基于细鳞鱼栖息地模拟的蚂蚁河干流生态流量的估算

庚军辉，王立权,*，李铁男，刘 岩，赵 磊

(1. 黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080；2. 黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

近年来，人们意识到河流生态系统健康的重要性[1]，河流生态流量也被越来越重视。目前生态流量的计算方法国内外主要分为：水文学法、水力学法、栖息地法和综合法[2-3]。应用最多的最简单的是水文学法，需要的资料较少，比较适用于资料缺乏的地区，但水文学法并没有从水生生物的角度考虑生态流量，因此水文学法计算出的生态流量缺乏生态学意义。生境模拟法是以特定的水生生物为研究对象，将河道的物理结构、河流的水文特点以及目标物种的生境适宜因子相结合，从而评估生态流量的一种方法[4]。生境模拟法最典型的是美国渔业及野生动物署(U.S. Fish and Wildlife Service, USFWS)在1974年研发的河道内流量增加法(Instream Flow Incremental Methodology，IFIM)[5]。在已有的IFIM方法研究中，最具代表性的也是最常用的是美国渔业及野生动物署(USFWS)所开发的物理栖息地模型(Physical Habitat Simulation System, PHABSIM)。

张文鸽等[5]以黄河干流兰州-石嘴山河段为研究区域，结合物理栖息地模型对其生态流量进行推求；蒋红霞等[6]以保护鱼类-青石爬鮡为目标物种，分别对青石爬鮡产卵期、育幼期、成年期的需水要求进行分析；Arunachalam M[7]提出了不同鱼类对水深、流量、流速的不同要求；蔡玉鹏等[8]通过栖息地模拟法对长江流域中华鲟繁殖期的生态流量展开相关研究；赵伟华等[9]通过模拟底栖动物不同情况下栖息地变化情况，最终确定底栖动物最适生态流量；赵尚飞[10]通过栖息地模拟法验证修复工程对栖息地质量的改进情况；候昕玥等[11]以麦穗鱼为目标物种对渭河宝鸡段生态流量进行估算；Christoph H等[12]发现河道物理形态的改变会使鱼类的生境可利用面积(WUA)发生剧烈变化，严重影响着鱼类在水中的生活状态；赵晨旭等[13]以宽鳍鱲为目标鱼种利用栖息地模拟法计算生态流量,为河流鱼类保护提供参考依据；刘苗苗等[14]以四大家鱼为目标物种，计算鱼类生长所需的生态流量。为了保障河流系统的健康，需对生境模拟法进行更深入的研究。

蚂蚁河流域土地围垦和引水灌溉，使水生态环境问题日益突出[15]，每年4—7月灌溉期引起水量减少和水流速度降低，使适应流速较大且在中下水层生活的细鳞鱼的生存环境发生改变，使该物种在产卵期受到不同程度的影响。为保证细鳞鱼生存繁衍，保障蚂蚁河生态系统的完整性，本文构建了PHABSIM模型，以国家Ⅱ级保护水生野生动物细鳞鱼为目标物种，选取蚂蚁河延寿县延寿水文站至方正县莲花(二)站水文站60 km长的河段为研究区域，运用PHABSIM模型中水力模拟和栖息地模拟计算生态流量，为水资源管理与水生态保护提供技术支撑，对细鳞鱼的保护以及渔业资源的恢复都具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

蚂蚁河(又称蚂蜒河)，是松花江右岸的较大支流，全长280.08 km。蚂蚁河流域面积10 847.4 km2，地形由东南向西北倾斜，流域宽度系数0.44,河网密集系数0.34,河道弯曲系数为3.2。蚂蚁河一面坡以上为上游，比降1/600；一面坡至延寿为中游，比降1/1 500；延寿至河口为下游，比降1/2 000。河道断面多为“V”型，河床由壤土、细沙组成，流域植被良好，有利于水生生物栖息产卵。研究河段属于丘陵-低山区地形，海拔在300～700 m，方正县北部、中部为冲积平原，地势较低，岸边植被覆盖程度良好。

蚂蚁河沿线共有21个灌区，其中6.67 km2以上灌区10个，农业灌溉用水主要集中在每年中的4—7月。灌溉期农田灌溉用水量大，致使河道内用水紧张，河道内的生态水量受到威胁。

蚂蚁河1980—2000年曾经发生断流,断流累计23 d，最大断流长度65 km[4]。蚂蚁河断流情况的发生主要原因为水资源不合理利用，河流断流对水生态系统破坏非常严重。

1.2 数据来源

延寿水文站和莲花(二)站1969—2018年实测逐日流量、逐日水位，2018年各水文站实测大断面成果以及实测流速成果来源于黑龙江省水文水资源中心。细鳞鱼产卵期对流量、流速的适宜性数据来自鱼类专家的研究和文献。

1.3 研究方法

本文采用IFIM[16]的生境模拟法中的物理栖息地模型PHABSIM。该模型已广泛用于预测河川径流改变对水环境生物的影响研究。物理栖息地模型由鱼类适宜性指数、断面选取、水力模拟和栖息地模拟组成。

1.3.1 鱼类适宜性指数

鱼类作为水生生物中的顶级群落，对水生态环境的变化最为敏感[17]，因此在生境模拟法中被当做指示物种，能直观反应河流健康状况。尤其对于鱼类的繁殖期，生境变化直接影响着鱼类的产卵数量和成活率。栖息地模型采用栖息地适宜性标准(Habitat Suitability Criteria, HSC)量化目标物种不同生命阶段对栖息地不同物理变量(水深、流速)的喜好程度，用来表示该物理变量与目标物种的出现频率，适宜性指数值介于0～1，0代表不适合该物种生活，1代表最适合该物种生活，通常适宜性指数值越大越好，即该物种在此条件下出现的频率越高[18]。

HSC的确定方法有单变量曲线法、多变量曲线法和二元格式法3种。单变量单独考虑每个变量的适宜性，即每个影响因子的适宜性的值取自0～1，且各变量之间无相关性。多变量考虑多个变量的适宜性。二元格式是该区域只存在适合该物种生存和不适合该物种生存两种状态，故适宜性取值只有0和1。本文采用单变量法，单独考虑目标物种对水深和流速的适宜性。

1.3.2 断面选取

选取的控制断面可基本控制研究河段的水量，有水位、流量、大断面等观测数据，并且要有长系列水文数据。

1.3.3 水力模拟

水力学模型用于计算在不同流量下横断面的水位以及横断面各分区流速、水深分布情况。PHABSIM中的水力学模型有3种推估水位的方法，分别为：STGQ法(对数-对数回归法)、MANSQ法(渠道输送法)、WSP法(标准步推法)[5]。

1)STGQ：利用各断面长系列水文资料，推求回归方程式中参数，进一步推求各流量下的水深，其公式为

(WSL-SZF)=aQb

(1)

式中:Q为流量；WSL为水位高程；SZF为断流水位。

2)MANSQ：利用某一断面的流量与水深资料，推求断面的曼宁系数，公式为

(2)

3)WSP[19]：用于预测水流纵剖面随一系列模拟流量的变化情况。利用缓变流水面线方程式，并以标准步推法由下游已知水深，逐一计算上游各断面水深。

PHABSIM模型推估流速有3种方法：已知速度检定法、速度回归检定法、水深检定法。当各断面有一组流速值时，推估流速可使用已知速度检定法；当各断面有2组或2组以上流速值时，推估流速可使用速度回归检定法；若完全没有流速资料时，推估流速使用水深检定法。本文采用STGQ法推估不同流量下的水位；采用已知速度检定法推估不同流量下各断面的流速分布情况，为栖息地模拟奠定基础。

1.3.4 栖息地模拟

栖息地模型是根据水力模拟的各断面在不同流量下的水深与流速分布情况，结合所研究的目标物种的适宜性曲线，可获得各个计算单元水深和流速对应的适宜度指数，便可计算整个栖息地的加权可利用面积WUA，计算公式为

(3)

式中：Ai为研究河段第i个计算单元的水域面积；f(Vi)为第i分区的流速指数；f(Di)为第i分区的水深指数；f(Ci)为第i分区的河道指数(包括覆盖物和基质)，相比较流速指数和水深指数河道指数对鱼类生存的敏感度较低，为方便计算，通常把河道指数f(Ci)赋值为1；F[]为第i个计算单元的组合适应度因子(Combined Suitability Factor,CSF)。

对于CSF的计算，PHABSIM模型提供了4种方法：乘积法、几何平均法、最小值法、加权平均法。

乘积法是假设3种适应度值影响力相同，几何平均法是对适应度指数做几何平均，最小值法是取研究区内最小适应度值为CSF值，加权平均法是依据专家的决策对当地河区的流速、水深、底质适应度各自加权。本文假设各适应度值影响力相同，综合作用于栖息地模拟，故采用乘积法来推求CSF。

2 结果与分析

2.1 目标鱼种的选取

依据历史资料，蚂蚁河的鱼类约有30种，其中鲤科鱼类19种，鳅科为5种，鲈科为2种，其它各科均为1种，蚂蚁河中主要珍稀冷水性鱼类为细鳞鱼，细鳞鱼是我国珍稀物种，是国家Ⅱ级保护水生野生动物并被被列入《中国濒危动物鱼类红皮书》。故以细鳞鱼为目标物种，对细鳞鱼产卵期4—5月所需生态流量进行计算，对细鳞鱼鱼类资源恢复具有重要意义。

2.2 鱼类适宜性曲线的绘制

根据实地调查与文献记载，细鳞鱼为冷水性鱼类，具有明显的适温洄游习性，春季(4月中旬—5月下旬)进行产卵洄游，可以跳跃90 cm高的拦河坝，产卵时水流流速为1.5～2.0 m·s-1，水深为50～80 cm。通过实地调查发现细鳞鱼喜欢在水质清澈，底质为砂砾的河湾、河汊水域产卵，产卵水温为5～8 ℃。细鳞鱼产卵期流速、水深适宜性曲线见图1。

图1 细鳞鱼产卵期流速、水深适宜度曲线Fig.1 Curve of water depth and flow velocity habitat suitability of Brachymystax lenok

2.3 控制断面选取以及模拟流量确定

蚂蚁河干流有尚志站、延寿站、莲花(二)站3座水文站，由于尚志水文站所在河段为山区河流，断面窄小不具备鱼类产卵所需基本条件，故选择延寿站、莲花(二)站断面为本文的研究断面，延寿站至莲花(二)站之间的区域为本文的研究河段。研究河段水质良好，水质不是蚂蚁河地区鱼类栖息地的限制因素[20]，流速、水深是主要限制因素。对延寿站、莲花(二)站的历年4—5月平均实测月流量(1969—2018年)进行统计分析，确定流量的模拟范围为5～300 m3·s-1。延寿站、莲花(二)站实测断面成果见图2。

图2 延寿站、莲花(二)站实测断面Fig.2 Section of Yanshou Hydrological Station and Lianhua Hydrological Station

2.4 PHABSIM模型计算结果及分析

PHABSIM模型中假设WUA与鱼类生物量成正相关关系[21-22]。在使用PHABSIM模型时，权重影响栖息地面积的大小，本文假设各断面的权重均取0.5。使用STGQ法和已知速度检定法分别推估不同流量下的水位和流速分布，模拟的结果结合细鳞鱼生境适宜性曲线最终代入PHABSIM模型中的HABTAE模型中，选用乘积法计算出各流量条件下的WUA值，得到研究河段的加权可利用面积，并绘制WUA-流量曲线见图3。

图3 WUA-流量曲线Fig.3 WUA-flow curve

由图3可见，研究河段的加权可利用面积随着流量的增加逐渐增加，在较低流量通过时，WUA增加的幅度大，此时流量未能满足细鳞鱼产卵需求；随着流量的增加，WUA的变化幅度逐渐变小，此时流量满足细鳞鱼产卵所需最小生态流量，取WUA-流量曲线第一个明显转折点为最小生态流量[5]；在某个流量下WUA达到最大值，之后随着流量的增加，加权可利用面积WUA值几乎不变，此时已满足细鳞鱼产卵期对河道内流量的全部要求，此流量即为最适生态流量。当流量超过此模拟范围时，因流量过大可能溢出河道形成洪涝灾害，对细鳞鱼生存条件造成破坏，加权可利用面积降低；流量过大可降低蚂蚁河流域沿岸灌区的灌溉期取水，影响农作物的生长进而影响经济效益。

故取第一个WUA-流量曲线明显转折点P1对应流量(25 m3·s-1)为栖息地最小生态流量，WUA最大时P2对应流量(60 m3·s-1)为最适宜生态流量。此次模拟结果为细鳞鱼产卵期4—5月最小生态流量为25 m3·s-1，最适宜生态流量为 60 m3·s-1。

为了检验计算结果的合理性，本文将模拟结果与Tennant法得出的结果进行比较。Tennant法是传统的计算生态流量的水文学方法，但利用Tennant法所计算出的生态流量范围过大，Tennant法计算生态流量标准见表1。通过计算蚂蚁河1956—2018年多年平均流量为75.8 m3·s-1，最小生态流量与多年平均流量的比值为32.98%，处于一般用水期评价标准“十分好”和“很好”之间，处于产卵育幼期评价标准“中”和“好”之间；最适宜生态流量与多年平均流量的比值为79.2%，在一般用水期和产卵育幼期均处于“最佳”评价标准。本文计算结果在Tennant法界定范围之内，故计算结果较为合理。最小生态流量和最适宜生态流量能保证细鳞鱼在蚂蚁河上有良好的产卵条件和生存条件。

表1 Tennant法计算生态流量标准Table 1 Standard of Tennant method to calculated ecological discharge

3 结 论

本文采用基于IFIM原理的栖息地模拟法，使用PHANSIM模型推估蚂蚁河4—5月细鳞鱼产卵期的生态流量。由PHANSIM模型绘制WUA-流量关系曲线，得出细鳞鱼在4—5月产卵期最小生态流量为25 m3·s-1，最适宜生态流量为60 m3·s-1。该结果相比较于Tennant法表明最小生态流量处于一般用水期评价标准“十分好”和“很好”之间，处于产卵育幼期评价标准“中”和“好”之间；最适宜生态流量在一般用水期和产卵育幼期均处于“最佳”评价标准。计算结果相比较于Tennant法更精确。计算结果可以满足细鳞鱼产卵期生态用水需求，为今后细鳞鱼渔业资源的恢复提供科学依据。建议蚂蚁河流域优化配置灌区取水口的取用水量和取水时间，开展6.67 km2以上灌区水平衡测试和水资源论证，强化农业取水许可证发放与管理。