高流量脈沖作用下河流交匯區魚類水力生境指標時空變化

關鍵詞：高流量脈沖；交匯區；魚類水力生境指標；時空分布特征

中圖分類號：ＴＶ１２１＋ ．７；Ｘ１７１．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１７

引用格式：汪賢瑤，鐘亮，姜利．高流量脈沖作用下河流交匯區魚類水力生境指標時空變化［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１０３－１０８，１１２．

干支流交匯區復雜的水流結構和地形條件為水生生物提供了多樣化的棲息地［１－２］ 。嘉陵江是長江的支流，于重慶朝天門匯入長江。根據水流交匯特性，把交匯區水流分為水流停滯區、水流偏轉區、回流分離區、最大流速區、水流恢復區和剪切層［３］ ，支流入匯使交匯區水位和流速發生變化，對魚類水力生境產生影響。開展高流量脈沖作用下魚類水力生境指標的時空變化特征研究，對河道魚類資源保護和生態航道工程建設等具有重要意義。

魚類棲息地包括產卵場、索餌場、越冬場和洄游通道［４］ 。目前，國內外學者對魚類產卵場水力生境已有一定研究，Ｍｏｉｒ 等［５］ 認為流速是描述魚類產卵場水力學特征的重要指標；Ｂｏｏｋｅｒ 等［６］ 運用三維流場模型模擬了魚類產卵場的水流環境；易雨君等［７］ 通過分析四大家魚的繁殖特性，構建了四大家魚棲息地適宜度方程；張文鴿等［８］ 、郭文獻等［９］ 對魚類棲息地生境進行模擬，分析了流量與微生境適宜性面積的響應關系。

水文過程與生物過程存在相互適應、相互調節的耦合關系；王海秀等［１０］ 基于水文年內高流量脈沖和漲水過程探討了水文情勢變化對魚類產卵的影響；Ｔａｏ 等［１１］研究發現長江中游產卵場魚類繁殖與水文過程有關；邢寶龍等［１２］ 采用二維水動力模型研究了典型洪水過程中魚類水力生境適宜性。

縱觀已有研究成果，交匯區魚類水力生境指標變化研究仍處于起步階段，尚未闡明高流量脈沖過程與水力生境指標時空變化的響應關系。為此，本文以長江與嘉陵江交匯區為研究河段，以四大家魚為代表，采用三維水流數值模擬方法，分析魚類水力生境指標時空變化與高流量脈沖過程的響應關系，以期為干支流交匯區四大家魚生境保護提供參考。

１資料與方法

１．１研究河段概況

研究河段為長江上游干支流彎曲型交匯河段（見圖１），嘉陵江從長江左岸凸岸入匯，入匯角約為４０°，入匯口上下游干支流河段均為微彎河段，深槽靠右岸。長江、嘉陵江均為山區河流，河岸多由基巖、卵石或卵石夾沙組成，河床變形以推移質運動為主，淺灘演變遵循“洪淤枯沖”的規律，深槽表現為“洪沖枯淤”，在兩岸已建擋墻及巖盤、石梁等的約束下，河床年際變化不大，河勢及河段灘槽格局較為穩定。研究河段上游設有朱沱水文站（距朝天門大橋約１４７ ｋｍ）、北碚水文站（距朝天門大橋約５４ ｋｍ），下游設有寸灘水文站，３ 個水文站均具有較為完整的水文資料。

１．２水流數值模擬

基于三維水流數值模擬方法分析研究河段魚類水力生境指標。水流模型基于三維不可壓縮雷諾平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ 方程的解來構建，其服從靜水壓力和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ渦黏性假設。水流模型基本控制方程見式（１） ～式（３）；紊流模型在基本控制方程基礎上引入渦黏系數，見式（４） ～式（５）。

基于２０１８年實測河道地形進行水流數值模擬，數值模擬選取計算區域為長江重慶大橋至寸灘水文站，嘉陵江黃花園大橋至匯合口，計算河段全長約１３．４ｋｍ。采用三角網格，網格邊長為３０ ｍ，共２７ ３５５ 個單元、１４ １７１ 個節點。進口流量采用北碚水文站和朱沱水文站實測流量，出口水位采用寸灘水文站實測水位。水位、斷面流速驗證分別采用２０１２ 年５ 月３０ 日和２０１１ 年９ 月１７ 日的實測資料，見圖２。由圖２ 可以看出，長江與嘉陵江計算水位與實測水位偏差在±０．１ ｍ以內，流速大小及分布與實測值較為吻合，流速偏差在±５％以內，數值模擬計算的流向與浮標跡線走向較為一致。綜上，本文建立的三維水流數值模型的計算精度滿足《水運工程模擬試驗技術規范》（ＪＴＳ／ Ｔ２３１—２０２１）要求，可用于下一步研究。

１．３分析方法

１．３．１高流量脈沖過程確定

根據水文情勢的不同，可把流量過程分為低流量、高流量脈沖、洪水，其中高流量脈沖塑造河道形態、刺激魚類洄流和產卵。根據ＩＨＡ 軟件設定，結合該河段水文條件［１０］ ，將寸灘水文站１９９１—２０２１ 年日流量數據從小到大排序，低于４５％的流量為低流量；流量頻率為４５％～７０％，流量日漲幅超過１５％為高流量脈沖開始，直至日降幅超過１０％結束。由于產卵繁殖期較少發生洪水，因此將洪水列入高流量脈沖，統稱為高流量脈沖。

研究表明［１３］ ，刺激四大家魚產卵的有效漲水過程需持續３ｄ 及以上，且一次連續漲水需超過０．５ ｍ。四大家魚產卵繁殖期為每年的４—７ 月，結合四大家魚產卵習性與高流量脈沖過程，選取２０１８年汛期５月２２日至５ 月３０日發生的脈沖過程作為典型高流量脈沖過程（寸灘水文站起始流量Ｑ_起始為９ ７１０ ｍ^３／ｓ，峰值流量Ｑ_峰值為２０ ７７５ ｍ^３／ｓ，終止流量Ｑ_終止為９ ４０７ ｍ^３／ｓ），見表１。Ｔ１—Ｔ３ 時段為漲水階段，長江上游與嘉陵江上游來流量均急速上升，水位變化大，流量大幅度波動導致水體流動不平穩，長江來流量大于嘉陵江；Ｔ４—Ｔ６ 時段為落水階段，長江來流量減幅大于嘉陵江，水位、流量均快速下降。

長江與嘉陵江交匯區干支流上游河段存在四大家魚洄游通道和產卵場，下游距離四大家魚保護區較近且存在產卵場，交匯區河段為四大家魚的重要洄游通道［１４－１５］ 。流速變化影響適宜度指數，并通過改變水動力條件塑造多樣化的微生境面積，從而影響魚類分布。

１．３．２魚類水力生境指標量化

根據影響四大家魚產卵棲息的各環境因子適應性曲線，建立四大家魚產卵棲息地適宜度評價模型［１６］ ，棲息地適宜度指數ＳＨ和微生境適宜性面積（Ａ）計算公式為

２結果與討論

２．１流速

１）斷面分布特征。各斷面在不同脈沖時刻的流速分布見圖３，兩江交匯河段地形為“左凸右凹”，支流以接近直角沖擊長江干流，兩股水流相互擠壓，支流流向發生偏轉，產生流向偏轉區；深槽向右岸發育，主流被壓縮至凹岸，形成最大流速區；受附壁效應和彎道干流擠壓影響，水流經凸岸受阻礙形成回流，出現橢圓狀貼壁的回流分離區。Ｔ１—Ｔ３ 時段為漲水過程，交匯區內水位、流速急速上升。交匯區水流混摻，干支流水體隨著漲水過程頂托增強，由于長江來流漲幅均大于嘉陵江，支流水流能量被消耗，因此回流分離區寬度逐漸減小，向凸岸側收縮；河道凹岸最大流速區隨漲水過程向邊灘及深槽延伸。漲水過程中支流流量小于干流流量，兩江水流強度差異較大，沿程各斷面流速分布與漲水趨勢基本一致。Ｔ４—Ｔ６ 時段為落水過程，兩江來流逐漸減小，干流對支流頂托作用減弱，最大流速區范圍隨落水過程被壓縮；回流分離區向凹岸側增大。

２）垂線平均流速。高流量脈沖過程中，斷面垂線平均流速發生顯著變化，典型斷面垂線平均流速變化見圖４。流速變化與流量漲落趨勢基本一致，隨著流量的增大，河道流速增大；由于支流側受凸岸邊壁影響產生回流，因此主槽區流速隨流量的變幅大于回流分離區的。ＣＳ２ 斷面左側為嘉陵江來流，受長江較大流量擠壓，流向發生偏轉，漲落水過程中流速均低于２ｍ／ ｓ；右側深槽Ｔ３ 時刻流速均值高達２．５ ｍ／ ｓ。交匯區ＣＳ３、ＣＳ４ 斷面左側彎道對水流產生的阻礙力逐漸增強，回流分離區流速在０～１ ｍ／ ｓ 波動；右側主流區變幅與脈沖過程一致。

２．２適宜度指數

棲息地適宜度指數（Ｓ_Ｈ）是評價生物棲息地適宜性的指標，綜合了流速適宜度和水深適宜度。Ｓ_Ｈ 取值范圍為０～１．０，其中０ 為不適宜棲息的生境、１．０ 為最適宜棲息的生境。研究表明，一般Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區域較適宜四大家魚產卵棲息［１７］ 。

１）各斷面適宜度指數隨時間的變化。交匯區各斷面棲息地適宜度指數Ｓ_Ｈ隨時間的變化見圖５。沿程各斷面棲息地適宜度指數Ｓ_Ｈ 呈河底大、水面小的趨勢。在高流量脈沖過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８ 的區域集中在河道邊灘和河底，該區域較適于魚類產卵棲息。漲水過程中，支流來流小于干流，凸岸回流分離區水流流速小、水位低，總體不適宜魚類繁殖棲息，右側主流區Ｓ_Ｈ ＞０．８的區域處于深槽水體中下層及凹岸邊灘。各斷面Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區域隨漲水過程向水體中下層及凸岸邊壁偏移。至Ｔ３ 流量峰值時刻，主流區流速達峰值，大部分區域Ｓ_Ｈ較小，為０～０．３，支流來流增加，回流分離區流速整體較為適宜魚類繁殖棲息，靠近凸側河槽底部出現Ｓ_Ｈ 最大值，接近于１．０。落水階段（Ｔ４—Ｔ６ 時段），適宜四大家魚繁殖棲息區域的變化與漲水階段相反，魚類繁殖棲息理想生境面積隨著落水過程逐漸增大，凸岸邊灘因支流流量減小適宜棲息范圍被壓縮至凹岸深槽及邊灘處，Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區域隨脈沖過程逐漸向凹岸河槽及邊灘偏移。說明流速、水位變幅較大的漲落水過程可能造成交匯區適宜四大家魚繁殖棲息生境面積減少，但支流入匯口以及低流量下主流區存在適宜魚類繁殖棲息的理想生境。

２）適宜度指數沿河寬變化情況。典型斷面四大家魚棲息地適宜度指數沿河寬變化見圖６。ＣＳ２ 斷面左側為嘉陵江來流，在漲落水過程中Ｓ_Ｈ變化規律基本一致，高流量漲水過程中，水深、流速超過適宜度閾值，低流量下河道為魚類提供適宜的繁殖棲息地。ＣＳ３ 斷面，支流入匯，左側受干流頂托，流速、水深較小，不利于魚類繁殖棲息。ＣＳ４ 斷面深槽處Ｓ_Ｈ 均低于０．８，表明過大的流量不利于魚卵孵化；落水過程中，在回流區與最大流速區適宜度指數逐漸增大相反，回流分離區高流量以及變幅較大的脈沖過程更有利于四大家魚繁殖棲息。

２．３微生境適宜性面積

計算出匯流區域各單元棲息地適宜度指數Ｓ_Ｈ后，根據式（７）可計算由Ｓ_Ｈ加權得到的微生境適宜性面積Ａ。由于面積與河道長度有關，因此統計時將面積轉換為１ ｋｍ 長度的數值。不同Ｓ_Ｈ 范圍Ａ 變化見圖７。高流量脈沖過程中，０．８＜Ｓ_Ｈ ＜１．０所對應的微生境適宜性面積Ａ占比較大，接近５０％，表明在高流量脈沖下，交匯區大部分區域為四大家魚繁殖棲息的理想生境。由于河道匯流比Ｒ_Ｊ先減小后增大再減小，匯流比隨脈沖過程發生變化，Ｔ１ 時刻嘉陵江來流占比較大，支流微生境適宜性面積增大，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 隨漲水呈先減小后增大的變化趨勢；落水過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 隨流量的減小而減小。漲水過程的微生境適宜性面積Ａ均高于落水的，說明適宜的流量漲幅刺激四大家魚繁殖棲息。Ａ 隨漲落水呈先增大后減小的變化趨勢，整體變化趨勢與漲落水變化趨勢一致，Ａ 峰值出現在脈沖峰值Ｔ３ 時刻，河道水位抬高，為魚類提供更多的棲息區域。

３結論

１）漲水階段，干支流頂托作用增強，支流入匯在左側形成回流分離區，隨漲水回流區寬度縮窄，凹岸最大流速區向邊灘及深槽延伸；落水階段，流速遞減變化趨勢與漲水相反，流速整體變化趨勢與脈沖過程保持一致。

２）隨著流量的變化，適于魚類產卵棲息的區域在深槽和邊灘間移動。棲息地適宜度指數Ｓ_Ｈ大于０．８的區域，隨漲水過程向河底及凸岸邊壁處偏移，主流區大部分區域的Ｓ_Ｈ較小；落水過程交匯區適宜魚類繁殖棲息的范圍被壓縮至凹岸深槽及邊灘。

３）高流量脈沖條件下，微生境面積與漲落水具有一定相關性。交匯區微生境適宜性面積Ａ 隨漲落水呈先增大后減小的變化趨勢，Ａ 峰值出現在脈沖峰值Ｔ３時刻。在此脈沖過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的微生境適宜性面積占比較大。