汉江桥闸工程下游河段典型鱼种栖息地模拟研究

赵晨旭 ，宋 策， 曹永祥， 闫文龙， 王 卓

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 陕西 西安710065)

1 研究背景

水利工程的修建可以实现对河流价值最大限度的开发利用，同时，也会对水生态环境造成一系列的负面影响[1-5]。拦河水坝改变了河岸侵蚀和岸边生境、也破坏了河道的连通性，河流水文情势的显著变化甚至会致使水生生物面临灭绝的危险[6-7]。鱼类通常被作为评价水生生态系统优劣的重要指标[8]，其活动直接关系到水域的能量流动以及物质循环[9-10]，对于河道生态环境自我调节与修复起着重要的作用。水体剧烈扰动不仅增大了鱼类游动和休憩时的能量消耗，也阻碍了鱼类的迁移行为，同时也恶化了鱼类的生存环境[11-12]。因此，河流水文要素和水体紊动特性变化对鱼类生境的影响是河流水生态研究关注的一个重要内容。

近年来，国内多采用水文学法、水力学法和栖息地模拟法计算河流生态流量。陈昌春等[13]利用IHA法分析了枯水期的水文变异过程，明晰了枯水情势变幅较大的情况多存在于低流量范围内。闵倩等[14]评价了水库调节对水生态的影响，揭示了极端枯水期的调节对于水库下游鱼类栖息地的重要性。栖息地模拟法以模型计算河道内目标物种的流量需求，得出最适宜流量大小[15]。李建等[16]通过栖息地模拟确定了目标鱼种的产卵期生态需水量，建立了流量与栖息地面积关系曲线，为三峡及葛洲坝工程的生态调度提供建议。蒋红霞等[17]考虑不同水力条件下对鱼类不同生命时期的生态需水量，通过 PHABSIM 模型计算出优势种的最佳生态流量，并得以验证。本研究选取汉江平川段汉中桥闸下游河段作为研究对象，选取宽鳍鱲为目标鱼种，分别利用水文法和栖息地模拟法分析流量变化对鱼类栖息地的影响，计算不同流量条件下目标鱼种的适宜栖息地面积，基于鱼类生境质量分级方法分析不同流量响应鱼类生境质量的变化特征，从而为维护河流水生生态健康提供重要参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

汉江平川段东起勉县武侯镇，西至洋县小峡口，自西向东全长119.5 km，地势落差较小,河床平缓，坡降为0.85‰，是较为平稳的河道。研究区选取为汉中市汉江桥闸下游10 km河段，该河段具有开阔的河谷地带，有两条支流汇入，分别为冷水河和李家石河，研究河段位置示意见图1。

图1 研究区位置示意图

2.2 目标鱼种和水力学指标

对武侯镇沿汉江干流进行鱼类资源调查，共布设11个点位，统计得出平川段干流鱼类资源共5科29种，宽鳍鱲(Zaccoplatypus)为优势种，具有鲤科(Cyprinidae)鱼类的特征，体型长、呈微扁状，繁殖时间为4-7月。因此，在鱼类栖息地生境模拟分析中选取宽鳍鱲为目标鱼种。

为了定量分析水文要素与目标鱼种生境之间的关系，结合鱼类适宜的水深与流速条件确定了鱼类适宜性指数曲线，CSI为适宜性指数，其数值范围为0

图2 宽鳍鱲流速和水深适宜性曲线

2.3 工况选择

依据桥闸的运行条件，流量小于等于20.72 m3/s时，桥闸闸门关闭；流量为20.72～1 200 m3/s时，用桥闸调控流量；流量达到限值1 200 m3/s时，打开桥闸闸门泄洪。本研究选取来流流量8.8～1 200 m3/s作为模拟工况的流量范围。河段内有支流冷水河、支流李家石河汇入，设置为源汇项。根据汉中水文站资料，该段干流多年平均流量为110.2 m3/s，冷水河多年平均流量为20.74 m3/s，李家石河多年平均流量为6.22 m3/s，支流流量根据干流模拟流量对应比例进行设置。具体的模拟工况设置如表1所示。

表1 模拟工况设置统计

2.4 研究方法

采用流量历时曲线法(水文学法)和栖息地模拟法2种方法分别计算了研究河段的生态流量。流量历时曲线法是通过水文比拟法推算出桥闸流量，进而计算出该方法下的生态流量；栖息地模拟法是由水动力模型和鱼类生境模拟两部分组成，模拟在不同流量条件下河道水深与流速的分布，分析目标鱼种对生境的适应性，定量分析河流流量变化对物种生境的影响。

2.4.1 水文学法

(1)水文比拟法。汉中水文站与桥闸相距1.5 km，河段之间水流平稳，并无支流汇入，下垫面情况类同，流域面积相差1.9%，可以应用水文比拟法进行桥闸设计流量的计算[22]。因此选取汉中水文站作为参考流量，计算公式为：

(1)

K=F桥/F汉

(2)

(2)流量历时曲线法。流量历时曲线法基于历史流量资料来构建各月流量历时曲线，用QP表示流量频率[23]，当河段达到最小流量，一般以Q95表示。本研究采用目估适线法对桥闸区域流量1995-2014年共20年的流量资料进行分析，采用P-Ⅲ型频率分布曲线，拟合度值达0.95以上。计算公式如下：

(3)

式中：Pi为第i个样本的累计频率；N为样本个数。

2.4.2 栖息地模拟法

(1)二维水动力模型。计算网格采用非结构三角形网格，最大控制面积20 m2，可以准确地体现研究区河段的实际河道地形；在边界条件设置时，上游入流边界采用流量边界，下游出流边界采用水位；两条支流冷水河和李家石河设为源汇项，参数率定包括河道糙率、紊动粘性系数等，模型通过监测冷水河口断面水位和流量关系来进行验证；整个模型利用ADI二阶精度的有限差分法对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。该模型的控制方程由水流连续方程和动量方程组成，具体方程如下。

水流连续方程：

(4)

X方向动量方程：

(5)

Y方向动量方程：

(6)

式中：ξ(x,y,t)为水流表面波动，m；Fx,Fy为波浪应力所产生的分量；S为单位水平面积的源量值，m/s；Six,Siy为在X轴和Y轴方向的源汇量值，m2/s2；C-Chezy阻力常数(m1/2/s)；E(x,y)为旋涡或动量扩散系数，m2/s；f为风的摩阻力常数，m1/2/s；Vx,Vy(x,y,t)为在X轴和Y轴方向上的风速分量，m/s。

(2)鱼类生境面积计算方法。依据模拟计算的河段水深和流速的网格数据，应用ArcGIS作为不同分级质量生境的提取工具，依据宽鳍鱲对水深和流速的适应能力，将生境分为高质量生境、 中等质量生境和低质量生境3个级别。若水深与流速两个指标的值等于1，此段网格的生境质量为高；若这两个指标中某个指标值等于1，而另一指标值不等于0，此段网格的生境质量为中等；若两指标的值在0～1之间，此段网格的生境质量为低。

3 结果与分析

通过对流量历史数据的统计及水动力模拟结果，设置不同工况，探究不同流量下鱼类栖息地面积的变化趋势以及高、中和低等质量面积的转化关系，揭示桥闸在不同运行条件下对下游河段内典型鱼类生活环境的影响因素。

3.1 研究河段流量变化趋势

通过水文比拟法计算出 1995-2014年桥闸的逐日流量数据并进行分析，根据图3可以看出研究河段流量整体呈现上升趋势，在2007年桥闸建成运行后，流量呈明显增大趋势。为了进一步分析在鱼类增殖期间由桥闸运行工况引起的流量变化，结合典型鱼类繁殖期(4-7月)，分析4-7月多年日流量及多年月均流量的变化过程。由图4～5可知，桥闸运行后，4-7月份流量明显增大，尤以7月流量最为突出。因此，桥闸修建运行后，河段流量有着增大的趋势，明晰流量变化对鱼类生境质量的影响尤为关键。

图3 1995-2014年研究河段日流量变化趋势

图4 1995-2014年研究河段4-7月日流量变化趋势

3.2 流量历时曲线计算结果

研究选取保证率P=95%所对应的流量Q95作为计算最小生态需水量的参考流量。根据上述长系列流量P-Ⅲ型频率分布曲线的分析结果见表2。由表2可知，P=95%的年均流量为54.3 m3/s。

图5 1995-2014年研究河段4-7月流量变化趋势

表2 研究河段流量历时曲线计算结果

3.3 水动力学模拟结果

河流水体对鱼类生存繁殖影响的关键因素是流速与水深，例如草鱼洄游的适宜流速范围是0.4～1.0 m/s，当水体的流速高于其洄游的适宜流速时，草鱼的洄游就会受到极大影响[24]。水动力模拟结果见图6、7。

冷水河和李家石河在汇入汉江入口处衔接良好，且水体流场平稳，对于研究河段的水动力特征的展现具有良好的基础。从水深角度分析，当流量设置为较大值时，水域面积随之增大，而流量降低会使水域面积逐渐减小；从流速的角度分析，当河段流量增大时，除河道边缘区域外，其它水域的流速分布达到均匀状态；当河道流量降低时，大部分水域的流速呈现下降趋势。

图6 不同下泄流量研究河段水深分布

图7 不同下泄流量研究河段流速分布

3.4 鱼类生境面积-流量响应关系

由模拟结果可知，研究河段16个计算工况下目标鱼种适宜生境面积与流量关系如图8所示：(1)鱼类生境总面积随着流量的增加呈现出先上升后下降的趋势。随着流量的增大，面积也随之增大，流量达到53.1 m3/s时面积最大，当流量在381.5 m3/s时面积最小；(2)中等质量生境面积与总面积变化趋势一致，在流量为53.1 m3/s时面积最大，而流量在212.7 m3/s面积最小；(3)高质量生境面积总体趋势变幅很小，流量在92.9 m3/s时生境面积最大，在20.72 m3/s时最小，由此可以说明，高质量生境面积受流量变化影响较小；(4)低质量生境面积随着流量增加而增大，流量较小时面积出现下降的趋势，与中等质量生境面积与总面积的变化趋势相反，在流量53.1 m3/s时最小，流量增大后面积随之变大，在247.4 m3/s达到最大，总体趋势先增加后平稳保持。

图8 流量与栖息地面积关系

总之，流量发生变化时，质量生境面积从小到大的顺序为：低质量、高质量、中等质量。说明随着流量的变化，研究河段鱼类生境面积受到影响变幅较大的主要是中等质量面积。因此，环境流量的调控与调度主要侧重于中等生境面积。

水动力模型模拟不同流量下鱼类生境面积的结果见图9。鱼类生境的区域位置分布基本固定。当流量为8.8～20.72 m3/s时，中等生境质量主要分布在研究区河段下游处，高等生境质量主要分布在汉江干流两岸，且流量为8.8 m3/s的溢流条件时生境面积质量相对较低；当流量从20.72 m3/s 增大到53.1 m3/s后，中等生境面积明显增多；当流量为53.1～212.7 m3/s时，原本在河段上游的中等生境质量逐渐消减，集中分布在上游桥闸处，高等生境质量面积增多，在冷水河与汉江交汇口处的中等质量面积转化为高等质量面积；当流量达到381.5 m3/s时，鱼类栖息地分布在两岸，河道中央形成一条深河槽。综上所述，当流量发生变化时，生境面积及质量随之发生变化。

图9 不同流量下鱼类生境分布

综上所述，鱼类生境面积受到各种因素的制约，其中最大的因素为流量。根据模拟结果可知，当流量逐渐由小到大进行设置，在初期水域中的鱼类生境面积会越来越大，然而，当流量设置值超过53.1 m3/s时，鱼类的生境面积会呈下降趋势。当流量在54.3～212.7 m3/s范围内时，鱼类生境质量之间的相互转化优先于其面积变化。当流量设置值超出47.8～54.3 m3/s时，低质量生境面积会呈扩大趋势的变化，相应的中、高质量的生境面积会逐渐减少。

4 结 论

本文采用水文学法推荐的最小生态流量的控制值为54.3 m3/s；采用栖息地模拟法计算的宽鳍鱲生态流量为53.1 m3/s，两种结果基本吻合，由分析得出最终最适宜流量为47.8～54.3 m3/s。在流量的变化下，不同栖息地的质量发生了相互转化，主要是高、中等质量面积向低等质量面积的转化。在三种质量等级的鱼类栖息地中，中等质量面积所占比例最大，同时也是在不同流量下受影响最大、变化幅度最明显的面积，其次是高等质量面积，低质量生境面积最少；在8.8 m3/s的溢流条件下，下游鱼类生境面积明显减少，且部分优良的鱼类生境质量演变为低质量；在92.9～212.7 m3/s流量条件下高生境面积大幅度减少，这时应优先考虑下游水生生态问题，开闸放水，优先满足水生生态需水要求。