基于鱼类生境需求的生态流量过程研究

张志广,谭奇林,钟治国,金　弈，杜建明

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京100024；2.中电投新疆能源化工集团南疆分公司，新疆阿克苏843000)



基于鱼类生境需求的生态流量过程研究

张志广1,谭奇林1,钟治国1,金弈1，杜建明2

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京100024；2.中电投新疆能源化工集团南疆分公司，新疆阿克苏843000)

摘要：选用日涨水率和日落水率两个生态水文因子,构建裂腹鱼栖息地生态水文学特征指标。结果表明,产卵期日涨水率的适宜范围为0.005～0.015,日落水率的适宜范围为0.005～0.015；非产卵期(5～10月)日涨水率的适宜范围为0.01～0.05,日落水率的适宜范围为0.02～0.04。采用文献法和专家法得出裂腹鱼产卵期偏好水深范围为0.5～1.5 m、偏好流速范围为0.5～2.0 m/s。用不同方法计算了苏洼龙水电站坝下河段生态需水量,并结合金沙江上游天然河流的水文情势及裂腹鱼栖息地生态水文学特征,以生态水力学法的计算结果作为基流量,确定了苏洼龙水电站坝下河段的生态流量过程。

关键词：生境特征；生态需水；生态流量过程；金沙江上游

我国西南地区蕴藏着丰富的水能资源,大批水利水电工程的兴建为人类带来巨大经济效益和社会效益；同时也大大改变了河流的自然属性。对河流的大规模改造引起了自然河流的渠道化和非连续化,由此引发了河道断流、生态恶化等一系列生态环境问题[1]。为应对河流生态环境问题,研究者开始探索满足鱼类生境需求的生态调度方式,从而实现水利工程调度从传统的调度方式向生态调度的转变。修复和保护生态环境逐渐成为水库生态调度的重要目标[2]。下泄生态流量措施已成为水利水电工程开展生态调度的重要手段,目前有关河道生态需水的研究大多数针对维持河道生态系统完整的最小流量,随着研究的深入发展,人们逐渐意识到单一的流量过程难以反映河流生态系统的需水过程,不同的流量组成对维持生态系统的完整性发挥着重要的生态功能。因此,开展满足鱼类生境需求的生态流量过程成为水利水电工程生态调度实践中需要关注的重要问题。笔者以裂腹鱼为研究对象,对其栖息地的生态水文学、生态水力学特征进行了研究,在此基础上,确定了苏洼龙水电站坝下河段生态流量过程。

1研究方法

1.1生态流量计算方法概述

根据Tharme[3]2003年的总结,全球有44个国家在计算河流生态流量,采用的方法超过了200种。大致可分为四种：水文学法、水力学法、生境模拟法、整体分析法。常用的河流生态需水计算方法中水文学法和水力学应用较为广泛,但由于缺乏生物学依据,国内学者提出了将水力分析和生境评价相结合的生态水力学法[4]。该法结合目标物种的水力生境需求确定河道最小生态基流量,计算中考虑水力生境的全河段变化情况,同时考虑了季节河流的年内变化情况,特别适用于大中型河流生态流量的确定。

1.2鱼类栖息地生态水文学特征

河流水文情势的节律变化为鱼类的繁殖活动提供了信号。已有研究表明,鱼类的产卵繁殖活动与产卵场水域的水文状况存在一定的响应关系。如我国重要经济鱼类四大家鱼的产卵繁殖活动的发生就与水温、水位、流量、流速、透明度以及流态等水文要素有关[5]。如何量化鱼类栖息地生态水文学特征成为评价河流水文情势生态效应的核心问题。Richter[6]建立了一套评估河流生态水文变化过程的IHA(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)方法,共有指标5类,包括：月均流量、极值流量、时刻、高低流量以及涨水落水等33个水文指标。Growns[7]建立了一套分为长期指标、高流量指标、低流量指标、极值指标、零流量指标、涨水落水指标及月流量指标7类指标的指标体系。Suen[8]构建了台湾北部河流包含一般流量变化、高低流量、流量变化率、出现时间等60个特征指标的生态水文指标体系(TEIS)。徐天宝[9]建立了一套包括长期指标、高流量指标、低流量指标、平均变化指标、涨水落水指标和月流量指标等的河流生态水文学指标体系,利用该指标体系量化并分析了葛洲坝建坝前后长江中游的生态水文特征变化情况。张洪波构建了黄河生态水文评估指标体系,并将其应用于评价黄河干流兰州断面的生态水文情势[10]。

鱼类栖息地依靠水流年内和年际的持续动态变化得以形成。在长期的栖息地的演变中,鱼类适应了其栖息地水流的自然涨落变化过程,并依靠这种自然变化而得以满足生境条件。裂腹鱼经过长时间的进化,已经适应了其栖息地水流的自然动态变化特征,并依赖次生长、发育、繁殖。为得到裂腹鱼栖息地的生态水文学特征,笔者通过对裂腹鱼栖息地代表水文站的历史逐日流量资料进行统计分析,在总结国内外有关已有研究成果的基础上,选择日涨水率、日落水率两个生态水文因子,构建了裂腹鱼栖息地生态水文学指标。

2研究河段及目标鱼类

2.1研究河段

苏洼龙水电站位于四川省和西藏自治区交界的金沙江上游干流上,坝址处多年平均流量为938 m3/s。苏洼龙水电站建成后,在电站初期蓄水和运行期间将改变坝址下游河道的水文情势,使坝址下游河道流量年内分配过程改变,部分时期河道流量低于天然流量,对坝下水生生境产生不利影响,尤其是在鱼类产卵繁殖期,影响更为严重。为此,笔者以苏洼龙水电站坝址至坝下支流麦曲入金沙江干流汇口之间长为23.4 km的河段为研究河段,开展基于鱼类生境需求的生态流量过程研究。

2.2目标鱼类

根据水利部中科院水工程生态研究所2010年和2013年对苏洼龙水电站影响水域水生生态现状的实地调查和相关历史文献记录,苏洼龙水电站影响水域短须裂腹鱼、长丝裂腹鱼、四川裂腹鱼分布较广,为优势物种。裂腹鱼产沉粘性鱼卵,产卵时间发生在每年的3～4月份[11-12],其产卵繁殖活动对水力生境要求较高,一般选择在河床底质砾石相对粗大、水流缓急交错的地方进行,产卵时需要一定的水流刺激,并伴随着短距离的生殖洄游。苏洼龙水电站建成后,电站调节将对其正常的产卵繁殖活动产生不利影响。为减缓水电开发对裂腹鱼的不利影响,笔者以须裂腹鱼、长丝裂腹鱼、四川裂腹鱼为目标物种,对其栖息地的生态水文学、生态水力学特征进行研究,并基于栖息地生境特征开展生态流量过程研究。

3裂腹鱼生境特征研究

3.1裂腹鱼栖息地生态水文学特征

笔者收集了金沙江上游裂腹鱼栖息地代表水文站巴塘水文站1960年～1968年、1971年～1988年、1992年～2012年共计58年的逐日流量资料,分别对裂腹鱼产卵期和非产卵期逐日流量过程进行统计分析,计算各生态水文指标区间对应的频率,并进行归一化处理建立各生态水文指标区间的分布指数(分布指数为各变量区间对应的频率值与最大频率值之比)。裂腹鱼产卵期日涨水率与日落水率区间频率分布结果见图1～图2,非产卵期日涨水率与日落水率区间频率分布结果见图3～图4。

图1　裂腹鱼产卵期日涨水率区间频率分布和分布频率指数曲线

图2　裂腹鱼产卵期日落水率区间频率分布和分布频率指数曲线

图3　裂腹鱼非产卵期日落水率区间频率分布和分布频率指数曲线

图4　裂腹鱼非产卵期日落水率区间频率分布和分布频率指数曲线

在裂腹鱼产卵期,由图1～图2可知,涨水率区间分布指数达到0.5以上的范围为0.005～0.025,分布指数在0.75以上的范围为0.005～0.02,在0.9以上的范围为0.005～0.015；落水率区间分布指数在0.5以上的范围为0.005～0.02,在0.75和0.9以上的范围均为0.005～0.015。在裂腹鱼非产卵期,由图3～图4的结果可知,涨水率区间分布指数达到0.5以上的范围为0.01～0.07,分布指数在0.75以上的范围为0.01～0.05,在0.9以上的范围为0.01～0.03；落水率区间分布指数在0.5以上的范围为0.015～0.05,在0.75和0.9以上的范围均为0.02～0.04。

根据上述分析,选择分布频率较高、分布指数较大的区间作为裂腹鱼栖息地生态水文学指标的适宜范围,见表1。

表1金沙江上游裂腹鱼栖息地适宜的生态水文学指标统计

生态水文学指标适宜范围产卵期(3～4月份)日涨水率0.005～0.015日落水率0.005～0.015非产卵期(5～10月份)日涨水率0.01～0.05日落水率0.02～0.04

3.2裂腹鱼栖息地生态水力学特征

鱼类水力生境参数的研究目前主要有野外调查、野外调查与数值模拟相结合、文献资料、专家经验以及相关法等方法。国内有关裂腹鱼水力参数需求的研究成果多见齐口裂腹鱼,对短须裂腹鱼、长丝裂腹鱼和四川裂腹鱼产卵期的水力参数需求尚未见报道。王玉蓉等[13]提出西南山区河流裂腹鱼对最低平均流速的需求应不低于0.2 m/s,对最低平均水深的需求应不低于0.4 m；枯水月2月小河中裂腹鱼对平均流速的需求范围为0.4～1.2 m/s、中河为0.36～0.9 m/s、大河为0.4～1.0 m/s,对平均水深的需求小河为0.3～0.65 m、中河为0.44～2.6 m、大河为1.5～5.8 m。卢红伟[14]采用专家法得出齐口裂腹鱼产卵繁殖期偏好水深范围为0.5～1.5 m,偏好流速范围为1.5～2.5 m/s。陈明千[15]则通过数值模拟方法对齐口裂腹鱼天然产卵场进行了研究,提出齐口裂腹鱼产卵期水深的阈值范围为0.5～1.5 m,流速的阈值范围为0.5～2.5 m/s。

本文总结国内外已有裂腹鱼水力生境的基础上,结合专家经验,提出裂腹鱼产卵期偏好水深范围为0.5～1.5 m、偏好流速范围为0.5～2.0 m/s。

4苏洼龙水电站坝下生态需水量

为减缓苏洼龙水电站调节对下游河段生态环境的不利影响,本研究分别采用Tennant法、R2-Cross法、生态水力学法及生境模拟法对研究河段的生态需水量进行了研究。

根据Tennant法,多年平均流量的10%为满足河流功能的最小流量,为93.8 m3/s。R2-Cross法的水力参数标准是根据美国科罗拉多州河流的冷水鱼类需求制定的。本研究在应用R2-Cross法时,首先结合裂腹鱼及研究河段的特点,对其水力参数标准进行了修订,修订后的金沙江上游鱼类生存的最低水力学参数标准见表2。据此结合研究河段一维水动力学计算成果,选择浅滩断面综合确定满足金沙江上游鱼类生存的最小生态流量为140.7m3/s,为坝址处多年平均流量的15%。生态水力学法的水力生境参数标准依据文献[4]推荐的标准确定,结果为140.7 m3/s,为坝址处15%时的多年平均流量。 裂腹鱼完成正常的产卵繁殖活动需要独特的水流条件,为确定裂腹鱼产卵期的生态流量,笔者采用River2D模型,对苏洼龙水电站坝下裂腹鱼产卵场所在河段进行了研究,结合裂腹鱼产卵期的生态水力学特征,得到不同流量工况下对应的加权可利用面积(WUA),建立WUA-Q关系曲线,WUA-Q关系曲线第一个拐点对应的流量作为裂腹鱼产卵期对应的生态流量,为262.6 m3/s。即,满足裂腹鱼正常的产卵繁殖活动所需的流量大小为262.6 m3/s。不同计算方法得到苏洼龙坝下河段生态需水量见表3。

表2金沙江上游鱼类生存的水力参数标准

表3不同计算方法下苏洼龙坝下生态需水量

计算方法流量/m3·s-1占坝址处多年平均流量比例/%Tennant法93.810.0R2-Cross法140.715.0生态水力学法140.715.0生境模拟法262.628.0

5苏洼龙水电站坝下生态流量过程

水利水电工程建设改变了坝下天然河流的水文情势,如何恢复天然河流的水文情势已成为河流生态环境保护亟待解决的重要问题。河流水文情势是河流生态系统的驱动力,可通过研究水文情势确定生态流量。本文从恢复河流水文情势的角度出发,基于鱼类栖息地生态水文学和生态水力学特征,确定了苏洼龙坝下生态流量过程。

生态流量过程线的实质是为受到水利工程胁迫的河流提供尽可能符合自然河流生态环境需求的水文周期信息[16]。金沙江上游干流在枯水季节(11月至翌年2月),水生生态系统对水力生境条件要求不高,这一时期考虑下泄生态基流量；3～10月份,鱼类等水生生物陆续进入繁殖季节,该时期,尽可能恢复天然河流的自然涨落变化过程,以满足整个生态系统的生态需求。生态水力学考虑了水力生境的全河段变化情况,计算结果较好反映了保护鱼类水力生境需求,笔者以生态水力学法的计算结果作为基流量,以裂腹鱼栖息地生态水文学特征为依据,综合确定了苏洼龙坝下生态流量过程,见图5。

图5　苏洼龙水电站下泄生态流量过程与坝址处多年平均流量过程对比

从图5中可以看出,在1月～2月、11月～12月下泄生态基流量采用生态水力学法计算的结果为140.7 m3/s,其主要是为了满足水生生物水力生境需求,维持河流生态系统结构和功能的稳定性。裂腹鱼产卵期(3月～4月),天然情况下河流水文情势多以涨水过程为主,本研究在裂腹鱼产卵期构建了一个持续涨水过程,其中3月上旬为一个缓慢涨水过程,涨水率控制在0.005,持续时间为10天；3月中旬涨水率为0.01,持续时间为10天；在裂腹鱼产卵较为集中的时间(3月下旬开始到4月末),为塑造适合裂腹鱼产卵繁殖活动的水流条件,结合天然情况下的水文情势,制定了一个持续的涨水过程,涨水率为0.015,并在4月下旬开始,流量大小不低于产卵期需求流量262.6 m3/s。5月～10月,结合非裂腹鱼产卵期栖息的生态水文学特征,制定了一个涨、落水变化过程,其中5月份,每隔10天涨一次水,涨水率为0.01；6月～7月中旬为持续涨水过程,6月上旬涨水率为0.01,中下旬为0.02,7月上旬涨水率为0.01,到7月中下旬,制造一次人工流量脉冲事件,流量峰值为915.3 m3/s,涨水持续时间为10天,接着持续落水10天,涨水率为0.05,落水率为0.04；8月份,上旬为持续10天的落水过程,落水率为0.03；中下旬每隔10天涨一次水,涨水率分别为0.01、0.02；9月制造一次人工流量脉冲事件,流量峰值为730.1 m3/s,先持续涨水10天接着持续落水10天,涨水率和落水率分别为0.05、0.02,9月下旬～10月末,天然河流开始减小,生态流量过程为一个持续的落水过程,9月下旬的落水率为0.04,10月份的落水率为0.03。

天然河流的水文情势有涨有落,有大有小,处于动态随机变化过程中,确定一个完全符合天然情况的生态流量过程是不现实的。笔者基于目标物种的水力生境需求,结合裂腹鱼产卵期和非产卵期栖息地的生态水文学特征,综合确定了苏洼龙水电站坝下河段生态需水量过程,该流量过程考虑了涨落水变化过程以及流量脉冲过程,可为恢复河流生态系统的多样性及电站开展生态调度提供理论支持和技术参考。

6结论与展望

(1)笔者以金沙江上游干流裂腹鱼产卵场代表水文站多年的历史水文资料为基础数据,在总结国内外相关研究成果的基础上,以流量变化的日涨水率、日落水率为基本指标,构建了金沙江上游干流裂腹鱼产卵期、非产卵期生态水文学特征指标。产卵期流量的日涨水率、落水率适宜的范围均为0.005～0.015；非裂腹鱼产卵涨水率的适宜范围为0.01～0.05,落水率为0.02～0.04。在总结国内外已有裂腹鱼水力生境需求研究成果的基础上,采用文献法和专家观点,提出裂腹鱼产卵期偏好水深范围为0.5～1.5 m、偏好流速范围为0.5～2.0 m/s。

(2)分别采用Tennant法、R2-cross法、生态水力学法及生境模拟法计算了研究河段生态需水量。Tennant法的结果为93.8 m3/s,为坝址处多年平均流量的10%；根据修订的R2-cross法水力参数标准,确定研究河段的生态流量大小为140.7 m3/s；生态水力学法的计算结果为140.7 m3/s,为坝址处多年平均流量的15%；生境模拟法考计算结果为262.6 m3/s,为坝址处多年平均流量的28%。

(3)在以上研究成果的基础上,结合研究河段的多年的水文情势特征、裂腹鱼产卵期和非产卵期栖息地生态水文学特征,以生态水力学法的结果为基流量,综合确定了研究河段的生态流量过程。

(4)确定河道生态流量过程线是一件非常复杂的事情,影响因素较多,本文在此做了探索研究。所建立的基于鱼类生境特征需求的生态流量过程,不仅反映了裂腹鱼栖息地的生态水文学、生态水力学特征,也考虑了涨落水过程、流量脉冲过程等生态水文特征。

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(责任编辑陈萍)

收稿日期：2015- 05- 16

作者简介：张志广(1986—),男,河南内黄人,工程师,硕士,主要从事环境水力学及水污染控制研究工作．

中图分类号：TV213

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)04- 0013- 05

Study on Ecological Flow Regime Based on Habitat Requirements of Fish

ZHANG Zhiguang1, TAN Qilin1, ZHONG Zhiguo1, JIN Yi1, DU Jianming2

(1. PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China;2. CPI Xinjiang Energy Chemical Group Co. Ltd South Xinjiang Brach, Aksu 843000, Xinjiang, China)

Abstract:The eco-hydrological index system for Schizothorax habitat is constructed based on two eco-hydrological factors of rise rate and fall rate. The results show that the suitable rang of rise rate and fall rate is all from 0.005 to 0.015 for spawning requirements, and 0.01～0.05 and 0.02～0.04 in other periods (from May to October) respectively. Based on documentary method and expert advices, the preference range of water depth and velocity is 0.5～1.5 m and 0.5～2.0 m/s respectively in the period of schizothorax spawning. The ecological water demand is calculated for the downstream reach of Suwalong Hydropower Station by using different methods. On this basis, combining the nature water regime in the upper reach of Jinsha River and the eco-hydrological characteristics of Schizothorax habitat, the result of eco-hydraulics method is taken as ecological basic flow, and the ecological flow regime for the downstream reach of Suwalong Hydropower Station is finally determined．

Key Words:habitat character; ecological water demand; ecological flow regime; Upper Reach of Jinsha River