棲息地適宜度模型在魚類生境中的應用

董謀

摘要：基于DHIMIKE軟件中的MIKE21FM模塊建立二維水動力學模型，模擬在18000 m3/s和25000 m3/s流量下，研究江段魚類棲息地的流速、水深環境參數適宜度的時空分布特征，并以2019年5月勘測船實測的水文數據對模型的參數進行驗證。結果表明：流速和水深是影響三峽水庫變動回水區魚類棲息生境的關鍵因子，且魚類棲息地適宜度受流速和水深共同的影響顯著。

關鍵詞：魚類;生境特性;適宜度指標;三峽水庫;變動回水區

中圖分類號：X174? ? ? ? 文獻標識碼：A

河流棲息地，又稱為河流水生生物棲息地，是各種魚類群落賴以生存、繁衍的空間與環境，與水生生物多樣性密切相關，棲息地是河流生態系統的重要組成部分[1]。魚類棲息地包括產卵場、索餌場、越冬場以及洄游通道等，魚類的“三場一通道”是魚類完成其生活史過程所必需的水域范圍[2]，需要河流形貌、水環境、水文特性和水力學特征共同構造復雜的物理環境，從而為魚類提供各種棲息、覓食、繁殖和掩蔽場所[3]。現有研究認為魚類的適宜度模型用于棲息地適宜度評估，指標從幾個到幾十個不等[4]，但魚類對各指標的適應度隨保護目標種類、生理階段和研究區域不同而存在差異，這造成了棲息地的評價模型十分復雜且難以通用[5]，如本研究河段的魚類聚集水深遠大于其他流域。為減輕航道整治工程對魚類的影響，有必要獲取魚類棲居的位置。根據近兩年對的魚群分布調查結果，文章對研究江段魚類生境的流速和水深因子加以討論。

1? 平面二維水流數學模型的建立

1.1? 控制方程

天然河道由于地形復雜，蜿蜒曲折，在網格劃分過程中往往存在較大難度，為有效克服計算域邊界起伏變化幅度較大而引起的問題，本文選用計算網格與河道邊界貼合的方法進行模擬計算（見公式1）：

其中，α=x2φ+y2φ;γ=x2μ+y2μ;J=xμyφ-xφyμ;P、Q為調節因子。若水域中的水體維持有勢運動，其流線簇與勢線簇必定會保持正交，由此可以導出以網格間距的變化作為調節因子的貼體正交曲線坐標方程：

（1）水流連續方程（見公式2）

（2）μ方向動量方程（見公式3）

其中，μ、φ分別是正交曲線坐標系中的兩個正交曲線坐標;u、ν分別是沿μ、φ方向上的流速;h表示水深;H表示水位;Cμ、Cφ是正交曲線坐標系中的拉梅系數;、;σμμ、σμφ、σφμ、σφφ表示紊動切應力：

其中，Vt表示紊動黏性系數，即Vt=CμK2/ε。

式中，K及ε分別代表紊動動能及紊動耗散系數，由K以及ε的運輸方程確定。

1.2? 工程河段網格剖分

工程河段模擬范圍上起和尚灘水道（上游航道里程536 km），下止豐都土地盤（下游航道里程488 km），全長48 km。初始網格與擴散光順法使用的網格劃分基本上相同，網格總量為5000×51，其中縱向X沿河流流動方向網格劃分5000，橫向Y為河流寬度方向網格劃分51，地形數據為2019年實測數據。總體上在靠近河流流場的區域網格較為密集，在河流的網格壁面處網格較為稀疏;在寬度較小的順直型河流斷面處網格較密，在寬度較大的彎曲型或分汊型河流斷面處網格較為稀疏，見圖1。

2? 模型驗證

2.1? 驗證所采用的資料

模型驗證采用長江重慶航運工程勘察設計院2015年6月實測的涪陵至豐都水道地形圖，測圖長河段比例1∶2000，1954北京坐標系，吳淞高程。采用2019年5月清溪水文站實測水面線進行水位驗證，Q=14200 m3/s，H=149.23 m。根據水深實測值與二維模型計算的模擬值之間的水位相對誤差，調整研究江段模型中的曼寧系數（Manning Number），渦黏系數（Eddy viscosity）以及進出口和邊界條件，使水位相對誤差最小。渦黏系數設定為全局分布，率定結果為0.28。

2.2? 水位驗證

利用實測水位和流速對河床糙率進行率定，以清溪場附近水位模型驗證結果顯示，二維模型計算的模擬值和實測水面線走勢相同，水位偏差在±0.4 m以內。

3? 模型結果

從其適宜度指標的水深分布、流速分布，來進一步分析適宜度指標在研究河段中的分布規律。

4? 結論

魚類群落整體上以礁石后深沱江段和分汊區域為高適宜區。當流量為18000 m3/s時，高適宜區域基本分布在深沱和平綏壩附近的區域，棲息的深度可作為生境營造的重要指標;當流量為25000 m3/s時，平綏壩逐漸被水流淹沒，隨著流量的繼續增大，研究河段區域的水深越來越大，主航道的表層流速也越來越快，此時，魚類在水深適中處及河漫灘附近流速適宜度更高，可以有效減少水流紊亂的沖擊，但是隨著流量的繼續增加，兩岸河漫灘和平綏壩區域被淹沒深度越來越大，魚類群落的棲息地適宜范圍又逐漸減小。因此流速和水深是影響變動回水區魚類棲居的關鍵因子，且都有一定的適宜范圍值。

參考文獻

[1]熊飛，劉紅艷，段辛斌，等.長江上游江津江段吻鮈的種群參數[J].淡水漁業，2018，48（06）：27-32.

[2]王震，Arunjith Thundiparambil Sathrajith，謝松光，等.金沙江梯級大壩運行和三峽水庫運行水位增高對長江上游干流寡鱗飄魚仔魚豐度和分布的影響[J].水生生物學報，2019，43（03）：606-611.

[3]楊志，唐會元，朱迪，等.三峽水庫175 m試驗性蓄水期庫區及其上游江段魚類群落結構時空分布格局[J].生態學報，2015，35（15）：5064-5075.

[4]徐薇，楊志，陳小娟，等.三峽水庫生態調度試驗對四大家魚產卵的影響分析[J].環境科學研究，2020，33（05）：1129-1139.

[5]付翔，付成，付世建.五種淡水魚類幼魚游泳能力的比較[J].生態學雜志，2020，39（05）：1629-1635.