基于数值模拟的清泥河鱼类水力生境评价

邢宝龙，宋文超

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

1 研究背景

河流在人类活动和维持生态系统方面发挥了重要作用。随着经济的发展和水资源的开发利用，河流形态及水环境发生了很大变化，导致部分水生生物栖息地退化或消失[1-2]。近年来，国家大力开展水生态文明建设，旨在解决水资源短缺、水灾害威胁和水生态退化三大水问题，恢复水生态系统的自然属性。水生态修复是生态文明建设的一项重要内容，而鱼类是水生态系统重要的指示性物种之一，因此选取鱼类来评价水生态修复效果。

鱼类栖息地是鱼类赖以生存的环境，鱼类栖息地适宜性评价指标众多，笔者从水力学角度选取水深、流速为评价指标，对一次洪水过程中鱼类水力生境适宜性变化进行研究，以期为鱼类栖息地的营造提供参考[3]。

2 研究方法

首先建立二维水动力模型获取典型洪水过程水力学指标，然后采用模糊综合评价法计算评价区域生境适宜性指数，最后利用ArcMap可视化工具绘制鱼类栖息地适宜性分布图，进而得到鱼类栖息地适宜性评价结果。

2.1 二维水动力模型

利用Mike21 FM软件建立二维水动力模型，通过模拟分析得到评价范围内的水深和流速，为水力生境适宜性评价提供数据基础。Mike21 FM利用有限体积法对浅水方程进行离散求解，模型的控制方程[4-5]为

式中：t为时间，s；n 为曼宁糙率系数；u、v为 x、y 方向的流速分量，m/s；z、h 为 x、y 处的水位和水深，m；g 为重力加速度x、y方向的水流运动阻力。

2.2 典型洪水过程推求

研究区域缺少径流资料，因此基于《河南省暴雨参数图集》（2005年版）计算典型洪水流量过程。通过查阅暴雨图集，确定设计点雨量、设计面雨量及设计净雨，并由设计净雨推求洪峰流量及洪水过程线，洪峰流量和一次洪水的洪量可以用排水模数公式（式（2）、式（3）计算）。一次洪水过程线利用概化洪水过程线及洪水历时推求。选用概化洪水过程线见表1（其中：T为洪水历时，用已经历时间占总时间的百分比表示；Q为T时刻流量占洪峰流量的百分比）。用式（4）计算洪水历时。

表1 概化洪水过程线

式中：M 为排水模数，m3/（s·km2）；Qm为设计洪峰流量，m3/s；K为峰量系数，K取值为0.035；R为设计净雨，mm；F为流域面积，km2；W为概化洪水过程线系数。

2.3 评价模型构建

根据《清泥河水生态状况调查研究报告》[6]，子陵吻虎鱼为底栖小型鱼类，常栖息在沙石底的山溪流水，亦在江河、湖泊的浅水区生活，喜食水生昆虫或底栖性小鱼以及鱼卵。子陵吻虎鱼有溯水习性，5—6月繁殖，将卵产在沙穴中。子陵吻虎鱼产卵需要沙质底质，对水质有一定要求，并且为食物链上层的肉食动物，所以对水生态系统起重要指示作用，是清泥河流域水生态系统健康的重要指示物种。选用模糊综合评价法进行子陵吻虎鱼的水力生境适宜性评价。

（1）建立评价因子集。对鱼类栖息地而言，最重要的几何形态指标为水深。适当的水深，一方面为底栖鱼类提供活动空间，另一方面为沉性鱼卵提供孵化环境。但是水深过大，不利于鱼卵的孵化及仔鱼的生长，因此选取水深作为水力生境适宜性评价的指标。流速是反映水体流动快慢的指标，是水流与河宽、坡度、糙率相互作用的结果。适当的流速一方面可以刺激鱼类产卵，另一方面可以刺激鱼类性腺发育，但流速过大不利于鱼类的生存及繁殖。因此，选取流速作为水力生境适宜性评价的指标[7-8]。建立评价指标集：U=｛水深、流速｝。

（2）建立评价集。把评价结果分为5个等级，评价集V=｛不适宜，基本适宜，适宜，较适宜，非常适宜｝。

（3）建立模糊关系矩阵。用隶属度来刻画分级界限，设rij表示第i种指标可以被评价为第j类适宜性的可能性（即i对j的隶属度，它们的关系即为隶属函数），这样就构成了水质评价因子与水质类别的模糊关系矩阵R=（rij）。根据选取的评价指标及《清泥河水生态状况调查研究报告》，计算各指标的模糊隶属度函数，流速、水深隶属度见图1～图2。

图1 流速隶属度

图2 水深隶属度

（4）确定权重及建立模糊综合评价模型。水力生境适宜性的隶属度为各指标隶属度函数计算结果的几何平均（指标权重均为0.5），即首先由构建的二维水动力模型计算出水深及流速，把水深及流速代入各自的隶属度函数，计算出各指标的隶属度值，然后把这两个指标的隶属度按权重0.5求和，即得到综合适宜性指数，计算公式为

式中：k为二维水动力模型计算时网格剖分单元编号；Wkj为第k个单元隶属于评价集第j项的综合得分，其中 j=1，2，…，5；fv、fh分别为流速及水深的隶属度函数；vk、hk分别为k单元的流速及水深。

根据最大隶属度原则，待评价单元的适宜性评价结果为 max（Wk1，Wk2，…，Wk5）。

3 实例应用

许昌清泥河属于淮河流域颍河水系，生态修复重要节点双龙湖位于清泥河下游运粮河汇入口附近。运粮河流速约为0.1 m/s，流速十分缓慢。运粮河控制断面处10 a一遇洪水流量过程见图3，10 a一遇设计洪峰流量为163.6 m3/s，洪量为1 568 m3。为了分析运粮河在不同流量下水力生境适宜性，选取10 a一遇洪水过程进行分析，研究运粮河在洪水起涨时段、洪峰时段及消落时段的水力生境适宜性。

以10 a一遇洪水流量过程为双龙湖上游流量入流边界，模拟在该流量过程下双龙湖的水深及流速。为了分析模拟范围内适宜性指数在不同洪水流量下的变化情况，计算0%、6%、12%、24%、48%时刻各网格单元的适宜性综合得分，这些时刻分别代表起始时刻、洪水起涨时刻、洪峰时刻及洪水消退初期和后期的水力生境变化情况，模拟结果见图4。

图3 10 a一遇洪水过程线

图4 不同时刻水力生境适宜性分布

由图4（a）可知，模拟范围内的水力生境评价得分均在适宜标准以下，适宜区域在两岸附近呈带状分布。洪水来临前，水体几乎没有流速，导致评价区域适宜性较低。由图4（b）可知，两岸附近出现了非常适宜的区域，该区域流速及水深都极其符合子陵吻虎鱼的水力生存环境。在近岸处，由于流速及水深均较小，所以适宜性较差。由图4（c）可知，非常适宜性区域较上一时刻有所减少，且河流中间地带由适宜区域变成基本适宜区域。在洪峰时刻，中间水域水深及流速均较大，不利于子陵吻虎鱼的生存。在24%、48%时刻，随着洪水的消退，区域流速逐渐减小，水力生境适宜性逐渐降低。通过各适宜性分析图的综合比较，在6%时刻，区域水力生境适宜性分布范围最广，该时刻对应的洪水流量为59.70 m3/s。

4 结 语