三峡水库出库流量变化对洞庭湖定居性鱼类产卵生境的影响

戴凌全,张培培,常曼琪,陈 磊,李 翀,戴会超,毛劲乔

(1.中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心,北京 100038;2.三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443100;3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)

洞庭湖是我国第二大淡水湖,是长江流域重要的鱼类栖息地和资源库,在长江渔业中占有重要地位,其渔业资源备受关注[1-2]。鱼类按生活习性可分为四类:海河洄游型、江湖洄游型、溪流定居型和湖泊定居型[3-5]。在洞庭湖,海河洄游型、江湖洄游型鱼类占比逐渐减小,以鲤鱼、鲫鱼等为主的湖泊定居型鱼类的占比呈不断增加趋势。20世纪末洞庭湖湖泊定居型鱼类所占比例已超过86%,2001年之后湖泊定居性鱼类占比达到90%以上,已成为洞庭湖鱼类资源最主要的组成成分,而四大家鱼等半洄游型鱼类的资源量则降至8%以下[6-7]。定居性鱼类的产卵量将对湖区鱼类资源总量产生直接影响,因此促进洞庭湖定居性鱼类产卵是洞庭湖鱼类资源保护工作的重点。湖泊水动力条件改变会对湖区鱼类生境产生影响,也会对鱼类资源和生态系统造成严重影响[8-10]。三峡水库作为长江干流控制性骨干水利工程,消落期(3—5月)增加出库流量为洞庭湖生态补水提供了有利条件[11-12],然而不同出库流量对洞庭湖定居性鱼类产卵生境的影响有待进一步明确。

目前关于鱼类产卵生境的研究多集中在河道洄游型鱼类,包括四大家鱼、中华鲟、圆口铜鱼等。如戴凌全等[13]采用物理栖息地模型明确了金沙江下游宜宾江段四大家鱼产卵繁殖所需要的适宜生态流量,为水库生态调度提供了具体目标;班璇等[14]结合中华鲟产卵场水文情势在时间上的变化特征和空间上的分布特征,分析了不同水文情势下中华鲟产卵水深、流速和涡流等因子的响应特征,并进一步明确了中华鲟产卵所需的生态流量过程,为上游水库生态调度提供了理论基础;杨德国等[15]通过对葛洲坝下游中华鲟产卵场的流量、流速、水温和含沙量等水文因素展开研究,得到影响中华鲟产卵的主要因子,认为流量过程对中华鲟产卵具有重要的促进作用;王煜等[16]基于栖息地适合度评价模型计算了葛洲坝不同出库流量下中华鲟产卵生境面积大小及其空间分布特征,分析了葛洲坝运行对下游中华鲟产卵生境造成的影响;杨志等[17]为实现金沙江下游圆口铜鱼的恢复,提出了圆口铜鱼不同生活史阶段关键生境因子的适宜度曲线;侯俊等[18]采用栖息地模拟法计算了雅鲁藏布江中游拉萨裸裂尻鱼适宜的水深流速及流量;彭依云等[19]以中国结鱼作为目标鱼类,基于IFIM和EFDC二维水动力模型建立了澜沧江最大支流罗梭江鱼类栖息地适宜性曲线,评价了不同水情下替代生境对目标鱼类的适宜度。

综上,三峡水库枯水期不同出库流量对洞庭湖定居性鱼类产卵生境的影响方面的研究成果还较少,本文从定居性鱼类产卵所需的水动力需求出发,构建鱼类产卵生境的物理栖息地模型,模拟三峡水库不同出库流量下洞庭湖定居性鱼类产卵生境适宜度的空间分布格局,分析洞庭湖鱼类产卵生境的加权可利用面积(weighted usable area, WUA)对三峡水库不同出库流量的响应特征,以期为通过水库生态调度改善湖区定居性鱼类产卵场水动力条件提供科学基础,为洞庭湖鱼类资源和湖泊生态系统保护工作提供新的思路。

1 研究区域概况

洞庭湖地处长江中游荆江南岸,长江干流通过三口(松滋、太平、藕池)流入洞庭湖,并与湖南四水(湘江、资水、沅江、澧水)汇合,经湖泊调蓄后在东洞庭湖流入长江[20](图1)。洞庭湖作为长江出三峡后的第一个大型通江湖泊,在防洪、维持生态平衡、保护湿地环境等方面具有重大意义,同时在鱼类洄游与产卵繁殖上发挥着重要作用[21-22]。

图1 洞庭湖地理位置示意图Fig.1 Geographic map of Dongting Lake

2 研究方法

2.1 物理栖息地模拟法

物理栖息地模型(physical habitat simulation model, PHABSIM)能够定量反映不同水动力条件下洞庭湖定居性鱼类产卵生境的变化特征[23-26],由水动力模型(hydrodynamic model)和栖息地模型(habitat model)两部分组成。水动力模型计算三峡水库不同流量下洞庭湖的水动力分布特征,栖息地模型通过建立鱼类产卵生境关键影响因子的适宜度曲线,依据不同流量下的水动力分布特征找出对应的适宜度,赋予各自权重之后计算栖息地WUA[25]。具体步骤:①收集定居性鱼类的产卵地点、时间、数量以及关键影响因子;②将栖息地适宜性指标与定居性鱼类产卵生境的关键影响因子(水深、流速)关联,绘制关键影响因子的适宜度曲线;③建立洞庭湖水动力模型,模拟不同流量下洞庭湖水动力分布特征;④将关键影响因子的适宜度曲线输入栖息地模型,结合水动力模型模拟的水深、流速计算不同流量下洞庭湖定居性鱼类产卵生境的WUA。模型构建流程如图2所示。

图2 基于物理栖息地模型的适宜生态流量求解流程Fig.2 Flow chart for solving suitable ecological flow based on PHABSIM

2.2 生境适宜度曲线的构建

目前栖息地适宜度评价方法中使用最广泛、最经典的是适宜度曲线法[27]。适宜度曲线的建立以栖息地适宜度指数(habitat suitability index, HSI)为基础,以生境影响因子为横坐标,以目标生物对生境影响因子的偏好为纵坐标,建立目标生物偏好与生境因子之间关系的连续曲线,从而定量描述目标物种对栖息地各个生境影响因子变化的响应程度。目标物种对生境影响因子的偏好介于0～1之间,0表示完全不适宜,1表示最适宜。

影响因子的选取是物理栖息地模型模拟效果准确与否的关键。流速、水深等因子常被作为鱼类产卵生境模拟的影响因子[28-30]。每年3—5月,洞庭湖鲤、鲫开始产卵,主要的产卵场所是静水或缓流浅滩区的水草。为了保证卵的正常发育,水中流速不宜过大,因此选取流速、水深作为洞庭湖定居性鱼类产卵生境的关键影响因子。参考已有研究成果[31-32],确定鲤、鲫鱼类产卵生境的适宜流速范围为0～0.6m/s,最适宜流速范围为0.1～0.5m/s,适宜水深范围为0.2～2.0m,最适宜水深范围为0.5～1.5m,定居性鱼类产卵生境影响因子的适宜度曲线如图3所示。

图3 洞庭湖定居性鱼类产卵生境影响因子适宜度曲线Fig.3 Suitability curves of influencing factors for sedentary fish spawning habitat in Dongting Lake

2.3 水动力模型的建立和验证

水动力模型采用一二维耦合模型,涵盖范围包括长江干流三峡坝址至螺山段、三口河系、洞庭湖及其四水尾闾河段。河道采用一维模型,湖区及江湖交汇区采用二维模型,二维模型采用非结构不规则的三角形网格,网格大小根据地形的空间分布等确定,地形采用长江干流、三口、四水尾闾河道地形和洞庭湖实测水下地形。

流量边界包括三峡水库出库流量、清江流量、四水入湖控制站流量,采用2019年各水文站点3—5月的日平均流量过程(图4(a)),下游水位边界条件采用2010—2020年螺山站水位-流量关系曲线(图4(b))。

为验证水动力模型的模拟效果,选取城陵矶、鹿角、杨柳潭和南咀站为洞庭湖代表性站点,各站点水位实测值与模拟值对比如图5所示。城陵矶、鹿角、杨柳潭、南咀站水位实测值和模拟值的均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为0.1898、0.2210、0.1468、0.1187m,方差分别为0.9875、0.9801、0.9697、0.9867m2,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别为0.16、0.19、0.15、0.10m。城陵矶站和鹿角站模拟效果较好,而杨柳潭站和南咀站模拟效果相对较差,因城陵矶站和鹿角站位于东洞庭湖,与长江干流联系紧密,受干流水位影响明显,而杨柳潭和南咀站距离干流较远,同时还受三口及四水的影响,水位变化情况更为复杂,因此模拟效果相对较差,但误差均在可接受范围内。总体来看,水动力模型的整体模拟精度较高,满足模型需求。

图5 洞庭湖各站实测水位与模拟水位对比Fig.5 Comparison of observed and simulated water level in each station of Dongting Lake

3 结果与分析

3.1 工况设置

为量化三峡水库消落期不同出库流量对洞庭湖定居性鱼类产卵生境的影响,根据2017—2022年三峡水库、清江及四水3—5月的实测流量数据进行流量划分。根据《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》的批复:1—5月三峡水库水位在综合考虑航运、发电、水资源、水生态需求的条件下逐步消落,因此水库出库流量划分如下:1—2月水库出库流量按不小于6000m3/s控制,3—5月的最小出库流量应满足葛洲坝下游庙嘴水位不低于39.0m。一般情况下,4月末库水位不低于枯水期消落低水位155.0m,5月25日不高于155.0m。同时调度规程也明确鱼类集中产卵期(5—6月)或有其他生态调度需求时,在防洪形势和水文条件许可的情况下,应有针对性地实施有利于鱼类繁殖或改善水生态环境的生态调度试验。

本文的方案制定中考虑了调度规程,结合三峡水库运行后2017—2022年3—5月实际出库流量制定了工况。2017—2022年三峡水库实际出库流量如图6所示。由图6可知,3—5月三峡水库最小出库流量为6625m3/s,最大出库流量为24375m3/s,平均出库流量为10994m3/s,因此可认为三峡水库3—5月出库流量范围为6500～24500m3/s,并以2000m3/s为间隔进行工况划分。根据2017—2022年清江及四水3—5月实测流量数据,设置清江流量为530.23m3/s,湘江湘潭站流量为2877.54m3/s,资水桃江站流量为902.02m3/s,沅江桃源站流量为2376.27m3/s,澧水津市站流量为501.12m3/s。

图6 三峡水库2017—2022年3—5月出库流量Fig.6 Outflow from Three Gorges Reservoir from March to May in 2017-2022

3.2 不同出库流量下洞庭湖水动力空间变化特征

三峡水库不同出库流量下洞庭湖水位变化如图7(a)所示。三峡水库对洞庭湖水位的影响体现在2个方面:长江水流过枝城站后一方面通过三口分流流量对洞庭湖直接补水,另一方面洞庭湖出口城陵矶水位增加对湖泊水位形成顶托。当出库流量为6500m3/s时,通过松滋口分流量为135m3/s,太平口、藕池口分流量均为0,城陵矶、鹿角、杨柳潭、南咀站的水位分别为21.25、25.83、27.24、30.20m,此时4站水位最低。当出库流量为18500m3/s时,通过松滋口分流量为1398m3/s、太平口分流量为210m3/s、藕池口分流量为315m3/s,城陵矶、鹿角、杨柳潭、南咀站的水位分别为23.11、27.37、27.99、31.15m,与出库流量6500m3/s相比,城陵矶站和鹿角站水位上升最大,分别上升了1.86、1.54m,增幅分别为8.75%和5.96%。当出库流量为24500m3/s时,通过松滋口分流量为3667m3/s,太平口分流量为874m3/s、藕池口分流量均为1449.8m3/s,城陵矶、鹿角、杨柳潭、南咀站水位达到最大值,分别为24.07、28.24、28.60、31.98m,与出库流量6500m3/s相比,水位分别上升了2.81、2.41、1.36、1.78m,相应增幅分别为13.27%、9.33%、4.99%、5.89%。从水位变化和水位增幅的空间分布来看,受洞庭湖西高东低地形的影响,西洞庭湖南咀站水位最高,其次为南洞庭湖杨柳潭站,东洞庭湖城陵矶和鹿角站水位最低。随着三峡水库出库流量的增加,城陵矶、鹿角、杨柳潭、南咀站的水位皆有所上升,说明三峡水库增加出库流量对洞庭湖水位有一定的提升作用,但不同湖区水位的响应情况存在明显的空间差异。东洞庭湖城陵矶站水位上升明显,其次为东洞庭湖鹿角站,而南洞庭湖杨柳潭站和西洞庭湖南咀站则影响较小,因此可认为三峡水库消落期调度对于东洞庭湖水位提升作用明显,但对南洞庭湖和西洞庭湖影响较小。

图7 三峡水库不同出库流量下洞庭湖水动力变化过程Fig.7 Hydrodynamic variation process in Dongting Lake under different outflow from TGR

三峡水库不同出库流量下洞庭湖平均流速变化如图7(b)所示。当出库流量为6500m3/s时,湖区平均流速为0.18m/s,东、南、西洞庭湖平均流速分别为0.20、0.19、0.11m/s。当出库流量为10500m3/s时,湖区平均流速为0.20m/s,东、南、西洞庭湖平均流速分别为0.23、0.20、0.12m/s。当出库流量为12500m3/s时,湖区平均流速为0.22m/s,东、南、西洞庭湖平均流速分别为0.24、0.22、0.13m/s。当出库流量为14500m3/s时,湖区平均流速为0.24m/s,东、南、西洞庭湖平均流速分别为0.26、0.24、0.15m/s。

从流速变化情况来看,洞庭湖流速较低且变化范围不大,湖区流速位于0.11～0.36m/s之间。三峡水库增加出库流量对洞庭湖流速有一定的提升作用,整体湖区平均流速提高0.15m/s,其中东、南、西洞庭湖平均流速分别提高0.16、0.13、0.14m/s,由此可知三峡水库增加出库流量对于东洞庭湖流速的影响相对明显,但对南洞庭湖和西洞庭湖则影响相对较小。

3.3 出库流量对洞庭湖定居性鱼类产卵适宜度的影响

三峡水库不同出库流量下洞庭湖定居性鱼类产卵生境组合适宜度空间分布如图8所示。当三峡水库出库流量为6500m3/s,湖区的平均水深为2.20m,平均流速为0.18m/s,平均组合适宜度为0.093,组合适宜度较大的区域主要分布在南洞庭湖和西洞庭湖;当三峡水库出库流量为16500m3/s时,湖区平均水深为2.84m,平均流速为0.26m/s,平均组合适宜度为0.106,其中东洞庭湖组合适宜度分布区域大幅增加,主要集中于东洞庭湖西北部,说明随着出库流量的增加,东洞庭湖的定居性鱼类产卵适宜生境扩大,南洞庭湖组合适宜度下降至0.250,随后逐渐减小,当流量超过16500m3/s时,南洞庭湖的定居性鱼类产卵适宜生境值分布面积缩小;当三峡水库出库流量为22500m3/s,湖区水深为3.40m,平均流速为0.32m/s,平均组合适宜度最大为0.120,东洞庭湖的适宜度分布区域进一步增加,覆盖东洞庭湖大部分,其中组合适宜度较大的区域主要集中于东洞庭湖东部,西洞庭湖组合适宜度降低至0.146,且组合适宜度分布区域明显减少;当三峡水库出库流量为24500m3/s时,栖息地平均水深为3.60m,平均流速为0.33m/s,组合适宜度略有下降,平均组合适宜度为0.110,各湖区组合适宜度均有减小。

图8 三峡水库不同出库流量下组合适宜度空间分布Fig.8 Spatial distribution of combined suitability factor of TGR under different discharge flow

3.4 出库流量对鱼类产卵生境WUA的影响

三峡水库不同出库流量下洞庭湖定居性鱼类产卵生境的WUA如图9所示,在三峡水库出库流量逐渐增大的过程中,鱼类产卵生境的WUA呈现出先缓慢增大再逐渐减小的趋势。当出库流量为6500m3/s时,WUA最小为282.59km2;当出库流量增加至18500m3/s时,WUA呈现缓慢平稳的上升趋势;当出库流量为20500m3/s时,WUA为360.51km2,此时相对于最小出库流量对应的WUA增加77.92km2,增幅为27.58%;当出库流量为22500m3/s时,WUA达到最大值为376.16km2;当出库流量为24500m3/s时,WUA下降至361.45km2。由此可知,三峡水库增加出库流量能够增加洞庭湖定居性鱼类产卵生境的WUA,最大可增加93.57km2,但当出库流量超过22500m3/s,鱼类产卵生境的WUA反而减小,因此可认为洞庭湖定居性鱼类产卵生境的适宜生态流量范围为18500～24500m3/s,最适宜生态流量为22500m3/s。

图9 三峡水库出库流量与产卵生境WUA的关系曲线Fig.9 Relationship curve of WUA and outflow from the TGR

三峡水库不同出库流量下洞庭湖不同湖区定居性鱼类产卵生境的WUA变化如图10所示,不同湖区的WUA变化趋势及对三峡水库出库流量的响应具有显著差异。东洞庭湖定居性鱼类产卵生境的WUA随着三峡水库出库流量的增大呈现逐渐上升的趋势,当出库流量为20500m3/s时,WUA为154.96km2,此时WUA增加值为32.56km2,相应的增幅为26.60%;当三峡水库出库流量为24500m3/s时,WUA增加至最大值为178.68km2。南洞庭湖WUA在50.39～52.75km2之间,总体增长幅度不大,保持相对稳定,呈现先增加后减少的趋势且,其面积变化曲线存在2个峰值;当三峡水库出库流量为12500m3/s时,WUA达到最大为52.75km2。南洞庭湖东部地形呈深槽形,长江干流对洞庭湖的顶托作用可影响到南洞庭湖,最初随着出库流量的增加,南洞庭湖的水深和组合适宜度逐渐增大;当出库流量大于12500m3/s时,组合适宜度和WUA逐渐减小;当出库流量为18500m3/s时,WUA最小为50.39km2。南洞庭湖WUA最大值与最小值相差1.58km2,总体保持稳定,说明三峡水库增加出库流量对南洞庭湖的影响较小。西洞庭湖WUA呈现先增大后减小的趋势,当出库流量为16500m3/s时,WUA最大为163.04km2。西洞庭湖承接三口,三峡水库增泄的流量通过三口流入西洞庭湖,随着出库流量的增加,西洞庭湖的组合适宜度和WUA逐渐增大,当出库流量超过16500m3/s后,WUA逐渐下降。

图10 洞庭湖不同湖区定居性鱼类产卵生境WUA变化Fig.10 Variation of WUA in different lake areas of Dongting Lake

4 结 论

a.三峡水库增加出库流量对洞庭湖湖区的水位及流速有一定的提升作用,对于东洞庭湖的影响尤为明显,对南洞庭湖和西洞庭湖则影响较小。东洞庭湖(鹿角)、南洞庭湖(杨枊潭)、西洞庭湖(南咀)水位最大提升2.41、1.36、1.78m,平均流速分别提高0.16、0.13、0.14m/s。

b.随着三峡消落期出库流量的增加,洞庭湖定居性鱼类产卵生境的WUA呈现出先增大再减小的趋势,不同湖区的WUA变化特征各不相同,东洞庭湖WUA呈现逐渐上升的趋势,南洞庭湖WUA总体增长幅度不大,西洞庭湖WUA呈现先增大后减小的趋势。

c.洞庭湖定居性鱼类产卵生境的适宜生态流量范围为18500～24500m3/s,最适宜生态流量为22500m3/s。

d.研究成果明确了洞庭湖定居性鱼类产卵生境所需的适宜生态流量,可为通过三峡水库补水调度保护湖区鱼类资源提供参考依据,但由于鱼类的生命阶段包括产卵、胚胎发育、幼鱼、成鱼等,各阶段对栖息地生境的需求也会有所不同,因此在后续的研究中,可考虑鱼类其他关键生活史对环境适宜性的需求,包括水动力需求、索饵需求等,使得洞庭湖湖区渔业保护措施更系统和完善。