三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)蓄水期魚群空間分布及生境特征

徐觀兵，王 麗，楊勝發(fā)，楊 威，彭玉鳳，孫 章

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074)

1 研究背景

三峽水庫位于長(zhǎng)江中上游，是世界上最大的水利水電工程，是開發(fā)利用長(zhǎng)江水資源的關(guān)鍵[1]。水庫正常蓄水后，重慶至宜昌江段形成了一個(gè)長(zhǎng)約600 km的巨型水庫，重慶江津至涪陵河段成為變動(dòng)回水區(qū)[2]。重慶江津至涪陵河段地理位置、自然條件獨(dú)特，魚類資源豐富，是多種珍稀、特有魚類的盛產(chǎn)地和棲息場(chǎng)所[3-4]。2007年，農(nóng)業(yè)部按照《水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)劃定工作規(guī)范(試行)》設(shè)立了長(zhǎng)江重慶段四大家魚國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。變動(dòng)回水區(qū)受三峽水利樞紐調(diào)度運(yùn)行和天然水沙條件的雙重影響，庫尾江津至涪陵河段來水來沙條件、河床演變規(guī)律、航道條件以及河流生態(tài)環(huán)境均發(fā)生了較大變化[5-8]。因此，三峽水庫的建設(shè)為我國(guó)在防洪抗旱、發(fā)電、調(diào)節(jié)水流等方面發(fā)揮了較大的作用，同時(shí)也對(duì)長(zhǎng)江上游魚類資源造成了不同程度的影響[9-10]。在此背景下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于長(zhǎng)江上游典型河段及其支流魚類資源變動(dòng)情況開展了大量研究[11-17]。但相關(guān)研究多集中在魚類群落結(jié)構(gòu)和漁業(yè)資源變化等方面，而關(guān)于蓄水后變動(dòng)回水區(qū)魚類棲息地空間分布現(xiàn)狀及其水動(dòng)力特征的針對(duì)性研究相對(duì)較少。隨著長(zhǎng)江全面禁漁措施及重大生態(tài)修復(fù)工程的戰(zhàn)略舉措實(shí)施，了解三峽變動(dòng)回水區(qū)魚類棲息地分布現(xiàn)狀及特征成為迫切需 求，對(duì)保護(hù)庫區(qū)魚類資源保護(hù)具有十分重要的意義[18-19]。

評(píng)估魚類資源分布傳統(tǒng)捕撈技術(shù)存在著成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、采樣點(diǎn)分布不均等不足之處[20]。水聲學(xué)探測(cè)具有快速有效、調(diào)查區(qū)域廣、不損壞生物資源、提供持續(xù)的數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)[21-23]，目前已成為國(guó)內(nèi)外魚類資源評(píng)估的重要手段之一。三峽庫區(qū)受水庫調(diào)度影響年內(nèi)分布變化較大，蓄水期水深較大，水流平緩，水位比較穩(wěn)定，最大日變幅在1 m以下。而在消落期及汛期，因壩前水位降低，該河段受水庫壅水影響減弱，水位及水流條件與天然狀態(tài)基本相似，最大日變幅可達(dá)3 m以上[24-25]。因此，三峽變動(dòng)回水區(qū)魚群空間分布及生境特征需要針對(duì)不同時(shí)期的水文特性來分析。本文基于2019—2020年三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)蓄水期朝天門至涪陵河段水聲學(xué)探測(cè)及相關(guān)水生境因子的同步觀測(cè)結(jié)果，分析魚類棲息生境特征，探討蓄水期魚群的空間分布規(guī)律，旨在為三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)魚類資源的管理、保護(hù)和合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究河段朝天門至涪陵河段處于三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)中下段，全長(zhǎng)約120 km，走向呈“Z”字型，屬大型的山區(qū)河流。河床底部高低起伏較大，河床寬窄相間，深槽與淺灘交替出現(xiàn)[26]。河道具有庫區(qū)和天然河道雙重特性。河段內(nèi)流速比降較大，受江中孤礁及岸邊的石嘴影響，常有泡水、漩渦、橫流、剪刀水、滑梁水等流態(tài)存在。研究河段位于長(zhǎng)江重慶段四大家魚國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，同時(shí)也是航道整治頻繁河段。

圖1 朝天門至涪陵河段研究區(qū)域Fig.1 Study reach from Chaotianmen to Fuling

2.2 魚類生境監(jiān)測(cè)方法

研究采用BiSonics DT-X科學(xué)回聲魚探儀用來探測(cè)魚群空間分布。調(diào)查前根據(jù)Ducan和Kubecka[27]描述的操作程序使用21 mm標(biāo)準(zhǔn)鎢球?qū)芈曁綔y(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)校正。魚探儀探頭安裝在測(cè)量船前方右側(cè)，吃水深度為0.5 m。測(cè)量船按間距400 m平行式走航探測(cè)，船速1.5～2 m/s。探測(cè)時(shí)魚探儀會(huì)垂直向下發(fā)射200 kHz 的裂波，波束夾角為6.8°，每秒鐘發(fā)射5 ping,TS的閾值是-65 dB。同時(shí)研究采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)對(duì)研究區(qū)域水動(dòng)力同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ADCP安裝位置與魚探儀探頭對(duì)稱，用來測(cè)量相應(yīng)斷面的水流速度和流量。

為了分析研究河段魚類生境特征[28-29]，在該河段選取4個(gè)典型區(qū)域采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀DS5(HYDROLAB,USA)進(jìn)行了水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)。4個(gè)典型區(qū)域分別代表順直淺水河段、回水沱河段、分汊河段以及采砂坑深潭河段，4種河段總體上能反映三峽變動(dòng)回水區(qū)河道特點(diǎn)。水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水溫WT(℃)、pH值、氧化還原電位ORP(mV)、電導(dǎo)率Spc(μS/cm)、溶解氧DO(mg/L)、濁度Tur(NTU)、葉綠素CHL(μg/L)、藍(lán)綠藻PCY(cell/mL)。在水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，將多參數(shù)水質(zhì)分析儀DS5和水位計(jì)與鉛魚綁定下沉至河底從下往上垂向采集5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采樣10 min，記錄采集點(diǎn)水深及水環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

魚探儀測(cè)量數(shù)據(jù)通過軟件Visual Acquisition 5.0讀取，使用后處理軟件Visual Analyzer 4.1進(jìn)行分析。通過多重目標(biāo)追蹤法MTT(Multiple Target Tracking)對(duì)回聲影像(Echogram)進(jìn)行單目標(biāo)回波分析(Single echo analysis)統(tǒng)計(jì)魚類個(gè)體數(shù)量[30]。10個(gè)以上魚類個(gè)體信號(hào)計(jì)作魚群，以魚群中心點(diǎn)作為魚群位置點(diǎn)。魚類體長(zhǎng)(Total Length,TL)和魚類的目標(biāo)強(qiáng)度值TS的換算公式采用Foote[31](1987)建立的有鰾魚類TS與TL的換算公式，即

TS=20lgTL-71.9 。

(1)

式中：TL為目標(biāo)魚類的體長(zhǎng)(cm);TS為魚類的目標(biāo)強(qiáng)度(dB)，閾值取為-65 dB。

研究采用單因素的方差分析(ANOVA)對(duì)水環(huán)境及水動(dòng)力空間分布進(jìn)行差異檢驗(yàn)。ANOVA是對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，檢驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有無顯著性影響的方法，ANOVA已被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)的時(shí)空特性分析中[32-33]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制分別采用SPSS 19.0和Origin 2017軟件。

3 研究結(jié)果

3.1 三峽變動(dòng)回水區(qū)朝天門至涪陵段水環(huán)境因子空間分布

三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)蓄水期朝天門至涪陵段4個(gè)采樣區(qū)域水環(huán)境指標(biāo)及流速如圖2所示。4個(gè)采樣區(qū)域整體水溫的變化范圍為13.42～13.76 ℃，平均值為13.60 ℃；水平方向上，郭家沱水溫最高，廣陽壩次之，草鞋磧及洛磧水溫相近；垂直方向上，4個(gè)采樣區(qū)域變化很小，草鞋磧表層略高于中下層，郭家沱和廣陽壩底層水溫略高于上層，但整體空間差異不大(ANOVA分析，顯著性水平P>0.05，下同)。溶解氧變化范圍為8.47～9.23 mg/L,平均值為8.82 mg/L，整體含量較高，空間差異亦不顯著。除氧化還原電位顯示空間波動(dòng)較大以外，pH值、電導(dǎo)率、濁度、葉綠素以及藍(lán)綠藻在蓄水期空間分布波動(dòng)小，空間變化均不顯著。統(tǒng)計(jì)采樣區(qū)域流速分布，選取最大流速，最小流速及平均流速作用流速指標(biāo)。草鞋磧最大流速達(dá)到1.15 m/s，洛磧和郭家沱最小，分別為0.74和0.61 m/s，草鞋磧最大流速顯著大于其他采樣點(diǎn)。草鞋磧平均流速為0.91 m/s，廣陽壩與洛磧兩個(gè)采樣區(qū)域平均流速接近，略大于0.4 m/s，郭家沱最小，略小于0.4 m/s。4個(gè)采樣區(qū)域最小流速均較小，最小流速變化范圍為0.12～0.28 m/s。草鞋磧、郭家沱、廣陽壩及洛磧4個(gè)采樣區(qū)域水深分別為12.6、28.3、33.9及37.1 m。單因素ANOVA分析表明，水深及流速的空間分布差異均顯著(P<0.05)。

圖2 朝天門至涪陵河段水環(huán)境指標(biāo)及流速分布Fig.2 Water environment factors and current velocity in Chaotianmen-Fuling reach

3.2 三峽變動(dòng)回水區(qū)朝天門至涪陵段魚群空間分布特征

3.2.1 魚群水平分布特征

本次調(diào)查在研究河段共探測(cè)到8個(gè)大型魚群，主要分布在唐家沱、郭家沱、廣陽壩、明月沱、大箭灘、洛磧、中堆及青巖子河段(圖3)。其中，有4個(gè)魚群分布于回水沱，分別為唐家沱、郭家沱、明月沱、中堆，占總數(shù)50%，其中在郭家沱及中堆左右兩岸回水沱均監(jiān)測(cè)到魚群，按一個(gè)魚群來統(tǒng)計(jì)；3個(gè)魚群位于分汊河段，分別為廣陽壩、大箭灘及青巖子，占總數(shù)38%；1個(gè)魚群位于采砂坑深潭，位于洛磧，占總數(shù)12%。各魚群規(guī)模不一，魚群密度46.7～85.6 ind/(103m3)，平均密度為(64.6±13.5)ind/(103m3)(圖4(a))。

圖3 調(diào)查河段的魚群位置Fig.3 Locations of fish swarms in the surveyed reach

統(tǒng)計(jì)8個(gè)魚群中心垂向平均流速可知，魚群流速分布范圍為0.31～0.59 m/s。其中，有5個(gè)魚群處于[0.3,0.4)m/s流速區(qū)間，占比62.5%；[0.4,0.5] m/s流速區(qū)間有2個(gè)魚群，占比25%；>0.5 m/s區(qū)間流速有1個(gè)魚群，占比12.5%(圖4(b))。

圖4 蓄水期各魚群密度及魚群中心垂向平均流速分布Fig.4 Distribution of fish swarms density (left)and average vertical velocity of fish swarm center (right)in impoundment period

3.2.2 魚群垂向分布特征

蓄水期魚群信號(hào)在調(diào)查河段的垂直分布如圖5所示。探測(cè)結(jié)果顯示除大箭灘外，其余魚群水深均>20 m。其中，>50 m有1個(gè)魚群，位于中堆；(20,30] m、(30,40] m、(40,50] m水深區(qū)間各有2個(gè)魚群，占比均為25%。魚類中心至水面的深度與總水深比值定義為魚群的相對(duì)水深，當(dāng)相對(duì)水深<0.33時(shí)定義為上層；處于0.33～0.67時(shí)為中層；>0.67時(shí)為下層。由相對(duì)水深可知，下層魚群有7個(gè)，占比87.5%；中層魚群有1個(gè)，占比12.5%，魚群全部處于中下層，且以下層為主。

圖5 魚群在調(diào)查河段的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of fish swarms in the surveyed reach

3.3 三峽變動(dòng)回水區(qū)朝天門至涪陵段魚類體長(zhǎng)分布特征

魚探儀測(cè)得的魚類的目標(biāo)強(qiáng)度值TS(圖6(a))代入式(1)便可得到魚類的體長(zhǎng)(圖6(b))。研究區(qū)域TS值在-58～-35 dB，峰值位于[-48,-46)dB。魚類體長(zhǎng)范圍為5.1～68.2 cm,平均體長(zhǎng)為(16.8±4.6)cm。研究結(jié)果可看出，體長(zhǎng)(15,20] cm魚類所占比重最大，達(dá)到33.1%；其次為體長(zhǎng)(10,50] cm和(20,25] cm的魚類，所占比重分別為20.5%和18.3%；體長(zhǎng)為(5,10] cm幼魚所占比重為9.8%；體長(zhǎng)為(20,30] cm亞成魚所占比重為12.0%。研究河段魚類體長(zhǎng)主要集中在5～30 cm，占總數(shù)量的93.7%，而體長(zhǎng)>30 cm的魚類占比相對(duì)較小。

圖6 蓄水期魚類目標(biāo)強(qiáng)度及魚類體長(zhǎng)分布Fig.6 Distribution of target intensity of fish (left)and fish body length(right)in impoundment period

4 討 論

4.1 影響魚群空間分布的關(guān)鍵水環(huán)境因子分析

衡量水質(zhì)好壞的指標(biāo)主要有水的溫度、酸堿度值、透明度、溶解氧含量、化學(xué)耗氧量、氨氮含量、亞硝酸鹽含量、硫化物濃度等[34]。對(duì)魚類分布影響相對(duì)顯著的主要有水溫和溶解氧[35-36]。本次監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，三峽變動(dòng)回水區(qū)整體水溫變化范圍為13.42～13.76 ℃，平均值為13.60 ℃，空間差異不顯著，且垂向沒有出現(xiàn)分層。上述結(jié)果表明蓄水后三峽變動(dòng)回水區(qū)蓄水期在空間上不存在明顯溫差，該區(qū)域魚群空間分布受水溫影響小。溶解氧的變化范圍為8.47～9.23 mg/L,平均值為8.82 mg/L，整體含量較高，空間差異亦不顯著[37-38]。同時(shí)綜合考慮其他水環(huán)境指標(biāo)空間分布規(guī)律可以看出水環(huán)境因子不是影響研究區(qū)域魚群空間分布的主要原因。

影響魚群棲息的水動(dòng)力因子主要包括水深、流速、過水面積等[39-40]。單因素ANOVA分析表明研究區(qū)域水深及流速的空間差異均顯著(P<0.05)。絕大部分魚群>20 m的水深，說明蓄水期該河段魚群均聚集于深水區(qū)；8個(gè)魚群位置流速范圍為0.31～0.59 m/s，而該區(qū)域河流主流區(qū)流速為0.85～1.11 m/s，表明研究區(qū)域魚群喜好的棲息于河道中流速相對(duì)較緩區(qū)域。對(duì)比分析水環(huán)境和水動(dòng)力對(duì)魚群分布的影響程度可知，該河段魚群分布主要受水深和流速的影響。杜浩等[41]對(duì)長(zhǎng)江中游的魚群研究證明了深水區(qū)及低流速往往是魚群分布密度較高的區(qū)域。王曉剛等[42]認(rèn)為匯流口下游會(huì)出現(xiàn)多向的流速加速區(qū)及減速區(qū)、水面高程的突然變化等可產(chǎn)生多樣的水力棲息地，為魚群提供進(jìn)食、休憩的場(chǎng)所。本次調(diào)查的結(jié)果顯示魚群集中分布在流速較小的深水區(qū)，說明水深、流速等水動(dòng)力因子是影響該河段魚群分布的主要因素。

4.2 三峽變動(dòng)回水區(qū)蓄水期魚類生境特征分析

從魚群空間分布特征的調(diào)查結(jié)果可看出，整個(gè)調(diào)查區(qū)域魚群位置均位于回水沱、分汊以及深潭河段?；厮嬖诨劁龅人鹘Y(jié)構(gòu)，整體流速比主流帶小，魚群棲息于該區(qū)域有利于減少能量消耗。同時(shí)由于存在回漩等水流結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)江主流在凹岸受阻，隨即改道斜沖到回水沱里形成漩渦，漩渦形成的向心力使上下水層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換。由于水流作用可能使得該區(qū)域相對(duì)于主航道更利于浮游生物聚集與沉降，能為魚群提供豐富的餌料[43]。

已有研究人員對(duì)三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)消落期及洪水期的魚群空間分布及影響因素進(jìn)行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域在消落期及洪水期魚群棲息主要指標(biāo)為水深>20 m以及流速<1.2 m/s[44]。結(jié)合本次蓄水期監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在唐家沱、郭家沱和洛磧等回水沱及深潭區(qū)域3個(gè)時(shí)期(蓄水期、消落期及洪水期)都監(jiān)測(cè)到魚群，表明只要流速、水深等指標(biāo)適宜的地方，魚群可能會(huì)常年棲息于此處附近。對(duì)比該區(qū)域在蓄水期、消落期及洪水期魚群棲息閾值發(fā)現(xiàn)，3個(gè)時(shí)期水深閾值均>20 m，但蓄水期流速閾值顯著小于消落期及洪水期，主要原因可能是消落期及洪水期整體流速大于蓄水期。

在分汊河道處主要是在主槽通航，由于靠近主航道航運(yùn)更為繁忙，魚群可能會(huì)受到更多的干擾，而遠(yuǎn)離主航道的副槽河段則相對(duì)安靜，適宜魚群棲息[21]。分汊河道副槽年內(nèi)水深變化明顯，在消落期，水位下降，分汊河道副槽可能會(huì)出現(xiàn)水深較小而不適宜魚群棲息；但在蓄水期，由于蓄水作用使水位抬高，使得副槽水深得到滿足，副槽與主流連通性進(jìn)一步增加，在同時(shí)滿足水深、流速和干擾少的條件下，三峽變動(dòng)回水區(qū)蓄水期分汊河道副槽可能成為魚群重要棲息地。此外，本次監(jiān)測(cè)在青巖子魚群位置位于金川磧的右汊，為通航主槽。盡管金川磧?cè)谟毅馔ê?，但右汊存在較大深潭，深潭與水面垂向距離>50 m，可認(rèn)為受通航影響較小。

在垂直分布上，通常影響魚群垂直分布的因素主要有水溫、溶解氧和餌料等[45-46]。本次監(jiān)測(cè)4個(gè)采樣區(qū)域垂向水溫>10 ℃且不存在溫躍層。溶解氧垂向濃度均>7.3 mg/L在魚類棲息的適宜范圍內(nèi)，且垂直分布差異不顯著。因此溫度和溶解氧濃度都不是影響該河段魚群垂直分布的主要因素。本次調(diào)查魚群主要分布于深水區(qū)域，且主要位于中下層。研究河段主流帶上層水體流速較大，魚類餌料難于停留，而在底層有底棲生物能為魚類提供餌料資源。同時(shí)，上層水體受航行船只干擾比中下層大，使得魚類趨向于中下層。因此，研究河段魚類垂直分布主要以中下層為主，餌料資源垂向分布可能會(huì)影響魚群垂直分布。

5 結(jié) 論

為了掌握三峽變動(dòng)回水區(qū)朝天門至涪陵河段蓄水期魚類棲息地現(xiàn)狀，研究采用水聲學(xué)魚測(cè)儀及多參數(shù)水質(zhì)分析儀等同步觀測(cè)揭示了三峽變動(dòng)回水區(qū)蓄水期魚群的空間分布規(guī)律及魚類棲息生境特征，旨在為三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)魚類保護(hù)和棲息地修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

研究結(jié)果表明，水環(huán)境因子不是蓄水期三峽庫區(qū)魚類分布的關(guān)鍵限制因素，朝天門至涪陵段水深和流速是影響魚類棲息地選擇的關(guān)鍵因子。由于蓄水作用使水位抬高，副槽水深得到滿足，副槽與主流連通性進(jìn)一步增加，三峽變動(dòng)回水區(qū)蓄水期分汊河道副槽可能成為魚群重要棲息地。滿足大水深及低流速等指標(biāo)的深潭及回水沱區(qū)域可能是魚群的常年棲息生境。