基于栖息地模拟的重口裂腹鱼繁殖期适宜生态流量分析

宋旭燕，吉小盼，杨玖贤

(中国电建集团成都勘测设计院有限公司，成都 610072)

1 引言

鱼类栖息地是指维持其正常生活、生长、觅食、繁殖以及其它生命循环周期的场所，栖息生境的质量好坏受诸多因素的影响，如水文、泥沙、河道形态、水质条件、饵料生物等［1，2］。天然河流的自然演进可以形成满足鱼类栖息地要求的河流生境，但由于水电站的兴建，将在一定程度上改变河流的天然水文情势，进而对水生生境及河流生态环境产生影响。因此，在进行水电工程方案比较和评价时，就需解决受影响河段的河道生态环境需水量问题。河道生态环境需水是指维持河流水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存所需要的水量［3～5］。河道生态环境需水量的方法可以分为水文学法、水力学方法、栖息地方法等［6］，其中栖息地模拟法因能够定量评价水量变化对栖息地的影响，已引起更多研究者的关注［7］。栖息地模拟法广泛应用于确定河流重要生物物种生存和繁殖后代的最适宜生态流量，目前已应用于确定长江中游四大家鱼的保护以及三峡等水利工程生态流量［7］、新疆额尔齐斯河中游鱼类产卵期生态流量［8］、雅砻江锦屏大河湾减水河段生态流量［9］。栖息地模拟法模型主要包括PHABSIM、River2D模型等，其中PHABSIM模型在栖息地模拟中属于基于相关关系的单变量栖息地适宜性模型，单变量栖息地适宜性模型以水深、流速和河床底质等特定属性下区域内的物种数量来表示栖息地的适宜程度［10～12］。

本文在分析栖息地法计算生境需水量的原理和应用步骤基础上，以姜射坝水电站为例，应用栖息地模拟模型PHABSIM模拟分析该河段内重口裂腹鱼繁殖期生境，进而确定河道流量与口裂腹鱼繁殖期加权可利用面积的关系，以期为电站减水河段生态修复工作提供依据，同时为其他拟建电站水生生态环境影响评价工作提供借鉴。

2 栖息地模拟计算方法介绍

PHABSIM(Physical Habitat Simulation Model)是由美国地质调查局 (USGS)研制开发的一种生境定量评价方法，可用于预测和评价河流中栖息地随水流的变化情况，也是目前生境模拟法中最为常用的一种环境流量评价方法。本文即应用PHABSIM模型模拟分析鱼类生境与流量的关系，以下对该模型的计算原理和应用步骤做详细介绍。

2.1 PHABSIM模型原理及应用步骤

该模型主要包括水力模拟和栖息地模拟两部分。

2.2 水力模拟

水力模拟包括水位模拟和流速模拟。模型为水位模拟提供了3种计算方法，即水位流量关系法(STGQ)、曼宁方程法 (MANSQ)和水表面轮廓法(WSP)。

(1)水位流量关系法 (STGQ)

通式可表示如下:

(2)曼宁方程法 (MANSQ)

公式为均匀流方程式:

其中:Q为流量，单位m3/s;

v为断面平均流速，单位m/s;

A为断面过水面积，单位m2;

v为断面平均流速，单位m/s;

R为断面水力半径，单位m;

Se为水力坡度;

n为粗糙系数，简称糙率或曼宁系数。

(3)水表面轮廓法 (WSP)［13］

该方法利用缓变流水面线方程式，采用标准的分步回水方法由下游已知断面水深来确定上游横断面的水深。

依据的公式为:

式中字母含义如前文相同。

2.3 栖息地模拟

栖息地模拟可分为3个步骤，第一步将目标鱼种的生境适宜曲线输入模型，生成HSC数据集;第二步将水力模型的计算结果与目标鱼种生境适宜曲线相对应，以确定各计算单元不同生境参数的适宜度;第三步将每个计算单元内的单因子适宜度加权求和为综合适宜度，取综合适宜度与相应计算单元的水面面积的乘积即为目标鱼种加权可利用单元面积，将各单元面积求和，并以每单位公里河段的可利用平方米的面积来表述，最终形成栖息地加权可利用面积 (WUA)——流量关系曲线。其计算公式如下:

其中:Ai是第i号计算单元的水面面积;Ci是第i号计算单元的综合适配度 (一般结合了水深、流速和渠道类型参数的适配度)。

模型为计算综合适宜度提供了4种方法，即乘积法、几何平均法、最小值法和加权平均法。4种方法的计算公式如下:

①乘积法CSF=f(V)f(D)f(C)

②几何平均法 CSF=［f(V)f(D)f(C)］1/3

③最小值法 CSF=min［f(V)，f(D)，f(C)］

④加权平均法CSF=kv f(V)+kd f(D)+kcf(C)

式④中kv、kd、kc分别为流速、水深及河床底质适应度指数的权重因子，其总和为1。乘积法假设3种参数f(V)、f(D)、f(C)的适合度指数影响力相同;几何平均法将3种单因子适宜度指数做几何平均;最小值法取最小的适宜度指数当作CSF值;加权平均法是依据决策者的判断对当地河区的f(V)、f(D)、f(C)各自加权，再去推求流量与权重可使用栖息地面积的关系，所以若能完全掌握当地生物特性，则加权平均法将是最具代表性的方法。本文中采用几何平均法综合适宜度。

3 案例分析

岷江上游水电开发较早，开发程度较高，且多为引水式电站，电站引水后，河流水文情势发生变化，从而对岷江水生生态产生较大影响，原生水生环境遭到破坏。本文以岷江上游姜射坝水电站减水河段为例，选择河段内浅滩特征最明显的4个断面进行生态需水量计算。计算时段选取重口裂腹鱼繁殖期，即7月初～8月底。河段多年平均流量为203 m3/s。

姜射坝水电站闸址位于茂县羊毛坪大桥下游180～250m处，厂址位于汶川县城郊岷江右岸，下距汶川县城约2km。电站引水线路长12.7km，闸厂址间减水河段长15.4km。4个断面距离工程闸址 距 离 分 别 为 1.38km、2.34km、3.36km 和3.96km，各断面形态详见图1，各断面水面宽、水深浅，有水流区域水面泛白花，流速分布均匀，是裂腹鱼典型的产卵场。

图1 典型断面现状图Fig.1 Typical cross-section status

3.1 断面权重确定

横断面权重是指各个横断面在整个研究河段内中所占的百分比重，此值由横断面与上游断面之间的距离来决定，在使用PHABSIM栖息地模型时，权重变量会影响栖息地面积的大小。本文假设每个横断面权重均取对上下游生境因子为50%，即各断面距其上游断面之间的河段长度的一半加上距其下游断面之间的河段长度的一半即为该断面的河段长度，亦即在自然河道中各断面的权重取0.5。

3.2 计算工况设置

计算工况的设置以该河段多年平均流量(203m3/s)为参照，选择多年平均流量的5%、10%、12%、13%、15%、20%、30%和40%为本次计算的流量工况，即本次计算工况流量依次为10.15m3/s、 20.3m3/s、 24.36m3/s、 26.39m3/s、30.45m3/s、40.6m3/s、60.9m3/s和 81.2 m3/s。

3.3 目标鱼种生境适宜度曲线

根据我院与四川省水产研究所和武汉水工程生态研究所等协作单位对四川省境内山区河流鱼类生境的调研结果及专家征询意见，重口裂腹鱼繁殖期最适宜水深范围为0.5～1.5m，最适宜流速范围为1.5～2.5m/s。当水深及流速值在目标鱼种的最适宜水深和流速范围内时，适配度设为1。当流速和水深为零时，适配度均为零。当流速大于3.5时，重口裂腹鱼的流速适配度为0。将上述数据输入模型后，生成相应的生境适宜度曲线，如图2所示。

图2 流速、水深与适配度指数关系Fig.2 Exponential relationship of velocity，depth and adaptation

3.4 生态流量确定

3.4.1 栖息地模拟法

在应用栖息地法计算生态流量时，河道内生态需水量推荐值是依据“栖息地加权可利用面积(WUA)——流量关系曲线”中WUA最大值位置而定，或是依据WUA最大值的一定百分比位置确定。同时，也有研究人员按生境——流量关系曲线的转折点来确定生态需水量。本文参照前人应用经验，结合姜射坝减水河段的具体计算结果，综合确定目标鱼种栖息地最佳需水量。

应用PHABSIM模型，计算3.2节确定的各流量工况对应的裂腹鱼加权可利用栖息地面积，绘制加权可利用栖息地面积 (WUA)——流量关系曲线，如图3所示。由图3可知，重口裂腹鱼的WUA最大值对应的流量为40.6 m3/s，由此，重口裂腹鱼的繁殖期生境需水量为40.6 m3/s。

图3 目标鱼种繁殖期栖息地可利用面积与流量关系图Fig.3 Relational graph of available area and flow in the habitat of target species during breeding season

3.4.2 水文学法

Tennant法为典型的水文学发，该方法为目前国外比较著名的历史流量法，是北美洲政府官方常用的河溪内流量制订方法［14］。此法以多年平均流量 (mean annual flow，MAF)为基础，探讨MAF不同百分比流量下的河流流量状况，共设有8个等级［15～17］，推荐的基流分为汛期和非汛期，推荐值以占径流量的百分比作为标准。本次计算的时段为7月～8月，按照Tennant法对汛期和非汛期的划分，该时段属于汛期。根据Tennant法的汛期标准，当河道流量为MAF的10%时，河流状况较差，仅能满足部分水生生物在短期内维持生物栖息地最低限度的要求;当河道流量为MAF的30%时，河流状况为中，能满足维持水生生物良好的生存条件的要求。

4 结论与展望

通过分析栖息地法计算生境需水量的原理及步骤，以姜射坝水电站为例，应用栖息地模拟模型PHABSIM模拟分析了该河段内重口裂腹鱼繁殖期生境。所建模型考虑了断面流速和水深两个水力学因子对鱼类关键生境的影响，根据计算结果最终确定了河道流量与重口裂腹鱼繁殖期加权可利用面积的关系，进而根据可利用面积与流量的关系，确定繁殖期减水河段最小生态流量。结果表明，该河段内重口裂腹鱼繁殖期适宜生态流量为40.6m3/s，其与水文学法的结果对比表明，该流量可以基本满足维持水生生物良好的生存条件的要求。

当该河段生态修复研究需要考虑珍稀鱼类关键生境的恢复时，可为确定该河段生态流量提供参考。但本研究仅考虑了断面流速和水深对生境的影响，其他很多参数都进行了简化，如水温和河床底质等，这些参数在一定程度上可能影响计算结果，导致确定的生态流量与实际存在一定偏差，因此随着生态修复工作的不断深入，在今后的研究当中，应全面收集生态、水文和断面资料，尽可能量化水温、水质及河床底质与鱼类栖息地的关系，并将其引入模型，以更加精确地模拟分析河道流量与栖息地面积的关系，从而更好地开展受工程影响河段的生态修复工作。

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