基于棲息地法的水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場生態(tài)流量及調(diào)控策略研究

摘要：揭示水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜性變化的規(guī)律，確定水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場棲息地生態(tài)流量閾值及保護(hù)調(diào)控的方法，為魚類產(chǎn)卵場棲息地保護(hù)提供參考與借鑒。以三峽變動回水區(qū)的廣陽-石沱江段為研究區(qū)域，選取四大家魚、銅魚、長鰭吻鮈、圓筒吻鮈和中華金沙鰍等8種產(chǎn)漂流性卵魚類為研究對象，通過魚類產(chǎn)卵場棲息地模擬，在耦合8種魚類生態(tài)需求的基礎(chǔ)上計算生態(tài)流量閾值，并制定相應(yīng)的調(diào)控策略。結(jié)果表明，三峽水庫在145、150、155、160、165 m和天然情形下變動回水區(qū)最小生態(tài)流量分別為：6 543、7 130、9 943、13 713、17 603、6 106 m3/s；最大生態(tài)流量分別為：17 028、17 526、23 110、28 291、29 858、15 753 m3/s；最適生態(tài)流量分別為10 002、10 916、14 479、18 810、23 226、9 365 m3/s，上、下閾值分別為13 515、14 221、18 794、23 550、26 542、12 559 m3/s；8 272、9 023、12 211、16 262、20 414、7 736 m3/s。流量較小時，一定流量范圍內(nèi)，降低水位有利于增加加權(quán)可利用面積（AWU）；流量較大時，流量增加到一定值后，增加水位有利于增加AWU；而流量在兩者之間時，可參考研究結(jié)果中的水位及生態(tài)流量閾值進(jìn)行調(diào)控決策。

關(guān)鍵詞：棲息地法；三峽水庫變動回水區(qū)；生態(tài)流量；調(diào)控策略；廣陽-石沱江段

中圖分類號：TV213.4；X143" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2024）05-0085-12

生態(tài)流量研究是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、合理開發(fā)、高效利用和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性工作，也是維持生態(tài)平衡、優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)、增加生物多樣性、改善生態(tài)系統(tǒng)、擴(kuò)大生物生存空間、實現(xiàn)水資源合理利用的保障。現(xiàn)有的生態(tài)流量求解方法主要有4種，即水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體法（Baruah et al，2023；Luo et al，2023）。傳統(tǒng)的水文學(xué)法求解生態(tài)流量缺乏生態(tài)學(xué)意義，水力學(xué)法只能求解最小生態(tài)基流，整體法則存在過于復(fù)雜和適用性差的問題（趙越等，2013；易燃等，2023）。因此，生態(tài)意義明確的棲息地法逐漸成為生態(tài)流量研究的熱點(diǎn)。棲息地法耦合水動力和棲息地模型進(jìn)行生態(tài)流量求解（白鳳朋等，2024），在全球得到了廣泛應(yīng)用，如Johnson等（2017）在印度戈達(dá)瓦里河的研究，Seung和Sung（2019）在韓國內(nèi)城川河的研究，Duffin等（2023）在美國萊姆哈伊河的研究，費(fèi)啟航等（2023）在漢江下游的研究，張輝等（2022）在漢江中下游的研究，蔣任飛等（2018）在西南某流域的研究，張蕾等（2023）在北京清河的研究。但這些都是針對天然河道、單魚種生態(tài)流量的研究，而針對多魚種的水庫變動回水區(qū)生態(tài)流量的研究卻未見報道。水庫的建設(shè)和運(yùn)行往往會對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，特別是變動回水區(qū)，水庫變動回水區(qū)指水庫最高水位回水末端和最低水位回水末端之間的河段，這一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和魚類產(chǎn)卵場受到水庫調(diào)度運(yùn)行的直接影響（楊志等，2023），因此，研究該區(qū)域的生態(tài)流量及調(diào)控策略對于維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定具有重要意義。

三峽庫區(qū)涪陵以上變動回水區(qū)江段產(chǎn)漂流性卵魚類自然繁殖的實現(xiàn)與該區(qū)域適宜的產(chǎn)卵場棲息地及其形成密切相關(guān)，但在長江上游梯級水電站建設(shè)運(yùn)行背景下，上游來水情況會發(fā)生一定程度的改變，而這種改變與三峽水庫的運(yùn)行形成復(fù)雜的綜合效應(yīng)，從而對產(chǎn)漂流性卵魚類在庫區(qū)涪陵以上江段內(nèi)的產(chǎn)卵場棲息地造成明顯影響（Xiao et al，2022）。這些魚類性腺發(fā)育的成熟、產(chǎn)卵活動的發(fā)生以及魚卵的漂流孵化通常需要適宜的棲息地環(huán)境，而這些棲息地環(huán)境容易受上下游水庫調(diào)度運(yùn)行的影響（楊志等，2023）。如何通過生態(tài)調(diào)度調(diào)控策略恢復(fù)或增加產(chǎn)漂流性卵魚類在變動回水區(qū)適宜產(chǎn)卵場棲息地面積，進(jìn)而緩解金沙江下游梯級水庫以及三峽水庫運(yùn)行對三峽水庫變動回水區(qū)產(chǎn)漂流性卵魚類自然繁殖的影響是目前亟需解決的問題。

針對上述問題，本研究以三峽水庫變動回水區(qū)重慶南岸區(qū)廣陽鎮(zhèn)-涪陵區(qū)石沱鎮(zhèn)江段為研究區(qū)，通過典型產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵場棲息地模擬計算，在耦合8種產(chǎn)漂流性卵魚類生態(tài)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)流量閾值計算，并制定相應(yīng)調(diào)控策略。主要采用模糊邏輯法進(jìn)行不同上游流量和下游水庫水位狀況下產(chǎn)卵場棲息地模擬；通過棲息地法求解單魚種生態(tài)流量，結(jié)合優(yōu)勢度模型和熵權(quán)法求解多魚種最適生態(tài)流量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)流量閾值求解；在不同上游流量和下游水庫水位狀況下，進(jìn)行水庫變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地保護(hù)調(diào)控策略制定。擬為水庫變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地保護(hù)及水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度提供參考與借鑒。

1" "材料與方法

1.1" "研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為三峽變動回水區(qū)的廣陽-石沱江段，該河段長50 km左右（圖1）。根據(jù)寸灘水文站1950-2022年監(jiān)測資料，研究區(qū)域4-7月的多年平均流量為12 425 m3/s，最小日平均流量為2 380 m3/s，最大日平均流量為84 300 m3/s。另據(jù)水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所的資料，廣陽-石沱江段是長江四大家魚、銅魚、圓筒吻鮈等產(chǎn)漂流性卵魚類的典型產(chǎn)卵江段，也是三峽大壩調(diào)度運(yùn)行影響較大的江段。由于大壩的建設(shè)運(yùn)行使得原先在近壩江段產(chǎn)卵的魚類，在回水區(qū)容易形成新的產(chǎn)卵場，每年都能采集到來自廣陽-石沱江段產(chǎn)漂流性卵魚類的卵和苗。該段同時受向家壩泄水和三峽水位調(diào)控的影響，能夠較靈敏準(zhǔn)確地反映上下游梯級不同調(diào)度策略對回水區(qū)魚類、尤其是產(chǎn)漂流性卵魚類的影響。

1.2" "產(chǎn)卵場棲息地模擬及生態(tài)流量求解

1.2.1" "目標(biāo)物種選擇" "結(jié)合三峽建庫前后變動回水區(qū)江段歷史魚類早期資源和魚類資源監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取青魚（Mylopharyngodon piceus）、草魚（Ctenopharyngodon idella）、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）、銅魚（Coreius heterodon）、長鰭吻鮈（Rhinogobio ventralis）、圓筒吻鮈（Rhinogobio cylindricu ）和中華金沙鰍（Jinshaia sinensis）進(jìn)行研究。這些都是產(chǎn)漂流性卵魚類，成熟親魚的排卵受精活動，需要合適的環(huán)境條件及其變化所刺激，魚卵孵化與發(fā)育也需要一定流速和水深的水體環(huán)境，其自然繁殖需要特定的產(chǎn)卵場棲息地條件（易燃1.2.2" "水動力學(xué)模擬" "模擬計算江段為廣陽-石沱江段，在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，通過交替隱式法ADI對設(shè)定坐標(biāo)系下的控制方程組進(jìn)行離散求解，在忽略垂向加速度影響的前提下，推導(dǎo)出靜水壓強(qiáng)假定下的水流方程（喬飛等，2017）。初始條件包括各計算節(jié)點(diǎn)的地形高程、坐標(biāo)、河道粗糙度及計算河段的設(shè)定等，邊界條件包括入流初始水位、入流流量及水深、出流邊界水位等。采用貼體網(wǎng)格生成技術(shù)對模擬江段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后，模擬江段的網(wǎng)格總量為950×30，其中沿河流流動方向的縱向網(wǎng)格有950個，沿河流寬度方向的橫向網(wǎng)格有30個。考慮到研究區(qū)域魚類產(chǎn)卵繁殖期的4-7月三峽水庫實際運(yùn)行水位基本上在145～165 m，所以，基于三峽水庫145、150、155、160和165 m水位和天然（建壩前）情況，分別計算不同流量條件下廣陽-石沱江段二維水動力過程。水文數(shù)據(jù)來源于水文年鑒。

1.2.3" "物理棲息地模擬" "采用模糊邏輯方法計算產(chǎn)卵場棲息地適宜度，并與水力學(xué)模型耦合進(jìn)行物理棲息地模擬，分析上游不同流量和下游不同水位工況下、不同魚類在產(chǎn)卵期的三峽變動回水區(qū)棲息地適宜性變化狀況?；趯＜曳治?、現(xiàn)場試驗及文獻(xiàn)分析建立模糊隸屬函數(shù)及規(guī)則。隸屬度采用0和1之間的實數(shù)反映元素從屬于模糊集合的程度，隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)和梯形函數(shù)，模糊邏輯推理采用最大-最小值推理法（趙越等，2013），并采用重心法進(jìn)行去模糊化。水深的語言變量采用淺（L）、中（M）和深（H）；流速的語言變量有慢（L）、中（M）、快（H）和很快（VH）；適宜度的設(shè)置依次由0（不適應(yīng)）到1（很適應(yīng)），其語言變量值為差（L）、中（M）、好（H）、很好（VH）（易燃等，2024）。由于四大家魚、銅魚、長鰭吻鮈和圓筒吻鮈繁殖期對流速較敏感，因此將流速設(shè)置了4個語言變量值，將中華金沙鰍的流速設(shè)置了3個語言變量值（趙越等，2013；Lv et al，2023；易燃等，2024），各語言變量值的隸屬函數(shù)和模糊推理規(guī)則如圖2、表1和表2所示。各語言變量值的隸屬函數(shù)以及模糊推理規(guī)則確定后，即可進(jìn)行模糊化、模糊邏輯推理和去模糊化，來計算棲息地各單元的適宜度（易燃等，2024），進(jìn)而分析研究區(qū)域適宜性的變化情況。

根據(jù)水力學(xué)模型計算不同流量條件下研究河段的流速和水深分布，由模糊邏輯方法計算出各點(diǎn)流速和水深對應(yīng)的棲息地適應(yīng)度指數(shù)，最后計算出整個棲息地的加權(quán)可利用面積AWU（m2），計算公式為（易燃等，2024）：

AWU = [F[Vi，Di，Ci]] [×] [Ai] ①

式中：[F[]]為第i分區(qū)的組合適宜度因子（combined suitability factor，CSF）；[Ai]為研究河段第i分區(qū)（第i個網(wǎng)格）的水域面積（m2）；[Vi]、[Di]、[Ci]分別為第i分區(qū)的流速（m/s）、水深（m）和河床底質(zhì)指標(biāo)，[F[]]由流速和水深的模糊邏輯規(guī)則算得，其中流速和水深指標(biāo)值指研究河段劃分的第i個網(wǎng)格中心點(diǎn)的模擬值（李建和夏自強(qiáng)，2011）。研究區(qū)域的底質(zhì)和水質(zhì)狀況良好，只考慮水深和流速的影響（李建和夏自強(qiáng)，2011；Yang et al，2021；李福霜等，2023）。

由公式①計算得到不同流量和三峽水位下各魚種產(chǎn)卵場棲息地的加權(quán)可利用面積AWU，從而繪制流量（Q）與AWU的關(guān)系曲線圖，并以曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的流量，為各魚種產(chǎn)卵最適生態(tài)流量（易燃等，2024）。

1.3" "基于改進(jìn)優(yōu)勢度模型的生態(tài)流量計算及生態(tài)流量閾值

本研究在Zhao等（2014）提出的優(yōu)勢度模型的基礎(chǔ)上，加入了出現(xiàn)頻率因子，并采用改進(jìn)的優(yōu)勢度模型耦合多魚種流量需求。本研究改進(jìn)的優(yōu)勢度模型綜合考慮了水生生物的數(shù)量、生物量和出現(xiàn)頻率對群落結(jié)構(gòu)的影響，用這3個因素衡量了一個物種對于生態(tài)系統(tǒng)的重要程度，模型（張遠(yuǎn)等，2017；易燃等，2024）為：

ωi = Im = [?]1Pa + [?]2Pb + [?]3Pf" ②

式中：ωi為第i種魚類在研究區(qū)域內(nèi)權(quán)重，本文采用優(yōu)勢度指數(shù)Im作為ωi的值，該指數(shù)越大，指示物種對群落的貢獻(xiàn)越大（張遠(yuǎn)等，2017）；Pa、Pb和Pf分別為代表物種數(shù)量、生物量占群落總體的比例和魚種出現(xiàn)頻率；[?]1、[?]2和[?]3分別為數(shù)量、生物量和出現(xiàn)頻率的權(quán)重系數(shù)，本研究采用熵權(quán)法求解（張遠(yuǎn)等，2017）。

根據(jù)木洞1997-2002年4-6月魚類產(chǎn)卵期漁獲物采樣數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的優(yōu)勢度模型計算得到研究區(qū)域內(nèi)魚種優(yōu)勢度，利用該優(yōu)勢度作為物種對魚類群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定貢獻(xiàn)的權(quán)重，多魚種生態(tài)流量（易燃等，2024）計算式為：

Q = [ωiQi] （i = 1，2......，n）" ③

式中：Q為多魚種耦合后的最適生態(tài)流量，Qi為第i種魚類的最適生態(tài)流量，單位為m3/s。

對于常見生態(tài)流量閾值，則以多個產(chǎn)漂流性卵魚種最適生態(tài)流量解集中的最大值作為最大生態(tài)流量，以最小值作為最小生態(tài)流量，用最小生態(tài)流量和最適生態(tài)流量的均值為最適生態(tài)流量下閾值，用最大生態(tài)流量和最適生態(tài)流量的均值為最適生態(tài)流量上閾值（易燃等，2024）。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "水深、流速與目標(biāo)魚類適宜度關(guān)系

分別以流速和水深為X軸和Y軸，以計算得到的不同魚類的適宜度為Z軸繪制三維曲面圖，如圖3所示。從圖中可以看出，各魚種流速和水深過大或過小時，棲息地適宜度較差。對于四大家魚，當(dāng)流速為0.5～2.0 m/s，水深為2.0～17 m時適宜度較高；當(dāng)流速為0.8～1.3 m/s，水深為6～15 m時適宜度最高。銅魚在流速為0.8～2.4 m/s，水深為1.2～16 m時適宜度較高；當(dāng)流速為1.2～2.2 m/s，水深為5.5～14 m時適宜度最高。長鰭吻鮈在流速為0.6～1.6 m/s，水深為0.8～11.7 m時適宜度較高；當(dāng)流速為0.9～1.2 m/s，水深為4.5～8 m時適宜度最高。圓筒吻鮈在流速為0.5～1.5 m/s，水深為1.2～16 m時適宜度較高；當(dāng)流速為0.8～1.3 m/s，水深為5.5～14 m時適宜度最高。中華金沙鰍在流速為0.7～2.0 m/s，水深為3～17 m時適宜度較高；當(dāng)流速為1.1～1.7 m/s，水深為6～14 m時適宜度最高。

2.2" "單魚種生態(tài)流量

因寸灘水文站1950-2022年4-7月的月均流量為4 771～23 875 m3/s，故以2 630～53 600 m3/s（涵蓋歷年實際月均流量范圍）的不同流量輸入模型進(jìn)行水動力、棲息地模擬計算，得到不同流量和三峽水位下各魚種產(chǎn)卵場棲息地的加權(quán)可利用面積（AWU），并繪制流量（Q）與AWU的關(guān)系圖，從而得到各魚種產(chǎn)卵最適生態(tài)流量。單魚種最適生態(tài)流量的求解作為多魚種生態(tài)流量閾值求解的基礎(chǔ)，如圖4（以銅魚各工況下典型流量為例）、圖5及表3所示。在145 m水位時，四大家魚、銅魚、長鰭吻鮈、圓筒吻鮈和中華金沙鰍產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：6 596、17 028、6 639、6 543、8 173 m3/s；150 m水位時，上述魚類產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：7 130、17 526、7 616、7 445、10 241 m3/s；155 m水位時，產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：9 997、23 110、11 046、9 943、11 937 m3/s；160 m水位時，產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：13 713、28 291、14 660、13 848、16 685 m3/s；165 m水位時，產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：25 943、29 858、19 008、17 603、19 675 m3/s；三峽天然水位時，產(chǎn)卵場最適生態(tài)流量分別為：6 180、15 753、6 217、6 106和8 056 m3/s。

2.3" "耦合多魚種生態(tài)流量

由改進(jìn)的優(yōu)勢度模型方法，結(jié)合熵權(quán)法計算得到四大家魚、銅魚、長鰭吻鮈、圓筒吻鮈和中華金沙鰍的優(yōu)勢度分別為0.1557、0.3036、0.2062、0.1827和0.1518，結(jié)合各魚種在三峽不同運(yùn)行水位的最適生態(tài)流量，由公式③求得三峽水庫在145、150、155、160、165 m和天然情形下變動回水區(qū)最適生態(tài)流量分別為10 002、10 916、14 479、18 810、23 226、9 365 m3/s。各工況最小生態(tài)流量分別為：6 543、7 130、9 943、13 713、17 603、6 106 m3/s，最大生態(tài)流量分別為：17 028、17 526、23 110、28 291、29 858、15 753 m3/s；各工況最適生態(tài)流量上、下閾值分別為13 515、14 221、18 794、23 550、26 542、12 559 m3/s；8 272、9 023、12 211、16 262、20 414、7 736 m3/s（表4）。

2.4" "水庫變動回水區(qū)調(diào)控策略

流量較小時，一定流量范圍內(nèi)降低水位有利于增加AWU；流量較大時，流量增加到一定值后，增加水位有利于增加AWU；而流量在兩者之間時，可參考本研究的水位及生態(tài)流量閾值進(jìn)行調(diào)控決策。例如，4月份，三峽水位一般在160～165 m，變動回水區(qū)流量一般低于本研究流量閾值區(qū)間，可降低水位在160 m左右運(yùn)行；5月份，三峽水位一般在150～160 m，可控制上游梯級下泄流量，保證變動回水區(qū)流量在9 023～23 550 m3/s，如流量較小或較大，則可控制變動回水區(qū)流量在7 130～28 291 m3/s，同時控制水位到對應(yīng)閾值區(qū)間；如流量更小或更大，則控制流量向生態(tài)流量閾值區(qū)間靠攏，同時可降低水位在150 m或升高水位在160 m左右。6月份三峽水位一般在145～150 m，可控制上游梯級下泄流量，保證變動回水區(qū)流量在8 272～14 221 m3/s，如流量較小或較大，則可控制變動回水區(qū)流量在6 543～17 526 m3/s，同時控制水位到對應(yīng)閾值區(qū)間；如流量更小或更大，則控制流量向生態(tài)流量閾值區(qū)間靠攏，同時可降低水位在145 m或升高水位在150 m左右。7月份三峽水位一般在145～160 m，可控制上游梯級下泄流量，保證變動回水區(qū)流量在8 272～23 550 m3/s，如流量較小或較大，則可控制變動回水區(qū)流量在6 543～28 291 m3/s，同時控制水位到對應(yīng)閾值區(qū)間；如流量更小或更大，則控制流量向生態(tài)流量閾值區(qū)間靠攏，同時可降低水位在145 m或升高水位在160 m左右。6、7 月份三峽水庫在145 m水位運(yùn)行時，可控制上游梯級下泄流量，保證變動回水區(qū)流量在8 272～13 515 m3/s；如流量較小或較大，則可控制變動回水區(qū)流量在6 543～17 028 m3/s；如流量更小或更大，則控制流量向生態(tài)流量閾值區(qū)間靠攏。

3" "討論

3.1" "三峽水庫變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地適宜性變化規(guī)律

三峽水庫變動回水區(qū)是長薄鰍、長鰭吻鮈等國家重點(diǎn)保護(hù)魚類，圓筒吻鮈、中華金沙鰍等長江上游特有魚類以及四大家魚、銅魚等重要種質(zhì)資源魚類的產(chǎn)卵場棲息地。在不同上游來水條件下，三峽水庫調(diào)度運(yùn)行會對變動回水區(qū)的水文水動力學(xué)條件產(chǎn)生顯著影響，典型產(chǎn)漂流性卵魚類原有產(chǎn)卵場棲息地被損壞，同時形成了新的產(chǎn)卵場棲息地，進(jìn)而影響典型產(chǎn)漂流性卵魚類在該區(qū)域的產(chǎn)卵場棲息地適宜性。在三峽水庫變動回水區(qū)，水深與流速是影響魚類棲息地選擇的關(guān)鍵生境因子（Keller et al，2019；Parsapour-Moghaddam et al，2019；徐觀兵，2022），也是影響三峽水庫變動回水區(qū)魚類群落的主要因素（Kennard et al，2007；Yang et al，2021），故采用流速和水深這2個指標(biāo)進(jìn)行典型產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜性研究。流速增加水體溶解氧、刺激魚類產(chǎn)卵與孵化、并能促進(jìn)胚胎發(fā)育（柴凱，2023），水深為魚類繁殖提供適宜的空間（陳明千等，2013），魚種的繁殖、魚卵的孵化都需要特定的水深（俞立雄，2018；鄔鑫，2023）。通過適宜性空間分布云圖及流量與AWU曲線圖（圖5）可知，庫尾變動回水區(qū)同樣具備適宜產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的水文、水動力條件。該區(qū)流速、水深受入庫流量和水庫水位調(diào)度的雙重影響，分析不同來流量與水庫水位狀況組合可評估典型產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜性，并制定棲息地重塑和修復(fù)的調(diào)控策略（李福霜等，2023）。

在三峽水位相同時，流量的增大使得流速、水深更加適宜典型產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵，因此AWU隨流量增大而增大；而流量升至最適生態(tài)流量后，過大的流量導(dǎo)致流速水深已經(jīng)超過了典型產(chǎn)漂流性卵魚類適宜產(chǎn)卵閾值區(qū)間，故AWU隨流量增大而減小。流量較小時，在一定流量范圍內(nèi)，相同流量條件下，三峽水位越低AWU值越高，此時，水庫回水末端相對靠近上游且回水對產(chǎn)卵場棲息地的影響相對較大，水庫水位越低，淹沒的變動回水區(qū)域越少，從而使得類似天然河道的變動回水區(qū)更加適宜典型產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵。流量較大時，當(dāng)超過一定流量后，相同流量條件下，三峽水位越高AWU值越高。AWU的最大值對應(yīng)的流量即最適生態(tài)流量則隨水位的增加而增大，而本研究生態(tài)流量閾值也隨水位的增加而增大。原因在于當(dāng)流量足夠大時，流速是限制魚類產(chǎn)卵繁殖適宜性的限制因子，而水位越高流速相對更小，于是魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜度值相對較大，故而AWU值越高。

3.2" "水庫變動回水區(qū)生態(tài)流量與調(diào)控策略

對于上游沒有水庫的變動回水區(qū)，其流量為天然河道入流，魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜性的調(diào)控，只需根據(jù)來流情況，調(diào)控下游水庫水位到適宜的閾值范圍內(nèi)即可。流量較小時，一定流量范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低水庫水位來增大AWU值；當(dāng)流量足夠大時，可以適當(dāng)升高水庫水位來增大AWU值；而流量在兩者之間時，則參考生態(tài)流量閾值區(qū)間調(diào)控相應(yīng)的水位在對應(yīng)的閾值區(qū)間。在上游有水庫存在的情形下，水庫變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地既受上游水庫來流影響，又受下游庫區(qū)水位的頂托作用。當(dāng)下游水庫水位具備調(diào)度空間時，流量較小時，一定流量范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低水庫水位來增大AWU值；當(dāng)流量足夠大時，可以適當(dāng)升高水庫水位來增大AWU值；而流量在兩者之間時，可參考本研究的水位及生態(tài)流量閾值進(jìn)行調(diào)控決策。當(dāng)下游水庫根據(jù)調(diào)度規(guī)程需要控制到一定范圍水庫水位時，可對照不同水位范圍下生態(tài)流量需求，優(yōu)先將產(chǎn)卵場棲息地流量控制在求得的最適生態(tài)流量閾值范圍內(nèi)；如流量較小或較大可將產(chǎn)卵場棲息地流量控制在求得的最大最小生態(tài)流量閾值范圍內(nèi)；如流量更小或更大，則控制流量向生態(tài)流量閾值區(qū)間靠攏，同時降低或升高水位在對應(yīng)閾值附近。因此，針對變動回水區(qū)的魚類產(chǎn)卵場棲息地適宜性調(diào)控，分析流量-水位-AWU-生態(tài)流量閾值的關(guān)系，制定不同流量水位情形的調(diào)控策略，結(jié)果可準(zhǔn)確反映產(chǎn)卵場棲息地適宜性對水庫調(diào)度的響應(yīng)，也能為水庫生態(tài)調(diào)度提供必要參考。

現(xiàn)有的棲息地法求解變動回水區(qū)生態(tài)流量閾值僅僅基于單魚種的求解，如李福霜等（2023）、Xiao等（2022）的研究，本研究則采用改進(jìn)棲息地法基于多魚種進(jìn)行，求解的生態(tài)流量閾值對生態(tài)系統(tǒng)需求的反映更加客觀，具備較強(qiáng)的生態(tài)意義。本文研究成果可以用于其他河道型水庫中，特別是在有魚類產(chǎn)卵場分布的變動回水區(qū)，這些水庫通常都表現(xiàn)出棲息地適宜性對來流和水庫水位變化響應(yīng)顯著的特性，這種特性使得這些水庫在生態(tài)調(diào)度方面具有更大的復(fù)雜度和靈活性，同時也蘊(yùn)含較大的調(diào)度空間和潛力。通過合理的生態(tài)調(diào)度措施，可以更有效地塑造和恢復(fù)產(chǎn)卵場棲息地條件。因此，對于在變動回水區(qū)有產(chǎn)卵場分布的水庫，想要通過優(yōu)化調(diào)控策略實現(xiàn)重塑和修復(fù)產(chǎn)卵場的目的，可以借鑒本研究提出的產(chǎn)卵場棲息地重塑目標(biāo)生態(tài)流量和水位閾值區(qū)間，并明確相應(yīng)的生態(tài)調(diào)度措施，包括調(diào)整水庫的蓄泄水計劃、調(diào)度運(yùn)行方案以及可能的泄洪計劃，以營造適宜的水流條件，從而創(chuàng)造適合魚類產(chǎn)卵的棲息地環(huán)境。然而，需要指出的是，本研究確定的產(chǎn)卵場棲息地適宜區(qū)間主要考慮了水動力條件中的流速和水深2個因素，在實際調(diào)控策略制定中，水溫、水質(zhì)、漲水過程及漲水頻率等其他指標(biāo)也是影響魚類產(chǎn)卵的重要因素，它們在水庫調(diào)度運(yùn)行中的影響同樣需要充分考慮。因此，后續(xù)研究可以將這些指標(biāo)納入進(jìn)行深入分析，以更全面地評估和優(yōu)化生態(tài)調(diào)度措施，而除產(chǎn)漂流性卵魚類自然繁殖階段外，魚類其他關(guān)鍵生活史階段的棲息地適宜性也需進(jìn)行重塑與修復(fù)（Liu et al，2021；魯蕓等，2023；Lv et al，2023）。此外，不同水庫的地理位置、氣候條件、水庫規(guī)模、魚類種類和生態(tài)調(diào)度需求都存在差異，因此在制定具體的生態(tài)調(diào)度方案時，需要充分考慮這些差異，并結(jié)合實際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化（戴凌全，2021；李福霜等，2023）。同時，還需要加強(qiáng)生態(tài)調(diào)度效果監(jiān)測評估工作，以及時調(diào)整生態(tài)調(diào)度方案使其適應(yīng)變化的環(huán)境條件。當(dāng)然，也需考慮水庫防洪、發(fā)電、航運(yùn)等效益以充分發(fā)揮水庫群的綜合效益。

4" "結(jié)論

（1）基于棲息地法研究結(jié)果，三峽水庫在145、150、155、160、165 m和天然情形下變動回水區(qū)最適生態(tài)流量分別為10 002、10 916、14 479、18 810、23 226、9 365 m3/s；最小生態(tài)流量分別為：6 543、7 130、9 943、13 713、17 603、6 106 m3/s；最大生態(tài)流量分別為：17 028、17 526、23 110、28 291、29 858、15 753 m3/s；最適生態(tài)流量上、下閾值分別為13 515、14 221、18 794、23 550、26 542、12 559 m3/s；8 272、9 023、12 211、16 262、20 414、7 736 m3/s。

（2）對三峽水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場棲息地，相同水位情況下，AWU隨流量變化先增大后減??；流量較小時，在一定流量范圍內(nèi)，相同流量條件下，三峽水位越低AWU值越高；流量較大時，當(dāng)超過一定流量后，三峽水位越高AWU值越高；AWU最大值對應(yīng)的流量即最適生態(tài)流量，隨三峽水位的升高而增大，而本研究生態(tài)流量閾值也隨三峽水位的增加而增大。流量較小時，一定流量范圍內(nèi)降低下游水庫水位有利于增加AWU；流量較大時，流量增加到一定值后，增加下游水庫水位有利于增加AWU；而流量在兩者之間時，可參考本研究的水位及生態(tài)流量閾值進(jìn)行調(diào)控決策。

（3）水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場棲息地保護(hù)調(diào)控可參照本文分不同上游流量、下游水庫水位工況進(jìn)行水動力和棲息地模擬，并改進(jìn)優(yōu)勢度模型求解不同工況下的生態(tài)流量閾值，在此基礎(chǔ)上制定變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地調(diào)控決策方案。本文研究具有較好的調(diào)度靈活性及適用性，可為河道型水庫變動回水區(qū)產(chǎn)卵場棲息地保護(hù)提供一定參考與借鑒。

參考文獻(xiàn)

白鳳朋，" 任玉峰，" 梅杰，" 等，" 2024. 2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度對四大家魚生境面積的影響[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志，" 45（1）：112-119.

柴凱，" 2023. 水位及流速對典型黏性魚卵孵化效果影響研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué).

陳明千，" 脫友才，" 李嘉，" 等，" 2013.魚類產(chǎn)卵場水力生境指標(biāo)體系初步研究[J]. 水利學(xué)報，" 44（11）：1303-1308.

戴凌全，" 王煜，" 戴會超，" 等，" 2021. 金沙江下游向家壩水庫不同出庫流量對四大家魚生境面積影響的定量分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，" 34（7）：1710-1718.

費(fèi)啟航，" 彭濤，" 由星瑩，" 等，" 2023. 基于四大家魚棲息地模擬的漢江下游生態(tài)流量研究[J]. 人民長江，" 54（10）：35-43.

蔣任飛，" 王麗影，" 喬睿至，" 等，" 2018. 基于物理棲息地模型的梯級水庫優(yōu)化調(diào)度研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，" （6）：72-78.

李福霜，" 李洪，" 由麗華，" 等，" 2023. 水庫變動回水區(qū)魚類產(chǎn)卵場生境重塑的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，" （8）：70-76， 81.

李建，" 夏自強(qiáng)，" 2011. 基于物理棲息地模擬的長江中游生態(tài)流量研究[J]. 水利學(xué)報，" （6）：678-684.

魯蕓，" 吳紫涵，" 劉清園，" 等，" 2023. 基于魚類產(chǎn)卵需求的棲息地修復(fù)效果評價[J]. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，" 13（2）：733-741.

喬飛，" 鄭丙輝，" 雷坤，" 等，" 2017. 長江下游及河口區(qū)水動力特征[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，" 30（3）：389-397.

鄔鑫，" 2023. 三峽變動回水區(qū)典型河段魚類棲息地景觀格局研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué).

徐觀兵，" 2022. 三峽水庫變動回水區(qū)魚類生境特征及航道整治對其影響研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué).

楊志，" 龔云，" 胡挺，" 等，" 2023. 三峽庫區(qū)涪陵江段產(chǎn)漂流性卵魚類的早期資源及其對水文和水溫特征的響應(yīng)[J]. 湖泊科學(xué)，" 35（2）：586-600.

易燃，" 談廣鳴，" 常劍波，" 等，" 2023. 基于分布流量法的長江宜昌段生態(tài)需水研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電， （12）：94-102.

易燃，" 陶江平，" 楊志，" 等，" 2024. 改進(jìn)的棲息地法求解多種產(chǎn)漂流性卵魚類生態(tài)流量方法研究 [J/OL]. 中國農(nóng)村水利水電，" 1-15[2024-06-27]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1419.tv.20240614.1454.015.html.

俞立雄，" 2018. 長江中游四大家魚典型產(chǎn)卵場地形及水動力特征研究[D]. 重慶：西南大學(xué).

張輝，" 曾晨軍，" 李婷，" 等，" 2022. 基于四大家魚產(chǎn)卵需求的漢江中下游生態(tài)流量研究[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志，" 43（3）：1-8.

張蕾，" 于磊，" 曹文雪，" 等，" 2023. 基于二維棲息地模型模擬的北京清河魚類棲息分布研究[J]. 環(huán)境影響評價，" 45（5）：92-99， 106.

張遠(yuǎn)，" 趙長森，" 楊勝天，" 等，" 2017. 耦合多物種生態(tài)流速的生態(tài)需水計算方法[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），" （3）：337-343.

趙越，" 周建中，" 常劍波，" 等，" 2013. 模糊邏輯在物理棲息模擬中的應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，" （3）：427-435.

Baruah A，" Barman D，" Arjun B M，" et al，" 2023. Habitat response of adult fish species under the influence of ecological flow and hydrodynamic regime in perennial river system[J]. Ecohydrology，" 16（1）：2481.

Duffin J，" Yager E M，" Buffington J M，" et al，" 2023. Impact of flow regulation on stream morphology and habitat quality distribution[J]. Science of the Total Environment，" 878：163016.

Johnson J A，" Sivakumar K，" Rosenfeld J E，" 2017. Cological flow requirement for fishes of Godavari river： flow estimation using the PHABSIM method[J]. Current Science，" 113（11）：2187-2193.

Keller K，" Allsop Q，" Box J B，" et al，" 2019. Dry season habitat use of fishes in an Australian tropical river[J]. Scientific Reports，" （9）：5677.

Kennard M J，" Olden J D，" Arthington A H，" et al，" 2007. Multiscale effects of flow regime and habitat and their interaction on fish assemblage structure in eastern Australia[J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，" 64（10）：1346-1359.

Liu Q，" Zhang P，" Cheng B，" et al，" 2021. Incorporating the life stages of fish into habitat assessment frameworks： a case study in the Baihetan Reservoir[J]. Journal of Environmental Management，" 299（3/4）：113663.

Luo Z，" Zhang S，" Liu H，" et al，" 2023. Assessment of multiple dam- and sluice-induced alterations in hydrologic regime and ecological flow[J]. Journal of Hydrology，" 617：128960.

Lv Z H，" Wang G S，" Zhang P，" et al，" 2023. Optimizing flow regime for the four major Chinese carps by integrating habitat suitability within reservoir operation[J]. Journal of Hydrology，" 626：130226.

Parsapour-Moghaddam P，" Brennan C P，" Rennie C D，" et al，" 2019. Impacts of channel morphodynamics on fish habitat utilization[J]. Environmental Management，" 64（3）：272-286.

Seung K K，" Sung U C，" 2019. Comparison of environmental flows from a habitat suitability perspective： a case study in the Naeseong-cheon Stream in Korea[J]. Ecohydrology，" 12（6）：2119.

Xiao Y，" Deng J H，" Yang S F，" et al，" 2022. Study on the spawning habitat suitability of four major Chinese carps in the fluctuating backwater area of the Three Gorges Reservoir[J]. Ecological Indicators，" 143：109314.

Yang S F，" Xu G B，" Wang L，" et al，" 2021. Field-derived relationships between fish habitat distribution and flow-sediment conditions in fluctuating backwater zone of the Three Gorges Reservoir[J]. Ecological Informatics，" 62：101273.

Zhao C，" Sun C，" Liu C，" et al，" 2014. Analysis of regional zoobenthos status in the Huai River Basin，" China，" using two new ecological niche clustering approaches[J]. Ecohydrology，" 7（1）：91-101.

（責(zé)任編輯" "熊美華）

Ecological Flow and Control Strategies of Fish Spawning Grounds

in the Fluctuating Backwater Area of the Three Gorges Reservoir

YI Ran1， CHEN Xiao‐juan1， YANG Zhi1， TAO Jiang‐ping2， DAI Ling‐quan2， GAO Xing‐chen2，

LIU Hong‐gao1， ZHU Qi‐guang1， XU Wei1， CAO Jun1

（1. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem，

Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources and

Chinese Academy of Sciences， Hubei Engineering Research Center of Hydroecology Protection

and Restoration， Wuhan" "430079， P.R. China;

2. Yangtze Eco-environment Engineering Research Center， China Three Gorges Corporation，

Wuhan" "430014， P.R. China）

Abstract：This study identified changes in habitat suitability in the spawning grounds of the fluctuating backwater area of Three Gorges Reservoir （TGR）， and general methods for measuring ecological flow thresholds that protect spawning grounds. The aim of the research was to provide a reference for protecting spawning ground habitat in the fluctuating backwater area of reservoirs and ecological scheduling of reservoirs. The Guangyang-Shituo River section of the fluctuating backwater area in the Three Gorges Reservoir was selected for research， and is highly impacted by the operation of Three Gorges Dam. Eight typical fish species with drifting eggs were the research subjects， including the four major Chinese carps， Coreius heterodon， Rhinogobio ventralis， Rhinogobio cylindricu， and Jinshaia sinensis. Firstly， we calculated the ecological flow thresholds by simulating the habitats of fish spawning grounds and coupling the ecological needs of the eight fish species for spawning， and then regulation strategies were formulated." Results show that the minimum ecological flow at impoundment levels of 145， 150， 155， 160 and 165 m and natural condition were 6 543， 7 130， 9 943， 13 713， 17 603 and 6 106 m3/s， and the maximum ecological flow were 17 028， 17 526， 23 110， 28 291， 29 858 and 15 753 m3/s， respectively. The most suitable ecological flows for the four major Chinese carps， C. heterodon， R. ventralis， R. cylindricu， and J. sinensis at impoundment levels of 145， 150， 155， 160 and 165 m and natural condition were 10 002， 10 916， 14 479， 18 810， 23 226 and 9 365 m3/s， respectively， with the upper thresholds of the most suitable ecological flows of 13 515， 14 221， 18 794， 23 550， 26 542， 12 559 m3/s and lower thresholds of the most suitable ecological flows of 8 272， 9 023， 12 211， 16 262， 20 414， 7 736 m3/s. Furthermore， when the flow is small and within a certain flow range， lowering the water level is beneficial for increasing the weighted usable area （AWU）; When the flow is high， increasing the water level is beneficial for increasing AWU after the flow reaches a certain value; When the flow is between the two flows， the water level and ecological flow threshold in this study can be referred for regulatory decision-making.

Key words：habitat methods; fluctuating backwater area of Three Gorges Reservoir; ecological flow; regulatory strategy; Guangyang-Shituo River section