黃河河口魚(yú)類(lèi)春季生態(tài)需水

于守兵，張朝暉，徐叢亮

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 3.黃河口水文水資源勘測(cè)局，山東 東營(yíng) 257091)

黃河河口及鄰近海域是黃、渤海重要漁業(yè)洄游物種的產(chǎn)卵場(chǎng)、育幼場(chǎng)和索餌場(chǎng)。每年4—6月為主要漁業(yè)物種的產(chǎn)卵期和育幼期。歷史上，該時(shí)期恰逢黃河上游寧蒙河段冰凌消融形成的桃汛洪水。大量的沖淡水和營(yíng)養(yǎng)鹽被輸送至河口，造就了著名的萊州灣漁場(chǎng)。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，黃河干流多座大型水庫(kù)的建成及運(yùn)用以及下游兩岸引水量劇增顯著改變了其自然徑流過(guò)程[1-2]。黃河口春季徑流量下降，洪水減少，流量脈沖消失[3-4]。鯉魚(yú)等河道魚(yú)類(lèi)棲息地喪失，鱽魚(yú)、鰻鱺等魚(yú)類(lèi)的洄游通道被截?cái)?，近海洄游魚(yú)類(lèi)因鹽度升高產(chǎn)卵場(chǎng)被破壞[5]。2008年近海魚(yú)卵和仔稚魚(yú)種類(lèi)、數(shù)量較1982年、1993年明顯下降[6]。1999年黃河啟動(dòng)水量統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了功能性不斷流并增加了入海沖淡水量。與黃河下游斷流最嚴(yán)重時(shí)期相比，鯉魚(yú)和鱖魚(yú)等品種數(shù)量有所增加，鱽魚(yú)等洄游魚(yú)類(lèi)重新出現(xiàn)，近海魚(yú)類(lèi)資源得到一定程度恢復(fù)[7]。然而目前的水文情勢(shì)尚不能滿(mǎn)足春季河口魚(yú)類(lèi)適宜生態(tài)流量、流量脈沖和近海沖淡水需求[8]。因此，研究春季魚(yú)類(lèi)需水過(guò)程，通過(guò)水庫(kù)調(diào)度在一定程度上恢復(fù)天然水文情勢(shì)，對(duì)維持黃河口及鄰近海域的魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)功能和生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。

水利工程的修建改變了河流自然水文情勢(shì)，造成生態(tài)功能減弱[9]。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，河流生態(tài)需水成為水資源研究的前沿和熱點(diǎn)[10-11]。其計(jì)算方法大體可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法[10]。這些方法已用于黃河生態(tài)需水研究[12-15]。其中涉及到河道魚(yú)類(lèi)生態(tài)需水的主要有物理?xiàng)⒌啬M法[16-17]、流量恢復(fù)法[18]、典型魚(yú)類(lèi)生境法[19-20]等。近海魚(yú)類(lèi)生態(tài)需水研究成果主要有：①根據(jù)魚(yú)蝦生長(zhǎng)條件，20世紀(jì)80年代中期黃河水資源規(guī)劃提出的4—6月入海水量為60億m3或枯水年4月20億m3；②按照恢復(fù)至20世紀(jì)90年代初的目標(biāo)，得到5—6月入海水量為21億m3[18]；③根據(jù)河口適宜鹽度得到的春季水量為5.63億m3[21]和4—10月的124億m3[22]；④依據(jù)魚(yú)卵密度調(diào)查資料提出的1—5月水量50億m3 [23]。

表1 黃河利津站徑流量和流量變化特征

由于利津水文站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)利津站)距口門(mén)尚有110 km，且該斷面為窄深斷面，從魚(yú)類(lèi)洄游通道的全程性需要考慮利津站以下各斷面要求的魚(yú)類(lèi)生境條件。另外，徑流自利津站傳播至口門(mén)以及出口門(mén)后與近海咸水混合需要一定的時(shí)間，近海魚(yú)類(lèi)需水的時(shí)機(jī)需要提前。本文根據(jù)魚(yú)類(lèi)生活習(xí)性，結(jié)合已有近期和歷史時(shí)期近海魚(yú)卵和仔稚魚(yú)密度調(diào)查資料，提出維持河道魚(yú)類(lèi)棲息地、洄游通道和近海產(chǎn)卵場(chǎng)的春季低流量、流量脈沖和徑流量指標(biāo)。

1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

黃河河口指的是以山東省墾利縣寧海為頂點(diǎn)，北起徒駭河口，南至支脈溝河口之間的扇形地域以及劃定的容沙區(qū)范圍(東經(jīng)118°30′～119°15′，北緯37°10′～38°05′)。目前行洪流路為清水溝，1996年5月之前口門(mén)向東南，之后人工改向北偏東(圖1)。黃河河口多年平均(1950—2016年)徑流量為296億m3，來(lái)沙量為6.8億t，含沙量為23 kg/m3。近50年來(lái)黃河干流上修建了10余座大型水利樞紐工程，重要的有三門(mén)峽水庫(kù)、龍羊峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)。這些水庫(kù)的運(yùn)用再加上黃河下游兩岸引水量的劇增等顯著改變了進(jìn)入黃河下游及河口的水文過(guò)程。

圖1 黃河河口現(xiàn)行清水溝流路概況

本文中的春季采用氣象部門(mén)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，指的是3—5月，是萬(wàn)物復(fù)蘇生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期。采用的資料為黃河水利委員會(huì)統(tǒng)一發(fā)布的利津站1950—2016年實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)、黃河下游引水量數(shù)據(jù)、2017年汛后黃河河道統(tǒng)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)。同時(shí)還引用了萊州灣海域1982年[24]、2007—2009年[23-25]、2014—2016年魚(yú)卵、仔稚魚(yú)密度調(diào)查資料[26]。

2 黃河河口水文情勢(shì)

黃河下游處于整體性水資源緊缺狀態(tài)。隨著沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，黃河水資源總量供需矛盾日益突出。黃河下游年均引水量則一直呈增加態(tài)勢(shì)，由1950—1973年的31億～40億m3增加至2003—2016年的116億m3，進(jìn)入黃河口的年徑流量整體呈減少趨勢(shì)(表1)。在1950—1973年的自然時(shí)期和三門(mén)峽水庫(kù)蓄清排渾運(yùn)用前大于440億m3，之后減少至1974—1985的341億m3，并在1985年之后進(jìn)入長(zhǎng)期連續(xù)枯水年，徑流量減少為132億m3。2002年以后隨著小浪底水庫(kù)運(yùn)行，年徑流量有所回升，為178億m3。

利津站春季徑流量占全年徑流量比例由1950—1973年的15%～18%減少至1974—2016年的12%以下。春季日均流量由1950—1973年的790～940 m3/s減少至1974—1985年的540 m3/s、1986—2016年的200 m3/s。流量脈沖頻率由1950—1985年的1.1～2.4次/a減小為1986—2016年0.6～0.8次/a(表2)。平均歷時(shí)在小浪底水庫(kù)運(yùn)行后有所增加。平均峰值由1950—1973年的2 000 m3/s以上減少為1974—1985的940 m3/s、2003—2016年的710 m3/s。平均峰值出現(xiàn)日期先提前后推遲。

表2 黃河利津站春季流量脈沖特征

3 黃河河口魚(yú)類(lèi)春季生態(tài)需水

3.1 魚(yú)類(lèi)生活習(xí)性和春季生態(tài)需水時(shí)機(jī)

黃河河口魚(yú)類(lèi)依據(jù)生境要求大體分為3類(lèi)：河道淡水魚(yú)類(lèi)、河道洄游魚(yú)類(lèi)和近海洄游魚(yú)類(lèi)。河道淡水魚(yú)類(lèi)以鯉科為主，主要有黃河鯉、赤眼鱒、鯽魚(yú)、黃桑魚(yú)、青魚(yú)等。河道洄游魚(yú)類(lèi)經(jīng)歷海水和淡水兩種不同生境。從海洋向江河進(jìn)行溯河生殖洄游的有鱽魚(yú)等，從江河到海洋進(jìn)行降海生殖洄游的有鰻鱺等。依據(jù)魚(yú)類(lèi)的商業(yè)和遺傳價(jià)值，以及對(duì)流量變化的敏感程度，選擇鯉魚(yú)、鱽魚(yú)和鰻鱺作為黃河下游典型河道淡水魚(yú)類(lèi)和洄游魚(yú)類(lèi)[18]。其春季生活習(xí)性要求河流具有一定的低流量和流量脈沖(表3。表中H為水深，v為流速)。低流量主要為魚(yú)類(lèi)生存和洄游提供棲息地和通道。流量脈沖有利于擴(kuò)展棲息地面積和食物來(lái)源，刺激魚(yú)類(lèi)洄游和產(chǎn)卵。近海洄游魚(yú)類(lèi)有39種魚(yú)類(lèi)在本海區(qū)產(chǎn)卵并育幼，超過(guò)40種以上的幼魚(yú)在此索餌。每年4—5月游入渤海產(chǎn)卵繁殖，具有低鹽河口近岸產(chǎn)卵的特性。大部分要求水深1～10 m，鹽度1.8%～3.2%，溫度12～25℃。有35種魚(yú)在10℃以上水溫的5—8月產(chǎn)卵，6月份產(chǎn)卵魚(yú)種數(shù)多達(dá)25種。萊州灣的鹽度主要受入海徑流量影響[27]。

表3 黃河口典型河道淡水魚(yú)類(lèi)和洄游魚(yú)類(lèi)生活習(xí)性[17]

河口魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵旺季在4—6月，春季生態(tài)需水時(shí)機(jī)重點(diǎn)關(guān)注3—5月，其原因主要為以下方面:①3月需要一定的低流量以滿(mǎn)足鯉魚(yú)越冬生存棲息地和鰻鱺洄游需求。②3—5月日均流量自1950年以來(lái)呈顯著下降趨勢(shì)，由1950—1973年的790～940 m3/s下降至1974—1985年的540 m3/s和1986—2016年的200 m3/s。而6月日均流量在小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)(2003—2016年)為950 m3/s，已達(dá)到自然時(shí)期(1950—1959年)水平。③鹽淡水混摻塑造近海低鹽產(chǎn)卵場(chǎng)需要一定時(shí)間。由于利津站為黃河干流最后一個(gè)控制站，一般需水指標(biāo)采用利津站流量過(guò)程。利津站至口門(mén)河長(zhǎng)約110 km，徑流傳播需要2～3 d。1996年5月清水溝入海方向由東南改至東北(圖1)，沖淡水不能直接注入萊州灣，而是主要在余流作用下向萊州灣方向擴(kuò)散并與近海咸水混合。春季萊州灣余流流速約為0.05 m/s[28]，流向偏向西南?？陂T(mén)至萊州灣中心約40 km，以此估計(jì)需要18 d。因此，若以利津?yàn)榭刂普?，需要?—5月有適宜的徑流量入海，經(jīng)過(guò)約1個(gè)月的時(shí)間傳播和擴(kuò)散，在萊州灣塑造適宜的低鹽產(chǎn)卵育幼場(chǎng)。

3.2 河道魚(yú)類(lèi)春季生態(tài)需水流量

黃河利津站及以下河道共布設(shè)水文測(cè)驗(yàn)大斷面41個(gè)。2017年汛后實(shí)測(cè)斷面資料分析(圖2)表明，利津斷面主槽寬度和面積分別為353 m和1 608 m2；蘇劉斷面主槽寬度和面積最大，分別為650 m和2 514 m2；汊加1(二)斷面主槽寬度和面積最小，分別為264 m和649 m2。主槽寬度和面積計(jì)算時(shí)根據(jù)測(cè)驗(yàn)斷面與主槽斷面的夾角并進(jìn)行修正。由于魚(yú)類(lèi)洄游通道要求全程連續(xù)性，選擇利津斷面、蘇劉斷面、汊加1(二)斷面計(jì)算洄游通道要求的流量。水面比降取黃河口河床平均比降0.008%[29]，流量小于1 000 m3/s時(shí)河道糙率取0.035[30]。

圖2 黃河口利津站以下河道2017年汛后主槽寬度和主槽面積

低流量主要滿(mǎn)足鯉魚(yú)棲息地和鱽魚(yú)、鰻鱺洄游通道要求(表3)。鯉魚(yú)生活在靠近岸灘H>1.5 m的緩水或靜水中，要求流速0.1 m/s1.0 m，流速0.3 m/s1.0 m和H>1.5 m,河寬50 m要求，其次保證平均流速在0.3 m/s左右。3個(gè)斷面要求的流量分別為100 m3/s、240 m3/s和50 m3/s(表4)。從洄游通道的全程連續(xù)性考慮，生態(tài)流量宜選擇蘇劉斷面的240 m3/s，此時(shí)利津和汊加1(二)斷面的平均流速為0.4 m/s，略大于鯉魚(yú)棲息地要求的最大流速。由于天然河道流速垂向和橫向分布的不均勻性，在平均流速為0.4 m/s時(shí)，在寬度259～290 m的河槽中仍有適合的棲息場(chǎng)所(圖3)。

表4 黃河口河道典型斷面滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)棲息地和洄游的水力條件

1為低流量水位； 2為流量脈沖峰值水位圖3 利津、蘇劉、汊加1(二)斷面高程及低流量、流量脈沖峰值相應(yīng)水位

流量脈沖主要刺激鯉魚(yú)產(chǎn)卵和鱽魚(yú)洄游。兩種生態(tài)習(xí)性要求的水深均為1～2 m。前者要求流速v<0.3 m/s的緩流或靜水，后者要求v為0.5～0.8 m/s。由于鯉魚(yú)產(chǎn)卵持續(xù)時(shí)間1～3 d，自然條件下流量脈沖在7～11 d，流量漲落過(guò)程中小流量時(shí)流速基本滿(mǎn)足鯉魚(yú)產(chǎn)卵需求。故水力計(jì)算時(shí)以流速0.5 m/s和水深1～2 m為控制條件。3個(gè)斷面適宜的流量脈沖分別為580 m3/s、890 m3/s和300 m3/s，相應(yīng)流速為0.5 m/s(表4)。鑒于水深、流速具有一定關(guān)聯(lián)性，平均水深較大，為2.5～2.7 m。水深在1～2 m的連續(xù)河寬為63～140 m。綜合考慮，流量脈沖峰值采用890 m3/s。該值接近1986—2002年小浪底水庫(kù)運(yùn)行前的平均值(表2)。此時(shí)利津斷面和汊加1(二)斷面流速為0.6 m/s，水深在1～2 m的連續(xù)河寬為60～1 069 m(圖3)，基本滿(mǎn)足要求。其中，汊加1(二)斷面水流漫灘，顯著增加棲息地河寬。

自然時(shí)期黃河口流量脈沖主要由寧蒙河段冰凌解凍產(chǎn)生的桃汛洪水引起。1960年之后，由于黃河干流三門(mén)峽水庫(kù)、龍羊峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)等相機(jī)投入運(yùn)用，在一定程度上改變了桃汛洪水出現(xiàn)特征(表2)。流量脈沖峰值出現(xiàn)的日期在4月1—30日之間，平均歷時(shí)較自然時(shí)期增加1～6 d。參考自然時(shí)期的平均情況，流量脈沖出現(xiàn)時(shí)期建議為4月中旬的9—16日，持續(xù)時(shí)間為8 d，峰值為890 m3/s，頻率為1 a-1。

3.3 近海洄游魚(yú)類(lèi)需水量

近海洄游魚(yú)類(lèi)需要的沖淡水量主要依據(jù)萊州灣魚(yú)卵和仔稚魚(yú)密度調(diào)查資料確定。國(guó)內(nèi)多家海洋生態(tài)研究單位已開(kāi)展渤海漁業(yè)資源調(diào)查，但在調(diào)查日期、站位布置、統(tǒng)計(jì)結(jié)果等方面不盡相同。本文主要選擇1982年、2007—2009年、2014—2016年萊州灣調(diào)查資料(表5)。這些資料基本上在5月中下旬至6月上旬開(kāi)展，且統(tǒng)計(jì)結(jié)果均以“粒/m3”和“尾/m3”為單位，便于對(duì)比分析。從調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)看，這些年份魚(yú)卵的密度變化范圍為0.69～2.39粒/m3，而仔稚魚(yú)為0.020～2.190尾/m3，后者的變幅遠(yuǎn)高于前者。另外，在魚(yú)卵密度相差不大的年份，仔稚魚(yú)密度卻有很大變化。例如2014年和2015年魚(yú)卵密度為2.24～2.39粒/m3，而仔稚魚(yú)密度相差近百倍。因此，本文分析以魚(yú)卵密度為主，仔稚魚(yú)密度為輔。

從魚(yú)卵密度與利津站春季徑流量關(guān)系來(lái)看，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系且存在躍升現(xiàn)象(圖4)。除了2008年，其他年份魚(yú)卵密度均隨徑流量的增加而升高，并在徑流量20億m3前后出現(xiàn)躍升。具體而言，2007年、2009年和2016年徑流量小于15億m3，魚(yú)卵密度為0.69～0.82粒/m3，處于較低水平，且隨徑流量增加變化幅度不大。而1982年、2014年和2015年徑流量均大于20億m3，魚(yú)卵密度為2.22～2.39粒/m3，約為前者的3倍；同樣隨徑流量增加變化幅度不大。2008年魚(yú)卵密度雖然相對(duì)于徑流量偏低，但仔稚魚(yú)的密度為0.350尾/m3，遠(yuǎn)高于1982年的0.289尾/m3和2014年的0.020尾/m3。2015年的魚(yú)卵密度略多于2014年，但由于徑流量多達(dá)46億m3，仔稚魚(yú)的密度高達(dá)2.190尾/m3。綜合分析，黃河河口春季入海徑流量取21億m3，也即近于自然時(shí)期1982年的徑流量。

表5 萊州灣魚(yú)卵、仔稚魚(yú)密度資料與利津站春季徑流量

圖4 萊州灣魚(yú)卵密度與利津站春季徑流量關(guān)系

3.4 河口魚(yú)類(lèi)春季生態(tài)需水指標(biāo)

黃河河口春季生態(tài)流量需要兼顧河道淡水魚(yú)類(lèi)棲息及產(chǎn)卵要求、河道洄游魚(yú)類(lèi)上溯通道要求、近海洄游魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵要求，保障適當(dāng)?shù)牡土髁?、流量脈沖和徑流量。根據(jù)河道淡水魚(yú)類(lèi)和河道洄游魚(yú)類(lèi)生境需求，3—5月低流量為240 m3/s，4月中旬(9—16日)塑造240—890—240 m3/s的流量脈沖，合計(jì)入海徑流量為21.6億m3。在此條件下已滿(mǎn)足近海洄游魚(yú)類(lèi)21億m3沖淡水需求。

4 討 論

a. 于河道低流量，已有研究以利津斷面水力計(jì)算得到的3月適宜流量為170 m3/s，4月為190 m3/s，5—6月為250 m3/s[18]。由于利津斷面較為窄深，3—5月低流量和流量脈沖不能滿(mǎn)足主槽面積較大的蘇劉斷面需求。另有研究采用利津斷面平均流速為0.6 m/s，計(jì)算得到的適宜流量為371 m3/s[17]。由于利津和汊加1(二)斷面窄深，流速較大時(shí)鯉魚(yú)生存棲息地不易保障。

b. 關(guān)于流量脈沖，已有研究提出5—6月需要300～500 m3/s的小脈沖洪水[18]。本文根據(jù)3個(gè)斷面滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)需要的水力條件，并結(jié)合自然時(shí)期桃汛洪水產(chǎn)生的流量脈沖特征，提出每年1次、4月中旬持續(xù)8 d(4月9—16日)、峰值為890 m3/s的脈沖過(guò)程。

c. 關(guān)于近海洄游魚(yú)類(lèi)生態(tài)需水量研究主要有以下幾個(gè)方面成果。黃河水資源規(guī)劃按照魚(yú)蝦生長(zhǎng)要求，4—6月徑流量為60億m3，枯水期4月為20億m3。參照20世紀(jì)90年代初水平，5—9月徑流量應(yīng)達(dá)到120億m3，其中5—6月為21億m3。根據(jù)漁業(yè)資源調(diào)查數(shù)據(jù)并從管理角度出發(fā)確定入海水量為1—5月50億m3[20]。根據(jù)河口適宜鹽度得到的春季水量為5.63億m3[21]和4—10月的124億m3[22]。

本文根據(jù)近海洄游魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵主要發(fā)生在4—6月，并考慮徑流在河道傳播時(shí)間和出口門(mén)后向萊州灣擴(kuò)散時(shí)間，將需水時(shí)機(jī)選擇在3—5月。通過(guò)對(duì)1982—2016年期間7年萊州灣魚(yú)卵密度調(diào)查資料分析，在春季徑流量21億m3前后，魚(yú)卵密度有較大變化。該數(shù)據(jù)接近于1982年入海徑流量，而且該時(shí)期黃河受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，基本上處于自然狀態(tài)。故建議春季入海水量為21億m3，具有較強(qiáng)的可靠性和可行性。

圖5 黃河河口小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)年徑流量和春季徑流量

d. 小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，春季平均徑流量達(dá)到21億m3，已滿(mǎn)足入海水量要求。主要問(wèn)題在于年際變幅較大，為2.8億～45.85億m3，14年內(nèi)僅有7年超過(guò)21億m3(圖5)。另外，春季日均流量為200 m3/s，脈沖頻率為0.6 a-1，平均峰值為710 m3/s。這些指標(biāo)均低于要求的適宜流量240 m3/s、脈沖頻率1 a-1、峰值890 m3/s的要求。在平均入海水量已達(dá)到近海魚(yú)類(lèi)需求的前提下，通過(guò)優(yōu)化小浪底水庫(kù)年內(nèi)或年際調(diào)度模式，滿(mǎn)足河道魚(yú)類(lèi)棲息地、洄游和產(chǎn)卵洄游刺激需求具有很大可行性。

5 結(jié) 論

黃河河口春季生態(tài)需水主要兼顧河道淡水魚(yú)類(lèi)棲息及產(chǎn)卵、河道洄游魚(yú)類(lèi)上溯通道、近海洄游魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵等要求。根據(jù)河道洄游魚(yú)類(lèi)和近海洄游魚(yú)類(lèi)的生活習(xí)性，徑流傳播和向近海擴(kuò)散時(shí)間，需水時(shí)機(jī)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3—5月。從洄游通道全程連續(xù)性出發(fā)，河道淡水魚(yú)類(lèi)和河道洄游魚(yú)類(lèi)生境要求3—5月低流量為240 m3/s，以及每年4月中旬為期8 d的240—890—240 m3/s流量脈沖。近海洄游魚(yú)類(lèi)要求春季入海徑流量為21億m3。在保證河道淡水魚(yú)類(lèi)和河道洄游魚(yú)類(lèi)生態(tài)流量下，春季入海徑流量為21.6億m3，已滿(mǎn)足近海洄游魚(yú)類(lèi)沖淡水需求。小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)，春季平均徑流量已達(dá)到需求。通過(guò)優(yōu)化年內(nèi)或年際調(diào)度模式，滿(mǎn)足河道低流量和流量脈沖具有很大可行性。