栖息地法确定樟溪河生态流量研究

刘中　彭瑞文　林霞　罗艳

摘要：为确定浙江省宁波市皎口水库下游樟溪河生态环境流量，利用栖息地法通过结合月光鱼栖息地适宜度分析和二维水力模型流量模拟开展研究。结果表明，考虑月光鱼在不同生长阶段对水流速度和水深的要求，建议水库在鱼的生长期内最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期内每周有1～2天下泄流量达到2 m3/s以上。另外，每年还需要在丰水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”冲刷河床，以保持有一定范围的深水区供鱼类过冬。本研究为栖息地法在南方地区中小型河流的应用提供了实例和参考。

关键词：环境流量；栖息地模拟法；栖息地适合度曲线；加权可用面积

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.012

中图分类号：X143 文献标识码：A 文章编号：2095-6444（2015）05-0049-03

栖息地模拟法基于生物学原则，根据指示物种所需的水力条件确定河流流量，被认为是当前较为可信的生态环境流量评价方法之一。栖息地模拟法中最常用的是河流内流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology，IFIM），该法通过水利学模型与水生生物不同阶段所需要的水利条件相结合，定量描述河流流量和栖息地之间的关系，从而确定指示生物某一特定生命阶段的生态需水量[1]。

樟溪河位于浙江省宁波市皎口水库下游，受上游水资源开发强度加大影响，樟溪河河流水量发生变化，给河流生态环境带来风险。宁波市水资源与环境工程（2006年完工）的贷款方之一世界银行提出对下游环境流量进行调查研究并给出建议方案。本研究以樟溪河为研究对象，利用月光鱼（Distoechodon tumirostris，学名圆吻鲴）作为确定河流生态流量的指示生物，通过结合二维水力学模型和针对月光鱼的栖息地模拟，分析不同流量条件下的水深和流速情况，建立指示生物在不同生命阶段的栖息地加权可利用面积（WUA）与生态流量的关系，计算樟溪河下游河道内最小生态流量和适宜生态流量，以期为当地水资源的综合管理和可持续开发提供依据，同时为相关河流生态需水量计算及河道生态修复等提供参考。

1 研究概况和方法

1.1 研究概况

樟溪河位于浙江省宁波市，上游起于皎口水库出水口下游汇入鄞江河，全长约16 km，水域面积约60 km2（图1）。根据2007年宁波大学开展的樟溪河生态调查结果，该河生物物种丰富，有10多种不同习性的鱼类，其中月光鱼对河流生境和水质要求最高，可被认为是能反映樟溪河生态环境状况的指示生物。2009年6月，对该河段的河道地形和水文数据进行实地勘测，包括6个断面的水深和平均流速，这些数据用于二维水力模型的参数率定和模拟计算。

1.2 栖息地适合度模型

栖息地适合度模型用来计算生态环境条件对某一特定物种的栖息适合度。栖息地适合度指标作为广泛使用的栖息地评价指标，用于表征水生生物对不同河流环境因子的偏好性。确定栖息地适合度的方法众多，但总的来说，主要根据指示物种所需的物理生境条件确定栖息地适合度。本研究的指示物种月光鱼，一般栖息在河流湖泊的中下层，冬季在深潭越冬，4月至5月的繁殖季节上溯至流水浅滩产卵繁殖。月光鱼生存的适宜流速为0～0.5 m/s，幼鱼没有最小生态流量要求，但因为它们的游泳能力有限，最好是在低流速的静态水域中生存，或者选择高流速河流中的深水区作为避难场所。在越冬期（10月至次年3月），当地鱼类主要选择河流中水深处作为越冬点，尤其是一些流速低的大水潭，只要水深超过2 m，大多数鱼类（包括月光鱼）就能够过冬。在繁殖期（4月至5月），月光鱼雌鱼会在高流速条件下（0.5～1.5 m/s）刺激产卵。根据实地勘测，樟溪河下游有足够的浅滩，如果河道生态流量在月光鱼繁殖期能保证在监测断面达到0.5～1.5 m/s，就可以满足它们的产卵要求。根据这些数据可以模拟指示物种月光鱼在不同生命阶段的水深和流速适合度曲线。

1.3 加权可利用面积法

加权可利用面积法通过结合不同流量条件下水文模型和指示生物栖息地偏好（或适合度），进行流量变化对栖息地影响的评价[2]。通过计算加权可利用面積（WUA）与流量之间的关系，根据转折点（斜率为1），确定河道内最小生态流量。断面生态流量测量避开雨季（8月至9月）和枯水期（12月至次年1月），选择在河道内比较浅的地方，并且尽量排除人为设施和植被的影响。因为普遍认为如果能够满足浅滩所需要的流量，那么也可以满足深潭和其他位置所需要的生态流量[5]。采用圣维南方程组计算二维水力学特征，研究假设在垂直方向上符合静压分布，水平流速是持续的，忽略科氏力和风力。结合河道断面的水位测量数据、河床坡度（相对于皎口水库的出水口高度）、涡流粘度（采用标准公式，λ=0.068 3）、平流向Γ（河道直而宽阔，故可以忽略，假定为0）和局部摩擦系数f（由实际测量的流速计算得到，其他深度下的摩擦系数由线性趋势取得），再与实地测量得到的水深和流速进行校准。该二维水力学模型可以模拟不同水深或流速下的流量[6-7]。

2 结果与分析

通过野外实际测量和室内实验结果，获得月光鱼不同生命阶段的栖息地流速和水深适合度（图2）。适合度为1代表最常用或最优先栖息地，其他参考值为适合度的0、10%、25%、50%、75%和90%。由此可以绘制栖息地适合度曲线，比如月光鱼在繁殖期间的流速适合度曲线（图3）。

通过计算各断面在月光鱼不同生活时期的最小和适宜生态流量得出的结果，可以作为皎口水库制定下泄流量的依据。在生长期，中位水深对应的最小生态流量较高，接近最大加权可用面积法对应的所需生态流量。与之相比，中位流速对应的平均最小生态流量为2.7 m3/s。如果要想达到最佳栖息地条件，生态流量大概在2.8 m3/s。繁殖期的中位水深对应的最小生态流量平均仅为0.27 m3/s，与水文法中的Tennant法规定的10%的年平均流量相近，但在中位流速下计算得到的平均生态流量则过高（>10 m3/s），显然是不现实的。由于流速可能是更好的生态指标，根据流速指标计算的鱼类流量要求更具生态学意义，更适合用来确定环境流量[8]。在繁殖期间，雌鱼需要受到快速水流的刺激（0.5～1.5 m/s）而产卵，如果要在第一个断面蜜岩（图1）达到这一流速，在栖息地适合度为50%时所需要的生态流量为2.83 m3/s。在其他断面如果要形成快速水流，即流速在0.5 m/s以上，需要的最小生态流量为2 m3/s。樟溪河下游河床为鹅卵石基质，有许多浅滩，形成的浅层急流应该可以满足雌鱼产卵对流速的要求。为保证产卵栖息地不受影响，建议皎口水库的下泄流量在4月到5月每周至少有1～2天达到2 m3/s以上。

月光鱼在冬天主要栖息在较深的河段中（>2 m），特别是流速较低的深潭中。由于游动能力有限，幼鱼也偏好流速较慢的水流。由于天然深潭正在消失，一项旨在清洁河道和维修堤坝的河道恢复计划已于2008年完成，带给月光鱼更多的深水栖息地。但长期来看，还需要类似“洪峰”那样的下泄流量来保证这些深潭不会淤积。因此，皎口水库应该保证在丰水期有至少一次大于9 m3/s的下泄流量。

3 结论

根据本研究结论，考虑月光鱼在不同生长阶段对水流速度和水深的要求，建议水库在月光鱼的生长期内最低下泄流量不低于2.8 m3/s，并且在繁殖期内每周有1～2天下泄流量达到2 m3/s以上。另外，每年还需要在丰水期有1～2次大于9 m3/s下泄流量的“洪峰”冲刷河床，以保持有一定范围的深水区供鱼类过冬。

由于栖息地模拟法仅针对目标生物作评价，存在较大的局限性，而且使用起来需要较高等级的数据和对生态系统的深入了解，所以在管理目标和保护水平明确的情况下最为适用。除水深、流速和底质等环境影响因子外，栖息地适合度还应考虑水温、pH值和生态系統养分等非物理性水利参数影响。目前，我国的生态流量研究主要以半干旱地区的大型流域的水资源管理为目的，以定性或宏观层面的定量分析为主，本研究为栖息地法在南方地区中小型河流的应用提供了实例和参考。

参考文献（References）：

[1] 李凤清， 蔡庆华， 傅小城， 等. 溪流大型底栖动物栖息地适合度模型的构建与河道内环境流量的研究——以三峡库区香溪河为例[J]. 自然科学进展， 2008， 18（12）： 1417-1424.

[2] 易雨君， 程曦， 周静. 栖息地适宜度评价方法研究进展[J]. 生态环境学报， 2013， 22（5）： 887-893.

[3] 蔡玉鹏， 万力， 杨宇， 等. 基于栖息地模拟法的中华鲟自然繁殖适合生态流量分析[J]. 水生态学杂志， 2010， 3（3）： 1-6.

[4] 郑建平， 王芳. 大洋河河流生态需水研究.河海大学学报（自然科学版）[J]. 2006， 34（5）： 502-504.

[5] Reinfelds I， Haeusler T， Brooks A J， et al. Refinement of the wetted perimeter breakpoint method for setting ceasetopump limits or minimum environmental flows[J]. River Research and Applications， 2004， 20（6）： 671-685.

[6] Rameshwaran P. Depthaveraged modeling of overbank flow in meandering channels[C]//Shiono K. Proceedings of the Second International Conference on Fluvial Hydraulics. Naples， Italy： Carravetta and R. Della Morte （Eds.）， 2004： 329-335.

[7] Rameshwaran P， Shiono K. Quasi twodimensional model for straight overbank flows through emergent vegetation on floodplains[J]. Journal of Hydraulic Research， 2007， 45（3）： 302-315.

[8] Richter B D， Mathews R， Harrison D L， et al. Ecological Sustainable Water Management： Managing River Flows for Ecological Integrity[J]. Ecological Applications， 2003， 13（1）： 206-224.