魏 卿，薛聯(lián)青，張 敏，楊 帆，任 磊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省洪澤湖管理委員會辦公室，江蘇 洪澤 223100)

環(huán)境流(environment flow components，EFC)變化研究是目前國內(nèi)外水文研究的熱點。環(huán)境流是維護河流生態(tài)健康，尋求維持河流生態(tài)完整性所需的最小流量，枯水期能滿足水量要求，汛期也能進行生態(tài)調(diào)節(jié)，具有維持河湖生態(tài)環(huán)境和生態(tài)服務(wù)的功能[1-2]。環(huán)境流具有“自然-社會”二元屬性，可調(diào)節(jié)河流的生態(tài)環(huán)境，具有動態(tài)性、過程性和多要素性等特征。環(huán)境流評估主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和綜合法。水文學(xué)法以IHA(indicators of hydrologic alteration)法應(yīng)用較為成熟，通過篩選環(huán)境流指標來評價流域生態(tài)狀況，分析環(huán)境流要素變化及其生態(tài)影響。陳昌春等[3]在贛江流域用IHA法計算枯水變異過程，揭示了低流量范圍內(nèi)多個枯水流量事件高改變度的存在。閔倩等[4]對漓江流域水庫調(diào)節(jié)的生態(tài)影響進行了評價，認為水利工程要重視極端枯水期的調(diào)節(jié)。棲息地模擬法以PHABSIM(physical habitat simulation)模型為主，PHABSIM模型結(jié)合斷面條件和棲息地限制因子，計算不同條件下目標生物的生態(tài)流量，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。蔣紅霞等[5]利用PHABSIM模型計算了西南山區(qū)青石爬鮡的生態(tài)需水量，表明模型具有較好的適用性。李建等[6]基于棲息地模擬分析了長江中游四大家魚的產(chǎn)卵期生態(tài)流量，為流域生態(tài)保護和生態(tài)調(diào)度提供了依據(jù)?，F(xiàn)有關(guān)于環(huán)境流的研究主要基于水文情勢條件分析環(huán)境流變化趨勢，或依據(jù)流域棲息地條件確定指示生物的生態(tài)流量，忽略了環(huán)境流變化帶來的生態(tài)效應(yīng)。本文基于洪澤湖魚類棲息地保護需求，結(jié)合IHA法和PHABSIM模型，分析淮河中下游環(huán)境流演變趨勢及其對洪澤湖魚類棲息地的生態(tài)影響，并根據(jù)指示魚類確定最適宜生態(tài)流量，可為流域水資源調(diào)控提供參考。

1 研究區(qū)概況

淮河發(fā)源于河南，流經(jīng)河南、安徽、江蘇3省，全長1 000 km，流域面積約27萬km2，由西北到東南地勢逐漸降低；流域內(nèi)水網(wǎng)縱橫，季風(fēng)氣候顯著，降雨時空分布不均，屬暖溫帶半濕潤氣候。流域多年平均流量為1 969 m3/s，淮河干流控制著洪澤湖全年60%以上的來水，淮河中下游河段流速分布均勻，水質(zhì)良好，是魚類較佳生存地。蚌埠站位于淮河中游，其水文資料具有較好的流域代表性。洪澤湖是我國第四大淡水湖，屬平原水庫型湖泊，西納淮河，東入黃海，對維持流域生態(tài)穩(wěn)定作用顯著。

2 研究方法

本文采用IHA法，依據(jù)蚌埠水文站日測流量資料，計算32個影響流域生態(tài)的關(guān)鍵水文特征值，分析其集中度和離散度，對比人為干擾前后的河流生態(tài)狀況。32個IHA指標可以分為5組，分別反映大小、出現(xiàn)時間、頻率、持續(xù)時間和變化率等水文特征。為對比蚌埠閘擴建前后的淮河中下游河段徑流特性，以蚌埠閘擴建時間點對研究時段進行劃分，即干擾前的時段1950—2002年和干擾后的時段2003—2015年，選取的資料能夠較好反映擴建前后的水文情勢。水文情勢在一定程度上影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，流量的日、季、年變化率和變幅影響著水生物種的分布及構(gòu)成，人類活動導(dǎo)致的水文特征值明顯變化可能會影響原有生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定，因此選用IHA法分析人類活動對32個IHA指標的影響。具體的IHA指標如表1所示。

運用IHA分析軟件，對蚌埠站日流量資料人為干擾前后的水溫指標進行統(tǒng)計分析，包括各項指標的中值、離散系數(shù)與偏差系數(shù)。

離散系數(shù)CD表示各指標同均值的偏離程度，計算公式為

CD=(H-L)/M

(1)

式中H、L、M分別為干擾前后各水文序列排序為75%、25%和50%的指標參數(shù)值。

偏差系數(shù)FD反映干擾前后各指標相對天然狀態(tài)的偏差，計算公式為

FD=(Dpre-Dpost)/Dpre

(2)

式中Dpre、Dpost分別為干擾前后的各項IHA指標值。

同時，采用PHABSIM模型建立棲息地指示魚類適應(yīng)度曲線，依據(jù)不同流量下流速及水深，分析適應(yīng)度指數(shù)；運用PHABSIM模型軟件，將代表性河段的斷面數(shù)據(jù)、水力參數(shù)和棲息地適宜度曲線結(jié)合起來，預(yù)測物理棲息地參數(shù)，最終計算代表棲息地條件的加權(quán)可利用面積 (weighted usable area,WUA)?；赪UA與魚類生物量的正相關(guān)假定，繪制WUA-流量曲線，采用WUA最大位置對應(yīng)的流量作為指示魚類最適宜生態(tài)流量。

WUA計算公式為

(3)

式中：Ai為第i個河段水面面積；Ci為河道綜合性指標，包括基質(zhì)和覆蓋物；Li為第i個河段長度；n為河段總數(shù)。

表1 IHA指標及其特征

假定各參數(shù)影響力相同，棲息地組合適宜度因子的乘積法計算公式為

Fi=f(vi)f(di)f(Ci)f(Ti)

(4)

式中：Fi為棲息地組合適宜度因子；vi為流速；di為水深；Ti為溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 淮河流域環(huán)境流變化趨勢

綜合考慮資料系列長度、流域水文站分布特點，選取淮河流域蚌埠水文站1950—2015年的逐日徑流資料進行IHA指標分析?？紤]2002年為蚌埠閘擴建期，將水文序列分2002年前后兩個階段分析，可得圖1所示的蚌埠站流量事件分布圖。由圖1可知，蚌埠站斷面2002年以后大洪水事件減少，小洪水事件增多，特枯流量事件減少，而枯水流量事件出現(xiàn)集中度提高。受人為干擾，環(huán)境流以枯水流量事件和高脈沖流量事件為主。高脈沖流量持續(xù)時間縮短，流量變化幅度逐漸減小，出現(xiàn)次數(shù)增多。同時，可以看出低流量事件持續(xù)時間縮短，出現(xiàn)次數(shù)明顯下降，流量可預(yù)測性增加，河流生態(tài)變化周期縮短，進而影響河道水生生物的生長周期。洪水脈沖流量維持河口鹽分平衡和一定的地下水位，該流量事件減少不利于河道物質(zhì)循環(huán)，增加了生物入侵的風(fēng)險。

圖1 蚌埠水文站流量事件分布

圖2為蚌埠站部分環(huán)境流要素的變化情況，紅色虛線為蚌埠閘擴建期。圖2(a)蚌埠站4、5、6月的月平均流量在蚌埠閘擴建后明顯減小，月平均流量分布離散性增加，6月的平均流量減幅最大。4—6月為河段魚類主要產(chǎn)卵期，該時期流量減小對下游生物的棲息環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，特別是洄游性魚類生存受到威脅，會導(dǎo)致產(chǎn)漂流性卵魚類減少，需加強水文調(diào)控，減少生態(tài)影響。蚌埠閘擴建后的1 d、3 d、7 d和30 d年均最小流量多年平均值較擴建前降低(圖2(b))，年均最小流量可維持河道的基本形態(tài)，2003年以后最小流量值呈現(xiàn)增大的趨勢。擴建后年均最大流量均呈現(xiàn)減小趨勢(圖2(c))，且較擴建前的流量整體下降較明顯，但變幅較小，說明人為干擾條件下，極端流量事件出現(xiàn)次數(shù)減少。高脈沖流量上升率、下降率多年內(nèi)均不斷增大(圖2(d))，說明其變化程度逐漸增強，由此引起水位、水深的變化，會改變河道植物類型和影響魚類棲息條件。

(a)平均流量

(b)年均最小流量

(c)年均最大流量

(d)高脈沖流量變化率

3.2 基于PHABSIM模型的生態(tài)流量計算

3.2.1目標魚種適宜度曲線

淮河流域魚類包括浮性卵、漂流性卵、沉性卵、黏性卵等4種類型，其中產(chǎn)浮性、漂流性卵魚類對流速要求較高，需在漂浮狀態(tài)下孵化，過低流速會使卵沉入水底，孵化率降低，水位有效抬升可增加產(chǎn)卵面積。大多數(shù)魚類產(chǎn)卵期為4—6月，考慮流域各魚類的保護程度及代表性，選取鱖魚為指示魚類，其生長期3 a，產(chǎn)卵孵化持續(xù)50 h。

由于江湖阻隔、過度捕撈和水利工程增多，魚類生境受到嚴重破壞。結(jié)合流域生態(tài)需求，本文選擇流速、水深、水溫構(gòu)建棲息地指標。查詢水文年鑒和流域DEM圖得到河床糙率n=0.040，水力坡度J=0.020 8%。綜合淮河流域相關(guān)研究成果[7]，參考城市河流生態(tài)系統(tǒng)流速標準[8]，取鱖魚喜愛流速為0.3～0.8 m/s，產(chǎn)卵期最小流速為0.8 m/s。蚌埠水文站斷面需在5—8月通過閘壩調(diào)度，保證流速在0.6～1.2 m/s才能滿足產(chǎn)卵期魚類水量需求。當最大水深達到河段內(nèi)較大魚類體長3～4倍時，可滿足其在水體內(nèi)自由游動要求，成熟鱖魚的體長一般在35～50 cm，因此最大水深取2.5 m、平均水深取0.9 m可滿足魚類生存的水深需求。圖3為鱖魚產(chǎn)卵期流速、水深、水溫的適宜度曲線，可以看出，鱖魚最小生態(tài)流速為0.6 m/s，產(chǎn)卵期最適宜流速為0.6～1.5 m/s，最適宜水深范圍為0.9～2.5 m，最適溫度為21～27 ℃，高于這一條件，適宜度指數(shù)迅速下降。在河段底質(zhì)和覆蓋物條件良好的條件下，各限制因子處于最優(yōu)條件時，其適宜度指數(shù)為1。

3.2.2生態(tài)流量確定與IHA法驗證

PHABSIM模型假設(shè)棲息地加權(quán)可利用面積與魚類生物量正相關(guān)，需保證生物量不受水質(zhì)、其他物種、人類活動等條件的限制?；春又邢掠嗡|(zhì)條件良好，產(chǎn)卵期鱖魚對棲息環(huán)境具有較強敏感性，其他物種對指示魚種不構(gòu)成威脅，研究區(qū)內(nèi)的入湖通道和河道工程對模擬不產(chǎn)生影響。

應(yīng)用PHABSIM模型，計算各流量條件下WUA，繪制的WUA-流量曲線如圖4所示，圖4曲線中的第一個明顯轉(zhuǎn)折點P1對應(yīng)流量為棲息地最小生態(tài)流量，河道內(nèi)最適宜生態(tài)需水量根據(jù)WUA最大值位置P2而定?；春又邢掠西Z魚產(chǎn)卵期4—6月最小生態(tài)流量為300 m3/s，最適宜生態(tài)流量為550 m3/s。由IHA法，計算蚌埠閘擴建前后的月平均流量，結(jié)果如圖5所示，基于曼寧公式和河道過水斷面條件，計算月平均流量的水文指標偏離度，在中等水文指標改變度閾值條件下，確定4—6月的最適宜生態(tài)流量為371.9～815.4 m3/s，這說明采用PHABSIM模型計算得到的最適宜生態(tài)流量是合適的。蚌埠水文站2002—2015年多年平均流量為777.5 m3/s，最適宜生態(tài)流量占斷面多年平均流量的70.7%，處于Tennant法最佳流量范圍(60%～100%)[9]，可滿足魚類生存需求。

3.3 淮河流域環(huán)境流變化對洪澤湖魚類棲息地的生態(tài)影響

根據(jù)《洪澤湖水生生物監(jiān)測報告》[10]，洪澤湖1982年魚類有84種，近幾年資料顯示，洪澤湖共發(fā)現(xiàn)魚類63種，鯉科魚類占55%，可見魚類種類數(shù)量上變化較大，但流水性魚類減少了17種，同時，江海洄游性魚類減少4種，湖泊定居性魚類減少了3種，淮河環(huán)境流變化已經(jīng)對洪澤湖魚類生存產(chǎn)生顯著影響。

a. 高脈沖流量變化的影響。淮河上游年入湖水量占洪澤湖總?cè)牒康?7.0%，其脈沖式水文周期趨于均一化，高流量延時縮短，使魚類產(chǎn)卵場縮小，育苗區(qū)養(yǎng)分供給不足。高脈沖流量事件出現(xiàn)時間不穩(wěn)定，嚴重影響魚類對棲息地的選擇。高脈沖流量增加了河道侵蝕和淤積，使一些敏感性物種喪失，擾亂了魚類的生命周期。

(a)流速

(b)水深

(c)水溫

圖4 WUA-流量曲線

圖5 蚌埠閘擴建前后各月平均流量

b. 枯水流量變化的影響。枯水流量事件增多，外來生物入侵風(fēng)險增加，本地物種受到威脅，群落結(jié)構(gòu)改變，河漫灘區(qū)獲得的水量和有機質(zhì)減少，導(dǎo)致魚苗脫水，弱化植物種子傳播，植物生存斑塊棲息地和二級支流喪失，植被入侵河道?？菟髁渴录龆鄷痿~類產(chǎn)卵和遷徙條件改變，水生食物鏈結(jié)構(gòu)遭到破壞，河岸帶植物生長受限，生長速度減緩。低流量持續(xù)時間的延長會引起植物形態(tài)改變或死亡，下游產(chǎn)漂流性卵魚類消失，魚類失去淺灘棲息地。

c. 洪水脈沖變化的影響。洪水脈沖的生態(tài)功能[11]包括:①促進河流-灘區(qū)系統(tǒng)的有機物高效利用，提高其動態(tài)連通性；②大洪水為下游生物提供大量信息流，刺激魚類產(chǎn)卵；③提高生物群落多樣性結(jié)構(gòu)。自然洪水可塑造河流地貌形態(tài)，大洪水事件減少，河流攜沙能力減弱，引起水沙條件變化，不利于水生生物生存。洪澤湖內(nèi)建閘蓄水，使物種多樣性降低，目前2/3的湖區(qū)內(nèi)無水生植物分布，天然濕地的減少使湖泊的調(diào)蓄作用下降。自1953年以來，洪澤湖內(nèi)的二河閘、高良澗等水利工程阻斷了江湖洄游性魚類的入湖通道，影響鯉、鯽等黏性卵魚類繁殖，阻斷了淮河干流喜流水性魚類的資源補充，洪澤湖由天然湖泊變?yōu)樗畮煨秃?，使得一些喜流水性魚類和洄游性魚類消失。

4 洪澤湖的應(yīng)對措施

a. 湖泊的水文調(diào)控。良好的生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定和自調(diào)節(jié)能力，各項功能正常發(fā)揮[12]。洪澤湖需具有足夠的調(diào)蓄能力，較豐富的生物多樣性及穩(wěn)定的湖泊形態(tài)。目前，洪澤湖水文條件和物理狀態(tài)的改變，導(dǎo)致湖泊功能退化，環(huán)境質(zhì)量下降[13-15]。因此，應(yīng)根據(jù)生態(tài)閾值條件優(yōu)化水量調(diào)控機制，保障下游生態(tài)需水，調(diào)控高脈沖流量，增加其持續(xù)時間，減少出現(xiàn)次數(shù)。在每年4—6月，要保證魚類產(chǎn)卵期湖泊最低生態(tài)流量的下泄水量，維持魚類棲息地的生態(tài)需水，促進湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量輸送和物質(zhì)循環(huán)[16-18]。在枯水期維持湖泊相對穩(wěn)定的水位，提高水體自凈能力，汛期調(diào)控自然洪水，保證河道溶質(zhì)運移，增加營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)輸入，恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的活力。

b. 湖泊的生態(tài)調(diào)控。依據(jù)湖內(nèi)食物鏈結(jié)構(gòu)，合理投放草食性魚種，對洄游性魚類適時補充。調(diào)配水草結(jié)構(gòu)，使沉水植物、挺水植物、浮水植物以適宜比例分布。恢復(fù)濕生、挺水植物，與岸堤景觀結(jié)合，起到調(diào)節(jié)小氣候、調(diào)控水生群落的作用[19-20]。在水生植物破壞區(qū)域進行補給式種植，依據(jù)湖堤兩側(cè)土質(zhì)、降水條件，形成喬、灌、草立體結(jié)構(gòu)，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時，限制圍湖養(yǎng)殖、填湖造田及沿岸土地開發(fā)，減少人為干擾，加強流域綜合管理，提高湖區(qū)監(jiān)測預(yù)警能力。

5 結(jié) 論

a. 蚌埠閘擴建后淮河中下游河段高流量的年平均極值降低，出現(xiàn)次數(shù)明顯減少。洪澤湖內(nèi)水利工程的修建，使枯水流量事件增加，大洪水事件減少，淮河中下游環(huán)境流組成趨于單一化，洄游性魚類產(chǎn)卵受到影響，不利于當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善。

b. 產(chǎn)卵期洪澤湖鱖魚最小生態(tài)流量為300 m3/s，最適宜流量為550 m3/s。蚌埠閘擴建后4—6月平均流量減少，影響魚類棲息條件，應(yīng)加強流域管理，保證魚類產(chǎn)卵期和枯水期下泄流量，增加有機質(zhì)輸入和物質(zhì)輸送，維持流域生態(tài)平衡。