大藤峡运行后东塔产卵场鱼类繁殖期水量调度控制指标研究

刘丽诗，王 丽，葛晓霞，谭细畅

(1.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611；2.水利部珠江水利委员会水文水资源局，广东 广州 510611)

水利水电工程在完成其防洪、供水、发电及航运等综合效益的同时，不可避免对河流生态系统造成不利影响，除了采取工程措施及管理措施避免或减缓不利影响外，开展水库生态调度，已经成为大型河流生态恢复的一项重要举措[1-2]。水库生态调度的目标，是以维持河流健康可持续发展为总目标，其中包括维持河流生态系统完整性、生物多样性、生物可持续性等[3]。在鱼类繁殖期水量调度方面，国内外开展了多项研究。从20世纪90年代开始，国外研究人员在南非Clanwilliam大坝、美国科罗拉多河上的格伦峡大坝、澳大利亚墨累河流域、新西兰Opuha大坝等开展了鱼类繁殖期水量调度研究和实验。国内在水库生态调度研究实践方面相对较晚，近年来，溪洛渡电站、三峡工程、锦屏一级、二级水电站、珠江西江干流等都开展了鱼类繁殖期生态调度。其中，长江三峡工程2011年6月首次针对鱼类自然繁殖实施生态调度试验，促进了“四大家鱼”等自然繁殖，拓展三峡工程综合效益，提升三峡工程服务能力和需要[4]。珠江西江干流2016—2019年连续4年开展了鱼类繁殖期生态调度试验[5-6]，通过试验研究西江东塔产卵场四大家鱼卵苗量与水温、洪水过程、流速等因子的关系，提高珠江流域生态调度精度。

大藤峡水利枢纽位于珠江水系西江流域黔江干流大藤峡出口弩滩处，该江段鱼类资源非常丰富，既有多种国家重点保护鱼类和珠江水系特有鱼类，更是四大家鱼、广东鲂等多种经济鱼类的主要栖息地，分布有多个重要的鱼类产卵场，在流域内具有重要的生态保护地位[7]。大藤峡水利枢纽的建设可能对西江干流中游至河口段水文情势、水生态环境，特别是对下游鱼类繁殖的影响，一直都受到极大的关注。工程运行后，如何维持鱼类产卵繁殖活动、保障鱼类生活史的完整，是流域水生态保护必须面对的问题。为了缓解大藤峡水利枢纽运行对鱼类繁殖的影响，本项研究根据大藤峡江段的鱼类生活习性和产卵生境的分布情况，利用实测数据分析鱼类早期资源量与水文特征值的相关关系，结合西江流域生态调度实践经验，推求出适宜刺激四大家鱼产卵时水文过程，提出大藤峡水利枢纽在鱼类繁殖期开展水量调度所需的控制指标要求，为大藤峡水利枢纽工程未来如何营造鱼类产卵场适宜的生态水文过程，最大限度发挥东塔鱼类产卵场鱼类产卵功能提供技术参考。

1 东塔鱼类产卵场栖息生境及调度目标鱼类

1.1 东塔鱼类产卵场栖息生境调查

东塔鱼类产卵场(图1)位于大藤峡坝下10 km，主要产卵鱼类有草鱼、青鱼、鲢、鳙、鲤、鲮、赤眼鳟、卷口鱼、鳊、斑鳠、鳡和盔鲶等，是珠江流域最大鱼类产卵场，也是珠江流域鱼类生物多样性最为丰富的江段，有重要的经济价值及水生生物资源保护价值[8]。

产卵场长约7 km，黔江、郁江、浔江在此汇流，生态景观格局以“三江汇流、宽阔河谷”为主体，三江汇流提供了复杂多变的水文条件，尤其产卵场水域的急流、缓流、紊流、涡流等多样性高，流场流态多样。产卵场所在之处河道开阔，河心洲、河岸浅滩多布，且面积较大；鱼类栖息地特征多样，产卵场河道左右两侧地势比较平缓，植被群落主要以灌木为主，产卵场岸带植被的外延梯度变化多样且构成相对稳定。河道的中间出露水面上面的滩地上，主要以灌草为主，作为陆域生态系统与水域生态系统的天然交换场所，既可以作为鱼类产卵的栖息地，又可作为鱼类生存的饵料场地。

1.2 调度目标鱼类选择

鱼类是河流生态系统中的主要生物类群，是维系河流生态健康的重点关注目标。鱼类的产卵繁殖活动受河流水文情势影响，一般规律为随着径流量的增加，伴随水位上涨、流速加快，将会刺激鱼类的性腺发育，诱导鱼类的产卵活动发生，一方面径流量增加和流速加快可保证受精率、胚胎发育，使漂流性的鱼卵可以得到充分的漂流孵化，另一方面涨水后可使仔稚鱼有丰富的饵料生物，从而保证仔稚鱼有较高的成活率。相关研究表明，四大家鱼产卵类型属典型的产漂流性卵的鱼类，是对水文情势刺激最为敏感、对水文情势要求最为苛刻的种类，从已经实施的生态调度研究及试验来看，四大家鱼与调度洪峰等相关性非常明显，根据2013—2017年三峡水库生态调度期间在长江中游监利江段鱼类早期资源调查结果[9-11]，四大家鱼卵苗量与流量增长率呈显著正相关；2018年6月汉江中下游梯级联合生态调度期间，汉川江段的出现一次鱼类产卵高峰中，四大家鱼鱼卵占家鱼卵总径流量的85.5%，表明生态调度对四大家鱼的繁殖具有积极作用[12-13]。因此，以四大家鱼生态需求进行调度，不仅能够促进四大家鱼的产卵繁殖，也可以诱导与洪峰关系紧密的其他鱼类的繁殖。

2 东塔产卵场鱼类繁殖期水量调度控制指标分析

2.1 水文特征指标筛选

生态调度控制指标分析是确定调度期生态保护目标和调度目标流量过程的基础。鱼类产卵繁殖的影响因子很多，包括水文、生态以及其他等诸多方面，作用过程和影响程度各不相同，且往往很多影响因子叠加交叉，定量化识别十分困难。

根据国内外对四大家鱼自然繁殖生态水文指标研究的研究成果，结合近年来在东塔鱼类产卵场开展的生态需水研究[14-15]，选取2008—2012年共30场实测的东塔四大家鱼卵苗量与场次洪水的起始流量、起始水位、洪水过程平均流量、洪峰水位、流量涨幅、日水位增幅、涨水历时、洪水涨率序列进行统计分析，将数据系列进行无量纲化，计算前者与后者序列差值(绝对值)、最大值、最小值等，确定分辨系数为0.15，并计算各指标序列对卵苗量序列的关联系数，最终求得其关联度，结果见表1。

表1 各指标对卵苗量的关联度ri

灰关联度从大到小为：流量涨幅>平均流量>洪水日涨率>日水位增幅>涨水历时>起始流量>洪峰水位>起始水位。由计算结果可见，东塔四大家鱼卵苗量与所选取的水文特征值均存在较大的关联度，表明水文水动力条件是诱发四大家鱼自然繁殖的必要因素。相对而言，流量涨幅、洪峰流量和洪水涨率3个指标可能对四大家鱼产卵具有较为重要的影响，宜作为主要指标进行重点分析。

2.2 鱼类卵苗量和水文特征值的关系分析

根据灰关联度分析结果，选择四大家鱼卵苗量与洪水过程平均流量、洪水日涨率、流量涨幅3个水文要素的相关关系进行详细分析。另外，四大家鱼卵苗量与起始流量、涨水历时同样存在较大关联性，但从现有成果和西江干流实际观测数据分析，能监测到一定规模以上的卵苗汛过程时，所对应的场次洪水起始流量、涨水历时均在一定数值以上，且四大家鱼卵苗量随起始流量、涨水历时增加而增加的趋势并不明显，因此，选择分析四大家鱼卵苗汛时的起始流量和涨水历时临界值作为约束性指标。

另外，现有相关研究成果一般认为水温是触发鱼类产卵的最重要的约束性指标之一，低于某一特定水温时，亲鱼大量产卵行为不发生。根据现有成果和西江干流实际观测数据分析，相比洪水过程各相关指标，四大家鱼产卵时的水温范围变动相对较小，且低于一定水温时，鱼类不产卵，导致数据序列不连续，同时水温与上述其他指标类别不同，不适宜共同采用多元分析方法进行主要控制指标筛选。因此，鉴于水温对鱼类产卵的重要影响以及分析方法的差异，直接将水温作为生态调度的主要控制指标之一。

2.2.1卵苗量与场次洪水平均流量关系

通过描绘2008—2012年共30场实测四大家鱼卵苗量(下同)与大湟江口场次洪水平均流量关系散点图(图2)，两者相关系数R值大于0.5，表明卵苗量与洪水平均流量关联度较大，且两者总体呈正比趋势。从实测数据可以看出，场次洪水平均流量大于3 200 m3/s时开始有四大家鱼卵苗量，平均流量5 000 m3/s以上开始有较大规模的卵苗量。从卵苗量的分布看，四大家鱼卵苗量集中分布在平均流量7 000～9 000 m3/s区间。

2.2.2卵苗量与洪水日涨率关系

通过描绘四大家鱼卵苗量与洪水日涨率关系散点图(图3)可以看出，两者相关系数R值大于0.5，两者关系整体呈正比趋势，较大规模卵苗量主要集中在日涨率1 200～2 000 m3/s的区间内。

2.2.3卵苗量与洪水涨幅关系

通过描绘四大家鱼卵苗量与大湟江口场次洪水涨幅关系散点图(图4)可以看出，两者相关系数R值大于0.5，两者关系总体呈正比趋势，较大规模卵苗量主要集中在涨幅7 000～13 000 m3/s的区间内。

2.2.4卵苗量与起涨流量的关系

通过描绘四大家鱼卵苗量与场次洪水起涨流量散点关系(图5)可以看出，两者相关关系系数R不足0.5，两者关联度相对较小。从30场监测到卵苗量的洪水过程来看，较大规模卵苗量起涨流量在3 000～8 760 m3/s，起涨流量低于3 000 m3/s，未监测到四大家鱼卵苗量。

2.2.5卵苗量与洪水天数、涨水历时的关系

根据大湟江口多年统计数据，流量上涨的多年平均天数为3.07 d，退水天数为4.73 d。从2008—2012年共30场监测到卵苗量的洪水过程来看，实测卵苗量范围在7.1～115 700百万尾之间，单峰洪水过程总天数一般7～15 d，涨水历时4～9 d；双峰洪水过程总天数16～29 d，前峰过程总天数一般7～15 d，前峰涨水历时一般4～7 d。

2.2.6卵苗量与水温的关系

根据长江流域研究成果，四大家鱼产卵最低水温为18℃，珠江流域气温整体高于长江流域，采用有卵苗量同步测验的32场洪水过程统计(图6)可以看出，大湟江口平均水温低于22.4℃时，四大家鱼卵苗量很少或为零，较大规模卵苗量主要集中在水温为24～28℃之间，分布中心点为25.7℃，左右对称收敛，由此推断26.7℃是珠江水系四大家鱼的适宜繁殖水温。东塔鱼类产卵场4月底至5月初水温达到22.4℃以上，水温25.7℃一般出现在6—7月。

2.3 推荐控制指标

根据鱼类卵苗量与水文特征值的相关关系分析结果可知，四大家鱼卵苗量一般发生在起涨流量大于3 000 m3/s、涨水历时大于4 d、河道水温大于22.4℃以上的场次洪水过程，且较大规模的卵苗量集中分布在场次洪水平均流量达到7 000～9 000 m3/s、洪水日涨率达到1 200～2 000 m3/s、洪水涨幅7 000～13 000 m3/s的区间范围内的洪水过程。

考虑大藤峡水利枢纽下游江段控制断面流量大于20 000 m3/s时要以防洪调度为主的要求，所推荐的控制指标峰值应控制在20 000 m3/s以下。四大家鱼卵苗量所适宜的流量过程模拟以起涨流量、流量涨幅、洪水天数及涨水历时作为主要控制指标，起涨流量控制在3 500 m3/s以上，场次洪水平均流量控制在5 000 m3/s以上，涨率控制在1 000 m3/s以上，涨幅2 800 m3/s以上；涨水天数为4 d；退水时间需首先满足鱼卵孵化时间所需要的36～72 h，从偏安全考虑，确定退水天数为3 d；退水流量需保证鱼卵漂浮不下沉，相应沿程流速需保证0.25 m/s以上，结合大藤峡水利枢纽以下江段的数模计算结果，流量应保证在3 500 m3/s以上。综上所述，分别选择起涨流量为3 500 m3/s左右，涨率选择600 ～1 000、1 000 ～2 000、2 000 ～3 000 m3/s，涨水天数均为4 d、退水天数为3 d的低、中、高3次流量过程(表2)。

根据大湟江口水文站2007—2013年逐日水文统计分析，4月中下旬至5月上旬以后，水温均在22.4℃以上(仅2011年5月16—19日水温略低于22.4℃，期间最低水温为22℃)。从水温的角度，东塔鱼类产卵场鱼类繁殖期水量调度时机最早出现在4月中下旬，5月中旬以后均可满足水温要求。

表2 大湟江口高中低不同流量级下的流量过程 单位：m3/s

2.4 控制指标出现频次分析

根据高中低流量级下产卵场断面流量过程，对大湟江口水文站1956—2013年的实测逐日流量系列进行统计，分析每年4—7月大湟江口水文站分别满足高流量、中流量、低流量级过程的次数。结果表明，大湟江口水文站平均每年发生满足高、中、低流量级的流量过程次数为3.0次，其中高流量级为1.8次，中流量级0.6次，低流量级0.6次。发生满足流量过程次数最多的是1981年，共发生5次；发生满足流量过程次数最少的是1977年，仅有1次小洪水过程满足要求。4、5、6、7月满足流量过程的次数分别为12、59、66、32次。

对满足高、中、低流量过程不同次数的比例进行统计，发现在70年的统计数据中，每年出现3次满足高、中 、低流量过程的比例最大，占比48%，其次是每年出现2、4次过程，分别占比28%和21%。对于不同流量级，每年出现高流量级的次数主要为1～2次，占比达81%，出现3次的比例为15%；每年出现中流量级的次数主要为0～1次，占比达90%，出现2次的比例为10%；每年出现低流量级的次数主要为0～1次，占比93%，出现2次的比例7%。可以看出，大湟江口水文站每年出现符合高、中、低流量过程的次数在1～5次，以每年出现3次的比例最高，且以高流量过程为主；出现的月份主要在5—6月，其次是7月，4月较少出现符合高、中、低流量过程。

3 大藤峡水利枢纽鱼类繁殖期水量调度要求

自2016年起，珠江委连续开展西江干流生态调度方案试验。根据调度实践经验，表明四大家鱼等主要鱼类产卵繁殖需一个涨退水过程，每次过程历时约9 d，每年出现频次1～5次，以3次为主，涨退水过程的适宜流量在3 500～15 000 m3/s；当没有适宜的涨退水过程时，即使流量大于3 000 m3/s，亦未能监测到大规模的四大家鱼产卵行为。综合鱼类卵苗量与水文特征值的分析结果、近年西江干流鱼类繁殖期生态试验调度结果，建议大藤峡水利枢纽的调度要求如下。

3.1 调度流量指标要求

大藤峡水利枢纽位于东塔鱼类产卵场上游10 km，是距离东塔产卵场最近的流域控制性工程，可作为流域生态调度的重要节点，在生态调度期间使大湟江口断面流量过程满足调度目标要求，即具体调度目标分为3个流量级，洪峰流量分别为5 000～8 000、8 000～12 000、12 000～15 000 m3/s的低、中、高流量级调度过程，且以中、高流量级的调度过程为佳。具体调度过程控制要求如下：大湟江口流量达到3 500 m3/s以上，涨水天数至少为4 d，涨水阶段流量的日均涨率需达到1 000 m3/s以上，退水阶段退水天数不小于3 d，鱼卵漂程范围内流速大于0.25 m/s(对应大湟江口流量不小于3 500 m3/s)。

3.2 调度时间要求

根据历史文献记载的四大家鱼主要产卵季节确定调度时间为每年的4—7月，但从4月水温统计数据可以看出，4月水温总体偏低，一般要到4月底才能达到四大家鱼最低适宜产卵水温；从历史实测流量系列统计数据看，4月出现满足调度流量过程要求的次数仅为12次，仅占总次数的7.1%；从2016年起连续3年的试验调度情况看，每年的试验调度均在5月以后才有适宜的来水开展试验调度。因此建议在每年的5—7月，预报上游有适宜的涨水过程时，开展大藤峡水利枢纽工程鱼类繁殖期水量调度。

3.3 调度频次要求

从大湟江口水文站满足高、中、低流量过程次数统计结果可以看出，每年出现满足高、中、低流量级过程的次数主要为2～3次，且以高流量过程为主，综合历史统计结果，在实施鱼类繁殖期调度时，结合每年来水情况，建议调度次数2～3次为宜；若遭遇特枯年份，流域持续无明显涨水过程，建议在每年7月下旬开展一次低流量级过程调度。

4 结论与建议

4.1 结论

本研究针对大藤峡水利枢纽坝下东塔鱼类产卵场，选择了对水文情势最为敏感的四大家鱼作为调度目标鱼类，结合近年来珠江委等单位在西江干流所开展的鱼类早期资源量监测数据，详细分析东塔产卵场鱼类早期资源量与水文特征值的相关关系，分别推求出能刺激四大家鱼产卵时的适宜水文过程，最终推荐大藤峡水利枢纽在鱼类繁殖期水量调度要求：在每年的5—7月，当大湟江口流量达到3 500 m3/s以上，且预报上游有适宜的涨水过程时，开展大藤峡水利枢纽工程鱼类繁殖期生态调度；调度时应控制大湟江口流量涨水天数至少为4 d，涨水阶段流量的日均涨率达到1 000 m3/s以上，退水阶段退水天数不小于3 d，并控制鱼卵漂程范围内流速大于0.25 m/s(对应大湟江口流量不小于3 500 m3/s)；结合每年来水情况，建议调度次数2～3次为宜；若遭遇特枯年份，流域持续无明显涨水过程，建议在每年7月下旬开展一次低流量级过程调度。

4.2 建议

鱼类繁殖期水量调度应在确保防洪安全的前提下实施，统筹兼顾电力供应、航运交通等多方需求，形成满足目标鱼类繁殖期需求的流量过程。

加强大藤峡水利枢纽影响范围内河段的水文、水动力和水生态等多要素综合性监测，不断积累基础数据，深入研究本江段主要鱼类洄游、产卵及发育所需的生境条件，使生态调度逐步从单一的满足代表性鱼类繁殖需求，向构建以鱼类多样性保护为主的健康河流生境方向转变。