基于栖息地生态适宜度指数模型的河流鱼类生境模拟分析

孙志毅

(大连市水务事务服务中心，辽宁 大连 116001)

水生物种栖息地的面积及质量是河流生态健康重要的评估指标，也是河流水生态功能发挥程度的重要衡量标准[1- 2]。河流生态水力学通过建立不同物种各生命阶段的生态环境与河流水利条件之间的联系，对不同河道流量条件下的鱼类生物栖息地面积和分布进行模拟，是分析不同条件下河流生物栖息环境的重要方式和方法[3- 4]。当前，采用物理模拟河流生物栖息地的技术是河流生态环境分析的关键和技术支撑，国内外也展开相关河流生物栖息地的模拟模型，如CASIMIR模型[5]、PHABSIM模型[6]、River2D模型等[7- 12]。但是通过实例研究发现这些模型大都没有对河流区间来水进行有效考量，且只能对中等尺度河流生物栖息地进行模拟，一般适用于河流断面或局部河段下的生物栖息地模拟分析，因此对尺度较大的河流生物栖息地模拟存在局限性[13- 15]。为此，本文在前人研究的基础上，通过耦合MIKE11模型及PHABSIM模型建立河流生态水力学模型，构建能综合考虑河流区间来水影响，且适用于范围较大河流的栖息地适宜度指数模型，从而为河流生态需水的准确评估和水库群生态联合调度提出有效的分析方法。

1 模型及其构建思路

模型首先按照河流特点进行不同河段划分，综合考虑不同河段之间的汇水影响，结合基于物理机制的栖息地模拟模型(PHABSIM)对不同河段的生物在不同流量条件下的栖息地面积进行模拟分析，其中模型所需要的不同河段的水位-流量边界条件采用MIKE11模型进行整个河段的全过程模拟。河流生物栖息地模型结构如图1所示。

PHABSIM模型采用IFG4方法对河道内的流速和水深之间的指数关系进行分析，并结合实测水位流量数据对指数方程进行回归分析，参数回归估计方程为：

H=αQβ

(1)

式中,H—计算水位,m；Q—断面流量,m3/s；α、β—回归方程的参数。

模型结合河流横断面粗糙率和恒定流方程对河流的水位进行推求，方程为：

(2)

式中，n—横断面粗糙率；A—横断面面积；f—水位流量关系函数。

在水位推求基础上，模型结合缓变流计算方程对不同断面水位进行演算，该方法可主要用于水利工程回水区的水面线推求。

在河道水力学计算的基础上，通过河流生物栖息地适宜度曲线，对不同河段生物栖息地适宜度指数进行计算，并结合各河段面积，采用加权平均方法计算均值，方程为：

(3)

式中，Ai—不同河段的分区面积，km2；f(Vi)—不同河段分区的适宜流速指数；f(Di)—不同河段的适宜水深指数；f(Ci)—不同河段的适宜底质指数；F[]—适宜度组合指数，该指数可以采用四种方法进行确定。

乘积法：CSF=f(Vi)·f(Di)·f(Ci)

(4)

几何平均法：

CSF=[f(Vi)·f(Di)·f(Ci)]1/3

(5)

最小值法：

CSF=min[f(Vi)·f(Di)·f(Ci)]

(6)

加权平均法：

CSF=kvf(Vi)+kdf(Di)+kcf(Ci)

(7)

式中，kv—适宜流速指数的权重；kd—适宜水深指数的权重；kf—适宜底质指数的权重。

2 实例概况

2.1 目标物种选择

河流整个生态环境系统主要由非生物环境(水量、水质、泥沙及河床的组成)、生物(鱼类、浮游生物、底栖生物、鱼类)以及鸟类等其他栖息生物共同形成的。河流生物多样性以及丰富程度是河流生态系统健康的重要衡量标准。在河流各生物系统中，鱼类通常被认定为河流生态健康和需水量评估等研究的重要分析生物。这主要是因为鱼类位于水生生物食物链的最顶端，对其他河流生物多样性具有重要的意义。通常情况下，河流的生态环境条件若不能够满足生态环境的正常需求，则其他生物物种的生态环境也不能得到有效满足。为此本文主要以河流鱼类作为主要的保护物种目标进行分析。通过对大量的鱼类数据进行调查分析，大连地区主要淡水鱼类优势物种为鲢鱼，结合野外调查数据进行综合分析，确定鲢鱼为主要目标物种进行分析。

2.2 目标鱼类的生态环境调查

据《辽宁省动物志鱼类》记载，大连地区鲢鱼一般在4—6月为主要繁殖产卵期，对于水温的要求一般在18℃以上。在25℃水体中受精卵经过3～4d可以繁殖出小鱼苗。调查分析表明，鲢鱼对水深的需求一般大于1m，水体流速要小于0.3m/s的静水或者缓慢流淌的水中，且以泥或砂作为河流底质条件。

2.3 栖息地适宜度指数模型构建

在对目标物种栖息地模拟基础上，对选定的鱼类目标物种进行栖息地适宜度(HSI)模型的构建。目标鱼类物种处于生命特定阶段时对水深、底质、水温以及流速等生态水力因子的适宜度需要通过野外调查试验进行统计和数据分析才能获取。本文主要对目标物种的水深以及流速因素进行分析。

3 模拟结果分析

3.1 栖息地模拟结果分析

以大连地区碧流河水库以下河流作为研究河段，河段内主要鱼类优势物种为鲢鱼，结合河段特性将河流划分成10段，采用构建的栖息地模拟模型对各河段不同流量条件下鲢鱼栖息地面积进行加权平均模拟分析，结果如图2所示，并对其关键河段的断面水深以及流速分布进行分析，结果如图3所示。

从10个河段鲢鱼流量与栖息地加权面积分析结果可看出，随着流量增加，面积加权值逐步递增，并在流量为70～150m3/s的鲢鱼栖息地加权面积达到最大值，随后随着流量增加加权面积值逐步递减，并在一定范围内小幅变动。但对于部分河段而言，在流量较大的条件下，加权面积会出现一个较大的峰值，如1#河段当流量达到600m3/s时，加权面积出现高值，而2#河段当流量达到500m3/s时，面积加权值逐步提高到流量达到一定阈值条件下，水位经过主槽后逐步增加，而在河道滩地区域可以产生较为适宜的水动力条件。从图3第一个关键河段的分析结果可看出，使得加权面积出现最大值，是在于该河段距离左岸200m区域内出现鲢鱼大面积的栖息地。结合调查的鲢鱼适宜水深和流速的数据可知，当流量达到300m3/s时，水位将超过河道主槽高程，鲢鱼可进行栖息的面积逐渐减少。图3第二个关键河段为水深和流速的分布，从图中看出，在不同流量条件下鲢鱼的可栖息地的面积逐步加大。总体而言，受到不同河段断面以及坡度的综合影响，各河段内的鲢鱼栖息地的最大面积从上游到下游逐步递增，高流量条件下对应的栖息地面积波动程度较高，且与栖息面积最大值相比递减的速率较大，而下游河段由于流量对应下的栖息地面积变化较为平稳，因此各河段栖息地面积最大值差异性较小。

图2 不同河段鲢鱼流量-栖息地加权可利用面积关系模拟结果

图3 两个关键河段的水深及流速分布分析结果

3.2 产卵场栖息地模拟结果分析

为对河流生态系统进行健康保护，除需要满足鲢鱼栖息的要求外，还需要使鲢鱼在产卵期(4—6月)到达栖息地的要求。结合构建模型对鲢鱼产卵场栖息地进行模拟，结果如图4所示。

结合鲢鱼产卵对适宜水深和流速分布的研究可知，鲢鱼产卵栖息地主要分布在河段的下游，在河道正常不出现断流的情况下，较小的流量即可满足鲢鱼的产卵适宜面积的需求。产卵场栖息地面积将随着流量的递增而增加，当流量达到60～80m3/s的最大值后，随着流量递增，产卵场栖息地面积将逐步递减。由于流速条件的影响，当流量达到200m3/s以上后，鲢鱼的适宜产卵面积的差异度将逐步减小。

3.3 栖息地适宜度指数分析

在各河段栖息地模拟的基础上，对选定的鱼类目标物种进行栖息地适宜度(HSI)的分析，鲢鱼水深及流速与栖息地适宜度指数的变化曲线结果如图5所示。

从水深的分析结果可看出，当水深从0.6m逐步增加到1.0m后，鲢鱼的HSI指数逐步增加；当水深为1.0m后，HSI指数逐步稳定；当水深达到1.9m后，HSI指数逐步递减；当水深达到2.3m后，HSI指数为0。从流速的分布结果可看出，当流速达到0.1m/s时，鲢鱼的HSI指数逐步增加；当流速达到0.3m/s时，HSI指数趋于平稳变化，但流速达到0.7m/s时，逐步递减，且呈现直线下降趋势。

图4 产卵河段鲢鱼栖息地模拟结果

3.4 模拟验证

以研究区域下游10#河段为验证河段，主要因为该河段设置有水文站，具有实测水文数据。通过该站点实测水文数据和模型栖息地模拟析，20世纪70年代该河段年平均流量为150m3/s，河流鱼类的生态环境保护较为理想，而进入2000年以后，从2000—2010年该河段平均流量只有15.6m3/s，鲢鱼的栖息地环境逐步减少；而从2010年以后，由于加大了河道内的生态用水和生态治理，河段的平均流量增加到64.5m3/s，鲢鱼的栖息地面积有较为明显的改善。

通过对河段实地调研和史料文献记载可分析，区域河段在70年代属于河流生态系统良好状态，区域鲢鱼资源十分充裕，后期受到人类活动影响，河道生态环境用水被过渡挤占，鲢鱼的栖息地受到不同程度的破坏和影响，面积锐减。近些年来，随着河道内生态用水和生态治理保护力度加大，河段内的鲢鱼数目逐年增加，调查结果和模型模拟结果高度吻合，计算结果合理、可靠度高。

4 主要结论

(1)不同河段栖息地面积-流量变化具有整体规律性，鲢鱼从上游到下游最大栖息地面积对应流量逐步递增，从上游到下游高流量下栖息地面积变化趋势逐步趋于稳定。

(2)研究河段鲢鱼产卵场主要集中于下游河段，产卵适宜面积随着流量的增加而逐步递增，最大值对应的流量为60～80m3/s，可作为碧流河水库下泄最小生态流量。

(3)本文从水深和流速方面对鱼类栖息地生境影响进行分析，而对于其他影响因子如泥沙、水温、底质以及水环境因子的研究还未开展，在以后的研究中应重点关注这些因子的影响。