基于魚類生境需求的生態(tài)流量過程研究

張志廣,譚奇林,鐘治國,金　弈，杜建明

(1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司,北京100024；2.中電投新疆能源化工集團南疆分公司，新疆阿克蘇843000)

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基于魚類生境需求的生態(tài)流量過程研究

張志廣1,譚奇林1,鐘治國1,金弈1，杜建明2

(1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司,北京100024；2.中電投新疆能源化工集團南疆分公司，新疆阿克蘇843000)

摘要：選用日漲水率和日落水率兩個生態(tài)水文因子,構(gòu)建裂腹魚棲息地生態(tài)水文學特征指標。結(jié)果表明,產(chǎn)卵期日漲水率的適宜范圍為0.005～0.015,日落水率的適宜范圍為0.005～0.015；非產(chǎn)卵期(5～10月)日漲水率的適宜范圍為0.01～0.05,日落水率的適宜范圍為0.02～0.04。采用文獻法和專家法得出裂腹魚產(chǎn)卵期偏好水深范圍為0.5～1.5 m、偏好流速范圍為0.5～2.0 m/s。用不同方法計算了蘇洼龍水電站壩下河段生態(tài)需水量,并結(jié)合金沙江上游天然河流的水文情勢及裂腹魚棲息地生態(tài)水文學特征,以生態(tài)水力學法的計算結(jié)果作為基流量,確定了蘇洼龍水電站壩下河段的生態(tài)流量過程。

關(guān)鍵詞：生境特征；生態(tài)需水；生態(tài)流量過程；金沙江上游

我國西南地區(qū)蘊藏著豐富的水能資源,大批水利水電工程的興建為人類帶來巨大經(jīng)濟效益和社會效益；同時也大大改變了河流的自然屬性。對河流的大規(guī)模改造引起了自然河流的渠道化和非連續(xù)化,由此引發(fā)了河道斷流、生態(tài)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。為應(yīng)對河流生態(tài)環(huán)境問題,研究者開始探索滿足魚類生境需求的生態(tài)調(diào)度方式,從而實現(xiàn)水利工程調(diào)度從傳統(tǒng)的調(diào)度方式向生態(tài)調(diào)度的轉(zhuǎn)變。修復(fù)和保護生態(tài)環(huán)境逐漸成為水庫生態(tài)調(diào)度的重要目標[2]。下泄生態(tài)流量措施已成為水利水電工程開展生態(tài)調(diào)度的重要手段,目前有關(guān)河道生態(tài)需水的研究大多數(shù)針對維持河道生態(tài)系統(tǒng)完整的最小流量,隨著研究的深入發(fā)展,人們逐漸意識到單一的流量過程難以反映河流生態(tài)系統(tǒng)的需水過程,不同的流量組成對維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性發(fā)揮著重要的生態(tài)功能。因此,開展?jié)M足魚類生境需求的生態(tài)流量過程成為水利水電工程生態(tài)調(diào)度實踐中需要關(guān)注的重要問題。筆者以裂腹魚為研究對象,對其棲息地的生態(tài)水文學、生態(tài)水力學特征進行了研究,在此基礎(chǔ)上,確定了蘇洼龍水電站壩下河段生態(tài)流量過程。

1研究方法

1.1生態(tài)流量計算方法概述

根據(jù)Tharme[3]2003年的總結(jié),全球有44個國家在計算河流生態(tài)流量,采用的方法超過了200種。大致可分為四種：水文學法、水力學法、生境模擬法、整體分析法。常用的河流生態(tài)需水計算方法中水文學法和水力學應(yīng)用較為廣泛,但由于缺乏生物學依據(jù),國內(nèi)學者提出了將水力分析和生境評價相結(jié)合的生態(tài)水力學法[4]。該法結(jié)合目標物種的水力生境需求確定河道最小生態(tài)基流量,計算中考慮水力生境的全河段變化情況,同時考慮了季節(jié)河流的年內(nèi)變化情況,特別適用于大中型河流生態(tài)流量的確定。

1.2魚類棲息地生態(tài)水文學特征

河流水文情勢的節(jié)律變化為魚類的繁殖活動提供了信號。已有研究表明,魚類的產(chǎn)卵繁殖活動與產(chǎn)卵場水域的水文狀況存在一定的響應(yīng)關(guān)系。如我國重要經(jīng)濟魚類四大家魚的產(chǎn)卵繁殖活動的發(fā)生就與水溫、水位、流量、流速、透明度以及流態(tài)等水文要素有關(guān)[5]。如何量化魚類棲息地生態(tài)水文學特征成為評價河流水文情勢生態(tài)效應(yīng)的核心問題。Richter[6]建立了一套評估河流生態(tài)水文變化過程的IHA(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)方法,共有指標5類,包括：月均流量、極值流量、時刻、高低流量以及漲水落水等33個水文指標。Growns[7]建立了一套分為長期指標、高流量指標、低流量指標、極值指標、零流量指標、漲水落水指標及月流量指標7類指標的指標體系。Suen[8]構(gòu)建了臺灣北部河流包含一般流量變化、高低流量、流量變化率、出現(xiàn)時間等60個特征指標的生態(tài)水文指標體系(TEIS)。徐天寶[9]建立了一套包括長期指標、高流量指標、低流量指標、平均變化指標、漲水落水指標和月流量指標等的河流生態(tài)水文學指標體系,利用該指標體系量化并分析了葛洲壩建壩前后長江中游的生態(tài)水文特征變化情況。張洪波構(gòu)建了黃河生態(tài)水文評估指標體系,并將其應(yīng)用于評價黃河干流蘭州斷面的生態(tài)水文情勢[10]。

魚類棲息地依靠水流年內(nèi)和年際的持續(xù)動態(tài)變化得以形成。在長期的棲息地的演變中,魚類適應(yīng)了其棲息地水流的自然漲落變化過程,并依靠這種自然變化而得以滿足生境條件。裂腹魚經(jīng)過長時間的進化,已經(jīng)適應(yīng)了其棲息地水流的自然動態(tài)變化特征,并依賴次生長、發(fā)育、繁殖。為得到裂腹魚棲息地的生態(tài)水文學特征,筆者通過對裂腹魚棲息地代表水文站的歷史逐日流量資料進行統(tǒng)計分析,在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)已有研究成果的基礎(chǔ)上,選擇日漲水率、日落水率兩個生態(tài)水文因子,構(gòu)建了裂腹魚棲息地生態(tài)水文學指標。

2研究河段及目標魚類

2.1研究河段

蘇洼龍水電站位于四川省和西藏自治區(qū)交界的金沙江上游干流上,壩址處多年平均流量為938 m3/s。蘇洼龍水電站建成后,在電站初期蓄水和運行期間將改變壩址下游河道的水文情勢,使壩址下游河道流量年內(nèi)分配過程改變,部分時期河道流量低于天然流量,對壩下水生生境產(chǎn)生不利影響,尤其是在魚類產(chǎn)卵繁殖期,影響更為嚴重。為此,筆者以蘇洼龍水電站壩址至壩下支流麥曲入金沙江干流匯口之間長為23.4 km的河段為研究河段,開展基于魚類生境需求的生態(tài)流量過程研究。

2.2目標魚類

根據(jù)水利部中科院水工程生態(tài)研究所2010年和2013年對蘇洼龍水電站影響水域水生生態(tài)現(xiàn)狀的實地調(diào)查和相關(guān)歷史文獻記錄,蘇洼龍水電站影響水域短須裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚分布較廣,為優(yōu)勢物種。裂腹魚產(chǎn)沉粘性魚卵,產(chǎn)卵時間發(fā)生在每年的3～4月份[11-12],其產(chǎn)卵繁殖活動對水力生境要求較高,一般選擇在河床底質(zhì)礫石相對粗大、水流緩急交錯的地方進行,產(chǎn)卵時需要一定的水流刺激,并伴隨著短距離的生殖洄游。蘇洼龍水電站建成后,電站調(diào)節(jié)將對其正常的產(chǎn)卵繁殖活動產(chǎn)生不利影響。為減緩水電開發(fā)對裂腹魚的不利影響,筆者以須裂腹魚、長絲裂腹魚、四川裂腹魚為目標物種,對其棲息地的生態(tài)水文學、生態(tài)水力學特征進行研究,并基于棲息地生境特征開展生態(tài)流量過程研究。

3裂腹魚生境特征研究

3.1裂腹魚棲息地生態(tài)水文學特征

筆者收集了金沙江上游裂腹魚棲息地代表水文站巴塘水文站1960年～1968年、1971年～1988年、1992年～2012年共計58年的逐日流量資料,分別對裂腹魚產(chǎn)卵期和非產(chǎn)卵期逐日流量過程進行統(tǒng)計分析,計算各生態(tài)水文指標區(qū)間對應(yīng)的頻率,并進行歸一化處理建立各生態(tài)水文指標區(qū)間的分布指數(shù)(分布指數(shù)為各變量區(qū)間對應(yīng)的頻率值與最大頻率值之比)。裂腹魚產(chǎn)卵期日漲水率與日落水率區(qū)間頻率分布結(jié)果見圖1～圖2,非產(chǎn)卵期日漲水率與日落水率區(qū)間頻率分布結(jié)果見圖3～圖4。

圖1　裂腹魚產(chǎn)卵期日漲水率區(qū)間頻率分布和分布頻率指數(shù)曲線

圖2　裂腹魚產(chǎn)卵期日落水率區(qū)間頻率分布和分布頻率指數(shù)曲線

圖3　裂腹魚非產(chǎn)卵期日落水率區(qū)間頻率分布和分布頻率指數(shù)曲線

圖4　裂腹魚非產(chǎn)卵期日落水率區(qū)間頻率分布和分布頻率指數(shù)曲線

在裂腹魚產(chǎn)卵期,由圖1～圖2可知,漲水率區(qū)間分布指數(shù)達到0.5以上的范圍為0.005～0.025,分布指數(shù)在0.75以上的范圍為0.005～0.02,在0.9以上的范圍為0.005～0.015；落水率區(qū)間分布指數(shù)在0.5以上的范圍為0.005～0.02,在0.75和0.9以上的范圍均為0.005～0.015。在裂腹魚非產(chǎn)卵期,由圖3～圖4的結(jié)果可知,漲水率區(qū)間分布指數(shù)達到0.5以上的范圍為0.01～0.07,分布指數(shù)在0.75以上的范圍為0.01～0.05,在0.9以上的范圍為0.01～0.03；落水率區(qū)間分布指數(shù)在0.5以上的范圍為0.015～0.05,在0.75和0.9以上的范圍均為0.02～0.04。

根據(jù)上述分析,選擇分布頻率較高、分布指數(shù)較大的區(qū)間作為裂腹魚棲息地生態(tài)水文學指標的適宜范圍,見表1。

表1金沙江上游裂腹魚棲息地適宜的生態(tài)水文學指標統(tǒng)計

生態(tài)水文學指標適宜范圍產(chǎn)卵期(3～4月份)日漲水率0.005～0.015日落水率0.005～0.015非產(chǎn)卵期(5～10月份)日漲水率0.01～0.05日落水率0.02～0.04

3.2裂腹魚棲息地生態(tài)水力學特征

魚類水力生境參數(shù)的研究目前主要有野外調(diào)查、野外調(diào)查與數(shù)值模擬相結(jié)合、文獻資料、專家經(jīng)驗以及相關(guān)法等方法。國內(nèi)有關(guān)裂腹魚水力參數(shù)需求的研究成果多見齊口裂腹魚,對短須裂腹魚、長絲裂腹魚和四川裂腹魚產(chǎn)卵期的水力參數(shù)需求尚未見報道。王玉蓉等[13]提出西南山區(qū)河流裂腹魚對最低平均流速的需求應(yīng)不低于0.2 m/s,對最低平均水深的需求應(yīng)不低于0.4 m；枯水月2月小河中裂腹魚對平均流速的需求范圍為0.4～1.2 m/s、中河為0.36～0.9 m/s、大河為0.4～1.0 m/s,對平均水深的需求小河為0.3～0.65 m、中河為0.44～2.6 m、大河為1.5～5.8 m。盧紅偉[14]采用專家法得出齊口裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期偏好水深范圍為0.5～1.5 m,偏好流速范圍為1.5～2.5 m/s。陳明千[15]則通過數(shù)值模擬方法對齊口裂腹魚天然產(chǎn)卵場進行了研究,提出齊口裂腹魚產(chǎn)卵期水深的閾值范圍為0.5～1.5 m,流速的閾值范圍為0.5～2.5 m/s。

本文總結(jié)國內(nèi)外已有裂腹魚水力生境的基礎(chǔ)上,結(jié)合專家經(jīng)驗,提出裂腹魚產(chǎn)卵期偏好水深范圍為0.5～1.5 m、偏好流速范圍為0.5～2.0 m/s。

4蘇洼龍水電站壩下生態(tài)需水量

為減緩蘇洼龍水電站調(diào)節(jié)對下游河段生態(tài)環(huán)境的不利影響,本研究分別采用Tennant法、R2-Cross法、生態(tài)水力學法及生境模擬法對研究河段的生態(tài)需水量進行了研究。

根據(jù)Tennant法,多年平均流量的10%為滿足河流功能的最小流量,為93.8 m3/s。R2-Cross法的水力參數(shù)標準是根據(jù)美國科羅拉多州河流的冷水魚類需求制定的。本研究在應(yīng)用R2-Cross法時,首先結(jié)合裂腹魚及研究河段的特點,對其水力參數(shù)標準進行了修訂,修訂后的金沙江上游魚類生存的最低水力學參數(shù)標準見表2。據(jù)此結(jié)合研究河段一維水動力學計算成果,選擇淺灘斷面綜合確定滿足金沙江上游魚類生存的最小生態(tài)流量為140.7m3/s,為壩址處多年平均流量的15%。生態(tài)水力學法的水力生境參數(shù)標準依據(jù)文獻[4]推薦的標準確定,結(jié)果為140.7 m3/s,為壩址處15%時的多年平均流量。 裂腹魚完成正常的產(chǎn)卵繁殖活動需要獨特的水流條件,為確定裂腹魚產(chǎn)卵期的生態(tài)流量,筆者采用River2D模型,對蘇洼龍水電站壩下裂腹魚產(chǎn)卵場所在河段進行了研究,結(jié)合裂腹魚產(chǎn)卵期的生態(tài)水力學特征,得到不同流量工況下對應(yīng)的加權(quán)可利用面積(WUA),建立WUA-Q關(guān)系曲線,WUA-Q關(guān)系曲線第一個拐點對應(yīng)的流量作為裂腹魚產(chǎn)卵期對應(yīng)的生態(tài)流量,為262.6 m3/s。即,滿足裂腹魚正常的產(chǎn)卵繁殖活動所需的流量大小為262.6 m3/s。不同計算方法得到蘇洼龍壩下河段生態(tài)需水量見表3。

表2金沙江上游魚類生存的水力參數(shù)標準

表3不同計算方法下蘇洼龍壩下生態(tài)需水量

計算方法流量/m3·s-1占壩址處多年平均流量比例/%Tennant法93.810.0R2-Cross法140.715.0生態(tài)水力學法140.715.0生境模擬法262.628.0

5蘇洼龍水電站壩下生態(tài)流量過程

水利水電工程建設(shè)改變了壩下天然河流的水文情勢,如何恢復(fù)天然河流的水文情勢已成為河流生態(tài)環(huán)境保護亟待解決的重要問題。河流水文情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力,可通過研究水文情勢確定生態(tài)流量。本文從恢復(fù)河流水文情勢的角度出發(fā),基于魚類棲息地生態(tài)水文學和生態(tài)水力學特征,確定了蘇洼龍壩下生態(tài)流量過程。

生態(tài)流量過程線的實質(zhì)是為受到水利工程脅迫的河流提供盡可能符合自然河流生態(tài)環(huán)境需求的水文周期信息[16]。金沙江上游干流在枯水季節(jié)(11月至翌年2月),水生生態(tài)系統(tǒng)對水力生境條件要求不高,這一時期考慮下泄生態(tài)基流量；3～10月份,魚類等水生生物陸續(xù)進入繁殖季節(jié),該時期,盡可能恢復(fù)天然河流的自然漲落變化過程,以滿足整個生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需求。生態(tài)水力學考慮了水力生境的全河段變化情況,計算結(jié)果較好反映了保護魚類水力生境需求,筆者以生態(tài)水力學法的計算結(jié)果作為基流量,以裂腹魚棲息地生態(tài)水文學特征為依據(jù),綜合確定了蘇洼龍壩下生態(tài)流量過程,見圖5。

圖5　蘇洼龍水電站下泄生態(tài)流量過程與壩址處多年平均流量過程對比

從圖5中可以看出,在1月～2月、11月～12月下泄生態(tài)基流量采用生態(tài)水力學法計算的結(jié)果為140.7 m3/s,其主要是為了滿足水生生物水力生境需求,維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。裂腹魚產(chǎn)卵期(3月～4月),天然情況下河流水文情勢多以漲水過程為主,本研究在裂腹魚產(chǎn)卵期構(gòu)建了一個持續(xù)漲水過程,其中3月上旬為一個緩慢漲水過程,漲水率控制在0.005,持續(xù)時間為10天；3月中旬漲水率為0.01,持續(xù)時間為10天；在裂腹魚產(chǎn)卵較為集中的時間(3月下旬開始到4月末),為塑造適合裂腹魚產(chǎn)卵繁殖活動的水流條件,結(jié)合天然情況下的水文情勢,制定了一個持續(xù)的漲水過程,漲水率為0.015,并在4月下旬開始,流量大小不低于產(chǎn)卵期需求流量262.6 m3/s。5月～10月,結(jié)合非裂腹魚產(chǎn)卵期棲息的生態(tài)水文學特征,制定了一個漲、落水變化過程,其中5月份,每隔10天漲一次水,漲水率為0.01；6月～7月中旬為持續(xù)漲水過程,6月上旬漲水率為0.01,中下旬為0.02,7月上旬漲水率為0.01,到7月中下旬,制造一次人工流量脈沖事件,流量峰值為915.3 m3/s,漲水持續(xù)時間為10天,接著持續(xù)落水10天,漲水率為0.05,落水率為0.04；8月份,上旬為持續(xù)10天的落水過程,落水率為0.03；中下旬每隔10天漲一次水,漲水率分別為0.01、0.02；9月制造一次人工流量脈沖事件,流量峰值為730.1 m3/s,先持續(xù)漲水10天接著持續(xù)落水10天,漲水率和落水率分別為0.05、0.02,9月下旬～10月末,天然河流開始減小,生態(tài)流量過程為一個持續(xù)的落水過程,9月下旬的落水率為0.04,10月份的落水率為0.03。

天然河流的水文情勢有漲有落,有大有小,處于動態(tài)隨機變化過程中,確定一個完全符合天然情況的生態(tài)流量過程是不現(xiàn)實的。筆者基于目標物種的水力生境需求,結(jié)合裂腹魚產(chǎn)卵期和非產(chǎn)卵期棲息地的生態(tài)水文學特征,綜合確定了蘇洼龍水電站壩下河段生態(tài)需水量過程,該流量過程考慮了漲落水變化過程以及流量脈沖過程,可為恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性及電站開展生態(tài)調(diào)度提供理論支持和技術(shù)參考。

6結(jié)論與展望

(1)筆者以金沙江上游干流裂腹魚產(chǎn)卵場代表水文站多年的歷史水文資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,以流量變化的日漲水率、日落水率為基本指標,構(gòu)建了金沙江上游干流裂腹魚產(chǎn)卵期、非產(chǎn)卵期生態(tài)水文學特征指標。產(chǎn)卵期流量的日漲水率、落水率適宜的范圍均為0.005～0.015；非裂腹魚產(chǎn)卵漲水率的適宜范圍為0.01～0.05,落水率為0.02～0.04。在總結(jié)國內(nèi)外已有裂腹魚水力生境需求研究成果的基礎(chǔ)上,采用文獻法和專家觀點,提出裂腹魚產(chǎn)卵期偏好水深范圍為0.5～1.5 m、偏好流速范圍為0.5～2.0 m/s。

(2)分別采用Tennant法、R2-cross法、生態(tài)水力學法及生境模擬法計算了研究河段生態(tài)需水量。Tennant法的結(jié)果為93.8 m3/s,為壩址處多年平均流量的10%；根據(jù)修訂的R2-cross法水力參數(shù)標準,確定研究河段的生態(tài)流量大小為140.7 m3/s；生態(tài)水力學法的計算結(jié)果為140.7 m3/s,為壩址處多年平均流量的15%；生境模擬法考計算結(jié)果為262.6 m3/s,為壩址處多年平均流量的28%。

(3)在以上研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究河段的多年的水文情勢特征、裂腹魚產(chǎn)卵期和非產(chǎn)卵期棲息地生態(tài)水文學特征,以生態(tài)水力學法的結(jié)果為基流量,綜合確定了研究河段的生態(tài)流量過程。

(4)確定河道生態(tài)流量過程線是一件非常復(fù)雜的事情,影響因素較多,本文在此做了探索研究。所建立的基于魚類生境特征需求的生態(tài)流量過程,不僅反映了裂腹魚棲息地的生態(tài)水文學、生態(tài)水力學特征,也考慮了漲落水過程、流量脈沖過程等生態(tài)水文特征。

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(責任編輯陳萍)

收稿日期：2015- 05- 16

作者簡介：張志廣(1986—),男,河南內(nèi)黃人,工程師,碩士,主要從事環(huán)境水力學及水污染控制研究工作．

中圖分類號：TV213

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0013- 05

Study on Ecological Flow Regime Based on Habitat Requirements of Fish

ZHANG Zhiguang1, TAN Qilin1, ZHONG Zhiguo1, JIN Yi1, DU Jianming2

(1. PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China;2. CPI Xinjiang Energy Chemical Group Co. Ltd South Xinjiang Brach, Aksu 843000, Xinjiang, China)

Abstract:The eco-hydrological index system for Schizothorax habitat is constructed based on two eco-hydrological factors of rise rate and fall rate. The results show that the suitable rang of rise rate and fall rate is all from 0.005 to 0.015 for spawning requirements, and 0.01～0.05 and 0.02～0.04 in other periods (from May to October) respectively. Based on documentary method and expert advices, the preference range of water depth and velocity is 0.5～1.5 m and 0.5～2.0 m/s respectively in the period of schizothorax spawning. The ecological water demand is calculated for the downstream reach of Suwalong Hydropower Station by using different methods. On this basis, combining the nature water regime in the upper reach of Jinsha River and the eco-hydrological characteristics of Schizothorax habitat, the result of eco-hydraulics method is taken as ecological basic flow, and the ecological flow regime for the downstream reach of Suwalong Hydropower Station is finally determined．

Key Words:habitat character; ecological water demand; ecological flow regime; Upper Reach of Jinsha River