基于鱼类需求的息县枢纽工程闸下河段环境流量研究

侯 俊，裴佳琦，黄喻威，梁小雨，龚雪滢,丁 伟,吴 淼

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098; 2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

大坝工程在防洪、发电、供水、航运等方面发挥着巨大效益的同时，也在改变着河流的水文情势及水流形态，产生严重的环境生态效应[1]。河流的连通性会直接影响鱼类的洄游，对鱼类的种质交流造成阻隔[2]。同时，闸坝的拦截会减少下游水流中的含沙量，导致下游河道冲刷作用增强，减小鱼类的栖息地面积，进而会使得鱼类生物量减少，影响河流生态系统的完整性和多样性。坝下径流的显著减少甚至出现河道脱水现象，会破坏河流生态系统基本功能的维持，流量不足或过多至物种的耐受极限时，都会导致该物种不能正常生存甚至灭绝[3]。环境流量指为维持河流的健康及功能所需的流量及其水文过程，全年范围内其数值是动态变化的[4]。环境流量的计算对于流域水资源的合理开发、配置以及维持河流生态系统的健康具有重要意义，其计算结果可为制定河流生态调度方案提供理论依据[5]。

全球约有200多种环境流量计算方法，可归为4类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法，每类方法都各有优缺点及适用范围[6]，其中栖息地模拟法是基于河道内水生生物的流量需求进行计算，所以结果较为可靠[7-8]。Wang等[9]对栖息地模型进行改进，考虑了栖息地的质量和数量，以栖息地斑块的连通性和破碎性指数作为评价鱼类栖息地质量的指标，并应用于评估水利工程对鱼类栖息地的影响。Zhang等[10]选择中华绒螯蟹作为目标物种来研究长江口的环境流量，采用基于物种空间分布的环境流量评估方法，同时考虑到中华绒螯蟹在潜在栖息地斑块中的分散情况以及淡水流量的变化。

本研究采用栖息地模拟法计算长春鳊(Parabramispekinensis)不同生命期的环境流量，利用MIKE建立淮河上游息县枢纽工程闸下河段的二维水动力学模型，根据长春鳊对水动力学因子的适宜度标准确定不同流量下的栖息地加权可利用面积(WUA)，得到其不同生命阶段WUA随流量的变化情况。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

淮河流域位于111°55′E～121°25′E、30°55′N～36°36′N之间，流域面积为2.7×105km2，干流全长 1 000 km。淮河上游指洪河口以上河段，总长约 360 km，河流落差178 m[11]。淮河干流的降水年际变化大、年内分布不均，年内降水量60%以上主要集中在汛期6—9月份。淮河过境水量丰富，但丰枯期变化大，汛期来水多以洪水形式出现，非汛期来水量较少、水位较低，且淮河干流上游区域内水利基础设施薄弱，现有水利工程调蓄能力差，取用水困难，区域内工程性缺水和水资源供需矛盾极为突出。

拟建息县枢纽工程主要功能是城市供水及农田灌溉，枢纽闸上正常蓄水位39.20 m，蓄水量 1.2亿m3，设计灌溉面积2.38万hm2。多年平均向受水区供水量16 545万m3，其中向城市供水 10 308万m3，向灌区供水6 237万m3。枢纽工程位于息县水文站下游6.7 km处，采用全深孔闸方案，闸底板顶高程29.0 m，共布置26孔，每孔净宽15 m，总净宽390 m。本研究选取拟建闸址下游 4.9 km 的河段来研究河道内水生生物对河流流量的需求。研究河段面积约2.3 km2，多年平均流量为 128.68 m3/s。息县站断面地形多年来基本保持稳定，研究河段平均糙率的经验值为0.025～0.040，坡降为0.49‰。

大型水库虽然可以直接控制下游的泄流过程，但是目前大部分的水库并没有充分考虑到河道生态流量需水，导致水库的泄流量过程与天然流量过程差异较大，给下游生态系统造成不利影响[12]。拟建息县枢纽工程的主要功能是城市供水及农田灌溉，如果取水不合理，势必会造成下游流量减少和流量过程发生变化，导致栖息地萎缩及栖息地质量下降，严重影响水生生物的生存和繁殖。本文选用栖息地模拟法计算天然状态下淮河干流上游息县段河道内长春鳊适宜的环境流量，为闸坝建成蓄水后维持闸坝下游河道内水生生物的栖息地面积和质量而下泄的流量提供参考。

1.2 生态保护目标

作为河流生态系统中的顶级部落，鱼类对生态环境的变化最为敏感，是河流系统健康的最佳指示物种。王丽等[13]通过考虑鱼类对摄食和产卵栖息地等方面的需求来对淮河干流鱼类进行比较分析，采用层次分析法构建判断矩阵，计算出淮河干流各种鱼类的排序权值，长春鳊的排序权值为4.09，为所有研究鱼类中最高，在研究淮河干流中水生生物的栖息地需求时长春鳊具有较好的代表性。

长春鳊为草食性鱼类，其摄食强度随季节有很大变化。冬季一般很少摄食，春季从3月份开始增大食量，夏季强度最大。一般生活于水体中下层，产漂浮性卵，要求有一定的流水刺激，在静水中不能产卵，且长春鳊体型呈侧扁形，游泳能力较差，对流速和流量有较高要求。经生态调查发现，研究河段内长春鳊数量丰富，分布广泛，全年范围内均有长春鳊生活，所以选择长春鳊来判断研究河段中水生物种对流量的需求是合理的。

长春鳊的产卵繁殖行为受到很多因素的综合影响，其中最重要的水力要素是水深和流速。长春鳊不同时期对水深和流速的适宜度曲线见图1～2。

图1 不同时期水深-适宜度曲线Fig.1 Water depth-suitability curves for different periods

1.3 研究方法

栖息地模拟法[14-17]主要由两部分组成：一是水动力模型，用来模拟不同流量下河道内的水深和流速分布；二是栖息地模型，结合某一特定生命阶段时目标物种对水深、流速的偏好程度，将水力学因素转化为栖息地适宜度评价指标。

1.3.1二维水动力模型

模拟区域选择拟建息县枢纽工程下游4.9 km范围内的河段。研究河段位于东经114°47′～114°50′，北纬32°17′～32°18′范围内，面积约为 2.3 km2，多年平均流量为128.68 m3/s[18]。河段平均河宽约300 m，平均水深约3 m。由于河段在垂直方向上的尺度远小于水平尺度，所以适宜用二维浅水方程来描述区间水流的运动。本文选用MIKE21 Flow Model对淮河干流息县段的河流水动力场进行数值模拟，以期得到不同流量下河道内的流场分布。

图2 不同时期流速-适宜度曲线Fig.2 Velocity-suitability curves for different periods

模型选择采用非结构化的三角形网格，计算区域内三角形网格节点共有413个，三角形单元有602个，时间步长为60 s。三角形网格可以较为准确地体现出研究河段的实际地形特征。上下游断面均采用流量边界条件，其他为陆地边界，上游断面流量采用息县水文站的实测流量数据，下游断面流量采用淮滨控制断面的实测流量数据及控制面积的比例来推算。网格的二维动边界的处理采用“干湿判别法”，模型计算中淹没水深为0.05 m，干水深为0.005 m，湿水深为0.1 m。

研究河段的河床底质较为均一，所以整个研究范围的流场可选用相同的糙率。通过选取不同的河床糙率n，对比已知点的实测值和模拟结果，对模型进行率定，最终选定糙率n=0.04。模型模拟出的河道内水深和流速的变化趋势与实测值变化情况吻合，水深和流速的平均偏差分别为6.8%和9.5%，在正常误差范围内，用于研究河段模型参数的设置是合理的，模拟结果较为可靠。通过设定不同的流量边界，模拟得到不同流量下河道内的水深和流速的分布情况，进行栖息地适宜性分析。

1.3.2栖息地模型

栖息地适宜度指数模型主要以目标物种对栖息地的选择、栖息地限制因子等生态学理论为基础，根据选定的保护物种对不同栖息地因子的需求之间的函数关系构建模型。由于研究区域的水流较为简单，河床底质为砂质，适宜鱼类生存，故可将底质的适宜度指数全部取为1，且水质较好，所以只考虑流速和水深对栖息地质量的影响。假设水深和流速对长春鳊的影响力相同，采用乘积法来计算组合适宜度指数:

IHSI=f(v)f(D)

(1)

式中：IHSI为栖息地适宜度指数；f(v)为流速的适宜度指数；f(D)为水深的适宜度指数。

在某一流量下，结合水动力学模型得到的水深和流速分布和目标物种对水动力因子(水深和流速)的适宜度指数，采用乘积法确定不同网格单元的组合栖息地适宜度指数，将不同网格单元的IHSI与单元面积相乘并累加，即得到特定流量下所对应的栖息地WUA。综合不同流量对应的WUA，得到WUA-流量曲线，即可分析目标物种在不同生长期对河流流量的需求。

2 结果与分析

通过模型计算得到研究河段内长春鳊在不同生长期内栖息地WUA与流量之间的变化关系，从而得到适宜的环境流量过程。从不同时期的模拟结果得到WUA-流量曲线，见图3。

图3 不同时期WUA-流量曲线Fig.3 WUA-flow curves for different periods

2.1 产卵期

4—7月为长春鳊产卵期，其中比较集中的产卵期是5—7月。对1990—2012年4—7月的平均月流量进行统计分析，得到流量范围为18～378 m3/s，故模拟10～400 m3/s流量范围内对应的栖息地WUA，得到产卵期WUA-流量曲线(图3)。

随着流量的增大，WUA整体上先显著增加后达到最大值，接着略有减小后趋于平缓。淮河上游息县段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的过程中，长春鳊产卵栖息地WUA随着流量的增大而不断增加；当流量超过150 m3/s之后，WUA随着流量的增大而呈现出逐渐减小的趋势。流量在100～200 m3/s范围内时，WUA值达到最大，该流量范围为最适宜长春鳊产卵的流量区间。造成这一趋势的原因可能是，长春鳊在产卵期对流速的要求较高，仅0.1～0.4 m/s范围内最适宜长春鳊产卵。当流量增大时，流速也不断增大，WUA也增加。但流速过大不利于长春鳊产卵，当流速超过最适宜流速时，流速适宜性降低，导致WUA增加缓慢，甚至减少。

2.2 捕食期

每年的8—11月，长春鳊的捕食量增大。为了研究捕食期的栖息地现状，对10～300 m3/s流量范围进行模拟，得到7种流量工况下对应的栖息地WUA(图3)。

由于捕食期对水深的要求不高，研究河段水深绝大部分时间均超过1.2 m，能够满足捕食期长春鳊所需的最佳水深范围，所以即使流量很小时也有一定的WUA。随着流量增大，流速也随之增大，部分区域可以达到长春鳊捕食期最适宜的流速范围(0.7～1.2 m/s)，所以随着流量增大，栖息地WUA也随之增大，更加满足长春鳊捕食期对水深和流速的需求。但是WUA随流量增大而增加的趋势较为平缓。

在捕食期，为保证长春鳊可以捕食到所需的物质和能量资源，河流流速须小于长春鳊的临界游泳流速1.2 m/s。在河流流速小于1.2 m/s时，流速越高，适宜度指数越高；当流速超过1.2 m/s时，会影响长春鳊正常摄食，且流速适宜度随着流速的增大而降低。在研究河段，在模拟的流量范围下，流速均未达到1.2 m/s，所以水深和流速的组合适宜度指数随着流量的增加而增大，WUA随流量增大呈现出缓慢增长的趋势。

表1 Tennant法的环境流量计算结果Table 1 Calculation results of environmental flow based on Tennant method m3/s

2.3 越冬期

对长春鳊越冬期12月至次年3月河段的模拟流量范围定为10～200 m3/s，对8种不同流量工况下的栖息地现状进行整合，得到越冬期长春鳊WUA与流量的对应关系(图3)。

长春鳊越冬期对流速的需求与捕食期相同。由于越冬期长春鳊对流速的要求不高，在0～1.2 m/s 流速范围内，流速适宜性都高于0.8，所以水深是长春鳊越冬期栖息地需求的最主要影响因素。但由于12月至次年3月大部分时间属于枯水期，淮河干流水位较低，而长春鳊在越冬期的最佳水深应大于 3 m，所以在整个研究时期，长春鳊适宜栖息地WUA仅在 1.4～1.7 km2范围内，且随流量增大而略有降低，整体变化不大。造成这一结果的原因是，长春鳊生活在水体下层，越冬期在深水区河底栖息，水深是影响其栖息地适宜性的主要因素。在越冬期，研究河段内的水位波动幅度不大，而流速对长春鳊越冬期的栖息地影响较小，所以综合来看，随着流量增加，长春鳊越冬期栖息地WUA略有减小，但整体变化不明显。

2.4 环境流量的讨论

河道中适宜环境流量的估算是为了保障河流中水生生物的栖息地WUA。当栖息地WUA达到最大时，表示对应的流量最适宜鱼类生存，即该流量为适宜环境流量，可作为水资源规划依据。

为评价栖息地模拟法的计算结果，本文的计算结果与Tennant法的结果(表1)进行对比分析。

由表1可见，栖息地模拟法的计算结果明显高于Tennant法推荐的环境流量。这是因为Tennant法是根据历史流量资料给出河道内基本流量，没有考虑具体物种对流量的需求，因而不能反映鱼类栖息地状况。通常来说，栖息地模拟法得出的环境流量值要比水文学方法得到的结果大，适用于受人类活动影响较小的河流。

产卵期是鱼类最重要的生命阶段，对生境的要求较高。对应Tennant法给出的最小环境流量(12.9 m3/s)，研究河段的适宜栖息地面积仅有13%左右，很难满足长春鳊产卵需求。根据栖息地模拟法结果，流量在100～200 m3/s之间时，适宜栖息地面积可达85%以上。在长春鳊捕食期和越冬期，河道流量基本都可满足长春鳊需求，适宜栖息地面积分别在80%和65%以上。

目前大部分学者聚焦于最小环境流量的研究，但是，即使满足了最小环境流量，也会导致生物多样性减少和生态完整性降低，生态系统质量下降。适宜环境流量考虑到生物的需求，是根据目标物种最适宜的水文条件模拟得到的，所以更能保证河流生态系统的健康。在水生生物较为丰富和生态资料较为齐全的河段，计算适宜环境流量采用栖息地模拟法比其他方法更有意义。

3 结 论

a. 在长春鳊产卵期，研究河段流量由10 m3/s增大至150 m3/s的过程中，长春鳊产卵栖息地WUA随着流量的增大而不断增加；当流量超过150 m3/s之后，WUA随着流量的增大而呈逐渐减小的趋势；流量在100～200 m3/s范围内时，WUA达到最大值，该流量范围为长春鳊最适宜产卵的流量区间，其中，150 m3/s是最适宜环境流量。

b. 在长春鳊捕食期，WUA随着流量的增大呈现出缓慢增长的趋势。

c. 在长春鳊越冬期，随着流量增加，长春鳊的栖息地WUA略有减小，但整体变化不明显。

d. 4—7月，环境流量适宜范围是100～200 m3/s，8月至次年3月，不同环境流量均可满足长春鳊捕食和越冬的需求。