基于越冬水鳥生境模擬的擬建鄱陽湖水利樞紐生態(tài)控制水位探討

陳煉鋼，陳黎明，徐祎凡，賈建偉，欒震宇，施 勇，金 秋，胡騰飛

(1:南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029)(2:長江水利委員會水文局，武漢 430010)

鄱陽湖作為我國最大的淡水湖泊，也是當前長江中下游僅存的兩個大型通江湖泊之一，與長江共同組成了獨特的江-湖復合生態(tài)系統(tǒng)；周期性的洪枯水位節(jié)律變化及河湖相交替轉換，造就了水陸兼有的獨特生境，孕育了物種多樣性豐富的濕地生態(tài)系統(tǒng)，在全球候鳥保護及棲息地保護方面起著至關重要的作用，是我國唯一加入國際生命湖泊網的湖泊，已列入《濕地公約》國際重要濕地名錄，在江西、長江流域、全國乃至全球生態(tài)安全格局中具有十分重要的戰(zhàn)略地位. 水位和水深是湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其變化節(jié)律直接影響到湖區(qū)灘地的淹沒和出露日期及持續(xù)時間，對鳥類食物資源植物、魚類、底棲動物等的產量、分布、物種多樣性、群落結構及演替產生直接影響[1-4]. 鄱陽湖水位變化受流域“五河”和長江來水的雙重影響，長期以來形成了固有的豐枯變化節(jié)律；然而，進入21世紀以來受長江及“五河”上游水庫群運用等的影響，鄱陽湖枯水節(jié)律發(fā)生了明顯變化：枯水期提前、枯水歷時延長，最低枯水位更枯[5-6]. 為了應對新的枯水情勢，江西省提出興建鄱陽湖水利樞紐工程按照“調枯不控洪”的方式保障枯水期的“三生”用水. 該工程建議一提出就引起國內外廣泛關注，其中濕地與越冬水鳥保護是焦點問題之一，如何確定適宜的生態(tài)調控水位是重點與難點.

目前已采用多種方法分析計算了鄱陽湖的生態(tài)水位，包括：水文頻率分析法[7-9]、天然水位資料法[10]、生態(tài)水位系數法[10]、湖泊形態(tài)法[11]、生物空間需求法[12]、情景分析法[13]. 其中，前4種方法主要基于物理因子分析而生態(tài)學意義不明顯；后兩種生態(tài)學意義較強，通過生境遙感解譯等獲得若干水位下生境面積的變化特征，但由于遙感解譯的數據點有限致使所得規(guī)律存在明顯的不確定性. 相比于生境遙感解譯數據點有限的不足，生境數值模擬通過長系列連續(xù)模擬可獲得大量生境數據點，從而提高其變化規(guī)律的確定性；但是目前還未見到通過生境數值模擬確定鄱陽湖生態(tài)水位的相關研究，此外也未見到從候鳥食物資源和取食可及性兩方面考慮不同時段生境保護目標的差異來確定鄱陽湖生態(tài)水位動態(tài)調控過程的研究. 生境數值模擬將物理生境因子條件和生物本身的需求結合起來, 模擬河湖水位流量和特定物種或群落適宜生境分布之間的定量關系, 從而獲得保護水生生物的生態(tài)水位和流量，為河湖水資源合理開發(fā)利用提供依據；被認為是生態(tài)需水計算中較為可靠的方法，一經提出便被各國廣泛應用到工程實踐中[14]. 因此，本文在構建鄱陽湖關鍵物種生境數值模擬模型的基礎上，以水深為關鍵生境因子，通過長系列的連續(xù)模擬，從候鳥食物資源和取食可及性兩方面建立水位變化與重要生境面積之間的定量響應函數，并據此量化不同的調控水位對重要生境的影響，從而根據不同時段內生境保護目標的差異確定擬建鄱陽湖水利樞紐適宜的生態(tài)調控水位過程，為江湖新水沙條件下鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)保育提供量化依據.

1 重要生境及關鍵因子確定

鄱陽湖是亞洲最大的候鳥越冬地，有“白鶴之鄉(xiāng)”和“候鳥王國”之稱，是鶴類、鸛類、大鴇、小天鵝等珍禽和眾多水禽的主要越冬棲息地：平均每年有38.4萬余只候鳥在此越冬，涉及種類155種，其中112種為國際濕地公約指定水鳥；是世界上95%的白鶴和75%的東方白鸛等珍稀水禽種群的越冬場所[15]，也是迄今發(fā)現(xiàn)的世界上最大的越冬鴻雁群體所在地，數量達3萬只以上[16]. 如此多的候鳥與鄱陽湖豐富的食物資源密切相關，根據食性的不同越冬候鳥分為5個主要取食集團：食植物塊莖集團、食苔草集團、食植物種子集團、食無脊椎動物集團和食魚集團[17]. 其中，食植物塊莖的大多數鳥類列入《世界自然保護聯(lián)盟》國際鳥類紅皮書名錄和我國一、二級保護鳥類，如白鶴、白枕鶴、小天鵝、大天鵝、鴻雁、赤頸鴨等[16]；尤以白鶴為典型，因為白鶴是除了鄱陽湖以外幾乎沒有其他可替代適宜棲息地的物種[18]. 因此以白鶴為代表的食植物塊莖鳥類可作為鄱陽湖越冬候鳥的指示物種，其生境的保育對于維護鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康至關重要. 當前長江流域沉水植被分布范圍日趨狹窄，導致了以塊莖為食的小天鵝、鴻雁和鶴類集中分布在鄱陽湖和安徽的幾個湖泊；而安徽沿江湖群面積相對較小且濕地環(huán)境正在迅速退化，鄱陽湖將是這些水鳥最后的家園. 然而2013年第2次鄱陽湖科學考察卻發(fā)現(xiàn)沉水植物分布面積縮減了37.72%[19]，鄱陽湖塊莖資源主要來自沉水植物優(yōu)勢種苦草(Vallisnerianatans). 因此，越冬水鳥食物資源——苦草的保育對鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)保護至關重要；一旦喪失，鶴類、小天鵝、鴻雁等大批水鳥將可能滅絕.

食物資源、水深、人類干擾、湖床底質等都會影響水鳥對棲息地的選擇，研究發(fā)現(xiàn)苦草冬芽密度和水深的交互作用能夠解釋75%的白鶴覓食區(qū)變化[20]. 每年的3月中下旬-10月底是鄱陽湖苦草生長期，其中7月中旬之前為營養(yǎng)生長期，之后為繁殖生長期. 鶴類等越冬水鳥從10月開始飛抵鄱陽湖，到次年4月初基本離開，其中11月數量急劇增加、12月和次年1月達到峰值，然后逐漸遷飛[16]. 苦草的生長期和候鳥的越冬期在鄱陽湖形成一個完美的交替接力，這也是95%以上的白鶴選擇鄱陽湖越冬的原因之一. 水生生物生境模擬的主要因子包括水深、流速、底質、含沙量、水溫等, 關鍵生境因子的遴選是生境模擬準確與否的關鍵[14]. 苦草的生長受水深、光照強度、透明度、基質、營養(yǎng)鹽等多種環(huán)境因子的影響[21]，其中水深是最重要的影響因子. 研究表明苦草的株數、葉片長度、葉片厚度、地下塊莖——冬芽密度等隨水深變化顯著[22-24]. 長時間水淹或干旱均能導致沉水植物種群密度和生物量大大降低,進而影響到種群的更新和恢復[25]，如1998年大洪水過后苦草大面積死亡并持續(xù)影響到次年的生物量[26]，2003年后長期的低枯水位導致苦草等沉水植物群落面積大幅縮減[19]. 冬季水深是影響水鳥取食可及性的決定性因子：水位過高則水鳥不能正常取食苦草等沉水植物的塊莖；水位過低則苦草等水鳥喜好的食物易枯死，且泥灘表面基質干燥也妨礙水鳥正常取食[17, 20]. 因此，本文選擇水深作為苦草生長期和候鳥越冬期的關鍵生境因子開展模擬及評估.

2 模型與方法

以鶴類、小天鵝、鴻雁等食植物塊莖水鳥作為鄱陽湖越冬水鳥指示物種，從食物資源與取食可及性兩方面，分苦草生長期和候鳥越冬期兩個時段對其生境進行評價，包括物理生境因子時空分布模擬和生境適宜度評價兩部分，量化水位變化對越冬水鳥潛在生境面積的影響規(guī)律，為鄱陽湖水利樞紐生態(tài)調控水位的確定提供依據.

2.1 物理生境因子模擬

鄱陽湖越冬水鳥物理生境因子時空變化模擬基于環(huán)境流體動力學模型EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)，該模型包括水動力、溫熱、水質和泥沙等模塊. EFDC是美國國家環(huán)保署USEPA法定推薦的水系統(tǒng)模擬模型之一[27]，被廣泛用于模擬河流、河口、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)以及自近岸到陸架的海域一維、二維和三維流場、物質輸運(包括溫、鹽、粘性和非粘性泥沙的輸運)、生態(tài)過程及淡水入流，能同時考慮風、浪、潮、徑流的影響，并可以設置水工建筑物[28]. 本次物理生境因子模擬主要用到EFDC的水動力模塊，其水動力學方程采用垂向靜壓假定，在水平方向上采用曲線正交坐標，垂直方向上采用σ坐標變換，沿重力方向分層求解三維紊動粘性方程，主要模型方程如下[29].

(1)連續(xù)方程：

(1)

(2)動量方程：

(2)

(3)

(4)

式中，u和v為曲線正交坐標x和y方向上的水平速度分量(m/s)，w為σ坐標z方向上的垂直速度分量(m/s)；t為時間(s);mx和my為水平坐標變換因子(m)，m=mxmy；p為壓力(Pa)；H為總水頭(m)，H=h+ζ，h為床底高程(m)，ζ為水面水深(m)；f為科氏力系數(s-1)；AH為水平紊動擴散系數(m2/s)，Av為垂向渦粘系數(m2/s)；Sh為質量源匯項(m3/s)，Su和Sv分別為x和y方向上的動量源匯項(m2/s2)；cp為植被阻力系數，Dp為植被占比系數；g為重力加速度(9.81 m/s2)；ρ為水密度(kg/m3),ρ0為水的標準密度(1000 kg/m3).

圖1 鄱陽湖水系概化及地形Fig.1 River network and bathymetry in Lake Poyang

鄱陽湖入湖水系較多，模型上邊界設為五河尾閭入流，其中贛江西支、北支、中支和南支依據外洲站流量和各分支斷面面積進行概化分配，撫河采用李家渡站流量，信江東大河、西大河依據梅港站流量和各分支斷面面積進行概化分配，饒河采用渡峰坑和石鎮(zhèn)街站流量疊加，修水采用虬津站和萬家埠站流量疊加，下邊界采用湖口水位(位置如圖1所示). 鄱陽湖豐枯水期水位及湖面面積變化顯著：枯水期呈現(xiàn)明顯的“河相”，水流只在河道深槽中流動，大部分灘地顯露；豐水期呈現(xiàn)明顯的“湖相”，湖面寬廣，水流趨于靜止. 因此，為了能夠精確地模擬鄱陽湖年內河湖相的交替變化過程和反映計算域的特征，采用曲線正交貼體網格對計算域進行剖分，網格剖分盡量沿主河槽或堤防，精確地概化出河道、灘地、島嶼等邊界的過度銜接，使水流方向盡可能真實地體現(xiàn)流動狀態(tài)，并對湖區(qū)內主槽中網格進行加密處理. 最終得到水平網格14110個，范圍覆蓋了“五河”下游尾閭地區(qū)和整個豐水期時的湖面，且將已與主湖分隔的軍山湖剝離出計算域，共計3292 km2，如圖1所示，絕大部分網格尺寸在200～500 m之間，湖區(qū)內主槽網格小至150 m左右，部分灘地網格大至1000 m左右. 由于本文主要模擬水深的變化，因此垂向上設置為1層以提高模型計算效率. 湖床高程采用鄱陽湖2010年1∶1萬實測水下地形資料(國家85高程基準)進行插值，插值后的地形如圖1所示，可見模型所用網格清晰地描述了深槽、灘地、島嶼等地形的變化.

圖2 星子站水位驗證情況Fig.2 Model verification for water level at Xingzi Station

2008年9月28日三峽水庫開始175 m正常蓄水位的試驗性蓄水，因此模型從2008年9月開始滾動計算直至2017年12月. EFDC水動力模塊的關鍵參數為床面粗糙高度，經率定后取值在0.023～0.03 m之間. 為反映“五河七口”以下20%左右未控區(qū)間產流對湖區(qū)水量平衡的影響，采用預估-校正模式進行兩次模擬：先僅基于“五河七口”實測流量模擬獲得湖口出流計算值，將其與實測湖口流量的差值作為全湖的未控區(qū)間水量；然后將估算的未控區(qū)間水量按照同期五河來水量比例疊加到邊界入流上進行校正計算. 模型對鄱陽湖區(qū)星子站、吳城(修水)站、吳城(贛江)站、棠蔭站、鄱陽站、龍口站、康山站和都昌站8個站的水位進行了驗證，絕大部分時段水位誤差控制在0.15 m以內；鄱陽湖代表性水位控制站星子站水位模擬值與實測值的對比如圖2所示(1)與吳淞基面高差為-0.09 m，與國家85高程基面高差為-1.929 m，下同.. 可見，基于EFDC構建的湖區(qū)水動力模型能很好地模擬鄱陽湖水位的時空分布變化.

2.2 生境適宜度評價

生境適宜度評價采用全球廣為應用的適宜度曲線法[30]. 適宜度曲線以生境因子的數值為橫坐標, 以目標物種對此生境因子的適宜度為縱坐標, 建立目標物種對單個生境因子的偏好與生境因子之間關系的連續(xù)曲線，能定量描述物理生境特征與物種在該條件下的生存質量. 用0和1之間的數值定義目標物種對單因子的偏好, 曲線的峰值代表生物對該因子的最適宜范圍. 針對影響苦草生長的關鍵生境因子水深，相關研究表明其生長的適宜水深為1～2 m，水深超過2 m后由于水下光照過小導致生物量及冬芽形成數量迅速下降，水深低于1 m光照過強造成光損傷，也會抑制苦草的生長[23,31-36]；據此制定苦草生長的水深適宜度曲線(圖3a). 相關調查發(fā)現(xiàn)鶴類、鴻雁、東方白鸛的覓食水深都在50 cm以內，小天鵝覓食水深略大，可到80 cm，鸻鷸類覓食水深略淺，為40 cm；其中鶴類、小天鵝、東方白鸛的最適覓食區(qū)水深分別在20～30、15～40、30 cm左右[16, 37]. 綜合后擬定0～60 cm淺水區(qū)作為越冬水鳥的覓食區(qū)、20～40 cm作為其適宜覓食水深，據此制定鄱陽湖越冬水鳥取食的水深適宜度曲線(圖3b).

根據各網格單元水深及其適宜度指數采用加權可用面積法[38]計算潛在適宜生境面積：

(5)

式中，WUA為加權可用生境面積(km2)，Ai和SIi為第i個網格單元的面積(km2)和生境適宜度.

圖3 苦草(a)和水鳥取食(b)水深適宜度曲線Fig.3 Habitat suitablity curves for Vallisneria natans (a) and waterfowls feeding (b)

3 結果與討論

3.1 生境面積-水位的定量響應規(guī)律

以苦草的生長期3月中旬-10月下旬為分析時段，根據星子站實測水位和模擬計算的苦草潛在適宜生境面積相關圖(圖4a)，采用門限回歸法建立鄱陽湖苦草潛在生境面積對水位變化的定量響應關系，見公式(6). 以越冬水鳥數量峰值時段12月和1月為分析時段，根據星子站實測水位和模擬計算的水鳥取食潛在適宜生境面積相關圖(圖4b)，采用門限回歸法建立水鳥取食潛在生境面積對水位變化的定量響應關系，見公式(7).

(6)

(7)

式中，WUA1為苦草潛在適宜生境面積(km2),WUA2為水鳥取食潛在適宜生境面積(km2)，Z為星子站水位(m). 從圖4a可見，苦草潛在生境面積隨水位呈單峰型變化，在星子站水位為14.8 m時達到最大，約為1703 km2；當水位低于或高于這一臨界點時，潛在生境面積均下降，高水區(qū)比低水區(qū)下降速率更快，說明洪水比枯水對苦草的損害更大：當星子水位低于9 m后，潛在生境穩(wěn)定在700 km2左右；而當星子水位漲至19 m時，枯草潛在生境面積僅剩約190 km2，超過20 m后全湖苦草生境幾乎全部喪失；2016年和2017年連續(xù)兩年鄱陽湖遭遇大洪水，最高洪水位分別為21.36和20.87 m，洪水過后主湖區(qū)和碟形湖均未發(fā)現(xiàn)沉水植物活體，且2018年尚未恢復[19]. 從圖4b可見，越冬水鳥取食潛在生境面積隨水位呈三段式變化，在星子站水位為 11.73 m時達到最大，為564 km2；隨著水位的升高，取食潛在生境面積急劇下降；而隨著水位的降低，取食潛在生境面積先下降，然后基本穩(wěn)定并略有抬升；在星子站水位為9.56 m時達到最小，為476 km2，隨后基本穩(wěn)定在500 km2左右；這一規(guī)律的形成是由于鄱陽湖區(qū)存在大量的蝶形子湖且湖底平坦，當主槽水位下降到某一閾值后蝶形子湖與主槽分離，湖區(qū)水面面積趨于穩(wěn)定，并隨著水位的進一步下降更多的水域變?yōu)闇\水區(qū).

圖4 苦草(a)和水鳥取食(b)潛在生境面積隨水位變化Fig.4 Habitat area vers water level for Vallisneria natans (a) and waterfowls feeding (b)

3.2 擬建鄱陽湖樞紐生態(tài)控制水位

擬建的鄱陽湖水利樞紐選擇在鄱陽湖入江水道的屏峰山與長嶺山之間建閘，上距星子縣城約12 km，下至鄱陽湖入長江口約27 km(位置見圖1). 論證中的鄱陽湖大閘水位調控按照“調枯不控洪”的方式分為5個時段：江湖連通期(4月1日-8月31日)、下閘蓄水期(9月1日-20日)、長江上游水庫蓄水調節(jié)期(9月21日-10月31日)、補償調節(jié)期(11月1日-次年2月28日)、低枯水位調控期(3月1日-31日)[15]. 前3個調度期基本覆蓋了苦草的生長期，其中下閘蓄水期和長江上游水庫蓄水調節(jié)期處于苦草的繁殖生長期內，對冬芽的生長至關重要；后3個調度期基本覆蓋候鳥越冬期，其中補償調節(jié)期內候鳥密集遷入和遷離，并在12月-次年1月達到數量峰值，為候鳥越冬的關鍵時段.

為科學論證鄱陽湖水利樞紐的可行性，江西省政府邀請國內權威機構的專家從江湖關系、泥沙沖淤、防洪、水質、濕地與候鳥、水生動物等方面開展6項專題研究和論證. 其中“濕地與候鳥”專題指出“要使鄱陽湖水利樞紐工程不對鄱陽湖濕地和水鳥造成災難性影響，至少需要保持目前80%以上的草洲、泥沙灘和淺水水域作為水鳥棲息地”. 按照這一判定標準，采用3.1節(jié)建立的生境面積與水位的函數關系，量化星子站不同水位下鄱陽湖苦草及越冬水鳥潛在生境面積的變化，然后根據不同調度時段內生境保護目標的差異確定鄱陽湖生態(tài)水位的動態(tài)調控過程：鄱陽湖大閘下閘蓄水期內生境保護目標為苦草，水位不宜超過16 m，苦草潛在生境面積與最大值相比偏小幅度可控制在20%以內(空間分布見圖5a)；長江上游水庫蓄水調節(jié)期內生境保護目標以苦草為主兼顧越冬水鳥，宜將水位控制在14.0～15.5 m區(qū)間，苦草潛在生境面積與最大值相比偏小幅度可控制在10%以內(空間分布見圖5b)，同時可為少數飛抵的候鳥保留近25%以上的覓食生境(空間分布見圖6a)；補償調節(jié)期內生境保護目標為越冬水鳥，此間越冬水鳥大量遷入并達到數量峰值，可根據候鳥飛抵的情況從前一調度期水位逐步下降以增加取食生境面積，在12月-次年1月的越冬候鳥數量峰值期內水位不宜超過12.5 m，此時越冬水鳥潛在取食生境面積與最大值相比偏小幅度可控制在20%以內(空間分布見圖6b)；低枯水位調控期內候鳥已大量遷離，同時苦草逐步進入萌發(fā)期，兩者對生境的需求都大幅降低，可延續(xù)前一調度期的控制水位并逐步過渡到自然狀態(tài).

圖5 苦草潛在生境分布：(a)星子站水位16 m；(b)星子站水位14 mFig.5 Habitat distribution for Vallisneria natans: (a) Zxingzi=16 m; (b) Zxingzi=14 m

圖6 越冬水鳥取食潛在生境分布：(a)星子站水位14 m；(b)星子站水位12.5 mFig.6 Habitat area distribution for waterfowls feeding: (a) Zxingzi=14 m; (b) Zxingzi=12.5 m

基于三峽運用前1953-2002年星子站月平均水位序列，統(tǒng)計出的鄱陽湖水利樞紐調度期內各月5%高水位、50%平水位、95%枯水位見表1[8]. 本文得出的生態(tài)調控水位與此對比可見：9月蓄水期內最高控制水位16 m略低于當月多年平水位；10月長江上游水庫蓄水調節(jié)期內最低控制水位14 m稍低于當月多年平水位；12月-次年1月越冬候鳥數量峰值期內最高控制水位12.5 m稍高于12月多年高水位；一定程度上說明本文得出的生態(tài)調控水位的動態(tài)過程符合水位的天然波動特征. 擾動對維持生態(tài)系統(tǒng)的彈性及物種多樣性等具有重要意義，然而按此控制建閘后鄱陽湖秋、冬季水位變幅收窄至3.5 m左右，雖可有效保障越冬水鳥潛在生境面積，但其變化趨于穩(wěn)定且擾動幅度將顯著減小，是否會對濕地生態(tài)系統(tǒng)產生不可逆的不利影響有待更深入的研究.

表1 三峽工程運用前星子站水位特征值

4 結論

以鶴類、小天鵝、鴻雁等食植物塊莖水鳥作為鄱陽湖越冬候鳥指示物種，基于EFDC水動力學模型和生境適宜度曲線，構建了鄱陽湖越冬水鳥生境數值模擬模型；以水深作為關鍵生境因子，對2008年9月三峽水庫175 m試驗性蓄水后鄱陽湖重要生境變化進行了連續(xù)模擬.

1)從鳥類食物資源與取食可及性2個方面，分苦草生長期和候鳥越冬期2個時段，建立了星子站水位對苦草及水鳥取食潛在生境面積的定量影響函數. 苦草潛在生境面積隨水位呈單峰型變化；在星子站水位為14.8 m時達到最大，約為1703 km2；越冬水鳥取食潛在生境面積隨水位呈三段式變化，在星子站水位為11.73和9.56 m時分別達到最大和最小，約為564和476 km2.

2)針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程，分析計算了星子站不同水位下苦草及越冬水鳥取食潛在生境面積的變化，并據此基于不同調度分期內生境保護目標的差異確定了符合天然水位波動特征的生態(tài)水位動態(tài)調控方案：下閘蓄水期內水位不宜超過16 m，后續(xù)根據越冬候鳥遷入情況逐步下降，在12月-次年1月的越冬候鳥數量峰值期內水位不宜超過12.5 m，后續(xù)根據來水情況逐步過渡至江湖連通期的自然狀態(tài).

本文提出的生態(tài)水位調控方案主要滿足鶴類、小天鵝、鴻雁等食植物塊莖水鳥的生境需求，下階段應進一步研究其他物種生境對水深的需求，從而制定物種覆蓋面更廣的生態(tài)控制水位，為鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)保育提供更為全面深入的科學依據.