长江上游水文情势变化对保护区铜鱼产卵的影响

(长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010)

金沙江下游规划有乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座巨型水电站，向家坝和溪洛渡水电站已分别于2012年10月和2013年5月开始蓄水发电，另外2座大型水电站也正在建设中[1]。紧临向家坝水库下游的长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区(以下简称保护区)是我国唯一的以鱼类为保护对象的跨越多个省(市)的国家级自然保护区[2]。向家坝和溪洛渡水电站的蓄水运行显著改变了保护区长江干流江段自然径流过程，从而影响了坝下保护区鱼类的产卵繁殖活动。

近年来，已有学者研究了水库蓄水运行后坝下水文过程的变化对鱼类产卵的影响。薛静等[3]研究认为水利工程的修建改变了河流生态系统的连续性，一方面阻隔了鱼类的洄游通道，另一方面水库形成后，水体的水文条件发生较大变化，从而改变了鱼类的栖息环境。郭文献等[4]利用1882～2006 年宜昌水文站流量资料，分析了三峡水库蓄水前后，中华鲟和四大家鱼产卵期内多年平均流量的变化，结果表明三峡水库蓄水后多年平均流量减少，中华鲟和四大家鱼的产卵量下降。李翀等[5]利用宜昌站1900～2004年共105 a的日径流资料，根据IHA方法的原理，选取四大家鱼产卵期涨水过程数、总涨水日数、平均每次涨水过程日数三项生态水文指标，得出总涨水日数是决定家鱼苗发江量重要因素。李清清等[6]采用水文变化指标和变动范围法, 研究三峡工程建坝前后水文情势变化情况，得出水文情势变化影响四大家鱼产卵繁殖的概念性模型，三峡水库蓄水后河道洪水过程趋于均一化和单一化，使四大家鱼第一次产卵的信号减弱或消失，不利于四大家鱼产卵增产。李建等[7]分析了三峡工程蓄水引起的下游生态水文条件的改变，认为三峡的初期蓄水使得中华鲟卵孵化适宜度和四大家鱼产卵适宜度明显降低。目前的这些研究主要是定性分析水文过程变化对鱼类的影响，对水文过程定量化的描述较少；水文特征指标的选取存在一定程度指标冗余的现象，如何根据河流水文过程的特点，选取具有代表性的水文指标，更好地反映水文变化究竟是如何影响鱼类的产卵繁殖还需要进一步研究。

铜鱼属于典型的产漂流性卵鱼类，广泛存在于长江水系, 主要分布于长江中上游的干支流, 在保护区渔获物中占较高比例[8]。铜鱼产卵需要一定的流量、水温、含沙量等生态水文条件，产卵期这些因子的变化直接影响铜鱼的产卵数量和质量。根据前人已有的研究[4-6]认为水温和流量过程是影响产漂流性卵鱼类产卵繁殖的重要条件，因此本文重点分析铜鱼产卵繁殖期5～7月份生态水文条件的变化。调查时间为2009～2016年，每年5月5日至7月14日，在此期间的水温最低为18.8 ℃，满足铜鱼的产卵条件。因此，本文暂不考虑水温对铜鱼产卵繁殖的影响，重点分析向家坝和溪洛渡水电站运行前后水文过程的变化对铜鱼产卵繁殖的影响。

采用水库下游朱沱水文站实测流量资料，基于IHA水文变化指标体系，针对保护区河段水文情势的变化和铜鱼产卵的需求，重点选取涨水过程和高流量脉冲过程特征指标，定量分析向家坝和溪洛渡水库蓄水运行后铜鱼产卵期的水文情势变化情况以及铜鱼产卵的变化情况，揭示了长江上游水文情势变化对保护区铜鱼产卵的影响。

1 数据与方法

1.1 产卵数据

2009年以来，中国水产科学研究院长江水产研究所在保护区开展了鱼类资源的常规监测，其中保护区鱼类早期资源的监测点位于长江上游江津区几江江段(E106°15′，N29°18′)。本文产卵数据时间段为2009～2016年。

1.2 水文数据

铜鱼产卵期的实测水文数据时间段同样为2009～2016年。监测采样的江津几江断面无水文测站，位于监测采样点上游约80 km处设有朱沱水文站。朱沱站是保护区河段的核心水文站，水文站上下几十千米的江段范围内都是代表性鱼类的重点产卵场，朱沱站至江津采样断面区间无支流汇入，朱沱站的流量数据能反映江津断面的水文过程[7]。

1.3 研究方法

Richter[9]建立了一套评估生态水文变化过程的IHA方法(Indicators of Hydrologic Alteration)，包括月流量、极限流量、时刻、高流量和低流量、涨水落水等32个指标。并将这些指标划归为流量、频率、出现时机、持续时间、和变化率等具有生态意义的五大类。无论是IHA指标体系还是其他的指标体系，普遍存在指标冗余现象。实际应用水文指标体系量化水文过程时，可根据当地河流水文过程的特点，从众多指标体系中选择一些对当地生态系统影响较大的指标构成新的指标体系。参考已建立的评估河流生态水文变化的IHA 法，铜鱼产卵期内(5月1日至7月31日)选取日平均流量、日最小和最大流量、最小流量出现时间和最大流量出现时间，重点选取涨水过程的涨水日均流量、涨水次数、涨水持续时间、流量涨幅、流量日均涨幅和流量日上涨率6个特征指标和高流量脉冲过程的高流量脉冲发生次数、历时、起涨流量、起始涨幅、峰值流量、峰值流量对应历时、平均涨幅7个特征指标，分析向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行后下游水文情势的变化，揭示长江上游水文情势变化对保护区铜鱼产卵的影响。

2 铜鱼产卵期的流量过程变化

2.1 水文指标

表1 和表2为向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行前后铜鱼产卵期流量过程变化，根据表1～2可知，蓄水运行后的 2013～2016年和蓄水前的2009～2012年相比，5月日均流量基本不变，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量显著减小2 057 m3/s；日最小流量基本不变，但日最大流量显著减少；最小流量出现时间都集中在5月初，最大流量出现时间集中于7月中旬。

表1 向家坝和溪洛渡水电站运行前铜鱼产卵期流量过程变化Tab.1 Changes in the flow process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表2 向家坝和溪洛渡水电站运行后铜鱼产卵期流量过程变化Tab.2 Changes of flow process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower station

2.2 涨水过程

江水上涨后铜鱼要经过一定的时间才开始产卵，结合前人的研究[10-11]，涨水后需2 d以上的连续涨水过程铜鱼开始产卵，产卵与历时3 d及以上的涨水过程高度相关。本文定义连续3 d(含3 d)以上的涨水为一个涨水过程。选取了涨水过程的6个特征指标：涨水日均流量、涨水次数、涨水持续时间、流量涨幅、流量日均涨幅和流量日上涨率。表3和表4为向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行前后铜鱼产卵期涨水过程变化情况，分析了2009～2016年向家坝和溪洛渡蓄水运行前后铜鱼产卵期6个涨水特征指标的变化情况，表中的涨水特征是统计了各年份铜鱼产卵期内所有涨水过程的均值。根据表3和表4可知，蓄水运行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，涨水日均流量减小794 m3/s；总涨水次数无明显变化，大约在7次左右；持续时间无明显变化；流量涨幅减小629 m3/s；流量日均涨幅减小了79 m3/s，流量日上涨率增大2.12%。

2.3 高流量脉冲过程变化情况

因研究区域和时间尺度上的差异，IHA中对高流量脉冲组分的界定以及高流量脉冲特征指标的统计不能直接应用于本次研究。根据对保护区实际水文特征的分析，本文修改IHA的生态流组分计算参数，定义流量频率小于45%的流量为低流量，对应流量小于4 660 m3/s；流量频率大于70%的流量为高流量，对应流量大于10 600 m3/s，流量频率范围在45%～70%之间时，日流量涨幅超过15%，则高流量脉冲开始，直到某天下降超过10%结束；结合自然水文情势中的 5 种水文要素、IHA 软件中的 6 个统计指标重新确定高流量脉冲特征指标。参考已有的研究成果[11-13]，选取高流量脉冲出现次数、历时(高流量脉冲出现至结束)、起涨流量(高流量脉冲出现前1 d的流量)、起始涨幅(高流量脉冲出现的流量与起涨流量的差值)、峰值流量、峰值流量对应历时(高流量脉冲出现到峰值流量出现的历时)和平均涨幅(起涨流量到峰值流量的斜率)7个特征指标。其次，根据 2009～2016年铜鱼产卵期内朱沱站流量资料和保护区江津断面的铜鱼产卵监测资料，一般历时 3 d及以上的高流量脉冲才能监测到相应的产卵过程[13]，本文定义连续3 d(含3 d)以上的连续高流量脉冲为一个高流量脉冲过程。

表3 向家坝和溪洛渡水电站运行前铜鱼产卵期涨水过程特征变化情况Tab.3 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表4 向家坝和溪洛渡水电站运行后铜鱼产卵期涨水过程特征变化情况Tab.4 Changes in the characteristic of water rising process during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表5和表6为向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行前后铜鱼产卵期高流量脉冲特征变化情况，表中的高流量脉冲特征是统计了各年份铜鱼产卵期内所有高流量脉冲的均值。根据表5和表6可知，蓄水运行后的 2013～2016 年和蓄水前2009～2012年的相比，蓄水后高流量脉冲发生次数较蓄水前的自然状况增多；历时变短，从蓄水前的11.1 d下降至10.7 d；起涨流量无明显变化，起始涨幅增大928 m3/s；峰值流量显著下降，蓄水前的峰值流量均值为18 622 m3/s，蓄水后的峰值流量均值为11 543 m3/s，下降了7 079 m3/s，且发生时间提前；峰值流量对应历时变短，缩短了10 d；平均涨幅明显增大，蓄水前平均日涨幅为681 m3/s，蓄水后平均日涨幅为1 644 m3/s，增大了963 m3/s。

表5 向家坝和溪洛渡水电站运行前铜鱼产卵期高流量脉冲特征变化情况Tab.5 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon before operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

表6 向家坝和溪洛渡水电站运行后铜鱼产卵期高流量脉冲特征变化情况Tab.6 Changes in the characteristic of high flow pulse processes during the spawning period of Coreius heterodon after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

3 铜鱼产卵情况变化

向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行后铜鱼的产卵繁殖情况发生了明显改变，为了说明铜鱼产卵繁殖变化情况，从铜鱼产卵规模及时间、次数方面进行分析。

3.1 产卵量

长江上游江津断面鱼类早期资源量自2009年开展长期监测以来，铜鱼在保护区渔获物中的比重较大，铜鱼鱼类早期资源数量呈现平稳波动趋势，出现频率最高达到了90%以上。随着向家坝和溪洛渡水电站的蓄水运行，产卵规模呈现急剧下降趋势，目前回落至60%，中间有波动，但总体呈下降趋势。表7为向家坝和溪洛渡蓄水运行前后铜鱼产卵规模变化。根据表7可知向家坝和溪洛渡蓄水运行后铜鱼产卵规模明显下降，蓄水运行前年产卵量的均值为2.71×108颗，其中2012年产卵量高达3.87×108颗；蓄水运行后年产卵量的均值为0.82×108颗，其中2013年产卵规模锐减至0.48×108颗，2014年产卵回升至1.29×108颗，但与蓄水前相比铜鱼产卵量明显下降。

表7 向家坝和溪洛渡水电站运行前后铜鱼产卵量变化情况Tab.7 Changes in spawning scale of Coreius heterodon before and after the operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations ×108颗

3.2 产卵时间及次数变化

根据2009～2016年保护区铜鱼产卵期卵苗监测数据资料分析可知，蓄水运行前后铜鱼产卵的起始时间和产卵的次数无明显变化。第一次产卵日期最早开始于5月 5 日，最晚开始于 5 月19日，最后一次产卵日期最早结束于6月28日，最晚结束于7月7日。连续产卵次数(单日和多日)平均每年为12次，产卵的总天数为24 d。对铜鱼的产卵情况进行统计分析可知，蓄水运行前，铜鱼产卵期内产卵量在5～7月分布比较均匀，各月产卵量占总产卵量的百分比为10%～30%；然而向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行后铜鱼产卵主要集中于6月份，6月中上旬的产卵量占总产卵量的50%，可见向家坝和溪洛渡蓄水运行后铜鱼的产卵高峰期相对比较集中。

4 流量过程变化对铜鱼产卵情况的影响

在选取的各项生态水文指标中，高流量脉冲过程的7个特征指标在向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行前后变化比较明显。蓄水前2010年和2011年，蓄水后2015年和2016年铜鱼产卵期高流量脉冲过程的变化情况见图1。由于向家坝和溪洛渡水电站的蓄水运行，完整的长历时高流量脉冲过程被水库调度干扰，不同于蓄水运行前自然的高流量脉冲表现为一种流量逐步增大，且伴随小波动的循序渐进过程，蓄水运行后涨水变快、变猛，历时较短，过程较陡，突然性变大，峰值流量远小于天然状况，不利于铜鱼的产卵繁殖。

根据以上对向家坝和溪洛渡蓄水运行前后铜鱼产卵情况的变化分析可知，向家坝和溪洛渡蓄水运行后铜鱼产卵量降低，产卵高峰期比蓄水前集中且主要集中于6月份。表8为向家坝和溪洛渡蓄水运行后6月份单次高流量脉冲特征。对比分析表5和表8，可初步提出铜鱼产卵繁殖对高流量脉冲过程特征指标的需求，高流量脉冲历时4～20 d，起涨流量4 350～10 400 m3/s，起始涨幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s,峰值流量对应历时4～18 d, 平均涨幅447～763 m3/s。

图1 向家坝和溪洛渡水电站运行前后铜鱼产卵期高流量脉冲过程对比Fig.1 High flow pulse process during the spawning period of Coreius heterodon before and after operation of Xiangjiaba and Xiluodu hydropower stations

项目历时/d起涨流量/(m3·s-1)起始涨幅/(m3·s-1)峰值流量/(m3·s-1)峰值流量对应历时/d平均日涨幅/(m3·s-1)2013 第1次2043508701238015502 第2次76790312014670226272014 第1次7512011501019041014 第2次569801850923027502015 第1次196185143812730134682016 第1次41040045801498012290 第2次161025031901864010763

5 结 论

本文分析计算了向家坝和溪洛渡水电站蓄水运行前后保护区江段铜鱼产卵期的涨水过程特征指标和高流量脉冲过程特征指标及其变化特征，分析了水文变化下保护区代表性鱼类铜鱼产卵规模的变化，初步提出了铜鱼产卵的高流量脉冲需求，得到以下结论。

(1) 水库运行后铜鱼产卵期内5月日均流量基本不变，6月日均流量增大254 m3/s，7月日均流量显著减小2 057 m3/s；产卵期内日最小流量基本不变,但日最大流量显著减少；最小流量都集中在5月初出现，最大流量出现时间集中于7月中旬。

(2) 蓄水运行后涨水过程的涨水日均流量减小，总涨水次数变化不明显，持续时间变短，流量涨幅减小，流量日上涨率增大；高流量脉冲过程的高流量脉冲次数增多，历时变短，起涨流量无明显变化，起始涨幅增大，峰值流量变小且提前，平均涨幅增大。结果表明向家坝和溪洛渡水电站运行改变了保护区内铜鱼产卵期的涨水过程和高流量脉冲过程，所选取的涨水过程和高流量脉冲过程的特征指标一定程度内都发生了变化且高流量脉冲过程变化明显。

(3) 蓄水运行前后铜鱼的产卵情况发生了变化，蓄水运行后铜鱼产卵规模明显下降，产卵高峰期相对比较集中。

(4) 初步提出铜鱼产卵繁殖对高流量脉冲过程特征指标的需求为：高流量脉冲历时4～20 d，起涨流量4 350～10 400 m3/s，起始涨幅750～4 580 m3/s, 峰值流量9 110～29 280 m3/s，峰值流量对应历时4～18 d，平均日涨幅447～763 m3/s。

本文只分析了长江上游水文情势变化对铜鱼产卵繁殖的影响，初步提出了铜鱼产卵繁殖的高流量脉冲需求，下一步应结合珍稀特有鱼类的生态水文需求确定高流量脉冲的阈值范围，进行梯级水库面向鱼产卵的生态调度研究。