陳煉鋼，陳黎明，賈建偉，徐祎凡，欒震宇，施 勇

（1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

鄱陽湖作為我國最大的淡水湖泊，其河湖相的交替轉換造就了水陸兼有的獨特生境，形成了物種多樣性豐富的濕地生態(tài)系統(tǒng)，為候鳥越冬提供了理想的棲息地：平均每年有38.4萬余只候鳥在此越冬，已觀察到112種國際濕地公約指定水鳥[1]；是世界上95%的白鶴和75%的東方白鸛等珍稀水禽種群的越冬場所[2]，也是迄今發(fā)現(xiàn)的全球最大的越冬鴻雁群體所在地，數(shù)量達3萬只以上[3]，被譽為“白鶴之鄉(xiāng)”和“候鳥王國”。水位和水深是湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其變化節(jié)律直接影響到湖區(qū)灘地的淹沒和出露日期及持續(xù)時間，對鳥類食物資源如植物、魚類、底棲動物等的產(chǎn)量、分布、物種多樣性、群落結構及演替產(chǎn)生直接影響[4-6]；同時也影響到鳥類取食效率、棲息地生境異質性等，進而影響水鳥群落結構及數(shù)量[7-9]。鄱陽湖水位變化受流域“五河”和長江來水的雙重影響，長期以來形成了固有的豐枯變化節(jié)律；然而，21世紀以來受長江及“五河”上游水庫群運用等的影響，鄱陽湖枯水節(jié)律發(fā)生了明顯變化：枯水期提前、枯水歷時延長，最低枯水位更枯[10]。為了應對新的枯水情勢，江西省提出興建鄱陽湖水利樞紐工程按照“調枯不控洪”的方式保障枯水期的“三生”用水。該工程建議一提出就引起國內(nèi)外廣泛關注，其中濕地與越冬水鳥保護是焦點問題之一，天然水位節(jié)律的徹底改變對鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響尚不明晰[11]。

已有的水位變化對鄱陽湖越冬水鳥的影響研究集中在以下2 個方面：（1）水位對鳥類數(shù)量分布、種群結構及行為活動的影響，主要的研究手段是觀測和統(tǒng)計分析[1，9，11，12-16]，已形成了一些定性和半定量的共識“平水對鳥類越冬最為有利、高水有害、低水影響不明顯”[1，11-12]；但由于水位是通過食物資源、棲息地等其它因素的變化間接影響鳥類，且已有的分析和判斷都是基于有限的觀測，因此存在著難以回避的不確定性。（2）水位對棲息地面積、分布等的影響，主要的研究手段是觀測和遙感解譯，通過有限的觀測散點獲得特征水位下棲息地面積及分布規(guī)律[15-20]，同樣由于數(shù)據(jù)有限導致所得規(guī)律不確定性較大，目前尚未見到通過長系列棲息地連續(xù)模擬建立水位對棲息地定量影響函數(shù)的研究及成果。棲息地模擬將物理生境因子條件和生物本身的需求結合起來，模擬河湖水位流量和特定物種或群落適宜生境分布之間的定量關系，獲得保護水生生物的生態(tài)水位和流量，為河湖水資源合理開發(fā)利用提供依據(jù)[21]。棲息地模擬被認為是生態(tài)需水計算中較為可靠的方法，一經(jīng)提出便被各國廣泛采用到工程實踐中[22]。因此，本文在構建鄱陽湖越冬水鳥棲息地數(shù)值模擬模型的基礎上，以水深作為關鍵生境因子，通過長系列的連續(xù)模擬建立越冬水鳥生境面積與枯季水位之間的定量響應函數(shù)，揭示越冬水鳥的適宜生態(tài)水位區(qū)間，為江湖新水沙條件下鄱陽湖枯季生態(tài)水位保障提供量化依據(jù)。

2 模型與方法

鄱陽湖越冬水鳥棲息地模擬由物理生境因子時空分布模擬和生境適宜度評價2部分組成，對以白鶴為指示物種的越冬水鳥種群生存、繁殖的生境進行評價，量化枯季水位變化對越冬水鳥潛在生境面積的影響，為枯季生態(tài)水位調控提供依據(jù)。

2.1 物理生境因子模擬鄱陽湖越冬水鳥物理生境因子時空變化模擬基于環(huán)境流體動力學模型EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code），該模型包括水動力、溫熱、水質和泥沙等模塊。EFDC 是美國國家環(huán)保署USEPA 法定推薦的水系統(tǒng)模擬模型之一[23]，被廣泛用于模擬河流、河口、湖泊、水庫，濕地系統(tǒng)以及自近岸到陸架的海域一維、二維和三維流場、物質輸運（包括溫、鹽、黏性和非黏性泥沙的輸運）、生態(tài)過程及淡水入流，能同時考慮風、浪、潮、徑流的影響，并可以設置水工建筑物[24]。本次物理生境因子模擬主要用到EFDC的水動力模塊，其水動力學方程采用垂向靜壓假定，在水平方向上采用曲線正交坐標，垂直方向上采用σ坐標變換，沿重力方向分層求解三維紊動黏性方程，模型主要方程見文獻[25]。

鄱陽湖入湖水系較多，模型上邊界設為“五河七口”入流，分別為贛江-外洲站、撫河-李家渡站、信江-梅港站、饒河-渡峰坑和石鎮(zhèn)街站、修水-虬津站和萬家埠站，下邊界采用湖口水位（位置如圖1所示）。鄱陽湖豐、枯水期水位及湖面面積變化顯著：枯水期時呈現(xiàn)明顯的“河相”，水流只在河道深槽中流動，大部分灘地顯露；豐水期時呈現(xiàn)明顯的“湖相”，湖面寬廣，水流趨于靜止。因此，為了能夠精確的模擬鄱陽湖年內(nèi)河湖相的交替變化過程和充分反映計算域的特征，采用曲線正交貼體網(wǎng)格對計算域進行剖分，網(wǎng)格剖分時盡量沿主河槽或者堤防，使水流方向盡可能真實體現(xiàn)流動狀態(tài)，精確的概化出河道、灘地、島嶼等邊界的過度銜接，并對湖區(qū)內(nèi)主槽中網(wǎng)格進行加密處理。最終水平網(wǎng)格數(shù)量14 110個，范圍覆蓋了“五河”下游尾閭地區(qū)和整個豐水期時的湖面，且將已與主湖分隔的軍山湖剝離出計算域，共計3292 km2，如圖2所示，絕大部分網(wǎng)格尺寸在200～500 m之間，湖區(qū)內(nèi)主槽網(wǎng)格小至150 m左右，部分灘地網(wǎng)格大至1000 m左右。由于本文主要模擬水深的變化，因此垂向設置為1層以提高模型計算效率。湖床高程采用鄱陽湖2011年1∶1萬實測水下地形資料進行插值，插值后淺水區(qū)的地形如圖2所示，可見深槽、灘地等都得到了合理的反映，說明模型采用的網(wǎng)格能清晰地描述鄱陽湖地形的變化。

圖1 鄱陽湖水系概化

圖2 鄱陽湖網(wǎng)格剖分及淺水區(qū)地形

2.2 生境適宜度評價鄱陽湖越冬水鳥生境適宜度評價采用全球廣為應用的適宜度曲線法[26]。適宜度曲線以生境因子的數(shù)值為橫坐標，以目標物種對此生境因子的適宜度為縱坐標，建立目標物種對單個生境因子的偏好與生境因子之間關系的連續(xù)曲線，能定量描述物理棲息地特征與物種在該條件下的生存質量。用0～1的數(shù)值定義目標物種對生境因子的偏好，曲線的峰值代表生物對該因子的最適宜或最喜愛的范圍。用來作為水生生物棲息地模擬的生境因子主要包括水深、流速、底質、含沙量和水溫等，關鍵生境因子的遴選是生境模擬準確與否的關鍵[22]。冬季水深是影響水鳥取食的決定性因子：水位過高，水鳥不能正常取食苦草等沉水植物的塊莖；水位過低，苦草等水鳥喜好的食物易枯死，且泥灘表面基質干燥也妨礙水鳥正常取食[11，16]。因此，本文選擇水深作為鄱陽湖水鳥越冬的關鍵生境因子。

表1列出了代表性越冬水鳥的覓食水深[1，3，27]，可見0～60 cm淺水區(qū)是大多數(shù)水鳥的覓食水深范圍，其中20～40 cm是大多數(shù)水鳥的最適覓食水深（適宜度指數(shù)取值1）；據(jù)此制定水深適宜度曲線如圖3所示。

表1 鄱陽湖代表性越冬水鳥覓食水深

根據(jù)各網(wǎng)格單元水深及其適宜度指數(shù)采用加權可用面積法[28]計算鄱陽湖越冬水鳥適宜生境面積，見式（1）。

式中：WUA為加權可用生境面積，km2；Ai為第i個網(wǎng)格單元的面積，km2；SIi為第i個網(wǎng)格單元的生境適宜度。

圖3 水深適宜度曲線

3 結果與討論

3.1 越冬水鳥潛在生境面積隨水位的變化規(guī)律2008年9月28日三峽水庫開始175 m正常蓄水位的試驗性蓄水，因此模型從2008年9月開始滾動計算至2017年12月。根據(jù)鄱陽湖代表性越冬水鳥遷徙節(jié)律（表2）[1，3]，選擇大多數(shù)水鳥峰值時段（12月至次年1月）進行統(tǒng)計分析。

表2 鄱陽湖代表性越冬水鳥遷徙節(jié)律

EFDC 水動力模塊的關鍵參數(shù)為床面粗糙高度，經(jīng)率定后取值在0.023～0.030 m之間。模型對鄱陽湖區(qū)星子站、吳城（修水）站、吳城（贛江）站、棠蔭站、鄱陽站、龍口站、康山站和都昌站8 個站（位置見圖1）的水位進行驗證，絕大部分時段水位誤差控制在0.15 m 以內(nèi)；鄱陽湖代表性水位控制站星子站分析時段（12月至次年1月）內(nèi)水位模擬值與實測值的對比如圖4所示（與吳淞基面高差-0.09 m，與國家85 高程基面高差-1.929 m）?？梢?，基于EFDC 構建的湖區(qū)水動力模型能很好的模擬鄱陽湖水位的時空分布變化。

圖4 星子站水位驗證

根據(jù)星子站實測水位和模擬計算的越冬水鳥潛在適宜生境面積相關圖（圖5），采用門限回歸法建立鄱陽湖越冬水鳥潛在適宜生境面積對枯季水位變化的定量響應關系（見式（2））。此外，統(tǒng)計分析星子站實測水位和模擬計算0～60 cm淺水區(qū)面積之間的相關關系（見圖（6）和式（3））。

圖5 潛在適宜生境面積隨水位變化

圖6 淺水區(qū)面積隨水位變化

式中：WUA為潛在適宜生境面積，km2；Z為星子站水位，m；A為0～60 cm淺水區(qū)面積，km2。

從圖5和圖6可見，潛在適宜生境面積和淺水區(qū)面積均在星子站水位11.7 m左右達到最大，分別為564 km2和912 km2；隨著水位的升高，潛在適宜生境面積和淺水區(qū)面積均急劇下降；而隨著水位的降低，潛在適宜生境面積和淺水區(qū)面積先下降然后基本穩(wěn)定并略有抬升；潛在適宜生境面積在星子站水位9.56 m 時達到最小為476 km2，隨后基本穩(wěn)定在500 km2上下；而淺水區(qū)面積則在星子站水位10.37 m時達到最小為806 km2，隨后基本穩(wěn)定在800～850 km2。這一規(guī)律的形成是由于鄱陽湖區(qū)存在大量的蝶形子湖且湖底平坦，當主槽水位下降到某一閾值后蝶形子湖與主槽分離，湖區(qū)水面面積趨于穩(wěn)定，并隨著水位的進一步下降更多的水域變?yōu)闇\水區(qū)。

3.2 三峽運用后生境面積的變化基于1991—2017年星子站逐日水位序列，采用本文建立的潛在適宜生境、淺水區(qū)面積與星子站水位的函數(shù)計算越冬水鳥潛在生境面積的長系列變化，并以2003年6月三峽水庫蓄水運用為分界點分析三峽運用前后鄱陽湖越冬水鳥潛在生境面積的變化特征，結果見表3。從表3可見，三峽運用前后鄱陽湖越冬水鳥潛在生境面積變化的統(tǒng)計特征保持基本穩(wěn)定：三峽運用后潛在適宜生境和淺水區(qū)平均面積相比運用前僅略微增加，增幅分別為1.02%和1.97%；三峽運用后生境面積變化趨于穩(wěn)定，擾動幅度減小，潛在適宜生境和淺水區(qū)面積序列標準差在三峽運用后減小近50%。擾動對維持生態(tài)系統(tǒng)的彈性及物種多樣性等具有重要意義，三峽運用后鄱陽湖越冬水鳥潛在生境面積擾動幅度的減小是否會對其濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的不利影響有待更長時段的觀察和更深入的研究。

表3 三峽運用前后鄱陽湖枯季越冬水鳥生境面積變化

2008年三峽水庫開始175 m 試驗性蓄水，當年最高蓄至172.80 m；2009年最高蓄至171.43 m；2010年之后均蓄至預定的175 m?；谯蛾柡菁驹蕉B生境數(shù)值模擬結果，統(tǒng)計分析三峽175 m試驗性蓄水后水鳥峰值月份生境的變化，結果見表4。從表4可見，三峽175m試驗性蓄水后鄱陽湖枯季越冬水鳥潛在適宜生境及淺水區(qū)面積均保持基本穩(wěn)定，潛在適宜生境面積偏離最大值幅度基本控制在15%以內(nèi)；僅2015年12月偏小幅度達到20%以上，原因是當年冬汛導致同期長江干流水位偏高及五河來水偏大。

表4 三峽175m試驗性蓄水后鄱陽湖枯季越冬水鳥生境面積

3.3 擬建鄱陽湖水利樞紐對生境面積的影響擬建鄱陽湖水利樞紐選擇在鄱陽湖入江水道的屏峰山與長嶺山之間建閘，上距星子縣城約12 km、下至鄱陽湖入長江口約27 km（位置見圖1）。論證中的鄱陽湖大閘水位調控分為5個時段：下閘蓄水期（9月1日—20日）、長江上游水庫蓄水調節(jié)期（9月21日—10月31日）、補償調節(jié)期（11月1日—次年2月28日）、低枯水位調控期（3月1日—31日）、江湖連通期（4月1日—8月31日）[29-30]。越冬水鳥數(shù)量峰值時段（12月—次年1月）處于補償調節(jié)期，該時段內(nèi)建議的水位調控方案有6種：16、14、13、12、11和10 m[2-3，29-30]。采用本文建立的生境面積與水位的函數(shù)關系，評價不同調控方案對鄱陽湖越冬水鳥生境面積的影響，結果見表5。從表5可見，從維持越冬水鳥最佳生境面積出發(fā)，鄱陽湖大閘補償調節(jié)期特別是越冬候鳥數(shù)量峰值期內(nèi)水位應控制在11～12 m之間，適宜生境及淺水區(qū)面積與最大值相比偏小幅度均在10%以內(nèi)。然而，建閘調控將導致生境面積擾動幅度減小，其是否會對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的不利影響有待更深入的研究。

表5 鄱陽湖大閘補償調節(jié)期控制水位對生境面積的影響

為科學論證鄱陽湖水利樞紐的可行性，江西省政府邀請國內(nèi)權威機構專家從江湖關系、泥沙沖淤、防洪、水質、濕地與候鳥、水生動物等6個方面開展專題研究和論證。其中“濕地與候鳥”專題指出“要使鄱陽湖水利樞紐工程不對鄱陽湖濕地和水鳥造成災難性影響，至少需要保持目前80%以上的草洲、泥沙灘和淺水水域作為水鳥棲息地”[3]。按照這一判定標準，補償調節(jié)期特別是越冬候鳥數(shù)量峰值期內(nèi)鄱陽湖水位不宜超過12.5 m，此時潛在適宜生境及淺水區(qū)面積相比最大值減幅分別為15.84%和18.81%。

4 結語

基于EFDC水動力學模型和生境適宜度曲線，構建了鄱陽湖枯季越冬水鳥棲息地數(shù)值模擬模型；以水深作為關鍵生境因子，對2008年9月三峽水庫175 m試驗性蓄水后鄱陽湖枯季越冬水鳥潛在生境面積變化進行了連續(xù)模擬。

（1）以星子站水位作為鄱陽湖代表性控制水位，建立了越冬水鳥潛在適宜生境面積和淺水區(qū)（≤60 cm）面積變化與水位的定量響應函數(shù)，揭示了越冬水鳥枯季生境面積隨水位的變化規(guī)律：星子站水位11.7 m 左右生境面積達到最大，潛在適宜生境最大面積和淺水區(qū)最大面積分別為564 km2和912 km2；隨著水位的升高，生境面積急劇下降；隨著水位的降低，生境面積先下降然后基本穩(wěn)定并略有抬升。

（2）三峽水庫運用前后鄱陽湖枯季越冬水鳥潛在生境面積保持總體穩(wěn)定：三峽運用后潛在適宜生境和淺水區(qū)面積均值相比運用前僅略微增加1.02%和1.97%；2008年175 m 試驗性蓄水后，潛在適宜生境和淺水區(qū)面積相比其最大值偏小幅度基本控制在15%以內(nèi)。然而，三峽運用后生境面積變化趨于穩(wěn)定，擾動幅度減小近50%，其長遠的生態(tài)影響有待更長時段的觀察和更深入的研究。

（3）針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程，分析計算了不同水位調控方案下枯季越冬水鳥生境面積的變化，結果顯示補償調節(jié)期特別是越冬候鳥數(shù)量峰值期內(nèi)鄱陽湖水位不宜超過12.5 m，11～12 m 之間對越冬水鳥保護影響最小，其生境面積相比最大值偏小幅度在10%以內(nèi)。然而，建閘調控將導致生境面積擾動幅度減小，其是否會對其濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的不利影響有待更深入的研究。

水深僅是越冬水鳥棲息地的一個生境因子，食物資源、人類干擾、湖床底質等都會影響水鳥對棲息地的選擇，下階段應構建復合生境因子作用下的鄱陽湖棲息地數(shù)值模擬模型，為越冬水鳥的保護提供更為全面深入的科學依據(jù)。