漢江橋閘工程下游河段典型魚種棲息地模擬研究

趙晨旭 ，宋 策， 曹永祥， 閆文龍， 王 卓

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安710065)

1 研究背景

水利工程的修建可以實現(xiàn)對河流價值最大限度的開發(fā)利用，同時，也會對水生態(tài)環(huán)境造成一系列的負面影響[1-5]。攔河水壩改變了河岸侵蝕和岸邊生境、也破壞了河道的連通性，河流水文情勢的顯著變化甚至?xí)率顾锩媾R滅絕的危險[6-7]。魚類通常被作為評價水生生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[8]，其活動直接關(guān)系到水域的能量流動以及物質(zhì)循環(huán)[9-10]，對于河道生態(tài)環(huán)境自我調(diào)節(jié)與修復(fù)起著重要的作用。水體劇烈擾動不僅增大了魚類游動和休憩時的能量消耗，也阻礙了魚類的遷移行為，同時也惡化了魚類的生存環(huán)境[11-12]。因此，河流水文要素和水體紊動特性變化對魚類生境的影響是河流水生態(tài)研究關(guān)注的一個重要內(nèi)容。

近年來，國內(nèi)多采用水文學(xué)法、水力學(xué)法和棲息地模擬法計算河流生態(tài)流量。陳昌春等[13]利用IHA法分析了枯水期的水文變異過程，明晰了枯水情勢變幅較大的情況多存在于低流量范圍內(nèi)。閔倩等[14]評價了水庫調(diào)節(jié)對水生態(tài)的影響，揭示了極端枯水期的調(diào)節(jié)對于水庫下游魚類棲息地的重要性。棲息地模擬法以模型計算河道內(nèi)目標(biāo)物種的流量需求，得出最適宜流量大小[15]。李建等[16]通過棲息地模擬確定了目標(biāo)魚種的產(chǎn)卵期生態(tài)需水量，建立了流量與棲息地面積關(guān)系曲線，為三峽及葛洲壩工程的生態(tài)調(diào)度提供建議。蔣紅霞等[17]考慮不同水力條件下對魚類不同生命時期的生態(tài)需水量，通過 PHABSIM 模型計算出優(yōu)勢種的最佳生態(tài)流量，并得以驗證。本研究選取漢江平川段漢中橋閘下游河段作為研究對象，選取寬鰭鱲為目標(biāo)魚種，分別利用水文法和棲息地模擬法分析流量變化對魚類棲息地的影響，計算不同流量條件下目標(biāo)魚種的適宜棲息地面積，基于魚類生境質(zhì)量分級方法分析不同流量響應(yīng)魚類生境質(zhì)量的變化特征，從而為維護河流水生生態(tài)健康提供重要參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

漢江平川段東起勉縣武侯鎮(zhèn)，西至洋縣小峽口，自西向東全長119.5 km，地勢落差較小,河床平緩，坡降為0.85‰，是較為平穩(wěn)的河道。研究區(qū)選取為漢中市漢江橋閘下游10 km河段，該河段具有開闊的河谷地帶，有兩條支流匯入，分別為冷水河和李家石河，研究河段位置示意見圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2.2 目標(biāo)魚種和水力學(xué)指標(biāo)

對武侯鎮(zhèn)沿漢江干流進行魚類資源調(diào)查，共布設(shè)11個點位，統(tǒng)計得出平川段干流魚類資源共5科29種，寬鰭鱲(Zaccoplatypus)為優(yōu)勢種，具有鯉科(Cyprinidae)魚類的特征，體型長、呈微扁狀，繁殖時間為4-7月。因此，在魚類棲息地生境模擬分析中選取寬鰭鱲為目標(biāo)魚種。

為了定量分析水文要素與目標(biāo)魚種生境之間的關(guān)系，結(jié)合魚類適宜的水深與流速條件確定了魚類適宜性指數(shù)曲線，CSI為適宜性指數(shù)，其數(shù)值范圍為0

圖2 寬鰭鱲流速和水深適宜性曲線

2.3 工況選擇

依據(jù)橋閘的運行條件，流量小于等于20.72 m3/s時，橋閘閘門關(guān)閉；流量為20.72～1 200 m3/s時，用橋閘調(diào)控流量；流量達到限值1 200 m3/s時，打開橋閘閘門泄洪。本研究選取來流流量8.8～1 200 m3/s作為模擬工況的流量范圍。河段內(nèi)有支流冷水河、支流李家石河匯入，設(shè)置為源匯項。根據(jù)漢中水文站資料，該段干流多年平均流量為110.2 m3/s，冷水河多年平均流量為20.74 m3/s，李家石河多年平均流量為6.22 m3/s，支流流量根據(jù)干流模擬流量對應(yīng)比例進行設(shè)置。具體的模擬工況設(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況設(shè)置統(tǒng)計

2.4 研究方法

采用流量歷時曲線法(水文學(xué)法)和棲息地模擬法2種方法分別計算了研究河段的生態(tài)流量。流量歷時曲線法是通過水文比擬法推算出橋閘流量，進而計算出該方法下的生態(tài)流量；棲息地模擬法是由水動力模型和魚類生境模擬兩部分組成，模擬在不同流量條件下河道水深與流速的分布，分析目標(biāo)魚種對生境的適應(yīng)性，定量分析河流流量變化對物種生境的影響。

2.4.1 水文學(xué)法

(1)水文比擬法。漢中水文站與橋閘相距1.5 km，河段之間水流平穩(wěn)，并無支流匯入，下墊面情況類同，流域面積相差1.9%，可以應(yīng)用水文比擬法進行橋閘設(shè)計流量的計算[22]。因此選取漢中水文站作為參考流量，計算公式為：

(1)

K=F橋/F漢

(2)

(2)流量歷時曲線法。流量歷時曲線法基于歷史流量資料來構(gòu)建各月流量歷時曲線，用QP表示流量頻率[23]，當(dāng)河段達到最小流量，一般以Q95表示。本研究采用目估適線法對橋閘區(qū)域流量1995-2014年共20年的流量資料進行分析，采用P-Ⅲ型頻率分布曲線，擬合度值達0.95以上。計算公式如下：

(3)

式中：Pi為第i個樣本的累計頻率；N為樣本個數(shù)。

2.4.2 棲息地模擬法

(1)二維水動力模型。計算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，最大控制面積20 m2，可以準(zhǔn)確地體現(xiàn)研究區(qū)河段的實際河道地形；在邊界條件設(shè)置時，上游入流邊界采用流量邊界，下游出流邊界采用水位；兩條支流冷水河和李家石河設(shè)為源匯項，參數(shù)率定包括河道糙率、紊動粘性系數(shù)等，模型通過監(jiān)測冷水河口斷面水位和流量關(guān)系來進行驗證；整個模型利用ADI二階精度的有限差分法對動態(tài)流的連續(xù)方程和動量守衡方程求解。該模型的控制方程由水流連續(xù)方程和動量方程組成，具體方程如下。

水流連續(xù)方程：

(4)

X方向動量方程：

(5)

Y方向動量方程：

(6)

式中：ξ(x,y,t)為水流表面波動，m；Fx,Fy為波浪應(yīng)力所產(chǎn)生的分量；S為單位水平面積的源量值，m/s；Six,Siy為在X軸和Y軸方向的源匯量值，m2/s2；C-Chezy阻力常數(shù)(m1/2/s)；E(x,y)為旋渦或動量擴散系數(shù)，m2/s；f為風(fēng)的摩阻力常數(shù)，m1/2/s；Vx,Vy(x,y,t)為在X軸和Y軸方向上的風(fēng)速分量，m/s。

(2)魚類生境面積計算方法。依據(jù)模擬計算的河段水深和流速的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS作為不同分級質(zhì)量生境的提取工具，依據(jù)寬鰭鱲對水深和流速的適應(yīng)能力，將生境分為高質(zhì)量生境、 中等質(zhì)量生境和低質(zhì)量生境3個級別。若水深與流速兩個指標(biāo)的值等于1，此段網(wǎng)格的生境質(zhì)量為高；若這兩個指標(biāo)中某個指標(biāo)值等于1，而另一指標(biāo)值不等于0，此段網(wǎng)格的生境質(zhì)量為中等；若兩指標(biāo)的值在0～1之間，此段網(wǎng)格的生境質(zhì)量為低。

3 結(jié)果與分析

通過對流量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及水動力模擬結(jié)果，設(shè)置不同工況，探究不同流量下魚類棲息地面積的變化趨勢以及高、中和低等質(zhì)量面積的轉(zhuǎn)化關(guān)系，揭示橋閘在不同運行條件下對下游河段內(nèi)典型魚類生活環(huán)境的影響因素。

3.1 研究河段流量變化趨勢

通過水文比擬法計算出 1995-2014年橋閘的逐日流量數(shù)據(jù)并進行分析，根據(jù)圖3可以看出研究河段流量整體呈現(xiàn)上升趨勢，在2007年橋閘建成運行后，流量呈明顯增大趨勢。為了進一步分析在魚類增殖期間由橋閘運行工況引起的流量變化，結(jié)合典型魚類繁殖期(4-7月)，分析4-7月多年日流量及多年月均流量的變化過程。由圖4～5可知，橋閘運行后，4-7月份流量明顯增大，尤以7月流量最為突出。因此，橋閘修建運行后，河段流量有著增大的趨勢，明晰流量變化對魚類生境質(zhì)量的影響尤為關(guān)鍵。

圖3 1995-2014年研究河段日流量變化趨勢

圖4 1995-2014年研究河段4-7月日流量變化趨勢

3.2 流量歷時曲線計算結(jié)果

研究選取保證率P=95%所對應(yīng)的流量Q95作為計算最小生態(tài)需水量的參考流量。根據(jù)上述長系列流量P-Ⅲ型頻率分布曲線的分析結(jié)果見表2。由表2可知，P=95%的年均流量為54.3 m3/s。

圖5 1995-2014年研究河段4-7月流量變化趨勢

表2 研究河段流量歷時曲線計算結(jié)果

3.3 水動力學(xué)模擬結(jié)果

河流水體對魚類生存繁殖影響的關(guān)鍵因素是流速與水深，例如草魚洄游的適宜流速范圍是0.4～1.0 m/s，當(dāng)水體的流速高于其洄游的適宜流速時，草魚的洄游就會受到極大影響[24]。水動力模擬結(jié)果見圖6、7。

冷水河和李家石河在匯入漢江入口處銜接良好，且水體流場平穩(wěn)，對于研究河段的水動力特征的展現(xiàn)具有良好的基礎(chǔ)。從水深角度分析，當(dāng)流量設(shè)置為較大值時，水域面積隨之增大，而流量降低會使水域面積逐漸減??；從流速的角度分析，當(dāng)河段流量增大時，除河道邊緣區(qū)域外，其它水域的流速分布達到均勻狀態(tài)；當(dāng)河道流量降低時，大部分水域的流速呈現(xiàn)下降趨勢。

圖6 不同下泄流量研究河段水深分布

圖7 不同下泄流量研究河段流速分布

3.4 魚類生境面積-流量響應(yīng)關(guān)系

由模擬結(jié)果可知，研究河段16個計算工況下目標(biāo)魚種適宜生境面積與流量關(guān)系如圖8所示：(1)魚類生境總面積隨著流量的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。隨著流量的增大，面積也隨之增大，流量達到53.1 m3/s時面積最大，當(dāng)流量在381.5 m3/s時面積最小；(2)中等質(zhì)量生境面積與總面積變化趨勢一致，在流量為53.1 m3/s時面積最大，而流量在212.7 m3/s面積最??；(3)高質(zhì)量生境面積總體趨勢變幅很小，流量在92.9 m3/s時生境面積最大，在20.72 m3/s時最小，由此可以說明，高質(zhì)量生境面積受流量變化影響較?。?4)低質(zhì)量生境面積隨著流量增加而增大，流量較小時面積出現(xiàn)下降的趨勢，與中等質(zhì)量生境面積與總面積的變化趨勢相反，在流量53.1 m3/s時最小，流量增大后面積隨之變大，在247.4 m3/s達到最大，總體趨勢先增加后平穩(wěn)保持。

圖8 流量與棲息地面積關(guān)系

總之，流量發(fā)生變化時，質(zhì)量生境面積從小到大的順序為：低質(zhì)量、高質(zhì)量、中等質(zhì)量。說明隨著流量的變化，研究河段魚類生境面積受到影響變幅較大的主要是中等質(zhì)量面積。因此，環(huán)境流量的調(diào)控與調(diào)度主要側(cè)重于中等生境面積。

水動力模型模擬不同流量下魚類生境面積的結(jié)果見圖9。魚類生境的區(qū)域位置分布基本固定。當(dāng)流量為8.8～20.72 m3/s時，中等生境質(zhì)量主要分布在研究區(qū)河段下游處，高等生境質(zhì)量主要分布在漢江干流兩岸，且流量為8.8 m3/s的溢流條件時生境面積質(zhì)量相對較低；當(dāng)流量從20.72 m3/s 增大到53.1 m3/s后，中等生境面積明顯增多；當(dāng)流量為53.1～212.7 m3/s時，原本在河段上游的中等生境質(zhì)量逐漸消減，集中分布在上游橋閘處，高等生境質(zhì)量面積增多，在冷水河與漢江交匯口處的中等質(zhì)量面積轉(zhuǎn)化為高等質(zhì)量面積；當(dāng)流量達到381.5 m3/s時，魚類棲息地分布在兩岸，河道中央形成一條深河槽。綜上所述，當(dāng)流量發(fā)生變化時，生境面積及質(zhì)量隨之發(fā)生變化。

圖9 不同流量下魚類生境分布

綜上所述，魚類生境面積受到各種因素的制約，其中最大的因素為流量。根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)流量逐漸由小到大進行設(shè)置，在初期水域中的魚類生境面積會越來越大，然而，當(dāng)流量設(shè)置值超過53.1 m3/s時，魚類的生境面積會呈下降趨勢。當(dāng)流量在54.3～212.7 m3/s范圍內(nèi)時，魚類生境質(zhì)量之間的相互轉(zhuǎn)化優(yōu)先于其面積變化。當(dāng)流量設(shè)置值超出47.8～54.3 m3/s時，低質(zhì)量生境面積會呈擴大趨勢的變化，相應(yīng)的中、高質(zhì)量的生境面積會逐漸減少。

4 結(jié) 論

本文采用水文學(xué)法推薦的最小生態(tài)流量的控制值為54.3 m3/s；采用棲息地模擬法計算的寬鰭鱲生態(tài)流量為53.1 m3/s，兩種結(jié)果基本吻合，由分析得出最終最適宜流量為47.8～54.3 m3/s。在流量的變化下，不同棲息地的質(zhì)量發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，主要是高、中等質(zhì)量面積向低等質(zhì)量面積的轉(zhuǎn)化。在三種質(zhì)量等級的魚類棲息地中，中等質(zhì)量面積所占比例最大，同時也是在不同流量下受影響最大、變化幅度最明顯的面積，其次是高等質(zhì)量面積，低質(zhì)量生境面積最少；在8.8 m3/s的溢流條件下，下游魚類生境面積明顯減少，且部分優(yōu)良的魚類生境質(zhì)量演變?yōu)榈唾|(zhì)量；在92.9～212.7 m3/s流量條件下高生境面積大幅度減少，這時應(yīng)優(yōu)先考慮下游水生生態(tài)問題，開閘放水，優(yōu)先滿足水生生態(tài)需水要求。