宋旭燕，吉小盼，楊玖賢

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610072)

1 引言

魚類棲息地是指維持其正常生活、生長(zhǎng)、覓食、繁殖以及其它生命循環(huán)周期的場(chǎng)所，棲息生境的質(zhì)量好壞受諸多因素的影響，如水文、泥沙、河道形態(tài)、水質(zhì)條件、餌料生物等［1，2］。天然河流的自然演進(jìn)可以形成滿足魚類棲息地要求的河流生境，但由于水電站的興建，將在一定程度上改變河流的天然水文情勢(shì)，進(jìn)而對(duì)水生生境及河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行水電工程方案比較和評(píng)價(jià)時(shí)，就需解決受影響河段的河道生態(tài)環(huán)境需水量問題。河道生態(tài)環(huán)境需水是指維持河流水生生物正常生長(zhǎng)及保護(hù)特殊生物和珍稀物種生存所需要的水量［3～5］。河道生態(tài)環(huán)境需水量的方法可以分為水文學(xué)法、水力學(xué)方法、棲息地方法等［6］，其中棲息地模擬法因能夠定量評(píng)價(jià)水量變化對(duì)棲息地的影響，已引起更多研究者的關(guān)注［7］。棲息地模擬法廣泛應(yīng)用于確定河流重要生物物種生存和繁殖后代的最適宜生態(tài)流量，目前已應(yīng)用于確定長(zhǎng)江中游四大家魚的保護(hù)以及三峽等水利工程生態(tài)流量［7］、新疆額爾齊斯河中游魚類產(chǎn)卵期生態(tài)流量［8］、雅礱江錦屏大河灣減水河段生態(tài)流量［9］。棲息地模擬法模型主要包括PHABSIM、River2D模型等，其中PHABSIM模型在棲息地模擬中屬于基于相關(guān)關(guān)系的單變量棲息地適宜性模型，單變量棲息地適宜性模型以水深、流速和河床底質(zhì)等特定屬性下區(qū)域內(nèi)的物種數(shù)量來表示棲息地的適宜程度［10～12］。

本文在分析棲息地法計(jì)算生境需水量的原理和應(yīng)用步驟基礎(chǔ)上，以姜射壩水電站為例，應(yīng)用棲息地模擬模型PHABSIM模擬分析該河段內(nèi)重口裂腹魚繁殖期生境，進(jìn)而確定河道流量與口裂腹魚繁殖期加權(quán)可利用面積的關(guān)系，以期為電站減水河段生態(tài)修復(fù)工作提供依據(jù)，同時(shí)為其他擬建電站水生生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作提供借鑒。

2 棲息地模擬計(jì)算方法介紹

PHABSIM(Physical Habitat Simulation Model)是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)研制開發(fā)的一種生境定量評(píng)價(jià)方法，可用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)河流中棲息地隨水流的變化情況，也是目前生境模擬法中最為常用的一種環(huán)境流量評(píng)價(jià)方法。本文即應(yīng)用PHABSIM模型模擬分析魚類生境與流量的關(guān)系，以下對(duì)該模型的計(jì)算原理和應(yīng)用步驟做詳細(xì)介紹。

2.1 PHABSIM模型原理及應(yīng)用步驟

該模型主要包括水力模擬和棲息地模擬兩部分。

2.2 水力模擬

水力模擬包括水位模擬和流速模擬。模型為水位模擬提供了3種計(jì)算方法，即水位流量關(guān)系法(STGQ)、曼寧方程法 (MANSQ)和水表面輪廓法(WSP)。

(1)水位流量關(guān)系法 (STGQ)

通式可表示如下:

(2)曼寧方程法 (MANSQ)

公式為均勻流方程式:

其中:Q為流量，單位m3/s;

v為斷面平均流速，單位m/s;

A為斷面過水面積，單位m2;

v為斷面平均流速，單位m/s;

R為斷面水力半徑，單位m;

Se為水力坡度;

n為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率或曼寧系數(shù)。

(3)水表面輪廓法 (WSP)［13］

該方法利用緩變流水面線方程式，采用標(biāo)準(zhǔn)的分步回水方法由下游已知斷面水深來確定上游橫斷面的水深。

依據(jù)的公式為:

式中字母含義如前文相同。

2.3 棲息地模擬

棲息地模擬可分為3個(gè)步驟，第一步將目標(biāo)魚種的生境適宜曲線輸入模型，生成HSC數(shù)據(jù)集;第二步將水力模型的計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)魚種生境適宜曲線相對(duì)應(yīng)，以確定各計(jì)算單元不同生境參數(shù)的適宜度;第三步將每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)的單因子適宜度加權(quán)求和為綜合適宜度，取綜合適宜度與相應(yīng)計(jì)算單元的水面面積的乘積即為目標(biāo)魚種加權(quán)可利用單元面積，將各單元面積求和，并以每單位公里河段的可利用平方米的面積來表述，最終形成棲息地加權(quán)可利用面積 (WUA)——流量關(guān)系曲線。其計(jì)算公式如下:

其中:Ai是第i號(hào)計(jì)算單元的水面面積;Ci是第i號(hào)計(jì)算單元的綜合適配度 (一般結(jié)合了水深、流速和渠道類型參數(shù)的適配度)。

模型為計(jì)算綜合適宜度提供了4種方法，即乘積法、幾何平均法、最小值法和加權(quán)平均法。4種方法的計(jì)算公式如下:

①乘積法CSF=f(V)f(D)f(C)

②幾何平均法 CSF=［f(V)f(D)f(C)］1/3

③最小值法 CSF=min［f(V)，f(D)，f(C)］

④加權(quán)平均法CSF=kv f(V)+kd f(D)+kcf(C)

式④中kv、kd、kc分別為流速、水深及河床底質(zhì)適應(yīng)度指數(shù)的權(quán)重因子，其總和為1。乘積法假設(shè)3種參數(shù)f(V)、f(D)、f(C)的適合度指數(shù)影響力相同;幾何平均法將3種單因子適宜度指數(shù)做幾何平均;最小值法取最小的適宜度指數(shù)當(dāng)作CSF值;加權(quán)平均法是依據(jù)決策者的判斷對(duì)當(dāng)?shù)睾訁^(qū)的f(V)、f(D)、f(C)各自加權(quán)，再去推求流量與權(quán)重可使用棲息地面積的關(guān)系，所以若能完全掌握當(dāng)?shù)厣锾匦裕瑒t加權(quán)平均法將是最具代表性的方法。本文中采用幾何平均法綜合適宜度。

3 案例分析

岷江上游水電開發(fā)較早，開發(fā)程度較高，且多為引水式電站，電站引水后，河流水文情勢(shì)發(fā)生變化，從而對(duì)岷江水生生態(tài)產(chǎn)生較大影響，原生水生環(huán)境遭到破壞。本文以岷江上游姜射壩水電站減水河段為例，選擇河段內(nèi)淺灘特征最明顯的4個(gè)斷面進(jìn)行生態(tài)需水量計(jì)算。計(jì)算時(shí)段選取重口裂腹魚繁殖期，即7月初～8月底。河段多年平均流量為203 m3/s。

姜射壩水電站閘址位于茂縣羊毛坪大橋下游180～250m處，廠址位于汶川縣城郊岷江右岸，下距汶川縣城約2km。電站引水線路長(zhǎng)12.7km，閘廠址間減水河段長(zhǎng)15.4km。4個(gè)斷面距離工程閘址 距 離 分 別 為 1.38km、2.34km、3.36km 和3.96km，各斷面形態(tài)詳見圖1，各斷面水面寬、水深淺，有水流區(qū)域水面泛白花，流速分布均勻，是裂腹魚典型的產(chǎn)卵場(chǎng)。

圖1 典型斷面現(xiàn)狀圖Fig.1 Typical cross-section status

3.1 斷面權(quán)重確定

橫斷面權(quán)重是指各個(gè)橫斷面在整個(gè)研究河段內(nèi)中所占的百分比重，此值由橫斷面與上游斷面之間的距離來決定，在使用PHABSIM棲息地模型時(shí)，權(quán)重變量會(huì)影響棲息地面積的大小。本文假設(shè)每個(gè)橫斷面權(quán)重均取對(duì)上下游生境因子為50%，即各斷面距其上游斷面之間的河段長(zhǎng)度的一半加上距其下游斷面之間的河段長(zhǎng)度的一半即為該斷面的河段長(zhǎng)度，亦即在自然河道中各斷面的權(quán)重取0.5。

3.2 計(jì)算工況設(shè)置

計(jì)算工況的設(shè)置以該河段多年平均流量(203m3/s)為參照，選擇多年平均流量的5%、10%、12%、13%、15%、20%、30%和40%為本次計(jì)算的流量工況，即本次計(jì)算工況流量依次為10.15m3/s、 20.3m3/s、 24.36m3/s、 26.39m3/s、30.45m3/s、40.6m3/s、60.9m3/s和 81.2 m3/s。

3.3 目標(biāo)魚種生境適宜度曲線

根據(jù)我院與四川省水產(chǎn)研究所和武漢水工程生態(tài)研究所等協(xié)作單位對(duì)四川省境內(nèi)山區(qū)河流魚類生境的調(diào)研結(jié)果及專家征詢意見，重口裂腹魚繁殖期最適宜水深范圍為0.5～1.5m，最適宜流速范圍為1.5～2.5m/s。當(dāng)水深及流速值在目標(biāo)魚種的最適宜水深和流速范圍內(nèi)時(shí)，適配度設(shè)為1。當(dāng)流速和水深為零時(shí)，適配度均為零。當(dāng)流速大于3.5時(shí)，重口裂腹魚的流速適配度為0。將上述數(shù)據(jù)輸入模型后，生成相應(yīng)的生境適宜度曲線，如圖2所示。

圖2 流速、水深與適配度指數(shù)關(guān)系Fig.2 Exponential relationship of velocity，depth and adaptation

3.4 生態(tài)流量確定

3.4.1 棲息地模擬法

在應(yīng)用棲息地法計(jì)算生態(tài)流量時(shí)，河道內(nèi)生態(tài)需水量推薦值是依據(jù)“棲息地加權(quán)可利用面積(WUA)——流量關(guān)系曲線”中WUA最大值位置而定，或是依據(jù)WUA最大值的一定百分比位置確定。同時(shí)，也有研究人員按生境——流量關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來確定生態(tài)需水量。本文參照前人應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合姜射壩減水河段的具體計(jì)算結(jié)果，綜合確定目標(biāo)魚種棲息地最佳需水量。

應(yīng)用PHABSIM模型，計(jì)算3.2節(jié)確定的各流量工況對(duì)應(yīng)的裂腹魚加權(quán)可利用棲息地面積，繪制加權(quán)可利用棲息地面積 (WUA)——流量關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知，重口裂腹魚的WUA最大值對(duì)應(yīng)的流量為40.6 m3/s，由此，重口裂腹魚的繁殖期生境需水量為40.6 m3/s。

圖3 目標(biāo)魚種繁殖期棲息地可利用面積與流量關(guān)系圖Fig.3 Relational graph of available area and flow in the habitat of target species during breeding season

3.4.2 水文學(xué)法

Tennant法為典型的水文學(xué)發(fā)，該方法為目前國(guó)外比較著名的歷史流量法，是北美洲政府官方常用的河溪內(nèi)流量制訂方法［14］。此法以多年平均流量 (mean annual flow，MAF)為基礎(chǔ)，探討MAF不同百分比流量下的河流流量狀況，共設(shè)有8個(gè)等級(jí)［15～17］，推薦的基流分為汛期和非汛期，推薦值以占徑流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)。本次計(jì)算的時(shí)段為7月～8月，按照Tennant法對(duì)汛期和非汛期的劃分，該時(shí)段屬于汛期。根據(jù)Tennant法的汛期標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)河道流量為MAF的10%時(shí)，河流狀況較差，僅能滿足部分水生生物在短期內(nèi)維持生物棲息地最低限度的要求;當(dāng)河道流量為MAF的30%時(shí)，河流狀況為中，能滿足維持水生生物良好的生存條件的要求。

4 結(jié)論與展望

通過分析棲息地法計(jì)算生境需水量的原理及步驟，以姜射壩水電站為例，應(yīng)用棲息地模擬模型PHABSIM模擬分析了該河段內(nèi)重口裂腹魚繁殖期生境。所建模型考慮了斷面流速和水深兩個(gè)水力學(xué)因子對(duì)魚類關(guān)鍵生境的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定了河道流量與重口裂腹魚繁殖期加權(quán)可利用面積的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)可利用面積與流量的關(guān)系，確定繁殖期減水河段最小生態(tài)流量。結(jié)果表明，該河段內(nèi)重口裂腹魚繁殖期適宜生態(tài)流量為40.6m3/s，其與水文學(xué)法的結(jié)果對(duì)比表明，該流量可以基本滿足維持水生生物良好的生存條件的要求。

當(dāng)該河段生態(tài)修復(fù)研究需要考慮珍稀魚類關(guān)鍵生境的恢復(fù)時(shí)，可為確定該河段生態(tài)流量提供參考。但本研究?jī)H考慮了斷面流速和水深對(duì)生境的影響，其他很多參數(shù)都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如水溫和河床底質(zhì)等，這些參數(shù)在一定程度上可能影響計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致確定的生態(tài)流量與實(shí)際存在一定偏差，因此隨著生態(tài)修復(fù)工作的不斷深入，在今后的研究當(dāng)中，應(yīng)全面收集生態(tài)、水文和斷面資料，盡可能量化水溫、水質(zhì)及河床底質(zhì)與魚類棲息地的關(guān)系，并將其引入模型，以更加精確地模擬分析河道流量與棲息地面積的關(guān)系，從而更好地開展受工程影響河段的生態(tài)修復(fù)工作。

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