、圓口銅魚等，在生態調度時首先要保證魚類產卵所需的適宜生態流量，其次通過持續增加出庫流量創造出促進魚類產卵繁殖的持續漲水過程. 2017年5月20—25日，溪洛渡-向家壩水庫開展了本年度第二次聯合生態調度試驗，為魚類產卵提供適宜的生態流量，調度期間平均下泄流量為3 221 m3/s，宜賓江段出現了產卵高峰，江津江段魚卵密度達到了峰值(1.5×106 ind./km2)，是實施生態調度前魚卵密度的1.3倍[39]；調度期間向家壩水庫日均下泄流量分別按 2 400、2 700、3 000、3 500、4 000、4 500 m3/s控制，最終流量維持在 2 700～3 200 m3/s，監測數據顯示四大家魚產卵量呈上升趨勢，由此可見該文提出的生態流量是合理的，可為金沙江下游四大家魚的保護和梯級水庫的生態調度提供參考建議. 但由于水溫資料受限，在利用物理棲息地模型進行計算時對參數進行了簡化，沒有考慮水溫參數對棲息地面積的影響，因此有必要在更多觀測資料的基礎上，制定更準確的適宜性曲線，并結合水溫等其他關鍵影響因子做進一步深入研究；除針對四大家魚自然產卵階段外，還應圍繞保障魚類其他關鍵生活史(如幼魚生長、魚類洄游)等多目標需求，深化溪洛渡-向家壩梯級水庫生態調度方案，從而將研究成果更有效地應用在四大家魚全生命周期的保護中.

向家壩水庫不同出庫流量下四大家魚產卵棲息地組合適宜值空間分布如圖6所示：當水庫出庫流量為 1 500 m3/s時，根據平面二維水動力模型計算結果得到，棲息地平均流速為0.59 m/s，平均水深為8.15 m，不同區域的組合適宜值均較小，平均值為0.406，說明此時組合適宜度未充分達到家魚產卵所需要的水動力條件；隨著流量的增大，在彎曲河段流速和水深較大，出現適宜家魚產卵的水動力條件，組合適宜度增加較快；當出庫流量為 3 000 m3/s時，棲息地平均流速達到0.82 m/s，平均水深為10.15 m，組合適宜度平均值達到0.485；隨后逐步下降，當出庫流量為 6 000 m3/s，河道平均流速為1.06 m/s，平均水深為12.73 m，河道流速和水深均增加，超過了四大家魚產卵繁殖所需要的最佳水動力條件，整個河道的組合適宜值降至0.416.

圖6 向家壩水庫不同出庫流量(Q)下四大家魚產卵棲息地組合適宜值的空間分布

4 結論

a) 基于非結構化不規則三角網格構建了金沙江下游宜賓江段平面二維水動力模型，通過實測水位和流速對水動力模型進行驗證：水位平均誤差不超過0.08 m，流速平均誤差不超過0.07 m/s，水動力模型精度滿足要求，可以實現不同出庫流量條件下四大家魚棲息地水動力特征的準確模擬.

b) 通過對2012—2019年宜賓江段水動力及魚類產卵監測數據分析，建立了四大家魚棲息地模型，明確了四大家魚產卵對水深、流速的需求，四大家魚產卵繁殖期的流速適宜范圍為0.6～1.3 m/s，水深適宜范圍為3.0～18.0 m.

c) 耦合水動力模型和棲息地模型，構建四大家魚產卵所需生態流量的物理棲息地模型，量化了向家壩水庫不同出庫流量下對應的棲息地加權可利用面積. 結果表明：棲息地加權可利用面積整體上隨著流量的增加呈先增大再緩慢減小的趨勢，當水庫下泄流量為 3 000 m3/s時棲息地加權可利用面積(WUA)達到最大，其占研究河段總面積的比例(PUA)達到24.26%，據此推定四大家魚適宜生態流量范圍為 2 000～4 500 m3/s，最佳生態流量為 3 000 m3/s.