侯 俊，裴佳琦，黃喻威，梁小雨，龔雪瀅,丁 偉,吳 淼

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

大壩工程在防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)等方面發(fā)揮著巨大效益的同時(shí)，也在改變著河流的水文情勢(shì)及水流形態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)[1]。河流的連通性會(huì)直接影響魚(yú)類(lèi)的洄游，對(duì)魚(yú)類(lèi)的種質(zhì)交流造成阻隔[2]。同時(shí)，閘壩的攔截會(huì)減少下游水流中的含沙量，導(dǎo)致下游河道沖刷作用增強(qiáng)，減小魚(yú)類(lèi)的棲息地面積，進(jìn)而會(huì)使得魚(yú)類(lèi)生物量減少，影響河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性。壩下徑流的顯著減少甚至出現(xiàn)河道脫水現(xiàn)象，會(huì)破壞河流生態(tài)系統(tǒng)基本功能的維持，流量不足或過(guò)多至物種的耐受極限時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致該物種不能正常生存甚至滅絕[3]。環(huán)境流量指為維持河流的健康及功能所需的流量及其水文過(guò)程，全年范圍內(nèi)其數(shù)值是動(dòng)態(tài)變化的[4]。環(huán)境流量的計(jì)算對(duì)于流域水資源的合理開(kāi)發(fā)、配置以及維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義，其計(jì)算結(jié)果可為制定河流生態(tài)調(diào)度方案提供理論依據(jù)[5]。

全球約有200多種環(huán)境流量計(jì)算方法，可歸為4類(lèi)：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法，每類(lèi)方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍[6]，其中棲息地模擬法是基于河道內(nèi)水生生物的流量需求進(jìn)行計(jì)算，所以結(jié)果較為可靠[7-8]。Wang等[9]對(duì)棲息地模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了棲息地的質(zhì)量和數(shù)量，以棲息地斑塊的連通性和破碎性指數(shù)作為評(píng)價(jià)魚(yú)類(lèi)棲息地質(zhì)量的指標(biāo)，并應(yīng)用于評(píng)估水利工程對(duì)魚(yú)類(lèi)棲息地的影響。Zhang等[10]選擇中華絨螯蟹作為目標(biāo)物種來(lái)研究長(zhǎng)江口的環(huán)境流量，采用基于物種空間分布的環(huán)境流量評(píng)估方法，同時(shí)考慮到中華絨螯蟹在潛在棲息地斑塊中的分散情況以及淡水流量的變化。

本研究采用棲息地模擬法計(jì)算長(zhǎng)春鳊(Parabramispekinensis)不同生命期的環(huán)境流量，利用MIKE建立淮河上游息縣樞紐工程閘下河段的二維水動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)長(zhǎng)春鳊對(duì)水動(dòng)力學(xué)因子的適宜度標(biāo)準(zhǔn)確定不同流量下的棲息地加權(quán)可利用面積(WUA)，得到其不同生命階段WUA隨流量的變化情況。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域位于111°55′E～121°25′E、30°55′N(xiāo)～36°36′N(xiāo)之間，流域面積為2.7×105km2，干流全長(zhǎng) 1 000 km。淮河上游指洪河口以上河段，總長(zhǎng)約 360 km，河流落差178 m[11]?；春痈闪鞯慕邓觌H變化大、年內(nèi)分布不均，年內(nèi)降水量60%以上主要集中在汛期6—9月份?；春舆^(guò)境水量豐富，但豐枯期變化大，汛期來(lái)水多以洪水形式出現(xiàn)，非汛期來(lái)水量較少、水位較低，且淮河干流上游區(qū)域內(nèi)水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，現(xiàn)有水利工程調(diào)蓄能力差，取用水困難，區(qū)域內(nèi)工程性缺水和水資源供需矛盾極為突出。

擬建息縣樞紐工程主要功能是城市供水及農(nóng)田灌溉，樞紐閘上正常蓄水位39.20 m，蓄水量 1.2億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積2.38萬(wàn)hm2。多年平均向受水區(qū)供水量16 545萬(wàn)m3，其中向城市供水 10 308萬(wàn)m3，向灌區(qū)供水6 237萬(wàn)m3。樞紐工程位于息縣水文站下游6.7 km處，采用全深孔閘方案，閘底板頂高程29.0 m，共布置26孔，每孔凈寬15 m，總凈寬390 m。本研究選取擬建閘址下游 4.9 km 的河段來(lái)研究河道內(nèi)水生生物對(duì)河流流量的需求。研究河段面積約2.3 km2，多年平均流量為 128.68 m3/s。息縣站斷面地形多年來(lái)基本保持穩(wěn)定，研究河段平均糙率的經(jīng)驗(yàn)值為0.025～0.040，坡降為0.49‰。

大型水庫(kù)雖然可以直接控制下游的泄流過(guò)程，但是目前大部分的水庫(kù)并沒(méi)有充分考慮到河道生態(tài)流量需水，導(dǎo)致水庫(kù)的泄流量過(guò)程與天然流量過(guò)程差異較大，給下游生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響[12]。擬建息縣樞紐工程的主要功能是城市供水及農(nóng)田灌溉，如果取水不合理，勢(shì)必會(huì)造成下游流量減少和流量過(guò)程發(fā)生變化，導(dǎo)致棲息地萎縮及棲息地質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響水生生物的生存和繁殖。本文選用棲息地模擬法計(jì)算天然狀態(tài)下淮河干流上游息縣段河道內(nèi)長(zhǎng)春鳊適宜的環(huán)境流量，為閘壩建成蓄水后維持閘壩下游河道內(nèi)水生生物的棲息地面積和質(zhì)量而下泄的流量提供參考。

1.2 生態(tài)保護(hù)目標(biāo)

作為河流生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)部落，魚(yú)類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的變化最為敏感，是河流系統(tǒng)健康的最佳指示物種。王麗等[13]通過(guò)考慮魚(yú)類(lèi)對(duì)攝食和產(chǎn)卵棲息地等方面的需求來(lái)對(duì)淮河干流魚(yú)類(lèi)進(jìn)行比較分析，采用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算出淮河干流各種魚(yú)類(lèi)的排序權(quán)值，長(zhǎng)春鳊的排序權(quán)值為4.09，為所有研究魚(yú)類(lèi)中最高，在研究淮河干流中水生生物的棲息地需求時(shí)長(zhǎng)春鳊具有較好的代表性。

長(zhǎng)春鳊為草食性魚(yú)類(lèi)，其攝食強(qiáng)度隨季節(jié)有很大變化。冬季一般很少攝食，春季從3月份開(kāi)始增大食量，夏季強(qiáng)度最大。一般生活于水體中下層，產(chǎn)漂浮性卵，要求有一定的流水刺激，在靜水中不能產(chǎn)卵，且長(zhǎng)春鳊體型呈側(cè)扁形，游泳能力較差，對(duì)流速和流量有較高要求。經(jīng)生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究河段內(nèi)長(zhǎng)春鳊數(shù)量豐富，分布廣泛，全年范圍內(nèi)均有長(zhǎng)春鳊生活，所以選擇長(zhǎng)春鳊來(lái)判斷研究河段中水生物種對(duì)流量的需求是合理的。

長(zhǎng)春鳊的產(chǎn)卵繁殖行為受到很多因素的綜合影響，其中最重要的水力要素是水深和流速。長(zhǎng)春鳊不同時(shí)期對(duì)水深和流速的適宜度曲線見(jiàn)圖1～2。

圖1 不同時(shí)期水深-適宜度曲線Fig.1 Water depth-suitability curves for different periods

1.3 研究方法

棲息地模擬法[14-17]主要由兩部分組成：一是水動(dòng)力模型，用來(lái)模擬不同流量下河道內(nèi)的水深和流速分布；二是棲息地模型，結(jié)合某一特定生命階段時(shí)目標(biāo)物種對(duì)水深、流速的偏好程度，將水力學(xué)因素轉(zhuǎn)化為棲息地適宜度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3.1二維水動(dòng)力模型

模擬區(qū)域選擇擬建息縣樞紐工程下游4.9 km范圍內(nèi)的河段。研究河段位于東經(jīng)114°47′～114°50′，北緯32°17′～32°18′范圍內(nèi)，面積約為 2.3 km2，多年平均流量為128.68 m3/s[18]。河段平均河寬約300 m，平均水深約3 m。由于河段在垂直方向上的尺度遠(yuǎn)小于水平尺度，所以適宜用二維淺水方程來(lái)描述區(qū)間水流的運(yùn)動(dòng)。本文選用MIKE21 Flow Model對(duì)淮河干流息縣段的河流水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以期得到不同流量下河道內(nèi)的流場(chǎng)分布。

圖2 不同時(shí)期流速-適宜度曲線Fig.2 Velocity-suitability curves for different periods

模型選擇采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域內(nèi)三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共有413個(gè)，三角形單元有602個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。三角形網(wǎng)格可以較為準(zhǔn)確地體現(xiàn)出研究河段的實(shí)際地形特征。上下游斷面均采用流量邊界條件，其他為陸地邊界，上游斷面流量采用息縣水文站的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，下游斷面流量采用淮濱控制斷面的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)及控制面積的比例來(lái)推算。網(wǎng)格的二維動(dòng)邊界的處理采用“干濕判別法”，模型計(jì)算中淹沒(méi)水深為0.05 m，干水深為0.005 m，濕水深為0.1 m。

研究河段的河床底質(zhì)較為均一，所以整個(gè)研究范圍的流場(chǎng)可選用相同的糙率。通過(guò)選取不同的河床糙率n，對(duì)比已知點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和模擬結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行率定，最終選定糙率n=0.04。模型模擬出的河道內(nèi)水深和流速的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值變化情況吻合，水深和流速的平均偏差分別為6.8%和9.5%，在正常誤差范圍內(nèi)，用于研究河段模型參數(shù)的設(shè)置是合理的，模擬結(jié)果較為可靠。通過(guò)設(shè)定不同的流量邊界，模擬得到不同流量下河道內(nèi)的水深和流速的分布情況，進(jìn)行棲息地適宜性分析。

1.3.2棲息地模型

棲息地適宜度指數(shù)模型主要以目標(biāo)物種對(duì)棲息地的選擇、棲息地限制因子等生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)選定的保護(hù)物種對(duì)不同棲息地因子的需求之間的函數(shù)關(guān)系構(gòu)建模型。由于研究區(qū)域的水流較為簡(jiǎn)單，河床底質(zhì)為砂質(zhì)，適宜魚(yú)類(lèi)生存，故可將底質(zhì)的適宜度指數(shù)全部取為1，且水質(zhì)較好，所以只考慮流速和水深對(duì)棲息地質(zhì)量的影響。假設(shè)水深和流速對(duì)長(zhǎng)春鳊的影響力相同，采用乘積法來(lái)計(jì)算組合適宜度指數(shù):

IHSI=f(v)f(D)

(1)

式中：IHSI為棲息地適宜度指數(shù)；f(v)為流速的適宜度指數(shù)；f(D)為水深的適宜度指數(shù)。

在某一流量下，結(jié)合水動(dòng)力學(xué)模型得到的水深和流速分布和目標(biāo)物種對(duì)水動(dòng)力因子(水深和流速)的適宜度指數(shù)，采用乘積法確定不同網(wǎng)格單元的組合棲息地適宜度指數(shù)，將不同網(wǎng)格單元的IHSI與單元面積相乘并累加，即得到特定流量下所對(duì)應(yīng)的棲息地WUA。綜合不同流量對(duì)應(yīng)的WUA，得到WUA-流量曲線，即可分析目標(biāo)物種在不同生長(zhǎng)期對(duì)河流流量的需求。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)模型計(jì)算得到研究河段內(nèi)長(zhǎng)春鳊在不同生長(zhǎng)期內(nèi)棲息地WUA與流量之間的變化關(guān)系，從而得到適宜的環(huán)境流量過(guò)程。從不同時(shí)期的模擬結(jié)果得到WUA-流量曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同時(shí)期WUA-流量曲線Fig.3 WUA-flow curves for different periods

2.1 產(chǎn)卵期

4—7月為長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵期，其中比較集中的產(chǎn)卵期是5—7月。對(duì)1990—2012年4—7月的平均月流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到流量范圍為18～378 m3/s，故模擬10～400 m3/s流量范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的棲息地WUA，得到產(chǎn)卵期WUA-流量曲線(圖3)。

隨著流量的增大，WUA整體上先顯著增加后達(dá)到最大值，接著略有減小后趨于平緩?；春由嫌蜗⒖h段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的過(guò)程中，長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵棲息地WUA隨著流量的增大而不斷增加；當(dāng)流量超過(guò)150 m3/s之后，WUA隨著流量的增大而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。流量在100～200 m3/s范圍內(nèi)時(shí)，WUA值達(dá)到最大，該流量范圍為最適宜長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵的流量區(qū)間。造成這一趨勢(shì)的原因可能是，長(zhǎng)春鳊在產(chǎn)卵期對(duì)流速的要求較高，僅0.1～0.4 m/s范圍內(nèi)最適宜長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵。當(dāng)流量增大時(shí)，流速也不斷增大，WUA也增加。但流速過(guò)大不利于長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵，當(dāng)流速超過(guò)最適宜流速時(shí)，流速適宜性降低，導(dǎo)致WUA增加緩慢，甚至減少。

2.2 捕食期

每年的8—11月，長(zhǎng)春鳊的捕食量增大。為了研究捕食期的棲息地現(xiàn)狀，對(duì)10～300 m3/s流量范圍進(jìn)行模擬，得到7種流量工況下對(duì)應(yīng)的棲息地WUA(圖3)。

由于捕食期對(duì)水深的要求不高，研究河段水深絕大部分時(shí)間均超過(guò)1.2 m，能夠滿足捕食期長(zhǎng)春鳊所需的最佳水深范圍，所以即使流量很小時(shí)也有一定的WUA。隨著流量增大，流速也隨之增大，部分區(qū)域可以達(dá)到長(zhǎng)春鳊捕食期最適宜的流速范圍(0.7～1.2 m/s)，所以隨著流量增大，棲息地WUA也隨之增大，更加滿足長(zhǎng)春鳊捕食期對(duì)水深和流速的需求。但是WUA隨流量增大而增加的趨勢(shì)較為平緩。

在捕食期，為保證長(zhǎng)春鳊可以捕食到所需的物質(zhì)和能量資源，河流流速須小于長(zhǎng)春鳊的臨界游泳流速1.2 m/s。在河流流速小于1.2 m/s時(shí)，流速越高，適宜度指數(shù)越高；當(dāng)流速超過(guò)1.2 m/s時(shí)，會(huì)影響長(zhǎng)春鳊正常攝食，且流速適宜度隨著流速的增大而降低。在研究河段，在模擬的流量范圍下，流速均未達(dá)到1.2 m/s，所以水深和流速的組合適宜度指數(shù)隨著流量的增加而增大，WUA隨流量增大呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

表1 Tennant法的環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of environmental flow based on Tennant method m3/s

2.3 越冬期

對(duì)長(zhǎng)春鳊越冬期12月至次年3月河段的模擬流量范圍定為10～200 m3/s，對(duì)8種不同流量工況下的棲息地現(xiàn)狀進(jìn)行整合，得到越冬期長(zhǎng)春鳊WUA與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3)。

長(zhǎng)春鳊越冬期對(duì)流速的需求與捕食期相同。由于越冬期長(zhǎng)春鳊對(duì)流速的要求不高，在0～1.2 m/s 流速范圍內(nèi)，流速適宜性都高于0.8，所以水深是長(zhǎng)春鳊越冬期棲息地需求的最主要影響因素。但由于12月至次年3月大部分時(shí)間屬于枯水期，淮河干流水位較低，而長(zhǎng)春鳊在越冬期的最佳水深應(yīng)大于 3 m，所以在整個(gè)研究時(shí)期，長(zhǎng)春鳊適宜棲息地WUA僅在 1.4～1.7 km2范圍內(nèi)，且隨流量增大而略有降低，整體變化不大。造成這一結(jié)果的原因是，長(zhǎng)春鳊生活在水體下層，越冬期在深水區(qū)河底棲息，水深是影響其棲息地適宜性的主要因素。在越冬期，研究河段內(nèi)的水位波動(dòng)幅度不大，而流速對(duì)長(zhǎng)春鳊越冬期的棲息地影響較小，所以綜合來(lái)看，隨著流量增加，長(zhǎng)春鳊越冬期棲息地WUA略有減小，但整體變化不明顯。

2.4 環(huán)境流量的討論

河道中適宜環(huán)境流量的估算是為了保障河流中水生生物的棲息地WUA。當(dāng)棲息地WUA達(dá)到最大時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的流量最適宜魚(yú)類(lèi)生存，即該流量為適宜環(huán)境流量，可作為水資源規(guī)劃依據(jù)。

為評(píng)價(jià)棲息地模擬法的計(jì)算結(jié)果，本文的計(jì)算結(jié)果與Tennant法的結(jié)果(表1)進(jìn)行對(duì)比分析。

由表1可見(jiàn)，棲息地模擬法的計(jì)算結(jié)果明顯高于Tennant法推薦的環(huán)境流量。這是因?yàn)門(mén)ennant法是根據(jù)歷史流量資料給出河道內(nèi)基本流量，沒(méi)有考慮具體物種對(duì)流量的需求，因而不能反映魚(yú)類(lèi)棲息地狀況。通常來(lái)說(shuō)，棲息地模擬法得出的環(huán)境流量值要比水文學(xué)方法得到的結(jié)果大，適用于受人類(lèi)活動(dòng)影響較小的河流。

產(chǎn)卵期是魚(yú)類(lèi)最重要的生命階段，對(duì)生境的要求較高。對(duì)應(yīng)Tennant法給出的最小環(huán)境流量(12.9 m3/s)，研究河段的適宜棲息地面積僅有13%左右，很難滿足長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵需求。根據(jù)棲息地模擬法結(jié)果，流量在100～200 m3/s之間時(shí)，適宜棲息地面積可達(dá)85%以上。在長(zhǎng)春鳊捕食期和越冬期，河道流量基本都可滿足長(zhǎng)春鳊需求，適宜棲息地面積分別在80%和65%以上。

目前大部分學(xué)者聚焦于最小環(huán)境流量的研究，但是，即使?jié)M足了最小環(huán)境流量，也會(huì)導(dǎo)致生物多樣性減少和生態(tài)完整性降低，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降。適宜環(huán)境流量考慮到生物的需求，是根據(jù)目標(biāo)物種最適宜的水文條件模擬得到的，所以更能保證河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。在水生生物較為豐富和生態(tài)資料較為齊全的河段，計(jì)算適宜環(huán)境流量采用棲息地模擬法比其他方法更有意義。

3 結(jié) 論

a. 在長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵期，研究河段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的過(guò)程中，長(zhǎng)春鳊產(chǎn)卵棲息地WUA隨著流量的增大而不斷增加；當(dāng)流量超過(guò)150 m3/s之后，WUA隨著流量的增大而呈逐漸減小的趨勢(shì)；流量在100～200 m3/s范圍內(nèi)時(shí)，WUA達(dá)到最大值，該流量范圍為長(zhǎng)春鳊最適宜產(chǎn)卵的流量區(qū)間，其中，150 m3/s是最適宜環(huán)境流量。

b. 在長(zhǎng)春鳊捕食期，WUA隨著流量的增大呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

c. 在長(zhǎng)春鳊越冬期，隨著流量增加，長(zhǎng)春鳊的棲息地WUA略有減小，但整體變化不明顯。

d. 4—7月，環(huán)境流量適宜范圍是100～200 m3/s，8月至次年3月，不同環(huán)境流量均可滿足長(zhǎng)春鳊捕食和越冬的需求。