沅江托口水电站减水河段鱼类栖息生境变化模拟研究

摘要：通过二维水力模拟软件，分析托口电站减水河段天然流量不同时期（丰、枯水期）与生态下泄流量下鱼类适宜栖息面积变化，以沅河镇段约3km长的河段为例，根据代表鱼类对水深、流速适应度的曲线，在不同工况下，计算出有效栖息地面积（WUA）。计算结果表明：托口水电站建设后生态流量状况下，相较于建设前的河道枯水期和丰水期，平均水深减小0.09m和0.59m，河道流速下降70.42%和86.45%，水域面积分别减少6.64%和16.22%;WUA分别减少64.50%和61.72%。

关键词：生境模拟;鱼类栖息地;减水河段;有效栖息地面积

中图分类号：X174 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）05-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.115

Simulation of fish habitat changes in the reach of Tuokou hydropower station of Yuanjiang River

Zhai Lilei

（Datang Yuquhe Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

Abstract：Based on the two-dimensional hydraulic simulation software， the change of fish suitable habitat area under different periods of natural flow （wet and dry periods） and ecological discharge in the water reducing reach of Tuokou hydropower station is analyzed.Taking the reach of about 3km in Yuanhe town as an example， according to the curve of fish's adaptability to water depth and velocity， the effective habitat area （WUA） is calculated under different conditions.The calculation results show that the average water depth is reduced by 0.09m and 0.59m，the flow velocity is reduced by 70.42% and 86.45%， the water area is reduced by 6.64% and 16.22%， and WUA is reduced by 64.50% and 61.72%， respectively，compared with the low water period and high water period before the construction of Tuokou hydropower station.

Key words：Habitat simulation;Fish habitat;Water reducing reach;Effective habitat area

水电的开发建设对河流生态系统产生的影响主要表现在河流阻隔、局部河段减脱水、库区生态系统的演替及下游水文时空节律改变、低温水下泄等方面。河段减水对河流的生态环境造成极大的破坏，水生生物棲息地安全性受到胁迫。为缓解减水对河段中鱼类的影响，国内外普遍采取生态流量下泄、生境修复等措施。

鱼类栖息地指能够满足鱼类不同生活阶段的不同需要，不仅提供鱼类的生存空间，同时还提供满足鱼类生存、生长、繁殖的全部环境因子。通常包括产卵场、索饵场、越冬场及连接不同生活史阶段的洄游通道。

河流栖息地评估为评估下泄流量的有效性发挥重要作用，栖息地模拟法是常用的河流生物栖息地评估方法，河道内流量增量法（Instream Flow Incremental Methodology， 简称IFIM）中River2D模型运用较广泛。River 2D 模型通过水力模型模拟，可以获得河流局部流速、流向及水深， 根据鱼类适应性指数算出鱼类有效栖息地面积。通过将水力学模型与生物信息模型相结合，定量分析鱼类适宜栖息地与流量之间的关系，对流量变化对鱼类栖息地的影响进行评价（黄月群等，2017）。崔玲等（2007）利用River 2D漓江桂林市区江段进行流速和水深模拟。谭燕平等（2011）对雅砻江锦屏大河湾不同流量下裂腹鱼的适宜栖息地面积的变化，得出有效栖息地面积最大的流量。孙嘉宁等（2013）采用River 2D 分析白鹤滩水库回水支流黑水河在不同蓄水水位下鱼类适宜栖息地面积的变化情况。孙莹等（2015）模拟坝下齐口裂腹鱼产卵场，为产卵场地形重塑效果进行评估。李平等（2016）利用River 2D 软件模拟不同的河漫滩糙率对应的鱼类有效栖息地面积（WUA），分析了糙率的改变对河流鱼类栖息地的影响。

托口水电站坝址位于湖南省沅水干流上游河段，是沅水规划梯级的第5级，坝址处多年平均流量为540m3/s。主副坝的修建，形成约9km的减水河段，根据环境保护要求，为保证河道内的最小生态需水量（Tennant，1976），采取主坝坝后设置2组1.5万KW的生态机组下泄生态环境流量54 m?/s。托口水电站河段中喜静水缓流生境的鱼类增多，喜急流和洄游、半洄游性鱼类减少。通过生境模拟分析天然流量不同时期（丰、枯水期）与生态下泄流量下鱼类适宜栖息面积，建立沅河的二维物理栖息地模型，旨在保护沅河减水河段的鱼类栖息地，恢复适宜鱼类栖息的生境条件，对保护鱼类资源、维护河流生物多样性具有重要意义，并为河道生境修复规划方案的制定提供基础数据。

1研究河段鱼类资源及栖息地现状

研究河段位于沅江上游，沅河镇河段河势蜿蜒，河岸边滩分布广泛，鱼类资源丰富，随着上下游梯级电站的兴建、过度捕捞、水域污染、采砂活动频繁，造成鱼类资源下降。湘华鲮是湖南特有的大型野生经济鱼类，目前仅在沅江和资江发现分布（卞伟等，2011）。沅江镇河段是湘华鲮的自然分布江段，托口水电站对其分布产生严重的阻隔，根据环保要求，拖口水电站每年对湘华鲮进行增殖放流，沅河镇减水河段是湘华鲮潜在的分布水域，湘华鲮是研究河段中的保护物种，且具有较高的保护价值，本文将湘华鲮作为目标物种。

湘华鲮以摄食硅藻为主，4月下旬性成熟，5月为产卵盛期，具有繁殖期上溯洄游习性，卵微粘性（王賓贤等，1977&1982），喜栖息于有砂、卵石的浅滩或狭流凸石的水域，石上生长着许多的固着藻类，如苔藓、丝状藻等。

2 评估方法

2.1 评估方法与模型

IFIM 法是栖息地模拟方法具有代表性一种方法。IFIM 法设定流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素为水深、流速、基质和覆盖物，通过调查分析目标物种对水深、流速、底质等因子的适应性，绘制水深、流速、底质等环境参数与适应性指数（介于0～1之间） 之间的适宜性曲线，计算指示物种的有效栖息地面积（ WUA） 。公式如下：

式中CSF（ Vi，Di，Ci） 为每个影响因子的组合适宜性值，其中，i 为划分的单元数，V 为流速适宜指数，D 为水深适宜指数，C 为河道适宜指数（ 基质和覆盖物） ;Ai为每个单元的水平面积。本文主要考虑水深和流速的影响。对于栖息地组合适宜性值的确定，采取影响因子适宜指数相乘的方式，从而体现影响因子的综合作用。

River2D 模型全称为河流水动力学和鱼类生境的二维平均深度模型是2002年由加拿大淡水研究所、亚伯特大学土木与环境系、美国地质调查局中部生态科学中心、亚伯特渔业部共同研究开发与测试的栖息地模拟软件。它将水力模拟和生态模拟紧密结合，主要用于微生境（水深、流速、基质和河面覆盖等） 的模拟评价。能反映河流局部的流速和水深分布以及确定流量与鱼类潜在适宜栖息地的关系。

2.2 水深及流速适宜性指数确定

栖息地适宜性指数 （ Habitat Suitability Indices，HIS）（ Bovee，1986）通常以0～1 之间的数值来量化物种对某栖息指标的喜好程度，0表示该物种完全不适宜，1 表示该物种完全适宜，值越大表示适宜性越好。

目前湘华鲮相对应的水力适宜性研究资料还比较缺乏，本文根据卞伟等（2011）测定湘华鲮产卵场江段的水深和流速，结合湘华鲮生态习性、繁殖习性，确定湘华鲮的最适宜栖息流速为0.86～1.25 m/s，最适宜栖息水深为2～6.8 m。由此确定研究河段湘华鲮在繁殖期对流速、水深的适宜性曲线，如图1 和图2 所示。

2.3 模拟工况

沅河镇河段处于托口水电站减水河段，托口水电站坝址多年平均流量为540 m3/s，枯水期（10-3月）为273.8 m3/s，丰水期（4-7月）为969.3 m3/s，托口水电站运行期主坝下泄生态流量为54 m3/s。本文以沅河镇上下游3km河段为例，根据三种不同河道流量情况，运用River 2D模型对河段生境进行模拟。河段流量工况如表1所示。

通过对3km的模拟河段的河床地形数据进行实测了483个点位，并结合河床遥感数据，对部分河段进行修正，在R2D-Bed.exe中根据三角化不规则网格法（TIN）对地形特征以及各个节点参数进行空间内插，形成河流河床文件。R2D-Mesh.exe中由地形文件生成计算离散化网格，网格密度根据地形数据和模型计算结果调整，网格间距0.5～10.0m。边界条件上游采用流量边界，下游采用水位边界，河岸边界采用动边界方式。

3 生境模拟

通过模拟分析，沅河镇河段在枯水期、丰水期和生态流量下泄是的河段的平均水深分别为1.85m，2.35m和1.76m，水深变化不大，变幅在0.6m以内;平均流速在三种流量工况下分别为0.71m/s，1.55m/s和0.21m/s，河道内在生态流量下泄时，水体流速显著降低，较丰水期和枯水期分别下降70.42%和86.45%。河道水深和流速分布见图3。

河道在托口水电站建设前，沅河镇河段在枯水期年均273.8 m3/s流量情况下的水域总面积为72.29 hm2，其中适宜性较差的水域面积为19.57 hm2，有效栖息地面积为40.00 hm2，适宜性较好水域面积为36.05 hm2。丰水期年均969.3m3/s流量情况下的水域总面积为80.55 hm2，其中适宜性较差的水域面积为33.52 hm2，有效栖息地面积为37.09 hm2，适宜性较好水域面积为31.00hm2。在丰水期湘华鲮有效栖息地面积较枯水期略有下降。托口水电站建成后，减水河道下泄54 m3/s的生态流量，水域面积总面积为67.49 hm2，分别较枯水期和丰水期减少6.64%和16.22%;适宜性较差的水域面积为31.73 hm2，较枯水期增加62.14%，较丰水期减少5.35%;适宜性较好水域面积为0.75 hm2，分别较枯水期和丰水期减少97.92%和97.58%;有效栖息地面积为14.20 hm2，分别较枯水期和丰水期减少64.50%和61.72%。

4 结果与讨论

水深是鱼类栖息地水力学特征重要的指标之一，水深会影响水体的光线穿透性和水温等水文条件，同时也会影响鱼类、水生植物、底栖生物等生物的种类、密度、分布特征等，从而导致不同水深层鱼类食物的种类和数量存在差异，鱼类物种组成和群落数量也随之改变（冯广朋等，2006）。不同生活史阶段的鱼类对水深也是有选择特性的（杜浩等，2010），此外，要保持水体连通性、鱼类栖息活动，维持一定的水深是必要的（王锐和李嘉，2010）。水流是河流生境的主要决定因素，同时也是生物组成的决定因素，强烈影响了生物结构和行为适应性，鱼类的习性与流速更是密切相关，如草鱼洄游的适宜流速范围是0.4～1.0m/s，但超过1.1m/s后，洄游成功率将明显降低（杨庆，2019）。

模拟分析表明，托口水电站坝下减水河段在流量明显下降时，水域面积没有大幅度的减少，较丰水期水位下降约0.5m，水域面积减少13.06hm2，分别减少了25.1%和16.2%。这与大渡河黄金坪水电站（王琴华，2015）、永乐江一级电站（何怀光，2012）等造成减水河段水域面积明显下降结果不一致，这些电站减水河段的年平均流量、年平均水深、年平均流速、水域面积等较建坝前明显下降，河道平均宽度也有所减少，这些因素改变了减水河段水力生态特征，对河道中鱼类及其它生物的生存和繁衍产生了重大影响。沅河镇减水河段由于河道下游有沙洲，河道深浅相间，当地居民也为保证生活需水，对河道分叉处修筑泥土坝，阻隔部分支岔河道水流，保持河段的水面维持在一个较高的水位。但同时，河道内流量的大幅度减少，流速显著下降，使原为山溪性急流的河段变为静缓流水体，河道内天然平均流速从0.71～1.55m/s，下降到减水后的平均0.21m/s，减少幅度为70.42%～86.45%。这使得适应流水生境的湘华鲮等鱼类，在该河段适宜性较好的水域面积几乎丧失，面积减少在97.5%以上，只在河段上游人工围筑收窄的河段，保持有流水河段，具有少量适宜性较好的水域;而适宜性一般的水域相对于枯水期和丰水期分别增长了110.00%和118.40%。说明湘华鲮对河段的栖息地适宜度整体显著下降，经统计湘华鲮有效栖息面积从枯水期和丰水期的40.00 hm2和37.09 hm2，下降为14.20 hm2，减少幅度超过60%。

减水河段水深下降、流速减缓，使适应流水生境的鱼类的适宜生境丧失。在模拟河段中，生态流量状况下，仅在人为改造的一小块河段存在适宜性较好的生境，分布较零散。在黑水河，为缓解减水河段流速过缓、水深偏小、鱼类栖息地适宜性较差等问题，孙莹等（2015）设计对河道地形重塑，增加目标鱼类适宜栖息面积，达到对河道生境进行修复的目的。改善河道生境条件，国内外常用的方法有增加河流弯道、设置水流挡板、在河床堆置大石块成堰、布置人工阶梯—深潭等（Bockelmann et al， 2004; Roni et al， 2006; Diego &Javier， 2007;余国安等，2008;蒲玉芳等，2013）。托口电站减水河段通过对部分河段进行重塑，改善河道的水流条件，恢复河流的鱼类栖息地适宜性。

5 结语

本文基于IFIM 原理的栖息地模拟方法，使用River2D 二维水动力学软件，以托口水电站坝下减水河段的沅河镇河段为例，进行电站建设前后栖息地质量和空间分布情况模拟，未考虑河床底质及饵料分布情况，分析减水河段中湘华鲮的适宜生境显著减少，适宜性较好的河段基本丧失。本文选取的流速、水深适宜性指数较粗略，未针对湘华鲮繁殖期生境的适宜性进行分析，湘华鲮产卵需要的生境条件将更加严格，这需对目标鱼类栖息偏好条件进行更深入的研究。

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收稿日期：2020-04-11

作者簡介：翟立磊（1986-），男，汉族，本科学历，工程师。