基于鱼类产卵期栖息地需求的水库生态调度方法研究

范骢骧,李 永，唐锡良

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.中国三峡建设管理有限公司，成都 610041)

· 生态环境 ·

基于鱼类产卵期栖息地需求的水库生态调度方法研究

范骢骧1,李 永1，唐锡良2

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.中国三峡建设管理有限公司，成都 610041)

为减轻水利工程建设对水库库区及水库下游造成的不利生态影响，针对减水河段鱼类产卵繁殖的有效保护问题，以鱼类产卵期栖息地生境需求作为主要生态约束因子,结合生态水力学法、目标物种栖息地生态水文学特征的数字化处理与水温适宜性，建立了考虑鱼类产卵期栖息地需求的生态调度过程确定方法,以古水电站为例，选取光唇裂腹鱼为主要保护对象，获得了古水电站的生态调度过程，较好地保留了天然径流过程的涨落水变化和流量脉冲过程对光唇裂腹鱼产卵刺激的水文信息，使得光唇裂腹鱼获得更适宜的水力学环境，提升产卵概率，有效保护鱼类资源。

鱼类栖息地；生态调度；数字化处理；水温

水利工程的兴建为人类带来巨大的防洪、发电、航运等经济效益，但对河流的大规模改造将引起了自然河流的渠道化和非连续化,造成了对河流生态系统的胁迫[1]。传统的调度方式主要以发挥社会经济效益为目的，而忽视了水库库区及下游的生态需求。“水库生态调度是解决水库及下游的生态环境问题,实现人类所需要的生态环境目标而进行的水库调度”[2]。水库下游鱼类正常的产卵繁殖已是生态修复的关键目标，如何通过生态调度手段使河流恢复天然状态下的水文信号以及周期信息，减缓水电开发在鱼类产卵期对鱼类的生态影响，具有很大的研究意义与价值。本文综合应用生态水力学法并对鱼类栖息地的水文信号以及周期信息进行数字化处理，结合鱼类水温适宜性需求，建立了考虑鱼类产卵需求的山区河流水电工程生态调度过程确定方法。并用所构建的方法对澜沧江古水电站的生态调度过程做了应用研究。

1 研究对象

1.1 目标电站

选定澜沧江上游古水水电站为目标电站，该电站坝址位于云南省迪庆州德钦县佛山乡境内。古水水电站水库总库容18.48亿m3，最大坝高242m，装机容量1 800MW。枢纽工程由挡水、泄水和引水发电等建筑物组成，工程规模为一等大(1)型。古水水电站坝址处多年平均流量为682m3/s。古水水电站坝址至下游乌弄龙水电站库尾间约有51.9km的天然河段，该河段内分布有鱼类产卵场。电站初期蓄水和发电运行引起的水文情势变化可能会对鱼类产卵场生境的水力学条件产生影响。

1.2 目标鱼种

澜沧江上游古水至苗尾段位于动物地理区划中的青藏高原区，鱼类区系主要由适应高寒环境和急流环境的青藏高原特有的裂腹鱼类、高原鳅和鮡科鱼类组成。选定目标河段的优势鱼种光唇裂腹鱼为主要保护对象，光唇裂腹鱼是澜沧江上游的主要经济鱼种[3]。光唇裂腹鱼(Schizothoraxlissolabiatus)隶属于鲤科(Cyprinidase)裂腹鱼亚科(Schizothoracinae)裂腹鱼属(Schizothorax)。自然条件下，栖息于水流较急的河段，主要靠下颌前部锐利角质刮食水底石头表面的附生藻类及有机碎屑，也食浮游动物。澜沧江上游大部分江段水流湍急，但同时也存在一些水流较缓、砾石较多的“滩”和“沱”，这种缓急交替的水流条件满足不同鱼类的繁殖要求。有的裂腹鱼在河滩的沙砾掘成浅坑，产卵于其中。据调查，澜沧江上游河段光唇裂腹鱼类的产卵繁殖期为3～7月。

2 研究方法

2.1 生态水力学法

生态水力学法是对水生生物生存和运动的空间进行流场模拟，研究变化后的水力学条件是否满足鱼类对极限水力生境条件的需求，从而确定满足河道内水生生物生存等活动需要的生态需水流量[4]。计算中考虑了水力生境参数的全河段变化情况，模拟的主要指标有水深、流速、水面宽、湿周、过水断面的面积等，并将这些水力学要素按保护对象的需求进行分级和统计，来估计河道减水对主要保护对象生境的影响范围和程度。另外，根据河流天然条件下水深、流速等水力学指标的模拟结果，对水流流态、浅滩、深潭进行界定，并统计每种水流流态的河段数、累计河段长度及每种流态河段长度占总研究河段长度百分比，统计各类型滩地及深潭的个数，来估计河道减脱水对鱼类产卵场、越冬场、索饵场水力特征的影响。通过这种分析，确定河流的生态基流量。

2.2 基于鱼类产卵期栖息地需求的生态调度方法

对鱼类栖息地产卵期生态水文信号进行数字化处理的核心问题是量化鱼类栖息地的生态水文学特征，Richter[5]在1996年从整个生态系统的角度出发，建立了一套评估生态水文变化程度的方法：IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)，评估指标共有5类，包括月均流量指标、极值量指标、时刻指标、高低流量指标和涨水落水指标等33个水文指标。在20世纪末，美国大自然保护协会(TNC)提出了组成环境流EFC(Environmental Flow Component)的五种流量事件[6]：低流量、极端低流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水。并为五种流量事件形式提供了一系列水文指标及其相应的生态影响。河流生物与这些事件的发生时间、频率、量值、持续时间及其变化率紧密相关。IHA和EFC指标参数见表1。

表1 IHA及EFC指标体系Tab.1 Indicator system of IHA and EFC

电站建成后，将引起下泄水水温的改变，而水温是影响鱼类产卵的最大因素。“许多鱼类都是变温动物,它们的种群结构、生长以及繁殖都受水温的直接影响”[7]。温度直接刺激着鱼类的产卵,水温变化决定着鱼类产卵的开始或终结。

本文借鉴国内外已有研究成果，以生态水力学法[4]的计算结果作为河流的生态基流量，以IHA和EFC[5-6]指标体系为基础，并考虑水温变化过程的影响，建立了一套基于鱼类栖息地生态水文学特征的生态调度方法，并以此计算得到了古水电站建成后的生态调度过程。

3 古水电站建成后下泄生态流量过程分析

3.1 生态水力学法推求古水电站下泄生态基流量

古水电站坝址多年平均流量为682m3/s，计算下泄流量分别取多年平均流量的5%、8%、10%、14%、16.2%、20%，以及平均最枯月流量178m3/s，共7个流量，一个流量对应一种计算工况。参数设置根据研究河段鱼类的体长、食性、繁殖要求、三场分布等生态习性及鱼类生境原有水力学条件(研究河段在古水坝址处多年平均流量682m3/s，最枯月(2月)多年平均流量178m3/s，对应工程研究河段水力学条件见表2)分析，结合水生生物学家对鱼类产卵繁殖期偏好水力学条件的研究成果，以R2-Cross法[8]的水力参数标准为参照，确定了古水水电站研究河段鱼类生境适宜的水力学参数标准，见表3。采用一维明渠恒定非均匀渐变流方程对每种工况进行计算，其计算方程如下：

(1)

上、下断面水位差计算公式为：

(3)

表2 研究河段现有水力学条件Tab.2 The existing hydraulic condition of Gushui river

表3 研究河段鱼类需求的水力生境参数标准Tab.3 Hydraulic characteristics standard of fish requirements in Gushui river

表4 各工况生境水力参数达标情况分析Tab.4 Analysis of hydraulic characteristics standard under all conditions

由表5中计算结果可知，当下泄流量为多年平均的16.2%即110.5m3/s时，所有参数均100%满足标准需求，所以，下泄流量110.5m3/s为生态水力学法确定的古水电站减水河段最小生态需水量。

3.2 古水电站下游减水河段鱼类栖息地生态水文特征数字化处理

3.2.1 基于IHA与EFC指标体系的生态水文特征数字化处理

本文选取日涨水率(流量增长时，逐日的增长比率)、涨水过程持续时间(流量增长时持续的天数)、日落水率(流量减少时，逐日减少的比率)、落水过程持续时间(流量减少时持续的天数)、一个涨落水过程持续时间(流量持续增长后持续减少这一过程的历时天数)及流量脉冲事件(流量在短期几天内有很大变幅的事件)作为对古水坝址天然径流数字化处理的指标，以光唇裂腹鱼为目标鱼类种群，结合鱼类栖息地代表水文站溜筒江水文站1981～2010年3～7月的逐日流量过程，对各指标值进行了统计，并计算各生态水文指标区间对应的频率，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)。光唇裂腹鱼产卵期(3～7月)各生态水文学指标区间对应的频率分布结果见图1～图3。

图1 光唇裂腹鱼产卵期日落水率、涨水率区间频率分布图Fig.1 Frequency distributionoffluctuationrateand discharge rate duringSchizothoraxlissolabiatus spawning period

图2 光唇裂腹鱼产卵期落、涨水过程持续时间区间频率分布图Fig.2 Frequency distribution of fluctuation and discharge duration during Schizothoraxlissolabiatus spawning period

图3 一个完整涨落水周期持续天数Fig.3 Days of a complete fluctuation and discharge cycle

一般情况下考虑分析分布指数分别为0.5、0.75和0.9三种情况来获得各物理变量的范围[10]。由图1～图3可知，涨水率分布指数大于0.5的区间为0.01～0.15，0.75以上为0.01～0.06，0.9以上为0.01～0.06；落水率分布指数大于0.5的区间为0.01～0.08，0.75以上为0.01～0.03，0.9以上的为0.01～0.03。持续涨水时间频率分布指数在0.5以上的范围为1～4天，0.75以上的范围为1～3天，0.9以上的范围为1～3天；持续落水时间频率分布指数大于0.5的范围为1～2天，大于0.75为1～2天，大于0.9为1～2天；一个完整涨落水过程持续时间频率分布指数0.5以上的范围为2～7天，0.75以上的范围为4～6天，0.9以上的范围为5天。综合以上结果分析，选择分布频率较高、分布指数较大的区间作为光唇裂腹鱼产卵繁殖期生态水文学指标的适宜范围，见表5。

流量脉冲事件根据流量值在多年流量序列所在的百分位来判别，当流量值大于所有流量序列第50个百分位时，判定为高流量过程，在高流量过程中，若该流量日增加率高于25%或者高于所有流量序列第75个百分位时为高流量脉冲过程。根据这一标准，结合研究河段30年逐日流量过程，统计了流量脉冲事件指标，结果见表5。

表5 光唇裂腹鱼产卵期生态水文学指标适宜值及流量脉冲Tab.5 Appropriate values of eco-hydrological indexes and flow pulses during Schizothoraxlissolabiatus spawning period

结合研究河段的具体情况，以生态水力学计算所得最小生态需水量为基础流量，综合确定古水闸址下游减水河道所需的生态流量过程如下：①1～3月天然径流过程比较平缓，流量取基础流量，即110.5m3/s。②4～8月光唇裂腹鱼产卵期模拟涨落水过程及流量脉冲过程，涨落水过程中涨水率为0.05，落水率为0.03；流量脉冲过程中涨水率为0.1，落水率为0.08，考虑到古水电站的运行调度，涨水取10d为一个调度单位，落水取5d为一个调度单位，每年发生4次流量脉冲事件，每次持续5d，持续涨水3d后持续落水2d，发生时间分别为6月26日～6月30日，7月6日～7月10日，8月11日～8月15日，8月26日～8月30日。③8～12月的调度过程主要根据天然径流过程确定。9～12月主要为落水过程，落水率为0.05，在10月21日时降至基础流量，所以10月21日到12月底取基础流量。生态调度过程见表6，与多年日均流量过程对比见图4。

表6 本文确定的古水电站生态调度过程Tab.6 Gushui hydropower station ecological operation process determined by this study

图4 本文确定的生态调度过程与古水坝址多年日均流量过程对比图Fig.4 Comparison of ecological operationprocess determined by this study and nature runoff process of Gushui damsite

3.2.2 目标鱼类水温适应性验证

水电站建成后，电站下泄水的水温会降低，但下泄的水量会减小而导致河道内水温变高,为与目标鱼类的年内水温适宜值进行对比，模拟计算了古水电站建成后的下泄水温年内变化过程。以上文计算所得的生态调度过程结果为基础，入库水温采用曲孜卡水文站、古水水文站所测多年平均逐月水温统计值推算而得，结合库区气象站提供的气象条件，通过宽度平均的立面二维水温数学模型求解古水电站建成后电站下泄水温，求解模型文献11，计算边界条件：进口边界的水温采用库尾实测水温，速度假定为均匀流速，假定出口断面为充分发展的湍流，水面表层单元计入水气热交换。库底和坝体表面采用无滑移边界条件，且为绝热边界。水面位置据水量平衡确定。库底和坝体表面采用无滑移边界条件，且为绝热边界。采用有限体积法和混合格式对微分方程进行离散。采用SIMPLE算法求解差分方程，并采用交错网格避免出现棋盘式不均匀压力场。减水河段水温通过纵向一维水温数学模型求解计算，计算模型参考文献11，边界条件为：上文中计算得到的生态调度流量序列，气温、相对湿度、云量、平均风速、太阳辐射数据采用维西气象站的统计数据，计算得到了电站建成后减水河段水温的变化过程，从坝址处开始，每隔10km提取一处断面的水温结果见图5。

图5 古水电站建成后下泄水温变化过程Fig.5 Water temperature variation process after the construction of Gushui hydropower station

图5可以看出，电站建成后，在3～5月电站下泄水温有所降低，在同样的气象条件下，下泄的水量比建库前减少，水温增长变快，随着时间的推移，在5月下旬超过坝址原水温，对比3月和流量脉冲期间的水温变化趋势，可知流量脉冲对水温的影响不及下泄流量减小对水温的影响。而在减水河段中，从提取的各断面水温结果来看，水温呈现沿程升高的趋势。光唇裂腹鱼的最适生长温度为13℃～20℃，水温超过24℃，停止摄食[3]，由以上分析可知：建库后水温未超过20℃，仅在产卵初期水温降低，且与建库前相差不到1℃，在3.1计算统计浅滩数量过程中知，光唇裂腹鱼的适宜产卵场河岸浅滩集中在减水河段中下游分布，水温的沿程恢复会适当抵消低温水下泄对产卵繁殖的影响，因此，在本次研究中不建议改变生态调度的下泄流量。

4 结 语

生态调度旨在电站建成后修复水库库区及下游的生态环境，本文提出了以鱼类产卵期栖息地的生境需求来确定生态调度过程，并用鱼类产卵繁殖的水温做了适应性验证，模拟结果较好的恢复了栖息地生态水文学特征。本文只对单一物种的生境特征进行了生态调度过程推求，在下阶段研究中，将逐步加入其它物种进行综合考虑。

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Research on Reservoir Ecological Operation Method Based on Spawning Period Habitat Requirements of Fish

FAN Cong-xiang1,LI Yong1,TANG Xi-liang2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulics&MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.ChinaThreeGorgesConstructionManagementCorporationLimited,Chendu610041,China)

In order to reduce the adverse ecological impact of hydraulic project on the reservoir area and downstream of the reservoir, and for the effective protection of fish spawning in the segment of water reduced due to the diversion of hydropower station, a method of reservoir ecological reoperation considering the requirements of fish spawning period habitat has been established which takes the requirements of fish spawning period habitat as the main ecological constraint factors, combining with Eco-hydraulics method, Eco-hydrological characteristics of the target species and the water temperature suitability. Based on the method, take the example of Gushui hydropower station, choose Schizothoraxlissolabiatus as the protection target, the reservoir ecological operation regime of the Gushui hydropower station was obtained. It retained the fluctuation and discharge pulse of the river, which stimulated Schizothoraxlissolabiatus to spawn, and give them a more appropriate hydrodynamic environment, it could increase the probability of spawning and protect the Schizothoraxlissolabiatus resources effectively.

Fish habitat；ecological operation；digital processing；water temperatur

2016-11-08

国家重点研发计划“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项(2016YFC0502210)。

范骢骧(1990-)，男，四川自贡人，四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室环境与生态力学专业2014级在读硕士研究生，主要从事生态水力学研究。

李 永，li_yong@scu.edu.cn。

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1001-3644(2017)02-0132-07