丁壩群對疏浚整治河道生物棲息地修復(fù)效果研究

摘要：為評估丁壩群對河道內(nèi)水生生物棲息地的修復(fù)效果，以江西省金沙溪彎曲河段為研究對象，進(jìn)行疏浚整治后，選擇鰱為目標(biāo)物種，采用河道內(nèi)流量增量法（IFIM），耦合二維水動力模型和棲息地模型計(jì)算棲息地加權(quán)可用面積，探討了不同縮窄率的3種單丁壩和最優(yōu)縮窄率組合的單丁壩群對整治河道內(nèi)鰱棲息地的修復(fù)效果，并分析其影響機(jī)理。結(jié)果表明：河道整治后有效降低了汛期洪水位，水流平均流速增大，鰱棲息地遭到了破壞，可用面積百分率PUA由原來的17.99%銳減到5.03%；各單丁壩鰱棲息地面積隨著縮窄率增大呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其棲息地變化過程中均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)；丁壩1和丁壩2最優(yōu)縮窄率為0.4，丁壩3最優(yōu)縮窄率為0.35，丁壩3改善效果優(yōu)于其他丁壩；丁壩3下游大部分區(qū)域流速都集中在0.2 m/s左右，與鰱適宜的最佳流速較為接近，其下游流速適宜度Su分布比較均勻，主要集中在0.6～0.9；丁壩群對鰱棲息地修復(fù)效果較顯著，其PUA增長至18.72%，較整治河道增長272.09%，增加的高等級棲息地占比達(dá)到了60%以上，同時(shí)河道內(nèi)棲息地質(zhì)量較原河道也有所提升；丁壩群對沿程行洪水位和流速影響較小，與原河道相比，丁壩群河道有效緩解了防洪壓力。丁壩群下游弗勞德數(shù)Fr和剪切速度值減小到0.1以內(nèi)，水流流速下降到0.5 m/s以下并且形成一定范圍的回流區(qū)，可在洪水期為魚類提供有利的庇護(hù)場所。

關(guān)鍵詞：河道；棲息地；鰱；丁壩；修復(fù)效果；金沙溪

中圖分類號：Q178.1" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）02-0033-11

河流生態(tài)系統(tǒng)是人類及其他生物賴以生存的重要自然生態(tài)系統(tǒng)之一，為人類社會、經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展提供了豐富的水資源和多樣的生態(tài)服務(wù)。然而近幾十年來，城市快速擴(kuò)張致使不透水設(shè)施劇增，雨水難以及時(shí)下滲，洪澇災(zāi)害頻發(fā)（潘露等，2022）；同時(shí)，部分天然河道所在流域水土流失嚴(yán)重，河岸邊坡坍塌，河底、河坡不穩(wěn)定，泥沙淤積，導(dǎo)致河道主流區(qū)面積大幅萎縮（張立等，2010）。河道行洪能力大幅下降，給周邊居民帶來不利影響，因此基于防洪目的的河道整治至關(guān)重要。

疏浚作為常見且簡單的河道整治手段，能在一定程度上解決不利河勢、縮短行洪時(shí)間、降低行洪水位（南軍虎等，2021；李利琴等，2022）。但往往會改變河床地形，減小原有深潭和淺灘規(guī)模，出現(xiàn)斷面形態(tài)單一、河流滯流面積減少、生物結(jié)構(gòu)簡化等現(xiàn)象，同時(shí)增大河道內(nèi)水流流速，改變泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸形式與數(shù)量，導(dǎo)致河流上下游水生生物棲息地面積大幅縮小，甚至某些群體消失，河流生物多樣性大幅下降（韓雪慧等，2010；宗威，2014；Yao et al，2021）。例如，20 世紀(jì) 70 年代，薊運(yùn)河經(jīng) 3 次人工裁彎，雖降低了水位，卻導(dǎo)致水生物生境退化、種群減少，辛普森指數(shù)僅為 0.86，明顯低于周邊其他水域（孫羽等，2017）。因此，對人工整治和退化河道進(jìn)行棲息地修復(fù)與保護(hù)已成為當(dāng)務(wù)之急。

魚類棲息地修復(fù)是在傳統(tǒng)生態(tài)修復(fù)所考慮的水文、地貌等內(nèi)容中，加入魚類對生境的需求進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)，以維持和恢復(fù)河流魚類的多樣性（魯蕓等，2023）。目前，國內(nèi)外常見的河道棲息地修復(fù)措施主要有在河道內(nèi)增設(shè)丁壩、巨石，設(shè)置低堰、淺灘和深槽等（董哲仁等，2014）。不同措施在同一河流中的修復(fù)效果有差異，設(shè)置淺灘和深槽在水深過大或過小致物種棲息地短缺的河流中改善效果較好。Im和Kang（2011）對比城市渠化河道內(nèi)分別布置巨石、丁壩和深槽后寬鰭鱲棲息地的變化，結(jié)果顯示，巨石和丁壩改善效果不明顯，棲息地面積僅增加2%和 7%，而深槽使棲息地面積增加131%，大幅提升目標(biāo)魚類的適宜性。巨石和丁壩主要通過改變水流流速提高魚類棲息地質(zhì)量，張文生（2018）通過鯉科魚類棲息地面積變化驗(yàn)證丁壩群、淺灘-深槽和堰-礫石群的生境改善效果，表明實(shí)施丁壩群改善措施后，棲息地面積是原河道的 15.4 倍。丁壩是河道中運(yùn)用廣泛的水工建筑物，常用于彎道整治和魚類棲息地修復(fù)工程（程帥，2021）。不同丁壩的長度、間距、形態(tài)等也會影響改善效果。丁壩建立后其附近水流特性發(fā)生變化，對魚類生存至關(guān)重要（Deng et al，2019），尤其在汛期，壩后的緩流區(qū)為魚類提供庇護(hù)場所，一定程度上改善魚類生境（常留紅等，2019；Huang et al，2019）。魏文杰等（2017）基于河道內(nèi)流量增量法（IFIM），探討不同形式丁壩對中小河流主要魚類棲息地的改善效果，表明采用對口布置形式時(shí)，流場對稱性強(qiáng)，改善效果最佳。趙尚飛等（2019）基于 IFIM 理論，應(yīng)用River 2D模型模擬不同流量工況下順直河道和丁壩河道魚類生境的分布及變化。結(jié)果顯示，不同流量條件下，順直河道和丁壩河道中，中等和高等魚類生境面積占 84%以上，丁壩下游低流速區(qū)降低魚類高速運(yùn)動的能量消耗，為魚類在洪水期提供庇護(hù)場所。劉明洋等（2014）提出丁壩長度為平均河寬的 25%～33%對齊口裂腹魚產(chǎn)卵場修復(fù)效果最明顯。上述河流棲息地修復(fù)研究主要集中在天然河道，對從河道整治到棲息地修復(fù)完整過程的研究較少，且缺乏對丁壩群綜合效應(yīng)的系統(tǒng)分析。

本文以江西省金沙溪彎曲段為例，先對河道進(jìn)行疏浚整治，分析整治效果及對河道生物棲息地的影響；再以鰱為目標(biāo)物種，量化疏浚整治前后河道生物棲息地的變化；最后探討不同縮窄率的單丁壩和由最優(yōu)縮窄率單丁壩組成的丁壩群對整治河道內(nèi)鰱棲息地的修復(fù)效果，成果可為同類整治河道生物棲息地的修復(fù)提供參考。

1" "研究區(qū)域概況

金沙溪發(fā)源于懷玉山脈三清山玉京峰東北麓的坪家源，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫 17.6 ℃，多年平均降水量 1 857.4 mm，年內(nèi)降水分配不均，主要集中在 4—9 月。金沙溪是雨洪式河流，洪水由暴雨形成，具有歷時(shí)長、匯流快等特點(diǎn)。研究河段（圖1）位于十七都大橋至博士大道段，長約 2 km，河段縱剖面較平緩，河寬 200～300 m，河床綜合糙率 0.032～0.037，河道平均坡降 6.10‰。河段有一個較大轉(zhuǎn)彎并形成一定弧度，汛期行洪不暢，且因河道長時(shí)間渠化和硬化以及人為因素影響，主河槽面積大幅萎縮，過流能力減弱，易發(fā)生流域性內(nèi)澇災(zāi)害。通過疏浚措施擴(kuò)寬主河槽河底以增大過流能力，擴(kuò)寬后的河道河床高程與主河槽河底一致，河道斷面大體呈矩形。

2" "研究方法

2.1" "棲息地模擬模型

2.1.1" "水動力模型" "River 2D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。它假定沿水深垂直方向符合靜水壓強(qiáng)，沿深度的方向上流速是恒定的，科氏力和風(fēng)力忽略不計(jì)（南軍虎等，2021）。其采用的有限元方法基于流線迎風(fēng)Petrov-Galerkin加權(quán)殘差隱式公式，確保急流、緩流以及臨界流的解的穩(wěn)定性，求解過程中采用Newton-Raphson法。River 2D模型控制方程如下：

（1） 質(zhì)量守恒定律：

[?H?t+?qx?x+?qy?y=0]" " " " " " " " " " " " " " " ①

（2） x方向動量守恒：

[?qx?t+??x（Uqx）+??y（Vqx）+g2??xH2=gH（S0x][-Sfx）+1ρ??x（Hτxx）+1ρ??y（Hτxy）] ②

（3） y方向動量守恒：

[?qy?t+??x（Uqy）+??y（Vqy）+g2??yH2=gH（S0y-Sfy）+1ρ??x（Hτyx）+1ρ??y（Hτyy）]" "③

式中：H為流動深度；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方向上的摩擦力；τxx、τxy、τyx、τyy分別為水平方向上的剪切應(yīng)力張量。

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(jìn)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(jìn)行評價(jià)（王曉剛和嚴(yán)忠民，2008；張新華等，2020），WUA表征目標(biāo)物種適宜物理?xiàng)⒌孛娣e，如下式：

[WUA=i=1nf（Vi，Di，Ci）Ai]" " " " " " " " " " " ④

式中：WUA為棲息地加權(quán)可用面積WUA，m2；f（Vi，Di，Ci）為適宜性組合函數(shù)，其默認(rèn)方式有3種，本文采用乘積法，直接將3個影響因子相乘，體現(xiàn)影響因子的綜合作用；Vi為流速指標(biāo)，m/s；Di為水深指標(biāo)，m；Ci為河道指標(biāo)，由于缺少目標(biāo)物種對底質(zhì)及覆蓋物的適宜性資料，將Ci適宜性值默認(rèn)為1；Ai為各個單元網(wǎng)格的面積，m2。

可用面積百分率PUA（percent usable area）表征目標(biāo)物種可用棲息地面積與河道總面積的比值（南軍虎等，2021）。為便于分析，將WUA轉(zhuǎn)化為PUA以說明河道棲息地的質(zhì)量，二者之間有如下關(guān)系：

[PUA=WUA×100%TA]" " " " " " " " " " " " " " " "⑤

式中：PUA為可用面積百分率PUA；[TA]（total area）為河道總面積。

2.2" "計(jì)算條件

用Delauney三角剖分格式對河道進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格密度可以根據(jù)地形數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，確定原河道網(wǎng)格密度為3～10 m。河道整治后河床較為規(guī)整，網(wǎng)格密度為8～15 m，布置丁壩后對丁壩處進(jìn)行加密。網(wǎng)格質(zhì)量以QI為衡量指標(biāo)，其取值為0.15～0.5，本文網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.25左右。

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(jìn)口，下游邊界為水位出口。由于汛期洪水對魚類影響較大，研究旨在洪水期為水生生物提供庇護(hù)場所，故以金沙溪20年一遇設(shè)計(jì)洪水流量1 418 m3/s進(jìn)行模擬，由實(shí)測資料獲得原河道對應(yīng)的進(jìn)出口水位分別為95.05 m和94.17 m。采用HEC-RAS軟件恒定流水面線分析模塊計(jì)算出整治河道20年一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)出口水位分別為91.85 m和90.45 m。

2.3" "目標(biāo)物種及適宜性曲線

為了探討工程措施對水生生物棲息地的影響，并定量描述改變量大小，本研究選擇金沙溪的優(yōu)勢物種鰱作為目標(biāo)物種。鰱主要生活在水體的上層，以浮游生物為食，且夏季金沙溪浮游生物豐富度大于冬季（吳利等，2015；陳玲玲等，2019；許志等，2020）。根據(jù)流量、季節(jié)及攝食習(xí)性，確定研究河段棲息地類型為索餌場。采用單變量適宜性曲線分別考慮水深、流速不同時(shí)的魚類適宜性，單變量適宜性曲線定義魚類棲息地的適宜性值在0～1（魏文杰等，2017）。參考李鴻源等（2005）、黨莉等（2018）的研究成果分別繪制出流速、水深2個生境因子的適宜性曲線（圖2）。

2.4" "模型驗(yàn)證

為了評估模型的可靠性，對原河道進(jìn)行水動力模擬，對比分析典型樁號斷面的模擬水面與實(shí)測水面線（表1和圖3）?？梢钥闯?，實(shí)測水面線與模擬水面沿程分布趨勢基本一致，均呈下降趨勢，模擬水面線與實(shí)測水面線吻合度較高，最大誤差不超過0.2 m，說明模型模擬效果良好，模擬的結(jié)果是可靠的。

3" "結(jié)果與分析

3.1" "整治前后棲息地變化

采用River 2D水動力模塊計(jì)算出河道內(nèi)流速、水深分布，通過鰱適宜性曲線和River 2D棲息地模塊獲得鰱棲息地分布（圖4）。原河道主河道流速集中在2.0～4.6 m/s，河道兩側(cè)流速集中在0～1.0 m/s；整治河道流速主要集中在2.0～3.5 m/s。由于河床規(guī)整、主河槽較寬，整治河道的平均流速增大且橫向分布均勻。原河道和整治河道流速沿程均先減小后增大，在彎道處最小。原河道主河道水深主要集中在4～6 m，深泓線與中泓線基本重合，河道凸岸水深集中在0～4 m，凹岸水深集中在3～6 m；整治河道水深分布均勻，水深3 m左右。原河道的流態(tài)大部分為緩流，弗勞德數(shù)（froude number，F(xiàn)r）主要為0.11～0.55，兩岸Fr值較小；整治河道Fr主要集中在0.3～0.6且空間分布均勻。分析兩河道的剪切速度，原河道主河道剪切速度沿程幾乎保持不變，約為0.15，邊灘區(qū)域都在0.1以下；整治河道剪切速度變化較為明顯，約為0.10～0.22。原河道鰱WUA為95 885 m2，河道總面積為532 883 m2，PUA為17.99%；整治河道WUA為26 816 m2，PUA為5.03%，鰱WUA減少了69 069 m2，對應(yīng)的PUA減少了72.03%，且鰱WUA主要分布在岸線附近較小的范圍內(nèi)。

綜上所述，金沙溪河道整治后水深明顯減小，上下游水位分別下降了3.20 m和3.72 m，有效降低了洪水期水位，緩解了防洪壓力。但整治河道斷面平均流速增大，河道內(nèi)水力環(huán)境趨于單一化，適宜鰱生存的低流速區(qū)遭到破壞，鰱棲息地面積大幅下降，必須采取可行的手段進(jìn)行河道生物棲息地改造與修復(fù)。

3.2" "單丁壩對棲息地的影響

3.2.1" "丁壩布置方案" "為了提升整治河道內(nèi)鰱棲息地質(zhì)量，通過在河道內(nèi)布置丁壩進(jìn)行改善。丁壩用于棲息地修復(fù)時(shí)，主要利用其阻水效應(yīng)為魚類提供緩流區(qū)。其布置兼顧流速與水深。根據(jù)鰱的適宜性曲線可知，流速過小和水深過大區(qū)都不適合布置丁壩。河道整治后凸岸棲息地可用面積較小，故將丁壩布置于此。此河段存在一個較大的轉(zhuǎn)彎，3個丁壩下游提供的低流速區(qū)基本可以布滿整個河道凸側(cè)。為了避免河段上下游距離不均勻帶來的誤差影響，3個丁壩位置定于河段的四等分線處。丁壩的河寬縮窄率（丁壩長度與河寬比值）是影響局部河道水力條件的重要因素，不同的河寬縮窄率會導(dǎo)致局部河道產(chǎn)生不同的水流特性（程帥，2021），進(jìn)而影響魚類的生境。河寬縮窄率的大小根據(jù)航道工程中丁壩長度取值，丁壩長度大于河寬的1/3稱為長丁壩，小于河寬的1/3稱為短丁壩（姜萌，2009）。研究中選擇非淹沒直立式正挑丁壩，設(shè)定丁壩的寬為10 m，底面和頂面高程分別與河底和河岸高程相等，丁壩河寬縮窄率取值為0.2～0.5，以包含長丁壩與短丁壩。3個丁壩沿水流方向依次記作丁壩1、丁壩2和丁壩3（圖1），各丁壩的縮窄率工況見表2。

3.2.2" "單丁壩不同工況模擬" "分別對各丁壩7種不同工況下的河道棲息地進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見表3、圖5和圖6。結(jié)果顯示，所有丁壩在一定程度對鰱棲息地均有改善，增大了鰱的適宜空間。同等工況下，沿水流方向各丁壩的改善效果呈遞增狀態(tài)。各丁壩鰱棲息地面積隨著縮窄率變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，縮窄率小于0.4時(shí)，丁壩1和丁壩2的WUA均隨縮窄率的增大而增大，縮窄率大于0.4后，各丁壩的WUA隨縮窄增大呈波動變化。丁壩1和丁壩2的縮窄率為0.4時(shí)WUA達(dá)到最大，此時(shí)PUA分別為9.08%和9.83%，增長率（相對于整治河道WUA的增大值與整治河道WUA的比值）分別為80.48%和95.33%，由此確定丁壩1和丁壩2的最優(yōu)縮窄率為0.4。對于丁壩3，在縮窄率小于0.45時(shí)其WUA隨縮窄率的增大而增大，在縮窄率為0.5時(shí)減小，在0.35～0.45時(shí)變化較小，增長率僅增加了1.75%。丁壩3所處位置的河寬較窄，為了減小對過流能力的影響，故取丁壩3的最優(yōu)縮窄率為0.35，此時(shí)PUA和增長率分別為11.59%和130.25%。由圖5和圖6可以看出，在丁壩上下游均出現(xiàn)了整治河道所沒有的鰱適宜棲息地，其中丁壩3下游的棲息地分布范圍明顯大于丁壩1和丁壩2，且由于丁壩對水流流向的影響，河道凹側(cè)也出現(xiàn)了一定范圍的棲息地分布。

水流受丁壩擾動后，流線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。丁壩下游水流流速大幅度下降并形成一定范圍的回流區(qū)，回流區(qū)的長度與丁壩長度呈正相關(guān)。丁壩上游有小范圍的局部壅水，丁壩區(qū)域存在跌水現(xiàn)象且深水區(qū)相較于整治河道有所增加。丁壩1下游的流速由原來的約3 m/s減小到0～0.25 m/s，流速小于0.1 m/s的區(qū)域占一半以上，導(dǎo)致丁壩1棲息地改善效果較差；丁壩2下游流速由原來的2.5 m/s左右減小到0～0.24 m/s，大部分區(qū)域集中在0.1～0.2 m/s；丁壩3下游的流速由原來的2 m/s左右減小到大部分區(qū)域約0.2 m/s，與鰱適宜的最佳流速較為接近，故丁壩3棲息地改善效果較為明顯。3個丁壩下游的Fr值均由0.4左右減小到0.1以下，同時(shí)丁壩過流側(cè)的Fr值有所增大；剪切速度略有減小，但值都在0.1/s以內(nèi)，說明流層間黏性力較小，垂向流速分布均勻?？傊螌拥懒鲌鲇忻黠@改善作用，在一定程度上豐富了水流流態(tài)，其下游緩流區(qū)能在洪水期為魚類提供有利的庇護(hù)場所。

3.2.3" "流速適宜度分析" "丁壩主要通過改變水流流速來提高棲息地質(zhì)量，故采用流速適宜度Su來分析丁壩對鰱棲息地適宜性的影響。Su取值為0～1，值越大適宜性越強(qiáng)。由鰱的流速適宜性曲線可知，在0.3～0.5 m/s流速區(qū)間Su值為1。圖7展示了各丁壩最優(yōu)縮窄率工況的流速適宜度分布狀況。結(jié)果表明，丁壩1在縮窄率為0.4時(shí)，大于0.8的高質(zhì)量Su主要分布在壩頭下游和丁壩附近，越靠近岸線流速越小，Su值越低，岸線附近接近0；當(dāng)縮窄率超過0.4后，壩根下游的流速減小，導(dǎo)致大面積區(qū)域的Su值降低，這正是長丁壩導(dǎo)致魚類WUA減小的原因。丁壩2在縮窄率為0.4時(shí)，大于0.8的高質(zhì)量Su在壩頭下游連續(xù)分布且范圍較丁壩1的更大，岸線附近的Su值約為0～0.1；當(dāng)縮窄率大于0.4后，高質(zhì)量Su分布逐漸變得不連續(xù)且面積有所降低，增加的Su分布面積與Su值降低的區(qū)域基本呈互補(bǔ)狀態(tài)，因此鰱WUA減小幅度較小。丁壩3在縮窄率為0.35時(shí)，其下游Su分布較均勻，多集中在0.6～0.9，大于0.8的高質(zhì)量Su呈條狀分布；隨著縮窄率的繼續(xù)增加，高質(zhì)量的Su分布逐漸上移到丁壩附近且面積有所下降。

3.3" "丁壩群對棲息地的影響

3.3.1" "丁壩群改善效果" "雖然單丁壩在一定程度上可以改善魚類生境，但保護(hù)范圍有限，主要作用于丁壩下游的一定區(qū)域內(nèi)，因此對3個丁壩采用最優(yōu)縮窄率工況組成丁壩群進(jìn)行棲息地模擬，結(jié)果如圖8。布置丁壩群的河道WUA為99 779 m2，PUA為18.72%，PUA比原河道增加了0.73%，較整治河道增長272.09%。在3個丁壩下游均出現(xiàn)了大面積的WUA和Su分布，基本占滿了整個河道凸側(cè)，大于0.8的高質(zhì)量Su分布面積均大于對應(yīng)的單丁壩，且分布相對均勻，但丁壩群增加的WUA值小于各單丁壩增加的WUA疊加之和，這是由于單丁壩2和單丁壩3在河道上游凹側(cè)也出現(xiàn)了大面積的WUA，而布置丁壩群的河道上游凹側(cè)相對于整治河道基本沒有變化。布置丁壩群的3個丁壩下游區(qū)域水流流速基本都在0.5 m/s以下，F(xiàn)r和剪切速度值都在0.1以內(nèi)，棲息地質(zhì)量相對較好。因此，丁壩群可以較大程度地改善魚類生境。

3.3.2" "棲息地質(zhì)量變化" "棲息地綜合適宜性值HSI由水深、流速適宜性值相乘得到。為了衡量棲息地質(zhì)量變化，Leclerc等（1995）將棲息地質(zhì)量HSI分成不同的等級：0lt;HSI≤0.1為極低，0.1lt;HSI≤0.4為低，0.4lt;HSI≤0.7為中等，0.7lt;HSI≤1為高。本文采用此標(biāo)準(zhǔn)，各河道不同等級質(zhì)量的棲息地面積匯總?cè)绫?。

各河道中鰱中等和高等WUA在整個河道中分布較為廣泛，高等級WUA占比更大。河道整治后各等級棲息地面積均大幅度下降，而布置丁壩后各等級WUA均得到不同程度改善，丁壩群改善程度最大且總WUA優(yōu)于原河道，相比整治河道增加72 963 m2，其中高等級WUA增加45 772 m2，占總增量的62.73%；與原河道相比，丁壩群只有高等級WUA增加18 791 m2，其他等級均有不同程度減小，說明丁壩群下游適合鰱生存的較佳水力環(huán)境區(qū)域比原河道更廣。在各丁壩改善方案中，丁壩群比最優(yōu)丁壩2總WUA增加了47 399 m2，但極低等級WUA卻減小了119 m2，可見，布置適當(dāng)?shù)亩稳翰粌H可以增加高質(zhì)量棲息空間，也可以使原有的低質(zhì)量棲息地轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量棲息地。

3.3.3" "丁壩群河道防洪分析" "丁壩在一定程度上豐富了水流流態(tài)，增大了魚類棲息空間，其本質(zhì)的阻水效應(yīng)在上游形成局部壅水區(qū)域，下游出現(xiàn)一定范圍的低流速區(qū)及回流區(qū)。為評估丁壩群的布置對河道行洪能力的影響，在20年一遇設(shè)計(jì)流量1 418 m3/s下，對各丁壩上下游20 m處斷面的水位和流速進(jìn)行監(jiān)測，每個斷面設(shè)置20個測點(diǎn)，以各測點(diǎn)的平均值作為該斷面的水面高程和流速，并與原河道、整治河道同位置的水面高程和流速進(jìn)行對比，如表5和圖9、圖10所示。

丁壩群在河道凸岸布置，使得丁壩上游凸岸水位高于凹岸，下游凹岸水位高于凸岸，在丁壩附近出現(xiàn)較明顯的跌水現(xiàn)象，各斷面水位波動較大，丁壩下游波動大于上游，這一現(xiàn)象在丁壩3的位置處最為明顯。3-3斷面水面高程的極差為0.590 m，6-6斷面的水面高程的極差為0.663 m；在整治河道和原河道中，除了整治河道斷面1-1水面高程的極差為0.272 m外，其他斷面水面高程的極差均小于0.1 m，說明原河道和整治河道水位橫比降較小，水位相對穩(wěn)定。在整治河道布置丁壩群后，對丁壩上游水位影響程度大于下游，上下游水位均在丁壩1影響最大，水位分別增高了0.852 m和0.415 m，愈靠近下游影響愈小，丁壩3下游6-6斷面僅減小了0.007 m，幾乎沒有影響。與原河道相比，布置丁壩群后各斷面水位均降低2.4 m以上，斷面6-6的水位降低了3.605 m?？傮w而言，丁壩對河道水位影響較小，能夠滿足一定的行洪需求。

原河道河床高程起伏較大，高流速區(qū)主要集中在主河道內(nèi)，邊灘區(qū)域流速較小。整治河道河床相對規(guī)整，除岸線附近小范圍的低流速外，其他區(qū)域流速較大且橫向分布相對均勻，各斷面流速的極差基本在0.3 m/s以內(nèi)。布置丁壩群的河道內(nèi)，水流受到丁壩群的擾動后，丁壩下游流速大幅下降，但同時(shí)丁壩的布置使得主過流區(qū)斷面縮小，導(dǎo)致河道主流區(qū)流速增大，這正是丁壩對流速的雙向調(diào)節(jié)。各丁壩對其上游流速影響程度大于下游，斷面3-3處對上游流速影響最大，流速減小了0.914 m/s，而下游斷面5-5流速卻因過流側(cè)流速劇增反而增大0.049 m/s，下游斷面6-6流速僅減小了0.023 m/s，幾乎沒有影響?？梢钥闯觯稳阂欢ǔ潭葴p緩了河道沿程水流流速。與原河道相比除了斷面2-2和3-3流速減小，其他斷面均有所增大，斷面1-1和斷面6-6流速分別增大了0.22 m/s和0.391 m/s，有效提升了河道內(nèi)平均水流流速。

4" "結(jié)論

（1） 河道疏浚整治后水深明顯減小，上下游水位分別下降了3.20 m和3.72 m，有效緩解了防洪壓力。但河道整治后水流增大，河道邊灘適宜鰱生存的低流速區(qū)遭到了破壞，鰱棲息地面積大幅下降，其有效棲息地面積與河道總面積的比值PUA由17.99%銳減到5.03%。

（2） 各單丁壩鰱棲息地面積隨著縮窄率增大呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其WUA變化過程均出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，進(jìn)而確定丁壩1和丁壩2的最優(yōu)縮窄率為0.4，丁壩3的最優(yōu)縮窄率為0.35。丁壩3下游河道內(nèi)大部分區(qū)域流速集中在0.2 m/s左右，與鰱適宜的最佳流速較為接近，因此丁壩3棲息地改善效果優(yōu)于其他丁壩，其下游Su分布比較均勻，大多集中在0.6～0.9。

（3） 丁壩群可以較大程度改善魚類生存空間，其各丁壩下游均出現(xiàn)了大面積的WUA和Su分布，基本占滿了整個河道凸側(cè)。丁壩群3個丁壩下游大于0.8的高質(zhì)量Su分布面積均大于對應(yīng)的單丁壩且分布相對均勻，丁壩群河道PUA增長至18.72%，較整治河道增長272.09%，其中增加的高等級棲息地占到了60%以上，同時(shí)也使低質(zhì)量棲息地轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量棲息地。

（4）與原河道相比，丁壩群河道有效降低了汛期水位，增大了平均水流流速，有效緩解了防洪壓力。丁壩群下游Fr和剪切速度值減小到了0.1以內(nèi)，水流流速下降到0.5 m/s以下并且形成一定范圍的回流區(qū)，洪水期為魚類提供了有利的庇護(hù)場所。

（5） 研究中只考慮了水深和流速2個水力因素，而影響水生物種生存的因素是多方面的，諸如溫度、水體化學(xué)因素等。因此，在后續(xù)研究中，應(yīng)綜合考慮更多因素對水生物種生存的影響。

參考文獻(xiàn)

常留紅， 徐斌， 張鵬， 等， 2019. 深水航道整治丁壩群對魚類生境的影響[J]. 水利學(xué)報(bào)， 50（9）： 1086-1094.

CHANG L H， XU B， ZHANG P， et al， 2019. The influence of spur dikes for deep-water channel regulation on fish habitat[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 50（9）： 1086-1094.

程帥， 2021. 彎曲河道護(hù)岸丁壩水流特性研究[D]. 宜昌： 三峽大學(xué).

陳玲玲， 高月香， 張毅敏， 等， 2019. 鰱鱅鲴混養(yǎng)對水環(huán)境及氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 39（3）： 1181-1188.

CHEN L L， GAO Y X， ZHANG Y M， et al， 2019. Effects of Plagiogathops micrloepis Bleeker， Hypophthalmichthys molitrix and Aristichthys nobilis polyculture on water environment and nitrogen migration and transformation[J]. China Environmental Science， 39（3）： 1181-1188.

黨莉， 馬超， 練繼建， 2018. 水庫調(diào)節(jié)對下游魚類棲息地適宜性的影響[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）， 51（6）： 566-574.

DANG L， MA C， LIAN J J， 2018. Effects of reservoir regulation on downstream fish habitat suitability[J]. Journal of Tianjin University （Science and Technology）， 51（6）： 566-574.

董哲仁， 孫東亞， 趙進(jìn)勇， 等， 2014. 生態(tài)水工學(xué)進(jìn)展與展望[J]. 水利學(xué)報(bào)， 45（12）： 1419-1426.

DONG Z R， SUN D Y， ZHAO J Y， et al， 2014. Progress and prospect of eco-hydraulic engineering[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 45（12）： 1419-1426.

韓雪慧， 劉建虎， 鄭永華， 等， 2010. 航道炸礁對長江銅鑼?shí){江段漁業(yè)資源影響的初步研究[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志， 31（4）：75-80.

HAN X H， LIU J H， ZHENG Y H， et al， 2010. Primary study on the influence of reef blast to the fishery resources in the Tongluoxia gorge of the Changjiang River[J]. Journal of Hydroecology， 31（4）： 75-80.

姜萌， 2009. 航道工程[M]. 北京： 中國水利水電出版社： 76-77.

李鴻源， 施上粟， 游蕙綾， 2005. 利用數(shù)值模式分析魚類棲地多樣性研究[C]. 鄭州： 第二屆黃河國際論壇論文集： 225-342．

李利琴， 倪菲菲， 周曉麗， 等， 2022. 河南黃河河道整治疏浚研究[J]. 人民黃河， 44（12）： 42-46.

LI L Q， NI F F， ZHOU X L， et al， 2022. Study on Yellow River training and dredging in Henan section[J]. Yellow River， 44（12）： 42-46.

劉明洋， 李永， 王銳， 等， 2014. 生態(tài)丁壩在齊口裂腹魚產(chǎn)卵場修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）， 46（3）： 37-43.

LIU M Y， LI Y， WANG R， et al， 2014. Application of ecological spur dike repairing Schizothorax prenanti spawning ground[J]. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 46（3）： 37-43.

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(jià)[J]. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)， 13（2）： 733-741.

LU Y， WU Z H， LIU Q Y， et al， 2023. Evaluation of habitat restoration effect based on fish spawning requirements[J]. Journal of Environmental Engineering Technology， 13（2）： 733-741.

南軍虎， 張書峰， 袁福民， 等， 2021. 基于礫石群布置的河道生物棲息地自然化改造[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 32（4）： 608-617.

NAN J H， ZHANG S F， YUAN F M， et al， 2021. Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups[J]. Advances in Water Science， 32（4）： 608-617.

潘露， 袁素勤， 劉藝平， 2022. 我國海綿城市建設(shè)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 四川水利， 43（6）： 131-134.

孫羽， 張兵， 孫東坡， 等， 2017. 河道整治中的生態(tài)環(huán)境問題與生態(tài)協(xié)調(diào)的河道整治[J]. 水利水電技術(shù)， 48（5）： 102-109.

SUN Y， ZHANG B， SUN D P， et al， 2017. Ecology environment in river harness and the river harness based on ecology coordinate[J]. Water Resources and Hydropower Engineering， 48（5）： 102-109.

王曉剛， 嚴(yán)忠民， 2008. 河道匯流口水力特性對魚類棲息地的影響[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)， 41（2）： 204-208.

WANG X G， YAN Z M， 2008. Effect of hydraulic characteristics of confluent channel on physical habitat for fish communities[J]. Journal of Tianjin University， 41（2）： 204-208.

魏文杰， 張小霞， 張新華， 2017. 丁壩布置形式對中小河流棲息地影響的數(shù)值模擬研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電 （9）： 136-140， 149.

WEI W J， ZHANG X X， ZHANG X H， 2017. Numerical research on the influence of groin layout on aquatic habitats in medium-sized and small rivers[J]. China Rural Water and Hydropower， （9）： 136-140，149.

吳利， 李源玲， 陳延松， 2015. 淮河干流浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征[J]. 湖泊科學(xué)， 27（5）： 932-940.

WU L， LI Y L， CHEN Y S， 2015. Characteristics of community structures of zooplankton in the mainstream of Huaihe River[J]. Journal of Lake Sciences， 27（5）： 932-940.

許志， 陳小華， 沈根祥， 等， 2020. 上海河道浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征及影響因素分析[J]. 環(huán)境科學(xué)， 41（8）： 3621-3628.

XU Z， CHEN X H， SHEN G X， et al， 2020. Spatial and temporal variation of phytoplankton community structure and its influencing factors in Shanghai River channels[J]. Environmental Science， 41（8）： 3621-3628.

張立， 劉媛， 劉寶軍， 2010. 洛河流域水資源集成整治管理研究[J]. 河南水利與南水北調(diào)， 39（11）： 51-52.

張文生， 2018. 清潩河流域（許昌段）河道物理生境改善研究[D]. 鄭州： 鄭州大學(xué).

張新華， 鄧晴， 文萌， 等， 2020. 彎曲分汊淺灘潛壩對洄游魚類棲息地的影響研究[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)， 52（1）： 18-28.

ZHANG X H， DENG Q， WEN M， et al， 2020. Impact of submerged spur dike on migrating fish habitat in bending branched shoal[J]. Advanced Engineering Sciences， 52（1）： 18-28.

趙尚飛， 杜彥良， 王瑜， 等， 2019. 松花江梧桐河生態(tài)修復(fù)工程魚類棲息地模擬及調(diào)查[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志， 40（5）： 1-8.

ZHAO S F， DU Y L， WANG Y， et al， 2019. Wutong river fish habitat survey and modeling under ecological restoration[J]. Journal of Hydroecology， 40（5）： 1-8.

宗威， 2014. 河道整治對河流生態(tài)環(huán)境的影響探討[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保 （2）： 151， 154.

IM D， KANG H， 2011. Two-dimensional physical habitat modeling of effects of habitat structures on urban stream restoration[J]. Water Science and Engineering， 4（4）： 386-395.

HUANG T J， LU Y， LIU H X， 2019. Effects of spur dikes on water flow diversity and fish aggregation[J]. Water， 11（9）： 1822.

LECLERC， BOUDREAULT， BECHARA amp; A T， et al， 1995. Two-dimensional hydrodynamic modeling： a neglected tool in the instream flow incremental methodology[J]. Transactions of the American Fisheries Society， 124（5）： 645-662.

YAO W W， AN R D， YU G A， et al， 2021. Identifying fish ecological risk patterns based on the effects of long-term dam operation schemes[J]. Ecological Engineering， 159： 106102.

（責(zé)任編輯" "鄭金秀）

Biological Habitat Restoration of Rivers by Spur Dikes After Channel Dredging and Remediation

NAN Junhu， CHEN Yao， LIU Yian

（College of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou" "730050， P.R. China）

Abstract：Spur dikes are widely used in hydraulic projects designed for habitat restoration and remediation of meandering river sections. In this study， the meandering section of the Jinsha Creek in Jiangxi Province was selected for a case study， and we evaluated the effects of spur dikes on the restoration of aquatic habitat in river channels after dredging. Dredging was carried out for flood control and we analyzed the impact of spur dikes on habitat restoration. Silver carp was selected as the target species， and a two-dimensional hydrodynamic model was coupled with a habitat model to calculate the Percent Usable Area （PUA） of habitat based on the Instream Flow Incremental Method （IFIM）. The habitat PUA of silver carp in the river channel was simulated using a group of three spur dikes with 7 different narrowing ratios and then with the spur dikes at the optimal narrowing ratio. Results show that river dredging effectively decreased the water level during flood season and increased the average flow velocity. However， the habitat of silver carp was damaged， and the PUA decreased sharply from 17.99% to 5.03%. We found that the habitat area of silver carp could be improved at each spur dike by increasing the narrowing rate， and there were obvious inflection points. Based on maximizing habitat area， the optimal narrowing rate for spur dike 1 and 2 was 0.4， and the optimal narrowing rate for spur dike 3 was 0.35. The improvement of spur dike 3 was better than that of the other two. The flow velocity downstream of spur dike 3 was generally about 0.2 m/s， close to the optimal flow velocity for silver carp. The suitability （Su）" distribution of habitat downstream spur dike 3 was relatively uniform， with most regional values between 0.6 and 0.9. The spur dikes significantly increased the area of silver carp habitat restored， with the PUA increasing by 18.72%， 272.09% higher than the river channel after dredging. The proportion of habitat with a high suitability level increased more than 60%， and the habitat quality of the river channel improved compared to the river channel before dredging. The impact of spur dikes on flood water level and flow velocity of the river was relatively small. Compared with the original river channel， the spur dikes also effectively alleviated flood pressure on the river channel. The Froude number （Fr） and shear velocity values downstream the spur dikes decreased to≤0.1， and the water flow velocity decreased tolt;0.5 m/s， and backflow zones formed downstream of spur dike 3. This low speed flow zone also provides shelter for fish during flood periods. This research provides a valuable reference for habitat restoration in other meandering river channels undergoing a similar remediation.

Key words： river channel; habitat; silver carp; spur dike; restoration effect; Jinsha Creek

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52069011）。

作者簡介：南軍虎，1985年生，男，教授，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail：nanjh08@126.com