黃河內蒙古河段水文情勢變化及生態效應初探

米瑋潔 張舜 胡俊 高少波 胡菊香

摘要：選擇月均流量、日均流量變幅、極端流量和脈沖延時4個水文情勢指標，采用IHA-RVA（水文情勢變化指標-變化范圍法）分析黃河干流內蒙古河段水文情勢的時空變化特征，辨析黃河魚類生態習性與徑流組分的響應關系，探討內蒙古河段流量過程、極端流量變化的生態效應。黃河干流上游河段水利工程運行后，內蒙古河段的水文情勢明顯改變，進而改變該河段的生態水文聯系過程。黃河內蒙古河段枯水期月均流量增加（1、2月份月均流量增幅超過70%）、最小日均流量增加（石嘴山斷面最小日流量增幅超過50%），保障了河道流水棲息生境，有利于魚類越冬。該河段日均流量變幅降低，有利于粘性卵孵化。但是內蒙古河段汛期月均流量減小（7-10月份月均流量降幅接近50%），大、小洪水持續時間縮短，不利于擴展橫向棲息地；最大流量出現時間在上游河段延遲超過2個月、在中下游河段提前約1個月，洪水脈沖刺激時間紊亂可能影響魚類繁殖行為。研究可為黃河內蒙古河段魚類棲息地保護以及上游水庫生態調度提供技術支持。

關鍵詞： 流量過程；水文情勢；魚類；生態效應；黃河內蒙古河段

中圖分類號：X143? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）00-0042-08

黃河是中國的第2大河，流域水資源豐富。水資源開發為黃河流域帶來福祉的同時，也改變了河流的水文、水系特征以及河流的理化性質，干擾了自然狀態下河流泥沙和生源物質的輸移，進而對生物和生態環境產生影響，并產生連帶的生態效應（李想等，2021）。近30年來，黃河魚類物種多樣性和資源量均呈明顯下降趨勢，黃河水量、棲息生境、縱向連通性的改變是導致魚類變化的主要原因（茹輝軍等，2010）。水文情勢在河流和河漫灘的生物群落多樣性形成和生態系統完整性維持方面具有極其重要的作用。河流年內周期性豐枯變化，造成河流-河漫灘系統呈現干涸-枯水-漲水-側向漫溢-河灘淹沒的時空變化特征，對豐富多樣的棲息地形成起著關鍵性作用。這種水文過程與生物過程之間形成了相互適應、調節的耦合關系（杜強和王東勝，2005）。當河道基流減少甚至斷流時，土著生物種類減少（Kupferberg et al，2012），陸生植物入侵河岸帶（Stromberg et al，2007）；當壩下泄水改變河流的豐枯節律后，生物種群數量和物種豐度減少（Casas-Mulet et al，2015；Schmutz et al，2015）。

內蒙古龍羊峽-劉家峽河段是黃河上游水電梯級開發最為集中的河段，上游水電站運行導致中下游水文情勢過程發生了顯著改變。為此，本文選擇黃河內蒙古河段，結合龍羊峽、劉家峽水電站的運行，采用生態水文情勢指標，深入分析該河段流量變化的時空特征，結合黃河干流魚類生態習性與徑流組分響應關系，探討上游兩座水電站建設運行對內蒙古河段生態水文效應的影響，旨在為該河段棲息地保護和上游水庫生態調度提供技術支持。

1? ?研究區域概況

黃河內蒙古河段是黃河上游的最下段，地處黃河流域最北端，從右岸寧蒙界都思兔河入黃口處入境，于準格爾旗馬柵鄉出境，河段長度為843.5 km。受兩岸地形控制，該河段形成峽谷與寬河段相間出現的格局。黃河內蒙古河段是流經區域的重要水源，黃河鄂爾多斯段黃河鯰國家級水產種質資源保護區幾乎覆蓋了整條河段。

龍羊峽和劉家峽水庫是黃河上游具有重要調節作用的水利工程。其中，劉家峽水庫于1968年蓄水，龍羊峽水庫于1986年蓄水。根據黃河干流龍羊峽、劉家峽水庫的聯合調度過程，將研究時段劃分為3個階段：1967年以前，黃河內蒙古河段為自然狀態；1968-1985年，劉家峽水庫運行階段；1986年以后，劉家峽、龍羊峽水庫聯合運行階段。

2? ?研究方法

2.1? ?徑流組分

河流流量是河流生態系統演變的關鍵因子。以受人類活動影響較小的1957年石嘴山斷面日徑流過程線（圖1）為參考樣本，日徑流過程線在年內可分為低流量、流量脈沖、高流量及洪水等不同組分，每一個流量組分對河流形態、生態過程都起著關鍵性作用。

2.2? ?分析方法

采用水文情勢變化指標-變化范圍法（Indicators of Hydrologic Alteration-Range of Variability Approach，IHA-RVA），通過選擇并計算關鍵生態水文指標的變化程度（Richter et al，1998），根據生態水文聯系特征，分析河流水文情勢的改變趨勢，探討水文情勢改變對河流水生生物尤其是魚類生長與繁殖的影響。該方法目前主要用于分析水文情勢變化對魚類繁殖的影響（曹艷敏等，2019；黎曉東等，2021）。

本文基于黃河內蒙古河段石嘴山、三湖河口、頭道拐斷面水文站50年以上長序列的日水文數據，選擇月均水量等4個與水生態系統關聯較強的指標構建水文情勢變化指標IHA（表1）。通過分析1958-2014年日流量數據，統計不同斷面1958-1967年、1968-1985年、1986-2014年的IHA參數，以未受人類活動影響的自然狀態（1958-1967年）為基準，計算每個參數的水文變化率及水文綜合改變度，分析劉家峽水庫運行（1968-1985年）、劉家峽-龍羊峽水庫聯合運行（1986-2014年）條件下該河段的生態水文情勢改變程度。

注：大洪水定義為大于干擾前P=10%日均流量；小洪水定義為介于干擾前P=10%～30%日均流量；低流量定義為小于干擾前P=80%日均流量；極低流量定義為小于干擾前P=90%日均流量。

Note： A major flood is defined as a flood that is greater than the average daily flow before the disturbance （P=10%）; Small flood is defined as the average daily flow between P = 10% and 30% before disturbance; Low flow is defined as less than the average daily flow before interference （P=80%）; Very low flow is defined as less than the average daily flow before interference （P=90%）.

2.3? ?魚類資源調查

黃河內蒙古河段魚類資源調查以現場捕撈為主，輔以市場調查、走訪漁民等方式，現場捕撈漁具以水下延繩釣鉤為主，輔以蝦籠、刺網等。

3? ?結果與分析

根據IHA-RVA方法的計算結果，受上游水電站運行的影響，黃河內蒙古河段1-2月和7-10月月均流量最大、最小流量出現時間、小洪水和低流量、極低流量持續天數等屬于高度改變指標；最大、最小1、3、5、30、90日日均流量屬于中度-高度改變指標。水文綜合改變度在不同斷面表現出差異，從內蒙古河段上游至下游（石嘴山斷面-三湖河口斷面-頭道拐斷面），水文情勢的綜合改變程度呈減弱的趨勢。

3.1? ?流量過程變化特征

3.1.1? ?月均流量變化? ?與自然狀態（1958-1967年）相比，1968-1985年豐水期（6-11月）內蒙古河段月均流量降低，1986-2014年月均流量進一步降低，其中7-10月月均流量降低近50%。枯水期（12月至次年5月）與自然狀態相比，1968-1985年內蒙古河段月均流量增加，其中1、2月月均流量增加超過70%；與1968-1985年相比，1986-2014年月均流量變化不明顯（圖2）。

自然狀態下（1958-1967年）內蒙古河段從上游至下游（石嘴山斷面至頭道拐斷面）豐水期（6-11月）月均流量逐漸降低，1968-1985年、1986-2014年從上游至下游月均流量逐漸降低；枯水期（12月至次年5月）各斷面月均流量無明顯差異；但1968-1985年、1986-2014年3月下游三湖河口、頭道拐斷面月均流量高于上游石嘴山斷面。

3.1.2? ?流量變幅變化? ?與自然狀態（1958-1967年）相比，1968-1985年內蒙古河段1、3、5日日均流量變幅均有所降低，1986-2014年日均流量變幅進一步降低（表2）。自然狀態下，內蒙古河段石嘴山至三湖河口斷面日均流量變幅降低，三湖河口至頭道拐斷面流量變幅增加；1968-1985年、1986-2014年石嘴山與三湖河口斷面的流量變幅變化不明顯，三湖河口到頭道拐斷面流量變幅增加。

3.2? ?極端流量變化特征

3.2.1? ?日均流量極值變化? ?與自然狀態（1958-1967年）相比，1968-1985年內蒙古河段1、3、7、30、90日最大日均流量均降低，降幅約20%；1986-2014年最大日均流量進一步降低，與自然狀態（1958-1967年）相比，降幅超過50%。1968-1985年內蒙古河段最小日均流量的變化特征在不同斷面表現出差異，石嘴山斷面最小日均流量增加，增幅達59%～97%；三湖河口斷面除7日最小日均流量降低外，其余均增加；頭道拐斷面除30日、90日最小日均流量增加外，其余均降低。1986-2014年最小日均流量較1968-1985年進一步降低（圖3）。

3.2.2? ?極值出現時間變化? ?自然狀態下（1958-1967年），石嘴山斷面年最小流量出現在第2天；1968-1986年最小流量出現時間差異不大，在第1天；1987-2014年最小流量推遲到第74天。自然狀態下（1958-1967年），三湖河口斷面年最小流量出現在第138天；1968-986年最小流量出現時間差異不大，在第143天；1987-2014年最小流量提前到第130天。自然狀態下（1958-1967年），頭道拐斷面年最小流量出現在第140天；1968-1986年最小流量出現時間差異不大，在第145天；1987-2014年最小流量提前到第133天（圖4）。

自然狀態下（1958-1967年），石嘴山斷面年最大流量出現在第208天；1968-1986年最大流量延遲至第260天；1987-2014年最大流量保持在第260天。自然狀態下（1958-1967年），三湖河口斷面年最大流量出現在第262天；1968-1986年最大流量出現時間差異不大，在第263天；1987-2014年最大流量提前到第229天。自然狀態下（1958-1967年），頭道拐斷面年最大流量出現在第263天；1968-1986年最大流量出現時間差異不大，在第264天；1987-2014年最大流量提前到第234天（圖4）。

3.2.3? ?流量脈沖延時變化? ?自然狀態下（1958-1967年），內蒙古河段年大洪水持續時間一般超過40 d，年小洪水持續時間約25 d；1968-1985年該河段年大、小洪水持續時間分別降低至26 d和23 d左右；1986-2014年進一步降低至4 d和10 d左右（圖5）。自然狀態下（1958-1967年），內蒙古河段年低流量持續時間超過60 d，年極低流量持續時間超過40 d；1968-1985年持續時間分別降低至26和15 d以下；1986-2014年年低流量、極低流量持續時間有所增加。

自然狀態下（1958-1967年），黃河內蒙古河段上游到下游年大洪水持續時間呈先降低后增加的趨勢；1968-1985年、1986-2014年3個斷面年大洪水持續時間沒有明顯差異。自然狀態下從上游到下游年小洪水持續時間呈先增加后降低的趨勢；1968-1985年斷面年小洪水持續時間沒有明顯差異；1986-2014年呈先增加后降低。自然狀態下從上游到下游年低流量持續時間呈先降低后增加的趨勢，年極低流量持續時間呈增加趨勢；1968-1985年、1986-2014年從上游到下游年低流量、年極低流量持續時間的變化趨勢保持一致。

3.3? ?魚類資源特征

本研究現場共調查到魚類28種。鯽、赤眼鱒、鲇居漁獲物重量的前3位，分別占漁獲物重量的19.94%、17.36%、12.47%；其后依次為草魚（10.43%）、麥穗魚（10.06%）、鯉（7.64%）、鳊（5.34%）、蘭州鲇（4.70%）、烏鱧（3.98%）、圓筒吻鮈（1.29%）。這10種魚合計占漁獲物重量的93.23%，是該江段主要的捕撈對象。通過對該河段主要捕撈對象的生物學測定分析表明，中小型魚類如赤眼鱒、麥穗魚、鯽、?等在漁獲物中數量占比較大，年齡構成以1～2齡魚為主，3齡以上魚類所占比例不大，內蒙古河段魚類資源呈小型化、低齡化趨勢。

2009年寧蒙河段共調查到魚類24種，小型魚類占2/3，為該河段魚類構成的主體。該河段魚類群落多樣性偏低、穩定性不高，優勢種主要有鯉、鲇、瓦氏雅羅魚、鯽、棒花魚；常見種主要有麥穗魚、蘭州鲇、草魚、?、黃黝魚、高體鳑鲏、黃河鮈。魚類種群年齡結構低齡化、個體小型化嚴重（馮慧娟，2010）。2013-2016年在黃河干流內蒙古河段共采集魚類20種，分別為鯽、鯉、草魚、鰱、鳙、赤眼鱒、寡鱗飄魚、?、鯿、似鱎、高體鳑鲏、花?、麥穗魚、南方鮈、圓筒吻鮈、棒花魚、平鰭鰍鮀、泥鰍、鲇、黃河鲇、圓尾斗魚（景升利，2020）。

結合歷史資料與現狀分析，黃河內蒙古河段魚類以小型魚類為主，該河段2009年優勢種為鯉、鲇、瓦氏雅羅魚、鯽、棒花魚，而此次調查中鯽、赤眼鱒、鲇、草魚、麥穗魚為漁獲物生物量主要組成部分，近年來該河段魚類組成發生了較大的變化。

4? ?討論

流量過程對河流生態系統中的水生生物尤其是魚類至關重要，是魚類選擇棲息地、繁殖行為調節及生長發育的決定性因素。水文過程年度內呈現出不同的生態流組份，如極端低流量、低流量、高流量、小洪水、大洪水等。這些組份具有不同的流量特征，包括流量、出現時間、頻率、持續時間及變化速率等（葛懷鳳，2013；張洪波等，2012）。水文指標與生態因子之間存在緊密的聯系，例如流量過大易沖走魚類餌料，但促進水系連通；流量過小易出現河段脫水現象，破壞物種的生存環境；峰值流量出現時間點的改變會擾亂魚類的產卵行為等（陳凱麒和陶潔，2015）；魚類捕撈產量、魚苗豐度、魚卵密度與高流量脈沖歷時、漲水率等特征有關（班璇等，2019；陳誠等，2020）。Poff和Zimmerman （2010）綜述分析流量變化與生態響應的關系時發現，不管流量是增加還是減小，魚類豐度、多樣性等都會降低。

4.1? ?流量均值過程變化的生態效應

流量均值過程變化主要影響水生生物棲息地環境特征，如濕周、流速、棲息地面積等。其中，月流量反映不同生命周期水流的流量水平，低流量是維持河流生態系統最基本生態功能的需求。流量過程紊亂增加棲息生境的不穩定性，打亂生物的生命周期與節律等；流量過程均化降低棲息生境多樣性，脈沖減弱影響魚類生長與繁殖。研究表明三峽水庫蓄水后多年平均流量減少，中華鱘和四大家魚的產卵量下降（郭文獻等，2011）；蓄水后河道洪水過程趨于均一化和單一化，使四大家魚產卵的信號減弱或消失（李清清等，2012）。塔里木河中水庫建設運行導致干流多數月份的月均流量減少，年發生低流量次數增加，影響洪泛區樹林生長，并對下游河道水生生物棲息生境等產生不利影響（薛聯青等，2017）。

對黃河干流內蒙古河段流量均值過程的變化分析發現，上游劉家峽水庫運行后，內蒙古河段汛期月均流量減小、枯期月均流量增加，流量過程變異程度降低，呈坦化趨勢；劉家峽-龍羊峽水庫聯合運行后加劇了坦化趨勢。與林夢然等（2019）研究結果類似，受龍羊峽水庫徑流調節作用影響，壩下河段年內徑流過程趨于一致化。上游水利工程運行導致黃河內蒙古河段汛期流量減小，流量變異程度降低，使得魚類棲息地數量、多樣性下降。

11月至次年3月是黃河的低流量過程，也是魚類越冬期。上游水利工程運行導致黃河內蒙古河段11月至次年3月低流量增加，低流量、極低流量持續天數減少。枯期流量增加有利于魚類越冬。進一步分析日均最小流量的變化發現，水電站運行尤其是劉家峽-龍羊峽水庫聯合運行后，內蒙古河段上游最小日均流量增加，下游最小日均流量下降，越冬期流量增加對魚類越冬的有利影響在上游更明顯。黃河下游花園口河段，受小浪底水庫運行的影響，冬季低流量減少，降低了河流低洼處的水深，不利于魚類過冬（蔣曉輝等，2010）。

黃河內蒙古河段現場調查的10種主要捕撈魚類中，鯽、鲇、麥穗魚、鯉、蘭州鲇5種均為產粘性卵魚類，粘性卵附著在基質上，水位波動對魚類產卵及其卵孵化十分重要。通常，粘性卵孵化時間需3～7 d，卵孵化后魚苗需要3～4 d穩定水流過程。黃河蘭州鲇產卵期多年平均流量日變幅為±50 m3/s，黃河鯉產卵期多年平均流量日變幅為±100 m3/s（王東勝等，2010）。上游水利工程運行后，黃河內蒙古河段日均流量變幅降低，水流條件趨于穩定，有利于粘性卵魚類孵化。

4.2? ?極端流量變化的生態效應

極端流量變化主要包括極端日均流量、極端流量發生時間、頻率以及延時變化等特征。極端流量發生時間通常是水生生物特定生命周期或生命活動的信號，持續時間是影響生物棲息和產卵過程的關鍵因素，發生頻率及變化承載著水生生物生存與繁衍的周期信號（張洪波，2012）。例如，高流量改善生境條件，洪水流量增強河道與濕地、支流的連通性，促進了主河道與河漫灘區的營養物質交換，有利于擴展棲息地面積和食物來源，形成淺灘、沙洲等新棲息地，為仔魚或幼魚生長提供良好的繁育所（Thomaz et al，2007）。洪水的發生時機和持續時間是很多魚類完成生活史的必要條件，對魚類的繁殖與生長有著重要作用（Junk，1982）。研究表明，長江宜昌江段漲水過程有效刺激四大家魚自然繁殖活動（李博等，2021），持續漲水時間是影響四大家魚繁殖的重要生態水文參數（徐薇等，2020）。因此，洪水特征的變化對魚類生長繁殖產生顯著影響。例如，三峽水庫對中小洪水的調度削弱了天然洪峰過程，導致四大家魚產卵繁殖所需的水文刺激減弱，三峽水庫運行初期長江四大家魚資源量持續下降（李朝達等，2021）。流量低脈沖歷時和流速高脈沖歷時的改變，也不利于刺激四大家魚產卵繁殖活動（曹艷敏，2019）。

應用IHA方法對黃河源區（周毅等，2017）、上游（李建等，2013）及中下游河段（常俊超，2022）的水文情勢變化分析發現，黃河源區中大洪水事件逐漸消失，流量結構組成趨于單一，源區生物多樣性呈下降趨勢；蘭州段水文情勢高度改變，對該河段水沙、生物種群數量、幼苗比例、棲息地環境等產生較大影響；花園口河段高流量事件在流量量級、歷時及頻次3個方面均有所減少。根據黃河內蒙古河段極端流量的變化特征分析，上游水利工程建成運行后，減少了該河段年大洪水、年小洪水的持續時間，并對年最大流量出現時間有較大影響：劉家峽水庫運行后石嘴山斷面年最大流量出現時間延后；劉家峽-龍羊峽水庫聯合運行后三湖河口、頭道拐斷面年最大流量出現時間提前。林夢然等（2019）研究發現，龍羊峽水庫徑流調節作用導致壩下河段年最大流量顯著減小且出現時間提前，年最小流量顯著增大且出現時間延后。

黃河4-6月的高流量脈沖刺激魚類產卵，7-10月的高流量過程淹沒河漫灘區，對魚類產卵、孵化、遷徙等有關鍵影響。小洪水脈沖雖然不是黃河鯉親魚產卵的必要條件，但一定水流刺激可以促進親魚產卵，而且小脈沖洪水可縮短黃河鯉產卵時間，提高親魚產卵率及魚苗成活率（王瑞玲等，2020）。黃河內蒙古河段主要捕撈對象中赤眼鱒、圓筒吻鮈為產漂流性卵的小型魚類，其繁殖對漲水的依賴程度較小（黎明政等，2019）。因此，石嘴山斷面年最大流量出現時間延后，對魚類繁殖行為有一定影響；但對于內蒙古河段的主要魚類而言，大、小洪水的持續時間減少，導致魚類產卵棲息地減少、幼魚食物來源減少，不利于幼魚生長。黃河下游河段水文情勢變化也表現出相似的生態效應：4-6月流量脈沖消失或減少，黃河鯉產卵刺激減弱，產卵缺乏足夠的產卵棲息地；7-10月漫灘洪水消失，黃河魚類失去了從河灘地獲得食物和棲息地的機會（蔣曉輝等，2010）。

生態水文聯系是生態水文學研究的重點，可探索水利工程建設對關鍵物種棲息地、水力學要素和徑流情勢、物種群落等的影響特征，促進水利工程從傳統防洪興利調度向生態調度轉變（夏軍等，2020）。利用IHA等水文改變指標體系可以簡便有效地評估水文情勢變化及其生態效應（程俊翔等，2018）。生態水文情勢改變對河流中產粘性卵魚類產卵及生長、河流棲息地多樣性、魚類索餌越冬的影響，是生態水文學研究的難點及發展方向。本研究通過IHA-RVA方法辨析了黃河內蒙古河段水文情勢改變程度較大的水文因子，初步揭示了水文情勢改變對河流水生生物尤其是魚類生長與繁殖的影響。但本研究缺少生態方面的數據補充和驗證，缺乏水文因子與魚類的直接定量分析，這些是下一步需要開展研究的內容。

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（責任編輯? ?鄭金秀）

Ecological Effects of Flow Regime Alteration in Inner Mongolia

Reach of the Yellow River

MI Wei‐jie1， ZHANG Shun2， HU Jun1， GAO Shao‐bo1， HU Ju‐xiang1

（1. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources and

Chinese Academy of Sciences， Wuhan? ?430079，P.R. China；

2. Wuhan Institute of Technology， Wuhan? ?430205， P.R. China）

Abstract：The Inner Mongolia reach of the upper Yellow River （Longyangxia-Liujiaxia section） is the river section with intensive hydropower development and the operation of hydropower station has led to significant changes of flow regime in the river section. In this study， we analyzed temporal and spatial alterations of the flow regime in Inner Mongolia， investigated the response relationship between the fish community and runoff， and discussed the ecological effects of hydrological alterations. The study was based on the long term hydrological data collected at Shizuishan， Sanhuhekou and Toudaoguai. Indicators of hydrologic alteration （IHA） and the ranges of variability （RVA） were used for the analysis. Results show that the flow regime of the Yellow River in Inner Mongolia changed significantly after the operation of hydropower stations in the upper reaches of the Yellow River， consequently altering river ecohydrology and continuity. During the dry season， the increases in average monthly discharge （> 70% in January and February） and minimum average daily discharge （> 50% at Shizuishan） was helpful for maintaining river flow and fish overwintering. The decreased range in daily discharge benefitted hatching of fish species with adhesive eggs. However， during flood season， average monthly discharge decreased by 50% （from July to October）， as did the duration of flooding， and the occurrence of the maximum daily discharge was delayed by two months in the upper river and advanced by nearly a month in the middle and lower river， adversely affecting fish growth and reproduction. Our study provides support for ecological regulation and habitat protection in the Yellow River in Inner Mongolia.

Key words： flow regime process; water regime；fish; ecological effect; Inner Mongdia reach of the Yellow River

收稿日期：2022-05-20? ? ? 修回日期：2023-06-15

基金項目：國家自然科學基金（U21A2002；42007433）。

作者簡介：米瑋潔，1980年生，女，副研究員，主要從事水生生態研究工作。E-mail： miweijie@mail.ihe.ac.cn

通信作者：胡俊，1977年生，男，研究員，主要從事生態水文與水環境研究。E-mail： jhu@mail.ihe.ac.cn