大藤峽運行后東塔產卵場魚類繁殖期水量調度控制指標研究

劉麗詩，王 麗，葛曉霞，譚細暢

(1.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江水利委員會水文水資源局，廣東 廣州 510611)

水利水電工程在完成其防洪、供水、發(fā)電及航運等綜合效益的同時，不可避免對河流生態(tài)系統造成不利影響，除了采取工程措施及管理措施避免或減緩不利影響外，開展水庫生態(tài)調度，已經成為大型河流生態(tài)恢復的一項重要舉措[1-2]。水庫生態(tài)調度的目標，是以維持河流健康可持續(xù)發(fā)展為總目標，其中包括維持河流生態(tài)系統完整性、生物多樣性、生物可持續(xù)性等[3]。在魚類繁殖期水量調度方面，國內外開展了多項研究。從20世紀90年代開始，國外研究人員在南非Clanwilliam大壩、美國科羅拉多河上的格倫峽大壩、澳大利亞墨累河流域、新西蘭Opuha大壩等開展了魚類繁殖期水量調度研究和實驗。國內在水庫生態(tài)調度研究實踐方面相對較晚，近年來，溪洛渡電站、三峽工程、錦屏一級、二級水電站、珠江西江干流等都開展了魚類繁殖期生態(tài)調度。其中，長江三峽工程2011年6月首次針對魚類自然繁殖實施生態(tài)調度試驗，促進了“四大家魚”等自然繁殖，拓展三峽工程綜合效益，提升三峽工程服務能力和需要[4]。珠江西江干流2016—2019年連續(xù)4年開展了魚類繁殖期生態(tài)調度試驗[5-6]，通過試驗研究西江東塔產卵場四大家魚卵苗量與水溫、洪水過程、流速等因子的關系，提高珠江流域生態(tài)調度精度。

大藤峽水利樞紐位于珠江水系西江流域黔江干流大藤峽出口弩灘處，該江段魚類資源非常豐富，既有多種國家重點保護魚類和珠江水系特有魚類，更是四大家魚、廣東魴等多種經濟魚類的主要棲息地，分布有多個重要的魚類產卵場，在流域內具有重要的生態(tài)保護地位[7]。大藤峽水利樞紐的建設可能對西江干流中游至河口段水文情勢、水生態(tài)環(huán)境，特別是對下游魚類繁殖的影響，一直都受到極大的關注。工程運行后，如何維持魚類產卵繁殖活動、保障魚類生活史的完整，是流域水生態(tài)保護必須面對的問題。為了緩解大藤峽水利樞紐運行對魚類繁殖的影響，本項研究根據大藤峽江段的魚類生活習性和產卵生境的分布情況，利用實測數據分析魚類早期資源量與水文特征值的相關關系，結合西江流域生態(tài)調度實踐經驗，推求出適宜刺激四大家魚產卵時水文過程，提出大藤峽水利樞紐在魚類繁殖期開展水量調度所需的控制指標要求，為大藤峽水利樞紐工程未來如何營造魚類產卵場適宜的生態(tài)水文過程，最大限度發(fā)揮東塔魚類產卵場魚類產卵功能提供技術參考。

1 東塔魚類產卵場棲息生境及調度目標魚類

1.1 東塔魚類產卵場棲息生境調查

東塔魚類產卵場(圖1)位于大藤峽壩下10 km，主要產卵魚類有草魚、青魚、鰱、鳙、鯉、鯪、赤眼鱒、卷口魚、鳊、斑鳠、鳡和盔鯰等，是珠江流域最大魚類產卵場，也是珠江流域魚類生物多樣性最為豐富的江段，有重要的經濟價值及水生生物資源保護價值[8]。

產卵場長約7 km，黔江、郁江、潯江在此匯流，生態(tài)景觀格局以“三江匯流、寬闊河谷”為主體，三江匯流提供了復雜多變的水文條件，尤其產卵場水域的急流、緩流、紊流、渦流等多樣性高，流場流態(tài)多樣。產卵場所在之處河道開闊，河心洲、河岸淺灘多布，且面積較大；魚類棲息地特征多樣，產卵場河道左右兩側地勢比較平緩，植被群落主要以灌木為主，產卵場岸帶植被的外延梯度變化多樣且構成相對穩(wěn)定。河道的中間出露水面上面的灘地上，主要以灌草為主，作為陸域生態(tài)系統與水域生態(tài)系統的天然交換場所，既可以作為魚類產卵的棲息地，又可作為魚類生存的餌料場地。

1.2 調度目標魚類選擇

魚類是河流生態(tài)系統中的主要生物類群，是維系河流生態(tài)健康的重點關注目標。魚類的產卵繁殖活動受河流水文情勢影響，一般規(guī)律為隨著徑流量的增加，伴隨水位上漲、流速加快，將會刺激魚類的性腺發(fā)育，誘導魚類的產卵活動發(fā)生，一方面徑流量增加和流速加快可保證受精率、胚胎發(fā)育，使漂流性的魚卵可以得到充分的漂流孵化，另一方面漲水后可使仔稚魚有豐富的餌料生物，從而保證仔稚魚有較高的成活率。相關研究表明，四大家魚產卵類型屬典型的產漂流性卵的魚類，是對水文情勢刺激最為敏感、對水文情勢要求最為苛刻的種類，從已經實施的生態(tài)調度研究及試驗來看，四大家魚與調度洪峰等相關性非常明顯，根據2013—2017年三峽水庫生態(tài)調度期間在長江中游監(jiān)利江段魚類早期資源調查結果[9-11]，四大家魚卵苗量與流量增長率呈顯著正相關；2018年6月漢江中下游梯級聯合生態(tài)調度期間，漢川江段的出現一次魚類產卵高峰中，四大家魚魚卵占家魚卵總徑流量的85.5%，表明生態(tài)調度對四大家魚的繁殖具有積極作用[12-13]。因此，以四大家魚生態(tài)需求進行調度，不僅能夠促進四大家魚的產卵繁殖，也可以誘導與洪峰關系緊密的其他魚類的繁殖。

2 東塔產卵場魚類繁殖期水量調度控制指標分析

2.1 水文特征指標篩選

生態(tài)調度控制指標分析是確定調度期生態(tài)保護目標和調度目標流量過程的基礎。魚類產卵繁殖的影響因子很多，包括水文、生態(tài)以及其他等諸多方面，作用過程和影響程度各不相同，且往往很多影響因子疊加交叉，定量化識別十分困難。

根據國內外對四大家魚自然繁殖生態(tài)水文指標研究的研究成果，結合近年來在東塔魚類產卵場開展的生態(tài)需水研究[14-15]，選取2008—2012年共30場實測的東塔四大家魚卵苗量與場次洪水的起始流量、起始水位、洪水過程平均流量、洪峰水位、流量漲幅、日水位增幅、漲水歷時、洪水漲率序列進行統計分析，將數據系列進行無量綱化，計算前者與后者序列差值(絕對值)、最大值、最小值等，確定分辨系數為0.15，并計算各指標序列對卵苗量序列的關聯系數，最終求得其關聯度，結果見表1。

表1 各指標對卵苗量的關聯度ri

灰關聯度從大到小為：流量漲幅>平均流量>洪水日漲率>日水位增幅>漲水歷時>起始流量>洪峰水位>起始水位。由計算結果可見，東塔四大家魚卵苗量與所選取的水文特征值均存在較大的關聯度，表明水文水動力條件是誘發(fā)四大家魚自然繁殖的必要因素。相對而言，流量漲幅、洪峰流量和洪水漲率3個指標可能對四大家魚產卵具有較為重要的影響，宜作為主要指標進行重點分析。

2.2 魚類卵苗量和水文特征值的關系分析

根據灰關聯度分析結果，選擇四大家魚卵苗量與洪水過程平均流量、洪水日漲率、流量漲幅3個水文要素的相關關系進行詳細分析。另外，四大家魚卵苗量與起始流量、漲水歷時同樣存在較大關聯性，但從現有成果和西江干流實際觀測數據分析，能監(jiān)測到一定規(guī)模以上的卵苗汛過程時，所對應的場次洪水起始流量、漲水歷時均在一定數值以上，且四大家魚卵苗量隨起始流量、漲水歷時增加而增加的趨勢并不明顯，因此，選擇分析四大家魚卵苗汛時的起始流量和漲水歷時臨界值作為約束性指標。

另外，現有相關研究成果一般認為水溫是觸發(fā)魚類產卵的最重要的約束性指標之一，低于某一特定水溫時，親魚大量產卵行為不發(fā)生。根據現有成果和西江干流實際觀測數據分析，相比洪水過程各相關指標，四大家魚產卵時的水溫范圍變動相對較小，且低于一定水溫時，魚類不產卵，導致數據序列不連續(xù)，同時水溫與上述其他指標類別不同，不適宜共同采用多元分析方法進行主要控制指標篩選。因此，鑒于水溫對魚類產卵的重要影響以及分析方法的差異，直接將水溫作為生態(tài)調度的主要控制指標之一。

2.2.1卵苗量與場次洪水平均流量關系

通過描繪2008—2012年共30場實測四大家魚卵苗量(下同)與大湟江口場次洪水平均流量關系散點圖(圖2)，兩者相關系數R值大于0.5，表明卵苗量與洪水平均流量關聯度較大，且兩者總體呈正比趨勢。從實測數據可以看出，場次洪水平均流量大于3 200 m3/s時開始有四大家魚卵苗量，平均流量5 000 m3/s以上開始有較大規(guī)模的卵苗量。從卵苗量的分布看，四大家魚卵苗量集中分布在平均流量7 000～9 000 m3/s區(qū)間。

2.2.2卵苗量與洪水日漲率關系

通過描繪四大家魚卵苗量與洪水日漲率關系散點圖(圖3)可以看出，兩者相關系數R值大于0.5，兩者關系整體呈正比趨勢，較大規(guī)模卵苗量主要集中在日漲率1 200～2 000 m3/s的區(qū)間內。

2.2.3卵苗量與洪水漲幅關系

通過描繪四大家魚卵苗量與大湟江口場次洪水漲幅關系散點圖(圖4)可以看出，兩者相關系數R值大于0.5，兩者關系總體呈正比趨勢，較大規(guī)模卵苗量主要集中在漲幅7 000～13 000 m3/s的區(qū)間內。

2.2.4卵苗量與起漲流量的關系

通過描繪四大家魚卵苗量與場次洪水起漲流量散點關系(圖5)可以看出，兩者相關關系系數R不足0.5，兩者關聯度相對較小。從30場監(jiān)測到卵苗量的洪水過程來看，較大規(guī)模卵苗量起漲流量在3 000～8 760 m3/s，起漲流量低于3 000 m3/s，未監(jiān)測到四大家魚卵苗量。

2.2.5卵苗量與洪水天數、漲水歷時的關系

根據大湟江口多年統計數據，流量上漲的多年平均天數為3.07 d，退水天數為4.73 d。從2008—2012年共30場監(jiān)測到卵苗量的洪水過程來看，實測卵苗量范圍在7.1～115 700百萬尾之間，單峰洪水過程總天數一般7～15 d，漲水歷時4～9 d；雙峰洪水過程總天數16～29 d，前峰過程總天數一般7～15 d，前峰漲水歷時一般4～7 d。

2.2.6卵苗量與水溫的關系

根據長江流域研究成果，四大家魚產卵最低水溫為18℃，珠江流域氣溫整體高于長江流域，采用有卵苗量同步測驗的32場洪水過程統計(圖6)可以看出，大湟江口平均水溫低于22.4℃時，四大家魚卵苗量很少或為零，較大規(guī)模卵苗量主要集中在水溫為24～28℃之間，分布中心點為25.7℃，左右對稱收斂，由此推斷26.7℃是珠江水系四大家魚的適宜繁殖水溫。東塔魚類產卵場4月底至5月初水溫達到22.4℃以上，水溫25.7℃一般出現在6—7月。

2.3 推薦控制指標

根據魚類卵苗量與水文特征值的相關關系分析結果可知，四大家魚卵苗量一般發(fā)生在起漲流量大于3 000 m3/s、漲水歷時大于4 d、河道水溫大于22.4℃以上的場次洪水過程，且較大規(guī)模的卵苗量集中分布在場次洪水平均流量達到7 000～9 000 m3/s、洪水日漲率達到1 200～2 000 m3/s、洪水漲幅7 000～13 000 m3/s的區(qū)間范圍內的洪水過程。

考慮大藤峽水利樞紐下游江段控制斷面流量大于20 000 m3/s時要以防洪調度為主的要求，所推薦的控制指標峰值應控制在20 000 m3/s以下。四大家魚卵苗量所適宜的流量過程模擬以起漲流量、流量漲幅、洪水天數及漲水歷時作為主要控制指標，起漲流量控制在3 500 m3/s以上，場次洪水平均流量控制在5 000 m3/s以上，漲率控制在1 000 m3/s以上，漲幅2 800 m3/s以上；漲水天數為4 d；退水時間需首先滿足魚卵孵化時間所需要的36～72 h，從偏安全考慮，確定退水天數為3 d；退水流量需保證魚卵漂浮不下沉，相應沿程流速需保證0.25 m/s以上，結合大藤峽水利樞紐以下江段的數模計算結果，流量應保證在3 500 m3/s以上。綜上所述，分別選擇起漲流量為3 500 m3/s左右，漲率選擇600 ～1 000、1 000 ～2 000、2 000 ～3 000 m3/s，漲水天數均為4 d、退水天數為3 d的低、中、高3次流量過程(表2)。

根據大湟江口水文站2007—2013年逐日水文統計分析，4月中下旬至5月上旬以后，水溫均在22.4℃以上(僅2011年5月16—19日水溫略低于22.4℃，期間最低水溫為22℃)。從水溫的角度，東塔魚類產卵場魚類繁殖期水量調度時機最早出現在4月中下旬，5月中旬以后均可滿足水溫要求。

表2 大湟江口高中低不同流量級下的流量過程 單位：m3/s

2.4 控制指標出現頻次分析

根據高中低流量級下產卵場斷面流量過程，對大湟江口水文站1956—2013年的實測逐日流量系列進行統計，分析每年4—7月大湟江口水文站分別滿足高流量、中流量、低流量級過程的次數。結果表明，大湟江口水文站平均每年發(fā)生滿足高、中、低流量級的流量過程次數為3.0次，其中高流量級為1.8次，中流量級0.6次，低流量級0.6次。發(fā)生滿足流量過程次數最多的是1981年，共發(fā)生5次；發(fā)生滿足流量過程次數最少的是1977年，僅有1次小洪水過程滿足要求。4、5、6、7月滿足流量過程的次數分別為12、59、66、32次。

對滿足高、中、低流量過程不同次數的比例進行統計，發(fā)現在70年的統計數據中，每年出現3次滿足高、中 、低流量過程的比例最大，占比48%，其次是每年出現2、4次過程，分別占比28%和21%。對于不同流量級，每年出現高流量級的次數主要為1～2次，占比達81%，出現3次的比例為15%；每年出現中流量級的次數主要為0～1次，占比達90%，出現2次的比例為10%；每年出現低流量級的次數主要為0～1次，占比93%，出現2次的比例7%?？梢钥闯觯箐医谒恼久磕瓿霈F符合高、中、低流量過程的次數在1～5次，以每年出現3次的比例最高，且以高流量過程為主；出現的月份主要在5—6月，其次是7月，4月較少出現符合高、中、低流量過程。

3 大藤峽水利樞紐魚類繁殖期水量調度要求

自2016年起，珠江委連續(xù)開展西江干流生態(tài)調度方案試驗。根據調度實踐經驗，表明四大家魚等主要魚類產卵繁殖需一個漲退水過程，每次過程歷時約9 d，每年出現頻次1～5次，以3次為主，漲退水過程的適宜流量在3 500～15 000 m3/s；當沒有適宜的漲退水過程時，即使流量大于3 000 m3/s，亦未能監(jiān)測到大規(guī)模的四大家魚產卵行為。綜合魚類卵苗量與水文特征值的分析結果、近年西江干流魚類繁殖期生態(tài)試驗調度結果，建議大藤峽水利樞紐的調度要求如下。

3.1 調度流量指標要求

大藤峽水利樞紐位于東塔魚類產卵場上游10 km，是距離東塔產卵場最近的流域控制性工程，可作為流域生態(tài)調度的重要節(jié)點，在生態(tài)調度期間使大湟江口斷面流量過程滿足調度目標要求，即具體調度目標分為3個流量級，洪峰流量分別為5 000～8 000、8 000～12 000、12 000～15 000 m3/s的低、中、高流量級調度過程，且以中、高流量級的調度過程為佳。具體調度過程控制要求如下：大湟江口流量達到3 500 m3/s以上，漲水天數至少為4 d，漲水階段流量的日均漲率需達到1 000 m3/s以上，退水階段退水天數不小于3 d，魚卵漂程范圍內流速大于0.25 m/s(對應大湟江口流量不小于3 500 m3/s)。

3.2 調度時間要求

根據歷史文獻記載的四大家魚主要產卵季節(jié)確定調度時間為每年的4—7月，但從4月水溫統計數據可以看出，4月水溫總體偏低，一般要到4月底才能達到四大家魚最低適宜產卵水溫；從歷史實測流量系列統計數據看，4月出現滿足調度流量過程要求的次數僅為12次，僅占總次數的7.1%；從2016年起連續(xù)3年的試驗調度情況看，每年的試驗調度均在5月以后才有適宜的來水開展試驗調度。因此建議在每年的5—7月，預報上游有適宜的漲水過程時，開展大藤峽水利樞紐工程魚類繁殖期水量調度。

3.3 調度頻次要求

從大湟江口水文站滿足高、中、低流量過程次數統計結果可以看出，每年出現滿足高、中、低流量級過程的次數主要為2～3次，且以高流量過程為主，綜合歷史統計結果，在實施魚類繁殖期調度時，結合每年來水情況，建議調度次數2～3次為宜；若遭遇特枯年份，流域持續(xù)無明顯漲水過程，建議在每年7月下旬開展一次低流量級過程調度。

4 結論與建議

4.1 結論

本研究針對大藤峽水利樞紐壩下東塔魚類產卵場，選擇了對水文情勢最為敏感的四大家魚作為調度目標魚類，結合近年來珠江委等單位在西江干流所開展的魚類早期資源量監(jiān)測數據，詳細分析東塔產卵場魚類早期資源量與水文特征值的相關關系，分別推求出能刺激四大家魚產卵時的適宜水文過程，最終推薦大藤峽水利樞紐在魚類繁殖期水量調度要求：在每年的5—7月，當大湟江口流量達到3 500 m3/s以上，且預報上游有適宜的漲水過程時，開展大藤峽水利樞紐工程魚類繁殖期生態(tài)調度；調度時應控制大湟江口流量漲水天數至少為4 d，漲水階段流量的日均漲率達到1 000 m3/s以上，退水階段退水天數不小于3 d，并控制魚卵漂程范圍內流速大于0.25 m/s(對應大湟江口流量不小于3 500 m3/s)；結合每年來水情況，建議調度次數2～3次為宜；若遭遇特枯年份，流域持續(xù)無明顯漲水過程，建議在每年7月下旬開展一次低流量級過程調度。

4.2 建議

魚類繁殖期水量調度應在確保防洪安全的前提下實施，統籌兼顧電力供應、航運交通等多方需求，形成滿足目標魚類繁殖期需求的流量過程。

加強大藤峽水利樞紐影響范圍內河段的水文、水動力和水生態(tài)等多要素綜合性監(jiān)測，不斷積累基礎數據，深入研究本江段主要魚類洄游、產卵及發(fā)育所需的生境條件，使生態(tài)調度逐步從單一的滿足代表性魚類繁殖需求，向構建以魚類多樣性保護為主的健康河流生境方向轉變。