栖息地适宜度模型在鱼类生境中的应用

董谋

摘要：基于DHIMIKE软件中的MIKE21FM模块建立二维水动力学模型，模拟在18000 m3/s和25000 m3/s流量下，研究江段鱼类栖息地的流速、水深环境参数适宜度的时空分布特征，并以2019年5月勘测船实测的水文数据对模型的参数进行验证。结果表明：流速和水深是影响三峡水库变动回水区鱼类栖息生境的关键因子，且鱼类栖息地适宜度受流速和水深共同的影响显著。

关键词：鱼类;生境特性;适宜度指标;三峡水库;变动回水区

中图分类号：X174        文献标识码：A

河流栖息地，又称为河流水生生物栖息地，是各种鱼类群落赖以生存、繁衍的空间与环境，与水生生物多样性密切相关，栖息地是河流生态系统的重要组成部分[1]。鱼类栖息地包括产卵场、索饵场、越冬场以及洄游通道等，鱼类的“三场一通道”是鱼类完成其生活史过程所必需的水域范围[2]，需要河流形貌、水环境、水文特性和水力学特征共同构造复杂的物理环境，从而为鱼类提供各种栖息、觅食、繁殖和掩蔽场所[3]。现有研究认为鱼类的适宜度模型用于栖息地适宜度评估，指标从几个到几十个不等[4]，但鱼类对各指标的适应度随保护目标种类、生理阶段和研究区域不同而存在差异，这造成了栖息地的评价模型十分复杂且难以通用[5]，如本研究河段的鱼类聚集水深远大于其他流域。为减轻航道整治工程对鱼类的影响，有必要获取鱼类栖居的位置。根据近两年对的鱼群分布调查结果，文章对研究江段鱼类生境的流速和水深因子加以讨论。

1  平面二维水流数学模型的建立

1.1  控制方程

天然河道由于地形复杂，蜿蜒曲折，在网格划分过程中往往存在较大难度，为有效克服计算域边界起伏变化幅度较大而引起的问题，本文选用计算网格与河道边界贴合的方法进行模拟计算（见公式1）：

其中，α=x2φ+y2φ;γ=x2μ+y2μ;J=xμyφ-xφyμ;P、Q为调节因子。若水域中的水体维持有势运动，其流线簇与势线簇必定会保持正交，由此可以导出以网格间距的变化作为调节因子的贴体正交曲线坐标方程：

（1）水流连续方程（见公式2）

（2）μ方向动量方程（见公式3）

其中，μ、φ分别是正交曲线坐标系中的两个正交曲线坐标;u、ν分别是沿μ、φ方向上的流速;h表示水深;H表示水位;Cμ、Cφ是正交曲线坐标系中的拉梅系数;、;σμμ、σμφ、σφμ、σφφ表示紊动切应力：

其中，Vt表示紊动黏性系数，即Vt=CμK2/ε。

式中，K及ε分别代表紊动动能及紊动耗散系数，由K以及ε的运输方程确定。

1.2  工程河段网格剖分

工程河段模拟范围上起和尚滩水道（上游航道里程536 km），下止丰都土地盘（下游航道里程488 km），全长48 km。初始网格与扩散光顺法使用的网格划分基本上相同，网格总量为5000×51，其中纵向X沿河流流动方向网格划分5000，橫向Y为河流宽度方向网格划分51，地形数据为2019年实测数据。总体上在靠近河流流场的区域网格较为密集，在河流的网格壁面处网格较为稀疏;在宽度较小的顺直型河流断面处网格较密，在宽度较大的弯曲型或分汊型河流断面处网格较为稀疏，见图1。

2  模型验证

2.1  验证所采用的资料

模型验证采用长江重庆航运工程勘察设计院2015年6月实测的涪陵至丰都水道地形图，测图长河段比例1∶2000，1954北京坐标系，吴淞高程。采用2019年5月清溪水文站实测水面线进行水位验证，Q=14200 m3/s，H=149.23 m。根据水深实测值与二维模型计算的模拟值之间的水位相对误差，调整研究江段模型中的曼宁系数（Manning Number），涡黏系数（Eddy viscosity）以及进出口和边界条件，使水位相对误差最小。涡黏系数设定为全局分布，率定结果为0.28。

2.2  水位验证

利用实测水位和流速对河床糙率进行率定，以清溪场附近水位模型验证结果显示，二维模型计算的模拟值和实测水面线走势相同，水位偏差在±0.4 m以内。

3  模型结果

从其适宜度指标的水深分布、流速分布，来进一步分析适宜度指标在研究河段中的分布规律。

4  结论

鱼类群落整体上以礁石后深沱江段和分汊区域为高适宜区。当流量为18000 m3/s时，高适宜区域基本分布在深沱和平绥坝附近的区域，栖息的深度可作为生境营造的重要指标;当流量为25000 m3/s时，平绥坝逐渐被水流淹没，随着流量的继续增大，研究河段区域的水深越来越大，主航道的表层流速也越来越快，此时，鱼类在水深适中处及河漫滩附近流速适宜度更高，可以有效减少水流紊乱的冲击，但是随着流量的继续增加，两岸河漫滩和平绥坝区域被淹没深度越来越大，鱼类群落的栖息地适宜范围又逐渐减小。因此流速和水深是影响变动回水区鱼类栖居的关键因子，且都有一定的适宜范围值。

参考文献

[1]熊飞，刘红艳，段辛斌，等.长江上游江津江段吻鮈的种群参数[J].淡水渔业，2018，48（06）：27-32.

[2]王震，Arunjith Thundiparambil Sathrajith，谢松光，等.金沙江梯级大坝运行和三峡水库运行水位增高对长江上游干流寡鳞飘鱼仔鱼丰度和分布的影响[J].水生生物学报，2019，43（03）：606-611.

[3]杨志，唐会元，朱迪，等.三峡水库175 m试验性蓄水期库区及其上游江段鱼类群落结构时空分布格局[J].生态学报，2015，35（15）：5064-5075.

[4]徐薇，杨志，陈小娟，等.三峡水库生态调度试验对四大家鱼产卵的影响分析[J].环境科学研究，2020，33（05）：1129-1139.

[5]付翔，付成，付世建.五种淡水鱼类幼鱼游泳能力的比较[J].生态学杂志，2020，39（05）：1629-1635.