長江上游水文情勢變化對保護區(qū)銅魚產(chǎn)卵的影響

(長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010)

金沙江下游規(guī)劃有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座巨型水電站，向家壩和溪洛渡水電站已分別于2012年10月和2013年5月開始蓄水發(fā)電，另外2座大型水電站也正在建設(shè)中[1]。緊臨向家壩水庫下游的長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)(以下簡稱保護區(qū))是我國唯一的以魚類為保護對象的跨越多個省(市)的國家級自然保護區(qū)[2]。向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行顯著改變了保護區(qū)長江干流江段自然徑流過程，從而影響了壩下保護區(qū)魚類的產(chǎn)卵繁殖活動。

近年來，已有學(xué)者研究了水庫蓄水運行后壩下水文過程的變化對魚類產(chǎn)卵的影響。薛靜等[3]研究認(rèn)為水利工程的修建改變了河流生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性，一方面阻隔了魚類的洄游通道，另一方面水庫形成后，水體的水文條件發(fā)生較大變化，從而改變了魚類的棲息環(huán)境。郭文獻等[4]利用1882～2006 年宜昌水文站流量資料，分析了三峽水庫蓄水前后，中華鱘和四大家魚產(chǎn)卵期內(nèi)多年平均流量的變化，結(jié)果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(chǎn)卵量下降。李翀等[5]利用宜昌站1900～2004年共105 a的日徑流資料，根據(jù)IHA方法的原理，選取四大家魚產(chǎn)卵期漲水過程數(shù)、總漲水日數(shù)、平均每次漲水過程日數(shù)三項生態(tài)水文指標(biāo)，得出總漲水日數(shù)是決定家魚苗發(fā)江量重要因素。李清清等[6]采用水文變化指標(biāo)和變動范圍法, 研究三峽工程建壩前后水文情勢變化情況，得出水文情勢變化影響四大家魚產(chǎn)卵繁殖的概念性模型，三峽水庫蓄水后河道洪水過程趨于均一化和單一化，使四大家魚第一次產(chǎn)卵的信號減弱或消失，不利于四大家魚產(chǎn)卵增產(chǎn)。李建等[7]分析了三峽工程蓄水引起的下游生態(tài)水文條件的改變，認(rèn)為三峽的初期蓄水使得中華鱘卵孵化適宜度和四大家魚產(chǎn)卵適宜度明顯降低。目前的這些研究主要是定性分析水文過程變化對魚類的影響，對水文過程定量化的描述較少；水文特征指標(biāo)的選取存在一定程度指標(biāo)冗余的現(xiàn)象，如何根據(jù)河流水文過程的特點，選取具有代表性的水文指標(biāo)，更好地反映水文變化究竟是如何影響魚類的產(chǎn)卵繁殖還需要進一步研究。

銅魚屬于典型的產(chǎn)漂流性卵魚類，廣泛存在于長江水系, 主要分布于長江中上游的干支流, 在保護區(qū)漁獲物中占較高比例[8]。銅魚產(chǎn)卵需要一定的流量、水溫、含沙量等生態(tài)水文條件，產(chǎn)卵期這些因子的變化直接影響銅魚的產(chǎn)卵數(shù)量和質(zhì)量。根據(jù)前人已有的研究[4-6]認(rèn)為水溫和流量過程是影響產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵繁殖的重要條件，因此本文重點分析銅魚產(chǎn)卵繁殖期5～7月份生態(tài)水文條件的變化。調(diào)查時間為2009～2016年，每年5月5日至7月14日，在此期間的水溫最低為18.8 ℃，滿足銅魚的產(chǎn)卵條件。因此，本文暫不考慮水溫對銅魚產(chǎn)卵繁殖的影響，重點分析向家壩和溪洛渡水電站運行前后水文過程的變化對銅魚產(chǎn)卵繁殖的影響。

采用水庫下游朱沱水文站實測流量資料，基于IHA水文變化指標(biāo)體系，針對保護區(qū)河段水文情勢的變化和銅魚產(chǎn)卵的需求，重點選取漲水過程和高流量脈沖過程特征指標(biāo)，定量分析向家壩和溪洛渡水庫蓄水運行后銅魚產(chǎn)卵期的水文情勢變化情況以及銅魚產(chǎn)卵的變化情況，揭示了長江上游水文情勢變化對保護區(qū)銅魚產(chǎn)卵的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 產(chǎn)卵數(shù)據(jù)

2009年以來，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所在保護區(qū)開展了魚類資源的常規(guī)監(jiān)測，其中保護區(qū)魚類早期資源的監(jiān)測點位于長江上游江津區(qū)幾江江段(E106°15′，N29°18′)。本文產(chǎn)卵數(shù)據(jù)時間段為2009～2016年。

1.2 水文數(shù)據(jù)

銅魚產(chǎn)卵期的實測水文數(shù)據(jù)時間段同樣為2009～2016年。監(jiān)測采樣的江津幾江斷面無水文測站，位于監(jiān)測采樣點上游約80 km處設(shè)有朱沱水文站。朱沱站是保護區(qū)河段的核心水文站，水文站上下幾十千米的江段范圍內(nèi)都是代表性魚類的重點產(chǎn)卵場，朱沱站至江津采樣斷面區(qū)間無支流匯入，朱沱站的流量數(shù)據(jù)能反映江津斷面的水文過程[7]。

1.3 研究方法

Richter[9]建立了一套評估生態(tài)水文變化過程的IHA方法(Indicators of Hydrologic Alteration)，包括月流量、極限流量、時刻、高流量和低流量、漲水落水等32個指標(biāo)。并將這些指標(biāo)劃歸為流量、頻率、出現(xiàn)時機、持續(xù)時間、和變化率等具有生態(tài)意義的五大類。無論是IHA指標(biāo)體系還是其他的指標(biāo)體系，普遍存在指標(biāo)冗余現(xiàn)象。實際應(yīng)用水文指標(biāo)體系量化水文過程時，可根據(jù)當(dāng)?shù)睾恿魉倪^程的特點，從眾多指標(biāo)體系中選擇一些對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)影響較大的指標(biāo)構(gòu)成新的指標(biāo)體系。參考已建立的評估河流生態(tài)水文變化的IHA 法，銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)(5月1日至7月31日)選取日平均流量、日最小和最大流量、最小流量出現(xiàn)時間和最大流量出現(xiàn)時間，重點選取漲水過程的漲水日均流量、漲水次數(shù)、漲水持續(xù)時間、流量漲幅、流量日均漲幅和流量日上漲率6個特征指標(biāo)和高流量脈沖過程的高流量脈沖發(fā)生次數(shù)、歷時、起漲流量、起始漲幅、峰值流量、峰值流量對應(yīng)歷時、平均漲幅7個特征指標(biāo)，分析向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后下游水文情勢的變化，揭示長江上游水文情勢變化對保護區(qū)銅魚產(chǎn)卵的影響。

2 銅魚產(chǎn)卵期的流量過程變化

2.1 水文指標(biāo)

表1 和表2為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵期流量過程變化，根據(jù)表1～2可知，蓄水運行后的 2013～2016年和蓄水前的2009～2012年相比，5月日均流量基本不變，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量顯著減小2 057 m3/s；日最小流量基本不變，但日最大流量顯著減少；最小流量出現(xiàn)時間都集中在5月初，最大流量出現(xiàn)時間集中于7月中旬。

表1 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產(chǎn)卵期流量過程變化Tab.1 Changes in the flow process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表2 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產(chǎn)卵期流量過程變化Tab.2 Changes of flow process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower station

2.2 漲水過程

江水上漲后銅魚要經(jīng)過一定的時間才開始產(chǎn)卵，結(jié)合前人的研究[10-11]，漲水后需2 d以上的連續(xù)漲水過程銅魚開始產(chǎn)卵，產(chǎn)卵與歷時3 d及以上的漲水過程高度相關(guān)。本文定義連續(xù)3 d(含3 d)以上的漲水為一個漲水過程。選取了漲水過程的6個特征指標(biāo)：漲水日均流量、漲水次數(shù)、漲水持續(xù)時間、流量漲幅、流量日均漲幅和流量日上漲率。表3和表4為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵期漲水過程變化情況，分析了2009～2016年向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵期6個漲水特征指標(biāo)的變化情況，表中的漲水特征是統(tǒng)計了各年份銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)所有漲水過程的均值。根據(jù)表3和表4可知，蓄水運行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，漲水日均流量減小794 m3/s；總漲水次數(shù)無明顯變化，大約在7次左右；持續(xù)時間無明顯變化；流量漲幅減小629 m3/s；流量日均漲幅減小了79 m3/s，流量日上漲率增大2.12%。

2.3 高流量脈沖過程變化情況

因研究區(qū)域和時間尺度上的差異，IHA中對高流量脈沖組分的界定以及高流量脈沖特征指標(biāo)的統(tǒng)計不能直接應(yīng)用于本次研究。根據(jù)對保護區(qū)實際水文特征的分析，本文修改IHA的生態(tài)流組分計算參數(shù)，定義流量頻率小于45%的流量為低流量，對應(yīng)流量小于4 660 m3/s；流量頻率大于70%的流量為高流量，對應(yīng)流量大于10 600 m3/s，流量頻率范圍在45%～70%之間時，日流量漲幅超過15%，則高流量脈沖開始，直到某天下降超過10%結(jié)束；結(jié)合自然水文情勢中的 5 種水文要素、IHA 軟件中的 6 個統(tǒng)計指標(biāo)重新確定高流量脈沖特征指標(biāo)。參考已有的研究成果[11-13]，選取高流量脈沖出現(xiàn)次數(shù)、歷時(高流量脈沖出現(xiàn)至結(jié)束)、起漲流量(高流量脈沖出現(xiàn)前1 d的流量)、起始漲幅(高流量脈沖出現(xiàn)的流量與起漲流量的差值)、峰值流量、峰值流量對應(yīng)歷時(高流量脈沖出現(xiàn)到峰值流量出現(xiàn)的歷時)和平均漲幅(起漲流量到峰值流量的斜率)7個特征指標(biāo)。其次，根據(jù) 2009～2016年銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)朱沱站流量資料和保護區(qū)江津斷面的銅魚產(chǎn)卵監(jiān)測資料，一般歷時 3 d及以上的高流量脈沖才能監(jiān)測到相應(yīng)的產(chǎn)卵過程[13]，本文定義連續(xù)3 d(含3 d)以上的連續(xù)高流量脈沖為一個高流量脈沖過程。

表3 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產(chǎn)卵期漲水過程特征變化情況Tab.3 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表4 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產(chǎn)卵期漲水過程特征變化情況Tab.4 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表5和表6為向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵期高流量脈沖特征變化情況，表中的高流量脈沖特征是統(tǒng)計了各年份銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)所有高流量脈沖的均值。根據(jù)表5和表6可知，蓄水運行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，蓄水后高流量脈沖發(fā)生次數(shù)較蓄水前的自然狀況增多；歷時變短，從蓄水前的11.1 d下降至10.7 d；起漲流量無明顯變化，起始漲幅增大928 m3/s；峰值流量顯著下降，蓄水前的峰值流量均值為18 622 m3/s，蓄水后的峰值流量均值為11 543 m3/s，下降了7 079 m3/s，且發(fā)生時間提前；峰值流量對應(yīng)歷時變短，縮短了10 d；平均漲幅明顯增大，蓄水前平均日漲幅為681 m3/s，蓄水后平均日漲幅為1 644 m3/s，增大了963 m3/s。

表5 向家壩和溪洛渡水電站運行前銅魚產(chǎn)卵期高流量脈沖特征變化情況Tab.5 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表6 向家壩和溪洛渡水電站運行后銅魚產(chǎn)卵期高流量脈沖特征變化情況Tab.6 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

3 銅魚產(chǎn)卵情況變化

向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后銅魚的產(chǎn)卵繁殖情況發(fā)生了明顯改變，為了說明銅魚產(chǎn)卵繁殖變化情況，從銅魚產(chǎn)卵規(guī)模及時間、次數(shù)方面進行分析。

3.1 產(chǎn)卵量

長江上游江津斷面魚類早期資源量自2009年開展長期監(jiān)測以來，銅魚在保護區(qū)漁獲物中的比重較大，銅魚魚類早期資源數(shù)量呈現(xiàn)平穩(wěn)波動趨勢，出現(xiàn)頻率最高達到了90%以上。隨著向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行，產(chǎn)卵規(guī)模呈現(xiàn)急劇下降趨勢，目前回落至60%，中間有波動，但總體呈下降趨勢。表7為向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵規(guī)模變化。根據(jù)表7可知向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚產(chǎn)卵規(guī)模明顯下降，蓄水運行前年產(chǎn)卵量的均值為2.71×108顆，其中2012年產(chǎn)卵量高達3.87×108顆；蓄水運行后年產(chǎn)卵量的均值為0.82×108顆，其中2013年產(chǎn)卵規(guī)模銳減至0.48×108顆，2014年產(chǎn)卵回升至1.29×108顆，但與蓄水前相比銅魚產(chǎn)卵量明顯下降。

表7 向家壩和溪洛渡水電站運行前后銅魚產(chǎn)卵量變化情況Tab.7 Changes in spawning scale of Coreius heterodon before and after the operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations ×108顆

3.2 產(chǎn)卵時間及次數(shù)變化

根據(jù)2009～2016年保護區(qū)銅魚產(chǎn)卵期卵苗監(jiān)測數(shù)據(jù)資料分析可知，蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵的起始時間和產(chǎn)卵的次數(shù)無明顯變化。第一次產(chǎn)卵日期最早開始于5月 5 日，最晚開始于 5 月19日，最后一次產(chǎn)卵日期最早結(jié)束于6月28日，最晚結(jié)束于7月7日。連續(xù)產(chǎn)卵次數(shù)(單日和多日)平均每年為12次，產(chǎn)卵的總天數(shù)為24 d。對銅魚的產(chǎn)卵情況進行統(tǒng)計分析可知，蓄水運行前，銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)產(chǎn)卵量在5～7月分布比較均勻，各月產(chǎn)卵量占總產(chǎn)卵量的百分比為10%～30%；然而向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行后銅魚產(chǎn)卵主要集中于6月份，6月中上旬的產(chǎn)卵量占總產(chǎn)卵量的50%，可見向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚的產(chǎn)卵高峰期相對比較集中。

4 流量過程變化對銅魚產(chǎn)卵情況的影響

在選取的各項生態(tài)水文指標(biāo)中，高流量脈沖過程的7個特征指標(biāo)在向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后變化比較明顯。蓄水前2010年和2011年，蓄水后2015年和2016年銅魚產(chǎn)卵期高流量脈沖過程的變化情況見圖1。由于向家壩和溪洛渡水電站的蓄水運行，完整的長歷時高流量脈沖過程被水庫調(diào)度干擾，不同于蓄水運行前自然的高流量脈沖表現(xiàn)為一種流量逐步增大，且伴隨小波動的循序漸進過程，蓄水運行后漲水變快、變猛，歷時較短，過程較陡，突然性變大，峰值流量遠小于天然狀況，不利于銅魚的產(chǎn)卵繁殖。

根據(jù)以上對向家壩和溪洛渡蓄水運行前后銅魚產(chǎn)卵情況的變化分析可知，向家壩和溪洛渡蓄水運行后銅魚產(chǎn)卵量降低，產(chǎn)卵高峰期比蓄水前集中且主要集中于6月份。表8為向家壩和溪洛渡蓄水運行后6月份單次高流量脈沖特征。對比分析表5和表8，可初步提出銅魚產(chǎn)卵繁殖對高流量脈沖過程特征指標(biāo)的需求，高流量脈沖歷時4～20 d，起漲流量4 350～10 400 m3/s，起始漲幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s,峰值流量對應(yīng)歷時4～18 d, 平均漲幅447～763 m3/s。

圖1 向家壩和溪洛渡水電站運行前后銅魚產(chǎn)卵期高流量脈沖過程對比Fig.1 High flow pulse process during the spawning period of Coreius heterodon before and after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

項目歷時/d起漲流量/(m3·s-1)起始漲幅/(m3·s-1)峰值流量/(m3·s-1)峰值流量對應(yīng)歷時/d平均日漲幅/(m3·s-1)2013 第1次2043508701238015502 第2次76790312014670226272014 第1次7512011501019041014 第2次569801850923027502015 第1次196185143812730134682016 第1次41040045801498012290 第2次161025031901864010763

5 結(jié) 論

本文分析計算了向家壩和溪洛渡水電站蓄水運行前后保護區(qū)江段銅魚產(chǎn)卵期的漲水過程特征指標(biāo)和高流量脈沖過程特征指標(biāo)及其變化特征，分析了水文變化下保護區(qū)代表性魚類銅魚產(chǎn)卵規(guī)模的變化，初步提出了銅魚產(chǎn)卵的高流量脈沖需求，得到以下結(jié)論。

(1) 水庫運行后銅魚產(chǎn)卵期內(nèi)5月日均流量基本不變，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量顯著減小2 057 m3/s；產(chǎn)卵期內(nèi)日最小流量基本不變,但日最大流量顯著減少；最小流量都集中在5月初出現(xiàn)，最大流量出現(xiàn)時間集中于7月中旬。

(2) 蓄水運行后漲水過程的漲水日均流量減小，總漲水次數(shù)變化不明顯，持續(xù)時間變短，流量漲幅減小，流量日上漲率增大；高流量脈沖過程的高流量脈沖次數(shù)增多，歷時變短，起漲流量無明顯變化，起始漲幅增大，峰值流量變小且提前，平均漲幅增大。結(jié)果表明向家壩和溪洛渡水電站運行改變了保護區(qū)內(nèi)銅魚產(chǎn)卵期的漲水過程和高流量脈沖過程，所選取的漲水過程和高流量脈沖過程的特征指標(biāo)一定程度內(nèi)都發(fā)生了變化且高流量脈沖過程變化明顯。

(3) 蓄水運行前后銅魚的產(chǎn)卵情況發(fā)生了變化，蓄水運行后銅魚產(chǎn)卵規(guī)模明顯下降，產(chǎn)卵高峰期相對比較集中。

(4) 初步提出銅魚產(chǎn)卵繁殖對高流量脈沖過程特征指標(biāo)的需求為：高流量脈沖歷時4～20 d，起漲流量4 350～10 400 m3/s，起始漲幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s，峰值流量對應(yīng)歷時4～18 d，平均日漲幅447～763 m3/s。

本文只分析了長江上游水文情勢變化對銅魚產(chǎn)卵繁殖的影響，初步提出了銅魚產(chǎn)卵繁殖的高流量脈沖需求，下一步應(yīng)結(jié)合珍稀特有魚類的生態(tài)水文需求確定高流量脈沖的閾值范圍，進行梯級水庫面向魚產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度研究。