基于PHABSIM模型的渾河干流封凍期生態(tài)流量計算

姜海峰

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110000）

1 研究區(qū)概況

渾河是遼河的重要支流，古稱遼水或小遼河，是遼寧省東部地區(qū)的主要河流之一。渾河發(fā)源于清原縣的滾馬嶺，自東北向西南流經(jīng)撫順、沈陽等市縣，然后南流至營口市附近注入遼東灣。渾河干流全長415 km，流域面積11 481 km2[1]。該河流的上游為山地，海拔一般在400～800 m之間，森林覆蓋率在70%以上，中游至撫順附近為丘陵地帶，地形較為平緩，至沈陽附近進入平原地帶。

渾河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，流域內(nèi)的多年平均降雨量為650～800 mm之間，降雨量年際變化較大[2]。渾河作為遼寧省東北部地區(qū)的母親河，養(yǎng)育了渾河兩岸的兒女，也正是如此，多年來渾河面臨著多種環(huán)境問題，特別是在流經(jīng)撫順和沈陽等東北重工業(yè)城市時，大量污水被排入河道，再加上流域內(nèi)的面污染，導致渾河干流的水質(zhì)下降[3]。因人類活動特別是20世紀以來該地區(qū)重工業(yè)的發(fā)展，致使渾河水系受到工業(yè)廢水污染，漁業(yè)資源破壞比較嚴重，歷史上產(chǎn)量較高的唇骨、雅羅魚等種類已接近消失。近年來，遼寧省加大了渾河流域環(huán)境整治力度，渾河水質(zhì)有所改善，但是在水環(huán)境治理方面仍有許多工作要做。

2 代表性物種選取及越冬場分布模擬

2.1 代表性物種選取

渾河流域?qū)儆诟吆貐^(qū)，其河道封凍期的生態(tài)需水主要是保障生物的基本生存需要。因此，在物種選擇方面應(yīng)該著重選取對生態(tài)環(huán)境變化，特別是水深和流量變化做敏感的代表性物種。在河流生物群落中，魚類不僅處于食物鏈條的頂端，同時又對河流水文條件的變化極為敏感，因此在此次研究中選擇魚類作為代表物種無疑是最合適的。魚類的生活習性與多種水文要素有關(guān)，但是考慮到封凍期的特殊環(huán)境情況，本文僅將流速和水深參數(shù)作為棲息地環(huán)境評價的主要影響因子[4]。

渾河流域的魚類體形側(cè)扁、呈紡錘狀，又以鯉科最多，如鯉、鯽、鳊、赤眼鱒、鰱、鳙、魚旁魚皮、翹嘴紅魚白、雅羅魚、赤眼鱒魚句等。棲息地法時根據(jù)代表性物種基本生存所需的物理條件確定河流的生態(tài)流量，從而為河流水生生物提供一個較為合適的生存環(huán)境。因此，建立合適的棲息地適宜度曲線是本次研究的重要前提。本文結(jié)合渾河魚類的實際情況，選取赤眼鱒和雅羅魚作為代表性研究物種。其中，赤眼鱒主要生長在河流的近底層，其適宜生長的流速在0.6～0.8 m/s之間，適宜水深為1.2～2.0 m；雅羅魚東北地區(qū)的著名經(jīng)濟魚類，生活在水體的中上層，其適宜生長的流速在0.3～0.5 m/s之間，適宜水深為1.0 m左右。

2.2 物理棲息地模擬

物理棲息地模型的計算過程主要分為兩部分：水力學模擬和棲息地模擬[5]。首先確定赤眼鱒和雅羅魚對水深和流速這兩個主要水力學因素的適應(yīng)度曲線，通過構(gòu)建研究區(qū)在不同流量下的水深和流速特征，確定棲息地對不同流量的適應(yīng)度曲線，并進一步推求出適應(yīng)度指數(shù)，將其與研究斷面的水域面積相乘，即可推算出該流量下的有效棲息地面積（WUA）。其計算公式為：

式中：f(Vi)為第i斷面的流速，m/s；f(Di)為第i斷面的水深，m；f(Ci)為河床底質(zhì)適應(yīng)度指數(shù)，由于缺乏相應(yīng)的資料，這里默認為1，也就是河道底質(zhì)良好；Ai為研究河段第i斷面的適應(yīng)度指數(shù)。

在PHABSIM模型中，計算組合適宜度的方法有幾何平均法、最小值法、加權(quán)平均法和乘積法[6]。本文假設(shè)公式（1）中的3個參數(shù)具有相同的影響力，因此采用乘積法推求適宜度指數(shù)，計算公式如下：

假設(shè)各個研究斷面所代表的棲息地面積在天然河道中的各斷面的權(quán)重為0.5，也就是上下游斷面之間河段長各一半的棲息地面積[7]。結(jié)合研究中選取的2種代表魚類的越冬場地分布特征，利用PHABSIM模型對渾河封凍期內(nèi)有效棲息地面積隨流量的變化規(guī)律進行模擬。由于研究區(qū)段內(nèi)代表魚類的主要越冬場分別位于大伙房水庫出庫口、撫順市和沈陽市3個水文站點控制范圍內(nèi)，因此研究中選取上述3個站點的水文數(shù)據(jù)進行模擬計算。原則上應(yīng)該將最大WUA所對應(yīng)的流量極為給河段的生態(tài)流量，但是此時的河流流量值過大，并不具備實際操作性。因此，在研究中將流量曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，也就是棲息地環(huán)境發(fā)生顯著惡化的流量值作為維護渾河生態(tài)環(huán)境所需要的基本流量。

3 渾河封凍期生態(tài)流量計算

3.1 赤眼鱒封凍期生態(tài)流量的計算

利用2.2中的方法獲得渾河干流大伙房水庫至沈陽段赤眼鱒的適宜度曲線，然后用乘積法對大伙房水庫出庫口、撫順、沈陽3個控制斷面的不同流量情況下，對赤眼鱒的有效棲息地面積進行模擬計算，計算結(jié)果見表1。

由計算結(jié)果可知，渾河大伙房水庫至沈陽段在冬季封凍期流量在5～60 m3/s的范圍內(nèi)變化時，赤眼鱒的有效棲息地面積會隨著渾河干流流量的增加而增大，但是增加速率較小。究其原因是赤眼鱒的環(huán)境適應(yīng)性較強，對流速和水深這兩個主要的水力條件并沒有嚴苛的要求。另一方面，渾河大伙房水庫至沈陽段河面較為開闊，大量分布的河心沙洲和面積廣大的灘涂為魚類的生存提供給了有利條件，同時這種河流形態(tài)也使得水深和流速隨流量的變化并不明顯。從研究河段近50年的水文資料來看，冬季封凍期的流量均在50 m3/s以下，河道的斷面寬度一般不超過150 m。由于河道的流量較小，缺乏進一步研究高流量關(guān)系的數(shù)據(jù)資料，同時表格中的數(shù)據(jù)呈不斷增加趨勢，無法對趨向穩(wěn)定的流量值做出判斷，因此，研究中將WUA隨流量變化的第一個轉(zhuǎn)折點作為維護河流生態(tài)所需的基本流量。結(jié)合表格中的數(shù)據(jù)，大伙房水庫出庫口、撫順、沈陽3個研究斷面分別在流量值為15，20，15 m3/s時第一次發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折變化，因此確定研究河段赤眼鱒的生態(tài)流量為15～20 m3/s。

表1 流量與赤眼鱒雅羅魚WUA之間的變化關(guān)系

3.2 雅羅魚封凍期生態(tài)流量的計算

由于封凍期渾河干流大伙房水庫至沈陽段的只有撫順段在冰凍初期出現(xiàn)過大于50 m3/s的流量。同時，雅羅魚對水生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性更強，對流速、水深和流量等水力因素的需求更低，因此，在進行雅羅魚封凍期生態(tài)流量的計算時，對大伙房水庫出庫口至沈陽段的3個控制斷面在不同流量條件下進行，計算結(jié)果見表1。

由表1的數(shù)據(jù)可知，大伙房水庫出庫口、撫順和沈陽3個計算斷面的雅羅魚WUA隨流量變化的第一個轉(zhuǎn)折點分別出現(xiàn)在10，15，15 m3/s，據(jù)此確定研究河段赤眼鱒的生態(tài)流量為10～15 m3/s。

表2 Tennant法和PHABSIM模型計算結(jié)果比較

3.3 研究河段生態(tài)流量Tennant法驗證

為了進一步驗證上述研究的準確性，利用Tennant法對所求的生態(tài)流量進行驗證。根據(jù)Tennant法的相關(guān)研究成果，假設(shè)每年10月至次年3月的枯水期，將多年平均流量（MAF）的10%流量為保證河道生態(tài)環(huán)境的最小流量，40%流量為保證較好水生態(tài)環(huán)境的流量[8]。將Tennant法與PHABSIM模型的計算結(jié)果進行比較，結(jié)果見表2。由表2的結(jié)果可以看出，PHABSIM模型的計算結(jié)果，介于Tennant法的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量之間，其比較接近較好生態(tài)環(huán)境流量。結(jié)果說明PHAB?SIM模型可以有效反映渾河研究河段的生態(tài)狀況，對大伙房水庫封凍期確定下瀉流量具有一定的參考價值。