大藤峽運行后東塔產(chǎn)卵場魚類繁殖期水量調(diào)度控制指標研究

劉麗詩，王 麗，葛曉霞，譚細暢

(1.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江水利委員會水文水資源局，廣東 廣州 510611)

水利水電工程在完成其防洪、供水、發(fā)電及航運等綜合效益的同時，不可避免對河流生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響，除了采取工程措施及管理措施避免或減緩不利影響外，開展水庫生態(tài)調(diào)度，已經(jīng)成為大型河流生態(tài)恢復(fù)的一項重要舉措[1-2]。水庫生態(tài)調(diào)度的目標，是以維持河流健康可持續(xù)發(fā)展為總目標，其中包括維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、生物多樣性、生物可持續(xù)性等[3]。在魚類繁殖期水量調(diào)度方面，國內(nèi)外開展了多項研究。從20世紀90年代開始，國外研究人員在南非Clanwilliam大壩、美國科羅拉多河上的格倫峽大壩、澳大利亞墨累河流域、新西蘭Opuha大壩等開展了魚類繁殖期水量調(diào)度研究和實驗。國內(nèi)在水庫生態(tài)調(diào)度研究實踐方面相對較晚，近年來，溪洛渡電站、三峽工程、錦屏一級、二級水電站、珠江西江干流等都開展了魚類繁殖期生態(tài)調(diào)度。其中，長江三峽工程2011年6月首次針對魚類自然繁殖實施生態(tài)調(diào)度試驗，促進了“四大家魚”等自然繁殖，拓展三峽工程綜合效益，提升三峽工程服務(wù)能力和需要[4]。珠江西江干流2016—2019年連續(xù)4年開展了魚類繁殖期生態(tài)調(diào)度試驗[5-6]，通過試驗研究西江東塔產(chǎn)卵場四大家魚卵苗量與水溫、洪水過程、流速等因子的關(guān)系，提高珠江流域生態(tài)調(diào)度精度。

大藤峽水利樞紐位于珠江水系西江流域黔江干流大藤峽出口弩灘處，該江段魚類資源非常豐富，既有多種國家重點保護魚類和珠江水系特有魚類，更是四大家魚、廣東魴等多種經(jīng)濟魚類的主要棲息地，分布有多個重要的魚類產(chǎn)卵場，在流域內(nèi)具有重要的生態(tài)保護地位[7]。大藤峽水利樞紐的建設(shè)可能對西江干流中游至河口段水文情勢、水生態(tài)環(huán)境，特別是對下游魚類繁殖的影響，一直都受到極大的關(guān)注。工程運行后，如何維持魚類產(chǎn)卵繁殖活動、保障魚類生活史的完整，是流域水生態(tài)保護必須面對的問題。為了緩解大藤峽水利樞紐運行對魚類繁殖的影響，本項研究根據(jù)大藤峽江段的魚類生活習性和產(chǎn)卵生境的分布情況，利用實測數(shù)據(jù)分析魚類早期資源量與水文特征值的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合西江流域生態(tài)調(diào)度實踐經(jīng)驗，推求出適宜刺激四大家魚產(chǎn)卵時水文過程，提出大藤峽水利樞紐在魚類繁殖期開展水量調(diào)度所需的控制指標要求，為大藤峽水利樞紐工程未來如何營造魚類產(chǎn)卵場適宜的生態(tài)水文過程，最大限度發(fā)揮東塔魚類產(chǎn)卵場魚類產(chǎn)卵功能提供技術(shù)參考。

1 東塔魚類產(chǎn)卵場棲息生境及調(diào)度目標魚類

1.1 東塔魚類產(chǎn)卵場棲息生境調(diào)查

東塔魚類產(chǎn)卵場(圖1)位于大藤峽壩下10 km，主要產(chǎn)卵魚類有草魚、青魚、鰱、鳙、鯉、鯪、赤眼鱒、卷口魚、鳊、斑鳠、鳡和盔鯰等，是珠江流域最大魚類產(chǎn)卵場，也是珠江流域魚類生物多樣性最為豐富的江段，有重要的經(jīng)濟價值及水生生物資源保護價值[8]。

產(chǎn)卵場長約7 km，黔江、郁江、潯江在此匯流，生態(tài)景觀格局以“三江匯流、寬闊河谷”為主體，三江匯流提供了復(fù)雜多變的水文條件，尤其產(chǎn)卵場水域的急流、緩流、紊流、渦流等多樣性高，流場流態(tài)多樣。產(chǎn)卵場所在之處河道開闊，河心洲、河岸淺灘多布，且面積較大；魚類棲息地特征多樣，產(chǎn)卵場河道左右兩側(cè)地勢比較平緩，植被群落主要以灌木為主，產(chǎn)卵場岸帶植被的外延梯度變化多樣且構(gòu)成相對穩(wěn)定。河道的中間出露水面上面的灘地上，主要以灌草為主，作為陸域生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)的天然交換場所，既可以作為魚類產(chǎn)卵的棲息地，又可作為魚類生存的餌料場地。

1.2 調(diào)度目標魚類選擇

魚類是河流生態(tài)系統(tǒng)中的主要生物類群，是維系河流生態(tài)健康的重點關(guān)注目標。魚類的產(chǎn)卵繁殖活動受河流水文情勢影響，一般規(guī)律為隨著徑流量的增加，伴隨水位上漲、流速加快，將會刺激魚類的性腺發(fā)育，誘導魚類的產(chǎn)卵活動發(fā)生，一方面徑流量增加和流速加快可保證受精率、胚胎發(fā)育，使漂流性的魚卵可以得到充分的漂流孵化，另一方面漲水后可使仔稚魚有豐富的餌料生物，從而保證仔稚魚有較高的成活率。相關(guān)研究表明，四大家魚產(chǎn)卵類型屬典型的產(chǎn)漂流性卵的魚類，是對水文情勢刺激最為敏感、對水文情勢要求最為苛刻的種類，從已經(jīng)實施的生態(tài)調(diào)度研究及試驗來看，四大家魚與調(diào)度洪峰等相關(guān)性非常明顯，根據(jù)2013—2017年三峽水庫生態(tài)調(diào)度期間在長江中游監(jiān)利江段魚類早期資源調(diào)查結(jié)果[9-11]，四大家魚卵苗量與流量增長率呈顯著正相關(guān)；2018年6月漢江中下游梯級聯(lián)合生態(tài)調(diào)度期間，漢川江段的出現(xiàn)一次魚類產(chǎn)卵高峰中，四大家魚魚卵占家魚卵總徑流量的85.5%，表明生態(tài)調(diào)度對四大家魚的繁殖具有積極作用[12-13]。因此，以四大家魚生態(tài)需求進行調(diào)度，不僅能夠促進四大家魚的產(chǎn)卵繁殖，也可以誘導與洪峰關(guān)系緊密的其他魚類的繁殖。

2 東塔產(chǎn)卵場魚類繁殖期水量調(diào)度控制指標分析

2.1 水文特征指標篩選

生態(tài)調(diào)度控制指標分析是確定調(diào)度期生態(tài)保護目標和調(diào)度目標流量過程的基礎(chǔ)。魚類產(chǎn)卵繁殖的影響因子很多，包括水文、生態(tài)以及其他等諸多方面，作用過程和影響程度各不相同，且往往很多影響因子疊加交叉，定量化識別十分困難。

根據(jù)國內(nèi)外對四大家魚自然繁殖生態(tài)水文指標研究的研究成果，結(jié)合近年來在東塔魚類產(chǎn)卵場開展的生態(tài)需水研究[14-15]，選取2008—2012年共30場實測的東塔四大家魚卵苗量與場次洪水的起始流量、起始水位、洪水過程平均流量、洪峰水位、流量漲幅、日水位增幅、漲水歷時、洪水漲率序列進行統(tǒng)計分析，將數(shù)據(jù)系列進行無量綱化，計算前者與后者序列差值(絕對值)、最大值、最小值等，確定分辨系數(shù)為0.15，并計算各指標序列對卵苗量序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)，最終求得其關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表1。

表1 各指標對卵苗量的關(guān)聯(lián)度ri

灰關(guān)聯(lián)度從大到小為：流量漲幅>平均流量>洪水日漲率>日水位增幅>漲水歷時>起始流量>洪峰水位>起始水位。由計算結(jié)果可見，東塔四大家魚卵苗量與所選取的水文特征值均存在較大的關(guān)聯(lián)度，表明水文水動力條件是誘發(fā)四大家魚自然繁殖的必要因素。相對而言，流量漲幅、洪峰流量和洪水漲率3個指標可能對四大家魚產(chǎn)卵具有較為重要的影響，宜作為主要指標進行重點分析。

2.2 魚類卵苗量和水文特征值的關(guān)系分析

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果，選擇四大家魚卵苗量與洪水過程平均流量、洪水日漲率、流量漲幅3個水文要素的相關(guān)關(guān)系進行詳細分析。另外，四大家魚卵苗量與起始流量、漲水歷時同樣存在較大關(guān)聯(lián)性，但從現(xiàn)有成果和西江干流實際觀測數(shù)據(jù)分析，能監(jiān)測到一定規(guī)模以上的卵苗汛過程時，所對應(yīng)的場次洪水起始流量、漲水歷時均在一定數(shù)值以上，且四大家魚卵苗量隨起始流量、漲水歷時增加而增加的趨勢并不明顯，因此，選擇分析四大家魚卵苗汛時的起始流量和漲水歷時臨界值作為約束性指標。

另外，現(xiàn)有相關(guān)研究成果一般認為水溫是觸發(fā)魚類產(chǎn)卵的最重要的約束性指標之一，低于某一特定水溫時，親魚大量產(chǎn)卵行為不發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)有成果和西江干流實際觀測數(shù)據(jù)分析，相比洪水過程各相關(guān)指標，四大家魚產(chǎn)卵時的水溫范圍變動相對較小，且低于一定水溫時，魚類不產(chǎn)卵，導致數(shù)據(jù)序列不連續(xù)，同時水溫與上述其他指標類別不同，不適宜共同采用多元分析方法進行主要控制指標篩選。因此，鑒于水溫對魚類產(chǎn)卵的重要影響以及分析方法的差異，直接將水溫作為生態(tài)調(diào)度的主要控制指標之一。

2.2.1卵苗量與場次洪水平均流量關(guān)系

通過描繪2008—2012年共30場實測四大家魚卵苗量(下同)與大湟江口場次洪水平均流量關(guān)系散點圖(圖2)，兩者相關(guān)系數(shù)R值大于0.5，表明卵苗量與洪水平均流量關(guān)聯(lián)度較大，且兩者總體呈正比趨勢。從實測數(shù)據(jù)可以看出，場次洪水平均流量大于3 200 m3/s時開始有四大家魚卵苗量，平均流量5 000 m3/s以上開始有較大規(guī)模的卵苗量。從卵苗量的分布看，四大家魚卵苗量集中分布在平均流量7 000～9 000 m3/s區(qū)間。

2.2.2卵苗量與洪水日漲率關(guān)系

通過描繪四大家魚卵苗量與洪水日漲率關(guān)系散點圖(圖3)可以看出，兩者相關(guān)系數(shù)R值大于0.5，兩者關(guān)系整體呈正比趨勢，較大規(guī)模卵苗量主要集中在日漲率1 200～2 000 m3/s的區(qū)間內(nèi)。

2.2.3卵苗量與洪水漲幅關(guān)系

通過描繪四大家魚卵苗量與大湟江口場次洪水漲幅關(guān)系散點圖(圖4)可以看出，兩者相關(guān)系數(shù)R值大于0.5，兩者關(guān)系總體呈正比趨勢，較大規(guī)模卵苗量主要集中在漲幅7 000～13 000 m3/s的區(qū)間內(nèi)。

2.2.4卵苗量與起漲流量的關(guān)系

通過描繪四大家魚卵苗量與場次洪水起漲流量散點關(guān)系(圖5)可以看出，兩者相關(guān)關(guān)系系數(shù)R不足0.5，兩者關(guān)聯(lián)度相對較小。從30場監(jiān)測到卵苗量的洪水過程來看，較大規(guī)模卵苗量起漲流量在3 000～8 760 m3/s，起漲流量低于3 000 m3/s，未監(jiān)測到四大家魚卵苗量。

2.2.5卵苗量與洪水天數(shù)、漲水歷時的關(guān)系

根據(jù)大湟江口多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，流量上漲的多年平均天數(shù)為3.07 d，退水天數(shù)為4.73 d。從2008—2012年共30場監(jiān)測到卵苗量的洪水過程來看，實測卵苗量范圍在7.1～115 700百萬尾之間，單峰洪水過程總天數(shù)一般7～15 d，漲水歷時4～9 d；雙峰洪水過程總天數(shù)16～29 d，前峰過程總天數(shù)一般7～15 d，前峰漲水歷時一般4～7 d。

2.2.6卵苗量與水溫的關(guān)系

根據(jù)長江流域研究成果，四大家魚產(chǎn)卵最低水溫為18℃，珠江流域氣溫整體高于長江流域，采用有卵苗量同步測驗的32場洪水過程統(tǒng)計(圖6)可以看出，大湟江口平均水溫低于22.4℃時，四大家魚卵苗量很少或為零，較大規(guī)模卵苗量主要集中在水溫為24～28℃之間，分布中心點為25.7℃，左右對稱收斂，由此推斷26.7℃是珠江水系四大家魚的適宜繁殖水溫。東塔魚類產(chǎn)卵場4月底至5月初水溫達到22.4℃以上，水溫25.7℃一般出現(xiàn)在6—7月。

2.3 推薦控制指標

根據(jù)魚類卵苗量與水文特征值的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果可知，四大家魚卵苗量一般發(fā)生在起漲流量大于3 000 m3/s、漲水歷時大于4 d、河道水溫大于22.4℃以上的場次洪水過程，且較大規(guī)模的卵苗量集中分布在場次洪水平均流量達到7 000～9 000 m3/s、洪水日漲率達到1 200～2 000 m3/s、洪水漲幅7 000～13 000 m3/s的區(qū)間范圍內(nèi)的洪水過程。

考慮大藤峽水利樞紐下游江段控制斷面流量大于20 000 m3/s時要以防洪調(diào)度為主的要求，所推薦的控制指標峰值應(yīng)控制在20 000 m3/s以下。四大家魚卵苗量所適宜的流量過程模擬以起漲流量、流量漲幅、洪水天數(shù)及漲水歷時作為主要控制指標，起漲流量控制在3 500 m3/s以上，場次洪水平均流量控制在5 000 m3/s以上，漲率控制在1 000 m3/s以上，漲幅2 800 m3/s以上；漲水天數(shù)為4 d；退水時間需首先滿足魚卵孵化時間所需要的36～72 h，從偏安全考慮，確定退水天數(shù)為3 d；退水流量需保證魚卵漂浮不下沉，相應(yīng)沿程流速需保證0.25 m/s以上，結(jié)合大藤峽水利樞紐以下江段的數(shù)模計算結(jié)果，流量應(yīng)保證在3 500 m3/s以上。綜上所述，分別選擇起漲流量為3 500 m3/s左右，漲率選擇600 ～1 000、1 000 ～2 000、2 000 ～3 000 m3/s，漲水天數(shù)均為4 d、退水天數(shù)為3 d的低、中、高3次流量過程(表2)。

根據(jù)大湟江口水文站2007—2013年逐日水文統(tǒng)計分析，4月中下旬至5月上旬以后，水溫均在22.4℃以上(僅2011年5月16—19日水溫略低于22.4℃，期間最低水溫為22℃)。從水溫的角度，東塔魚類產(chǎn)卵場魚類繁殖期水量調(diào)度時機最早出現(xiàn)在4月中下旬，5月中旬以后均可滿足水溫要求。

表2 大湟江口高中低不同流量級下的流量過程 單位：m3/s

2.4 控制指標出現(xiàn)頻次分析

根據(jù)高中低流量級下產(chǎn)卵場斷面流量過程，對大湟江口水文站1956—2013年的實測逐日流量系列進行統(tǒng)計，分析每年4—7月大湟江口水文站分別滿足高流量、中流量、低流量級過程的次數(shù)。結(jié)果表明，大湟江口水文站平均每年發(fā)生滿足高、中、低流量級的流量過程次數(shù)為3.0次，其中高流量級為1.8次，中流量級0.6次，低流量級0.6次。發(fā)生滿足流量過程次數(shù)最多的是1981年，共發(fā)生5次；發(fā)生滿足流量過程次數(shù)最少的是1977年，僅有1次小洪水過程滿足要求。4、5、6、7月滿足流量過程的次數(shù)分別為12、59、66、32次。

對滿足高、中、低流量過程不同次數(shù)的比例進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在70年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，每年出現(xiàn)3次滿足高、中 、低流量過程的比例最大，占比48%，其次是每年出現(xiàn)2、4次過程，分別占比28%和21%。對于不同流量級，每年出現(xiàn)高流量級的次數(shù)主要為1～2次，占比達81%，出現(xiàn)3次的比例為15%；每年出現(xiàn)中流量級的次數(shù)主要為0～1次，占比達90%，出現(xiàn)2次的比例為10%；每年出現(xiàn)低流量級的次數(shù)主要為0～1次，占比93%，出現(xiàn)2次的比例7%。可以看出，大湟江口水文站每年出現(xiàn)符合高、中、低流量過程的次數(shù)在1～5次，以每年出現(xiàn)3次的比例最高，且以高流量過程為主；出現(xiàn)的月份主要在5—6月，其次是7月，4月較少出現(xiàn)符合高、中、低流量過程。

3 大藤峽水利樞紐魚類繁殖期水量調(diào)度要求

自2016年起，珠江委連續(xù)開展西江干流生態(tài)調(diào)度方案試驗。根據(jù)調(diào)度實踐經(jīng)驗，表明四大家魚等主要魚類產(chǎn)卵繁殖需一個漲退水過程，每次過程歷時約9 d，每年出現(xiàn)頻次1～5次，以3次為主，漲退水過程的適宜流量在3 500～15 000 m3/s；當沒有適宜的漲退水過程時，即使流量大于3 000 m3/s，亦未能監(jiān)測到大規(guī)模的四大家魚產(chǎn)卵行為。綜合魚類卵苗量與水文特征值的分析結(jié)果、近年西江干流魚類繁殖期生態(tài)試驗調(diào)度結(jié)果，建議大藤峽水利樞紐的調(diào)度要求如下。

3.1 調(diào)度流量指標要求

大藤峽水利樞紐位于東塔魚類產(chǎn)卵場上游10 km，是距離東塔產(chǎn)卵場最近的流域控制性工程，可作為流域生態(tài)調(diào)度的重要節(jié)點，在生態(tài)調(diào)度期間使大湟江口斷面流量過程滿足調(diào)度目標要求，即具體調(diào)度目標分為3個流量級，洪峰流量分別為5 000～8 000、8 000～12 000、12 000～15 000 m3/s的低、中、高流量級調(diào)度過程，且以中、高流量級的調(diào)度過程為佳。具體調(diào)度過程控制要求如下：大湟江口流量達到3 500 m3/s以上，漲水天數(shù)至少為4 d，漲水階段流量的日均漲率需達到1 000 m3/s以上，退水階段退水天數(shù)不小于3 d，魚卵漂程范圍內(nèi)流速大于0.25 m/s(對應(yīng)大湟江口流量不小于3 500 m3/s)。

3.2 調(diào)度時間要求

根據(jù)歷史文獻記載的四大家魚主要產(chǎn)卵季節(jié)確定調(diào)度時間為每年的4—7月，但從4月水溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，4月水溫總體偏低，一般要到4月底才能達到四大家魚最低適宜產(chǎn)卵水溫；從歷史實測流量系列統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，4月出現(xiàn)滿足調(diào)度流量過程要求的次數(shù)僅為12次，僅占總次數(shù)的7.1%；從2016年起連續(xù)3年的試驗調(diào)度情況看，每年的試驗調(diào)度均在5月以后才有適宜的來水開展試驗調(diào)度。因此建議在每年的5—7月，預(yù)報上游有適宜的漲水過程時，開展大藤峽水利樞紐工程魚類繁殖期水量調(diào)度。

3.3 調(diào)度頻次要求

從大湟江口水文站滿足高、中、低流量過程次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，每年出現(xiàn)滿足高、中、低流量級過程的次數(shù)主要為2～3次，且以高流量過程為主，綜合歷史統(tǒng)計結(jié)果，在實施魚類繁殖期調(diào)度時，結(jié)合每年來水情況，建議調(diào)度次數(shù)2～3次為宜；若遭遇特枯年份，流域持續(xù)無明顯漲水過程，建議在每年7月下旬開展一次低流量級過程調(diào)度。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本研究針對大藤峽水利樞紐壩下東塔魚類產(chǎn)卵場，選擇了對水文情勢最為敏感的四大家魚作為調(diào)度目標魚類，結(jié)合近年來珠江委等單位在西江干流所開展的魚類早期資源量監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細分析東塔產(chǎn)卵場魚類早期資源量與水文特征值的相關(guān)關(guān)系，分別推求出能刺激四大家魚產(chǎn)卵時的適宜水文過程，最終推薦大藤峽水利樞紐在魚類繁殖期水量調(diào)度要求：在每年的5—7月，當大湟江口流量達到3 500 m3/s以上，且預(yù)報上游有適宜的漲水過程時，開展大藤峽水利樞紐工程魚類繁殖期生態(tài)調(diào)度；調(diào)度時應(yīng)控制大湟江口流量漲水天數(shù)至少為4 d，漲水階段流量的日均漲率達到1 000 m3/s以上，退水階段退水天數(shù)不小于3 d，并控制魚卵漂程范圍內(nèi)流速大于0.25 m/s(對應(yīng)大湟江口流量不小于3 500 m3/s)；結(jié)合每年來水情況，建議調(diào)度次數(shù)2～3次為宜；若遭遇特枯年份，流域持續(xù)無明顯漲水過程，建議在每年7月下旬開展一次低流量級過程調(diào)度。

4.2 建議

魚類繁殖期水量調(diào)度應(yīng)在確保防洪安全的前提下實施，統(tǒng)籌兼顧電力供應(yīng)、航運交通等多方需求，形成滿足目標魚類繁殖期需求的流量過程。

加強大藤峽水利樞紐影響范圍內(nèi)河段的水文、水動力和水生態(tài)等多要素綜合性監(jiān)測，不斷積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深入研究本江段主要魚類洄游、產(chǎn)卵及發(fā)育所需的生境條件，使生態(tài)調(diào)度逐步從單一的滿足代表性魚類繁殖需求，向構(gòu)建以魚類多樣性保護為主的健康河流生境方向轉(zhuǎn)變。