三峽變動(dòng)回水區(qū)魚類分布影響因素研究

摘要：文章以長(zhǎng)江上游三峽庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)為研究范圍，分析了影響魚類分布：水質(zhì)、河岸植被、水文變動(dòng)、河道變化等四個(gè)因素；得出結(jié)論：在長(zhǎng)江上游變動(dòng)回水區(qū)河段中，影響魚類分布的主要因素為水文變動(dòng)、以及河道變化（主要是由水利工程建設(shè)，河道施工等人為活動(dòng)引起的）；由于河道變化、水文條件變化存在實(shí)地監(jiān)測(cè)困難，分析方式復(fù)雜等問題，提出將地理信息系統(tǒng)（GIS）以及常用的水文模型結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江上游三峽庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)河段進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：三峽變動(dòng)回水區(qū)；魚類分布；地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X171 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

長(zhǎng)江水道是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的依托和載體。廣義的河流生態(tài)系統(tǒng)是河流內(nèi)生物群落和環(huán)境相互作用的統(tǒng)一體，長(zhǎng)江生態(tài)系統(tǒng)不僅涉及水文，還包括氣候、水質(zhì)和人類活動(dòng)等，分為生物和非生物環(huán)境兩部分。

同時(shí)，長(zhǎng)江流域橫貫東西，在推動(dòng)沿江區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)水生態(tài)安全方面作用重大。長(zhǎng)江上游地理環(huán)境獨(dú)特、氣候復(fù)雜，造就物種資源多樣性，且分布有珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，其家魚種質(zhì)優(yōu)良，是重要遺傳基因庫(kù)。

隨著中國(guó)水電發(fā)展迅速，眾多水庫(kù)在發(fā)揮興利功能的同時(shí)，改變了河流天然水文情勢(shì)，破壞了原有水生生物生長(zhǎng)繁殖條件。

其中三峽工程的修建，將長(zhǎng)江上游分為天然河段、變動(dòng)回水區(qū)河段、常年回水區(qū)；三峽水庫(kù)175m試驗(yàn)性蓄水后，三峽回水末端至江津附近（距大壩約660km），變動(dòng)回水區(qū)為江津至涪陵段，長(zhǎng)約173.4km，占庫(kù)區(qū)總長(zhǎng)度的26.3%，屬典型山區(qū)河流，呈連續(xù)彎曲形態(tài)，隨壩前水位變化時(shí)而在水庫(kù)回水范圍內(nèi)，時(shí)而脫離。

該河段分布有四大家魚保護(hù)區(qū)，對(duì)魚類分布研究具有現(xiàn)實(shí)意義。三峽水庫(kù)175米蓄水后效益巨大，造就獨(dú)特河段分布，變動(dòng)回水區(qū)消落期由庫(kù)區(qū)航道向天然航道轉(zhuǎn)變。目前對(duì)長(zhǎng)江上游變動(dòng)回水區(qū)段魚類空間分布、生境特征、關(guān)鍵生境因子及水動(dòng)力閾值等已有較深入研究。

1影響魚類分布因素

1.1次要因素

文章主要將三峽變動(dòng)回水區(qū)魚類分布影響因素分為水質(zhì)、河岸植被、河流地形演變、河流水文變化等四個(gè)方面，詳細(xì)闡述四個(gè)因素對(duì)于魚類種群分布的影響。

1.2水質(zhì)

水質(zhì)是影響魚類生存和繁衍的重要因素。水質(zhì)污染、水溫變化、溶解氧含量等都會(huì)對(duì)魚類產(chǎn)生不良影響。常見的水質(zhì)指標(biāo)有溶解氧（Dissolved Oxygen，DO），化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），氨氮（Ammonia nitrogen），含沙量等；總?cè)芙庑詺怏w（Total Dissolved Gas，TDG）過飽和能引起魚類及其他水生生物患?xì)馀莶《l(fā)生死亡現(xiàn)象，可使生物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)發(fā)生混亂，降低防御功能從而使生物機(jī)體受傷害，但含沙量、水溫、過飽和TDG、氨氮、鹽度等多因子耦合作用對(duì)魚類生存的影響機(jī)制研究尚不明確。

其中，對(duì)于魚類來說最為重要的因素為水溫和溶解氧，在變動(dòng)回水區(qū)內(nèi)這兩種環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：監(jiān)測(cè)期內(nèi)，在域垂向水溫gt;10℃且不存在溫躍層。溶解氧垂向濃度均gt;7.3mg/L在魚類棲息的適宜范圍內(nèi)，且垂直分布差異不顯著；在對(duì)于三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)顯示，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)：氧化還原電位、pH、電導(dǎo)率、濁度、葉綠素以及藍(lán)綠藻等環(huán)境因子在變動(dòng)回水區(qū)消落期、汛期、蓄水期空間分布波動(dòng)均較小，空間分布差異均不顯著。

收集了近年來三峽變動(dòng)回水區(qū)三個(gè)站點(diǎn)，三個(gè)斷面分別為江津大橋（重慶市江津區(qū)106.253E°29.267N°）、寸灘（重慶市江北區(qū)106.5914E°29.618N°）、清溪場(chǎng)（重慶市涪陵區(qū)107.4621E°29.7995N°）的2021年-2023年在魚類產(chǎn)卵期（4-6月）的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站-水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）見表1。

綜上說明近年來在變動(dòng)回水區(qū)河段，水質(zhì)情況較為穩(wěn)定，沒有明顯空間上的變動(dòng)。在研究長(zhǎng)江上游變動(dòng)回水區(qū)魚類分布情況時(shí)，水質(zhì)不會(huì)成為主要影響因素。

1.3河岸植被

河岸植被緩沖帶是河流生態(tài)系統(tǒng)的“基礎(chǔ)設(shè)施”，在河流生態(tài)系統(tǒng)中具有減弱河岸侵蝕、調(diào)節(jié)水質(zhì)、保護(hù)生物多樣性、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性等多方面作用，是不可或缺的一部分。河流岸邊植被對(duì)河流內(nèi)能量交換有不可替代作用，水脈沖能加強(qiáng)河岸兩側(cè)與水環(huán)境交流，攜帶的重金屬、氮磷等物質(zhì)對(duì)河流中的魚類有一定影響。

河岸植被緩沖帶是河流與陸地生態(tài)系統(tǒng)交匯點(diǎn)，在保持物種多樣性方面有獨(dú)特作用，如為兩棲動(dòng)物提供通道，向河流和陸地輸入凋落物提供生境和食物。三峽水庫(kù)“冬蓄夏泄”水位調(diào)度造就消落區(qū)，研究指出水位漲落使許多不能適應(yīng)水淹的植物從消落帶消失，導(dǎo)致消落帶物種趨于簡(jiǎn)單化。

對(duì)于長(zhǎng)江上游變動(dòng)回水區(qū)河段植被，已有大量研究。受消落區(qū)影響，長(zhǎng)江重慶段河岸植物生活型從消落區(qū)到山地區(qū)由一年生植物為主變?yōu)楦呶谎恐参餅橹鳎L(zhǎng)型草本占比逐漸減少。分析得出影響長(zhǎng)江重慶段河岸植物群落分布格局的最大因素是海拔高度和干擾強(qiáng)度（如三峽水庫(kù)修建等人類活動(dòng)）。

由于，植被變化與三峽水庫(kù)之間存在的因果關(guān)系是由于三峽水庫(kù)（主導(dǎo)因素）的修建導(dǎo)致了消落區(qū)的周期性變化，進(jìn)而影響河岸植被的變動(dòng)；而前文也提及植被的演變主要是對(duì)于水中的氮磷、重金屬物質(zhì)的交換，根據(jù)前文對(duì)于變動(dòng)回水區(qū)河段水質(zhì)分析，在橫向和縱向上水質(zhì)沒有明顯差異。

故此在考慮魚類分布因素時(shí)，將變動(dòng)回水區(qū)的河岸植被分布變化和水質(zhì)的時(shí)空變化納入魚類分布變化的次要影響因素中。

1.4主要因素

研究河段河流水力條件的變化以及徑流變化，將魚類的分布與河流變化結(jié)合起來，將河流地形演變以及河流水文特性變化作為研究重點(diǎn)，將魚類分布變化與河流水文地貌變化結(jié)合起來。

2河流地形演變

河流地貌的變化會(huì)影響水流速度、水溫、沉積物等因素，從而影響魚類的生存和繁衍?；诮?jīng)濟(jì)的建設(shè)，對(duì)河道進(jìn)行炸礁、采砂，改道、河岸固化等等，均會(huì)對(duì)河道的水力、水文條件產(chǎn)生改變。

河道采砂會(huì)在河床、河岸處留下不規(guī)則的坑、槽等。使得河流局部水文情況發(fā)生改變。同時(shí)不當(dāng)?shù)暮拥啦缮皶?huì)引起河床下切、泥沙輸移量的變化、水中懸移質(zhì)含量增加，進(jìn)而影響河流水文；有研究針對(duì)三峽變動(dòng)回水區(qū)的采砂情況指出：在河道沖刷以及人類活動(dòng)的影響下，采砂坑地形會(huì)持續(xù)下降，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)到采砂前的河道。

對(duì)于變動(dòng)回水區(qū)河段，河道演變主要受三峽庫(kù)區(qū)獨(dú)特的水位調(diào)度方式影響，會(huì)不可避免的對(duì)河道內(nèi)的水文情勢(shì)（流速、流量、含沙量等）、河流地形地貌帶來改變；每種魚類有其獨(dú)特的適應(yīng)曲線，河道內(nèi)水文參數(shù)的變化會(huì)帶來魚類棲息地的水文參數(shù)不同，見表2列舉出一些魚類的適宜水力條件：

綜上，因此將河道內(nèi)水力條件（流量、流速、水位、含沙量等）變化，對(duì)于魚類的生活、產(chǎn)卵等有著重要影響，因此將上述水力條件的研究（流量、流速、水位變化）作為影響魚類生境因素的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3河流水文變化

河流所在區(qū)域的氣候變化、河流的流量變化會(huì)影響水溫、降水量等水文條件，從而影響魚類的生存和繁衍。例如，全球氣候變暖可能導(dǎo)致水溫升高，使一些冷水性魚類無法適應(yīng)。其次，隨著三峽水庫(kù)的蓄水，帶來變動(dòng)回水區(qū)的周期性變化，降水周期性也引起河流流量周期性的變化。

三峽工程采用“一次建成、分期蓄水”的方式調(diào)度運(yùn)行，自2003年6月1日開始正式下閘蓄水以來，蓄水過程可分為3個(gè)階段：

（1）圍堰蓄水期：2003年6月-2006年9月期間，水庫(kù)按135m～139m方式運(yùn)行；該運(yùn)行階段，回水末端至涪陵李渡（航道里程548km），李渡至豐都為變動(dòng)回水區(qū)，長(zhǎng)約66km。

（2）初期蓄水期：2006年9月-2008年9月期間，該運(yùn)行階段，回水末端上延至銅鑼?shí){（航道里程644km），銅鑼?shí){至剪刀峽為變動(dòng)回水區(qū)，長(zhǎng)約91km。

（3）2008年9月至今：三峽水庫(kù)按175-145-155m方案蓄水試運(yùn)行回水末端至江津紅花磧（航道里程720km），紅花磧至剪刀峽（航道里程553km）為變動(dòng)回水區(qū)，長(zhǎng)約167km汛期壩前水位145m。

在三峽工程運(yùn)行后，下游河道的形態(tài)發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了河流的水流特性，破壞了四大家魚的三場(chǎng)一通道，導(dǎo)致四大家魚資源衰退。由于三峽水庫(kù)蓄水，水庫(kù)干流存在明顯的“滯溫效應(yīng)”，而四大家魚產(chǎn)卵適宜溫度在18℃～24℃，18℃作為四大家魚的產(chǎn)卵下限溫度，即低于18℃時(shí)，產(chǎn)卵行為不會(huì)發(fā)生。“滯溫效應(yīng)”導(dǎo)致壩下水溫在四大家魚產(chǎn)卵繁殖期（4～6月）達(dá)到18℃時(shí)間會(huì)出現(xiàn)明顯的推遲現(xiàn)象。

對(duì)于產(chǎn)漂流性卵的魚類來說，水位的上漲以及適應(yīng)的流速是產(chǎn)卵的必要條件。研究表明，漲水持續(xù)時(shí)間與產(chǎn)卵規(guī)模之間呈顯著正相關(guān)，即河流漲水持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，漂流性卵產(chǎn)量就會(huì)越大；對(duì)于魚卵而言，洪峰后的落水過程，水位、流速的快速下降，可能增加魚卵沉底和孵化失敗的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，漲水后高流量的維持會(huì)對(duì)下游苗汛的產(chǎn)生具有積極作用；就目前而言，漲水（河流形成水位差）為魚類產(chǎn)卵的必要條件，已經(jīng)形成了學(xué)界的共識(shí)，但尚未建立洪水漲落過程與魚卵孵化的響應(yīng)關(guān)系，沒有將魚類產(chǎn)卵與洪水漲落過程結(jié)合研究，無法正確反應(yīng)兩者之間的機(jī)理過程。

圓口銅魚、長(zhǎng)鰭吻和長(zhǎng)薄鰍等特有的典型的河道洄游性魚類，原本棲息地位于庫(kù)區(qū)的一些流水性特有種逐漸從庫(kù)區(qū)消失，開始一定的趨勢(shì)轉(zhuǎn)移到庫(kù)區(qū)以上的江段生存；受三峽庫(kù)區(qū)影響，產(chǎn)漂流性卵的魚類（如：四大家魚等）在庫(kù)區(qū)靜水條件下難以繁殖，而在長(zhǎng)江上游中，支流能產(chǎn)生替代生境作用的河段，除了嘉陵江能夠少量繁殖之外，其它支流徑流條件均不能滿足這些魚類的繁殖需求。

綜上，在變動(dòng)回水區(qū)內(nèi)，魚類的資源、物種的數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，但沒有將以上魚類變化的主導(dǎo)因素——河道的演變情況，進(jìn)行具體的、體系化的闡述；然而河道演變情況存在監(jiān)測(cè)困難等情況，所以尋找新的工具對(duì)河段進(jìn)行研究顯得尤為重要。

4 GIS技術(shù)與MIKE軟件在河流時(shí)空規(guī)律演變上的應(yīng)用

4.1 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)（地理信息系統(tǒng)Geographic Informa-tion Systems，簡(jiǎn)稱GIS），傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查測(cè)量的方法缺乏宏觀性和實(shí)時(shí)性，而且花費(fèi)大量時(shí)間與金錢；而GIS可以將GPS、RS、Internet等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)集成，綜合利用遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、流域和河道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其他人文社會(huì)的相關(guān)資料，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)形成對(duì)空間數(shù)據(jù)的查詢、分析、以及結(jié)果的可視化。

GIS技術(shù)在河流研究方面有著多種應(yīng)用，利用固定大斷面的實(shí)測(cè)資料和水文站附近水下地形測(cè)量資料，構(gòu)建河床變化分析的水下斷面地形數(shù)據(jù)庫(kù)和水文站附近水下地形三維模型，分析水文站段河道單斷面的時(shí)空沖淤變化和河道沖淤變化情況、將GIS與RS技術(shù)結(jié)合對(duì)河道進(jìn)行了時(shí)空演變分析；基于GIS技術(shù)發(fā)展出了河床演變斷面分析方法，進(jìn)一步擴(kuò)大了GIS技術(shù)在河流演變上的利用。

綜上，GIS技術(shù)在河道斷面分析、河道時(shí)空沖淤變化、構(gòu)建河道時(shí)空演變等方面有極大的應(yīng)用，對(duì)于研究長(zhǎng)江上游變動(dòng)回水區(qū)的河道演變的時(shí)空變化特征有著良好的幫助作用。

4.2 MIKE模型

MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型是研究地表水流運(yùn)動(dòng)的可靠手段和重要依據(jù)，在河流生態(tài)上有著重要的應(yīng)用，例如：在水利工程建設(shè)前后，利用MIKE模型分析工程對(duì)水流、水位、泥沙運(yùn)動(dòng)等方面的影響，借此評(píng)估大壩建設(shè)對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境的影響，為工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)；模擬污染物在水體中的擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化過程，幫助分析污染源對(duì)水質(zhì)的影響，制定水污染防治策略；通過模擬水流、水溫、水質(zhì)等因素對(duì)水生生物棲息地的影響，為水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供支持；用于研究河流生態(tài)流量需求，確定維持水生生物生存和繁衍的適宜水流條件。

運(yùn)用MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行河道分析時(shí)，會(huì)遭遇精確度和應(yīng)用局限性問題：河道條件復(fù)雜未查明時(shí)，模型構(gòu)建可能不夠精確，選取的參數(shù)（糙率系數(shù)、干濕度和渦粘系數(shù)等）要經(jīng)過反復(fù)率定和驗(yàn)證后，能納入模型使用中。

MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)原始資料和模型參數(shù)要求較高，需要對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行水文地質(zhì)資料查明，模型構(gòu)建時(shí)要將實(shí)際地理環(huán)境條件轉(zhuǎn)化成模型要素，模型參數(shù)率定和驗(yàn)證要以豐富的歷史實(shí)測(cè)資料作為基礎(chǔ)，模型的精確度和擬合度也需要依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來論證。

所以，在對(duì)變動(dòng)回水區(qū)河段，進(jìn)行水力模擬以前，先利用GIS技術(shù)對(duì)于實(shí)際的且必須的參數(shù)進(jìn)行收集，與歷史文獻(xiàn)對(duì)比分析，進(jìn)行率定；在各項(xiàng)參數(shù)均確定以后，再采用MIKE軟件，模擬不同年份的水力情況，從而分析水力參數(shù)在變動(dòng)回水區(qū)河段時(shí)空上的變化。

5結(jié)束語

文章深入分析了影響魚類分布的四個(gè)關(guān)鍵因素，即水質(zhì)、河岸植被、河流地形演變和河流水文變化。通過對(duì)魚群棲息地的水質(zhì)條件、適宜流速與水深要求以及變動(dòng)回水區(qū)河段的水文地貌特征進(jìn)行研究，得出水工構(gòu)筑物建設(shè)（三峽大壩）和河流開發(fā)利用所引發(fā)的河流水文、地貌變化在影響魚類分布中占據(jù)主要地位。河流水質(zhì)和河岸植被變化雖為次要因素，但在研究魚類分布時(shí)同樣不可或缺；當(dāng)考慮魚類分布（魚類“三場(chǎng)一通道”）變化時(shí)，應(yīng)首先著重分析主導(dǎo)因素，即河流水文、河流地貌變化，之后再綜合考慮河流水質(zhì)和河岸植被變化等次要因素，這有助于更全面地理解魚類分布的影響機(jī)制，為保護(hù)魚類資源和維護(hù)生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)。