基于四大家魚棲息地模擬的漢江下游生態流量研究

費 啟 航,彭 濤,2,由 星 瑩,劉 伯 娟,石 小 濤,2

(1.三峽大學 水利與環境學院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漢江興隆水利樞紐管理局,湖北 潛江 433126; 4.湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

河流作為陸地生態系統和水生態系統間物質循環和能量傳遞的主要通道,在流域生態平衡中起著十分重要的作用[1]。水資源過度開發和不合理利用導致河流不同程度的生態退化,其中,在河流上大規模筑壩建庫是河流生態系統受人為影響最顯著、最廣泛的事件之一[2]。大壩的淹沒、阻隔、徑流調節顯著改變了河道原有的水文條件,破壞了河流生態系統的結構完整性和空間連續性,誘發系列問題,特別是伴隨著難以成本量化的河流生態系統退化和生物多樣性喪失[3]。據統計,目前全球共有高15 m以上的大壩5.8萬余座,其中中國有2.3萬多座,占全球總數的40.6%[4]。為應對筑壩建庫、大規模引水等水利工程建設所導致的河流生態問題,協調水資源開發利用與河流生態保護之間的矛盾,研究者開始關注河流生態流量,并逐漸成為國內外學術界研究的前沿和熱點領域[5-7]。

目前,全球范圍內關于生態流量的研究方法超過200種[8],大體分為水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體綜合法。水文學法是被最廣泛使用的方法,其優點在于不需要現場測定,操作簡單、適用性強,但缺乏明確的生態學意義[9];水力學法則在水文學法的基礎上增加了河道斷面參數,包含了具體的河流和生物信息,但缺乏對生態系統整體性考慮[10];整體綜合法融合了多種學科,是目前生態流量評估最為合理的一種方法,但其數據要求高,操作復雜,過程繁瑣,不利于實現[11]。棲息地模擬法通過模擬流量與指示物種棲息地質量之間的定量關系,可以獲得物種不同生命階段的生態流量[12],與其他計算方法相比,具有明晰的物理機制,因而得到了廣泛應用[13-15]。但已有研究側重某一種物種對流量單一水文要素的需求,缺乏對河流生態系統完整性的考慮,且忽視了生命節律信號對指示物種生長和繁殖的關鍵作用,使得計算成果難以滿足生態調度實踐和河流生態修復的需要。

由于漢江中下游梯級水利樞紐相繼建成以及南水北調中線工程運行后,漢江中下游水文情勢發生顯著變化,從而引起魚類資源萎縮、水華頻發等一系列生態問題[16]。由此可見,開展梯級水庫影響下漢江中下游生態流量研究,對于河流生態修復具有重要現實意義。目前,漢江流域生態流量研究方面已取得了一些成果,但大部分研究采用水文學法和水力學法推求生態流量[17-18],難以反映流量與生物之間的響應關系。目前雖有學者基于棲息地模擬法計算漢江中下游生態流量[19],但僅考慮魚類產卵期的生態需求。為此,本文選擇漢江下游四大家魚棲息地的典型河段,利用River 2D棲息地模型建立四大家魚加權可利用面積與徑流條件的響應關系,并結合漢江下游天然水文情勢提出產卵期和生長期的生態流量及高流量脈沖,最后與Tennant法和實際生態監測結果進行比較,驗證其合理性,為流域水資源管理與水庫生態調度提供科學依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

漢江是長江最長的支流,發源于陜西省秦嶺南麓,干流全長1 577 km,流域面積15.9萬km2。丹江口水庫以上為漢江上游,長約925 km;丹江口水庫至皇莊站為中游,長約270 km;皇莊站以下為下游,長約382 km。20世紀70年代丹江口水庫建成后,產漂流性卵魚類主要產卵場有王甫洲、茨河、宜城、馬良、澤口等9處,四大家魚產卵規模約為9億粒[20]。隨著王甫洲、崔家營、興隆等梯級水利樞紐相繼建成,漢江中下游四大家魚產卵場以及產卵規模急劇縮減。2018年,汪登強等[20]在漢川監測到四大家魚卵0.33億粒,并推測漢江下游存在澤口、張港、彭市、仙桃4處四大家魚產卵場。漢江中下游流域、主要水文站及魚類產卵場位置見圖1。

圖1 漢江中下游主要水文站和魚類產卵場位置

1.2 數據來源

研究河段的河道地形采用2016年實測地形資料。

1964～2017沙洋站和1972～2017年仙桃站逐日流量資料來源于長江水利委員會水文局,2000～2017年岳口站和漢川站逐日水位資料來自湖北省水文水資源中心。由于漢江下游無大型支流匯入與流出,模型上下游邊界的流量與水位則用相近水文站進行線性插值的方法進行推求。

2 研究方法

2.1 指示物種及關鍵生境因子選擇

在河流生態系統中有許多生物群落,而魚類在其中是頂級群落,它們對其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚類可作為河流生態系統的關鍵物種,反映河流水生生態系統的健康狀況[13]。根據漢江下游河流生態系統的特點,綜合考慮瀕危程度、遺傳價值和物種價值等因素,將四大家魚作為研究河段魚類優先保護目標。青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚 (Ctenopharyngodonidella)、鰱魚 (Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(Aristichthysnobilis)合稱四大家魚,屬于鯉形目、鯉科,是中國重要的淡水經濟魚類,具有重要的遺傳育種價值。漢江是四大家魚天然產卵場分布區之一[20]。丹江口水庫下閘蓄水以后,漢江中下游水文情勢發生顯著變化,使得四大家魚原有的生長繁殖條件遭到破壞,產卵規模和魚類資源嚴重衰減。因此,選擇以四大家魚作為研究河段的指示物種,探究四大家魚棲息地與水文過程的響應關系,對于河流生態系統恢復及土著魚類群落保護具有重要意義。

魚類個體的整個生命階段分為產卵期、仔魚期、稚魚期、幼魚期、未成熟期、成魚期和衰老期[21]。由于目前許多學者側重考慮目標物種產卵期的生態流量需求,而對其他生命階段考慮相對較少,難以滿足河流生態完整性的需要。因此,本研究綜合考慮四大家魚生存繁衍中比較重要的親魚產卵期(5～8月)和仔魚、稚魚、幼魚生長期(9～11月)生態流量需求,使結果更具代表性和可靠性。四大家魚屬于典型的產漂流性卵魚類,親魚產卵需要一定的流速刺激,并且流速對產漂流性卵的魚以及剛孵出魚苗的成活至關重要,流速過低,可能會有使魚卵沉底或被其它魚類吞食,存活率較低;流速過高,尚未發育完全的魚苗無法適應環境,也無法正常生存。除流速外,水深的大小也決定了水壓力、光照等的不同,處于不同階段的魚類適宜生活在不同深度的水體當中,因此本文選取流速和水深作為魚類關鍵生境因子。對于河道底質,考慮資料可獲取性,采用參數簡化方法[22],認為河道底質均為最適宜底質,適宜度為1。

2.2 四大家魚適宜度曲線的建立

適宜度曲線法是棲息地適宜度評價應用最廣泛的方法[12],其中棲息地適宜度指數HSI(Habitat Suitability Index)用來定量生物對生境因子的偏好程度,用0～1區間來表示偏好程度,0為最不適宜,1為最適宜。目前,棲息地適宜度指數有二元格式、單變量格式和多變量格式[12]。二元格式即為生境因子確定一個適宜范圍,如在范圍內適宜度為1,否則即為0;單變量格式利用0～1之間的數值來定義魚類棲息地的適宜性,是目前普遍使用的格式;多變量格式認為生境因子對生物的影響是相關的,需要綜合考慮。本次研究采用單變量格式建立四大家魚的適宜度曲線。

2.3 棲息地模型構建

2.3.1水動力模型

棲息地模擬法將河道水力參數和指示物種生存所需的關鍵生境因子結合,推求滿足指示物種生存的生態流量,其物理意義明確。棲息地模擬法中,IFIM法是最具代表性的一種方法,但IFIM法僅是一套概念性方法,需要采用相關模型量化流量與棲息地分布之間的關系,如PHABSIM、River 2D等模型。因River 2D能較好地模擬流速和水深的局部動態變化,在河流生態保護與修復評價中得到了廣泛應用[13-14]。因此,本文選用River 2D模型進行河段四大家魚物理棲息地模擬,該模型中包含水動力模型和棲息地模型。River 2D軟件內置的水動力模塊是基于二維圣維南淺水方程組的平均水深的有限元模擬模型。由于研究河段垂向尺度遠小于水平尺度,可用River 2D模型的淺水方程進行二維水動力模擬。

本次模擬選用2016年實測河道地形資料。由于研究河段地形復雜,模型采用三角形網格,同時為確保模型模擬精度,要求網格質量(QI)大于0.1。模型上游邊界以流量作為邊界條件,下游邊界以水位作為邊界條件。采用不同的糙率系數進行試算,經率定得到研究河段的糙率系數為0.035。根據沙洋站1965～2017年的逐月平均流量資料,計算得到產卵期與生長期的月平均流量為203～9 392 m3/s,模型設定的上邊界流量范圍基本涵蓋研究河段的實際流量情況。模型邊界、網格劃分、參數確定及模擬流量范圍見表1。

表1 模型邊界、網格劃分及參數確定

2.3.2棲息地模型

以水動力模型模擬計算結果為基礎,將指示魚類關鍵生境因子的適宜性指數與河道各水動力參數進行匹配計算,得到Vi、Di和Ci的適宜性值,并對不同生境因子的適宜性值進行乘積計算得到綜合適宜性值(CSF),最后將CSF與對應的棲息地面積相乘,得到加權可利用面積(WUA)。計算公式如下:

CSFi=Vi×Di×Ci

(1)

(2)

式中:CSFi為第i個單元格的綜合適宜性值;WUA為研究河段的加權可利用面積;Vi、Di、Ci分別為第i個單元格中流速、水深、底質的適宜性值,區間為0～1,1代表最適宜;Ai表示第i個單元格的面積。

2.4 生態流量確定原則

研究表明,為維持河流生態系統的完整性,應考慮四大家魚不同的生態流量組分,即保證四大家魚生存極限條件的最小生態流量,滿足四大家魚產卵繁殖等生存需求的適宜生態流量以及刺激魚類產卵繁殖的高流量脈沖[23]。

本次研究在確定最小生態流量時,選取WUA與流量關系曲線中棲息地面積驟然上升階段時的流量作為最小生態流量,即關系曲線中的第一個明顯轉折點,但在實際操作中,轉折點的確定存在一定主觀性。因此,在參考相關研究成果[14-15]的基礎上,結合研究區域的水資源狀況,將最大棲息地面積的30%和80%對應的流量作為最小和適宜生態流量。圖2為目標物種WUA與流量關系曲線及推薦生態流量示意圖。

圖2 目標物種WUA與流量關系及推薦生態流量

研究表明,江河漲水引起的水位以及流速的上漲會刺激魚類進行產卵[24]。郭文獻等[25]認為,刺激四大家魚產卵還需要漲水持續時間在3～8 d,水位上漲率在0.41～0.85 m/d較為合適,且每年至少有1～2次高流量脈沖才能刺激魚類進行產卵。尚文繡等[23]選取峰值流量、平均流量、持續時間以及發生次數4個指標作為高流量脈沖的關鍵特征值。本次研究以四大家魚所需的水文條件為約束,以產卵期最小生態流量為高流量脈沖的下限,設定高流量脈沖漲水持續時間不小于3 d,每年高流量脈沖發生次數不小于2次。

3 結果與討論

3.1 四大家魚水深、流速適宜度曲線

參考文獻[26-27],結合漢江下游河流特征與四大家魚的行為特點,分別建立了四大家魚在產卵期與生長期的水深、流速適宜度曲線(見圖3)。在產卵期,四大家魚適宜流速范圍為1.0～1.5 m/s,極限流速為 3 m/s。同時,考慮到四大家魚為產漂流性卵魚類,設定流速低于0.3 m/s時魚卵會下沉死亡;在生長期,四大家魚幼魚適宜流速范圍為0.6～1.0 m/s,極限流速為1.8 m/s,最低流速閾值為0.1 m/s;由于水深對于產卵期與生長期的魚類影響相對較小,故水深適宜范圍取5～15 m,水深的上下限閾值分別為1 m和30 m。

圖3 四大家魚產卵期和生長期水深、流速的適宜性指數曲線

3.2 棲息地模擬結果

3.2.1模型率定與驗證

在4條研究河段中,仙桃段水文資料較為完整,故選取仙桃段進行模型驗證。利用2016年仙桃站實測逐月平均流量作為模擬工況,得到仙桃斷面的模擬水位,并與實測水位進行比較(見圖4)。結果顯示,仙桃斷面實測水位與模擬水位基本一致,相對誤差在±1.08%以內,說明模型模擬效果良好,可用于模擬不同流量下四大家魚流場及適宜棲息地分布。

3.2.2棲息地面積與流量的響應關系

利用River 2D水動力模型對各個研究河段進行模擬,得到不同流量下四大家魚棲息地流場及適宜棲息地分布。圖5和圖6為澤口河段與仙桃河段在典型流量條件下的水深與流速分布。隨著流量增加,澤口段與仙桃段的水深與流速均隨著流量的增加而增加,仙桃段更為明顯,而澤口段由于受河道地形影響而增加并不明顯。圖7和圖8為各河段四大家魚在產卵期與生長期的棲息地模擬結果。結果顯示,在產卵期時,當流量為1 310 m3/s時,各河段主河道出現些許適宜產卵的區域;當流量上漲至3 520 m3/s 時,各河段主河道絕大部分為適宜產卵的區域。而在生長期時,當流量為441 m3/s,各河段主河道存在少部分適合四大家魚生長的區域;當流量上漲至1 520 m3/s,這些區域幾乎覆蓋了全部主河道。根據各研究河段不同流量下四大家魚棲息地模擬結果,建立產卵期與生長期WUA與流量的響應關系曲線(見圖9)。

圖5 澤口河段典型流量條件下水深與流速分布

圖8 澤口、張港、彭市和仙桃河段典型流量下四大家魚生長期棲息地適宜性分布

圖9 澤口、張港、彭市和仙桃河段四大家魚產卵期、生長期流量與WUA的關系曲線

3.3 生態流量推薦值

(1) 產卵期(5～8月)。由圖9可以看出,各河段四大家魚的Q-WUA曲線變化基本一致,均為由快到慢的上升,而澤口段由于漫灘地形占比較大,導致流速難以達到四大家魚產卵的適宜性范圍,故產卵期生態流量主要考慮張港、彭市和仙桃3條河段。由不同流量下各河段四大家魚不同生命階段WUA占最大WUA的比例可知(見表2),各河段在441～1 310 m3/s流量時,WUA隨流量增加而快速增長,當流量達到1 310 m3/s時,3個河段WUA占最大WUA的比例在38.24%以上。因此推薦漢江下游四大家魚產卵期最小生態流量為1 310 m3/s。在1 310～3 520 m3/s流量時,四大家魚棲息地面積隨流量增加的幅度變小,當流量達到3 520 m3/s時,3條研究河段WUA占比在80.82%以上。故漢江下游四大家魚產卵期適宜生態流量的推薦值為3 520 m3/s。

(2) 生長期(9～11月)。當流量為441 m3/s時,澤口段生長期WUA占比為17.61%,而其他3條河段WUA占比在33.83%以上,能保證四大家魚生長發育需求,考慮到澤口段特殊的河道地形導致河床窄淺的情況,故推薦漢江下游四大家魚生長期最小生態流量為441 m3/s。當流量達到1 520 m3/s時,澤口段棲息地面積占比為49.42%,其他3條河段WUA占比在80.27%以上,故推薦漢江下游四大家魚生長期適宜生態流量為1 520 m3/s。

(3) 高流量脈沖。江河的漲水對四大家魚產卵行為具有刺激作用。汪登強等[20]和謝文星等[28]在漢江下游沙洋和漢川斷面監測到洪水過程與卵苗數量的關系,要求漲水持續時間大于4 d,流量日漲幅在287～734 m3/s時,四大家魚卵苗開始大量出現。由于丹江口水庫運行對漢江中下游水文情勢產生了深刻影響,因此可以將丹江口水庫建成之前壩下實測流量過程看作近似的天然狀態。本文以1973年丹江口水庫建成為時間節點,將流量超過2 510 m3/s(1964～1972年四大家魚產卵期累積頻率25%對應的流量)且持續漲水時間(從脈沖初始流量達到1 310 m3/s算起)超過3 d的流量事件視為高流量脈沖,分別統計建庫前后沙洋站典型時段的漲水發生次數、峰值流量、平均流量、日均流量漲幅和持續時間的均值(見表3)。由表3可得,建庫后 (1973～2017年),5月的漲水發生次數顯著降低,且流量漲幅較小,故5月的流量過程難以達到四大家魚產卵需求。此外,整個產卵期 (5～8月) 流量漲幅均下降,5、6月峰值流量未達到適宜生態流量推薦值(3 520 m3/s),這對四大家魚產卵規模的增加是不利的。

表3 丹江口水庫運行前后沙洋站高流量脈沖特征值

為刺激四大家魚產卵行為以及增加其產卵規模,恢復漢江下游河段高流量脈沖過程,推薦丹江口水庫至少實施2次生態調度。由于每年產卵觸發信號對于產漂流性卵魚類十分重要,故推薦在5月上旬開始進行第1次生態調度,通過模擬河流自然漲水過程向四大家魚釋放產卵信號,促進親魚性腺成熟;第2次生態調度在6月中旬實施,通過水庫調節塑造高流量脈沖,進一步促進四大家魚大規模自然產卵繁殖。具體地,在四大家魚產卵期丹江口水庫擇機開展生態調度,增加出庫流量,提高漢江下游的日流量上漲率和持續時間,要求高流量(大于1 310 m3/s)天數至少有3 d,流量上漲率在287～753 m3/(s·d),且峰值達到3 520 m3/s。參考沙洋站天然時期高流量的重要特征值,在產卵期增設2次高流量脈沖過程(見表4)。

表4 漢江下游四大家魚產卵期高流量脈沖推薦值

3.4 討 論

3.4.1與Tennant法結果比較

Tennant法為目前國外廣泛應用的水文學方法,該方法以河流多年平均流量為基礎,分析不同百分比的多年平均流量條件下河流棲息地狀態。基于棲息地模擬得到的漢江下游仙桃段生態流量推薦值及與Tennant法的對比見表5。結果表明,棲息地法推求的產卵期最小和適宜生態流量分別處于Tennant法的“最佳”和“超過最大”等級,生長期最小和適宜生態流量分別對應Tennant法的“好”和“最大”等級,有利于重點考慮維持四大家魚自然繁殖的需要,并能兼顧幼魚生長發育的需求。因此,本文提出的最小和適宜生態流量推薦值基本滿足研究河段四大家魚產卵場修復以及生態調度的實際需要。

表5 基于棲息地模擬得到的仙桃段生態流量推薦值及與Tennant法比較

3.4.2在實際中的驗證

在2018年6月12日,漢江中下游開展梯級聯合生態調度試驗,創造了一次歷時3 d、流量日漲幅為400～1 000 m3/s的高流量脈沖[29],汪登強等[20]于2018年在漢川河段監測到四大家魚卵苗在流量為1 800～3 300 m3/s時急劇增加,這表明該次生態調度塑造的高流量脈沖能夠有效促進四大家魚產卵。張曉敏等[30]于2007年在沙洋站監測到四大家魚在流量為900～2 500 m3/s和2 000～8 000 m3/s時有產卵行為,并監測到4個達到6 000 m3/s的洪峰,四大家魚僅在第一個漲洪階段進行產卵,說明流量持續過大也不利于四大家魚產卵。由于梯級水庫建成,漢江中下游魚類繁殖較建壩前推遲了20 d以上,導致四大家魚在5月基本不產卵。為刺激四大家魚產卵,汪登強等[20]認為漢江下游流量日均漲幅要達到500 m3/s以上,持續時間不小于5 d;張輝等[19]則認為流量日均漲幅在139.1～534.8 m3/s之間,調度持續時間不小于5 d。本文參照沙洋站天然時期的徑流過程,提出維持四大家魚繁殖的高脈沖流量日均漲幅要求達到287～753 m3/s,漲水時間不小于3 d。因此,本文給出的產卵期生態流量推薦值及高流量脈沖能較好滿足四大家魚產卵繁殖的需求。

3.4.3生態流量滿足率分析

研究時段內滿足生態流量的天數占研究時段總天數的百分比為生態流量滿足率,它可以反映氣候變化特別是人類活動對河流生態流量的影響。本文利用1964～2017年沙洋站日平均流量資料分析漢江下游生態流量滿足率,結果見圖10。

圖10 沙洋站四大家魚產卵期與生長期的生態流量滿足率

由圖10可見,產卵期(5～8月)最小和適宜生態流量滿足率分別為54.84%和9.79%,說明在產卵期,有54.84%的時段能滿足四大家魚產卵行為的最低需求,9.79%的時段為四大家魚產卵提供適宜的生境條件;生長期(9月～11月)最小和適宜生態流量滿足率分別為98.94%和49.45%。由此來看,產卵期生態流量滿足率較低,因此有必要實施生態調度提高產卵期的生態流量滿足率,為四大家魚產卵創造良好的條件;而在生長期,最小生態流量滿足率接近100%,但在1966年和1997年沒有達到100%,且最小生態流量滿足率在下降,即枯水年份的干旱程度呈現增加趨勢,未來需在枯水年份對四大家魚生長期進行生態補水。

4 結 論

本文以丹江口等梯級水庫影響下的漢江下游河道為例,選取四大家魚為指示物種,構建了漢江下游棲息地模型,提出了維持四大家魚產卵期和生長期需求的生態流量及高流量脈沖,得到以下主要結論:

(1) 采用River 2D模型建立了棲息地面積與流量的響應關系,提出了漢江下游四大家魚產卵期最小和適宜生態流量分別為1 310,3 520 m3/s;生長期最小和適宜生態流量分別為441,1 520 m3/s。

(2) 參照漢江下游天然時期水文情勢的關鍵特征值,提出四大家魚產卵期需要至少2次高流量脈沖,其高流量(大于1 310 m3/s)持續漲水時間在3 d以上,流量日均漲幅達到287～753 m3/s,且峰值流量需達到3 520 m3/s,以刺激四大家魚大規模自然產卵繁殖。

(3) 與Tennant法和實際生態監測結果比較,本文提出的生態流量推薦值和高流量脈沖能較好滿足四大家魚產卵繁殖的需要;對比歷史實測流量過程,四大家魚生長期生態流量滿足率相對較高,而產卵期滿足率明顯不足,需要進一步加強漢江中下游梯級水利樞紐的聯合生態調度,塑造維持四大家魚自然繁殖的適宜生態流量和高流量脈沖。