2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度對四大家魚生境面積的影響

白鳳朋 任玉峰 梅杰 梁志明 馬一鳴 楊中華

摘要：為量化生態(tài)調(diào)度對四大家魚生境面積的影響，2023年在三峽水庫開展了針對葛洲壩下游四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗，以葛洲壩至枝江江段為研究區(qū)域，選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個主要生境因子，建立了耦合平面二維水動力學模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評估模型，實現(xiàn)了產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時空分布的精細化模擬。結(jié)果顯示，2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度期間，約60%研究區(qū)域四大家魚產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，其產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積占研究區(qū)域總面積比例由30.45%增加至約55%；適宜四大家魚產(chǎn)卵區(qū)域（綜合適宜度指數(shù)0.6～1.0）明顯增加，占研究區(qū)域總面積比例由4.67%增加至約60%。研究表明，三峽水庫生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵的生境質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生態(tài)調(diào)度；四大家魚；適宜度指數(shù)；生境面積；三峽水庫

中圖分類號：X171.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）01-0112-08

水利工程的建成在帶來巨大經(jīng)濟效益與社會效益的同時，也不可避免地對河流生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響。水庫運行后，大壩下游河道的徑流過程發(fā)生了較大變化，特別是水庫蓄水后下游水文指標相較于蓄水前發(fā)生了改變，從不同的時空尺度上對下游魚類的群落結(jié)構(gòu)和自然繁殖造成了一定的影響（徐薇等，2019；屈霄等，2020）。生態(tài)調(diào)度通過改變大壩下泄流量，形成有利于魚類產(chǎn)卵的人造洪峰，從而促進魚類繁殖，被認為是減緩大壩運行對魚類繁殖不利影響的有效途徑（趙越等，2012；徐薇等，2014）。目前，國內(nèi)尤其是在長江流域通過水庫調(diào)度促進重要魚類自然繁殖已成為生態(tài)調(diào)度的主要目標，對于保護水生生物資源具有十分重要的意義（徐薇等，2020；戴凌全等，2022）。2011年以來，三峽水庫在保證防洪、發(fā)電和航運調(diào)度的基礎(chǔ)上，針對四大家魚繁殖的生物學特性制定并開展了合理的生態(tài)調(diào)度試驗。截至2023年，三峽水庫已連續(xù)13年開展了20次水文過程生態(tài)調(diào)度，一定程度上減緩了大壩運行對魚類自然繁殖的不利影響（李博等，2021；徐薇等，2023）。

生境面積是反映魚類生存空間的直接指標，水庫的建設(shè)和運行導致魚類生境面積縮小、破碎化程度增加、連續(xù)性及完整性下降（周湖海等，2019；Li et al，2016）。相關(guān)研究表明，生境面積的大小變化與魚類產(chǎn)卵數(shù)量的變化趨勢較為一致（Zhang et al，2018；Baumgartner et al，2020），說明生境面積在很大程度上影響了魚類產(chǎn)卵分布和數(shù)量。因此，通過生態(tài)調(diào)度試驗改善魚類適宜的產(chǎn)卵生境面積是保證魚類產(chǎn)卵數(shù)量的前提條件，而生態(tài)調(diào)度試驗的效果也可以根據(jù)產(chǎn)卵生境面積的大小進行合理評估。目前，國內(nèi)外在這一研究領(lǐng)域已經(jīng)做了大量工作，并取得了一些進展，其中通過建立物理生境模擬模型來分析流量變化與生境面積的關(guān)系是當前的研究熱點。物理生境模擬模型耦合了水動力模型和物種適宜生境偏好模型，基于物種對不同因子的適宜性曲線計算生境適宜性指數(shù)，進而模擬不同流量下物種對生境的適宜程度及適宜生境面積大?。辉撃Ｐ驮陂L江流域及黃河流域的魚類生境模擬中得到了廣泛運用（郭文獻等，2011；孫嘉寧等，2013；王煜等，2016；王瑞玲等，2020；戴凌全等，2021）。

本文以葛洲壩至枝江江段為研究區(qū)域，建立了耦合平面二維水動力學模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評估模型，模擬三峽水庫生態(tài)調(diào)度期間研究區(qū)域內(nèi)四大家魚產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)的時空分布及適宜產(chǎn)卵生境面積變化情況，以期為三峽水庫下游四大家魚產(chǎn)卵繁殖生態(tài)調(diào)度提供理論參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域

葛洲壩壩址至枝江江段長約90 km，區(qū)域內(nèi)分布有胭脂壩、虎牙灘、宜都、枝城等四大家魚產(chǎn)卵場（圖1）。其中，宜昌?宜都產(chǎn)卵場（胭脂壩、虎牙灘、宜都）是長江中游典型的四大家魚產(chǎn)卵場，同時也是距離三峽?葛洲壩梯級水庫最近的四大家魚產(chǎn)卵場。

1.2? ?研究方法

基于有限體積Godunov格式建立研究范圍內(nèi)的平面二維水動力學模型，選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個主要生境因子，確定四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線。耦合平面二維水動力學模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線，構(gòu)建面向四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評估模型，運用編寫的Fortran程序計算評估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)（HSI）的時空分布及適宜生境面積情況。

1.2.1? ?平面二維水動力數(shù)學模型? ?（1）模型控制方程。由于本研究江段水平方向尺度遠遠大于垂直方向，所以適宜采用深度平均的平面二維淺水方程來描述區(qū)間水流特性：

[?U?t+?F?x+?G?y=S]

S = Sb [+] Sf [+] St? ①

Sb = [0gηSb，xgηSb，y] ， Sf = [0-gηSf，x-gηSf，y] ，

St = [0?（hTx，x）/?x+?（hTx，y）/?y?（hTy，x）/?x+?（hTy，y）/?y]? ②

式中：x、y分別表示二維笛卡爾坐標系的水平軸和垂直軸，U表示守恒向量，F(xiàn)、G分別表示x、y方向的對流通量向量，g為地球重力加速度，h為水深，zb為河床地形高程，η=h+zb表示水位，u、v分別為x、y方向上的流速分量，qx=hu表示x方向上的單寬流量，qy=hv表示y方向上的單寬流量；Sb表示地形源項向量，Sf表示摩阻源項向量，St表示紊流渦粘項向量。

水溫模型控制方程：

[?hT?t+?（huT）?x+?（hvT）?y=??xDx?（hT）?x+??yDy?（hT）?y-KshT] ③

式中：T為水溫，Dx和Dy為擴散系數(shù)，Ks散熱系數(shù)。

（2）數(shù)值算法。數(shù)值模型采用作者團隊研發(fā)的“基于Godunov型有限體積方法的平面二維水動力水溫數(shù)學模型”，模型詳細數(shù)值求解過程參考Zhu等（2018）。模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計算區(qū)域，共剖分10 230個三角形單元；采用宜昌水文站水位對模型進行參數(shù)率定和模型驗證，最大絕對誤差為0.20 m（表1）。

1.2.2? ?四大家魚棲息地適宜度曲線? ?四大家魚繁殖期產(chǎn)卵場的生境質(zhì)量將直接影響魚類資源，適宜性曲線的建立以棲息地適宜度指數(shù)為基礎(chǔ)，將四大家魚對棲息地的偏好性和生境因子之間的關(guān)系進行量化，用數(shù)值0～1定義四大家魚對生境因子的偏好，0表示完全不適宜，1表示完全適宜；取值越趨近于1，則表示四大家魚對此生境因子的偏好性越大。

一般情況下，影響四大家魚產(chǎn)卵繁殖的主要水文條件為水位漲落和水溫，河流水動力條件主要表現(xiàn)在流速、流態(tài)和水深方面，而回水、渦流等流態(tài)又與流速有關(guān)（柏海霞等，2014；林俊強等，2015）。本文主要研究水庫生態(tài)調(diào)度方案下水文水動力條件對于四大家魚產(chǎn)卵生境面積的影響，因此主要從水位變幅、水深、流速和水溫4個生境因子構(gòu)建四大家魚產(chǎn)卵繁殖的適宜度曲線。目前，國內(nèi)學者對長江中游河段四大家魚產(chǎn)卵的水位變幅、水深、流速和水溫等適宜度曲線已進行了相關(guān)研究（李建和夏自強，2011；易雨君和樂世華，2011；李建等，2013），綜合比較選定的各適宜度曲線如圖2所示。四大家魚產(chǎn)卵的最適水位日漲幅≥0.25 m，最適水深為3～12 m，最適流速為0.6～1.3 m/s，產(chǎn)卵盛期水溫為21～24℃。

1.2.3? ?評估指標? ?（1）產(chǎn)卵綜合適宜度。根據(jù)所建立的產(chǎn)卵適宜度曲線，采用幾何平均方法計算四大家魚的產(chǎn)卵綜合適宜度（Habitat Suitability Index， HSI），具體表達式如下：

HSI = （SIs × SId × SIv × SIt ）1/4? ④

式中：SIs為四大家魚產(chǎn)卵的水位變幅適宜度指數(shù)， SId為四大家魚產(chǎn)卵的水深適宜度指數(shù)，SIv為四大家魚產(chǎn)卵的流速適宜度指數(shù)，SIt為四大家魚產(chǎn)卵的水溫適宜度指數(shù)。

（2）加權(quán)可利用面積。結(jié)合水動力模型模擬計算結(jié)果，計算產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積（Weighted Usable Area，WUA），評價不同生態(tài)調(diào)度方案下的產(chǎn)卵棲息地生境質(zhì)量，計算公式如下：

WUA = [i=1nHSIi·Ai] ⑤

式中：HSIi為第i個網(wǎng)格的HSI值，Ai為第i個單元格的面積。

（3）產(chǎn)卵適宜等級面積占比。根據(jù)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)大小，將產(chǎn)卵生境劃分為3個等級，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)分別在[0，0.2）、[0.2，0.6）、[0.6，1.0]范圍內(nèi)，產(chǎn)卵生境質(zhì)量依次處于崩潰、不適宜、適宜等級（夏繼紅等，2022），產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)[≥]0.6的河段網(wǎng)格被認為是四大家魚產(chǎn)卵生境較為適宜的區(qū)域。

1.3? ?生態(tài)調(diào)度過程

2023年5月27日至6月3日，三峽水庫開展了年度首次針對葛洲壩下游四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗。5月27日三峽出庫流量按8 160 m3/s控制，從5月28日至6月3日持續(xù)7 d加大出庫流量，日均漲幅約1 400 m3/s；6月3日出庫流量加大至17 900 m3/s，本次生態(tài)調(diào)度試驗結(jié)束。生態(tài)調(diào)度過程如圖3所示。調(diào)度期間研究范圍內(nèi)的流量、水位和水溫模型輸入條件見表2。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時空分布

生態(tài)調(diào)度期間（5月27日至6月3日），產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時空變化情況如圖4所示。生態(tài)調(diào)度第1天（5月27日），評估區(qū)域內(nèi)平均流速為0.66 m/s，平均水深為6.37 m，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值為0.4，說明此時未充分達到四大家魚產(chǎn)卵所需要的水動力條件；生態(tài)調(diào)度第3天（5月29日），隨著出庫流量增大，胭脂壩、虎牙灘、宜都、枝城和枝江等江段流速和水深增加，出現(xiàn)了適宜四大家魚產(chǎn)卵的水動力條件，評估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)增加較快，均值達到0.75，適宜四大家魚產(chǎn)卵位置逐步向下游移動。生態(tài)調(diào)度后期，評估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值在0.8左右，維持在較高水平。

2.2? ?加權(quán)可利用面積變化

生態(tài)調(diào)度期間，葛洲壩至枝江江段產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積總體呈現(xiàn)穩(wěn)定增加的趨勢（圖5-a）。生態(tài)調(diào)度第4天（5月30日）達到峰值，約71.00 km2，調(diào)度后期維持在64.55～70.71 km2；產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積占研究河段總面積的比例由調(diào)度第1天的30.45%增加至調(diào)度后期約55%。調(diào)度最后一天（6月3日）產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積減少約5.3 km2，主要原因是三峽出庫流量較于前一天（6月2日）僅增加100 m3/s，水位增幅減少，未能滿足四大家魚產(chǎn)卵最適宜的漲水條件。

研究表明，葛洲壩至枝江江段適宜產(chǎn)卵生境（綜合適宜度指數(shù)0.6～1.0）的區(qū)域占評估范圍總面積占比增加較為明顯（圖5-b），由4.67%增加至約60%；不適宜產(chǎn)卵生境（綜合適宜度指數(shù)0.2～0.6）的區(qū)域占比明顯減少，由54.45%下降至約4%；產(chǎn)卵生境崩潰（綜合適宜度指數(shù)0～0.2）的區(qū)域面積變化較小，下降了約2%，主要分布在河道灘槽沒有過水的區(qū)域。通過生態(tài)調(diào)度，主要將研究范圍內(nèi)不適宜四大家魚的產(chǎn)卵生境轉(zhuǎn)換為適宜產(chǎn)卵的區(qū)域。

3? ?討論

3.1? ?生態(tài)調(diào)度能顯著改善四大家魚的產(chǎn)卵生境

2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度期間，葛洲壩至枝江江段約60%區(qū)域產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值由0.4增加至0.8；產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積最大值達到71.00 km2，占該江段總面積比例由30.45%增加至約55%；適宜產(chǎn)卵生境的區(qū)域明顯增加，占評估范圍總面積比例由4.67%增加至約60%。表明2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量。

3.2? ?生態(tài)調(diào)度水溫對四大家魚產(chǎn)卵效果的影響

水溫是影響四大家魚生命活動的主要因素，為了更好地理解水溫變化對四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜性的影響，本研究運用所建立的生境質(zhì)量評估模型對2種水溫情景下的四大家魚產(chǎn)卵生境進行模擬評估。

5月27日至6月3日生態(tài)調(diào)度期間，假設(shè)三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案不變、起調(diào)水溫采用宜昌江段5月平均水溫20℃，與實際生態(tài)調(diào)度（起調(diào)水溫為20.95℃）情景下的產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積對比如圖6所示。在生態(tài)調(diào)度期間，2種情景下產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積均有明顯的增加，占研究區(qū)域總面積的比例分別增加了25%和20%。相較于實際起調(diào)水溫情景，起調(diào)水溫下降至20℃情景下，適宜家魚產(chǎn)卵棲息的區(qū)域大幅度減小，產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積最大值由71.00 km2減少至59.69 km2，適宜生境等級區(qū)域的最高面積占比由60.58%降至53.88%（圖7）。

選擇2個情景下產(chǎn)卵綜合適宜面積最大的一天，即第4天（5月30日）進行起調(diào)水溫改變與實際生態(tài)調(diào)度下的空間差值分析，結(jié)果如圖8所示。相較于實際生態(tài)調(diào)度起調(diào)水溫20.95℃情景，起調(diào)水溫20℃情景下，幾乎所有區(qū)域的產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度為0.1～0.2。

綜上，四大家魚產(chǎn)卵受水溫影響較大，因此在進行水庫生態(tài)調(diào)度時必須考慮水庫下泄水溫度，建議三峽水庫在滿足四大家魚產(chǎn)卵最佳水溫條件下開展生態(tài)調(diào)度，以最大程度地提高四大家魚的產(chǎn)卵生境適宜度。

4? ?結(jié)論

（1）選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個主要生境因子，建立了耦合二維水動力學模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評估模型，實現(xiàn)了產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時空分布規(guī)律的精細化模擬。

（2）2023年三峽水庫生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量，適宜四大家魚產(chǎn)卵的區(qū)域面積明顯增加。

（3）四大家魚產(chǎn)卵受水溫影響較大，建議三峽水庫在滿足四大家魚產(chǎn)卵最佳水溫條件下開展生態(tài)調(diào)度。

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（責任編輯? ?萬月華）

Effect of Ecological Operation of Three Gorges Reservoir on Spawning Habitat

Area of the Four Major Chinese Carps

BAI Feng‐peng1，2，3， REN Yu‐feng4， MEI Jie5， LIANG Zhi‐ming4，

MA Yi‐ming4，YANG Zhong‐hua5

（1. Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan? ?430051， P. R. China；

2. Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan? ?430051， P. R. China；

3. Key Laboratory of River and Lake Governance and Flood Control of the Ministry of Water Resources，

Wuhan? ?430051， P. R. China；

4. China Yangtze Power Co.， Ltd， Yichang? ?443000， P. R. China；

5. State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，

Wuhan University， Wuhan? ?430072， P. R. China）

Abstract：Ecological operation of hydropower facilities is necessary to protect fishery resources and the effect of the ecological operation can be evaluated by monitoring the scale of spawning habitat for target fish species. From May 27 to June 3， 2023， an ecological operation experiment at Three Gorges Reservoir （TGR） was carried out， aiming to increase natural reproduction of the four major Chinese carps downstream of Gezhouba Dam， a run-of-the river dam below TGR at Yichang. In this study， a section of the Yangtze River from Gezhouba Dam to Zhijiang was investigated. The impact of ecological regulation on the spawning habitat area of the four major Chinese carps was estimated based on model simulations. The quality assessment model for spawning habitat was established by coupling a two-dimensional hydrodynamic model to the spawning habitat suitability index （HSI） curve. Four major habitat factors （water level amplitude， water depth， flow rate， and water temperature） were selected as model parameters. The spatial and temporal distribution of the comprehensive spawning HSI was simulated and the change in suitable spawning habitat area was analyzed. Results show that during ecological operation in 2023， the comprehensive spawning habitat suitability index increased by 60% in the study section， and the proportion of suitable spawning habitat area （weighted available area） increased from 30.45% to 55%. The areas suitable for spawning for the four major Chinese carps， with a comprehensive spawning habitat suitability index ranging from 0.6 to 1.0， have significantly increased from 4.67% to 60% of the total study area. In conclusion， the ecological regulation of Three Gorges Reservoir in 2023 significantly improved the quality of spawning habitat for the four major Chinese carps from Gezhouba dam to Zhijiang.

Key words：ecological operation; four major Chinese carps; suitability index; habitat area; Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-11-19

基金項目：國家重點研發(fā)項目（2021YFC3200304）；長江科學院開放研究基金（CKWV2019732/KY）；湖北省自然科學基金聯(lián)合基金（2022CFD169）；武漢市知識創(chuàng)新專項（2023020201010110）。

作者簡介：白鳳朋，1989年生，男，博士，高級工程師，主要從事流域水生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：bfp@whu.edu.cn

通信作者：楊中華，1977年生，男，博士，教授，主要從事環(huán)境水力學研究。E-mail：yzh@whu.edu.cn