基于越冬水鸟生境模拟的拟建鄱阳湖水利枢纽生态控制水位探讨

陈炼钢，陈黎明，徐祎凡，贾建伟，栾震宇，施 勇，金 秋，胡腾飞

(1:南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029)(2:长江水利委员会水文局，武汉 430010)

鄱阳湖作为我国最大的淡水湖泊，也是当前长江中下游仅存的两个大型通江湖泊之一，与长江共同组成了独特的江-湖复合生态系统；周期性的洪枯水位节律变化及河湖相交替转换，造就了水陆兼有的独特生境，孕育了物种多样性丰富的湿地生态系统，在全球候鸟保护及栖息地保护方面起着至关重要的作用，是我国唯一加入国际生命湖泊网的湖泊，已列入《湿地公约》国际重要湿地名录，在江西、长江流域、全国乃至全球生态安全格局中具有十分重要的战略地位. 水位和水深是湖泊湿地生态系统的重要组分，其变化节律直接影响到湖区滩地的淹没和出露日期及持续时间，对鸟类食物资源植物、鱼类、底栖动物等的产量、分布、物种多样性、群落结构及演替产生直接影响[1-4]. 鄱阳湖水位变化受流域“五河”和长江来水的双重影响，长期以来形成了固有的丰枯变化节律；然而，进入21世纪以来受长江及“五河”上游水库群运用等的影响，鄱阳湖枯水节律发生了明显变化：枯水期提前、枯水历时延长，最低枯水位更枯[5-6]. 为了应对新的枯水情势，江西省提出兴建鄱阳湖水利枢纽工程按照“调枯不控洪”的方式保障枯水期的“三生”用水. 该工程建议一提出就引起国内外广泛关注，其中湿地与越冬水鸟保护是焦点问题之一，如何确定适宜的生态调控水位是重点与难点.

目前已采用多种方法分析计算了鄱阳湖的生态水位，包括：水文频率分析法[7-9]、天然水位资料法[10]、生态水位系数法[10]、湖泊形态法[11]、生物空间需求法[12]、情景分析法[13]. 其中，前4种方法主要基于物理因子分析而生态学意义不明显；后两种生态学意义较强，通过生境遥感解译等获得若干水位下生境面积的变化特征，但由于遥感解译的数据点有限致使所得规律存在明显的不确定性. 相比于生境遥感解译数据点有限的不足，生境数值模拟通过长系列连续模拟可获得大量生境数据点，从而提高其变化规律的确定性；但是目前还未见到通过生境数值模拟确定鄱阳湖生态水位的相关研究，此外也未见到从候鸟食物资源和取食可及性两方面考虑不同时段生境保护目标的差异来确定鄱阳湖生态水位动态调控过程的研究. 生境数值模拟将物理生境因子条件和生物本身的需求结合起来, 模拟河湖水位流量和特定物种或群落适宜生境分布之间的定量关系, 从而获得保护水生生物的生态水位和流量，为河湖水资源合理开发利用提供依据；被认为是生态需水计算中较为可靠的方法，一经提出便被各国广泛应用到工程实践中[14]. 因此，本文在构建鄱阳湖关键物种生境数值模拟模型的基础上，以水深为关键生境因子，通过长系列的连续模拟，从候鸟食物资源和取食可及性两方面建立水位变化与重要生境面积之间的定量响应函数，并据此量化不同的调控水位对重要生境的影响，从而根据不同时段内生境保护目标的差异确定拟建鄱阳湖水利枢纽适宜的生态调控水位过程，为江湖新水沙条件下鄱阳湖湿地生态系统保育提供量化依据.

1 重要生境及关键因子确定

鄱阳湖是亚洲最大的候鸟越冬地，有“白鹤之乡”和“候鸟王国”之称，是鹤类、鹳类、大鸨、小天鹅等珍禽和众多水禽的主要越冬栖息地：平均每年有38.4万余只候鸟在此越冬，涉及种类155种，其中112种为国际湿地公约指定水鸟；是世界上95%的白鹤和75%的东方白鹳等珍稀水禽种群的越冬场所[15]，也是迄今发现的世界上最大的越冬鸿雁群体所在地，数量达3万只以上[16]. 如此多的候鸟与鄱阳湖丰富的食物资源密切相关，根据食性的不同越冬候鸟分为5个主要取食集团：食植物块茎集团、食苔草集团、食植物种子集团、食无脊椎动物集团和食鱼集团[17]. 其中，食植物块茎的大多数鸟类列入《世界自然保护联盟》国际鸟类红皮书名录和我国一、二级保护鸟类，如白鹤、白枕鹤、小天鹅、大天鹅、鸿雁、赤颈鸭等[16]；尤以白鹤为典型，因为白鹤是除了鄱阳湖以外几乎没有其他可替代适宜栖息地的物种[18]. 因此以白鹤为代表的食植物块茎鸟类可作为鄱阳湖越冬候鸟的指示物种，其生境的保育对于维护鄱阳湖湿地生态系统健康至关重要. 当前长江流域沉水植被分布范围日趋狭窄，导致了以块茎为食的小天鹅、鸿雁和鹤类集中分布在鄱阳湖和安徽的几个湖泊；而安徽沿江湖群面积相对较小且湿地环境正在迅速退化，鄱阳湖将是这些水鸟最后的家园. 然而2013年第2次鄱阳湖科学考察却发现沉水植物分布面积缩减了37.72%[19]，鄱阳湖块茎资源主要来自沉水植物优势种苦草(Vallisnerianatans). 因此，越冬水鸟食物资源——苦草的保育对鄱阳湖湿地生态系统保护至关重要；一旦丧失，鹤类、小天鹅、鸿雁等大批水鸟将可能灭绝.

食物资源、水深、人类干扰、湖床底质等都会影响水鸟对栖息地的选择，研究发现苦草冬芽密度和水深的交互作用能够解释75%的白鹤觅食区变化[20]. 每年的3月中下旬-10月底是鄱阳湖苦草生长期，其中7月中旬之前为营养生长期，之后为繁殖生长期. 鹤类等越冬水鸟从10月开始飞抵鄱阳湖，到次年4月初基本离开，其中11月数量急剧增加、12月和次年1月达到峰值，然后逐渐迁飞[16]. 苦草的生长期和候鸟的越冬期在鄱阳湖形成一个完美的交替接力，这也是95%以上的白鹤选择鄱阳湖越冬的原因之一. 水生生物生境模拟的主要因子包括水深、流速、底质、含沙量、水温等, 关键生境因子的遴选是生境模拟准确与否的关键[14]. 苦草的生长受水深、光照强度、透明度、基质、营养盐等多种环境因子的影响[21]，其中水深是最重要的影响因子. 研究表明苦草的株数、叶片长度、叶片厚度、地下块茎——冬芽密度等随水深变化显著[22-24]. 长时间水淹或干旱均能导致沉水植物种群密度和生物量大大降低,进而影响到种群的更新和恢复[25]，如1998年大洪水过后苦草大面积死亡并持续影响到次年的生物量[26]，2003年后长期的低枯水位导致苦草等沉水植物群落面积大幅缩减[19]. 冬季水深是影响水鸟取食可及性的决定性因子：水位过高则水鸟不能正常取食苦草等沉水植物的块茎；水位过低则苦草等水鸟喜好的食物易枯死，且泥滩表面基质干燥也妨碍水鸟正常取食[17, 20]. 因此，本文选择水深作为苦草生长期和候鸟越冬期的关键生境因子开展模拟及评估.

2 模型与方法

以鹤类、小天鹅、鸿雁等食植物块茎水鸟作为鄱阳湖越冬水鸟指示物种，从食物资源与取食可及性两方面，分苦草生长期和候鸟越冬期两个时段对其生境进行评价，包括物理生境因子时空分布模拟和生境适宜度评价两部分，量化水位变化对越冬水鸟潜在生境面积的影响规律，为鄱阳湖水利枢纽生态调控水位的确定提供依据.

2.1 物理生境因子模拟

鄱阳湖越冬水鸟物理生境因子时空变化模拟基于环境流体动力学模型EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)，该模型包括水动力、温热、水质和泥沙等模块. EFDC是美国国家环保署USEPA法定推荐的水系统模拟模型之一[27]，被广泛用于模拟河流、河口、湖泊、水库、湿地系统以及自近岸到陆架的海域一维、二维和三维流场、物质输运(包括温、盐、粘性和非粘性泥沙的输运)、生态过程及淡水入流，能同时考虑风、浪、潮、径流的影响，并可以设置水工建筑物[28]. 本次物理生境因子模拟主要用到EFDC的水动力模块，其水动力学方程采用垂向静压假定，在水平方向上采用曲线正交坐标，垂直方向上采用σ坐标变换，沿重力方向分层求解三维紊动粘性方程，主要模型方程如下[29].

(1)连续方程：

(1)

(2)动量方程：

(2)

(3)

(4)

式中，u和v为曲线正交坐标x和y方向上的水平速度分量(m/s)，w为σ坐标z方向上的垂直速度分量(m/s)；t为时间(s);mx和my为水平坐标变换因子(m)，m=mxmy；p为压力(Pa)；H为总水头(m)，H=h+ζ，h为床底高程(m)，ζ为水面水深(m)；f为科氏力系数(s-1)；AH为水平紊动扩散系数(m2/s)，Av为垂向涡粘系数(m2/s)；Sh为质量源汇项(m3/s)，Su和Sv分别为x和y方向上的动量源汇项(m2/s2)；cp为植被阻力系数，Dp为植被占比系数；g为重力加速度(9.81 m/s2)；ρ为水密度(kg/m3),ρ0为水的标准密度(1000 kg/m3).

图1 鄱阳湖水系概化及地形Fig.1 River network and bathymetry in Lake Poyang

鄱阳湖入湖水系较多，模型上边界设为五河尾闾入流，其中赣江西支、北支、中支和南支依据外洲站流量和各分支断面面积进行概化分配，抚河采用李家渡站流量，信江东大河、西大河依据梅港站流量和各分支断面面积进行概化分配，饶河采用渡峰坑和石镇街站流量叠加，修水采用虬津站和万家埠站流量叠加，下边界采用湖口水位(位置如图1所示). 鄱阳湖丰枯水期水位及湖面面积变化显著：枯水期呈现明显的“河相”，水流只在河道深槽中流动，大部分滩地显露；丰水期呈现明显的“湖相”，湖面宽广，水流趋于静止. 因此，为了能够精确地模拟鄱阳湖年内河湖相的交替变化过程和反映计算域的特征，采用曲线正交贴体网格对计算域进行剖分，网格剖分尽量沿主河槽或堤防，精确地概化出河道、滩地、岛屿等边界的过度衔接，使水流方向尽可能真实地体现流动状态，并对湖区内主槽中网格进行加密处理. 最终得到水平网格14110个，范围覆盖了“五河”下游尾闾地区和整个丰水期时的湖面，且将已与主湖分隔的军山湖剥离出计算域，共计3292 km2，如图1所示，绝大部分网格尺寸在200～500 m之间，湖区内主槽网格小至150 m左右，部分滩地网格大至1000 m左右. 由于本文主要模拟水深的变化，因此垂向上设置为1层以提高模型计算效率. 湖床高程采用鄱阳湖2010年1∶1万实测水下地形资料(国家85高程基准)进行插值，插值后的地形如图1所示，可见模型所用网格清晰地描述了深槽、滩地、岛屿等地形的变化.

图2 星子站水位验证情况Fig.2 Model verification for water level at Xingzi Station

2008年9月28日三峡水库开始175 m正常蓄水位的试验性蓄水，因此模型从2008年9月开始滚动计算直至2017年12月. EFDC水动力模块的关键参数为床面粗糙高度，经率定后取值在0.023～0.03 m之间. 为反映“五河七口”以下20%左右未控区间产流对湖区水量平衡的影响，采用预估-校正模式进行两次模拟：先仅基于“五河七口”实测流量模拟获得湖口出流计算值，将其与实测湖口流量的差值作为全湖的未控区间水量；然后将估算的未控区间水量按照同期五河来水量比例叠加到边界入流上进行校正计算. 模型对鄱阳湖区星子站、吴城(修水)站、吴城(赣江)站、棠荫站、鄱阳站、龙口站、康山站和都昌站8个站的水位进行了验证，绝大部分时段水位误差控制在0.15 m以内；鄱阳湖代表性水位控制站星子站水位模拟值与实测值的对比如图2所示(1)与吴淞基面高差为-0.09 m，与国家85高程基面高差为-1.929 m，下同.. 可见，基于EFDC构建的湖区水动力模型能很好地模拟鄱阳湖水位的时空分布变化.

2.2 生境适宜度评价

生境适宜度评价采用全球广为应用的适宜度曲线法[30]. 适宜度曲线以生境因子的数值为横坐标, 以目标物种对此生境因子的适宜度为纵坐标, 建立目标物种对单个生境因子的偏好与生境因子之间关系的连续曲线，能定量描述物理生境特征与物种在该条件下的生存质量. 用0和1之间的数值定义目标物种对单因子的偏好, 曲线的峰值代表生物对该因子的最适宜范围. 针对影响苦草生长的关键生境因子水深，相关研究表明其生长的适宜水深为1～2 m，水深超过2 m后由于水下光照过小导致生物量及冬芽形成数量迅速下降，水深低于1 m光照过强造成光损伤，也会抑制苦草的生长[23,31-36]；据此制定苦草生长的水深适宜度曲线(图3a). 相关调查发现鹤类、鸿雁、东方白鹳的觅食水深都在50 cm以内，小天鹅觅食水深略大，可到80 cm，鸻鹬类觅食水深略浅，为40 cm；其中鹤类、小天鹅、东方白鹳的最适觅食区水深分别在20～30、15～40、30 cm左右[16, 37]. 综合后拟定0～60 cm浅水区作为越冬水鸟的觅食区、20～40 cm作为其适宜觅食水深，据此制定鄱阳湖越冬水鸟取食的水深适宜度曲线(图3b).

根据各网格单元水深及其适宜度指数采用加权可用面积法[38]计算潜在适宜生境面积：

(5)

式中，WUA为加权可用生境面积(km2)，Ai和SIi为第i个网格单元的面积(km2)和生境适宜度.

图3 苦草(a)和水鸟取食(b)水深适宜度曲线Fig.3 Habitat suitablity curves for Vallisneria natans (a) and waterfowls feeding (b)

3 结果与讨论

3.1 生境面积-水位的定量响应规律

以苦草的生长期3月中旬-10月下旬为分析时段，根据星子站实测水位和模拟计算的苦草潜在适宜生境面积相关图(图4a)，采用门限回归法建立鄱阳湖苦草潜在生境面积对水位变化的定量响应关系，见公式(6). 以越冬水鸟数量峰值时段12月和1月为分析时段，根据星子站实测水位和模拟计算的水鸟取食潜在适宜生境面积相关图(图4b)，采用门限回归法建立水鸟取食潜在生境面积对水位变化的定量响应关系，见公式(7).

(6)

(7)

式中，WUA1为苦草潜在适宜生境面积(km2),WUA2为水鸟取食潜在适宜生境面积(km2)，Z为星子站水位(m). 从图4a可见，苦草潜在生境面积随水位呈单峰型变化，在星子站水位为14.8 m时达到最大，约为1703 km2；当水位低于或高于这一临界点时，潜在生境面积均下降，高水区比低水区下降速率更快，说明洪水比枯水对苦草的损害更大：当星子水位低于9 m后，潜在生境稳定在700 km2左右；而当星子水位涨至19 m时，枯草潜在生境面积仅剩约190 km2，超过20 m后全湖苦草生境几乎全部丧失；2016年和2017年连续两年鄱阳湖遭遇大洪水，最高洪水位分别为21.36和20.87 m，洪水过后主湖区和碟形湖均未发现沉水植物活体，且2018年尚未恢复[19]. 从图4b可见，越冬水鸟取食潜在生境面积随水位呈三段式变化，在星子站水位为 11.73 m时达到最大，为564 km2；随着水位的升高，取食潜在生境面积急剧下降；而随着水位的降低，取食潜在生境面积先下降，然后基本稳定并略有抬升；在星子站水位为9.56 m时达到最小，为476 km2，随后基本稳定在500 km2左右；这一规律的形成是由于鄱阳湖区存在大量的蝶形子湖且湖底平坦，当主槽水位下降到某一阈值后蝶形子湖与主槽分离，湖区水面面积趋于稳定，并随着水位的进一步下降更多的水域变为浅水区.

图4 苦草(a)和水鸟取食(b)潜在生境面积随水位变化Fig.4 Habitat area vers water level for Vallisneria natans (a) and waterfowls feeding (b)

3.2 拟建鄱阳湖枢纽生态控制水位

拟建的鄱阳湖水利枢纽选择在鄱阳湖入江水道的屏峰山与长岭山之间建闸，上距星子县城约12 km，下至鄱阳湖入长江口约27 km(位置见图1). 论证中的鄱阳湖大闸水位调控按照“调枯不控洪”的方式分为5个时段：江湖连通期(4月1日-8月31日)、下闸蓄水期(9月1日-20日)、长江上游水库蓄水调节期(9月21日-10月31日)、补偿调节期(11月1日-次年2月28日)、低枯水位调控期(3月1日-31日)[15]. 前3个调度期基本覆盖了苦草的生长期，其中下闸蓄水期和长江上游水库蓄水调节期处于苦草的繁殖生长期内，对冬芽的生长至关重要；后3个调度期基本覆盖候鸟越冬期，其中补偿调节期内候鸟密集迁入和迁离，并在12月-次年1月达到数量峰值，为候鸟越冬的关键时段.

为科学论证鄱阳湖水利枢纽的可行性，江西省政府邀请国内权威机构的专家从江湖关系、泥沙冲淤、防洪、水质、湿地与候鸟、水生动物等方面开展6项专题研究和论证. 其中“湿地与候鸟”专题指出“要使鄱阳湖水利枢纽工程不对鄱阳湖湿地和水鸟造成灾难性影响，至少需要保持目前80%以上的草洲、泥沙滩和浅水水域作为水鸟栖息地”. 按照这一判定标准，采用3.1节建立的生境面积与水位的函数关系，量化星子站不同水位下鄱阳湖苦草及越冬水鸟潜在生境面积的变化，然后根据不同调度时段内生境保护目标的差异确定鄱阳湖生态水位的动态调控过程：鄱阳湖大闸下闸蓄水期内生境保护目标为苦草，水位不宜超过16 m，苦草潜在生境面积与最大值相比偏小幅度可控制在20%以内(空间分布见图5a)；长江上游水库蓄水调节期内生境保护目标以苦草为主兼顾越冬水鸟，宜将水位控制在14.0～15.5 m区间，苦草潜在生境面积与最大值相比偏小幅度可控制在10%以内(空间分布见图5b)，同时可为少数飞抵的候鸟保留近25%以上的觅食生境(空间分布见图6a)；补偿调节期内生境保护目标为越冬水鸟，此间越冬水鸟大量迁入并达到数量峰值，可根据候鸟飞抵的情况从前一调度期水位逐步下降以增加取食生境面积，在12月-次年1月的越冬候鸟数量峰值期内水位不宜超过12.5 m，此时越冬水鸟潜在取食生境面积与最大值相比偏小幅度可控制在20%以内(空间分布见图6b)；低枯水位调控期内候鸟已大量迁离，同时苦草逐步进入萌发期，两者对生境的需求都大幅降低，可延续前一调度期的控制水位并逐步过渡到自然状态.

图5 苦草潜在生境分布：(a)星子站水位16 m；(b)星子站水位14 mFig.5 Habitat distribution for Vallisneria natans: (a) Zxingzi=16 m; (b) Zxingzi=14 m

图6 越冬水鸟取食潜在生境分布：(a)星子站水位14 m；(b)星子站水位12.5 mFig.6 Habitat area distribution for waterfowls feeding: (a) Zxingzi=14 m; (b) Zxingzi=12.5 m

基于三峡运用前1953-2002年星子站月平均水位序列，统计出的鄱阳湖水利枢纽调度期内各月5%高水位、50%平水位、95%枯水位见表1[8]. 本文得出的生态调控水位与此对比可见：9月蓄水期内最高控制水位16 m略低于当月多年平水位；10月长江上游水库蓄水调节期内最低控制水位14 m稍低于当月多年平水位；12月-次年1月越冬候鸟数量峰值期内最高控制水位12.5 m稍高于12月多年高水位；一定程度上说明本文得出的生态调控水位的动态过程符合水位的天然波动特征. 扰动对维持生态系统的弹性及物种多样性等具有重要意义，然而按此控制建闸后鄱阳湖秋、冬季水位变幅收窄至3.5 m左右，虽可有效保障越冬水鸟潜在生境面积，但其变化趋于稳定且扰动幅度将显著减小，是否会对湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更深入的研究.

表1 三峡工程运用前星子站水位特征值

4 结论

以鹤类、小天鹅、鸿雁等食植物块茎水鸟作为鄱阳湖越冬候鸟指示物种，基于EFDC水动力学模型和生境适宜度曲线，构建了鄱阳湖越冬水鸟生境数值模拟模型；以水深作为关键生境因子，对2008年9月三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖重要生境变化进行了连续模拟.

1)从鸟类食物资源与取食可及性2个方面，分苦草生长期和候鸟越冬期2个时段，建立了星子站水位对苦草及水鸟取食潜在生境面积的定量影响函数. 苦草潜在生境面积随水位呈单峰型变化；在星子站水位为14.8 m时达到最大，约为1703 km2；越冬水鸟取食潜在生境面积随水位呈三段式变化，在星子站水位为11.73和9.56 m时分别达到最大和最小，约为564和476 km2.

2)针对拟建的鄱阳湖水利枢纽工程，分析计算了星子站不同水位下苦草及越冬水鸟取食潜在生境面积的变化，并据此基于不同调度分期内生境保护目标的差异确定了符合天然水位波动特征的生态水位动态调控方案：下闸蓄水期内水位不宜超过16 m，后续根据越冬候鸟迁入情况逐步下降，在12月-次年1月的越冬候鸟数量峰值期内水位不宜超过12.5 m，后续根据来水情况逐步过渡至江湖连通期的自然状态.

本文提出的生态水位调控方案主要满足鹤类、小天鹅、鸿雁等食植物块茎水鸟的生境需求，下阶段应进一步研究其他物种生境对水深的需求，从而制定物种覆盖面更广的生态控制水位，为鄱阳湖湿地生态系统保育提供更为全面深入的科学依据.