水庫變動回水區魚類產卵場生境重塑的生態調度目標研究

李福霜，李 洪，由麗華，王宏偉，張陵蕾，陳 旻，李 嘉，廖 寧，袁 滿

（1. 四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2. 四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610091）

0 引 言

近幾十年來中國水電蓬勃發展，全國第一次水利普查數據顯示，全國10 萬m3以上的水庫約為9.80 萬座，總庫容達9 323.13 億m3［1］，數量龐大的水庫群在發揮其防洪、發電、灌溉等興利功能的同時，也不可避免改變了河流的天然水文情勢，使得河流的地形、水動力、水溫等環境狀況發生了變化，進而破壞了魚類等水生生物的原有生長繁殖條件［2］。為了降低水庫的這種不利影響，我國于21世紀初開始了對“水庫生態調度”的研究［3］，其目的是在傳統調度基礎上增加生態因子的考慮，尤其關注在河流生態系統中作為食物鏈最頂端的物種--魚類［4］，促進重要魚類自然繁殖已成為生態調度的主要目標［5］。由于水庫建設后壩下河道仍保留其天然河道形態，且可通過水庫調度控制下泄生態流量以滿足魚類產卵水動力條件，所以目前通過水庫生態調度為魚類重塑產卵場的相關研究均聚焦在壩址下游河段，較多采用建立模型的方法，借助一維或者二維水動力學模型研究水庫下泄流量對魚類產卵場生境的影響［6-8］，確定魚類各生命階段生長繁殖的水庫下泄環境流。

然而，由于變動回水區在建壩前后生境變化較大，大壩建設后在高水位情況下會淹沒水庫變動回水區，低水位時又使變動回水區恢復河流的形態，水位落差大，故此區域以往幾乎被視為生境重塑的“盲區”，認為其并不具備產卵條件，對變動回水區內的魚類產卵生境重塑的研究極為少見。部分學者曾對變動回水區魚類產卵場進行研究，如李翀等［9］利用水力學模型推求水庫變動回水區內四大家魚產卵場位置；王中敏等［10］對變動回水區產卵場水文情勢進行分析；XIAO 等人［11］利用二維水動力-泥沙輸運數值模型和魚類棲息地適宜性模型，研究三峽大壩建成前后變動回水區的四大家魚有效棲息地面積（WUA）變化，發現建壩后產卵期WUA僅為建壩前的18%，提出水庫運行管理要兼顧考慮變動回水區產卵場；ZHANG 等人［12］在利用模糊邏輯法對金沙江圓口銅魚產卵場進行研究時，發現烏東德水庫蓄水975 m 后上游產卵場WUA增加約25%。而本研究課題組也于2022 年進行水庫野外觀測時在變動回水區發現了產卵場，這表明變動回水區仍然具備魚類產卵條件，可作為一個新的產卵生境重塑區域。值得關注的是，以往通過生態調度重塑產卵場生態功能的研究是建立水庫下泄流量與WUA的二元關系［13］，這種二元關系適用于水位流量關系基本固定的壩下河道，但由于沒有考慮對變動回水區魚類生境影響顯著的水庫水位因子的作用，且無法控制水庫入庫流量，故流量與WUA的二元關系對變動回水區并不適用。目前通過水庫生態調度重塑變動回水區產卵場生態功能的相關研究僅限于定性評價［11］，缺乏生態調度目標的量化參數明確生態修復措施。

因此，本研究面向水庫變動回水區的魚類產卵場生境重塑，提出了量化參數—生境重塑目標區間；在以往流量-WUA二元關系的基礎上，考慮水庫水位因子作用，建立入庫流量-水位-WUA的三元關系，真實反映變動回水區魚類產卵場生境對水庫調度的響應。本研究以岷江上游的河道型水庫紫坪鋪水庫為例，整合二維水動力學模型和魚類棲息地模型，確定重塑變動回水區產卵場生境的目標WUA，經多種入庫流量和水位組合工況下的WUA計算篩選，確定生境重塑目標區間，以此作為生態調度的量化參數。

1 材料與方法

1.1 研究區域

紫坪鋪水庫是岷江干流最大的水利工程，所在河段屬長江中上游二級支流，具有水流湍急、坡降大等特點，建庫后河流原生生境遭到破壞，庫區產卵場被淹沒。紫坪鋪水庫正常蓄水位877 m，死水位817 m，水位變幅達60 m，變動回水區長12 km（圖1）。據調查，水庫蓄水前變動回水區古溪溝村附近有齊口裂腹魚產卵場存在，建庫后回水淹沒及水位變幅影響造成急流生境消失，使得原有的齊口裂腹魚等珍稀特有魚類的生存空間及存活機會大幅減小。

圖1 研究區域Fig.1 Study area

齊口裂腹魚是中國特有種，長江上游特有魚類，也是四川省省級保護動物，喜好在水溫較低、溶解氧較高的急、緩流交界處生活，產卵季節有短距洄游需求，上述習性與庫區環境并不相符，使得人們很少關注其在水庫內的生活動態。2022 年5月，本研究課題組于紫坪鋪水庫開展野外觀測時在原產卵場處發現魚類產卵繁殖跡象，這表明了水庫蓄水后變動回水區內仍存在魚類產卵條件。

1.2 研究方法

首先建立紫坪鋪水庫深度平均二維水動力學模型和魚類棲息地模型，利用模型計算變動回水區天然河道多年平均流量下的WUA和現行水庫調度下的WUA，確定需重塑的目標WUA。然后計算建庫后不同入庫流量和水庫水位組合工況下的WUA，建立水庫入庫流量-水位-WUA三者的關系，篩選出滿足目標WUA的工況即為生境重塑目標區間。最后根據紫坪鋪水庫在齊口裂腹魚產卵期（3-5 月）的入庫流量，調度水庫水位落于生境重塑目標區間，實現重塑變動回水區產卵場的目的。研究方法流程如圖2所示。

圖2 方法流程圖Fig.2 Flow chart of the method

1.2.1 數據收集

調查收集了1971-2020 年水庫壩址處的逐旬流量，統計得到50 年內齊口裂腹魚產卵期流量為208～430 m3/s。其中，2016年產卵期平均流量為中位數，則以2016年典型平水年的調度運行數據作為模型邊界條件，開展水動力模型驗證及現行水庫調度運行下產卵期WUA模擬計算。2016 年水庫調度運行資料包括逐日壩前水位、入庫流量和出庫流量，為保證數據的時間一致性，同步收集了2016年紫坪鋪水庫實測地形數據建立水動力學模型。

魚類棲息地的流速水深適宜性曲線采用陳明千［14］在岷江研究獲得的成果（圖3），岷江中齊口裂腹魚產卵的流速適宜區間為0.5～2.5 m/s，其中1.4～1.6 m/s 為最優適宜區間，適宜度為1；對于水深而言，0.5～1.5 m 均適宜齊口裂腹魚產卵，超出這一區間則不能刺激魚類產卵。

圖3 岷江齊口裂腹魚產卵期流速水深適宜性曲線［14］Fig.3 Suitability curve of flow velocity and water depth during Schizothorax prenanti spawning period in the Minjiang River

1.2.2 水動力學模型建立與驗證

基于深度平均二維MIKE21 數值模型，建立紫坪鋪水庫二維水動力模型。將收集的地形資料轉化為平面坐標和高程，生成23 452 個非結構網格，其中變動回水區內構建了22 391 個加密網格（面積≤700 m2），建立的紫坪鋪水庫深度平均二維MIKE21數值模型用于計算評估水動力條件。

利用2016 年3 月主庫岷江入庫流量、支庫壽溪河入庫流量和水庫出庫流量模擬每日壩前水位，與壩前水位實測值對比，檢驗模型的可靠性。

1.2.3 魚類棲息地模型

基于河流流量增量法（IFIM）的棲息地法是目前應用最廣泛的評價生境質量的代表性模型，尤其是在魚類產卵時期應用較多［15］。IFIM 法通過結合水動力模型和魚類棲息地適宜性模型，建立不同流場與目標魚類有效棲息地面積（WUA）之間的關系，WUA定義為單元棲息地適宜性指數與該單元面積的乘積，是目前最廣泛采用的生境質量評價指標，可由此確定魚類產卵場生境對水庫調度下水文情勢的響應［16］。選擇一種評估特定魚類或生命階段的棲息地適宜性方法是非常關鍵的［17］，本研究與陳明千［14］在岷江研究的魚類同為齊口裂腹魚，故與其選定同樣的幾何平均法評價魚類生境適宜性，其計算公式為：

式中：n為單元個數；Ai為計算單元的面積，m2；HSIi為計算單元的綜合棲息地適宜性指數；SIvi為流速適宜指數，取值范圍為0～1；SIdi為水深適宜指數，取值范圍為0～1；SIci為河道適宜指數（包括底質和覆蓋物狀況），取值范圍為0～1。

流速適宜指數SIvi和水深適宜指數SIdi參考圖 3 進行取值；根據現場踏勘，研究區域河段底質為礫石，滿足齊口裂腹魚的產卵要求，故而計算中河道適宜指數SIci設定為1。

模擬典型平水年2016 年產卵期調度情況下的WUA，利用圖 3 中的流速水深適宜性曲線計算WUA，確定可通過水庫調度實現的WUA范圍。同時按天然河道下多年平均流量的不同百分比，模擬紫坪鋪水庫變動回水區的水動力條件，在計算過程中不斷逼近WUA峰值。參考前人研究［18，19］，變動回水區生境重塑目標WUA應不低于天然河道下WUA最大值的60%。

1.2.4 工況設置

經調查2011-2020 年10 年間魚類產卵期內紫坪鋪水庫的逐日入庫流量與壩前水位數據，確定了13 個流量和14 種水位（表1），共組合成182 組工況，模擬計算變動回水區的水動力條件，并結合岷江齊口裂腹魚產卵期流速水深適宜性曲線（圖3）計算WUA值。

表1 流量和水位工況Tab.1 Conditions of flow and water level

1.3 統計分析

采用納什效率系數驗證紫坪鋪水庫深度平均二維水動力模型模擬結果的可信度，納什效率系數E的計算公式為：

式中：QO為觀測值；Qm為模擬值；Qt表示第t時刻的某個值；ˉˉˉQO表示觀測值的平均值。

E取值為負無窮至1，E接近1，表示模型的可信度高；E接近0，表示模擬結果接近觀測值的平均值水平，即總體結果可信，但過程模擬誤差大；E遠遠小于0，則模型不可信。

采用斯皮爾曼相關系數ρ評價現行水庫運行調度情況下流量-WUA和水位-WUA的相關性，斯皮爾曼相關系數ρ的計算公式為：

式中：D為兩組數據次序的差值；N為數據的個數。

ρ取值介于-1～1，|ρ|越接近1相關性越強，|ρ|≥0.6為強相關，0.4 ＜|ρ|＜0.6 為中度相關，|ρ|≤0.4 為弱相關。同時進行顯著性檢驗，當p＜0.05則表明相關性顯著，否則無顯著相關性。

2 結果

2.1 模型驗證結果

利用模型模擬得到2016 年3 月逐日壩前水位值，與實測水位進行對比（圖4），模型模擬值與實測值的R2為0.992 6，線性關系良好，最大絕對誤差為0.32 m，模型納什效率系數為0.99，接近1，表示研究建立的紫坪鋪水庫深度平均二維水動力模型可有效模擬變動回水區水動力條件，模型質量好，可信度高。2016年水庫水動力場計算結果表明，變動回水區仍存在滿足齊口裂腹魚產卵場流速水深適宜性曲線的水動力區間，故具備生態調度重塑適宜產卵生境的條件。

圖4 實測水位與模擬水位對比圖Fig.4 Comparison of measured and simulated water levels

2.2 目標WUA值

紫坪鋪水庫壩址處多年平均流量為469 m3/s，為尋求WUA峰值，按百分比最低15%至最高100%共設置了10 種工況進行計算（圖5），由圖5 可見，隨流量增大，WUA先增大后減少。取多年平均流量的65%（304 m3/s）時，WUA達到峰值634 889 m2；則目標WUA按峰值的60%計，為380 933 m2。

圖5 多年平均流量-WUA曲線Fig.5 Curve of mean annual flow-WUA

模擬分析水庫現行調度下的WUA變化，可明確WUA對水庫調度的真實響應，探究通過水庫水位調度重塑變動回水區魚類產卵場的可操作性，并結合天然河道WUA情況確定目標WUA值。圖6 是2016 年水庫調度運行下產卵期水動力條件與WUA變化圖。整個產卵期WUA范圍為254 335～450 412 m2。當入庫流量低于300 m3/s時，WUA隨著流量的增大而增加，當流量升至600 m3/s 時，WUA從444 591 m2降至354 051 m2。水位則呈現相反的規律，水位下降時，WUA波動增長。現行水庫調度下產卵期WUA有41%的時段在380 933 m2以上，這一方面說明WUA峰值的60%可通過水庫調度來實現，將380 933 m2作為目標WUA是可操作的，另一方面也表明需要繼續通過水庫調度提高產卵期間滿足目標WUA的比例。

圖6 2016年水動力條件與WUA變化圖Fig.6 Hydrodynamic conditions and WUA variations in 2016

斯皮爾曼相關系數檢驗現行水庫調度運行下流量-WUA、水位-WUA相關性的結果如表2 所示。結果表明，流量與WUA斯皮爾曼相關系數在3 月和4 月分別為0.673 和0.736，有顯著的強正相關關系（p＜0.05），5 月流量較大時，呈現顯著強負相關，這表明較大的流量會對WUA產生不利影響。3 月和5 月水庫水位較低時，水位和WUA有著顯著的強負相關關系（p＜0.05）；4 月水庫水位整體在840 m 以上時（圖6），水位和WUA無顯著相關（p＞0.05），表明高水位情況下無法保證調度水庫水位重塑產卵場生境的效果。

表2 2016年變動回水區水動力條件與WUA的相關性Tab.2 Correlation between hydrodynamic conditions and WUA of fluctuating backwater area in 2016

2.3 生境重塑目標區間

不同流量和水位組合工況下的變動回水區WUA結果如圖7（a）所示。結果表明，當水庫水位固定時，隨著入庫流量從50 m3/s 增大至900 m3/s，WUA先增大到峰值，然后逐漸減小。不同水位工況下均顯示WUA在流量300 m3/s 時達到峰值，并在300 m3/s后逐漸減小，有著極高的同步性。當入庫流量固定時，隨著水位從817 m 升至856 m，WUA顯著單調遞減，水位越高，WUA越小，這與水庫蓄水水位低、淹沒產卵場面積少的實際情況相吻合。水庫水位在844 m 以上時，WUA值均在目標值以下。故對紫坪鋪水庫而言，應盡可能保持產卵期水庫水位在844 m以下。

圖7 不同流量水位組合情況下變動回水區WUA圖Fig.7 WUA for various flow and water level settings of fluctuating backwater area

滿足目標WUA的流量水位工況如圖7（b）所示，可見WUA高值集中在流量300 m3/s附近，圖7（b）右上角高水位、大流量情況下WUA值較小，而流量減小或水位降低均可增大WUA。圖中斜線區域WUA值均在目標值以上，即研究確定的生境重塑目標區間。若流量水位同時處于這一區間，則可在變動回水區重塑足夠面積的產卵場。此區間的水位范圍為817～844 m，流量范圍為114～652 m3/s，表明入庫流量低于114 m3/s 或高于652 m3/s時，無法調度水庫水位落于生境重塑目標區間；入庫流量介于260～370 m3/s 時，水庫水位在844 m 以下即處于生境重塑目標區間。

產卵期應根據入庫流量調度水位處于生境重塑目標區間，如入庫流量為200 m3/s 時，則應調度水庫水位低于837 m，同時不應低于水庫死水位817 m。根據上述2016年紫坪鋪入庫流量情況，齊口裂腹魚產卵期有91%的日均流量介于114～652 m3/s之間，即91%的時段可調度水位處于生境重塑目標區間，使變動回水區滿足目標WUA，比原有調度的41%增加了50%，滿足率提升至現狀的2.22倍。

3 討 論

在紫坪鋪水庫變動回水區，采用流速和水深這兩個指標進行齊口裂腹魚產卵生境適宜性研究，流速增加水體溶解氧，刺激魚類產卵，水深為底棲性魚類提供足夠生存空間［20］。通過棲息地流速水深適宜性曲線可明確，不僅壩下河道存在產卵條件，原作為生態修復盲區的壩上變動回水區也具備適宜產卵的水動力區間。該區流速、水深受入庫流量和水庫水位調度的影響，分析流量與水位即可評估齊口裂腹魚產卵場生境。

紫坪鋪水庫在2004年蓄水以后，庫區水動力條件發生了顯著性變化，破壞了齊口裂腹魚原有產卵場生境。在入庫流量較低的3 月和4 月，流量的增大使得流速、水深更加適宜齊口裂腹魚產卵，因此流量和WUA呈現強正相關；而5 月流量升至600 m3/s 附近時，過大的流量導致流速水深已經超過了齊口裂腹魚適宜產卵區間，故流量與WUA呈現強負相關。對于水庫水位而言，水位越低，淹沒的變動回水區區域越少，類似天然河道的變動回水區無疑更加適宜齊口裂腹魚產卵場恢復重塑，故水位與WUA呈負相關。紫坪鋪水庫從庫尾至壩前坡降逐漸減小，使得3 月和5 月水位較低時，水位的變化顯著影響變動回水區被淹沒的面積，故3月和5月呈現顯著的強相關關系；同理，4月水位較高時，水庫水位-WUA則無顯著相關。對于紫坪鋪水庫而言，通過計算182 種流量水位組合工況下變動回水區的WUA，確定了齊口裂腹魚產卵期生境重塑目標區間，此區間的水位范圍為817～844 m，流量范圍為114～652 m3/s。在提取出的生境重塑目標區間［圖7（b）］的基礎上，已知入庫流量時，若流量在生境重塑目標區間內，則可根據此區間調度水位，在變動回水區重塑足夠的WUA，越低的水庫水位可重塑越多適宜齊口裂腹魚產卵的區域。建庫后現行調度下，變動回水區齊口裂腹魚WUA在整個產卵期僅有41%的時段處于目標WUA以上，而按照生境重塑目標區間進行生態調度后，可使91%的時段滿足目標WUA，比原有調度增加了50%，生境重塑效果顯著。

以往在對魚類產卵場的生態調度研究中，一般是通過建立水庫下泄流量與WUA的二元關系以明確水庫生態調度具體實施方式，如ZHANG等［6］利用這種二元關系確定了金沙江魚類產卵覓食時期巴塘大壩生態流量，易雨君等［7］得到了瀾滄江不同保證率下結魚WUA對應的漫灣大壩下泄流量。由于壩下河道內水位流量關系基本固定，確定流量與WUA的二元關系就能確定水位與WUA的關系，因此這種二元關系適用于壩下河道［4，21］。但是對于水庫變動回水段，水位既受庫尾來流影響，又受庫區水位的頂托作用，這種復雜的水動力特點使得單純的流量-WUA二元關系無法包含水位對WUA的影響，且相較于無法控制的入庫流量，壩前水位是在水庫調度中可以直接控制的一個變量。因此，針對變動回水區的魚類產卵場生境重塑，本文建立流量-水位-WUA的三元關系，既避免了流量與WUA的二元關系無法實際應用于水庫調度的窘境，又把對變動回水區水動力條件影響顯著的水庫水位因子納入考慮，結果可準確反映產卵場生境對水庫調度的響應，也能更便捷地指導水庫進行調度。

西南山區的其他河道型水庫，與本研究中的實例紫坪鋪水庫具有類似的特點，其作為潛在產卵場的變動回水區坡降大，水動力條件對水庫水位的變幅響應顯著，更易通過生態調度塑造產卵場生境條件。對于在變動回水區有產卵場分布的水庫而言，想要通過生態調度實現重塑產卵場的目的，則可參照本研究提出的生境重塑目標區間明確生態調度措施。值得說明的是，本研究確定的生境重塑目標區間僅考慮了水動力條件中的流速和水深，沒有考慮水溫、渦量等其他指標在水庫調度中的響應，后續可將其他指標納入考慮。同時，已有研究表明魚類繁殖生長過程中值得關注和保護的時期并不僅限于產卵期［22，23］，在進行棲息地修復與保護時，可兼顧魚類其他生命階段需求，以保障魚類種群數量。

4 結 論

本文通過探討魚類有效棲息地面積對入庫流量與水庫調度水位的響應關系，明確生境重塑并不局限于壩下河道，壩上變動回水區也存在適宜的水動力條件，故將視線聚焦到以往被忽視的變動回水區，意圖通過優化水庫調度將水庫的生態效益最大化。以紫坪鋪水庫為例，建立變動回水區流量-水位-WUA的三元關系，確定了紫坪鋪水庫變動回水區生境重塑目標區間，此區間的入庫流量范圍為114～652 m3/s，水位范圍為817～844 m。當水庫入庫流量、水位落于生境重塑目標區間內，便可達到為變動回水區魚類產卵場重塑目標WUA的目的。本文提出的生境重塑目標區間，為其他旨在維護重建變動回水區產卵場的水庫提供了參考，對實現水庫生態效益最大化具有重要意義。