棲息地適宜度理論在生態航道護岸魚巢結構設計中的應用研究

◎ 程華明 鮑鴻鵠 郝建新 劉佰文

1.江蘇省交通運輸廳港航事業發展中心；2.宿遷市港航事業發展中心；3.東南大學交通學院

宿連航道作為江蘇省干線航道網“五橫”中最北的“一橫”，全長329公里。宿連航道一期工程作為部分人工開挖的航道，斷面寬度有限，因此在有限的土地資源上建設魚巢結構的直立式護岸，對于航道的綜合開發和沿線綠色生態廊道的建設具有重要的實踐意義。國外許多學者和設計人員對河道生態護岸進行了大量的研究和設計改進工作。但總體上，對于護岸的魚巢結構設計基本都是基于規范和經驗進行。護岸的水動力特性是影響水生生物的重要因素，本研究通過對宿連航道一期工程水域的水生生物進行調查，將棲息地適宜度理論應用于護岸魚巢結構設計中，期望對類似航道工程提供指導和參考。

1.雙棲息地適宜度（HSI）模型理論

棲息地適宜度（Habitat Suitability Index，簡稱HSI）模型理論是生態學上用于描述物種豐富度和生態變量之間關系的方法。通過棲息地適宜度方程，對航道水域主要物種生存、繁殖的生態因子進行綜合評價，確定棲息地的適宜度，對于航道的生態保護與修復具有重要作用[1]。

棲息地適宜度模型的應用通常假設：物種或種群主動選擇適宜其生存的生境；物種存在和環境變量（食物、水、隱蔽物和其他非生物因素）存在線性關系，這種假設的線性關系主要來自經驗數據、專家意見或二者結合。在研究中，HSI取值范圍一般為0～1.0，0表示不適宜生境，1.0表示最適宜生境。

棲息地適宜度模型建立過程包括：獲取生境資料，即找出影響物種資源的主要生態因素（即關鍵因子），并對其進行評價；構建單因素適宜度函數，確定生態影響因子之后就是確定單因素與適宜度的關系曲線，即棲息地適宜度曲線[2-3]；賦予生境因子權重，研究中多采取專家知識結合實測數據擬合來確定；計算整體HSI值，本研究采用連乘法：

式中H為棲息地適應性指數HSI；i為因子序號；n為影響因子總數；Si為第i個影響因子的Si值；繪制HSI分布圖，通過生成圖形可輕易辨別某物種在研究段內的棲息地適宜度[4]。

本棲息地適合度模型的研究區域為宿連航道一期工程近岸區域，結合生態本底調查分析對主要物種進行棲息地適宜度的建模與分析。

2.棲息地適合度（HSI）模型構建及分析

2.1 生態本底調查及分析

調查取樣位置為京杭運河與宿連航道的交界區域。本底調查內容主要包括：水質、沉積物、葉綠素、浮游植物、浮游動物、底棲動物、固著生物、漁業資源等。根據該地區生物學特征和樣本，重點對浮游植物、底棲動物、漁類進行分析。

2.1.1 浮游植物群落結構

浮游植物的主要種類共計37種，見表1。浮游植物作為水域中生命有機體的最原始生產者，其組成與多樣性的變化將直接影響到江湖生態系統的結構與功能。

表1 浮游植物種類組成

2.1.2 底棲動物群落結構

本次調查共發現底棲動物3門7種。從門類組成上看，其中環節動物門2種，軟體動物門3種，節肢動物門2種。底棲動物門類組成如表2所示。

表2 底棲動物門類組成

2.1.3 魚類資源結構

生態本底調查共采集魚類8種，19尾，重量為652.9g，整體漁獲物重量適中，以小型魚類為主，其中刀鱭數量最多。組成如表3所示。

表3 魚類資源種類組成

2.2 棲息地適合度（HSI）模型構建及分析

根據生態本地調查結果，選取主要藻類、河蜆和刀鱭作為棲息地適合度（HSI）模型構建分析的代表物種。

2.2.1 藻類

由于區域地理特性、自然氣候條件、水生生態系統和污染特性等存在諸多的不同，宿連航道一期工程區域藻類主要考慮流速、光照、水溫三個棲息地適宜度條件。

采用幾何平均法進行計算：

V1、V2、V3即流速、光照、水溫的適宜度指數，用來評價研究區域該因素對藻類生存的好壞程度。

根據工程段情況及生物學研究成果：影響藻類棲息地的主要生態因子V1的適宜度曲線如圖1，V2可取為0.8，V3取為1（研究段溫度25℃左右），結合水流情況和棲息地適宜度方程，運算得出研究段內各處的藻類棲息地適宜度[5]。

圖1 浮游植物生態因子棲息地適宜度曲線

2.2.2 河蜆

本研究以河蜆作為代表。河蜆棲息于底質多為沙、沙泥或泥的江河、湖泊、溝渠、池塘及河口咸淡水水域。河蜆棲息地適宜度從水流條件（Flow condition）和底質條件（Substrate condition）兩方面考慮，得到棲息地適宜度：

其中，F C代表水流條件：FC=(V1·V2·V3)1/3；S C代表底質：SC={V4·V5}1/2。

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水溫、水深、流速、底質組成、底質深度為適宜度指數。可以用來評價研究區域該因素對河蜆生存的好壞程度。

根據工程段情況及生物學研究成果：V1可取為0.7（研究段溫度25℃左右），V4、V5均取為1。結合水流情況和棲息地適宜度方程，運算得出研究段內各處的河蜆棲息地適宜度，主要生態因子適宜度曲線，見圖2。

圖2 河蜆生態因子棲息地適宜度曲線

2.2.3 刀鱭

魚類主要選擇調研數量最多的刀鱭作為代表物種進行研究。刀鱭棲息地適宜度主要生態因子參考生物學研究成果，選擇水位變幅、流速、水溫和溶解氧四個生態因子。棲息地適宜度用幾何平均法進行計算：

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水位、流速、溫度、溶解度為適宜度指數，是用來評價研究區域該因素對刀鱭生存的好壞程度。

根據工程段情況及生物學研究成果：V1可取為0.8，V3可取為0.7（研究段溫度20℃左右），V4取為0.8，結合水流情況和棲息地適宜度方程，運算得出刀鱭棲息地適宜度[6]。刀鱭棲息地的主要生態因子適宜度曲線，見圖3。

圖3 刀鱭生態因子棲息地適宜度曲線

3.護岸魚巢結構設計工程應用

宿連航道一期工程所在區域沿線地質基本為粉質粘土和黏土，最高通航水位取20年一遇設計洪水位。設計方案應用于最高通航水位16.81m，最低通航水位15.51m工程段。

3.1 設計方案棲息地適合度（HSI）分析

設計魚巢位置以最低通航水位為設計參照位置，臨水面采用圓形魚巢，內部空間采用長方形空箱結構。在確定結構魚巢位置時根據漁業專家建議考慮不同水層的生物分布特征（浮游植物、兩棲動物、魚類），對多種魚巢位置和魚巢大小的設計方案先通過水動力數值模擬對孔內及附近水流進行流速分析，然后進行棲息地適合度（HSI）分析，優選出魚巢護岸底部0.55m處、魚巢尺寸為0.5m的方案。

通過該方案不同物種的HSI分析，其生態適宜度綜合分布如圖4所示。

圖4 棲息地適合度綜合分析（①藻類②底棲類③魚類）

設計方案中流速較大區域主要集中在魚巢頂部區域，魚巢空間內部整體流速仍然較小。航道表層因船舶行駛等形成的船行波在魚巢結構內產生的流速分布整體較小[7]。空間底部經過前部魚巢底檻的防護形成了基本靜態的流場，航道內的波浪水流等外部條件對魚巢底部的影響較小，魚巢空間內可以保證安靜的流場環境，適合底層水中魚類進行各種生物活動，空間內穩定的流場環境與內部放置的樹枝也可為魚類活動提供穩定安全的庇護場所[8]。

3.2 魚巢結構設計方案

根據棲息地適合度（HSI）分析結果，對預制魚巢結構方案設計如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 設計方案俯視圖

圖6 設計方案主視圖

圖7 設計方案側視圖

4.結論

本研究根據航道工程區域條件，確定了影響物種資源的主要生態因素，制定了不同環境變量的適合度函數，確定環境變量的生態適合度曲線，構建宿連航道一期工程區域浮游植物、底棲動物、魚類三類主要物種的棲息地適合度（HSI）模型。根據棲息地適合度（HSI）模型對不同魚巢位置和魚巢大小的設計方案進行了優選，并對設計方案進行了詳細論證，使設計方案有“理”可循，有“法”可依，實現了航道工程在生態建設上的進一步探索。