基于地形重塑的鱼类栖息地模拟修复设计

孙莹，牛天祥，王玉蓉，王锐，郭晓华

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065； 2.四川大学， 成都 610065；3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 成都 610072)

基于地形重塑的鱼类栖息地模拟修复设计

孙莹1，牛天祥1，王玉蓉2，王锐3，郭晓华1

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065； 2.四川大学， 成都 610065；3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 成都 610072)

在鱼类栖息地不断被压缩、鱼类原生境保护范围非常有限的背景下，采取一定的生态修复手段修复鱼类栖息地的结构和功能，显得非常必要。通过河道内流量增加法，采用二维River2D模型对水电站坝下齐口裂腹鱼产卵场进行模拟，根据对修复前后适宜产卵场面积的加权计算，分析修复前后栖息地的变化情况，为产卵场修复工程设计提供依据。模拟修复结果表明，地形重塑后，适宜齐口裂腹鱼产卵的水深、流速范围以及有效栖息地面积较修复前显著增加，地形重塑效果显著。

河道内流量增加法；鱼类栖息地；模拟；修复；地形重塑

拦河筑坝工程显著改变了河流系统原有的水文、水力学特征，对栖息其中的鱼类产生了较大程度的影响[1]。水库蓄水在淹没了流水性鱼类栖息地的同时，流水条件的改变也减少了适应流水环境的鱼类的栖息范围；水库对天然径流的调节，从流态、挟带组分、水温、径流周期、河床形态变化等方面也会对大坝下游鱼类栖息地产生影响[2]。因此，在鱼类栖息地不断被压缩、鱼类原生境保护范围非常有限的背景下，采取一定的生态修复手段，修复鱼类栖息地的结构和功能，就显得尤为重要。这也是在河流开发不断深化的现实背景下，保护鱼类自然资源的现实选择。

在水电工程鱼类保护措施的设计中，可结合栖息地生境本底、替代生境相似度和种群相似度，明确栖息地保护目标，制定有针对性的栖息地保护方案，并采取相应的工程措施。River2D模型可以通过栖息地模拟，定量给出生物适宜栖息地面积及其分布与各水力控制因素之间的定量关系，这对于进行河流工程的设计与评价具有较大价值[3]。本文通过河道内流量增加法(IFIM)，采用二维River2D模型对水电站坝下齐口裂腹鱼产卵场进行地形重塑修复模拟，为栖息地修复工程设计提供参考。

1 研究河段鱼类资源及栖息地现状

研究河段位于大渡河上游，主要分布有裂腹鱼类、条鳅亚科鱼类和鮡科鱼类。其中，齐口裂腹鱼(SchizothoraxPrenanti)为长江上游特有鱼类，是研究河段的主要经济鱼类。

齐口裂腹鱼属典型高原鱼类区系，为底栖型鱼类，喜流水生境，主要刮食着生藻类，有短距离生殖洄游习性。天然情况下，该研究河段齐口裂腹鱼主要繁殖时段为3月末至4月，其鱼卵为沉粘性卵，多产于急流浅滩的砂砾石上。

该研究河段河势蜿蜒，河岸边滩分布广泛，齐口裂腹鱼产卵场历史分布较多。但是近年来，由于采砂活动频繁，河道右岸滩地出现许多不规则的淘沙坑，岸坡局部受到破坏，大量石渣入河，破坏了鱼类繁殖原有生境，亟需有效修复。

2 栖息地二维模拟方法与结果分析

2.1 模拟方法

栖息地模拟方法以IFIM法为代表性方法。该方法由美国鱼类及野生动物管理局研究开发，通过结合水力学模型和生物信息模型，建立了有效栖息地数量、质量与流量之间的关系，用以评价流量变化对鱼类栖息地的影响[3- 4]。

IFIM法设定水深、流速、基质和覆盖物为流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素，通过调查分析指示物种对水深、流速、底质等因子的适应性，绘制水深、流速、底质等环境参数与喜好度(被表示为0～1之间的值)之间的适宜性曲线，计算指示物种的有效可利用面积(WUA)。公式如下：

式中，CSF(Vi,Di,Ci)为每个影响因子的组合适宜性值，其中，i为划分的单元数，V为流速适宜指数，D为水深适宜指数，C为河道适宜指数(基质和覆盖物)；Ai为每个单元的水平面积。本文主要考虑水深和流速的影响。对于栖息地组合适宜性值的确定，采取影响因子适宜指数相乘的方式，从而体现影响因子的综合作用。

目前，微生境栖息地模拟模式主要包含一维PHABSIM模式、EVHA模型、HABITAT模型，二维River2D模型，三维DELFT3D软件等。River2D模型是由加拿大淡水研究所、亚伯特大学土木与环境系、美国地质调查局中部生态科学中心、亚伯特渔业部共同研究开发与测试的栖息地模拟软件。它将水力模拟和生态模拟紧密结合，主要用于微生境(水深、流速、基质和河面覆盖等)的模拟评价。River2D软件包括R2D_Bed、R2D_Mesh、R2D_Ice、River2D 4部分，分别用于地形处理、网格生成、河流覆冰模拟及栖息地模拟。

River2D中水力模型是二维垂向平均水动力学模型，其基本假定为：沿水深垂向方向，压力符合静压分布；水深方向上的水平流速为常数；忽略科氏应力和风应力。River2D鱼类栖息地模型是在水力模型计算的基础上，根据目标物种的栖息地适应性曲线，找出每个单元影响因子的组合栖息地适宜值，计算研究河段的有效栖息地面积(WUA)。

2.2 生境适宜性曲线

(1)目标物种确定

根据鱼类资源调查统计分析，齐口裂腹鱼在研究河段中为优势物种，且具有较高的经济价值，本文将齐口裂腹鱼作为目标物种。

(2)水深及流速适宜性指数确定

栖息地适宜性指数[5](Habitat Suitability Indices, HIS)对于栖息地模拟准确性起着至关重要的作用，通常以0～1之间的数值来量化物种对栖息地的喜好程度，0表示完全不适宜，1表示完全适宜，值越大表示适应性越好。

经现场调查，结合目前国内关于裂腹鱼生态习性、繁殖习性、游泳能力的研究试验成果，确定齐口裂腹鱼繁殖的适宜水深为0.15～1.5 m，其中最适宜水深为0.2～0.8 m；适宜流速为0.07～1.5 m/s，其中最适宜流速为0.2～0.8 m/s。由此确定研究河段齐口裂腹鱼在繁殖期对水深、流速的适宜性曲线，如图1和图2所示。

图1 齐口裂腹鱼繁殖期水深适宜性曲线Fig.1 Depth suitability curve of Schizothorax prenanti breeding season

图2 齐口裂腹鱼繁殖期流速适宜性曲线Fig.2 Velocity suitability curve of Schizothorax prenanti breeding season

2.3 模拟结果

(1)鱼类栖息地地形重塑前数值模拟

地形重塑前，在电站367 m3/s流量运行工况下，研究河段受挖沙破坏的齐口裂腹鱼产卵场有效栖息地面积为9 088 m2，栖息地主要分布在两岸浅滩处。地形重塑前产卵场水深、流速及有效栖息地分布如图3所示。

(2)鱼类栖息地地形重塑后数值模拟

结合齐口裂腹鱼生活习性，研究河段受挖沙破坏的齐口裂腹鱼产卵场地形重塑方案设计如下：以2 139.7 m地形高程为基准，将产卵场内淘沙坑填平，并将高于基准高程的区域进行平整；在靠近主河道区域，为使水流平顺，避免出现跌水，将该区域作为地形过渡段，设置坡度为2%～3%的缓斜坡，将重塑后滩地平缓过渡到主河道区域。随后在修复地形上铺设30 cm厚砂砾石底质。

图3 地形重塑前产卵场水深、流速、有效栖息地面积分布Fig.3 Depth, velocity, and WUA distribution of spawning grounds before terrain remodeling

图4 地形重塑后产卵场水深、流速、有效栖息地面积分布Fig.4 Depth, velocity, and WUA distribution of spawning grounds after terrain remodeling

经模拟计算，地形重塑后，在电站367 m3/s流量运行工况下，齐口裂腹鱼有效栖息地面积增长至28 078 m2，有效栖息地主要分布在地形重塑后的区域内。地形重塑后产卵场水深、流速及有效栖息地分布如图4所示。

(3)鱼类栖息地地形重塑效果分析

产卵场地形重塑后有效栖息地面积变化情况如表1所示。由表1可以看出，地形重塑使齐口裂腹鱼产卵场适宜产卵繁殖的区域较重塑前增加了18 990 m2，地形重塑效果显著。

表1 地形重塑前后产卵场有效栖息地面积及变化统计表

3 结语

(1)本文通过河道内流量增加方法(IFIM)，采用二维River 2D模型，计算分析水电站坝下齐口裂腹鱼产卵场地形重塑前后栖息地流场、水深及有效栖息地面积的变化情况。模拟结果显示，根据本文确定的齐口裂腹鱼繁殖期流速、水深适宜性曲线，地形重塑前，在电站367 m3/s流量运行工况下，齐口裂腹鱼有效栖息地面积局限在河岸两侧，呈断续斑块分布；地形重塑后，右岸有效栖息地面积显著增加，形成浅滩型产卵场。

(2)通过二维River 2D模型进行模拟计算，可以较好地模拟地形重塑前后鱼类产卵场有效栖息地面积的变化情况，为鱼类栖息地修复工程设计提供参考和依据。

(3)由于缺乏底质实测资料，本次栖息地适宜性指数仅考虑了齐口裂腹鱼产卵适宜流速和适宜水深两个方面，未叠加齐口裂腹鱼适宜底质这一因素。为提高模拟效果，建议进一步开展齐口裂腹鱼栖息地适宜底质的调查研究工作，从而进一步提升栖息地模拟预测结果的准确性。

(4)为保持地形重塑区域的稳定性，重塑区及底质的铺设需采取一定的防冲刷工程措施。

[1] 中国科学院三峡工程生态与环境科研项目领导小组. 长江三峡工程对生态与环境的影响及对策研究[M]. 北京: 科学出版社, 1988.

[2] 杨宇, 乔晔. 鱼类栖息地水力学研究方法简述[C]// 第七届全国环境水力学学术研讨会. 2006: 542- 547.

[3] 王晓刚, 严忠民. 河道汇流口水力特性对鱼类栖息地的影响[J]. 天津大学学报, 2008, 41(2): 204- 208.

[4] 崔玲, 陈余道, 蒋亚萍. River2D模型及其在漓江桂林市区段的初步应用[J]. 广西水利水电, 2007(3): 6- 9, 13.

[5] Bovee K D. Development and evaluation of habitat suitability criteria for use in the instream flow incremental methodology[R]. Washington: United States Fish and Wildlife Service, 1986.

Design of Simulative Restoration of Fish Habitat Based on Terrain Remolding

SUN Ying1，NIU Tian-xiang1，WANG Yu-rong2，WANG Rui3，GUO Xiao-hua1

(1.Powerchina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China; 2.Sichuan University, Chengdu 610065, China;3.Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

Under the context that fish habitat is being constantly compressed and the area of in-situ conservation is very limited, it is quite essential and critical to take ecological measures to restore the structure and functions of the fish habitat. By applying the instream flow incremental methodology, the spawning ground ofSchizothoraxprenantilocated at the downstream of a hydropower dam is simulated by the model of River2D. Through the weighted calculation of areas of suitable spawning ground before and after restoration, changes of habitat is analyzed in order to provide basis for the design of habitat restoration project. The results of simulative restoration showed that after the terrain remolding, there are significant increase in the suitable water depth for spawning ofSchizothoraxprenanti, flow velocity area and the total weighted usable area.

Instream Flow Incremental Methodology; fish habitat; restoration; simulation; terrain remolding

2014-12-31

孙莹(1981—)，女，陕西乾县人，高级工程师，硕士，主要研究方向为水电工程环境影响评价与环境保护设计，E-mail：sunying@nwh.cn

10.14068/j.ceia.2015.03.008

X171.4

A

2095-6444(2015)03-0029-04