基于RIVER2D的西藏扎拉水電站減水河段生態(tài)流量模擬研究

馬俊超 范曉志 欒會

收稿日期：2023-09-15

作者簡介：

馬俊超，男，工程師，碩士，主要從事水文水資源及水生態(tài)環(huán)境工程方面的工作。E-mai：1109050661@qq.com

引用格式：

馬俊超，范曉志，欒會.

基于RIVER2D的西藏扎拉水電站減水河段生態(tài)流量模擬研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：116-120.

摘要：

為了量化扎拉水電站減水河段內魚類生長及繁殖所需的生態(tài)流量，以河道內的重點保護魚類鮡科魚類作為目標物種，采用水動力模型與棲息地模型耦合的RIVER2D模型，結合水深及流速兩個影響魚類生境的因子，推求各產卵區(qū)對應物種不同生命時期所需流量與可利用棲息地面積的關系曲線及分布圖。結果表明：鮡科魚類在4～9月的生長及繁殖期間適宜的生態(tài)流量范圍為22.0～33.0 m3/s。根據可利用棲息地二維分布圖可知，魚類有效棲息地集中分布在河道中心區(qū)域，流量增加后，有效棲息地由河道中間帶狀分布向河道兩邊延伸。研究成果可為鮡科魚類的保護及電站生態(tài)調度提供參考。

關鍵詞：

生態(tài)流量； RIVER2D模型； 物理棲息地； 可利用棲息地面積； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV11；P333

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.020

文章編號：1006-0081（2024）06-0116-05

0? 引? 言

隨著人類社會及經濟的發(fā)展，大批水利水電工程投入運行使用，改變了河道的生境條件和水文情勢，可能對河道內魚類的生長繁殖產生影響［1］。為此，合理確定河道內的生態(tài)流量逐漸成為了研究熱點。據Tharme［2］統計，河道生態(tài)流量的計算及研究方法已超過200種，大體可以分為以下4類［3-6］：水文學法（Tennant法、7Q10法、Texas法、基本流量法等）、水力學法（濕周法、R2-Cross法等）、棲息地模擬法（IFIM/ PHABSIM法等）、基于河流系統整體性理論的綜合法（BBM法等）。水文學法和水力學法常用于水電站減水河段河道生態(tài)流量的計算，但成果并未考慮河道內的生態(tài)系統及物理意義［7］。棲息地模擬法通過構建河道生態(tài)流量與棲息地之間的相關關系，考慮了河道內的流速、水深、底質及覆蓋物等生態(tài)屬性，以探求生態(tài)流量［8］。

棲息地模擬法最早是美國漁業(yè)及野生動物署在1974年研究使用的河道內流量增量法（IFIM法），該法包含了水力學模型及棲息地模型，既考慮了河道水動力條件又考慮了魚類的生境條件［9］。目前，PHABSIM模型是應用最廣泛的棲息地評估法模型，是IFIM法的核心［10］，但屬于一維模型，模擬結果易受一維模式的限制。本文以西藏扎拉水電站減水河段為研究區(qū)域，采用RIVER2D模型，利用IFIM法模擬分析鮡科魚類在減水河段內棲息地面積的變化，并定量計算適宜魚類生境所需的生態(tài)流量，研究成果可為流域生態(tài)保護和水電站生態(tài)調度提供技術參考。

1? 研究區(qū)域概況

扎拉水電站壩址處流域面積9 379 km2，多年平均流量110 m3/s。工程運行后，壩址至廠址處將形成59.2 km的減水河段。根據調查，減水河段河道狹窄，河谷深切，多呈“V”形，河道內共分布3處鮡科魚類產卵場，鮡科魚類為河道內特有魚種，也是敏感保護對象。根據調查，鮡科魚類的產卵期一般從5月開始，并于6～7月達到繁殖盛期［11］。

2? 研究方法

2.1? 模型簡介

RIVER2D為二維水深平均有限元模型，主要原理是基于非恒定瞬時模型，同時也可

用于恒定流加速收斂的情況。魚類棲息地計算的核心是基于PHABSIM中有效權重面積的方法，適應于不規(guī)則幾何區(qū)域的三角形網格［12］。

2.1.1? 水動力學模型

RIVER2D水動力模型是基于二維平均水深的圣維南方程，由3個方程組成，分別代表了水體的質量守恒方程和兩個方向的動量守恒方程［13］。

質量守恒方程：

Ht+qxx+qyy=0

（1）

X方向的動量守恒方程：

qxt+x（Uqx）+y（Vqy）+g2xH2=

gH（Sox-Sfx）+1ρx（Hτxx）+1ρy（Hτxy）（2）

Y方向的動量守恒方程：

qyt+x（Uqy）+y（Vqy）+g2yH2=

gH（Soy-Sfy）+1ρx（Hτyx）+1ρy（Hτyy）

（3）

式中：H為水深；

U，V分別為x，y方向的水深平均流速；

qx，qy分別為與流速相對應的單寬流量值，qx=HU，qy=HV；

g代表重力加速度；

ρ代表水的密度；

Sox和Soy分別為x和y方向的河床底坡斜率；

Sfx和Sfx分別為相應的摩擦比降；

τxx，τxy，τyx，τyy為水平方向的切應力值。

2.1.2? 魚類棲息地模型

棲息地模型在模擬過程中需滿足3個假設：① 魚類對棲息地的適宜性與流量存在一定相關關系；② 水位、流速等水動力條件是影響魚類生長和繁殖的主要因子；③ 河床地形在模擬過程中始終保持不變。

權重可利用面積（Weighted Usable Area，WUA）計算是RIVER2D模型的基礎，而PHABSIM模型又是計算權重可利用面積的核心。PHABSIM模型假定河流的流速、水深、基質和覆蓋物等因子是影響魚類所需的生態(tài)流量與有效棲息地面積及分布情況相關關系的主要因素。通過調查分析確定出目標物種對流速、水深、基質和覆蓋物的適應度，并計算可利用權重面積，即WUA［14］。

WUA=ni=1CSF（Vi，Ci，Di）×Ai（4）

式中：

CSF（Vi，Ci，Di）為每個單元的組合適應性值；i為劃分的單元個

數；V為流速適宜指數、D為水位適宜指數、C為河道適宜指數（包括基質和覆蓋物）；

Ai為每個單元的水平面積。

2.2? 目標物種選擇

經調查研究，怒江裂腹魚、貢山裂腹魚、鮡科魚類為研究區(qū)域內的特有魚種，占扎拉水電站減水河段調查區(qū)域魚類總數15種的20%。其中，鮡科魚類的主要產卵及生長區(qū)位于扎拉水電站壩址下游至河口處，是分析壩址對下游魚類生境影響的核心區(qū)域。因此，經綜合考慮分析，選擇鮡科魚類作為棲息地模擬的目標物種。

2.3? 目標物種水深和流速適應度曲線

根據相關鮡科魚類的生態(tài)習性、繁殖習性等方面的研究［15-17］，鮡科魚類繁殖期所需的適宜水深為0～3 m，最適宜水深為0.45～1.00 m；流速范圍為0.45～3.00 m/s，最適宜流速為1.00～1.75 m/s（圖1）。

2.4? 模擬工況

為構建生態(tài)流量與有效棲息地面積的關系曲線，并盡量保證模擬流量符合研究區(qū)的實際流量情形，分別選取減水河段多年平均流量（110 m3/s）的5%～100%等12個工況，模擬流量范圍為5.5～110.0 m3/s。

3? 結果分析

采用生境模擬法中IFIM法，運用RIVER2D模型中河道棲息地二維模擬模式，對研究河段可利用棲息地面積進行計算，建立了流量（Q）與可利用棲息地面積（WUA）的定量關系，見圖2。

從圖2可以看出，研究河段流量與生境可利用面積（WUA）曲線有兩個拐點，第一個明顯拐點對應的流量表示其對應的棲息地面積比較適合魚類生境，可將其作為魚類繁殖初期及一般生長期所需的生態(tài)流量。第二個明顯拐點對應的是魚類棲息地面積最大的流量，表示該流量下棲息地面積最適宜魚類生境，可將其作為魚類繁殖及生長旺期所需的生態(tài)流量。

各研究區(qū)生態(tài)流量模擬情況見表1。從表1可以看出，各產卵場所在區(qū)域流量與可利用棲息地面積均呈先增加后減小的變化趨勢。經驗證可知，在鮡科魚類生長繁殖期，考慮支流匯入的情況下，研究河段流量在5.5～33.0 m3/s時，各研究河段生境可利用棲息地面積隨著流量增加而增大。當壩址處下泄流量達33.0 m3/s（壩址年均流量的30%）時，各研究河段生境可利用棲息地面積最大，分別為101 827，71 777 m2和58 878 m2。流量在33.0 m3/s以上時，隨著流量的增加，各研究河段可利用棲息地面積也逐漸減少。流量與可利用棲息地面積曲線的變化趨勢與水深、流速適宜度指數關系曲線的變化趨勢基本保持一致，僅在適宜流量范圍內生境可利用棲息地面積才較大，適宜魚類生長繁殖。

經計算分析，扎拉水電站壩址4月和9月（繁殖初期及一般生長期）需下泄的生態(tài)流量為22.0 m3/s，5～8月（繁殖及生長旺盛期）需下泄的生態(tài)流量為33.0 m3/s。

同時，本次研究提取了典型工況下研究河段有效棲息地面積分布情況，可以判斷出扎拉水電站減水河段在各生態(tài)流量下魚類生境的滿足程度，模擬結果見圖3。由圖3可知，各研究河段鮡科魚類可利用棲息地以河道中間為主，且分布較連續(xù)，當流量在多年平均30%條件下時，各河段可利用棲息地面積最大。隨著流量的增加，棲息地利用范圍變大，逐漸由河道中央向兩岸發(fā)散，且分布不均勻。同時，由于河道水深及流速增加，導致適宜魚類生境的水深及流速范圍減少，可利用棲息地面積也隨之減少。

4? 結? 論

（1） 本文構建了以PHABSIM模型為核心的RIVER2D模型，建立了生態(tài)流量與有效棲息地面積的關系曲線，以及可利用棲息地面積在河道內的二維分布圖。本文既定量分析了流量與有效棲息地面積之間的關系，又定性展示了不同流量下有效棲息地在減水河段內的分布情況。

（2） 計算結果表明：流量為5.5～33.0 m3/s時，各研究河段生境可利用棲息地面積隨著流量增加而增大，當壩址處下泄流量33.0 m3/s（壩址年均流量的30%）時，各研究河段生境可利用棲息地

面積最大。隨著流量的增加，河道水深及流速增加，導致適宜魚類生境的水深及流速范圍減少，可利用棲息地面積也隨之減少。為了滿足扎拉水電站減水河段鮡科魚類的正常生長及繁殖，扎拉水電站壩址4月和9月需下泄的生態(tài)流量為22.0 m3/s，5～8月需下泄的生態(tài)流量為33.0 m3/s。

（3） 根據鮡科魚類有效棲息地面積在減水河段內的二維分布可知，有效棲息地集中分布在河道中間區(qū)域，隨著下泄流量的增加，有效棲息地面積逐漸向河道兩端變寬。當流量增加至壩址年均流量的30%以上時，有效棲息地分布由河道中間區(qū)域向河

道兩岸延伸。

由于本文在進行物理棲息地模擬時并未考慮河道基質和覆蓋物的影響，同時，鮡科魚類生長所需的流速及水深等適宜性指標是通過查閱相關文獻獲得的，計算結果可能與實際存在一定的偏差，需要進一步對魚類適宜生境做更詳細的調查和研究。

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（編輯：李? 慧）

RIVER2D-based simulation research of ecological flow in reduced-water section of Xizang Zhala Hydropower Station

MA Junchao，FAN Xiaozhi，LUAN Hui

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to quantify the ecological flow required for fish growth and reproduction in river，taking Zhala Hydropower Station flow reducing reach as the study area，and the sisoridae fishes of the area as target species，by using RIVER2D model coupled with hydrodynamic model and habitat mode，combining with two factors affecting fish habitat，such as water depth and flow velocity，the relationship curve and distribution map between the flow of corresponding species in different life periods and the available habitat area was calculated. The results showed that the suitable ecological flow for the growth and reproduction of sisoridae fishes from April to September was 22.0～33.0 m3/s. According to the two-dimensional distribution map of available habitats，the effective habitat of fish was concentrated in the central area of the river. After the increase of the flow，the distribution of effective habitats moved from the middle of the river to both sides of the river. The research results can provide a reference for the protection of sisoridae fish and the ecological regulation of hydropower station.

Key words：

ecological flow； RIVER2D model； physical habitat； weighted usable area； Zhala Hydropower Station