裁彎河道內(nèi)生物棲息地改造及生態(tài)流量估算

南軍虎，劉一安，陳 垚，張書峰

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610041)

河道裁彎取直是一種常見的自然現(xiàn)象或工程措施，天然的游蕩型河流在較長的周期內(nèi)由于洪水的沖刷，可能會導(dǎo)致河道自然裁彎[1]；將演變到一定程度的彎曲河道人工裁彎是基于防洪目的的河道整治措施之一[2]。河道裁彎取直后可以有效改善其行洪條件，解決蜿蜒河道自身存在的一些弊病[3]。然而，裁彎取直的河道整治方法很大程度上簡化了河道形態(tài)，導(dǎo)致河流沿岸堆積地貌萎縮，生物群落結(jié)構(gòu)簡化，同時由于水流流速增大，河道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)流失，導(dǎo)致魚類等生物的棲息地面積大幅縮小，種群密度下降[4]。維持適宜的棲息地面積及流量是保證河道內(nèi)生物生存的前提條件，因此，對自然或人工裁彎河道內(nèi)生物棲息地的自然化改造及生態(tài)流量的研究顯得尤為重要。

對水生生物棲息地修復(fù)常采用在河道內(nèi)添加巨石、設(shè)置小型丁壩、深槽等方法[5]。例如：常留紅等[6]研究了丁壩群對魚類不同成長階段的影響，并通過工程實例驗證了修復(fù)效果；Acre等[7]對科羅拉多河流域的長背亞口魚進行了標(biāo)記和追蹤，結(jié)果表明目標(biāo)魚類多棲息于礫石、巨石和基巖之間，認為人造棲息地能對流域內(nèi)魚類保護產(chǎn)生積極效果；Dongkyun等[8]對比了在城市渠化河道內(nèi)分別布置單個巨石、丁壩和深槽后寬鰭鱲棲息地的變化情況，為河道生物棲息地修復(fù)提供了參考；Mozzaquattro等[9]評估了環(huán)境變量 (河段坡度和寬度) 和空間變量 (障礙物高度、距離、水流方向等) 對魚類群落結(jié)構(gòu)的影響，進一步闡述了阻水建筑物對改善魚類棲息地的重要性。

生態(tài)流量的計算對于生物棲息地保護[10]、流域水資源規(guī)劃[11]及生態(tài)環(huán)境修復(fù)[12]具有重要意義。在生態(tài)流量研究方面，基本和目標(biāo)生態(tài)流量分別指維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)保護目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能不喪失和維持給定生態(tài)保護目標(biāo)需要保留的水流過程[13]。目前生態(tài)流量計算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法[14]、生物棲息地法和綜合法，其中棲息地法因具有針對性強、物理意義明確等特點[15]，在國內(nèi)外生態(tài)流量評估中得到廣泛應(yīng)用。王瑞玲等[16]構(gòu)建了黃河鯉棲息地面積與流量的關(guān)系曲線，估算了黃河鯉繁殖期最小和適宜生態(tài)流量；Wang等[17]通過估算生態(tài)流量建立了水庫運行優(yōu)化模型，有效解決了生態(tài)系統(tǒng)與人類生產(chǎn)生活之間的用水矛盾；Zhou等[18]研究了雅尼濕地裂腹魚產(chǎn)卵期的需水量，并對不同徑流條件下裂腹魚的適宜棲息地面積和連通性進行了預(yù)測；侯俊等[19]分析了流量對長春鳊各個生命階段棲息地的影響，并采用棲息地法估算了適宜生態(tài)流量，可為水利工程建設(shè)后的魚類棲息地保護及生態(tài)調(diào)度提供參考。

上述關(guān)于河道的自然化改造和生態(tài)流量的研究大多基于天然河道，鮮有從河道整治到河道棲息地修復(fù)，再到生態(tài)流量調(diào)度完整過程的研究。南軍虎等[20]針對人工裁彎的河道，提出采用礫石群修復(fù)河道內(nèi)的生物棲息地，結(jié)果表明在裁彎河道的凹岸布置高密度的礫石群能有效改善生物棲息地質(zhì)量，為河道自然化改造提供了新思路。本文以江西省金沙溪彎曲河段為研究區(qū)域，以鰱魚為研究對象，通過設(shè)計正交試驗研究礫石群的布置形式對裁彎河道的自然化改造效果，并分析流量與鰱魚適宜棲息地面積的相應(yīng)關(guān)系，確定鰱魚棲息地的生態(tài)流量。

1 研究區(qū)概況

金沙溪位于江西省玉山縣境內(nèi)，為信江源河，區(qū)域多年平均降水量為1 857.4 mm。研究河段位于十七都大橋至博士大道彎曲段，長約2 km，河道平均寬度約100 m，平均坡降為0.610%，河床綜合糙率在0.032～0.037之間，上游流域面積為1 014.5 km2。金沙溪為雨洪式河流，河道呈深“V”形，區(qū)域匯流快、洪峰流量大。因彎曲河道在水流的長期侵蝕下，凸岸淤積泥沙，河道過流能力減弱，易發(fā)生洪水災(zāi)害[3]。研究假定對金沙溪彎曲段實施裁彎取直，疏通河道并將其拓寬至200 m左右，以增強河道的泄洪能力。裁彎河段起始斷面樁號為1+909，終止斷面樁號為3+502 (圖1)。

圖1 裁彎前后河道

信江流域主要魚類有鰱魚、青魚、鳙魚等，鰱魚作為區(qū)域優(yōu)勢魚種[21]，其生長周期短，疾病少，易飼養(yǎng)且經(jīng)濟價值較高，故選取鰱魚為目標(biāo)物種。鰱魚主要以浮游生物為食，喜居于水體上層，是水庫、河湖養(yǎng)殖的主要魚種。根據(jù)研究區(qū)流量、季節(jié)及鰱魚攝食習(xí)性[22]，確定其棲息地類型為索餌場。根據(jù)鰱魚的流速和水深適宜性曲線[23-24]確定其最佳適宜流速范圍為0.3～0.5 m/s，最佳適宜水深范圍為2～4 m (圖2)。

為提升河道內(nèi)生物棲息地質(zhì)量，在裁彎河道內(nèi)布置如圖3 (a)(b) 所示的礫石群。因河道凹岸水流受礫石群的影響明顯，高密度的礫石群布置可在其下游形成較大面積的低速水域，對提升魚類的棲息地質(zhì)量最為有效，因此將礫石群布置于裁彎河道凹岸[20]；同時為便于篩選分析礫石群的最優(yōu)布置形式，選定布置斷面位于裁彎段的四等分線處。單個礫石堆積體由中間為小塊石、四周為大塊石的礫石堆積而成，并用生態(tài)網(wǎng)格固定，高度為4～5 m，物理模型簡化為等邊三角形。為減小礫石堆積體對河道行洪能力的影響，礫石群僅包含3個單體礫石堆積體，且堆積體之間有一定的間距。裁彎河道兩岸由仿石型生態(tài)框(圖3(c))錯落堆積形成護坡結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)回填碎石，常水位以上放入綠化桶，種植綠植，以增加景觀效果。

圖2 鰱魚流速水深適宜性曲線

2 研究方法

本文基于River2D模型對原河道及改造河道內(nèi)水動力環(huán)境進行數(shù)值模擬，并建立生物棲息地與流量變化的動態(tài)關(guān)系，進而選用棲息地法確定具有生態(tài)學(xué)意義的生態(tài)流量值。

2.1 數(shù)值模擬

棲息地模擬模型主要包括水力學(xué)模型和棲息地模型。通過模擬研究河道內(nèi)不同流量下的流速、水深分布，結(jié)合目標(biāo)生物適宜性曲線計算其棲息地數(shù)量。

2.1.1水力學(xué)模型

River2D水動力模塊是基于二維圣維南淺水方程的平均深度有限元模型。模型假定沿水深垂直方向符合靜水壓強，流速沿深度方向取平均值，科氏力和風(fēng)力忽略不計[25]。River2D模型控制方程包括能量方程、x方向動量守恒和y方向動量守恒方程：

(1)

式中：H為水深；u、v分別為x、y方向上的流速；qx、qy分別為x、y方向上的流量；g為重力加速度；ρ為水的密度；S0x、S0y分別為x、y方向上的河床坡度；Sfx、Sfy分別為x、y方向上的摩阻坡度；τxx、τxy、τyx、τyy為水平方向上的剪切應(yīng)力張量的分量。

摩阻坡度是根據(jù)河床剪應(yīng)力計算的，假設(shè)剪應(yīng)力與平均流速水深的大小和方向有關(guān)，x方向摩阻坡度可用下式計算：

(4)

式中：τbx為x方向上的河床剪切應(yīng)力；Cs為謝才系數(shù)。

(a)礫石群布置 (b)礫石群結(jié)構(gòu)(單位：mm) (c)生態(tài)護岸

2.1.2棲息地模型

采用河道內(nèi)流量增量法 (instream flow incremental methodology，IFIM) 進行生物棲息地研究，該方法利用棲息地加權(quán)可用面積 (weighted usable area，WUA) 對生物棲息地質(zhì)量進行評價[26]，棲息地加權(quán)可用面積表征目標(biāo)物種適宜物理棲息地面積[27]，計算公式為

(5)

式中：AWU為棲息地加權(quán)可用面積；f(Vi，Di，Ci)為適宜性組合函數(shù)，其中Vi、Di、Ci分別代表流速、水深與河床底質(zhì)的適宜度指數(shù)，由于缺少目標(biāo)物種對河床底質(zhì)及覆蓋物的適宜性資料，Ci默認為1；Ai為單元網(wǎng)格i的面積；n為單元網(wǎng)格總數(shù)。

可用面積百分率APU表征目標(biāo)物種AWU與河道總面積的比值[28]。為便于分析，將AWU轉(zhuǎn)化為APU以說明河道生物棲息地的質(zhì)量，二者之間有如下關(guān)系：

(6)

式中AT為河道總面積。

2.1.3網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格采用Delauney三角剖分，網(wǎng)格密度依據(jù)計算結(jié)果和河床地形設(shè)定，原河道網(wǎng)格大小為3～10 m，裁彎后的河道較為規(guī)整，網(wǎng)格大小為8～25 m。

2.1.4邊界條件

定義樁號1+250和3+502分別為上、下游邊界，其中上游邊界為流量進口邊界，下游邊界為水位出口邊界。金沙溪20年一遇設(shè)計洪水流量由兩部分疊加組成，其中水庫下泄流量為700 m3/s，水庫下游區(qū)間流域產(chǎn)生的流量為718 m3/s。以1 418 m3/s作為研究工況的流量上限，設(shè)置豐水期、枯水期和洪水期3個流量序列：自718 m3/s以50 m3/s的流量梯度依次遞減至118 m3/s的序列作為豐水期流量工況，自100 m3/s以10 m3/s的流量梯度依次遞減至10 m3/s的序列作為枯水期流量工況，自1 418 m3/s以100 m3/s的流量梯度依次遞減至818 m3/s的序列作為洪水期流量工況，共計30個流量工況。利用HEC-RAS軟件，基于伯努利方程采用步推法求解各工況的上下游邊界水位[29]，得到各工況下的流量-水位關(guān)系作為數(shù)值模擬的邊界條件。

2.1.5模型可靠性驗證

以原河道中心剖面的水深為對象評估模型的可靠性，在1 418 m3/s流量下，通過上下游水位邊界實測數(shù)據(jù)，模擬得出特征斷面水深，并與實測水深進行對比，結(jié)果見表1，可見各特征斷面中心處的實測水深與模擬水深基本一致，二者的差值小于0.20 m，說明模擬結(jié)果準(zhǔn)確，模型合理。

表1 特征樁號實測與模擬水深對比

2.2 正交試驗設(shè)計

利用正交試驗法設(shè)計試驗方案能以較少的試驗次數(shù)找到影響因素與水平之間的最佳搭配。根據(jù)實際需要采用3因素 (礫石堆積體邊長A、礫石堆積體間距B、河道流量C) 正交試驗分析礫石群布置形式及流量對河道內(nèi)生物棲息地質(zhì)量的影響，表2為正交試驗影響因素和水平。

表2 正交試驗影響因素和水平

3 結(jié)果與分析

3.1 裁彎取直的影響

對原河道彎曲段做裁彎取直處理后，河道進出口水位有了明顯下降，在20年一遇設(shè)計洪水流量下，1+250和3+502斷面水位分別下降了0.64 m和2.23 m。同時，裁彎河道內(nèi)水流流速增大、水深減小、河道內(nèi)垂向速度梯度增大、沿河道長度方向水流的弗勞德數(shù)沿程減小，這些變化有利于提高河道的行洪、輸沙能力。然而，以上裁彎河道內(nèi)水流流態(tài)的改變對河道內(nèi)的生物棲息地產(chǎn)生了較大的破壞。表3為718 m3/s流量下裁彎前后河道內(nèi)鰱魚棲息地模擬結(jié)果對比，裁彎河道面積較原河道減少47 434 m2，AWU較原河道減少19 157 m2，對應(yīng)APU減小2.79%。適宜棲息地主要分布在兩岸的有限范圍內(nèi)且不連續(xù)，難以為鰱魚提供穩(wěn)定的索餌棲息地，因此，需采取一定的措施對裁彎河道內(nèi)的鰱魚棲息地進行自然化改造。

3.2 正交試驗結(jié)果與分析

正交試驗方案下鰱魚棲息地數(shù)值模擬結(jié)果如表4所示，僅以棲息地加權(quán)可用面積AWU作為評價指標(biāo)時，方案6 (A1B1C1) 為最優(yōu)的礫石群特征與流量單個組合，其對應(yīng)的礫石群布置方案為堆積體邊長20 m、間距3 m，河道流量1 418 m3/s，裁彎河道總面積為485 449 m2，其中適合鰱魚生存的AWU為73 116 m2，相應(yīng)的APU為15.06%。

表3 裁彎前后鰱魚棲息地模擬結(jié)果

表4 正交試驗方案與試驗結(jié)果

3.2.1極差分析

極差分析是對正交結(jié)果可靠性進行分析和驗證的關(guān)鍵步驟，極差R表征試驗影響因素對結(jié)果的影響程度，R越大，表明相應(yīng)的影響因素對結(jié)果的影響越大。礫石群特征及流量對鰱魚棲息地的APU極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 鰱魚棲息地APU極差分析結(jié)果

由表5可知RA、RB、RC分別為1.41、0.73和6.64，表明流量大小對鰱魚棲息地APU的影響最大，礫石堆積體邊長次之，礫石堆積體間距的影響最小。同時為探討礫石群特征及流量的最佳組合，遵循評價指標(biāo)APU越大越好的原則，各影響因素應(yīng)取指標(biāo)值最大的水平。分析不同水平下各影響因素對APU的影響指標(biāo)，得出因素與水平的最佳組合為A1B3C1，與之對應(yīng)的礫石群特征與流量最佳組合為：礫石堆積體邊長20 m、間距9 m，河道流量1 418 m3/s。最佳組合并未出現(xiàn)在正交試驗中，這也體現(xiàn)出正交試驗設(shè)計的客觀性[30]。

3.2.2方差分析

多因素方差分析主要用于研究多個自變量對因變量產(chǎn)生影響的顯著性。以礫石群特征及河道流量為自變量，APU為因變量，用SPSS軟件進行方差分析，結(jié)果如表6所示。對于指定的顯著水平，將各個自變量相對應(yīng)的P值與之進行比較，若小于或等于顯著水平，可以認為自變量的不同水平對因變量產(chǎn)生了顯著影響，相反，則認為沒有顯著影響。按顯著水平α=0.05來檢驗，自變量河道流量P值小于顯著水平0.05，即河道流量對APU產(chǎn)生了顯著影響，根據(jù)顯著性P值的大小，河道流量對APU影響最大，礫石堆積體邊長次之，礫石堆積體間距最小，這與極差分析所得結(jié)論一致。

表6 礫石群特征及流量對鰱魚棲息地APU的方差分析Table 6 Variance analysis of gravel group characteristicsand flow over APU of silver carp habitats

3.3 布置礫石群的影響

3.3.1生物棲息地

枯水期、豐水期和洪水期30個流量工況的模擬結(jié)果表明，當(dāng)流量達到818 m3/s時，水流會大范圍溢出主河道，故取718 m3/s為原河道的平灘流量。為確定礫石群對鰱魚棲息地的自然化改造效果和最優(yōu)礫石群的布置形式，以此流量為典型流量工況，對比分析原河道、布置礫石群前后的裁彎河道內(nèi)鰱魚棲息地的變化，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，無礫石布置的裁彎河道內(nèi)鰱魚的AWU最小，且零散分布在河岸附近，河道內(nèi)垂向速度梯度較大，河道下游勞德數(shù)Fr約為0.4；布置礫石群的裁彎河道下游形成了較大面積的低速水流區(qū)，F(xiàn)r約為0.1，垂向流速差明顯減小；A1B1和A1B3礫石群布置方案的AWU較無礫石布置方案分別增加了25 882 m2和31 886 m2，較原河道分別增大6 725 m2和12 729 m2，兩種方案下流速剪切值均存在較大的橫向分布差異，流速大小和分布總體上接近，適宜棲息地分布廣泛，并且形成了類似原河道的連續(xù)片狀棲息地，表明在裁彎河道內(nèi)布置礫石群能有效改善鰱魚棲息地質(zhì)量，為鰱魚的索餌提供了良好的條件。

為進一步研究A1B1和A1B3兩種礫石群布置方案對鰱魚棲息地的改造效果，在典型流量工況下對兩種方案進行數(shù)值模擬，結(jié)果如表7所示。除1 418 m3/s和418 m3/s兩個流量工況外，其余6個工況下A1B3方案的AWU均大于A1B1方案，且AWU最大值出現(xiàn)在A1B3方案的流量序列中，為76 621 m2；在整體河道面積小于原河道的情況下，A1B3方案中裁彎河道的AWU在318～718 m3/s流量區(qū)間內(nèi)均大于原河道，對應(yīng)的APU也有顯著提升。因此，裁彎河道內(nèi)礫石群的最佳布置方案為A1B3，對應(yīng)的礫石邊長為20 m，間距為9 m。

(a)原河道 (b)裁彎后河道 (c)A1B1方案 (d)A1B3方案

表7 不同流量下的數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.2水面線

通過布置礫石群改善河道內(nèi)生物棲息地的方法，其本質(zhì)是利用礫石群的阻水效應(yīng)改變裁彎河道內(nèi)的水流流態(tài)，創(chuàng)造類似原河道的流速、水深條件。為探討礫石群對河道過流能力的影響，在平灘流量718 m3/s條件下，對礫石群布置前后裁彎河道典型斷面的水面線進行對比，結(jié)果見圖5，各典型斷面平均水面高程的平均值如表8所示。

表8 裁彎河道典型斷面的平均水面高程

(a)有礫石群河道 (b)無礫石群河道

布置礫石群的裁彎河道水面線總體趨勢與無礫石群河道相似，裁彎段進口處二者水位基本一致，表明該區(qū)域水位受礫石群的影響較小。受河道和礫石群的影響，布置礫石群的河道斷面1—1凹岸出現(xiàn)明顯的壅水，該斷面平均水面高程較無礫石群布置時高0.24 m，沿河道寬度方向水面線最大差值為0.22 m。沿水流方向礫石群引起的河道內(nèi)局部壅水高度逐漸減小，在斷面3—3上兩種河道內(nèi)下游斷面平均水面高程差小于0.02 m。綜上所述，礫石群的布置對裁彎河道過流能力沒有明顯影響，能夠滿足一定的行洪需求。

3.4 河道內(nèi)生態(tài)流量

由前文分析可知，流量對河道內(nèi)鰱魚的AWU影響最大，因此對河道內(nèi)生態(tài)流量的估算尤為必要。為能夠更加全面、準(zhǔn)確地估算河道內(nèi)生態(tài)流量，以平灘流量以下的模擬結(jié)果作為河道生態(tài)流量的估算依據(jù)，以20年一遇洪水下的模擬結(jié)果作為參照，對計算所得的AWU值做歸一化處理，定義各工況下AWU與所有工況中最大AWU之比為適宜棲息地面積百分比，其隨流量的變化如圖6所示。參考NB/T 35091—2016《水電工程生態(tài)流量計算規(guī)范》及相關(guān)研究[16，31]中采用棲息地法確定生態(tài)流量的方法，取流量與適宜棲息地面積百分比曲線的明顯轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的流量為原河道鰱魚索餌的基本生態(tài)流量，最高點對應(yīng)的流量為目標(biāo)生態(tài)流量。確定裁彎河道生態(tài)流量時，在棲息地法的基礎(chǔ)上，同時要求所取生態(tài)流量下目標(biāo)物種的APU不小于原河道。

圖6 流量與適宜棲息地面積百分比關(guān)系

由圖6可知，原河道AWU的變化趨勢可分為3個階段：10～40 m3/s流量區(qū)間為原河道AWU的快速增長段；50～368 m3/s流量區(qū)間內(nèi)，AWU在(46 000±2 000) m2區(qū)間內(nèi)波動，可見原河道在小流量下具有較強的生物棲息地調(diào)控能力，其中50 m3/s是曲線轉(zhuǎn)折點，此時APU為8.89%，取其為基本生態(tài)流量；在368～1 418 m3/s流量區(qū)間，AWU與流量呈線性正相關(guān)變化，但在718 m3/s之后水流會溢出主河道，所增加的水域面積給防洪安全及生物棲息地帶來了不確定性，并不能作為魚類生存的穩(wěn)定棲息地，故取原河道目標(biāo)生態(tài)流量為718 m3/s，此時APU為11.90%。

在布置礫石群的裁彎河道內(nèi)，當(dāng)流量小于618 m3/s時AWU隨流量的增大而增大，80 m3/s是流量與適宜棲息地面積百分比關(guān)系曲線的快速增長點，但此時裁彎河道的APU為6.36%，小于原河道基本生態(tài)流量下的APU，可能是因為河道拓寬以后，水深顯著下降導(dǎo)致AWU減??；218 m3/s是曲線的第二個快速增長點，此時裁彎河道的APU為9.23%，大于原河道基本生態(tài)流量下的APU，確定裁彎河道基本生態(tài)流量為218 m3/s；當(dāng)流量為618 m3/s時AWU達到最大值，此時對應(yīng)的APU為15.78%，隨著流量的進一步增大，曲線呈緩慢下降的趨勢，表明在一定的流量范圍內(nèi)，礫石群對河道生物棲息地的影響較為有限，因此取裁彎河道目標(biāo)生態(tài)流量為618 m3/s。

研究表明棲息地法的計算結(jié)果一般較水文學(xué)法推薦的生態(tài)流量大[15]，同時適宜成魚索餌的水深較產(chǎn)卵期大[32]，因此適宜鰱魚索餌的生態(tài)流量可能存在偏大問題，工程設(shè)計中應(yīng)予以考慮。本文是對單一魚種成魚索餌場流速水深的分析，并未考慮生物化學(xué)因素對魚類生境的影響，如氨氮濃度、溶解氧、浮游生物等，如何綜合考慮多種影響因素、多種魚類、多個成長階段是未來棲息地改造及生態(tài)流量研究的重點。

4 結(jié) 論

a.將河道彎曲段裁彎取直處理后，河道水位下降，流速增加，有利于河道行洪能力的提升，但對河道內(nèi)的生物棲息地產(chǎn)生了較大的破壞，裁彎取直后河道內(nèi)AWU較原河道減小約30%。

b.河道流量對裁彎河道AWU的影響最大，礫石堆積體邊長次之，礫石堆積體間距最小，最優(yōu)的礫石群特征組合為礫石堆積體邊長20 m，間距9 m。

c.在最優(yōu)礫石群布置方案下，裁彎河道內(nèi)AWU較無礫石群布置方案增加了72%，較原河道增加了20%，為鰱魚提供了較大范圍的索餌場，且布置礫石群后對裁彎河道過流能力沒有明顯影響，能夠有效改善河道的行洪能力。

d.原河道基本生態(tài)流量為50 m3/s，目標(biāo)生態(tài)流量為718 m3/s。布置礫石群的裁彎河道基本生態(tài)流量218 m3/s，目標(biāo)生態(tài)流量為618 m3/s。