山區(qū)彎曲河道魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度的分布特征*

鐘 亮，戴思遙,廖尚超

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

天然河道大多數(shù)是彎曲的，由主流和二次流疊加形成的彎道水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]，尤其在山區(qū)河道彎曲段，其獨(dú)特的河道形態(tài)和水流結(jié)構(gòu)直接影響生物多樣性[2]，也為魚類產(chǎn)卵棲息提供了較為理想的場(chǎng)所。魚類生活棲息地包括產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、越冬場(chǎng)以及連接不同生活階段水域的洄游通道等(簡(jiǎn)稱“三場(chǎng)一通道”)[3]，其中產(chǎn)卵場(chǎng)是重要且敏感的魚類棲息場(chǎng)所。開展山區(qū)彎曲河道魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度的分布特征研究，對(duì)河道魚類資源保護(hù)和生態(tài)航道工程建設(shè)等具有重要意義。現(xiàn)有魚類產(chǎn)卵生境指標(biāo)體系方面的研究成果[4-5]，為產(chǎn)卵棲息地適宜度問(wèn)題研究提供了科學(xué)依據(jù)。目前，魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度問(wèn)題的研究已取得一定進(jìn)展：易雨君等[6]建立了四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度模型，討論不同水文背景下的產(chǎn)卵場(chǎng)適宜度；王煜等[7]分析了大壩泄流方式與四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度的相關(guān)性；李永等[8]探討了魚類產(chǎn)卵生境面積隨河道流量的變化特征；童朝鋒等[9]、易亮等[10]、常留紅等[11]研究了航道整治工程對(duì)魚類棲息環(huán)境的影響。在彎曲河道魚類棲息地適宜度研究方面，Krieger等[12]評(píng)估了鱘魚產(chǎn)卵棲息地的質(zhì)量，認(rèn)為在彎道及流速變化較大區(qū)域其產(chǎn)卵棲息地適宜度較高；Macura等[13]建立了彎曲河道中鮭魚的生境適宜度曲線，討論鮭魚生境適宜度與水深、流速間的響應(yīng)關(guān)系；Parsapour等[14]、Harrison等[15]分析了山區(qū)河道形態(tài)變化對(duì)魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度的影響，探討兩者的相關(guān)性?？傮w而言，目前魚類(四大家魚)產(chǎn)卵棲息地適宜度問(wèn)題研究仍不充分，針對(duì)山區(qū)彎曲河道的研究成果依然較少，彎曲河道中魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度的分布特征及其隨流量的變化規(guī)律等問(wèn)題還有待探討。

本文以長(zhǎng)江上游中盤子彎曲河段為例，以淡水養(yǎng)殖中重要經(jīng)濟(jì)魚類四大家魚為代表，基于平面二維水流數(shù)值模擬資料，探討山區(qū)彎曲河道魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度指標(biāo)隨流量的變化特征，分析適宜度指標(biāo)在彎道中的分布規(guī)律。研究成果將有助于豐富彎曲河道魚類產(chǎn)卵棲息地適宜度分布問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，并可為山區(qū)河道魚類資源保護(hù)和生態(tài)航道工程建設(shè)等提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 研究資料

中盤子河段位于長(zhǎng)江上游，航道里程854～857 km，整個(gè)河勢(shì)呈彎曲河道形態(tài)(圖1)，彎道中心角約69°，凸岸和凹岸的彎曲半徑分別約為1.1 km和2.2 km。彎道進(jìn)口為順直段，在雙線子附近右轉(zhuǎn)形成急彎，凹岸有中盤子、對(duì)窩灘等石梁突伸江中，岸線抗沖能力強(qiáng)，限制橫向沖刷發(fā)展，水流下切在礁石頭部沖刷形成深槽；在彎道環(huán)流的作用下，表流沖向凹岸，泥沙則隨底流輸移至凸岸，在凸岸淤積形成狹長(zhǎng)形分布的卵石邊灘。中盤子河道兩岸礁石密布，岸線極不規(guī)則，航槽彎窄，具有山區(qū)彎曲河道的典型特征。中盤子河段下游12.8 km有長(zhǎng)江支流赤水河入?yún)R，赤水河于貴州赤水市設(shè)有水文站，下游13.2 km有合江水位站，下游48 km有長(zhǎng)江朱沱水文站(航道里程806 km)，上述測(cè)站水文資料相對(duì)豐富，對(duì)研究河段的水文條件有較為完整的控制。

圖1 中盤子河段河勢(shì)

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展研究，模型的基本控制方程見式(1)～(3)。方程時(shí)間離散采用有限差分法，空間離散采用有限單元法，離散區(qū)域內(nèi)采用6節(jié)點(diǎn)三角形等參單元，利用Newton-Raphson迭代法求解離散后的非線性代數(shù)方程。

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

y方向水流運(yùn)動(dòng)方程:

(3)

式中：z為水位；t為時(shí)間；h為水深；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；g為重力加速度；n為曼寧糙率系數(shù)；νt為渦流黏性系數(shù)，采用零方程模型確定，νt=(0.6±0.3)u*h，u*為摩阻流速，當(dāng)遇急彎或斷面急劇變化時(shí)νt取大值。當(dāng)水流為恒定流時(shí)，各式中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)取為0。

河道水流數(shù)值模擬基于2015年3月實(shí)測(cè)的工程河段地形(測(cè)圖比尺1:2 000，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，1954北京坐標(biāo)系)，考慮彎道進(jìn)出口順直段的長(zhǎng)度要求，取計(jì)算區(qū)域航道里程853～858 km，河段長(zhǎng)約5 km，計(jì)算網(wǎng)格采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共31 245個(gè)單元，63 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格邊長(zhǎng)約15 m。進(jìn)口流量采用朱沱水文站和赤水水文站實(shí)測(cè)流量的差值，出口水位綜合考慮朱沱水文站和合江水位站水位，由一維水流數(shù)學(xué)模型推算得到。模型驗(yàn)證采用工程河段洪、中、枯多級(jí)流量下的實(shí)測(cè)水面線和流速流向資料，經(jīng)率定得到工程河段各級(jí)流量下的綜合糙率在0.031 3～0.034 7之間。模型驗(yàn)證結(jié)果[16]顯示，計(jì)算和實(shí)測(cè)水面線的走勢(shì)相同，水位偏差在±0.10 m以內(nèi)；流速大小、分布以及最大值和最小值的位置均與實(shí)測(cè)資料吻合較好，流量偏差控制在±5%以內(nèi)；數(shù)模計(jì)算的流場(chǎng)流向與浮標(biāo)跡線走向較為一致。綜上，本文建立的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算精度滿足JTS/T 231-4—2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，可用于下一步研究。

為系統(tǒng)分析中盤子河段四大家魚棲息地適宜度指標(biāo)的變化規(guī)律，數(shù)模計(jì)算選取包括枯水流量和中水流量在內(nèi)的多級(jí)流量，計(jì)算工況見表1。

表1 數(shù)模計(jì)算工況參數(shù)

1.2 分析方法

根據(jù)現(xiàn)有研究，產(chǎn)卵棲息地適宜度可用流速適宜度SV、水深適宜度SD、棲息地適宜指數(shù)SH和微生境適應(yīng)性面積SA等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為

SHi=SVi×SDi

(4)

(5)

式中：SVi、SDi、SHi分別表示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i的流速適宜度、水深適宜度和棲息地適宜指數(shù)，SVi、SDi、SHi均為0～1之間的無(wú)量綱數(shù)值；SVi、SDi根據(jù)平面二維水流數(shù)值模擬獲得的節(jié)點(diǎn)i流速和水深，通過(guò)四大家魚水深和流速適宜性曲線[17]確定；SHj為第j單元中心的棲息地適宜指數(shù)，根據(jù)該單元6個(gè)節(jié)點(diǎn)的SHi插值計(jì)算得到；Aj表示第j單元的水表面面積；n為單元總數(shù)；SA為根據(jù)SHj加權(quán)計(jì)算得到的微生境適宜性面積。

2 適宜度指標(biāo)隨流量的變化特征

2.1 棲息地適宜度指數(shù)

在復(fù)雜彎道水流的作用下，河道往往會(huì)形成具有邊灘和深槽的橫斷面形態(tài)，該斷面形態(tài)在彎道出口附近尤為明顯。下面以彎道出口附近(彎角65°)的典型橫斷面為例進(jìn)行分析，圖2給出該斷面適宜度參數(shù)隨流量的變化。結(jié)果顯示：

1)枯水流量時(shí)(工況1)，凹岸邊灘基本不過(guò)流，流速適宜度SV總體為0，灘槽交互區(qū)的SV逐漸增大，至深槽處SV接近于1，該區(qū)域具有較適合魚類產(chǎn)卵棲息的流速。流量增大后(工況2～4)，深槽SV呈逐漸減小的趨勢(shì)，SV最大值出現(xiàn)的位置逐漸由灘槽交互區(qū)向凹岸邊灘轉(zhuǎn)移。流量繼續(xù)增大(工況5～6)，河道流速明顯增加，深槽SV基本為0，邊灘SV沿兩岸方向逐漸增大，SV較大值主要出現(xiàn)在河道兩側(cè)的邊灘附近。

2)水深適宜度SD在邊灘和深槽也呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。當(dāng)流量較小時(shí)(工況1)，深槽處具有較適合魚類產(chǎn)卵棲息的水深，流量增大后(工況2～6)，河道水位抬高，深槽水深增大，逐漸超出魚類產(chǎn)卵棲息的最適宜水深，SD呈逐漸減小的趨勢(shì)。邊灘處SD變化趨勢(shì)與深槽總體相反，SD經(jīng)歷了“先增大后減小”的變化過(guò)程；流量較小時(shí)(工況1)，邊灘水深不足，SD較小；流量增大后(工況2～5)，邊灘水深增加，SD相應(yīng)增大；但流量增加到一定程度后(工況6)，邊灘水深超過(guò)魚類產(chǎn)卵棲息的最適宜水深，SD將會(huì)變小。

3)棲息地適宜指數(shù)SH體現(xiàn)了流速適宜度SV和水深適宜度SD的綜合作用。流量較小時(shí)(工況1)在深槽處SH接近1，隨流量增大深槽處SH逐漸減小，邊灘處SH隨流量的增大呈“先增大后減小”的變化趨勢(shì)；當(dāng)水深較小時(shí)，適于魚類產(chǎn)卵棲息的區(qū)域主要集中在深槽；流量增大后，該區(qū)域逐漸向河岸遷移。

綜上所述，適于魚類產(chǎn)卵棲息的區(qū)域?qū)㈦S流量的變化而在深槽和邊灘之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，小流量下該區(qū)域多居深槽，流量增大后該區(qū)域多居邊灘?？傮w上看，多年平均流量下(工況3)，SH> 0.8的河寬最大，表明該流量下魚類產(chǎn)卵棲息條件最好。

圖2 適宜度參數(shù)隨流量的變化

2.2 微生境適宜性面積

系用1.2節(jié)的方法計(jì)算河道區(qū)域各單元的棲息地適宜指數(shù)SH后，即可統(tǒng)計(jì)大于某SH值的面積AH。由于面積值與河道長(zhǎng)度有關(guān)，統(tǒng)計(jì)時(shí)已將面積值轉(zhuǎn)換為1 km長(zhǎng)度的數(shù)值。圖3a)給出各計(jì)算工況下大于某SH的面積AH變化。可見，AH隨SH的增大而減小，遞減變化趨勢(shì)隨流量的增大呈現(xiàn)“緩慢→加快→緩慢”的過(guò)程，河段流量5 650 m3/s ≤Q≤ 11 120 m3/s時(shí)(工況2～4)，AH隨SH總體接近線性遞減變化，遞減速度較其余流量時(shí)更快。圖3b)進(jìn)一步給出SH> 0.8所對(duì)應(yīng)面積AH隨流量Q的變化。結(jié)果表明，AH隨流量Q呈“先增大后減小”的變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在多年平均流量(工況3)附近，中水時(shí)期的面積最大。

根據(jù)式(5)可計(jì)算由SH加權(quán)得到的微生境適宜性面積SA。圖3c)給出SA隨流量Q的變化，與AH隨流量Q的變化趨勢(shì)相似，SA隨流量Q也呈“先增大后減小”的變化特征，SA峰值出現(xiàn)在多年平均流量附近，中水時(shí)期微生境適宜面積最大。

圖3 微生境適宜性面積隨流量的變化

3 適宜度指標(biāo)在彎道中的分布規(guī)律

前述研究得出最適于魚類產(chǎn)卵棲息的流量為多年平均流量(工況3)。因此，本節(jié)以多年平均流量為例，從適宜度指標(biāo)的總體分布及其隨彎道中心角和橫向位置的變化等方面，進(jìn)一步分析適宜度指標(biāo)在彎道中的分布規(guī)律。

3.1 適宜度指標(biāo)的總體分布

圖4給出多年平均流量下的流速適宜度SV、水深適宜度SD和棲息地適宜指數(shù)SH分布云圖。結(jié)果顯示：1)SV值較大區(qū)域主要出現(xiàn)在河道兩側(cè)區(qū)域，尤其在凹岸中盤子石梁和凸岸鼓眼磧邊灘附近的SV值較大，一般大于0.8，水流流速較適合魚類產(chǎn)卵棲息。2)凹岸中盤子石梁和凸岸雙線子、鼓眼磧邊灘等處因水深較小，SD值較小，在0.4～0.6；此外，河道內(nèi)其余區(qū)域的SD值接近1，魚類產(chǎn)卵棲息具有較好的水深條件。3)SH的分布

圖4 適宜度參數(shù)的分布云圖

與SV總體相似，較大值的出現(xiàn)位置也基本吻合，這是由于在多年平均流量下，河道內(nèi)具有較適于魚類產(chǎn)卵棲息的水深(SD值較接近1)，SH主要受SV影響，因而兩者分布規(guī)律具有一致性。

3.2 隨彎道中心角的變化

圖5給出多年平均流量下河道凹岸、深泓和凸岸3個(gè)縱剖面的適宜度參數(shù)沿程變化。分析表明：1)受石梁凸嘴等局部地形影響，凹岸剖面地形呈鋸齒狀，高程起伏變化復(fù)雜，流速適宜度SV、水深適宜度SD和棲息地適宜指數(shù)SH沿程分布波動(dòng)明顯，SV、SD和SH的平均值分別為0.668、0.204和0.133。2)河道深泓剖面的水深適宜度SD均為1，SV和SH的沿程分布重合，平均值為0.529。3)凸岸剖面地形沿程變化相對(duì)平緩，SV、SD和SH的沿程波動(dòng)也較凹岸減弱，平均值分別為0.845、0.110和0.093。4)比較而言，河道兩岸的SV較大，具有較適于魚類產(chǎn)卵棲息的流速條件；中部深泓的SD較大，SH也明顯大于兩岸，魚類產(chǎn)卵棲息適宜度更好。5)凹岸及凸岸的SD、SH之間均具有一定的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.57和0.91，SH隨SD呈線性遞增變化趨勢(shì)。

圖5 適宜度參數(shù)沿程變化

3.3 隨橫向位置的變化

圖6給出多年平均流量下彎道進(jìn)口、中部和出口3個(gè)橫剖面的適宜度參數(shù)沿河寬變化。結(jié)果顯示：1)各斷面的水深適宜度SD沿河寬分布呈“兩端小、中間大”的特征，SD平均值分別為0.944、0.920和0.916，斷面中部SD基本呈水平線分布，數(shù)值約為1，兩岸SD驟然減小。2)SV、SH沿河寬分布總體重合，數(shù)值差異主要體現(xiàn)在兩岸附近；彎道進(jìn)口斷面SV、SH的平均值分別為0.636和0.593，沿河寬呈“M”狀分布，斷面兩岸及深泓處的SV、SH最??；中部斷面SV、SH的平均值分別為0.643和0.575，沿河寬呈“S”狀分布，凹岸邊灘中部SV、SH最大，深槽附近SV、SH最??；出口斷面SV、SH的平均值分別為0.756和0.692，沿河寬的分布形狀及最大值、最小值出現(xiàn)位置與中部斷面基本一致。3)各斷面河道深泓處SH值分別為0.316、0.324和0.511，SH> 0.8的區(qū)域主要集中在河道兩岸和凹岸邊灘，該區(qū)域較適于魚類產(chǎn)卵棲息。

圖6 適宜度參數(shù)沿河寬變化

山區(qū)彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，魚類產(chǎn)卵棲息適宜度研究尚處起步階段。本文初步探討四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度在彎道中的分布特征，今后可進(jìn)一步研究適宜度在彎道灘槽之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制，深化對(duì)魚類水力生境指標(biāo)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

1)隨著流量的變化，適于魚類產(chǎn)卵棲息的區(qū)域?qū)⒃谏畈酆瓦厼┲g轉(zhuǎn)化：小流量下適宜區(qū)域多居深槽，流量增大后適宜區(qū)域多居邊灘。

2)大于某棲息地適宜指數(shù)SH的面積AH隨SH的增大而減小，遞減變化趨勢(shì)與流量有關(guān)；微生境適宜性面積SA隨流量Q呈“先增大后減小”的變化特征，SA峰值出現(xiàn)在多年平均流量附近。

3)河道兩岸流速適宜度SV相對(duì)較大，中部深泓水深適宜度SD和棲息地適宜指數(shù)SH相對(duì)較大；凹岸及凸岸的SD、SH之間均具有一定的相關(guān)性，SH隨SD呈線性遞增變化趨勢(shì)。

4)多年平均流量下，彎道沿程各斷面的SD沿河寬分布呈“兩端小、中間大”的特征，SV、SH沿河寬分布總體重合，數(shù)值差異主要體現(xiàn)在兩岸附近；SH> 0.8的區(qū)域主要集中在河道兩岸和凹岸邊灘，該區(qū)域較適于魚類產(chǎn)卵棲息。