基于魚類產(chǎn)卵期棲息地需求的水庫生態(tài)調(diào)度方法研究

范驄驤,李 永，唐錫良

(1.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，成都 610041)

· 生態(tài)環(huán)境 ·

基于魚類產(chǎn)卵期棲息地需求的水庫生態(tài)調(diào)度方法研究

范驄驤1,李 永1，唐錫良2

(1.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，成都 610041)

為減輕水利工程建設(shè)對水庫庫區(qū)及水庫下游造成的不利生態(tài)影響，針對減水河段魚類產(chǎn)卵繁殖的有效保護問題，以魚類產(chǎn)卵期棲息地生境需求作為主要生態(tài)約束因子,結(jié)合生態(tài)水力學法、目標物種棲息地生態(tài)水文學特征的數(shù)字化處理與水溫適宜性，建立了考慮魚類產(chǎn)卵期棲息地需求的生態(tài)調(diào)度過程確定方法,以古水電站為例，選取光唇裂腹魚為主要保護對象，獲得了古水電站的生態(tài)調(diào)度過程，較好地保留了天然徑流過程的漲落水變化和流量脈沖過程對光唇裂腹魚產(chǎn)卵刺激的水文信息，使得光唇裂腹魚獲得更適宜的水力學環(huán)境，提升產(chǎn)卵概率，有效保護魚類資源。

魚類棲息地；生態(tài)調(diào)度；數(shù)字化處理；水溫

水利工程的興建為人類帶來巨大的防洪、發(fā)電、航運等經(jīng)濟效益，但對河流的大規(guī)模改造將引起了自然河流的渠道化和非連續(xù)化,造成了對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫[1]。傳統(tǒng)的調(diào)度方式主要以發(fā)揮社會經(jīng)濟效益為目的，而忽視了水庫庫區(qū)及下游的生態(tài)需求?！八畮焐鷳B(tài)調(diào)度是解決水庫及下游的生態(tài)環(huán)境問題,實現(xiàn)人類所需要的生態(tài)環(huán)境目標而進行的水庫調(diào)度”[2]。水庫下游魚類正常的產(chǎn)卵繁殖已是生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵目標，如何通過生態(tài)調(diào)度手段使河流恢復(fù)天然狀態(tài)下的水文信號以及周期信息，減緩水電開發(fā)在魚類產(chǎn)卵期對魚類的生態(tài)影響，具有很大的研究意義與價值。本文綜合應(yīng)用生態(tài)水力學法并對魚類棲息地的水文信號以及周期信息進行數(shù)字化處理，結(jié)合魚類水溫適宜性需求，建立了考慮魚類產(chǎn)卵需求的山區(qū)河流水電工程生態(tài)調(diào)度過程確定方法。并用所構(gòu)建的方法對瀾滄江古水電站的生態(tài)調(diào)度過程做了應(yīng)用研究。

1 研究對象

1.1 目標電站

選定瀾滄江上游古水水電站為目標電站，該電站壩址位于云南省迪慶州德欽縣佛山鄉(xiāng)境內(nèi)。古水水電站水庫總庫容18.48億m3，最大壩高242m，裝機容量1 800MW。樞紐工程由擋水、泄水和引水發(fā)電等建筑物組成，工程規(guī)模為一等大(1)型。古水水電站壩址處多年平均流量為682m3/s。古水水電站壩址至下游烏弄龍水電站庫尾間約有51.9km的天然河段，該河段內(nèi)分布有魚類產(chǎn)卵場。電站初期蓄水和發(fā)電運行引起的水文情勢變化可能會對魚類產(chǎn)卵場生境的水力學條件產(chǎn)生影響。

1.2 目標魚種

瀾滄江上游古水至苗尾段位于動物地理區(qū)劃中的青藏高原區(qū)，魚類區(qū)系主要由適應(yīng)高寒環(huán)境和急流環(huán)境的青藏高原特有的裂腹魚類、高原鰍和鮡科魚類組成。選定目標河段的優(yōu)勢魚種光唇裂腹魚為主要保護對象，光唇裂腹魚是瀾滄江上游的主要經(jīng)濟魚種[3]。光唇裂腹魚(Schizothoraxlissolabiatus)隸屬于鯉科(Cyprinidase)裂腹魚亞科(Schizothoracinae)裂腹魚屬(Schizothorax)。自然條件下，棲息于水流較急的河段，主要靠下頜前部銳利角質(zhì)刮食水底石頭表面的附生藻類及有機碎屑，也食浮游動物。瀾滄江上游大部分江段水流湍急，但同時也存在一些水流較緩、礫石較多的“灘”和“沱”，這種緩急交替的水流條件滿足不同魚類的繁殖要求。有的裂腹魚在河灘的沙礫掘成淺坑，產(chǎn)卵于其中。據(jù)調(diào)查，瀾滄江上游河段光唇裂腹魚類的產(chǎn)卵繁殖期為3～7月。

2 研究方法

2.1 生態(tài)水力學法

生態(tài)水力學法是對水生生物生存和運動的空間進行流場模擬，研究變化后的水力學條件是否滿足魚類對極限水力生境條件的需求，從而確定滿足河道內(nèi)水生生物生存等活動需要的生態(tài)需水流量[4]。計算中考慮了水力生境參數(shù)的全河段變化情況，模擬的主要指標有水深、流速、水面寬、濕周、過水斷面的面積等，并將這些水力學要素按保護對象的需求進行分級和統(tǒng)計，來估計河道減水對主要保護對象生境的影響范圍和程度。另外，根據(jù)河流天然條件下水深、流速等水力學指標的模擬結(jié)果，對水流流態(tài)、淺灘、深潭進行界定，并統(tǒng)計每種水流流態(tài)的河段數(shù)、累計河段長度及每種流態(tài)河段長度占總研究河段長度百分比，統(tǒng)計各類型灘地及深潭的個數(shù)，來估計河道減脫水對魚類產(chǎn)卵場、越冬場、索餌場水力特征的影響。通過這種分析，確定河流的生態(tài)基流量。

2.2 基于魚類產(chǎn)卵期棲息地需求的生態(tài)調(diào)度方法

對魚類棲息地產(chǎn)卵期生態(tài)水文信號進行數(shù)字化處理的核心問題是量化魚類棲息地的生態(tài)水文學特征，Richter[5]在1996年從整個生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，建立了一套評估生態(tài)水文變化程度的方法：IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)，評估指標共有5類，包括月均流量指標、極值量指標、時刻指標、高低流量指標和漲水落水指標等33個水文指標。在20世紀末，美國大自然保護協(xié)會(TNC)提出了組成環(huán)境流EFC(Environmental Flow Component)的五種流量事件[6]：低流量、極端低流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水。并為五種流量事件形式提供了一系列水文指標及其相應(yīng)的生態(tài)影響。河流生物與這些事件的發(fā)生時間、頻率、量值、持續(xù)時間及其變化率緊密相關(guān)。IHA和EFC指標參數(shù)見表1。

表1 IHA及EFC指標體系Tab.1 Indicator system of IHA and EFC

電站建成后，將引起下泄水水溫的改變，而水溫是影響魚類產(chǎn)卵的最大因素?！霸S多魚類都是變溫動物,它們的種群結(jié)構(gòu)、生長以及繁殖都受水溫的直接影響”[7]。溫度直接刺激著魚類的產(chǎn)卵,水溫變化決定著魚類產(chǎn)卵的開始或終結(jié)。

本文借鑒國內(nèi)外已有研究成果，以生態(tài)水力學法[4]的計算結(jié)果作為河流的生態(tài)基流量，以IHA和EFC[5-6]指標體系為基礎(chǔ)，并考慮水溫變化過程的影響，建立了一套基于魚類棲息地生態(tài)水文學特征的生態(tài)調(diào)度方法，并以此計算得到了古水電站建成后的生態(tài)調(diào)度過程。

3 古水電站建成后下泄生態(tài)流量過程分析

3.1 生態(tài)水力學法推求古水電站下泄生態(tài)基流量

古水電站壩址多年平均流量為682m3/s，計算下泄流量分別取多年平均流量的5%、8%、10%、14%、16.2%、20%，以及平均最枯月流量178m3/s，共7個流量，一個流量對應(yīng)一種計算工況。參數(shù)設(shè)置根據(jù)研究河段魚類的體長、食性、繁殖要求、三場分布等生態(tài)習性及魚類生境原有水力學條件(研究河段在古水壩址處多年平均流量682m3/s，最枯月(2月)多年平均流量178m3/s，對應(yīng)工程研究河段水力學條件見表2)分析，結(jié)合水生生物學家對魚類產(chǎn)卵繁殖期偏好水力學條件的研究成果，以R2-Cross法[8]的水力參數(shù)標準為參照，確定了古水水電站研究河段魚類生境適宜的水力學參數(shù)標準，見表3。采用一維明渠恒定非均勻漸變流方程對每種工況進行計算，其計算方程如下：

(1)

上、下斷面水位差計算公式為：

(3)

表2 研究河段現(xiàn)有水力學條件Tab.2 The existing hydraulic condition of Gushui river

表3 研究河段魚類需求的水力生境參數(shù)標準Tab.3 Hydraulic characteristics standard of fish requirements in Gushui river

表4 各工況生境水力參數(shù)達標情況分析Tab.4 Analysis of hydraulic characteristics standard under all conditions

由表5中計算結(jié)果可知，當下泄流量為多年平均的16.2%即110.5m3/s時，所有參數(shù)均100%滿足標準需求，所以，下泄流量110.5m3/s為生態(tài)水力學法確定的古水電站減水河段最小生態(tài)需水量。

3.2 古水電站下游減水河段魚類棲息地生態(tài)水文特征數(shù)字化處理

3.2.1 基于IHA與EFC指標體系的生態(tài)水文特征數(shù)字化處理

本文選取日漲水率(流量增長時，逐日的增長比率)、漲水過程持續(xù)時間(流量增長時持續(xù)的天數(shù))、日落水率(流量減少時，逐日減少的比率)、落水過程持續(xù)時間(流量減少時持續(xù)的天數(shù))、一個漲落水過程持續(xù)時間(流量持續(xù)增長后持續(xù)減少這一過程的歷時天數(shù))及流量脈沖事件(流量在短期幾天內(nèi)有很大變幅的事件)作為對古水壩址天然徑流數(shù)字化處理的指標，以光唇裂腹魚為目標魚類種群，結(jié)合魚類棲息地代表水文站溜筒江水文站1981～2010年3～7月的逐日流量過程，對各指標值進行了統(tǒng)計，并計算各生態(tài)水文指標區(qū)間對應(yīng)的頻率，進行歸一化處理建立各生態(tài)水文指標區(qū)間的分布指數(shù)(分布指數(shù)為各變量區(qū)間對應(yīng)的頻率值與最大頻率值之比)。光唇裂腹魚產(chǎn)卵期(3～7月)各生態(tài)水文學指標區(qū)間對應(yīng)的頻率分布結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 光唇裂腹魚產(chǎn)卵期日落水率、漲水率區(qū)間頻率分布圖Fig.1 Frequency distributionoffluctuationrateand discharge rate duringSchizothoraxlissolabiatus spawning period

圖2 光唇裂腹魚產(chǎn)卵期落、漲水過程持續(xù)時間區(qū)間頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of fluctuation and discharge duration during Schizothoraxlissolabiatus spawning period

圖3 一個完整漲落水周期持續(xù)天數(shù)Fig.3 Days of a complete fluctuation and discharge cycle

一般情況下考慮分析分布指數(shù)分別為0.5、0.75和0.9三種情況來獲得各物理變量的范圍[10]。由圖1～圖3可知，漲水率分布指數(shù)大于0.5的區(qū)間為0.01～0.15，0.75以上為0.01～0.06，0.9以上為0.01～0.06；落水率分布指數(shù)大于0.5的區(qū)間為0.01～0.08，0.75以上為0.01～0.03，0.9以上的為0.01～0.03。持續(xù)漲水時間頻率分布指數(shù)在0.5以上的范圍為1～4天，0.75以上的范圍為1～3天，0.9以上的范圍為1～3天；持續(xù)落水時間頻率分布指數(shù)大于0.5的范圍為1～2天，大于0.75為1～2天，大于0.9為1～2天；一個完整漲落水過程持續(xù)時間頻率分布指數(shù)0.5以上的范圍為2～7天，0.75以上的范圍為4～6天，0.9以上的范圍為5天。綜合以上結(jié)果分析，選擇分布頻率較高、分布指數(shù)較大的區(qū)間作為光唇裂腹魚產(chǎn)卵繁殖期生態(tài)水文學指標的適宜范圍，見表5。

流量脈沖事件根據(jù)流量值在多年流量序列所在的百分位來判別，當流量值大于所有流量序列第50個百分位時，判定為高流量過程，在高流量過程中，若該流量日增加率高于25%或者高于所有流量序列第75個百分位時為高流量脈沖過程。根據(jù)這一標準，結(jié)合研究河段30年逐日流量過程，統(tǒng)計了流量脈沖事件指標，結(jié)果見表5。

表5 光唇裂腹魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文學指標適宜值及流量脈沖Tab.5 Appropriate values of eco-hydrological indexes and flow pulses during Schizothoraxlissolabiatus spawning period

結(jié)合研究河段的具體情況，以生態(tài)水力學計算所得最小生態(tài)需水量為基礎(chǔ)流量，綜合確定古水閘址下游減水河道所需的生態(tài)流量過程如下：①1～3月天然徑流過程比較平緩，流量取基礎(chǔ)流量，即110.5m3/s。②4～8月光唇裂腹魚產(chǎn)卵期模擬漲落水過程及流量脈沖過程，漲落水過程中漲水率為0.05，落水率為0.03；流量脈沖過程中漲水率為0.1，落水率為0.08，考慮到古水電站的運行調(diào)度，漲水取10d為一個調(diào)度單位，落水取5d為一個調(diào)度單位，每年發(fā)生4次流量脈沖事件，每次持續(xù)5d，持續(xù)漲水3d后持續(xù)落水2d，發(fā)生時間分別為6月26日～6月30日，7月6日～7月10日，8月11日～8月15日，8月26日～8月30日。③8～12月的調(diào)度過程主要根據(jù)天然徑流過程確定。9～12月主要為落水過程，落水率為0.05，在10月21日時降至基礎(chǔ)流量，所以10月21日到12月底取基礎(chǔ)流量。生態(tài)調(diào)度過程見表6，與多年日均流量過程對比見圖4。

表6 本文確定的古水電站生態(tài)調(diào)度過程Tab.6 Gushui hydropower station ecological operation process determined by this study

圖4 本文確定的生態(tài)調(diào)度過程與古水壩址多年日均流量過程對比圖Fig.4 Comparison of ecological operationprocess determined by this study and nature runoff process of Gushui damsite

3.2.2 目標魚類水溫適應(yīng)性驗證

水電站建成后，電站下泄水的水溫會降低，但下泄的水量會減小而導致河道內(nèi)水溫變高,為與目標魚類的年內(nèi)水溫適宜值進行對比，模擬計算了古水電站建成后的下泄水溫年內(nèi)變化過程。以上文計算所得的生態(tài)調(diào)度過程結(jié)果為基礎(chǔ)，入庫水溫采用曲孜卡水文站、古水水文站所測多年平均逐月水溫統(tǒng)計值推算而得，結(jié)合庫區(qū)氣象站提供的氣象條件，通過寬度平均的立面二維水溫數(shù)學模型求解古水電站建成后電站下泄水溫，求解模型文獻11，計算邊界條件：進口邊界的水溫采用庫尾實測水溫，速度假定為均勻流速，假定出口斷面為充分發(fā)展的湍流，水面表層單元計入水氣熱交換。庫底和壩體表面采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。水面位置據(jù)水量平衡確定。庫底和壩體表面采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。采用有限體積法和混合格式對微分方程進行離散。采用SIMPLE算法求解差分方程，并采用交錯網(wǎng)格避免出現(xiàn)棋盤式不均勻壓力場。減水河段水溫通過縱向一維水溫數(shù)學模型求解計算，計算模型參考文獻11，邊界條件為：上文中計算得到的生態(tài)調(diào)度流量序列，氣溫、相對濕度、云量、平均風速、太陽輻射數(shù)據(jù)采用維西氣象站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到了電站建成后減水河段水溫的變化過程，從壩址處開始，每隔10km提取一處斷面的水溫結(jié)果見圖5。

圖5 古水電站建成后下泄水溫變化過程Fig.5 Water temperature variation process after the construction of Gushui hydropower station

圖5可以看出，電站建成后，在3～5月電站下泄水溫有所降低，在同樣的氣象條件下，下泄的水量比建庫前減少，水溫增長變快，隨著時間的推移，在5月下旬超過壩址原水溫，對比3月和流量脈沖期間的水溫變化趨勢，可知流量脈沖對水溫的影響不及下泄流量減小對水溫的影響。而在減水河段中，從提取的各斷面水溫結(jié)果來看，水溫呈現(xiàn)沿程升高的趨勢。光唇裂腹魚的最適生長溫度為13℃～20℃，水溫超過24℃，停止攝食[3]，由以上分析可知：建庫后水溫未超過20℃，僅在產(chǎn)卵初期水溫降低，且與建庫前相差不到1℃，在3.1計算統(tǒng)計淺灘數(shù)量過程中知，光唇裂腹魚的適宜產(chǎn)卵場河岸淺灘集中在減水河段中下游分布，水溫的沿程恢復(fù)會適當?shù)窒蜏厮滦箤Ξa(chǎn)卵繁殖的影響，因此，在本次研究中不建議改變生態(tài)調(diào)度的下泄流量。

4 結(jié) 語

生態(tài)調(diào)度旨在電站建成后修復(fù)水庫庫區(qū)及下游的生態(tài)環(huán)境，本文提出了以魚類產(chǎn)卵期棲息地的生境需求來確定生態(tài)調(diào)度過程，并用魚類產(chǎn)卵繁殖的水溫做了適應(yīng)性驗證，模擬結(jié)果較好的恢復(fù)了棲息地生態(tài)水文學特征。本文只對單一物種的生境特征進行了生態(tài)調(diào)度過程推求，在下階段研究中，將逐步加入其它物種進行綜合考慮。

[1] 董哲仁.河流生態(tài)恢復(fù)的目標[J].中國水利,2004,(10):6- 9.

[2] 胡和平,劉登峰,田富強,等.基于生態(tài)流量過程線的水庫生態(tài)調(diào)度方法研究[J]．水科學進展，2008，19(3)：325-332.

[3] 劉躍天,吳敬東,李光華,申安華,王鳳榮,李志鵬,丁登虎,楊光清.光唇裂腹魚人工馴養(yǎng)研究[J].水生態(tài)學雜志,2012,(5):123-126.

[4] 李 嘉,王玉蓉,李克鋒,等.計算河段最小生態(tài)需水的生態(tài)水力學法[J].水利學報,2006,(10):1169-1174.

[5]RichterBD,BaumgartnerJV,PowellJ,etal.Amethodforassessinghydrologicalterationwithinecosystems[J].Conservationbiology,1996,10(4):1163-1174.

[6]MathewsR,RichterBD.ApplicationoftheIndicatorsofHydrologicAlterationSoftwareinEnvironmentalFlowSetting1[J].JAWRAJournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,2007,43(6):1400-1413.

[7] 汪錫鈞,吳定安.幾種主要淡水魚類溫度基準值的研究[J].水產(chǎn)學報,1994,18(2):93- 100.

[8]StalnakerC．B，LambB．L．，etal．Theinstreamflowincrementalmethodology:aprimerforIFIM[M]．NationalE-cologyResearchCenter，InternationalPublication，F(xiàn)ortCollins，Colorado，USA，1994，99．

[9] 董哲仁,河流形態(tài)多樣性與生物群落多樣性[J].水利學報,2003,(11):1- 7.

[10]BoveeKD.Developmentandevaluationofhabitatsuitabilitycriteriaforuseintheinstreamflowincrementalmethodology[M].NationalEcologyCenter,DivisionofWildlifeandContaminantResearch,FishandWildlifeService,USDepartmentoftheInterior,1986.

[11] 鄧 云.大型深水庫的水溫預(yù)測研究[D].成都:四川大學,2003.

Research on Reservoir Ecological Operation Method Based on Spawning Period Habitat Requirements of Fish

FAN Cong-xiang1,LI Yong1,TANG Xi-liang2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulics&MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.ChinaThreeGorgesConstructionManagementCorporationLimited,Chendu610041,China)

In order to reduce the adverse ecological impact of hydraulic project on the reservoir area and downstream of the reservoir, and for the effective protection of fish spawning in the segment of water reduced due to the diversion of hydropower station, a method of reservoir ecological reoperation considering the requirements of fish spawning period habitat has been established which takes the requirements of fish spawning period habitat as the main ecological constraint factors, combining with Eco-hydraulics method, Eco-hydrological characteristics of the target species and the water temperature suitability. Based on the method, take the example of Gushui hydropower station, choose Schizothoraxlissolabiatus as the protection target, the reservoir ecological operation regime of the Gushui hydropower station was obtained. It retained the fluctuation and discharge pulse of the river, which stimulated Schizothoraxlissolabiatus to spawn, and give them a more appropriate hydrodynamic environment, it could increase the probability of spawning and protect the Schizothoraxlissolabiatus resources effectively.

Fish habitat；ecological operation；digital processing；water temperatur

2016-11-08

國家重點研發(fā)計劃“典型脆弱生態(tài)修復(fù)與保護研究”重點專項(2016YFC0502210)。

范驄驤(1990-)，男，四川自貢人，四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室環(huán)境與生態(tài)力學專業(yè)2014級在讀碩士研究生，主要從事生態(tài)水力學研究。

李 永，li_yong@scu.edu.cn。

TV

A

1001-3644(2017)02-0132-07