基于PHABSIM模型的浑河干流封冻期生态流量计算

姜海峰

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

1 研究区概况

浑河是辽河的重要支流，古称辽水或小辽河，是辽宁省东部地区的主要河流之一。浑河发源于清原县的滚马岭，自东北向西南流经抚顺、沈阳等市县，然后南流至营口市附近注入辽东湾。浑河干流全长415 km，流域面积11 481 km2[1]。该河流的上游为山地，海拔一般在400～800 m之间，森林覆盖率在70%以上，中游至抚顺附近为丘陵地带，地形较为平缓，至沈阳附近进入平原地带。

浑河流域属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨，流域内的多年平均降雨量为650～800 mm之间，降雨量年际变化较大[2]。浑河作为辽宁省东北部地区的母亲河，养育了浑河两岸的儿女，也正是如此，多年来浑河面临着多种环境问题，特别是在流经抚顺和沈阳等东北重工业城市时，大量污水被排入河道，再加上流域内的面污染，导致浑河干流的水质下降[3]。因人类活动特别是20世纪以来该地区重工业的发展，致使浑河水系受到工业废水污染，渔业资源破坏比较严重，历史上产量较高的唇骨、雅罗鱼等种类已接近消失。近年来，辽宁省加大了浑河流域环境整治力度，浑河水质有所改善，但是在水环境治理方面仍有许多工作要做。

2 代表性物种选取及越冬场分布模拟

2.1 代表性物种选取

浑河流域属于高寒地区，其河道封冻期的生态需水主要是保障生物的基本生存需要。因此，在物种选择方面应该着重选取对生态环境变化，特别是水深和流量变化做敏感的代表性物种。在河流生物群落中，鱼类不仅处于食物链条的顶端，同时又对河流水文条件的变化极为敏感，因此在此次研究中选择鱼类作为代表物种无疑是最合适的。鱼类的生活习性与多种水文要素有关，但是考虑到封冻期的特殊环境情况，本文仅将流速和水深参数作为栖息地环境评价的主要影响因子[4]。

浑河流域的鱼类体形侧扁、呈纺锤状，又以鲤科最多，如鲤、鲫、鳊、赤眼鳟、鲢、鳙、鱼旁鱼皮、翘嘴红鱼白、雅罗鱼、赤眼鳟鱼句等。栖息地法时根据代表性物种基本生存所需的物理条件确定河流的生态流量，从而为河流水生生物提供一个较为合适的生存环境。因此，建立合适的栖息地适宜度曲线是本次研究的重要前提。本文结合浑河鱼类的实际情况，选取赤眼鳟和雅罗鱼作为代表性研究物种。其中，赤眼鳟主要生长在河流的近底层，其适宜生长的流速在0.6～0.8 m/s之间，适宜水深为1.2～2.0 m；雅罗鱼东北地区的著名经济鱼类，生活在水体的中上层，其适宜生长的流速在0.3～0.5 m/s之间，适宜水深为1.0 m左右。

2.2 物理栖息地模拟

物理栖息地模型的计算过程主要分为两部分：水力学模拟和栖息地模拟[5]。首先确定赤眼鳟和雅罗鱼对水深和流速这两个主要水力学因素的适应度曲线，通过构建研究区在不同流量下的水深和流速特征，确定栖息地对不同流量的适应度曲线，并进一步推求出适应度指数，将其与研究断面的水域面积相乘，即可推算出该流量下的有效栖息地面积（WUA）。其计算公式为：

式中：f(Vi)为第i断面的流速，m/s；f(Di)为第i断面的水深，m；f(Ci)为河床底质适应度指数，由于缺乏相应的资料，这里默认为1，也就是河道底质良好；Ai为研究河段第i断面的适应度指数。

在PHABSIM模型中，计算组合适宜度的方法有几何平均法、最小值法、加权平均法和乘积法[6]。本文假设公式（1）中的3个参数具有相同的影响力，因此采用乘积法推求适宜度指数，计算公式如下：

假设各个研究断面所代表的栖息地面积在天然河道中的各断面的权重为0.5，也就是上下游断面之间河段长各一半的栖息地面积[7]。结合研究中选取的2种代表鱼类的越冬场地分布特征，利用PHABSIM模型对浑河封冻期内有效栖息地面积随流量的变化规律进行模拟。由于研究区段内代表鱼类的主要越冬场分别位于大伙房水库出库口、抚顺市和沈阳市3个水文站点控制范围内，因此研究中选取上述3个站点的水文数据进行模拟计算。原则上应该将最大WUA所对应的流量极为给河段的生态流量，但是此时的河流流量值过大，并不具备实际操作性。因此，在研究中将流量曲线发生明显转折，也就是栖息地环境发生显著恶化的流量值作为维护浑河生态环境所需要的基本流量。

3 浑河封冻期生态流量计算

3.1 赤眼鳟封冻期生态流量的计算

利用2.2中的方法获得浑河干流大伙房水库至沈阳段赤眼鳟的适宜度曲线，然后用乘积法对大伙房水库出库口、抚顺、沈阳3个控制断面的不同流量情况下，对赤眼鳟的有效栖息地面积进行模拟计算，计算结果见表1。

由计算结果可知，浑河大伙房水库至沈阳段在冬季封冻期流量在5～60 m3/s的范围内变化时，赤眼鳟的有效栖息地面积会随着浑河干流流量的增加而增大，但是增加速率较小。究其原因是赤眼鳟的环境适应性较强，对流速和水深这两个主要的水力条件并没有严苛的要求。另一方面，浑河大伙房水库至沈阳段河面较为开阔，大量分布的河心沙洲和面积广大的滩涂为鱼类的生存提供给了有利条件，同时这种河流形态也使得水深和流速随流量的变化并不明显。从研究河段近50年的水文资料来看，冬季封冻期的流量均在50 m3/s以下，河道的断面宽度一般不超过150 m。由于河道的流量较小，缺乏进一步研究高流量关系的数据资料，同时表格中的数据呈不断增加趋势，无法对趋向稳定的流量值做出判断，因此，研究中将WUA随流量变化的第一个转折点作为维护河流生态所需的基本流量。结合表格中的数据，大伙房水库出库口、抚顺、沈阳3个研究断面分别在流量值为15，20，15 m3/s时第一次发生明显转折变化，因此确定研究河段赤眼鳟的生态流量为15～20 m3/s。

表1 流量与赤眼鳟雅罗鱼WUA之间的变化关系

3.2 雅罗鱼封冻期生态流量的计算

由于封冻期浑河干流大伙房水库至沈阳段的只有抚顺段在冰冻初期出现过大于50 m3/s的流量。同时，雅罗鱼对水生态环境的适应性更强，对流速、水深和流量等水力因素的需求更低，因此，在进行雅罗鱼封冻期生态流量的计算时，对大伙房水库出库口至沈阳段的3个控制断面在不同流量条件下进行，计算结果见表1。

由表1的数据可知，大伙房水库出库口、抚顺和沈阳3个计算断面的雅罗鱼WUA随流量变化的第一个转折点分别出现在10，15，15 m3/s，据此确定研究河段赤眼鳟的生态流量为10～15 m3/s。

表2 Tennant法和PHABSIM模型计算结果比较

3.3 研究河段生态流量Tennant法验证

为了进一步验证上述研究的准确性，利用Tennant法对所求的生态流量进行验证。根据Tennant法的相关研究成果，假设每年10月至次年3月的枯水期，将多年平均流量（MAF）的10%流量为保证河道生态环境的最小流量，40%流量为保证较好水生态环境的流量[8]。将Tennant法与PHABSIM模型的计算结果进行比较，结果见表2。由表2的结果可以看出，PHABSIM模型的计算结果，介于Tennant法的最小生态流量和适宜生态流量之间，其比较接近较好生态环境流量。结果说明PHAB⁃SIM模型可以有效反映浑河研究河段的生态状况，对大伙房水库封冻期确定下泻流量具有一定的参考价值。