考慮關鍵物種全生命周期的減脫水河段生態流量研究

于子鋮，張 晶，趙進勇，彭文啟，丁 洋，張 葉，李 軒

(中國水利水電科學研究院水生態環境研究所，北京 100038)

河流作為水生態系統的重要組成部分，其基本特征包括水體的流動性及相應的時空差異性，其功能主要是實現流域內物質的輸運以及生物的生存與遷徙[1]。近些年來，隨著社會經濟的快速發展，水利基礎設施建設快速推進，在未考慮生態需求的背景下，大幅度改變河流的水文水力學特性、地貌特征及水文情勢等，破壞河流自然動態流動機制，致使河流生物多樣性發生顯著變化，河流生態系統遭到破壞[2-4]。為復蘇河流生態環境，應在合理開發、利用水資源的前提下，兼顧河流的生態需求，探求保障河流生態健康的相關水文特征[5]，科學確定合理的生態流量。生態流量旨在為可持續水資源管理提供信息，支持健康的河流棲息地，并為社會提供充足的供水[6]。確定生態流量的科學基礎是了解水文過程、組分、量化與各種生態變量之間的聯系[7]。

對于引水多、開發程度高、引水壩下游常存在減脫水現象的小水電河流，在電站建設、運行時均需對下泄流量進行論證，不僅需要維持河流的健康狀態、滿足水生生物的最低要求[8]，還需要兼顧水資源的合理利用以及工程最大效益的發揮等[9]。梳理國內外的相關文獻，截至目前，有200多種方法和多個邏輯框架用于評估和計算水生生物、生態環境的用水需求，但由于出發點不同，這些方法在結果上存在很大差異[10]。根據SL/T 796—2020《小型水電站下游河道減脫水防治技術導則》，涉及國家和地方重點保護、珍稀瀕危物種或開發區域等有特殊用水要求的河段，應專題論證確定其生態流量。

結合上述分析，本文選擇巫溪縣大寧河支流后溪河作為研究河段。后溪河是長江的二級支流，合適的地形、水能條件，使得后溪河上水電站數量眾多，且多為引水式電站。經實地調研與資料收集，明確后溪河存在屬于當地重點保護物種的齊口裂腹魚。本文基于2019年和2021年實地調研數據，將齊口裂腹魚全生命周期分為產卵期、索餌期與越冬期3個階段，基于River 2D模型對后溪河鎮泉大壩下游減脫水河段的水動力狀況進行模擬與分析，以期為引水式小水電下游減脫水河段的生態修復提供依據。

1 研究區概況

后溪河位于重慶市巫溪縣，距其縣城約25 km。后溪河是長江的二級支流，大寧河的一級支流，位于重慶的東北方位，其流域面積為477 km2，河道全長為61.1 km，平均比降為9.86‰。本文選取后溪河鎮泉大壩下游減脫水河段作為研究對象，鎮泉大壩為鎮泉電站的引水壩，具體空間位置(北緯31°24′，東經109°38′)見圖1。鎮泉電站的廠房在柏楊河上，柏楊河為巫溪縣境內的另一條河流，也是長江的二級支流。鎮泉電站裝機容量為2.5萬kW，屬于引水式小水電站。基于資料梳理得知，后溪河魚類主要有齊口裂腹魚、南方馬口魚、鯰魚、鯉魚、泥鰍等。結合實地現場調查，選取當地土著、重點保護魚類齊口裂腹魚作為目標物種。

圖1 研究區域位置及實測斷面布局Fig.1 Location of study area and layout of measured cross-sections

2 研究方法

2019年6月、11月利用華測i70RTK、IGS300手持GPS、LS1260B流速儀等儀器對鎮泉大壩下游進行實地測量，結合研究區周邊的環境、地貌特征等，沿著水流方向每50～100 m布設一個測量斷面，共計32個(ZQ01～ZQ32)，所測河段長約為2.5 km，具體測點依據河寬而定。經調查發現，研究河段減脫水現象嚴重，部分區域的河床存在大面積裸露，近乎無水，嚴重破壞了齊口裂腹魚的棲息地環境。

為了更好地兼顧下游水生生物的生態需求，依據目標魚類的生活史，分階段對減脫水河段的生態流量進行確定。經梳理文獻及詢問當地人員得知，齊口裂腹魚產卵期在3—6月，越冬期在11月至次年2月，其余月份為索餌期[11-13]。梳理前人相關研究，得到了產卵期水深流速的適宜性曲線，基于實測地形，利用水動力模型River 2D進行模擬分析，結合生境模擬法確定該階段最佳與適宜生態流量。關于另外兩個階段的相關研究較少，引入地貌單元與水力單元的概念，推求流量與越冬場、索餌場面積的相關關系，考慮不同流量下水力單元多樣性的變化趨勢，從而確定越冬期與索餌期的最佳、適宜生態流量。此外，依據蒙大拿法，結合研究河段實際水文狀況，確定研究河段的最小生態流量。

2.1 生境模擬法

依據河道內流量增加法(intra-river flow increase method, IFIM)，利用生境模擬法進行相關研究。具體為基于水動力模型建立起魚類適宜生存棲息地的質量、數量與流量之間的相關關系，從而評估流量變化對棲息地適宜性的相關影響[14]。結合2019年6月、11月實地調研數據，發現研究河段底質較為均勻，所以本文只考慮受電站下泄流量影響棲息地的流速和水深。

River 2D模型由加拿大Alberta大學研制開發，可用來進行魚類棲息地的相關模擬分析[15]，本文利用River 2D模型進行棲息地模擬。具體分3步：①明晰目標魚類各微生境因子的適宜性曲線，計算各定義單元的適宜性值；②將各因子適宜性值按順序進行組合與分析，得到定義單元的綜合適宜性值；③匯總分析，確定目標魚類的加權可利用的面積(weighted usable area, WUA)[16]。

(1)

式中：AWU為WUA值；n為單元個數；Ai為單元i的面積；Svi、SCi、SDi分別為單元i的流速、河床底質與水深的適宜度指數；CSF(Svi、SCi、SDi)為單元i的綜合適宜性值。本文僅考慮水深與流速的影響。

基于孫瑩等[17]的相關研究，結合實際踏勘收集的資料，得到齊口裂腹魚的產卵期的適宜流速水深曲線(圖2)。適宜度指數HSI(habitat suitability index)是對目標魚類棲息地適宜程度的定量描述，數值范圍為0～1，HSI值越大，適宜性越好。

(a) HSI與水深

2.2 水力單元分類

河流是復雜的系統，非生物和生物成分在不同的時空尺度上相互作用[18]，較小的時空層次嵌套在較大的時空尺度內。在這個嵌套的層次結構框架內，地貌單元(geomorphic unit)是河段的組成部分，是水流和泥沙輸送過程的物理表現形式[19]。在河段尺度內，地貌單元能夠反映河流生態系統的結構、功能和過程，同時地貌單元及其組合為生物提供了適宜的棲息地[20]。水力單元(hydraulic unit)一般指特定水文和生態元素的集合，如大型木質碎屑河床、水生植被和單個水流障礙物，呈現均一化的特點，即底質、水深、流速閾值等相近或相同，在層級嵌套結構中為地貌單元的下一級，水力單元的面積、類型會隨著水文過程的變化而改變[21-23]。基于現場觀測與調查數據，結合大壩下游減脫水河段特點及前人的分類方式[24-27]，依據水深與流速的差異、不同單元的底質特征，將研究河段現狀地貌單元分布進行識別，具體分布如圖3所示。其中邊灘、心灘枯水期不被淹沒，為砂礫堆積體；深潭為流速緩、水較深，底質多為砂礫石，是一種侵蝕單元；淺灘由沖積物堆積而成，水較淺，主要由礫石和小鵝卵石組成；跌坡是一種相對較短的單元，河床近乎垂直的下落；急灘是沖積或半沖積地貌單元，水流湍急、水深較淺，主要由巨礫和大卵石形成。

圖3 研究河段地貌單元分布Fig.3 Distribution of geomorphic units in study river section

在識別地貌單元基礎上，結合現場觀測數據，查閱相關文獻[21,28-29]，得到水深D和流速v的閾值，將研究河段劃分成不同的水力單元類型(圖4)。其中，急流淺灘區、淺水過渡區、平坦河床區主要集中在邊灘、淺灘、急灘等地貌單元區域；實地調查中發現研究河段的跌坡和深潭底質和結構相對均勻，故沒有再細分。水力單元越豐富，地貌異質性越高。地貌異質性是空間異質性的重要組成部分，空間異質性越高，生物越能穩定生存。基于前人的相關研究[13,30-32]，依據2019年6月、10月、11月及2021年6月的實地觀測數據，結合詢問當地村民、相關技術人員等，明確齊口裂腹魚的越冬場為水面寬、流速較小的深水區域，幼魚的索餌場主要為水流較緩的淺水區域，成魚的索餌場主要為水流較急的淺水區域。結合圖4，越冬場主要包含的水力單元類型為深潭，潛在包含水力單元類型為深水區；成魚、幼魚索餌場主要包含急流淺灘區、平坦河床區，潛在包含水力單元類型分別為淺水過渡區與緩流過渡區。

圖4 基于水深、流速的河流水力單元分類Fig.4 Classification of river hydraulic units based on water depth and flow velocity

2.3 水力單元多樣性指數

水力單元越豐富，地貌異質性越高，生物越能穩定生存。結合相關研究及研究區的實際狀況，引入水力單元多樣性指數。Shannon多樣性指數可以用來表示景觀異質性的程度，其值越大，景觀異質性程度越好，景觀內的生物越能穩定生存，景觀異質性包含空間異質性[33]。水力單元多樣性指數(H)是基于Shannon多樣性指數提出的，其計算公式為

(2)

其中

Pi=Ai/AT

式中：m為研究區域水力單元類型的總數；Pi為水力單元i的面積Ai占研究河段總面積AT的比例。

2.4 蒙大拿法

根據SL/T 796—2020《小型水電站下游河道減脫水防治技術導則》，對于非季節性河流可采用蒙大拿法進行減脫水河段生態流量的確定。蒙大拿法(Tennant法)將年平均流量的百分比作為生態流量[34]，具體可參考SL/Z 479—2010《河湖生態需水評估導則(試行)》。根據上述導則以及后溪河所處流域及氣候條件，分為汛期、非汛期兩個時段，汛期為4—10月，非汛期為11月至次年2月。考慮逐月流量變化較大，為更好地兼顧社會與生態的要求，汛期取對應月均徑流量的20%，非汛期取對應月均徑流量的10%，以此作為保護魚類的最小生態流量[35]。

3 模型構建與數據處理

3.1 模型構建與率定

基于實地調研數據，利用River 2D模型進行水動力模擬分析，結合現場調查，河床地形見圖5，河床糙率取0.035。根據研究區水文數據，考慮引水式小水電發電用水需求，以1 m3/s、2.5 m3/s、5 m3/s、7.5 m3/s、10 m3/s、12.5 m3/s、15 m3/s、20 m3/s作為模型邊界輸入值，以282 m作為下游水位邊界。選擇斷面ZQ18(北緯31°27′55″，東經109°30′6″)、ZQ26(北緯31°27′47″，東經109°30′22″)作為校核斷面，對比分析流量1 m3/s下模擬水位與實測水位，相對誤差分別為0.013%、0.037%，均在0.05%以下，表明搭建的水動力模型可以較好地反映研究區實際狀況。

圖5 河床地形Fig.5 Riverbed topography

3.2 水文數據處理

因相關限定與人為因素，未收集到后溪河的水文數據。考慮到后溪河為大寧河的一級支流，其水文特征、地形地貌等具有一致性與相似性，因此參考大寧河干流的巫溪水文站(北緯31°24′8″，東經109°38′5″)的數據，以后溪河流域的天星水文站(北緯31°27′60″，東經109°34′12″)為設計站，利用水文比擬法得到后溪河水文數據[36-37]。大寧河徑流量、降水量及后溪河降水量等水文數據均從當地相關部門獲得，準確可靠。

通過ArcGIS相關測量功能，分別得到大寧河與后溪河的流域面積。基于巫溪站、天星站水文數據，依據式(3)得到后溪河水文數據，結果見表1。

Q=K1K2QC

(3)

其中

K1=A/ACK2=P/PC

式中：Q、QC分別為設計、參證流域的多年平均流量；K1、K2分別為流域面積、年降水量的修正系數；A、AC分別為設計、參證流域的面積；P、PC分別為設計、參證流域的多年平均降水量。

表1 水文數據Table 1 Hydrological data

4 結果與分析

4.1 Q-AWU曲線

圖6為不同流量下WUA分布情況。基于模擬結果，結合后溪河水文數據與齊口裂腹魚產卵期適宜性曲線，建立Q-AWU關系曲線，曲線的轉折點初步定為目標魚類產卵期的適宜生態流量，最高點定為目標魚類產卵期的最佳生態流量，結果見圖7。可見，齊口裂腹魚的Q-AWU關系曲線在Q為12.5 m3/s時出現轉折，在15 m3/s時達到最大值，此時的AWU為4 191.1 m2。

(a) Q=1 m3/s

圖7 Q-AWU曲線Fig.7 Q-AWU curve

4.2 不同流量下水力單元分布

圖8為不同流量下水力單元分布情況，可見，隨著流量的增加，水力單元類型逐漸變多，呈現多樣化分布。河道有水區域隨著流量的增大而變多，河道水面面積由33 108.5 m2增長至103 614.7 m2。不同流量下，河段都有平坦河床區、緩流過渡區、深潭3種類型水力單元，尤其是深潭，多集中在河道彎曲處。水流急、水較深的深水區單元在流量為15 m3/s時才出現，在深潭的附近。淺水過渡區隨著流量的增加，分布變化最明顯，在流量為20 m3/s時，幾乎貫穿分布整個河段。將不同流量下水力單元具體分布面積進行梳理，具體見表2。由表2可見，隨著流量的增加，平坦河床區面積呈現先上升后下降的趨勢，在流量為7.5 m3/s時取得最大值，在2.5 m3/s處出現拐點；淺水過渡區面積呈現遞增的趨勢，在流量為20 m3/s時取得最大值，在10 m3/s處出現拐點；急流淺灘區面積呈現先小幅上升再下降再上升的趨勢，在流量為20 m3/s時取得最大值，在10 m3/s處出現極大值；跌坡面積呈現先上升再小幅下降再上升的趨勢，在流量為20 m3/s時取得最大值，在12.5 m3/s處出現極大值；緩流過渡區面積整體呈現下降趨勢，在1 m3/s取得最大值；深水區在15 m3/s時出現，20 m3/s 處面積取得最大值；深潭面積呈現遞增趨勢，在20 m3/s時取得最大值，在2.5 m3/s處出現拐點。

(a) Q=1 m3/s

4.3 不同流量下水力單元多樣性

計算不同流量下各水力單元占研究河段的比值，從而得到不同流量下水力單元多樣性指數，結果見圖9和圖10，可以看出，隨著流量的增加，水力單元呈現多樣性趨勢，多樣性指數由1 m3/s對應的1.32 增至為20 m3/s對應的2.34，在流量為10 m3/s處出現拐點，為2.26。流量1～10 m3/s情況下，水力單元多樣性指數的增長速率為0.104，流量10～20 m3/s情況下，水力單元多樣性指數的增長速率為0.008。

表2 不同流量下水力單元面積Table 2 Hydraulic unit area under different flow

圖9 不同流量下水力單元面積占比Fig.9 Proportion of hydraulic unit area under different flow

圖10 不同流量下水力單元多樣性指數Fig.10 Diversity index of hydraulic units under different flow

5 討 論

5.1 流量與水力單元相關關系

考慮樣本個數，利用SPSS對流量與水力單元面積進行斯皮爾曼相關性分析，結果見表3。由表3可見，流量變化與急流淺灘區、淺水過渡區等7種水力單元面積均呈現相關關系。其中，流量變化與急流淺灘區、淺水過渡區、跌坡、深水區、深潭面積呈現正相關關系，與平坦河床區、緩流過渡區面積呈現負相關關系。除深水區面積與流量為強相關(相關系數0.6～0.8)外，其余類型與流量均呈極強相關(相關系數0.8～1.0)。因而，基于流量與水力單元的關系研究分析生態流量是科學合理的。

Phillips[21]在墨西哥灣北部沿海平原薩賓河下游，6個不同河流類型中識別出了72種不同水力單元，量化的研究結果表明，水力單元的數量隨著流量的變大而線性增長，主河槽內的高流量對維持和塑造水力單元類型方面具有顯著作用。Padmore[38]以英格蘭東北部11個地點的實地測量為基礎，探討了流量對形態單元(morphological units)與水力單元的影響，結果表明，流量的少量增加會促使水力單元從靜水(deadwater)類型到滑水(glide)類型的轉變，流量的進一步增大會促使水力單元從滑水(glide)類型變成平滑流動區(run)類型。這與本文得到的結果一致，流量變大會增加水力單元的多樣性，會使水力單元類型發生變化。

結合表3，可見不同水力單元類型之間也存在顯著相關性。其中，急流淺灘區面積與淺水過渡區、跌坡、深水區、深潭面積為正相關關系，與平坦河床區、緩流過渡區面積為負相關關系；淺水過渡區面積與跌坡、深水區、深潭面積為正相關關系，與平坦河床區、緩流過渡區面積為負相關關系；平坦河床區面積與跌坡、深水區、深潭面積均為負相關關系，與緩流過渡區面積為正相關關系；跌坡面積與深水區面積不相關，與緩流過渡區面積呈極強負相關關系；緩流過渡區面積與深水區面積不相關，與深潭面積呈極強負相關關系；深水區面積與深潭面積呈現正相關關系。

表3 相關性分析結果Table 3 Correlation analysis results

5.2 生態流量的確定

生態流量的確定需要研究河流隨時間變化的自然流量，歷史水文數據是此類研究的基本要素。這些時間序列數據不僅揭示了河流不同部分的平均流量模式，還揭示了河流生態系統歷史上經歷的“正常”變化范圍[39]。天然河流流量過程有起有落，水電開發使得下泄流量過程平穩單調，改變了河流的自然屬性，引發了一系列生態環境問題。由于不同目標物種或同一目標物種在其不同生命階段的特定棲息地要求不同，生態流量不是恒定的，是隨著時間的推移而變化的[40]。Wang等[41]提出了一種新的評價生態流量的方法，即考慮目標物種不同生命階段的流量時間序列。為了恢復河流生態系統的多樣性，胡和平等[42]提出了生態流量過程線的概念，即滿足下游各生態環境需要的流量過程范圍。考慮到引水式電站需兼顧生態與社會的雙目標，基于研究區相關水文數據，采用蒙大拿法確定最小生態流量。將各月平均徑流量為限制條件，針對目標魚類產卵期、越冬期、索餌期3個階段分別確定最小、適宜、最佳生態流量，結果見圖11。

圖11 生態流量過程Fig.11 Ecological flow process

a.產卵期(3—6月)。基于產卵期水深流速適宜性曲線，以WUA最大作為最佳生態流量。結合3—6月的月平均徑流量，分別計算5.5 m3/s、13.8 m3/s、16.9 m3/s和20.8 m3/s對應的WUA和水力單元多樣性指數，WUA值分別為2 158.2 m2、4 124.6 m2、4 170.3 m2和4 153.8 m2，均小于15 m3/s對應的4 191.1 m2；水力單元多樣性指數分別為1.95、2.30、2.32和2.34，其中流量為13.8 m3/s、16.9 m3/s、20.8 m3/s時水力單元多樣性指數與流量為15 m3/s時的2.32極為相近。結合上述分析，4月、5月、6月對應的最佳生態流量取13.8 m3/s、15 m3/s、15 m3/s，適宜生態流量均取12.5 m3/s。3月月均平均流量為5.5 m3/s，該流量值出在兩曲線的快速增長段，因為越大越好，故3月最佳生態流量取5.5 m3/s，適宜生態流量選擇流量為1～5.5 m3/s之間的拐點，取2.5 m3/s。以蒙大拿法的計算結果作為最小生態流量，3月、4月、5月、6月最小生態流量分別為0.55 m3/s、2.76 m3/s、3.38 m3/s和4.16 m3/s。

b.索餌期(7—10月)。結合齊口裂腹魚幼魚生活習性，其索餌場主要為平坦河床區，潛在的為緩流過渡區；成魚索餌場主要為急流淺灘區，潛在的為淺水過渡區。流量與水力單元類型之間存在相關關系，因而依據兩者之間的關系確定索餌期的生態流量。圖12為不同流量下幼魚和成魚索餌場變化情況，幼魚索餌期最佳生態流量取7.5 m3/s，拐點2.5 m3/s小于蒙大拿法的計算結果，因此該時段不建議適宜生態流量，以2.5 m3/s作為幼魚索餌期的最小生態流量；流量為25 m3/s、30 m3/s、40 m3/s時，水力單元多樣性指數分別為2.33、2.34和2.36，與流量為20 m3/s時的2.34非常相近。結合圖10與圖12，急流淺灘區、淺水過渡區均在流量為20 m3/s時存在拐點，因此7月、9月、10月取20 m3/s為最佳生態流量，取10 m3/s為適宜生態流量(水力單元多樣性指數在流量為10 m3/s處存在拐點)，8月平均徑流量為17.8 m3/s，處在兩個曲線的上升段，因此該月取20 m3/s為最佳生態流量。以蒙大拿法結果作為最小生態流量，7月、8月、9月、10月最小生態流量分別為6.2 m3/s、3.56 m3/s、5.32 m3/s和4.32 m3/s。

(a) 幼魚

c.越冬期(11月至次年2月)。齊口裂腹魚越冬場的水力單元類型主要為深潭，潛在的為深水區。深潭面積在流量為20 m3/s時取得最大值，在2.5 m3/s處存在拐點；深水區在流量為15 m3/s以下均為0。因此，越冬期生態流量依據流量與深潭面積、水力單元多樣性關系進行確定，兩曲線均為單調遞增，因而最佳生態流量均取月平均流量值。1月、2月、11月的適宜生態流量均取2.5 m3/s。最小生態流量基于蒙大拿法確定，11月、12月、1月、2月的最小生態流量分別為1.01 m3/s、1.32 m3/s、36 m3/s和0.35 m3/s。

6 結 論

a.利用產卵期水深流速適宜性曲線和蒙大拿法，結合現場觀測，依據River 2D模型得到不同流量下齊口裂腹魚越冬場、索餌場的分布，確定齊口裂腹魚產卵期、越冬期、索餌期的最佳、適宜與最小生態流量。

b.引入地貌單元和水力單元的概念，利用模型、數理統計等方法，證實了流量變化與水力單元類型、面積具有顯著的相關關系。從而直接建立流量與齊口裂腹魚越冬場、索餌面積的相關關系，科學合理地考慮全生命階段的生態流量。

c.在對引水式電站下游生態流量進行確定時，應結合研究區的歷史水文資料。基于重點保護物種需求，推算出的生態流量可能遠遠大于實際月均流量，在無法進行生態補水引水的情況下，可考慮引水式電站生態化改造，使魚類可以游到合適的生存區域；或人工營建及改造減脫水河段的地貌單元，增強地貌單元的多樣性，使在低流量下也可形成產卵、索餌等棲息地。