湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文情勢變化分析

黎 小 東，曹 艷 敏，王 崇 宇

(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007； 2.湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000； 3.湖南省水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

產(chǎn)卵期是魚類各生命周期中最重要的環(huán)節(jié)，保證了魚類物種延續(xù)[1]。產(chǎn)卵期的水力條件、生態(tài)水文對魚類產(chǎn)卵、魚卵孵化及魚苗存活有著關(guān)鍵的影響作用[2-3]。目前，各學者針對魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文研究有：李翀[4]將長江中游四大家魚產(chǎn)卵期間的漲水過程數(shù)、總漲水日數(shù)、平均每次漲水過程日數(shù)3項指標與四大家魚發(fā)江量進行擬合，得出總漲水日數(shù)是影響四大家魚發(fā)江量的重要因素；郭文獻[5]對長江干流中游四大家魚和中華鱘產(chǎn)卵場產(chǎn)卵期的生態(tài)水文進行長時間序列的分析，以得出三峽水庫運行對魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文的影響；黃曼茹[6]利用Pearson相關(guān)系數(shù)對長江上游銅魚產(chǎn)卵期IHA指標與產(chǎn)卵情況進行統(tǒng)計，得出高流量脈沖是影響銅魚產(chǎn)卵的關(guān)鍵因素。

在已有研究中，由于IHA-RVA法(生態(tài)水文指標變動范圍法)中IHA指標體系對應了河流水生生態(tài)環(huán)境的不同影響環(huán)節(jié)，具有豐富的生態(tài)信息，RVA法尤其適用于分析受人類活動影響(如水庫建設(shè)前后)的河流生態(tài)水文改變情況，因此常被采用。但是，在利用IHA-RVA法對產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標進行分析的已有研究中，會存在極值、極值出現(xiàn)時間、高低脈沖次數(shù)、高低脈沖歷時等指標是以全年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行計算分析的情況。而這些指標是影響四大家魚產(chǎn)卵、魚卵孵化的關(guān)鍵性指標[7-9]，應將計算分析的數(shù)據(jù)限制在產(chǎn)卵期范圍內(nèi)，以排除產(chǎn)卵期以外其他時期數(shù)據(jù)的影響，以此得出魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標的真正變異程度。

此外，已有研究對象主要為以三峽水庫為代表的不完全年調(diào)節(jié)水利樞紐。因日調(diào)節(jié)電站調(diào)節(jié)庫容較小，只在日內(nèi)進行調(diào)節(jié)，其生態(tài)影響常被定性為較小，所以缺乏相應的產(chǎn)卵期生態(tài)水文情勢影響定量分析[10]。

為排除其他時期對四大家魚產(chǎn)卵期IHA指標的影響，本文以四大家魚產(chǎn)卵期水文時間序列為研究對象，對該范圍內(nèi)的IHA指標進行RVA法(變動范圍法)分析，極值、極值出現(xiàn)時間、高低脈沖次數(shù)、高低脈沖歷時等IHA指標均為產(chǎn)卵期范圍內(nèi)計算值，以此進行水利工程建設(shè)前后的對比分析，以得出工程建設(shè)對四大家魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標的影響程度。同時，以日調(diào)節(jié)型電站為研究對象，定量分析其對四大家魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文的影響程度，完善該類型電站對生態(tài)水文情勢變化影響有關(guān)研究內(nèi)容。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

湘江是長江中游的重要支流之一，也是湖南省境內(nèi)最大的一條河流。湘江四大家魚及其他一些經(jīng)濟魚類多集中在湘江常寧張河鋪至衡陽云集河段產(chǎn)卵，該江段產(chǎn)卵場是中國四大家魚三大產(chǎn)卵場之一，其天然魚苗產(chǎn)量約占全國1/4[11]。

隨著湘江干流梯級開發(fā)相繼建成蓄水，尤其是涉及產(chǎn)卵場區(qū)域的4個日調(diào)節(jié)電站梯級開發(fā)，原有88 km長江段的湘江四大家魚產(chǎn)卵場已逐漸萎縮[12]，出現(xiàn)產(chǎn)卵場破碎化。根據(jù)2009～2010年調(diào)查分析推算，原有的湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場目前已萎縮破碎為大堡、柏坊、松江、漁市4個干流產(chǎn)漂流性產(chǎn)卵場[13]。

涉及本次研究區(qū)域的4個電站梯級均為徑流式日調(diào)節(jié)型電站，自上游至下游分別為湘祁水電站、近尾洲水電站、土谷塘水電站和大源渡航電樞紐。湘祁水電站位于永州市境內(nèi)，2012年建成蓄水，控制流域面積27 118 km2，正常蓄水位75.50 m；近尾洲水電站位于衡陽市境內(nèi)，2002年建成蓄水，控制流域面積28 597 km2，正常蓄水位66.10 m；土谷塘水電站位于衡陽市衡南縣，2015年建成，控制流域面積37 273 km2，正常蓄水位58.00 m；大源渡航電樞紐位于湘江干流衡陽市境內(nèi)，1999年建成蓄水，控制流域面積53 200 km2，正常蓄水位50.10 m，以上高程均為85國家高程。研究區(qū)域涉及歸陽和衡陽兩個水文站(見圖1)，目前破碎萎縮的4個產(chǎn)卵場均位于兩水文站之間(見圖2)，因此，對歸陽、衡陽水文站水文時間序列進行分析可得出湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場水文情勢變化情況。

因湘祁、土谷塘水電站建成年份晚，兩電站建成后的實測水文系列較短，未形成長時間序列，因此本文以近尾洲及大源渡水文站建成蓄水年份作為分界點分析電站建成前后生態(tài)水文情勢改變度。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括：① 1961～2015年歸陽水文站逐日流量、水位資料(由湖南省水文水資源勘測局提供)；② 1959～2015年衡陽水文站逐日流量、水位資料(由湖南省水文水資源勘測局提供)；③ 歸陽、衡陽水文站河道斷面實測數(shù)據(jù)(由湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院提供)。斷面逐日平均流速Vi用公式(1)推求。

(1)

式中：Qi為逐日流量；Ai為Qi流量下對應的過水斷面面積，結(jié)合歸陽、衡陽水文站所在斷面水下地形及Qi流量對應水位Hi求出。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Map of study area of Xiangjiang River

圖2 產(chǎn)卵場分布Fig.2 Distribution of spawning grounds for four domestic fishes

1.3 湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期確定

對于湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期確定，丁德明[12]在2008～2010年對湘江流域魚類資源進行了多次調(diào)查，并且結(jié)合歷年撈苗時間進行分析。湘江流域撈苗時間在20世紀60，70年代集中在4月下旬至5月上旬，而20世紀90年代到2010年左右，撈苗時間主要集中在6月份，其中最早為1994年(5月?lián)泼?，最晚為1996年和2003年(7月?lián)泼?，這也間接說明湘江四大家魚產(chǎn)卵時間推遲了1個月左右。因此，本文將4～7月作為湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期。

2 研究方法

2.1 水文變化指標

1996年，Richter等[14]提出水文變化指標法(Indicators of Hydrologic Alteration，簡稱IHA方法)，該方法主要以水文條件的量、時間、頻率、延時和變化率5種基本特征為基礎(chǔ)，根據(jù)其統(tǒng)計特征劃分為5 組，32 個指標[15]。IHA 各指標與河流生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)[15-16]，由于IHA 具有豐富的生態(tài)信息，且易采集，因此常用來評價水文系統(tǒng)變化的程度及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

2.2 RVA分析方法

變動范圍法(RVA)是Richter等于1997年提出，該法建立在水文變化指標(IHA)的基礎(chǔ)上，利用建立的生態(tài)水文指標(見表1)評價受水利工程影響的河流水文情勢[17-18]。為了量化指標受干擾后的變化程度，Richter等建議以改變度來評估，其定義如下：

(2)

式中：Di為第i個IHA的水文改變度；Noi為第i個IHA受干擾后的觀測年數(shù)中落在RVA目標閾值內(nèi)的年數(shù)；Ne為受干擾后IHA指標預期落入RVA目標內(nèi)的年數(shù)，可以用r·NT來評估，其中，r為受干擾前IHA落入RVA目標閾值內(nèi)的比例，若以各個IHA的75%及25%作為RVA目標，則r=50%，而NT為受干擾后流量時間序列記錄的總年數(shù)。

為對IHA指標的水文改變程度設(shè)定一個客觀的判斷標準，Richter等建議0≤|Di|<33%屬于未改變或者低度改變；33%≤|Di|<67%屬于中度改變；67%≤|Di|≤100%屬于高度改變。整體水文變化程度D0可以用以下方法計算：取32個IHA指標改變度的平均值來評估河流生態(tài)環(huán)境的整體變化情形，然而這樣將體現(xiàn)不出各指標權(quán)重大小。借鑒蕭正宗提出的以權(quán)重平均的方式來量化評估整體水文特征改變度的方法[19-20]，以D0表示：

(3)

式中：n為指標個數(shù)；同時也規(guī)定D0值介于0～33%屬于未改變或者低度改變，33%～67%之間屬于中度改變，67%～100%屬于高度改變。

2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計算簡易[21]。本文采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對歸陽(1961～2015年)及衡陽(1959～2015年)水文站長時間序列生態(tài)水文指標進行趨勢分析。

3 實例研究

3.1 產(chǎn)卵場產(chǎn)卵期水文趨勢分析

由Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果(見表1)可以看出，整個產(chǎn)卵場4月流量呈下降趨勢；歸陽5，6月月流量呈明顯上升趨勢；7月流量，歸陽和衡陽斷面變化趨勢不明顯。歸陽水文站位于近尾洲庫區(qū)末端，衡陽水文站位于大源渡樞紐庫區(qū)中部，水位相應抬高，所以兩斷面水位呈明顯上升趨勢，而4～7月流速呈明顯下降趨勢。

表1 生境特征指標 Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法分析Tab.1 Analysis of Mann-Kendall test on the physical habita indicators

3.2 水文站產(chǎn)卵期生態(tài)水文改變度

為定量評價大源渡樞紐蓄水后庫區(qū)河流生態(tài)水文情勢的改變程度，將衡陽站時間序列劃分為兩個時段：樞紐蓄水前(1959～1998年)，樞紐蓄水后(1999～2015年)。在此基礎(chǔ)上采用變動范圍法(RVA)計算四大家魚產(chǎn)卵期(4～7月)衡陽站流量、流速各指標的變化程度(見表2)，根據(jù)各指標的變化情況對生態(tài)水文情勢的改變程度進行分析。大源渡樞紐蓄水回水抬高，使得衡陽斷面水位已普遍高于蓄水前上限值，沒有再落入天然河流狀況下水位RVA目標范圍內(nèi)的值，因此不宜再對水位進行RVA分析。

定量評價近尾洲電站蓄水庫區(qū)河流生態(tài)水文情勢的改變程度，以電站蓄水時間為分界點，將歸陽站水文數(shù)據(jù)序列劃分為兩個時段：第一階段1961～2001年，天然河道情況；第二階段2002～2011年，近尾洲電站蓄水(見表3)。

3.2.1月均值變化

四大家魚魚苗“腰點”流速為0.2 m/s，流速需維持在“腰點”流速以上以便魚卵及剛孵化的魚苗不下沉[22]；同時，較高的流速值是刺激四大家魚產(chǎn)卵的有效流速[23]。本文分析得出大源渡樞紐蓄水后衡陽站4～7月份流速為高度改變，尤其4，5月改變度分別達到100%(如圖3所示)，月均流速分別減至0.47，0.59，0.64，0.39 m/s，仍在“腰點”流速以上；但流速的大幅度降低和高度改變，無法形成刺激四大家魚產(chǎn)卵的有效流速；同時，對水生生物棲息地蓄水以及生物遷徙需求產(chǎn)生影響，并影響到水溫、含氧量、光合作用。

表2 大源渡樞紐蓄水前后衡陽站生態(tài)水文變異指標統(tǒng)計Tab.2 Statistics of flow and velocity indices before and after impoundment of the Dayuangdu Reservoir

表3 近尾洲水電站蓄水前后生態(tài)水文變異指標統(tǒng)計Tab.3 Statistics of hydrology indices before and after impoundment of Jinweizhou Hydropower Station

歸陽站4月月均流量呈下降趨勢，通過RVA分析同樣得出歸陽站4月流量發(fā)生中度改變，月均流量減少，改變度為60.32%；4月月均流速減少，改變度為85.86%(見圖4)，5～7月月均流速為低度改變。

圖3 衡陽站高變異度月均流速指標變化Fig.3 High variable monthly average velocity index of Hengyang Station

圖4 歸陽站4月月均流速改變度Fig.4 April mean flow of Guiyang Station

由此可得日調(diào)節(jié)電站蓄水使得庫區(qū)產(chǎn)卵期(4～7月)月均流速整體降低，庫區(qū)中部月均流速高度改變，庫區(qū)尾部月均流速低度改變。

3.2.2產(chǎn)卵期極值及其發(fā)生時間變化

大源渡樞紐蓄水庫區(qū)中部衡陽水文站，四大家魚產(chǎn)卵期4～7月時期內(nèi)1，3，7，30 d及90 d最小流速值均發(fā)生100%變異(見圖5)，流速由天然情況下的0.46，0.48，0.51，0.67 m/s和 0.89 m/s降到了0.18，0.19，0.21，0.31 m/s和0.51 m/s。1，3 d最小流速值已不滿足魚苗“腰點”所需流速值[22]，會導致魚苗下沉死亡。

圖5 衡陽站年極值流速改變度Fig.5 Annual extreme flow alteration at Hengyang Station

在近尾洲電站蓄水庫區(qū)尾部歸陽水文站，四大家魚產(chǎn)卵期4～7月時期內(nèi)30，90 d最大流速值呈高度改變，由天然情況下的1.15，0.99 m/s降至0.77，0.60 m/s。流速高值下降，則需要刺激四大家魚產(chǎn)卵的時間延長，不利于刺激四大家魚產(chǎn)卵繁殖[23]，另一方面這時段流速的降低不利于庫區(qū)內(nèi)泥沙及污染物的攜帶及沖刷，不利于處理河道沉積物，加大了庫區(qū)生態(tài)環(huán)境風險。

3.2.3高低脈沖變化

由于衡陽站位于大源渡樞紐庫區(qū)中部，樞紐蓄水水位抬高，流速減緩，流速發(fā)生低脈沖次數(shù)升高，因此產(chǎn)卵期內(nèi)流速的低脈沖次數(shù)高度改變(見圖6)，改變度為74.79%。近尾洲水電站庫區(qū)尾部，流量和流速產(chǎn)卵期高低脈沖變化各指標均為中度或低度改變。

近尾洲電站蓄水使庫尾水位的低脈沖次數(shù)和歷時發(fā)生高度改變，低脈沖次數(shù)由1.76次降為0.10次，改變度為84.81%，歷時由10.73 d降為1.00 d，改變度為100%，說明由于近尾洲電站的蓄水使庫尾產(chǎn)卵期水位的低脈沖特征基本消失。

圖6 衡陽站流速低脈沖次數(shù)改變度Fig.6 Low pulse frequency of velocity at Hengyang Station

4 結(jié) 論

本文以湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場為研究區(qū)域，以研究區(qū)域涉及的歸陽、衡陽水文站長時間水文序列為研究對象，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對產(chǎn)卵期(4～7月)流量、水位和流速趨勢進行分析。以近尾洲和大源渡兩座日調(diào)節(jié)型電站蓄水時間作為時間節(jié)點，采用IHA-RVA法對比分析得出電站蓄水前后湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場產(chǎn)卵期(4～7月)生態(tài)水文指標變異度。結(jié)果表明：

(1) 通過Mann-Kendall趨勢檢驗法得出產(chǎn)卵場4月流量呈下降趨勢。

(2) 日調(diào)節(jié)電站蓄水使得庫區(qū)產(chǎn)卵期(4～7月)月均流速整體降低，庫區(qū)中部月均流速高度改變，庫區(qū)尾部月均流速低度改變。

(3) 由于日調(diào)節(jié)電站蓄水，產(chǎn)卵期(4～7月)庫區(qū)中部 1，3，7，30 d及90 d最小流速值，30，90 d最大流速值減少且發(fā)生高度改變，且1，3 d最小流速值已低于魚苗“腰點”流速，會導致魚苗下沉死亡；庫區(qū)尾部30，90 d最大流速值減少且高度改變。

(4) 日調(diào)節(jié)電站蓄水使產(chǎn)卵期(4～7月)庫區(qū)中部流速低脈沖次數(shù)升高，改變度為74.79%，庫區(qū)尾部產(chǎn)卵期水位的低脈沖特征已基本消失。