長江上游洛磧河段采砂后魚類生境現(xiàn)狀研究

徐觀兵,楊勝發(fā),王 麗,楊 威,胡 江,李文杰

1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074

2.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074

長江流域年均輸運(yùn)到河口的泥沙量約為4.3億t,接近全球每年陸源泥沙通量的4.5%。 長江流域的泥沙輸運(yùn)不僅為人類的生存與發(fā)展塑造了廣闊肥沃的沖積平原和河口三角洲,而且所輸運(yùn)的部分泥沙作為建筑材料在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[1]。 長江上游輸沙量占長江流域總輸沙量的80%以上,該區(qū)域分布有眾多輸沙模數(shù)大于2 000 t/km2的重點(diǎn)產(chǎn)沙區(qū)[2-3]。 近幾年來,隨著長江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長,地方建筑行業(yè)不斷發(fā)展,江砂開采規(guī)模日漸增大。 據(jù)統(tǒng)計(jì),2007—2016 年,長江上游河道由采砂造成的地形變化量約為0.93 億m3;單坑采砂量達(dá)到500 萬m3的采砂坑有4 個(gè),超過100 萬m3的有24 個(gè),約占該河段采砂坑總數(shù)量的40%[4]。 長江上游大量集中采砂造成河床地貌大幅度改變,在河床上留下大量采砂坑深潭。 泥沙開挖后,河床高程降低,水深增加,河道流速減小,改變了該河段原有的水流特性[5-6]。 同時(shí),長江上游魚類資源豐富,分布有特有魚類119 種,已建立的水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)共29 個(gè)[7-8]。 目前,河道采砂后的魚類生境現(xiàn)狀尚不明確。 了解長江上游采砂后的魚類棲息地分布現(xiàn)狀及特征,探明采砂后的河道變化對(duì)魚類生境的影響,并提出相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施,已成為加強(qiáng)長江上游魚類資源保護(hù)的迫切需求。

國內(nèi)外關(guān)于河道采砂對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響的相關(guān)研究,主要針對(duì)河道采砂對(duì)河流物理生境、河床穩(wěn)定性以及底棲動(dòng)物的影響[9-10]。 研究表明,采砂對(duì)河流生態(tài)環(huán)境尤其是魚類生境具有較大影響[11-12]。 比如,河道斷面變寬使得枯水期水位變低或者河床裸露,過水?dāng)嗝鏈p少不利于水生生物的棲息和遷徙。 河道采砂還會(huì)影響到河床和堤岸的穩(wěn)定,導(dǎo)致河道下切、河床水位降低、洪水漫灘頻率和強(qiáng)度下降、地下水位降低,進(jìn)而影響到河岸帶植被的生長,對(duì)河岸帶動(dòng)植物生境產(chǎn)生負(fù)面影響[13-14];會(huì)對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生影響[15-18],破壞河床底質(zhì)穩(wěn)定性,導(dǎo)致大型底棲動(dòng)物棲息地減少、豐度和多樣性下降、遷移率上升[19]。 因此,本研究旨在了解長江上游采砂前后的河道地形及水流特性變化,探明魚群生境現(xiàn)狀,基于魚類適宜生境條件解析水流特性變化對(duì)魚類生境的影響,并結(jié)合生境現(xiàn)狀提出生態(tài)修復(fù)建議,從而為長江上游采砂河段的生境保護(hù)與恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洛磧河段位于重慶市渝北區(qū),處于長江上游三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)中段,屬大型山區(qū)河流。 其河床底部高低起伏較大,深槽與淺灘交替出現(xiàn)[20],如圖1 所示。 受水庫調(diào)度影響,該河段水流條件年內(nèi)分布變化較大:在蓄水期,其水深較大、水流平緩、水位較穩(wěn)定;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,水位及水流特性與天然狀態(tài)基本相似。 洛磧河段屬于長江重慶段國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)[21],該保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對(duì)象為四大家魚。 同時(shí),該河段在2008—2017 年存在持續(xù)的采砂過程,采砂量超過100 萬m3,最大挖深大于20 m[4]。 受航道修造以及河道采砂等人為因素的過度干擾,該河段水文環(huán)境條件發(fā)生了較大變化,流速、水深、水體營養(yǎng)元素的組成和濃度等均發(fā)生了改變[22]。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 The schematic diagram of study area

1.2 水聲學(xué)調(diào)查

2019 年1 月及2020 年6 月、12 月,在洛磧河段分別進(jìn)行了3 次水聲學(xué)調(diào)查。 將魚探儀(美國BiSonics,DT-X)安裝在水面以下0.5 m 處,聲吶探頭采用200 kHz(角度6.8°)圓形分束換能器,并采用-130 dB 對(duì)閾值的部分雜波信號(hào)進(jìn)行濾波,脈沖持續(xù)時(shí)間和頻率分別設(shè)置為0.4 ms 和5 ping/s。 調(diào)查前,根據(jù)DUCAN 等[23]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。 調(diào)查船以約2 m/s 的速度航行,按200～400 m 間距平行式走航探測(cè)(重點(diǎn)區(qū)域間距為200 m,非重點(diǎn)區(qū)域?yàn)?00 m),走航路線見圖2。 為避免夜間航行危險(xiǎn),所有調(diào)查都在白天進(jìn)行。

圖2 走航路線Fig.2 Cruise route

利用Visual Analyzer 4.1 軟件對(duì)魚探儀采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和后處理;利用單回波檢測(cè)(SED)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,估計(jì)目標(biāo)強(qiáng)度(TS)。SED 分析的參數(shù)設(shè)置如下:回波閾值為-65 dB,最小歸一化脈沖長度為0.75,最大歸一化脈沖長度為3。 將10 個(gè)以上的魚類個(gè)體信號(hào)計(jì)為魚群,以魚群中心點(diǎn)為魚群位置點(diǎn)。 魚類TS 值和魚類體長(TL)的換算公式[24]如下:

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

1.3 魚類棲息地模型

采用二維水動(dòng)力模型模擬朝天門至涪陵區(qū)域的水力條件。 該模型基于求解Saint-Venant 方程,包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[25]。 在本研究中,計(jì)算區(qū)域在正交曲線坐標(biāo)系下共包含3 255×60 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn),平均網(wǎng)格間距約為40 m,大小為15～93 m。 根據(jù)觀測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)(R2)評(píng)價(jià)模型性能。R2介于0～1,越接近1 表示模型性能越好[26]。

棲息地適宜性指數(shù)(Habitat Suitablity Index,HSI)直接由棲息地模型輸出,表征研究區(qū)域?qū)δ繕?biāo)物種棲息生境要求的滿足程度。 HSI 取值范圍為0～1,1 表示該區(qū)域完全滿足目標(biāo)魚類對(duì)棲息地生境的需求,0 表示不滿足生境需求。 HSI 計(jì)算公式如下[27-28]:

式中:HSI 為計(jì)算單元的棲息地適宜性指數(shù);Hi為水深適合度指數(shù),m;Vi為流速適合度指數(shù),m/s。

本研究根據(jù)魚類在洪水期和蓄水期的不同生境需求,選取水深及流速兩個(gè)因子分別計(jì)算研究區(qū)域HSI 的空間分布。 三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)魚群空間分布及影響因素相關(guān)研究顯示,該區(qū)域魚群在洪水期的主要棲息指標(biāo)為水深大于20 m 以及流速小于1.2 m/s[26],在蓄水期的主要棲息指標(biāo)為水深大于20 m 以及流速小于0.6 m/s[29]。 魚類棲息對(duì)生境因子的響應(yīng)曲線如圖3 所示。

圖3 魚類棲息對(duì)生境因子的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curves between suitability index and river ecological factors

2 結(jié)果分析

2.1 洛磧河段采砂坑形成后的魚類生境分布

2019 年1 月以及2020 年6 月、12 月,分別在洛磧河段進(jìn)行了3 次水聲學(xué)調(diào)查,3 次調(diào)查能覆蓋年內(nèi)洪水期(2020 年6 月)及蓄水期(2019 年1月及2020 年12 月)的水流特性變化。 圖4 為3次調(diào)查的魚群位置平面分布圖。 水聲學(xué)調(diào)查的范圍為航道里程597～607 km 處,共10 km 河段,采砂坑位于航道里程601 km 處,且整個(gè)采砂坑均在航道左側(cè)。 3 次水聲學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示,魚群均位于采砂坑范圍內(nèi),且集中在采砂壩前段,即最大深潭處。 魚群棲息位置年內(nèi)變化不明顯,采砂形成的深潭已逐漸成為魚類新的棲息生境,且位置相對(duì)固定。

圖4 洛磧河段魚群空間分布Fig.4 Spatial distribution of fish swarms in Luoqi reach

3 次調(diào)查在研究河段均監(jiān)測(cè)到魚群,且均分布在采砂坑處,但魚群規(guī)模不同。 2019 年1 月調(diào)查到的魚群密度為81.8 ind. /1 000 m3,2020 年6月、12 月分別為170.0、111.1 ind. /1 000 m3,2019年1 月最小,2020 年6 月最大。 魚群密度分布規(guī)律整體上呈現(xiàn)為洪水期>蓄水期。 將魚探儀測(cè)得的魚類目標(biāo)強(qiáng)度值代入公式(1)便可得到魚類的體長。 調(diào)查結(jié)果顯示,2020 年6 月的魚類平均體長最大,達(dá)到了17.2 cm;其次為2020 年12 月,體長為15.1 cm;最小體長出現(xiàn)在2019 年1 月,為14.8 cm。 魚群體長分布規(guī)律整體上同樣呈現(xiàn)為洪水期>蓄水期。

2.2 采砂前后河床地形變化

對(duì)比2008 年、2013 年與2019 年實(shí)測(cè)地形變化,其中,2008 年為采砂前期,2013 年為采砂中期,2019 年為采砂結(jié)束后。 從圖5 可看出,采砂活動(dòng)對(duì)地形的改變明顯。 采砂前,河床高程為150～155 m,縱向斷面高程變化不明顯。 采砂中期,河床最小高程為143 m,已初步形成采砂坑,采砂坑最大深度為7 m。 采砂結(jié)束后,河床最低高程小于131 m,形成了一個(gè)深度約為20 m 的深潭,采砂區(qū)域內(nèi)水深較采砂前明顯增加。

圖5 2008—2019 年采砂區(qū)斷面高程對(duì)比Fig.5 Comparison of section elevation in the sand mining area from 2008 to 2019

2.3 采砂前后水流特性變化

寸灘水文站位于洛磧河段上游約50 km 處,其觀測(cè)資料全面且精度較高,可靠性、一致性、代表性均較好,能較好地反映該河段的水文特性,因此,采用寸灘站作為該河段水文分析代表站。 通過對(duì)比寸灘水文站的計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位,對(duì)二維水動(dòng)力模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。 5 月水位為率定,6 月水位為驗(yàn)證,結(jié)果如圖6 所示。 通過模擬結(jié)果可以看出,模擬水位與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度較高,模型參數(shù)設(shè)置合理。

圖6 模型率定與驗(yàn)證Fig.6 Model calibration and validation

2008 年、2013 年與2019 年采砂區(qū)最深處的全年水深變化如圖7 所示。 從圖7 可知,2008年、2013 年與2019 年全年水深變化規(guī)律相似,其中,5—10 月水深變化幅度大,10 月后(蓄水期)的水深變化幅度較小。 2008 年為采砂前期,采砂區(qū)原有的地形高程較大,整個(gè)區(qū)域的水深整體較小。 以20 m 水深作為分界線可得,2008 年采砂區(qū)最深處的全年水深均小于20 m。 2013 年為采砂中期,已初步形成采砂坑地形,因此,采砂區(qū)最深處的水深整體較2008 年要大,主汛期部分時(shí)段的水深大于20 m。 2019 年為采砂結(jié)束后,采砂坑處形成了一個(gè)深度約為20 m 的深潭,采砂區(qū)最深處的全年水深均大于20 m。 綜上可知,采砂后的采砂區(qū)水深較采砂前明顯增加,采砂活動(dòng)對(duì)水深有明顯影響。

圖7 采砂區(qū)最深處水深變化Fig.7 Changes of water depth at the deepest part of the sand mining area

2008 年、2013 年與2019 年采砂區(qū)最深處的全年流速變化如圖8 所示。 圖8 顯示,采砂前后,在不同地形高程的作用下,采砂區(qū)最深處的平均流速發(fā)生了較大改變,且采砂前后的采砂區(qū)最深處全年流速變化規(guī)律存在顯著差異。 采砂前期及中期的流速分布呈現(xiàn)“n”形,主汛期的流速峰值顯著大于其他時(shí)期,其中,采砂前期流速峰值約為2.8 m/s,采砂中期有所降低,為2.2 m/s。 采砂結(jié)束后,由于在采砂處形成了深潭,流速分布與采砂前相比發(fā)生了明顯變化,主汛期的流速峰值大幅度減小,最大值為1.1 m/s,全年流速波動(dòng)相對(duì)平緩。 以1.2 m/s 作為流速分界線可得,在2008年及2013 年,采砂區(qū)最深處5—9 月的流速均大于1.2 m/s,其他時(shí)段的流速則小于1.2 m/s;在2019 年,采砂區(qū)最深處全年流速均小于1.2 m/s。對(duì)比采砂區(qū)最深處在采砂前、中、后3 個(gè)不同時(shí)期的流速分布可知,采砂區(qū)流速總體隨采砂坑深度的增加而降低。

圖8 采砂區(qū)最深處流速變化Fig.8 Changes of water velocity at the deepest part of the sand mining area

2.4 采砂后魚類棲息地適宜度空間分布

采砂前后的洪水期及蓄水期魚類棲息地適宜度空間分布如圖9 所示。 定義HSI 介于0.8～1.0(含上限不含下限,下同)為非常適宜,HSI 介于0.6～0.8 為適宜,HSI 介于0.4～0.6 為較適宜,HSI 介于0.2～0.4 為不適宜,HSI 介于0.0～0.2為非常不適宜。 從HSI 分布可以看出,洪水期主航道區(qū)域HSI 普遍偏小,蓄水期主航道區(qū)域HSI普遍較大,洪水期HSI 整體遠(yuǎn)小于蓄水期。 當(dāng)流量(Q)為35 000 m3/s 時(shí),研究河段主流帶大部分區(qū)域的HSI 均小于0.2,非常不適宜魚類棲息。當(dāng)Q為6 000 m3/s 時(shí),研究河段主要區(qū)域的HSI均大于0.8,較洪水期有大幅度提升,非常適宜魚類棲息。 由此可知,在洪水期,采砂前的全河段HSI 均小于0.8,采砂后在深潭處出現(xiàn)了較高的HSI;在蓄水期,采砂前后全河段均存在大面積適宜棲息區(qū)域。

圖9 采砂前后的魚類棲息地適宜度空間分布Fig.9 Spatial distribution of habitat suitability index

3 討論

3.1 洛磧河段采砂后魚類生境特征分析

從HSI 以及魚群的空間分布可以看出,整個(gè)調(diào)查區(qū)域的魚群均位于采砂坑深潭河段。 在洪水期以及蓄水期,均在采砂坑深潭監(jiān)測(cè)到魚群,說明采砂坑深潭已逐漸形成可供魚類棲息的新生境。在洪水期,魚群喜愛棲息于深潭,主要原因是洪水期的整體流速較大,主流帶不適宜魚類棲息,采砂坑深潭能提供大水深、低流速的棲息生境,此時(shí)深潭中的緩流區(qū)成為了魚類的避難所[30-31]。 在蓄水期,由于整體流速較洪水期小,主流帶也可以滿足魚群棲息生境的水力要求,因此,蓄水期的深潭魚群密度小于洪水期。 但在兩個(gè)時(shí)期均監(jiān)測(cè)到魚群,說明深潭處已經(jīng)形成一個(gè)相對(duì)固定的棲息生境。 這可能是由于水流作用使得該區(qū)域相對(duì)于主航道更利于大量浮游動(dòng)植物沉積,能為深潭魚群提供充足的食物[32]。

3.2 洛磧河段采砂后水流特性對(duì)魚類棲息的影響

影響魚群棲息的水流特性因子主要包括水深、流速等[33-34]。 已有研究人員對(duì)三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)的魚群空間分布及影響因素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域魚群在洪水期的主要棲息指標(biāo)為水深大于20 m 以及流速小于1.2 m/s[26],在蓄水期的主要棲息指標(biāo)為水深大于20 m 以及流速小于0.6 m/s[29]。 洛磧河道由于采砂形成了一個(gè)深度約為20 m 的采砂坑。 采砂坑形成后,采砂區(qū)域水深增加,深潭水深全年均大于20 m。 同時(shí),由于采砂區(qū)域附近河道過水面積沒有明顯變化,水深的增加導(dǎo)致采砂區(qū)域流速減小。 相關(guān)研究已表明,三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)魚群的棲息流速小于1.2 m/s,因?yàn)檫^大的流速會(huì)使魚類為克服水流阻力而消耗大量能量。 采砂會(huì)引發(fā)河床的物理變化,從而導(dǎo)致物種豐富度、多樣性和魚類豐度下降[35-36]。 通過改變基質(zhì)組成,采砂可能會(huì)破壞某些魚類的索餌、棲息和產(chǎn)卵場(chǎng)地[37-38]。 但隨著時(shí)間的推移,河道地形地貌及水文情勢(shì)會(huì)達(dá)到新的平衡,底棲生物逐漸恢復(fù),會(huì)形成一個(gè)新的生境[39]。 本研究中,采砂后形成的采砂坑深潭生境的流速均小于1.2 m/s 的臨界值。 3 次調(diào)查均在采砂坑深潭監(jiān)測(cè)到魚群,表明采砂坑深潭可能正逐漸成為新的魚類棲息生境。

3.3 采砂河段魚類生境修復(fù)

在生態(tài)修復(fù)方面,越來越多的河道管理人員開始意識(shí)到淺灘-深潭結(jié)構(gòu)在建立河流生境多樣性方面的重要作用[40]。 然而,關(guān)于如何有效進(jìn)行魚群生境修復(fù),仍缺少理論基礎(chǔ)[41]。 現(xiàn)有研究顯示,在工程區(qū)域采用具有透水結(jié)構(gòu)的人工魚礁有利于魚類、底棲動(dòng)物和浮游動(dòng)物的棲息和繁殖,可為魚類等水生生物提供索餌、繁殖、越冬和庇護(hù)場(chǎng)所[42-43]。 由于采砂坑難以實(shí)現(xiàn)自然修復(fù),以往的思路是將航道整治所產(chǎn)生的棄碴回填至深潭處。但采砂深潭可能已形成新的魚類生境,因此,可以進(jìn)行原地保護(hù)或改造,從而實(shí)現(xiàn)生境修復(fù)。 首先,對(duì)于已形成新生境的采砂深潭,保持現(xiàn)有地形地貌及水文情勢(shì),不再回填清礁棄碴。 其次,可在采砂區(qū)域拋放人工魚礁,有利于魚類及其他水生生物的棲息。

4 結(jié)論

為了掌握長江上游洛磧河段采砂坑對(duì)魚類生境的影響及采砂后的魚類棲息地現(xiàn)狀,通過分析采砂前后地形、流速、水深等參數(shù)的變化,得到采砂前后水流特性對(duì)魚類生境的影響。 同時(shí),采用水聲學(xué)探測(cè)儀揭示了洛磧河段的魚群時(shí)空分布規(guī)律及魚類棲息生境特征,旨在為長江上游洛磧河段魚類保護(hù)和棲息地修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明,采砂坑深潭能提供大水深、低流速的棲息生境。 3 次水聲學(xué)調(diào)查均在采砂坑深潭監(jiān)測(cè)到魚群,采砂坑深潭已形成一個(gè)新的緩流生境。