棲息地法確定樟溪河生態(tài)流量研究

劉中　彭瑞文　林霞　羅艷

摘要：為確定浙江省寧波市皎口水庫下游樟溪河生態(tài)環(huán)境流量，利用棲息地法通過結(jié)合月光魚棲息地適宜度分析和二維水力模型流量模擬開展研究。結(jié)果表明，考慮月光魚在不同生長階段對水流速度和水深的要求，建議水庫在魚的生長期內(nèi)最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期內(nèi)每周有1～2天下泄流量達到2 m3/s以上。另外，每年還需要在豐水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”沖刷河床，以保持有一定范圍的深水區(qū)供魚類過冬。本研究為棲息地法在南方地區(qū)中小型河流的應(yīng)用提供了實例和參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境流量；棲息地模擬法；棲息地適合度曲線；加權(quán)可用面積

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.012

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0049-03

棲息地模擬法基于生物學(xué)原則，根據(jù)指示物種所需的水力條件確定河流流量，被認為是當(dāng)前較為可信的生態(tài)環(huán)境流量評價方法之一。棲息地模擬法中最常用的是河流內(nèi)流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology，IFIM），該法通過水利學(xué)模型與水生生物不同階段所需要的水利條件相結(jié)合，定量描述河流流量和棲息地之間的關(guān)系，從而確定指示生物某一特定生命階段的生態(tài)需水量[1]。

樟溪河位于浙江省寧波市皎口水庫下游，受上游水資源開發(fā)強度加大影響，樟溪河河流水量發(fā)生變化，給河流生態(tài)環(huán)境帶來風(fēng)險。寧波市水資源與環(huán)境工程（2006年完工）的貸款方之一世界銀行提出對下游環(huán)境流量進行調(diào)查研究并給出建議方案。本研究以樟溪河為研究對象，利用月光魚（Distoechodon tumirostris，學(xué)名圓吻鲴）作為確定河流生態(tài)流量的指示生物，通過結(jié)合二維水力學(xué)模型和針對月光魚的棲息地模擬，分析不同流量條件下的水深和流速情況，建立指示生物在不同生命階段的棲息地加權(quán)可利用面積（WUA）與生態(tài)流量的關(guān)系，計算樟溪河下游河道內(nèi)最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量，以期為當(dāng)?shù)厮Y源的綜合管理和可持續(xù)開發(fā)提供依據(jù)，同時為相關(guān)河流生態(tài)需水量計算及河道生態(tài)修復(fù)等提供參考。

1 研究概況和方法

1.1 研究概況

樟溪河位于浙江省寧波市，上游起于皎口水庫出水口下游匯入鄞江河，全長約16 km，水域面積約60 km2（圖1）。根據(jù)2007年寧波大學(xué)開展的樟溪河生態(tài)調(diào)查結(jié)果，該河生物物種豐富，有10多種不同習(xí)性的魚類，其中月光魚對河流生境和水質(zhì)要求最高，可被認為是能反映樟溪河生態(tài)環(huán)境狀況的指示生物。2009年6月，對該河段的河道地形和水文數(shù)據(jù)進行實地勘測，包括6個斷面的水深和平均流速，這些數(shù)據(jù)用于二維水力模型的參數(shù)率定和模擬計算。

1.2 棲息地適合度模型

棲息地適合度模型用來計算生態(tài)環(huán)境條件對某一特定物種的棲息適合度。棲息地適合度指標作為廣泛使用的棲息地評價指標，用于表征水生生物對不同河流環(huán)境因子的偏好性。確定棲息地適合度的方法眾多，但總的來說，主要根據(jù)指示物種所需的物理生境條件確定棲息地適合度。本研究的指示物種月光魚，一般棲息在河流湖泊的中下層，冬季在深潭越冬，4月至5月的繁殖季節(jié)上溯至流水淺灘產(chǎn)卵繁殖。月光魚生存的適宜流速為0～0.5 m/s，幼魚沒有最小生態(tài)流量要求，但因為它們的游泳能力有限，最好是在低流速的靜態(tài)水域中生存，或者選擇高流速河流中的深水區(qū)作為避難場所。在越冬期（10月至次年3月），當(dāng)?shù)佤~類主要選擇河流中水深處作為越冬點，尤其是一些流速低的大水潭，只要水深超過2 m，大多數(shù)魚類（包括月光魚）就能夠過冬。在繁殖期（4月至5月），月光魚雌魚會在高流速條件下（0.5～1.5 m/s）刺激產(chǎn)卵。根據(jù)實地勘測，樟溪河下游有足夠的淺灘，如果河道生態(tài)流量在月光魚繁殖期能保證在監(jiān)測斷面達到0.5～1.5 m/s，就可以滿足它們的產(chǎn)卵要求。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以模擬指示物種月光魚在不同生命階段的水深和流速適合度曲線。

1.3 加權(quán)可利用面積法

加權(quán)可利用面積法通過結(jié)合不同流量條件下水文模型和指示生物棲息地偏好（或適合度），進行流量變化對棲息地影響的評價[2]。通過計算加權(quán)可利用面積（WUA）與流量之間的關(guān)系，根據(jù)轉(zhuǎn)折點（斜率為1），確定河道內(nèi)最小生態(tài)流量。斷面生態(tài)流量測量避開雨季（8月至9月）和枯水期（12月至次年1月），選擇在河道內(nèi)比較淺的地方，并且盡量排除人為設(shè)施和植被的影響。因為普遍認為如果能夠滿足淺灘所需要的流量，那么也可以滿足深潭和其他位置所需要的生態(tài)流量[5]。采用圣維南方程組計算二維水力學(xué)特征，研究假設(shè)在垂直方向上符合靜壓分布，水平流速是持續(xù)的，忽略科氏力和風(fēng)力。結(jié)合河道斷面的水位測量數(shù)據(jù)、河床坡度（相對于皎口水庫的出水口高度）、渦流粘度（采用標準公式，λ=0.068 3）、平流向Γ（河道直而寬闊，故可以忽略，假定為0）和局部摩擦系數(shù)f（由實際測量的流速計算得到，其他深度下的摩擦系數(shù)由線性趨勢取得），再與實地測量得到的水深和流速進行校準。該二維水力學(xué)模型可以模擬不同水深或流速下的流量[6-7]。

2 結(jié)果與分析

通過野外實際測量和室內(nèi)實驗結(jié)果，獲得月光魚不同生命階段的棲息地流速和水深適合度（圖2）。適合度為1代表最常用或最優(yōu)先棲息地，其他參考值為適合度的0、10%、25%、50%、75%和90%。由此可以繪制棲息地適合度曲線，比如月光魚在繁殖期間的流速適合度曲線（圖3）。

通過計算各斷面在月光魚不同生活時期的最小和適宜生態(tài)流量得出的結(jié)果，可以作為皎口水庫制定下泄流量的依據(jù)。在生長期，中位水深對應(yīng)的最小生態(tài)流量較高，接近最大加權(quán)可用面積法對應(yīng)的所需生態(tài)流量。與之相比，中位流速對應(yīng)的平均最小生態(tài)流量為2.7 m3/s。如果要想達到最佳棲息地條件，生態(tài)流量大概在2.8 m3/s。繁殖期的中位水深對應(yīng)的最小生態(tài)流量平均僅為0.27 m3/s，與水文法中的Tennant法規(guī)定的10%的年平均流量相近，但在中位流速下計算得到的平均生態(tài)流量則過高（>10 m3/s），顯然是不現(xiàn)實的。由于流速可能是更好的生態(tài)指標，根據(jù)流速指標計算的魚類流量要求更具生態(tài)學(xué)意義，更適合用來確定環(huán)境流量[8]。在繁殖期間，雌魚需要受到快速水流的刺激（0.5～1.5 m/s）而產(chǎn)卵，如果要在第一個斷面蜜巖（圖1）達到這一流速，在棲息地適合度為50%時所需要的生態(tài)流量為2.83 m3/s。在其他斷面如果要形成快速水流，即流速在0.5 m/s以上，需要的最小生態(tài)流量為2 m3/s。樟溪河下游河床為鵝卵石基質(zhì)，有許多淺灘，形成的淺層急流應(yīng)該可以滿足雌魚產(chǎn)卵對流速的要求。為保證產(chǎn)卵棲息地不受影響，建議皎口水庫的下泄流量在4月到5月每周至少有1～2天達到2 m3/s以上。

月光魚在冬天主要棲息在較深的河段中（>2 m），特別是流速較低的深潭中。由于游動能力有限，幼魚也偏好流速較慢的水流。由于天然深潭正在消失，一項旨在清潔河道和維修堤壩的河道恢復(fù)計劃已于2008年完成，帶給月光魚更多的深水棲息地。但長期來看，還需要類似“洪峰”那樣的下泄流量來保證這些深潭不會淤積。因此，皎口水庫應(yīng)該保證在豐水期有至少一次大于9 m3/s的下泄流量。

3 結(jié)論

根據(jù)本研究結(jié)論，考慮月光魚在不同生長階段對水流速度和水深的要求，建議水庫在月光魚的生長期內(nèi)最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期內(nèi)每周有1～2天下泄流量達到2 m3/s以上。另外，每年還需要在豐水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”沖刷河床，以保持有一定范圍的深水區(qū)供魚類過冬。

由于棲息地模擬法僅針對目標生物作評價，存在較大的局限性，而且使用起來需要較高等級的數(shù)據(jù)和對生態(tài)系統(tǒng)的深入了解，所以在管理目標和保護水平明確的情況下最為適用。除水深、流速和底質(zhì)等環(huán)境影響因子外，棲息地適合度還應(yīng)考慮水溫、pH值和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分等非物理性水利參數(shù)影響。目前，我國的生態(tài)流量研究主要以半干旱地區(qū)的大型流域的水資源管理為目的，以定性或宏觀層面的定量分析為主，本研究為棲息地法在南方地區(qū)中小型河流的應(yīng)用提供了實例和參考。

參考文獻（References）：

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