费 启 航,彭 涛,2,由 星 莹,刘 伯 娟,石 小 涛,2

(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2.三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省汉江兴隆水利枢纽管理局,湖北 潜江 433126; 4.湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430070)

0 引 言

河流作为陆地生态系统和水生态系统间物质循环和能量传递的主要通道,在流域生态平衡中起着十分重要的作用[1]。水资源过度开发和不合理利用导致河流不同程度的生态退化,其中,在河流上大规模筑坝建库是河流生态系统受人为影响最显著、最广泛的事件之一[2]。大坝的淹没、阻隔、径流调节显著改变了河道原有的水文条件,破坏了河流生态系统的结构完整性和空间连续性,诱发系列问题,特别是伴随着难以成本量化的河流生态系统退化和生物多样性丧失[3]。据统计,目前全球共有高15 m以上的大坝5.8万余座,其中中国有2.3万多座,占全球总数的40.6%[4]。为应对筑坝建库、大规模引水等水利工程建设所导致的河流生态问题,协调水资源开发利用与河流生态保护之间的矛盾,研究者开始关注河流生态流量,并逐渐成为国内外学术界研究的前沿和热点领域[5-7]。

目前,全球范围内关于生态流量的研究方法超过200种[8],大体分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体综合法。水文学法是被最广泛使用的方法,其优点在于不需要现场测定,操作简单、适用性强,但缺乏明确的生态学意义[9];水力学法则在水文学法的基础上增加了河道断面参数,包含了具体的河流和生物信息,但缺乏对生态系统整体性考虑[10];整体综合法融合了多种学科,是目前生态流量评估最为合理的一种方法,但其数据要求高,操作复杂,过程繁琐,不利于实现[11]。栖息地模拟法通过模拟流量与指示物种栖息地质量之间的定量关系,可以获得物种不同生命阶段的生态流量[12],与其他计算方法相比,具有明晰的物理机制,因而得到了广泛应用[13-15]。但已有研究侧重某一种物种对流量单一水文要素的需求,缺乏对河流生态系统完整性的考虑,且忽视了生命节律信号对指示物种生长和繁殖的关键作用,使得计算成果难以满足生态调度实践和河流生态修复的需要。

由于汉江中下游梯级水利枢纽相继建成以及南水北调中线工程运行后,汉江中下游水文情势发生显著变化,从而引起鱼类资源萎缩、水华频发等一系列生态问题[16]。由此可见,开展梯级水库影响下汉江中下游生态流量研究,对于河流生态修复具有重要现实意义。目前,汉江流域生态流量研究方面已取得了一些成果,但大部分研究采用水文学法和水力学法推求生态流量[17-18],难以反映流量与生物之间的响应关系。目前虽有学者基于栖息地模拟法计算汉江中下游生态流量[19],但仅考虑鱼类产卵期的生态需求。为此,本文选择汉江下游四大家鱼栖息地的典型河段,利用River 2D栖息地模型建立四大家鱼加权可利用面积与径流条件的响应关系,并结合汉江下游天然水文情势提出产卵期和生长期的生态流量及高流量脉冲,最后与Tennant法和实际生态监测结果进行比较,验证其合理性,为流域水资源管理与水库生态调度提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

汉江是长江最长的支流,发源于陕西省秦岭南麓,干流全长1 577 km,流域面积15.9万km2。丹江口水库以上为汉江上游,长约925 km;丹江口水库至皇庄站为中游,长约270 km;皇庄站以下为下游,长约382 km。20世纪70年代丹江口水库建成后,产漂流性卵鱼类主要产卵场有王甫洲、茨河、宜城、马良、泽口等9处,四大家鱼产卵规模约为9亿粒[20]。随着王甫洲、崔家营、兴隆等梯级水利枢纽相继建成,汉江中下游四大家鱼产卵场以及产卵规模急剧缩减。2018年,汪登强等[20]在汉川监测到四大家鱼卵0.33亿粒,并推测汉江下游存在泽口、张港、彭市、仙桃4处四大家鱼产卵场。汉江中下游流域、主要水文站及鱼类产卵场位置见图1。

图1 汉江中下游主要水文站和鱼类产卵场位置

1.2 数据来源

研究河段的河道地形采用2016年实测地形资料。

1964～2017沙洋站和1972～2017年仙桃站逐日流量资料来源于长江水利委员会水文局,2000～2017年岳口站和汉川站逐日水位资料来自湖北省水文水资源中心。由于汉江下游无大型支流汇入与流出,模型上下游边界的流量与水位则用相近水文站进行线性插值的方法进行推求。

2 研究方法

2.1 指示物种及关键生境因子选择

在河流生态系统中有许多生物群落,而鱼类在其中是顶级群落,它们对其他类群的存在和丰度有着重要作用。鱼类可作为河流生态系统的关键物种,反映河流水生生态系统的健康状况[13]。根据汉江下游河流生态系统的特点,综合考虑濒危程度、遗传价值和物种价值等因素,将四大家鱼作为研究河段鱼类优先保护目标。青鱼(Mylopharyngodonpiceus)、草鱼 (Ctenopharyngodonidella)、鲢鱼 (Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)合称四大家鱼,属于鲤形目、鲤科,是中国重要的淡水经济鱼类,具有重要的遗传育种价值。汉江是四大家鱼天然产卵场分布区之一[20]。丹江口水库下闸蓄水以后,汉江中下游水文情势发生显著变化,使得四大家鱼原有的生长繁殖条件遭到破坏,产卵规模和鱼类资源严重衰减。因此,选择以四大家鱼作为研究河段的指示物种,探究四大家鱼栖息地与水文过程的响应关系,对于河流生态系统恢复及土著鱼类群落保护具有重要意义。

鱼类个体的整个生命阶段分为产卵期、仔鱼期、稚鱼期、幼鱼期、未成熟期、成鱼期和衰老期[21]。由于目前许多学者侧重考虑目标物种产卵期的生态流量需求,而对其他生命阶段考虑相对较少,难以满足河流生态完整性的需要。因此,本研究综合考虑四大家鱼生存繁衍中比较重要的亲鱼产卵期(5～8月)和仔鱼、稚鱼、幼鱼生长期(9～11月)生态流量需求,使结果更具代表性和可靠性。四大家鱼属于典型的产漂流性卵鱼类,亲鱼产卵需要一定的流速刺激,并且流速对产漂流性卵的鱼以及刚孵出鱼苗的成活至关重要,流速过低,可能会有使鱼卵沉底或被其它鱼类吞食,存活率较低;流速过高,尚未发育完全的鱼苗无法适应环境,也无法正常生存。除流速外,水深的大小也决定了水压力、光照等的不同,处于不同阶段的鱼类适宜生活在不同深度的水体当中,因此本文选取流速和水深作为鱼类关键生境因子。对于河道底质,考虑资料可获取性,采用参数简化方法[22],认为河道底质均为最适宜底质,适宜度为1。

2.2 四大家鱼适宜度曲线的建立

适宜度曲线法是栖息地适宜度评价应用最广泛的方法[12],其中栖息地适宜度指数HSI(Habitat Suitability Index)用来定量生物对生境因子的偏好程度,用0～1区间来表示偏好程度,0为最不适宜,1为最适宜。目前,栖息地适宜度指数有二元格式、单变量格式和多变量格式[12]。二元格式即为生境因子确定一个适宜范围,如在范围内适宜度为1,否则即为0;单变量格式利用0～1之间的数值来定义鱼类栖息地的适宜性,是目前普遍使用的格式;多变量格式认为生境因子对生物的影响是相关的,需要综合考虑。本次研究采用单变量格式建立四大家鱼的适宜度曲线。

2.3 栖息地模型构建

2.3.1水动力模型

栖息地模拟法将河道水力参数和指示物种生存所需的关键生境因子结合,推求满足指示物种生存的生态流量,其物理意义明确。栖息地模拟法中,IFIM法是最具代表性的一种方法,但IFIM法仅是一套概念性方法,需要采用相关模型量化流量与栖息地分布之间的关系,如PHABSIM、River 2D等模型。因River 2D能较好地模拟流速和水深的局部动态变化,在河流生态保护与修复评价中得到了广泛应用[13-14]。因此,本文选用River 2D模型进行河段四大家鱼物理栖息地模拟,该模型中包含水动力模型和栖息地模型。River 2D软件内置的水动力模块是基于二维圣维南浅水方程组的平均水深的有限元模拟模型。由于研究河段垂向尺度远小于水平尺度,可用River 2D模型的浅水方程进行二维水动力模拟。

本次模拟选用2016年实测河道地形资料。由于研究河段地形复杂,模型采用三角形网格,同时为确保模型模拟精度,要求网格质量(QI)大于0.1。模型上游边界以流量作为边界条件,下游边界以水位作为边界条件。采用不同的糙率系数进行试算,经率定得到研究河段的糙率系数为0.035。根据沙洋站1965～2017年的逐月平均流量资料,计算得到产卵期与生长期的月平均流量为203～9 392 m3/s,模型设定的上边界流量范围基本涵盖研究河段的实际流量情况。模型边界、网格划分、参数确定及模拟流量范围见表1。

表1 模型边界、网格划分及参数确定

2.3.2栖息地模型

以水动力模型模拟计算结果为基础,将指示鱼类关键生境因子的适宜性指数与河道各水动力参数进行匹配计算,得到Vi、Di和Ci的适宜性值,并对不同生境因子的适宜性值进行乘积计算得到综合适宜性值(CSF),最后将CSF与对应的栖息地面积相乘,得到加权可利用面积(WUA)。计算公式如下:

CSFi=Vi×Di×Ci

(1)

(2)

式中:CSFi为第i个单元格的综合适宜性值;WUA为研究河段的加权可利用面积;Vi、Di、Ci分别为第i个单元格中流速、水深、底质的适宜性值,区间为0～1,1代表最适宜;Ai表示第i个单元格的面积。

2.4 生态流量确定原则

研究表明,为维持河流生态系统的完整性,应考虑四大家鱼不同的生态流量组分,即保证四大家鱼生存极限条件的最小生态流量,满足四大家鱼产卵繁殖等生存需求的适宜生态流量以及刺激鱼类产卵繁殖的高流量脉冲[23]。

本次研究在确定最小生态流量时,选取WUA与流量关系曲线中栖息地面积骤然上升阶段时的流量作为最小生态流量,即关系曲线中的第一个明显转折点,但在实际操作中,转折点的确定存在一定主观性。因此,在参考相关研究成果[14-15]的基础上,结合研究区域的水资源状况,将最大栖息地面积的30%和80%对应的流量作为最小和适宜生态流量。图2为目标物种WUA与流量关系曲线及推荐生态流量示意图。

图2 目标物种WUA与流量关系及推荐生态流量

研究表明,江河涨水引起的水位以及流速的上涨会刺激鱼类进行产卵[24]。郭文献等[25]认为,刺激四大家鱼产卵还需要涨水持续时间在3～8 d,水位上涨率在0.41～0.85 m/d较为合适,且每年至少有1～2次高流量脉冲才能刺激鱼类进行产卵。尚文绣等[23]选取峰值流量、平均流量、持续时间以及发生次数4个指标作为高流量脉冲的关键特征值。本次研究以四大家鱼所需的水文条件为约束,以产卵期最小生态流量为高流量脉冲的下限,设定高流量脉冲涨水持续时间不小于3 d,每年高流量脉冲发生次数不小于2次。

3 结果与讨论

3.1 四大家鱼水深、流速适宜度曲线

参考文献[26-27],结合汉江下游河流特征与四大家鱼的行为特点,分别建立了四大家鱼在产卵期与生长期的水深、流速适宜度曲线(见图3)。在产卵期,四大家鱼适宜流速范围为1.0～1.5 m/s,极限流速为 3 m/s。同时,考虑到四大家鱼为产漂流性卵鱼类,设定流速低于0.3 m/s时鱼卵会下沉死亡;在生长期,四大家鱼幼鱼适宜流速范围为0.6～1.0 m/s,极限流速为1.8 m/s,最低流速阈值为0.1 m/s;由于水深对于产卵期与生长期的鱼类影响相对较小,故水深适宜范围取5～15 m,水深的上下限阈值分别为1 m和30 m。

图3 四大家鱼产卵期和生长期水深、流速的适宜性指数曲线

3.2 栖息地模拟结果

3.2.1模型率定与验证

在4条研究河段中,仙桃段水文资料较为完整,故选取仙桃段进行模型验证。利用2016年仙桃站实测逐月平均流量作为模拟工况,得到仙桃断面的模拟水位,并与实测水位进行比较(见图4)。结果显示,仙桃断面实测水位与模拟水位基本一致,相对误差在±1.08%以内,说明模型模拟效果良好,可用于模拟不同流量下四大家鱼流场及适宜栖息地分布。

3.2.2栖息地面积与流量的响应关系

利用River 2D水动力模型对各个研究河段进行模拟,得到不同流量下四大家鱼栖息地流场及适宜栖息地分布。图5和图6为泽口河段与仙桃河段在典型流量条件下的水深与流速分布。随着流量增加,泽口段与仙桃段的水深与流速均随着流量的增加而增加,仙桃段更为明显,而泽口段由于受河道地形影响而增加并不明显。图7和图8为各河段四大家鱼在产卵期与生长期的栖息地模拟结果。结果显示,在产卵期时,当流量为1 310 m3/s时,各河段主河道出现些许适宜产卵的区域;当流量上涨至3 520 m3/s 时,各河段主河道绝大部分为适宜产卵的区域。而在生长期时,当流量为441 m3/s,各河段主河道存在少部分适合四大家鱼生长的区域;当流量上涨至1 520 m3/s,这些区域几乎覆盖了全部主河道。根据各研究河段不同流量下四大家鱼栖息地模拟结果,建立产卵期与生长期WUA与流量的响应关系曲线(见图9)。

图5 泽口河段典型流量条件下水深与流速分布

图8 泽口、张港、彭市和仙桃河段典型流量下四大家鱼生长期栖息地适宜性分布

图9 泽口、张港、彭市和仙桃河段四大家鱼产卵期、生长期流量与WUA的关系曲线

3.3 生态流量推荐值

(1) 产卵期(5～8月)。由图9可以看出,各河段四大家鱼的Q-WUA曲线变化基本一致,均为由快到慢的上升,而泽口段由于漫滩地形占比较大,导致流速难以达到四大家鱼产卵的适宜性范围,故产卵期生态流量主要考虑张港、彭市和仙桃3条河段。由不同流量下各河段四大家鱼不同生命阶段WUA占最大WUA的比例可知(见表2),各河段在441～1 310 m3/s流量时,WUA随流量增加而快速增长,当流量达到1 310 m3/s时,3个河段WUA占最大WUA的比例在38.24%以上。因此推荐汉江下游四大家鱼产卵期最小生态流量为1 310 m3/s。在1 310～3 520 m3/s流量时,四大家鱼栖息地面积随流量增加的幅度变小,当流量达到3 520 m3/s时,3条研究河段WUA占比在80.82%以上。故汉江下游四大家鱼产卵期适宜生态流量的推荐值为3 520 m3/s。

(2) 生长期(9～11月)。当流量为441 m3/s时,泽口段生长期WUA占比为17.61%,而其他3条河段WUA占比在33.83%以上,能保证四大家鱼生长发育需求,考虑到泽口段特殊的河道地形导致河床窄浅的情况,故推荐汉江下游四大家鱼生长期最小生态流量为441 m3/s。当流量达到1 520 m3/s时,泽口段栖息地面积占比为49.42%,其他3条河段WUA占比在80.27%以上,故推荐汉江下游四大家鱼生长期适宜生态流量为1 520 m3/s。

(3) 高流量脉冲。江河的涨水对四大家鱼产卵行为具有刺激作用。汪登强等[20]和谢文星等[28]在汉江下游沙洋和汉川断面监测到洪水过程与卵苗数量的关系,要求涨水持续时间大于4 d,流量日涨幅在287～734 m3/s时,四大家鱼卵苗开始大量出现。由于丹江口水库运行对汉江中下游水文情势产生了深刻影响,因此可以将丹江口水库建成之前坝下实测流量过程看作近似的天然状态。本文以1973年丹江口水库建成为时间节点,将流量超过2 510 m3/s(1964～1972年四大家鱼产卵期累积频率25%对应的流量)且持续涨水时间(从脉冲初始流量达到1 310 m3/s算起)超过3 d的流量事件视为高流量脉冲,分别统计建库前后沙洋站典型时段的涨水发生次数、峰值流量、平均流量、日均流量涨幅和持续时间的均值(见表3)。由表3可得,建库后 (1973～2017年),5月的涨水发生次数显著降低,且流量涨幅较小,故5月的流量过程难以达到四大家鱼产卵需求。此外,整个产卵期 (5～8月) 流量涨幅均下降,5、6月峰值流量未达到适宜生态流量推荐值(3 520 m3/s),这对四大家鱼产卵规模的增加是不利的。

表3 丹江口水库运行前后沙洋站高流量脉冲特征值

为刺激四大家鱼产卵行为以及增加其产卵规模,恢复汉江下游河段高流量脉冲过程,推荐丹江口水库至少实施2次生态调度。由于每年产卵触发信号对于产漂流性卵鱼类十分重要,故推荐在5月上旬开始进行第1次生态调度,通过模拟河流自然涨水过程向四大家鱼释放产卵信号,促进亲鱼性腺成熟;第2次生态调度在6月中旬实施,通过水库调节塑造高流量脉冲,进一步促进四大家鱼大规模自然产卵繁殖。具体地,在四大家鱼产卵期丹江口水库择机开展生态调度,增加出库流量,提高汉江下游的日流量上涨率和持续时间,要求高流量(大于1 310 m3/s)天数至少有3 d,流量上涨率在287～753 m3/(s·d),且峰值达到3 520 m3/s。参考沙洋站天然时期高流量的重要特征值,在产卵期增设2次高流量脉冲过程(见表4)。

表4 汉江下游四大家鱼产卵期高流量脉冲推荐值

3.4 讨 论

3.4.1与Tennant法结果比较

Tennant法为目前国外广泛应用的水文学方法,该方法以河流多年平均流量为基础,分析不同百分比的多年平均流量条件下河流栖息地状态。基于栖息地模拟得到的汉江下游仙桃段生态流量推荐值及与Tennant法的对比见表5。结果表明,栖息地法推求的产卵期最小和适宜生态流量分别处于Tennant法的“最佳”和“超过最大”等级,生长期最小和适宜生态流量分别对应Tennant法的“好”和“最大”等级,有利于重点考虑维持四大家鱼自然繁殖的需要,并能兼顾幼鱼生长发育的需求。因此,本文提出的最小和适宜生态流量推荐值基本满足研究河段四大家鱼产卵场修复以及生态调度的实际需要。

表5 基于栖息地模拟得到的仙桃段生态流量推荐值及与Tennant法比较

3.4.2在实际中的验证

在2018年6月12日,汉江中下游开展梯级联合生态调度试验,创造了一次历时3 d、流量日涨幅为400～1 000 m3/s的高流量脉冲[29],汪登强等[20]于2018年在汉川河段监测到四大家鱼卵苗在流量为1 800～3 300 m3/s时急剧增加,这表明该次生态调度塑造的高流量脉冲能够有效促进四大家鱼产卵。张晓敏等[30]于2007年在沙洋站监测到四大家鱼在流量为900～2 500 m3/s和2 000～8 000 m3/s时有产卵行为,并监测到4个达到6 000 m3/s的洪峰,四大家鱼仅在第一个涨洪阶段进行产卵,说明流量持续过大也不利于四大家鱼产卵。由于梯级水库建成,汉江中下游鱼类繁殖较建坝前推迟了20 d以上,导致四大家鱼在5月基本不产卵。为刺激四大家鱼产卵,汪登强等[20]认为汉江下游流量日均涨幅要达到500 m3/s以上,持续时间不小于5 d;张辉等[19]则认为流量日均涨幅在139.1～534.8 m3/s之间,调度持续时间不小于5 d。本文参照沙洋站天然时期的径流过程,提出维持四大家鱼繁殖的高脉冲流量日均涨幅要求达到287～753 m3/s,涨水时间不小于3 d。因此,本文给出的产卵期生态流量推荐值及高流量脉冲能较好满足四大家鱼产卵繁殖的需求。

3.4.3生态流量满足率分析

研究时段内满足生态流量的天数占研究时段总天数的百分比为生态流量满足率,它可以反映气候变化特别是人类活动对河流生态流量的影响。本文利用1964～2017年沙洋站日平均流量资料分析汉江下游生态流量满足率,结果见图10。

图10 沙洋站四大家鱼产卵期与生长期的生态流量满足率

由图10可见,产卵期(5～8月)最小和适宜生态流量满足率分别为54.84%和9.79%,说明在产卵期,有54.84%的时段能满足四大家鱼产卵行为的最低需求,9.79%的时段为四大家鱼产卵提供适宜的生境条件;生长期(9月～11月)最小和适宜生态流量满足率分别为98.94%和49.45%。由此来看,产卵期生态流量满足率较低,因此有必要实施生态调度提高产卵期的生态流量满足率,为四大家鱼产卵创造良好的条件;而在生长期,最小生态流量满足率接近100%,但在1966年和1997年没有达到100%,且最小生态流量满足率在下降,即枯水年份的干旱程度呈现增加趋势,未来需在枯水年份对四大家鱼生长期进行生态补水。

4 结 论

本文以丹江口等梯级水库影响下的汉江下游河道为例,选取四大家鱼为指示物种,构建了汉江下游栖息地模型,提出了维持四大家鱼产卵期和生长期需求的生态流量及高流量脉冲,得到以下主要结论:

(1) 采用River 2D模型建立了栖息地面积与流量的响应关系,提出了汉江下游四大家鱼产卵期最小和适宜生态流量分别为1 310,3 520 m3/s;生长期最小和适宜生态流量分别为441,1 520 m3/s。

(2) 参照汉江下游天然时期水文情势的关键特征值,提出四大家鱼产卵期需要至少2次高流量脉冲,其高流量(大于1 310 m3/s)持续涨水时间在3 d以上,流量日均涨幅达到287～753 m3/s,且峰值流量需达到3 520 m3/s,以刺激四大家鱼大规模自然产卵繁殖。

(3) 与Tennant法和实际生态监测结果比较,本文提出的生态流量推荐值和高流量脉冲能较好满足四大家鱼产卵繁殖的需要;对比历史实测流量过程,四大家鱼生长期生态流量满足率相对较高,而产卵期满足率明显不足,需要进一步加强汉江中下游梯级水利枢纽的联合生态调度,塑造维持四大家鱼自然繁殖的适宜生态流量和高流量脉冲。