基于四大家魚棲息地模擬的漢江下游生態(tài)流量研究

費(fèi) 啟 航,彭 濤,2,由 星 瑩,劉 伯 娟,石 小 濤,2

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漢江興隆水利樞紐管理局,湖北 潛江 433126; 4.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

河流作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的主要通道,在流域生態(tài)平衡中起著十分重要的作用[1]。水資源過度開發(fā)和不合理利用導(dǎo)致河流不同程度的生態(tài)退化,其中,在河流上大規(guī)模筑壩建庫是河流生態(tài)系統(tǒng)受人為影響最顯著、最廣泛的事件之一[2]。大壩的淹沒、阻隔、徑流調(diào)節(jié)顯著改變了河道原有的水文條件,破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和空間連續(xù)性,誘發(fā)系列問題,特別是伴隨著難以成本量化的河流生態(tài)系統(tǒng)退化和生物多樣性喪失[3]。據(jù)統(tǒng)計,目前全球共有高15 m以上的大壩5.8萬余座,其中中國有2.3萬多座,占全球總數(shù)的40.6%[4]。為應(yīng)對筑壩建庫、大規(guī)模引水等水利工程建設(shè)所導(dǎo)致的河流生態(tài)問題,協(xié)調(diào)水資源開發(fā)利用與河流生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,研究者開始關(guān)注河流生態(tài)流量,并逐漸成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[5-7]。

目前,全球范圍內(nèi)關(guān)于生態(tài)流量的研究方法超過200種[8],大體分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體綜合法。水文學(xué)法是被最廣泛使用的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于不需要現(xiàn)場測定,操作簡單、適用性強(qiáng),但缺乏明確的生態(tài)學(xué)意義[9];水力學(xué)法則在水文學(xué)法的基礎(chǔ)上增加了河道斷面參數(shù),包含了具體的河流和生物信息,但缺乏對生態(tài)系統(tǒng)整體性考慮[10];整體綜合法融合了多種學(xué)科,是目前生態(tài)流量評估最為合理的一種方法,但其數(shù)據(jù)要求高,操作復(fù)雜,過程繁瑣,不利于實現(xiàn)[11]。棲息地模擬法通過模擬流量與指示物種棲息地質(zhì)量之間的定量關(guān)系,可以獲得物種不同生命階段的生態(tài)流量[12],與其他計算方法相比,具有明晰的物理機(jī)制,因而得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。但已有研究側(cè)重某一種物種對流量單一水文要素的需求,缺乏對河流生態(tài)系統(tǒng)完整性的考慮,且忽視了生命節(jié)律信號對指示物種生長和繁殖的關(guān)鍵作用,使得計算成果難以滿足生態(tài)調(diào)度實踐和河流生態(tài)修復(fù)的需要。

由于漢江中下游梯級水利樞紐相繼建成以及南水北調(diào)中線工程運(yùn)行后,漢江中下游水文情勢發(fā)生顯著變化,從而引起魚類資源萎縮、水華頻發(fā)等一系列生態(tài)問題[16]。由此可見,開展梯級水庫影響下漢江中下游生態(tài)流量研究,對于河流生態(tài)修復(fù)具有重要現(xiàn)實意義。目前,漢江流域生態(tài)流量研究方面已取得了一些成果,但大部分研究采用水文學(xué)法和水力學(xué)法推求生態(tài)流量[17-18],難以反映流量與生物之間的響應(yīng)關(guān)系。目前雖有學(xué)者基于棲息地模擬法計算漢江中下游生態(tài)流量[19],但僅考慮魚類產(chǎn)卵期的生態(tài)需求。為此,本文選擇漢江下游四大家魚棲息地的典型河段,利用River 2D棲息地模型建立四大家魚加權(quán)可利用面積與徑流條件的響應(yīng)關(guān)系,并結(jié)合漢江下游天然水文情勢提出產(chǎn)卵期和生長期的生態(tài)流量及高流量脈沖,最后與Tennant法和實際生態(tài)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較,驗證其合理性,為流域水資源管理與水庫生態(tài)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

漢江是長江最長的支流,發(fā)源于陜西省秦嶺南麓,干流全長1 577 km,流域面積15.9萬km2。丹江口水庫以上為漢江上游,長約925 km;丹江口水庫至皇莊站為中游,長約270 km;皇莊站以下為下游,長約382 km。20世紀(jì)70年代丹江口水庫建成后,產(chǎn)漂流性卵魚類主要產(chǎn)卵場有王甫洲、茨河、宜城、馬良、澤口等9處,四大家魚產(chǎn)卵規(guī)模約為9億粒[20]。隨著王甫洲、崔家營、興隆等梯級水利樞紐相繼建成,漢江中下游四大家魚產(chǎn)卵場以及產(chǎn)卵規(guī)模急劇縮減。2018年,汪登強(qiáng)等[20]在漢川監(jiān)測到四大家魚卵0.33億粒,并推測漢江下游存在澤口、張港、彭市、仙桃4處四大家魚產(chǎn)卵場。漢江中下游流域、主要水文站及魚類產(chǎn)卵場位置見圖1。

圖1 漢江中下游主要水文站和魚類產(chǎn)卵場位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究河段的河道地形采用2016年實測地形資料。

1964～2017沙洋站和1972～2017年仙桃站逐日流量資料來源于長江水利委員會水文局,2000～2017年岳口站和漢川站逐日水位資料來自湖北省水文水資源中心。由于漢江下游無大型支流匯入與流出,模型上下游邊界的流量與水位則用相近水文站進(jìn)行線性插值的方法進(jìn)行推求。

2 研究方法

2.1 指示物種及關(guān)鍵生境因子選擇

在河流生態(tài)系統(tǒng)中有許多生物群落,而魚類在其中是頂級群落,它們對其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚類可作為河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種,反映河流水生生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[13]。根據(jù)漢江下游河流生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),綜合考慮瀕危程度、遺傳價值和物種價值等因素,將四大家魚作為研究河段魚類優(yōu)先保護(hù)目標(biāo)。青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚 (Ctenopharyngodonidella)、鰱魚 (Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(Aristichthysnobilis)合稱四大家魚,屬于鯉形目、鯉科,是中國重要的淡水經(jīng)濟(jì)魚類,具有重要的遺傳育種價值。漢江是四大家魚天然產(chǎn)卵場分布區(qū)之一[20]。丹江口水庫下閘蓄水以后,漢江中下游水文情勢發(fā)生顯著變化,使得四大家魚原有的生長繁殖條件遭到破壞,產(chǎn)卵規(guī)模和魚類資源嚴(yán)重衰減。因此,選擇以四大家魚作為研究河段的指示物種,探究四大家魚棲息地與水文過程的響應(yīng)關(guān)系,對于河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及土著魚類群落保護(hù)具有重要意義。

魚類個體的整個生命階段分為產(chǎn)卵期、仔魚期、稚魚期、幼魚期、未成熟期、成魚期和衰老期[21]。由于目前許多學(xué)者側(cè)重考慮目標(biāo)物種產(chǎn)卵期的生態(tài)流量需求,而對其他生命階段考慮相對較少,難以滿足河流生態(tài)完整性的需要。因此,本研究綜合考慮四大家魚生存繁衍中比較重要的親魚產(chǎn)卵期(5～8月)和仔魚、稚魚、幼魚生長期(9～11月)生態(tài)流量需求,使結(jié)果更具代表性和可靠性。四大家魚屬于典型的產(chǎn)漂流性卵魚類,親魚產(chǎn)卵需要一定的流速刺激,并且流速對產(chǎn)漂流性卵的魚以及剛孵出魚苗的成活至關(guān)重要,流速過低,可能會有使魚卵沉底或被其它魚類吞食,存活率較低;流速過高,尚未發(fā)育完全的魚苗無法適應(yīng)環(huán)境,也無法正常生存。除流速外,水深的大小也決定了水壓力、光照等的不同,處于不同階段的魚類適宜生活在不同深度的水體當(dāng)中,因此本文選取流速和水深作為魚類關(guān)鍵生境因子。對于河道底質(zhì),考慮資料可獲取性,采用參數(shù)簡化方法[22],認(rèn)為河道底質(zhì)均為最適宜底質(zhì),適宜度為1。

2.2 四大家魚適宜度曲線的建立

適宜度曲線法是棲息地適宜度評價應(yīng)用最廣泛的方法[12],其中棲息地適宜度指數(shù)HSI(Habitat Suitability Index)用來定量生物對生境因子的偏好程度,用0～1區(qū)間來表示偏好程度,0為最不適宜,1為最適宜。目前,棲息地適宜度指數(shù)有二元格式、單變量格式和多變量格式[12]。二元格式即為生境因子確定一個適宜范圍,如在范圍內(nèi)適宜度為1,否則即為0;單變量格式利用0～1之間的數(shù)值來定義魚類棲息地的適宜性,是目前普遍使用的格式;多變量格式認(rèn)為生境因子對生物的影響是相關(guān)的,需要綜合考慮。本次研究采用單變量格式建立四大家魚的適宜度曲線。

2.3 棲息地模型構(gòu)建

2.3.1水動力模型

棲息地模擬法將河道水力參數(shù)和指示物種生存所需的關(guān)鍵生境因子結(jié)合,推求滿足指示物種生存的生態(tài)流量,其物理意義明確。棲息地模擬法中,IFIM法是最具代表性的一種方法,但I(xiàn)FIM法僅是一套概念性方法,需要采用相關(guān)模型量化流量與棲息地分布之間的關(guān)系,如PHABSIM、River 2D等模型。因River 2D能較好地模擬流速和水深的局部動態(tài)變化,在河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)評價中得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。因此,本文選用River 2D模型進(jìn)行河段四大家魚物理棲息地模擬,該模型中包含水動力模型和棲息地模型。River 2D軟件內(nèi)置的水動力模塊是基于二維圣維南淺水方程組的平均水深的有限元模擬模型。由于研究河段垂向尺度遠(yuǎn)小于水平尺度,可用River 2D模型的淺水方程進(jìn)行二維水動力模擬。

本次模擬選用2016年實測河道地形資料。由于研究河段地形復(fù)雜,模型采用三角形網(wǎng)格,同時為確保模型模擬精度,要求網(wǎng)格質(zhì)量(QI)大于0.1。模型上游邊界以流量作為邊界條件,下游邊界以水位作為邊界條件。采用不同的糙率系數(shù)進(jìn)行試算,經(jīng)率定得到研究河段的糙率系數(shù)為0.035。根據(jù)沙洋站1965～2017年的逐月平均流量資料,計算得到產(chǎn)卵期與生長期的月平均流量為203～9 392 m3/s,模型設(shè)定的上邊界流量范圍基本涵蓋研究河段的實際流量情況。模型邊界、網(wǎng)格劃分、參數(shù)確定及模擬流量范圍見表1。

表1 模型邊界、網(wǎng)格劃分及參數(shù)確定

2.3.2棲息地模型

以水動力模型模擬計算結(jié)果為基礎(chǔ),將指示魚類關(guān)鍵生境因子的適宜性指數(shù)與河道各水動力參數(shù)進(jìn)行匹配計算,得到Vi、Di和Ci的適宜性值,并對不同生境因子的適宜性值進(jìn)行乘積計算得到綜合適宜性值(CSF),最后將CSF與對應(yīng)的棲息地面積相乘,得到加權(quán)可利用面積(WUA)。計算公式如下:

CSFi=Vi×Di×Ci

(1)

(2)

式中:CSFi為第i個單元格的綜合適宜性值;WUA為研究河段的加權(quán)可利用面積;Vi、Di、Ci分別為第i個單元格中流速、水深、底質(zhì)的適宜性值,區(qū)間為0～1,1代表最適宜;Ai表示第i個單元格的面積。

2.4 生態(tài)流量確定原則

研究表明,為維持河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性,應(yīng)考慮四大家魚不同的生態(tài)流量組分,即保證四大家魚生存極限條件的最小生態(tài)流量,滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖等生存需求的適宜生態(tài)流量以及刺激魚類產(chǎn)卵繁殖的高流量脈沖[23]。

本次研究在確定最小生態(tài)流量時,選取WUA與流量關(guān)系曲線中棲息地面積驟然上升階段時的流量作為最小生態(tài)流量,即關(guān)系曲線中的第一個明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),但在實際操作中,轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定存在一定主觀性。因此,在參考相關(guān)研究成果[14-15]的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)域的水資源狀況,將最大棲息地面積的30%和80%對應(yīng)的流量作為最小和適宜生態(tài)流量。圖2為目標(biāo)物種WUA與流量關(guān)系曲線及推薦生態(tài)流量示意圖。

圖2 目標(biāo)物種WUA與流量關(guān)系及推薦生態(tài)流量

研究表明,江河漲水引起的水位以及流速的上漲會刺激魚類進(jìn)行產(chǎn)卵[24]。郭文獻(xiàn)等[25]認(rèn)為,刺激四大家魚產(chǎn)卵還需要漲水持續(xù)時間在3～8 d,水位上漲率在0.41～0.85 m/d較為合適,且每年至少有1～2次高流量脈沖才能刺激魚類進(jìn)行產(chǎn)卵。尚文繡等[23]選取峰值流量、平均流量、持續(xù)時間以及發(fā)生次數(shù)4個指標(biāo)作為高流量脈沖的關(guān)鍵特征值。本次研究以四大家魚所需的水文條件為約束,以產(chǎn)卵期最小生態(tài)流量為高流量脈沖的下限,設(shè)定高流量脈沖漲水持續(xù)時間不小于3 d,每年高流量脈沖發(fā)生次數(shù)不小于2次。

3 結(jié)果與討論

3.1 四大家魚水深、流速適宜度曲線

參考文獻(xiàn)[26-27],結(jié)合漢江下游河流特征與四大家魚的行為特點(diǎn),分別建立了四大家魚在產(chǎn)卵期與生長期的水深、流速適宜度曲線(見圖3)。在產(chǎn)卵期,四大家魚適宜流速范圍為1.0～1.5 m/s,極限流速為 3 m/s。同時,考慮到四大家魚為產(chǎn)漂流性卵魚類,設(shè)定流速低于0.3 m/s時魚卵會下沉死亡;在生長期,四大家魚幼魚適宜流速范圍為0.6～1.0 m/s,極限流速為1.8 m/s,最低流速閾值為0.1 m/s;由于水深對于產(chǎn)卵期與生長期的魚類影響相對較小,故水深適宜范圍取5～15 m,水深的上下限閾值分別為1 m和30 m。

圖3 四大家魚產(chǎn)卵期和生長期水深、流速的適宜性指數(shù)曲線

3.2 棲息地模擬結(jié)果

3.2.1模型率定與驗證

在4條研究河段中,仙桃段水文資料較為完整,故選取仙桃段進(jìn)行模型驗證。利用2016年仙桃站實測逐月平均流量作為模擬工況,得到仙桃斷面的模擬水位,并與實測水位進(jìn)行比較(見圖4)。結(jié)果顯示,仙桃斷面實測水位與模擬水位基本一致,相對誤差在±1.08%以內(nèi),說明模型模擬效果良好,可用于模擬不同流量下四大家魚流場及適宜棲息地分布。

3.2.2棲息地面積與流量的響應(yīng)關(guān)系

利用River 2D水動力模型對各個研究河段進(jìn)行模擬,得到不同流量下四大家魚棲息地流場及適宜棲息地分布。圖5和圖6為澤口河段與仙桃河段在典型流量條件下的水深與流速分布。隨著流量增加,澤口段與仙桃段的水深與流速均隨著流量的增加而增加,仙桃段更為明顯,而澤口段由于受河道地形影響而增加并不明顯。圖7和圖8為各河段四大家魚在產(chǎn)卵期與生長期的棲息地模擬結(jié)果。結(jié)果顯示,在產(chǎn)卵期時,當(dāng)流量為1 310 m3/s時,各河段主河道出現(xiàn)些許適宜產(chǎn)卵的區(qū)域;當(dāng)流量上漲至3 520 m3/s 時,各河段主河道絕大部分為適宜產(chǎn)卵的區(qū)域。而在生長期時,當(dāng)流量為441 m3/s,各河段主河道存在少部分適合四大家魚生長的區(qū)域;當(dāng)流量上漲至1 520 m3/s,這些區(qū)域幾乎覆蓋了全部主河道。根據(jù)各研究河段不同流量下四大家魚棲息地模擬結(jié)果,建立產(chǎn)卵期與生長期WUA與流量的響應(yīng)關(guān)系曲線(見圖9)。

圖5 澤口河段典型流量條件下水深與流速分布

圖8 澤口、張港、彭市和仙桃河段典型流量下四大家魚生長期棲息地適宜性分布

圖9 澤口、張港、彭市和仙桃河段四大家魚產(chǎn)卵期、生長期流量與WUA的關(guān)系曲線

3.3 生態(tài)流量推薦值

(1) 產(chǎn)卵期(5～8月)。由圖9可以看出,各河段四大家魚的Q-WUA曲線變化基本一致,均為由快到慢的上升,而澤口段由于漫灘地形占比較大,導(dǎo)致流速難以達(dá)到四大家魚產(chǎn)卵的適宜性范圍,故產(chǎn)卵期生態(tài)流量主要考慮張港、彭市和仙桃3條河段。由不同流量下各河段四大家魚不同生命階段WUA占最大WUA的比例可知(見表2),各河段在441～1 310 m3/s流量時,WUA隨流量增加而快速增長,當(dāng)流量達(dá)到1 310 m3/s時,3個河段WUA占最大WUA的比例在38.24%以上。因此推薦漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期最小生態(tài)流量為1 310 m3/s。在1 310～3 520 m3/s流量時,四大家魚棲息地面積隨流量增加的幅度變小,當(dāng)流量達(dá)到3 520 m3/s時,3條研究河段WUA占比在80.82%以上。故漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期適宜生態(tài)流量的推薦值為3 520 m3/s。

(2) 生長期(9～11月)。當(dāng)流量為441 m3/s時,澤口段生長期WUA占比為17.61%,而其他3條河段WUA占比在33.83%以上,能保證四大家魚生長發(fā)育需求,考慮到澤口段特殊的河道地形導(dǎo)致河床窄淺的情況,故推薦漢江下游四大家魚生長期最小生態(tài)流量為441 m3/s。當(dāng)流量達(dá)到1 520 m3/s時,澤口段棲息地面積占比為49.42%,其他3條河段WUA占比在80.27%以上,故推薦漢江下游四大家魚生長期適宜生態(tài)流量為1 520 m3/s。

(3) 高流量脈沖。江河的漲水對四大家魚產(chǎn)卵行為具有刺激作用。汪登強(qiáng)等[20]和謝文星等[28]在漢江下游沙洋和漢川斷面監(jiān)測到洪水過程與卵苗數(shù)量的關(guān)系,要求漲水持續(xù)時間大于4 d,流量日漲幅在287～734 m3/s時,四大家魚卵苗開始大量出現(xiàn)。由于丹江口水庫運(yùn)行對漢江中下游水文情勢產(chǎn)生了深刻影響,因此可以將丹江口水庫建成之前壩下實測流量過程看作近似的天然狀態(tài)。本文以1973年丹江口水庫建成為時間節(jié)點(diǎn),將流量超過2 510 m3/s(1964～1972年四大家魚產(chǎn)卵期累積頻率25%對應(yīng)的流量)且持續(xù)漲水時間(從脈沖初始流量達(dá)到1 310 m3/s算起)超過3 d的流量事件視為高流量脈沖,分別統(tǒng)計建庫前后沙洋站典型時段的漲水發(fā)生次數(shù)、峰值流量、平均流量、日均流量漲幅和持續(xù)時間的均值(見表3)。由表3可得,建庫后 (1973～2017年),5月的漲水發(fā)生次數(shù)顯著降低,且流量漲幅較小,故5月的流量過程難以達(dá)到四大家魚產(chǎn)卵需求。此外,整個產(chǎn)卵期 (5～8月) 流量漲幅均下降,5、6月峰值流量未達(dá)到適宜生態(tài)流量推薦值(3 520 m3/s),這對四大家魚產(chǎn)卵規(guī)模的增加是不利的。

表3 丹江口水庫運(yùn)行前后沙洋站高流量脈沖特征值

為刺激四大家魚產(chǎn)卵行為以及增加其產(chǎn)卵規(guī)模,恢復(fù)漢江下游河段高流量脈沖過程,推薦丹江口水庫至少實施2次生態(tài)調(diào)度。由于每年產(chǎn)卵觸發(fā)信號對于產(chǎn)漂流性卵魚類十分重要,故推薦在5月上旬開始進(jìn)行第1次生態(tài)調(diào)度,通過模擬河流自然漲水過程向四大家魚釋放產(chǎn)卵信號,促進(jìn)親魚性腺成熟;第2次生態(tài)調(diào)度在6月中旬實施,通過水庫調(diào)節(jié)塑造高流量脈沖,進(jìn)一步促進(jìn)四大家魚大規(guī)模自然產(chǎn)卵繁殖。具體地,在四大家魚產(chǎn)卵期丹江口水庫擇機(jī)開展生態(tài)調(diào)度,增加出庫流量,提高漢江下游的日流量上漲率和持續(xù)時間,要求高流量(大于1 310 m3/s)天數(shù)至少有3 d,流量上漲率在287～753 m3/(s·d),且峰值達(dá)到3 520 m3/s。參考沙洋站天然時期高流量的重要特征值,在產(chǎn)卵期增設(shè)2次高流量脈沖過程(見表4)。

表4 漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期高流量脈沖推薦值

3.4 討 論

3.4.1與Tennant法結(jié)果比較

Tennant法為目前國外廣泛應(yīng)用的水文學(xué)方法,該方法以河流多年平均流量為基礎(chǔ),分析不同百分比的多年平均流量條件下河流棲息地狀態(tài)?；跅⒌啬M得到的漢江下游仙桃段生態(tài)流量推薦值及與Tennant法的對比見表5。結(jié)果表明,棲息地法推求的產(chǎn)卵期最小和適宜生態(tài)流量分別處于Tennant法的“最佳”和“超過最大”等級,生長期最小和適宜生態(tài)流量分別對應(yīng)Tennant法的“好”和“最大”等級,有利于重點(diǎn)考慮維持四大家魚自然繁殖的需要,并能兼顧幼魚生長發(fā)育的需求。因此,本文提出的最小和適宜生態(tài)流量推薦值基本滿足研究河段四大家魚產(chǎn)卵場修復(fù)以及生態(tài)調(diào)度的實際需要。

表5 基于棲息地模擬得到的仙桃段生態(tài)流量推薦值及與Tennant法比較

3.4.2在實際中的驗證

在2018年6月12日,漢江中下游開展梯級聯(lián)合生態(tài)調(diào)度試驗,創(chuàng)造了一次歷時3 d、流量日漲幅為400～1 000 m3/s的高流量脈沖[29],汪登強(qiáng)等[20]于2018年在漢川河段監(jiān)測到四大家魚卵苗在流量為1 800～3 300 m3/s時急劇增加,這表明該次生態(tài)調(diào)度塑造的高流量脈沖能夠有效促進(jìn)四大家魚產(chǎn)卵。張曉敏等[30]于2007年在沙洋站監(jiān)測到四大家魚在流量為900～2 500 m3/s和2 000～8 000 m3/s時有產(chǎn)卵行為,并監(jiān)測到4個達(dá)到6 000 m3/s的洪峰,四大家魚僅在第一個漲洪階段進(jìn)行產(chǎn)卵,說明流量持續(xù)過大也不利于四大家魚產(chǎn)卵。由于梯級水庫建成,漢江中下游魚類繁殖較建壩前推遲了20 d以上,導(dǎo)致四大家魚在5月基本不產(chǎn)卵。為刺激四大家魚產(chǎn)卵,汪登強(qiáng)等[20]認(rèn)為漢江下游流量日均漲幅要達(dá)到500 m3/s以上,持續(xù)時間不小于5 d;張輝等[19]則認(rèn)為流量日均漲幅在139.1～534.8 m3/s之間,調(diào)度持續(xù)時間不小于5 d。本文參照沙洋站天然時期的徑流過程,提出維持四大家魚繁殖的高脈沖流量日均漲幅要求達(dá)到287～753 m3/s,漲水時間不小于3 d。因此,本文給出的產(chǎn)卵期生態(tài)流量推薦值及高流量脈沖能較好滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖的需求。

3.4.3生態(tài)流量滿足率分析

研究時段內(nèi)滿足生態(tài)流量的天數(shù)占研究時段總天數(shù)的百分比為生態(tài)流量滿足率,它可以反映氣候變化特別是人類活動對河流生態(tài)流量的影響。本文利用1964～2017年沙洋站日平均流量資料分析漢江下游生態(tài)流量滿足率,結(jié)果見圖10。

圖10 沙洋站四大家魚產(chǎn)卵期與生長期的生態(tài)流量滿足率

由圖10可見,產(chǎn)卵期(5～8月)最小和適宜生態(tài)流量滿足率分別為54.84%和9.79%,說明在產(chǎn)卵期,有54.84%的時段能滿足四大家魚產(chǎn)卵行為的最低需求,9.79%的時段為四大家魚產(chǎn)卵提供適宜的生境條件;生長期(9月～11月)最小和適宜生態(tài)流量滿足率分別為98.94%和49.45%。由此來看,產(chǎn)卵期生態(tài)流量滿足率較低,因此有必要實施生態(tài)調(diào)度提高產(chǎn)卵期的生態(tài)流量滿足率,為四大家魚產(chǎn)卵創(chuàng)造良好的條件;而在生長期,最小生態(tài)流量滿足率接近100%,但在1966年和1997年沒有達(dá)到100%,且最小生態(tài)流量滿足率在下降,即枯水年份的干旱程度呈現(xiàn)增加趨勢,未來需在枯水年份對四大家魚生長期進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。

4 結(jié) 論

本文以丹江口等梯級水庫影響下的漢江下游河道為例,選取四大家魚為指示物種,構(gòu)建了漢江下游棲息地模型,提出了維持四大家魚產(chǎn)卵期和生長期需求的生態(tài)流量及高流量脈沖,得到以下主要結(jié)論:

(1) 采用River 2D模型建立了棲息地面積與流量的響應(yīng)關(guān)系,提出了漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期最小和適宜生態(tài)流量分別為1 310,3 520 m3/s;生長期最小和適宜生態(tài)流量分別為441,1 520 m3/s。

(2) 參照漢江下游天然時期水文情勢的關(guān)鍵特征值,提出四大家魚產(chǎn)卵期需要至少2次高流量脈沖,其高流量(大于1 310 m3/s)持續(xù)漲水時間在3 d以上,流量日均漲幅達(dá)到287～753 m3/s,且峰值流量需達(dá)到3 520 m3/s,以刺激四大家魚大規(guī)模自然產(chǎn)卵繁殖。

(3) 與Tennant法和實際生態(tài)監(jiān)測結(jié)果比較,本文提出的生態(tài)流量推薦值和高流量脈沖能較好滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖的需要;對比歷史實測流量過程,四大家魚生長期生態(tài)流量滿足率相對較高,而產(chǎn)卵期滿足率明顯不足,需要進(jìn)一步加強(qiáng)漢江中下游梯級水利樞紐的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度,塑造維持四大家魚自然繁殖的適宜生態(tài)流量和高流量脈沖。