棲息地適宜度理論在生態(tài)航道護(hù)岸魚巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

◎ 程華明 鮑鴻鵠 郝建新 劉佰文

1.江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心；2.宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心；3.東南大學(xué)交通學(xué)院

宿連航道作為江蘇省干線航道網(wǎng)“五橫”中最北的“一橫”，全長(zhǎng)329公里。宿連航道一期工程作為部分人工開挖的航道，斷面寬度有限，因此在有限的土地資源上建設(shè)魚巢結(jié)構(gòu)的直立式護(hù)岸，對(duì)于航道的綜合開發(fā)和沿線綠色生態(tài)廊道的建設(shè)具有重要的實(shí)踐意義。國(guó)外許多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員對(duì)河道生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行了大量的研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)工作。但總體上，對(duì)于護(hù)岸的魚巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本都是基于規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。護(hù)岸的水動(dòng)力特性是影響水生生物的重要因素，本研究通過對(duì)宿連航道一期工程水域的水生生物進(jìn)行調(diào)查，將棲息地適宜度理論應(yīng)用于護(hù)岸魚巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，期望對(duì)類似航道工程提供指導(dǎo)和參考。

1.雙棲息地適宜度（HSI）模型理論

棲息地適宜度（Habitat Suitability Index，簡(jiǎn)稱HSI）模型理論是生態(tài)學(xué)上用于描述物種豐富度和生態(tài)變量之間關(guān)系的方法。通過棲息地適宜度方程，對(duì)航道水域主要物種生存、繁殖的生態(tài)因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定棲息地的適宜度，對(duì)于航道的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)具有重要作用[1]。

棲息地適宜度模型的應(yīng)用通常假設(shè)：物種或種群主動(dòng)選擇適宜其生存的生境；物種存在和環(huán)境變量（食物、水、隱蔽物和其他非生物因素）存在線性關(guān)系，這種假設(shè)的線性關(guān)系主要來自經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家意見或二者結(jié)合。在研究中，HSI取值范圍一般為0～1.0，0表示不適宜生境，1.0表示最適宜生境。

棲息地適宜度模型建立過程包括：獲取生境資料，即找出影響物種資源的主要生態(tài)因素（即關(guān)鍵因子），并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)；構(gòu)建單因素適宜度函數(shù)，確定生態(tài)影響因子之后就是確定單因素與適宜度的關(guān)系曲線，即棲息地適宜度曲線[2-3]；賦予生境因子權(quán)重，研究中多采取專家知識(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合來確定；計(jì)算整體HSI值，本研究采用連乘法：

式中H為棲息地適應(yīng)性指數(shù)HSI；i為因子序號(hào)；n為影響因子總數(shù)；Si為第i個(gè)影響因子的Si值；繪制HSI分布圖，通過生成圖形可輕易辨別某物種在研究段內(nèi)的棲息地適宜度[4]。

本棲息地適合度模型的研究區(qū)域?yàn)樗捱B航道一期工程近岸區(qū)域，結(jié)合生態(tài)本底調(diào)查分析對(duì)主要物種進(jìn)行棲息地適宜度的建模與分析。

2.棲息地適合度（HSI）模型構(gòu)建及分析

2.1 生態(tài)本底調(diào)查及分析

調(diào)查取樣位置為京杭運(yùn)河與宿連航道的交界區(qū)域。本底調(diào)查內(nèi)容主要包括：水質(zhì)、沉積物、葉綠素、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、固著生物、漁業(yè)資源等。根據(jù)該地區(qū)生物學(xué)特征和樣本，重點(diǎn)對(duì)浮游植物、底棲動(dòng)物、漁類進(jìn)行分析。

2.1.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

浮游植物的主要種類共計(jì)37種，見表1。浮游植物作為水域中生命有機(jī)體的最原始生產(chǎn)者，其組成與多樣性的變化將直接影響到江湖生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

表1 浮游植物種類組成

2.1.2 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)底棲動(dòng)物3門7種。從門類組成上看，其中環(huán)節(jié)動(dòng)物門2種，軟體動(dòng)物門3種，節(jié)肢動(dòng)物門2種。底棲動(dòng)物門類組成如表2所示。

表2 底棲動(dòng)物門類組成

2.1.3 魚類資源結(jié)構(gòu)

生態(tài)本底調(diào)查共采集魚類8種，19尾，重量為652.9g，整體漁獲物重量適中，以小型魚類為主，其中刀鱭數(shù)量最多。組成如表3所示。

表3 魚類資源種類組成

2.2 棲息地適合度（HSI）模型構(gòu)建及分析

根據(jù)生態(tài)本地調(diào)查結(jié)果，選取主要藻類、河蜆和刀鱭作為棲息地適合度（HSI）模型構(gòu)建分析的代表物種。

2.2.1 藻類

由于區(qū)域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等存在諸多的不同，宿連航道一期工程區(qū)域藻類主要考慮流速、光照、水溫三個(gè)棲息地適宜度條件。

采用幾何平均法進(jìn)行計(jì)算：

V1、V2、V3即流速、光照、水溫的適宜度指數(shù)，用來評(píng)價(jià)研究區(qū)域該因素對(duì)藻類生存的好壞程度。

根據(jù)工程段情況及生物學(xué)研究成果：影響藻類棲息地的主要生態(tài)因子V1的適宜度曲線如圖1，V2可取為0.8，V3取為1（研究段溫度25℃左右），結(jié)合水流情況和棲息地適宜度方程，運(yùn)算得出研究段內(nèi)各處的藻類棲息地適宜度[5]。

圖1 浮游植物生態(tài)因子棲息地適宜度曲線

2.2.2 河蜆

本研究以河蜆作為代表。河蜆棲息于底質(zhì)多為沙、沙泥或泥的江河、湖泊、溝渠、池塘及河口咸淡水水域。河蜆棲息地適宜度從水流條件（Flow condition）和底質(zhì)條件（Substrate condition）兩方面考慮，得到棲息地適宜度：

其中，F(xiàn) C代表水流條件：FC=(V1·V2·V3)1/3；S C代表底質(zhì)：SC={V4·V5}1/2。

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水溫、水深、流速、底質(zhì)組成、底質(zhì)深度為適宜度指數(shù)?？梢杂脕碓u(píng)價(jià)研究區(qū)域該因素對(duì)河蜆生存的好壞程度。

根據(jù)工程段情況及生物學(xué)研究成果：V1可取為0.7（研究段溫度25℃左右），V4、V5均取為1。結(jié)合水流情況和棲息地適宜度方程，運(yùn)算得出研究段內(nèi)各處的河蜆棲息地適宜度，主要生態(tài)因子適宜度曲線，見圖2。

圖2 河蜆生態(tài)因子棲息地適宜度曲線

2.2.3 刀鱭

魚類主要選擇調(diào)研數(shù)量最多的刀鱭作為代表物種進(jìn)行研究。刀鱭棲息地適宜度主要生態(tài)因子參考生物學(xué)研究成果，選擇水位變幅、流速、水溫和溶解氧四個(gè)生態(tài)因子。棲息地適宜度用幾何平均法進(jìn)行計(jì)算：

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水位、流速、溫度、溶解度為適宜度指數(shù)，是用來評(píng)價(jià)研究區(qū)域該因素對(duì)刀鱭生存的好壞程度。

根據(jù)工程段情況及生物學(xué)研究成果：V1可取為0.8，V3可取為0.7（研究段溫度20℃左右），V4取為0.8，結(jié)合水流情況和棲息地適宜度方程，運(yùn)算得出刀鱭棲息地適宜度[6]。刀鱭棲息地的主要生態(tài)因子適宜度曲線，見圖3。

圖3 刀鱭生態(tài)因子棲息地適宜度曲線

3.護(hù)岸魚巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用

宿連航道一期工程所在區(qū)域沿線地質(zhì)基本為粉質(zhì)粘土和黏土，最高通航水位取20年一遇設(shè)計(jì)洪水位。設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于最高通航水位16.81m，最低通航水位15.51m工程段。

3.1 設(shè)計(jì)方案棲息地適合度（HSI）分析

設(shè)計(jì)魚巢位置以最低通航水位為設(shè)計(jì)參照位置，臨水面采用圓形魚巢，內(nèi)部空間采用長(zhǎng)方形空箱結(jié)構(gòu)。在確定結(jié)構(gòu)魚巢位置時(shí)根據(jù)漁業(yè)專家建議考慮不同水層的生物分布特征（浮游植物、兩棲動(dòng)物、魚類），對(duì)多種魚巢位置和魚巢大小的設(shè)計(jì)方案先通過水動(dòng)力數(shù)值模擬對(duì)孔內(nèi)及附近水流進(jìn)行流速分析，然后進(jìn)行棲息地適合度（HSI）分析，優(yōu)選出魚巢護(hù)岸底部0.55m處、魚巢尺寸為0.5m的方案。

通過該方案不同物種的HSI分析，其生態(tài)適宜度綜合分布如圖4所示。

圖4 棲息地適合度綜合分析（①藻類②底棲類③魚類）

設(shè)計(jì)方案中流速較大區(qū)域主要集中在魚巢頂部區(qū)域，魚巢空間內(nèi)部整體流速仍然較小。航道表層因船舶行駛等形成的船行波在魚巢結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的流速分布整體較小[7]?？臻g底部經(jīng)過前部魚巢底檻的防護(hù)形成了基本靜態(tài)的流場(chǎng)，航道內(nèi)的波浪水流等外部條件對(duì)魚巢底部的影響較小，魚巢空間內(nèi)可以保證安靜的流場(chǎng)環(huán)境，適合底層水中魚類進(jìn)行各種生物活動(dòng)，空間內(nèi)穩(wěn)定的流場(chǎng)環(huán)境與內(nèi)部放置的樹枝也可為魚類活動(dòng)提供穩(wěn)定安全的庇護(hù)場(chǎng)所[8]。

3.2 魚巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)棲息地適合度（HSI）分析結(jié)果，對(duì)預(yù)制魚巢結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 設(shè)計(jì)方案俯視圖

圖6 設(shè)計(jì)方案主視圖

圖7 設(shè)計(jì)方案?jìng)?cè)視圖

4.結(jié)論

本研究根據(jù)航道工程區(qū)域條件，確定了影響物種資源的主要生態(tài)因素，制定了不同環(huán)境變量的適合度函數(shù)，確定環(huán)境變量的生態(tài)適合度曲線，構(gòu)建宿連航道一期工程區(qū)域浮游植物、底棲動(dòng)物、魚類三類主要物種的棲息地適合度（HSI）模型。根據(jù)棲息地適合度（HSI）模型對(duì)不同魚巢位置和魚巢大小的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)論證，使設(shè)計(jì)方案有“理”可循，有“法”可依，實(shí)現(xiàn)了航道工程在生態(tài)建設(shè)上的進(jìn)一步探索。