蔣 寧，蔣 波，雷 國 平

(1.成都師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130; 2.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心 長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430040)

河流棲息地是指為魚類及其他水生生物提供適宜生存、繁殖及完成其生命周期的物理、化學(xué)和生物條件的空間[1]。水生生物群落的時空分布取決于它們對周圍環(huán)境因子的功能需求，其中生境特征(流速、水深等)在空間分布中起了重要作用[2]。定量描述棲息地的經(jīng)典方法是棲息地適宜度指數(shù)法(HSI)。棲息地適宜度指數(shù)(Habitat Suitability index, HSI)是一種評價(jià)野生生物生境適宜程度的指數(shù)，對研究物種有重要影響的生態(tài)因子進(jìn)行綜合評價(jià)，以一個或多個環(huán)境變量的方程反映環(huán)境質(zhì)量，以此定量地反映物種對棲息地的偏好。該方法由美國魚類和野生生物管理局率先提出[3]，并在業(yè)內(nèi)得到了廣泛運(yùn)用。

Crance[4]提出了美國短鼻鱘的棲息地適宜度方程，假設(shè)短鼻鱘主要受食物和繁殖的影響，而食物和繁殖的主要影響因素是水位、流速和底質(zhì)，從而得出美國短鼻鱘棲息地適宜度的計(jì)算公式；易雨君等[5-6]建立了長江中華鱘棲息地適宜度模型，分析整理出適宜中華鱘生存繁殖的河流水溫、水深、底質(zhì)、流速、含沙量及食卵魚等10個因子的臨界指標(biāo)，得出了這些因素的適宜度曲線；王家樵[7]應(yīng)用棲息地指數(shù)(HSI)并結(jié)合分?jǐn)?shù)回歸分析方法在3種不同的假設(shè)背景下對釣獲率與溫度、鹽度、溶解氧等環(huán)境因素的關(guān)系展開了研究；陳紅波等[8]運(yùn)用分?jǐn)?shù)回歸方法對環(huán)境數(shù)據(jù)和小黃魚的單位努力捕撈量漁獲量進(jìn)行分析，得出了小黃魚最佳棲息地指數(shù)模型；劉偉等[9]主要采用棲息地指數(shù)模型評估烏蘇里江大麻哈魚降河洄游期棲息地的適宜性，并用HSI棲息地指數(shù)的附加模型(IFIM值)進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文根據(jù)四大家魚的適宜度曲線和已有平面二維水流數(shù)學(xué)模型，建立了四大家魚棲息地適宜度模型，對長江下游東流水道不同時期的四大家魚適宜度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，以初步評估東流水道二期整治工程對四大家魚適宜度的影響。

1 平面二維水流數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的基本控制方程為淺水二維水動力學(xué)方程組，包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[10]，采用正交直角坐標(biāo)系，守恒向量形式具體如下：

(1)

(2)

(3)

式中，t為時間；x和y為空間坐標(biāo)；h為水深；u,v為x,y方向的水流流速；g為重力加速度，本文中取9.8 m/s2；U為守恒量向量；F和G為x和y方向的通量向量；S為源項(xiàng)向量；Sbx=?zb/?x，Sby=?zb/?y分別為x和y方向的地形坡度，zb為河床高程；Sfx和Sjy分別為x和y方向的阻力坡度。

方程(1)～(3)中除包含基本未知量外，還包含Sfx和Sjy兩個未知數(shù)，為了使方程封閉，需引入以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

(4)

式中,n為Manning糙率系數(shù)。

本文數(shù)學(xué)模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，采用Toro[11]的HLLC近似黎曼算子計(jì)算界面通量，通過空間上的構(gòu)造及預(yù)測-校正步實(shí)現(xiàn)模型的二階精度，底坡項(xiàng)采用Valiani和Begnudelli提出的遵循嚴(yán)格物理意義的DFB方法[12-13]以保證模型的和諧性，采用全隱式方法處理阻力項(xiàng)以保證模型的穩(wěn)定性，采用顯卡并行語言O(shè)penACC對模型進(jìn)行并行化處理[14]以提高模型的計(jì)算效率。由于所采用的數(shù)值格式是顯式的，需遵循CFL線性穩(wěn)定條件，柯朗數(shù)統(tǒng)一取值為0.95。關(guān)于模型的詳細(xì)描述可參考文獻(xiàn)[12,14]，這里不做贅述。

2 棲息地適宜度曲線

棲息地適宜度模型是用來描述某一環(huán)境對某一特定物種棲息的適宜程度，通過結(jié)合水動力學(xué)模型和棲息地適宜度方程(曲線)，對主要影響某一物種生存、繁殖的生態(tài)因子進(jìn)行綜合影響評價(jià)。其中，棲息地適宜度曲線是物理?xiàng)⒌靥卣髋c某物種在該條件下適宜程度的定量描述。物種對棲息地的選擇不是由單一因素決定，而是由多個因素共同影響決定，因此需要選取合適的生態(tài)因子，確定各生態(tài)因子的相互關(guān)系，本文由以下公式?jīng)Q定：

HSI=(SI1×SI2×…×SIn)1/n

(5)

式中，SI1為各要素的適應(yīng)性指標(biāo)，范圍在0～1之間;HSI為棲息地適宜度，范圍為0～1之間。

本研究選定長江流域分布廣泛的四大家魚作為指示生物來分析生境適宜度(HSI)。表1為四大家魚在不同HSI評分指標(biāo)下的適應(yīng)性情況[15]。

表1 不同HSI下的魚類適應(yīng)性Tab.1 Fish habitat suitability index

本次研究主要針對流速、水深和底質(zhì)進(jìn)行分析研究。評估鯉科魚類(四大家魚)對環(huán)境的適應(yīng)性必須考慮鯉科魚類在不同的生命階段的不同需求，本文計(jì)算鯉科魚類HSI時分兩個階段分別考慮[15]，見表2。具體的適應(yīng)性指標(biāo)曲線見圖1。

表2 鯉科魚類不同生長階段的適應(yīng)性指標(biāo)Tab.2 Habitat suitability index of carps at different growth stage

圖1 鯉科魚類不同生長階段的SI指標(biāo)Fig.1 Habitat index of carps at different growth stage

3 二期工程對魚群HSI指數(shù)分布的影響

東流水道位于長江下游九江-安慶之間，上起華陽河口，下迄吉陽磯，全長31 km，屬順直分汊河型，河道內(nèi)洲灘周期性平行下移，汊道興衰交替。為形成對航道條件有利的河道格局，對本河段已實(shí)施了兩次航道整治工程。東流水道航道整治一期工程由老虎灘守護(hù)工程、左岸丁壩群工程及玉帶洲頭魚骨壩工程組成，工程于2004年2月開始施工，2008年3月正式完工。為進(jìn)一步鞏固完善一期工程已初步形成的有利態(tài)勢，于2012年實(shí)施了東流水道二期工程，工程包括老虎灘頭部魚骨壩工程、天玉串溝守護(hù)工程、老虎灘左緣護(hù)灘帶加固工程、右岸七里湖護(hù)岸工程和老虎崗護(hù)岸工程，二期工程于2014年正式交付使用。

3.1 模型驗(yàn)證

本文采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，共劃分了20 430個三角單元，并用2009年11月和2013年10月的水文測驗(yàn)資料進(jìn)行了定床模型驗(yàn)證。

3.1.1 水位驗(yàn)證

表3為2009年11月測次水位驗(yàn)證數(shù)據(jù)，表4為2013年10月測次水位驗(yàn)證數(shù)據(jù)。從表中可以看出，不同測次水文條件下東流水道計(jì)算與實(shí)測水位誤差均在0.05 m以內(nèi)，計(jì)算水位與實(shí)測水位符合較好，滿足規(guī)范要求，說明模型率定的參數(shù)基本能夠反映研究河段的水位變化情況。

表3 2009年11月水位計(jì)算值與實(shí)測值比較Tab.3 Calculated and measured water level in November, 2009 m

表4 2013年10月水位計(jì)算與實(shí)測值對比Tab.4 Calculated and measured water level in October, 2013 m

3.1.2 流速驗(yàn)證

考慮到篇幅，本文只摘取2009年11月測次的部分?jǐn)嗝媪魉龠M(jìn)行對比分析，見圖2。從圖中可以看出，計(jì)算灘槽流速分明，主流分布與實(shí)際情況一致?？梢姡ㄐ陨夏Ｐ陀?jì)算流場符合對天然河流的一般認(rèn)識，實(shí)測流速與計(jì)算流速基本一致，符合規(guī)范要求，說明采用的率定參數(shù)能定量反映東流水道流速分布情況。

圖2 14 200 m3/s下斷面流速分布對比Fig.2 Cross-sectional flow velocity distribution at discharge 14 200 m3/s

3.1.3 分流比驗(yàn)證

表5為東流水道計(jì)算的分流比和實(shí)測的分流比。由表5可見，計(jì)算與實(shí)測分流比誤差均在1%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求?？梢姡Ｐ湍茌^準(zhǔn)確地反映東流水道的分流格局。

表5 分流比驗(yàn)證Tab.5 Flow rate verification %

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

選取四大家魚SI指標(biāo)(圖1)作為計(jì)算參數(shù)，分別計(jì)算東流水道四大家魚在產(chǎn)卵期和生長期有、無二期工程的HSI分布情況。

3.2.1 2012年地形條件

3.2.1.1 產(chǎn)卵期

四大家魚產(chǎn)卵期為每年3～6月，以4～6月最為集中，此時長江正處于中水期，因此選用中水流量(27 580 m3/s)作為四大家魚產(chǎn)卵期HSI模擬計(jì)算的代表性流量。表6為四大家魚產(chǎn)卵期有、無二期工程的HSI模擬計(jì)算結(jié)果。由表6可知，二期工程實(shí)施后，HSI小于0.5的面積占比有所增加，達(dá)到0.52%(約4.6×105m2)；HSI在0.5～0.6之間的面積占比有所減少，達(dá)到0.55%(約4.9×105m2)；HSI在0.6～0.7之間的面積占比維持不變；HSI在0.7～0.8之間的面積占比有所增加(0.02%)；HSI在0.8～0.9之間的面積占比維持不變；HSI在0.9～1.0之間的面積占比有所增加，為0.01%(約0.9×104m2)。

上述結(jié)果表明：東流水道二期工程能增加四大家魚產(chǎn)卵期HSI小于0.5的面積，減小HSI在0.5～0.8之間的面積，增加HSI大于0.8的面積，結(jié)合表1，可以得出二期工程能在一定程度上增加四大家魚在產(chǎn)卵期的理想(HIS>0.8)適宜性區(qū)域，有助于四大家魚的產(chǎn)卵繁殖。

表6 有無二期工程魚群產(chǎn)卵期HSI分布Tab.6 HSI distribution of fish swarm in spawning season with and without stage 2 project %

注：計(jì)算區(qū)域總面積為8.85×107m2，表中0.01%代表面積約為8.85×103m2。

圖3為中水流量(27 580 m3/s)下的HSI分布圖，HSI大于0.8的區(qū)域(理想的適宜性區(qū)域)均在玉帶洲洲頭處。

圖3 四大家魚產(chǎn)卵期HSI分布Fig.3 HSI distribution of Chinese carps in spawning season

3.2.1.2 生長期

四大家魚生長期為每年7～11月，此時長江正處于中水、洪水期，因此選用中水流量(27 580 m3/s)和洪水流量(51 140 m3/s)作為四大家魚生長期HSI模擬計(jì)算的代表性流量。表7為四大家魚生長期有無二期工程的HSI分布情況。由表7可知，二期工程實(shí)施后，HSI小于0.5的面積占比均有所增加，洪水條件下增加的面積達(dá)到0.45%；HSI在0.5～0.6之間的面積占比均有所減少，洪水條件下面積減小達(dá)到0.46%；HSI在0.6～0.7之間的面積占比在中水條件下有所減小(-0.06%)，洪水條件下維持不變；HSI在0.7～0.8之間的面積占比洪水條件下有所增加(0.02%)，中水條件下維持不變；HSI在0.8～0.9之間的面積占比在洪水條件下有所減小(-0.03%)，中水條件下維持不變；HSI在0.9～1.0之間的面積占比在洪水條件下有所增加(0.02%)，中水條件下維持不變。

以上結(jié)果表明：在枯水條件下，東流水道二期工程能增加四大家魚生長期HSI小于0.5的面積，減小HSI在0.5～0.8之間的面積，HSI大于0.8的面積則基本維持不變。結(jié)合表1，可以得出二期工程能增加魚群生長期較差的適宜性區(qū)域面積，減小一般的、潛在的適宜度范圍，不利于魚群的生長。

表7 不同流量級下有、無二期工程魚群生長期HSI分布Tab.7 HSI distribution of fish swarm at different discharge level with and without stage 2 project %

這里只選取洪水期HSI分布圖為例說明。圖4是流量為51 140 m3/s下的HSI分布圖，HSI大于0.8(理想的適宜性區(qū)域)均主要集中在玉帶洲頭部及玉帶洲右緣。

圖4 51 140 m3/s下四大家魚生長期HSI分布Fig.4 HSI distribution of Chinese carps at discharge 51140 m3/s

3.2.2 2017年地形條件

為了反映二期工程引起的東流河段地形變化對HSI的影響，特選取2017年1月地形測圖(工程后)進(jìn)行模擬計(jì)算，并與2012年地形(工程前)計(jì)算結(jié)果對比，分析二期工程實(shí)施前后的HSI分布變化情況，表8為工程前后魚群產(chǎn)卵期HSI分布，表9為工程前后魚群生長期HSI分布。

表8與表9所展現(xiàn)的規(guī)律一致，說明二期工程能在一定程度上增加四大家魚在產(chǎn)卵期一般的、理想的適宜性區(qū)域(HSI大于0.6)，有助于四大家魚的產(chǎn)卵繁殖。

由表9得出，二期工程均減少四大家魚在生長期較差的適宜性區(qū)域面積，增加一般的、潛在的和理想的適宜度范圍，幅度相對較大，表明二期工程有利于四大家魚的生長。

表8 工程前后魚群產(chǎn)卵期HSI分布Tab.8 HSI distribution of fish swarm in spawning season before and after stage 2 project construction %

表9 工程前后魚群生長期HSI分布Tab.9 HSI distribution of fish swarm in growth season before and after stage 2 project construction %

4 結(jié) 論

本文根據(jù)四大家魚棲息地適宜度曲線，建立了四大家魚棲息地適宜度模型，并與已有平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合，對東流水道不同時期的四大家魚棲息地適宜度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)四大家魚棲息地適宜度曲線和已有平面二維水流數(shù)學(xué)模型建立的計(jì)算河道魚類棲息地適宜度的數(shù)學(xué)模型可以反映魚類棲息地適宜度時空分布特征。

(2) 東流水道二期工程能在一定程度上增加四大家魚產(chǎn)卵期理想的適宜性區(qū)域，有助于四大家魚的產(chǎn)卵繁殖。

(3) 在魚群生長期工程進(jìn)入施工時，工程施工增加了較差的適宜性區(qū)域面積，減小了一般的、潛在的適宜度范圍，不利于魚群的生長；工程實(shí)施后，其規(guī)律剛好相反，有助于四大家魚的生長。

建議在進(jìn)行航道整治工程的整體布局和尺寸設(shè)計(jì)時，充分考慮整治工程對目標(biāo)魚群棲息地適宜度的影響，盡量使航道整治工程對目標(biāo)魚群棲息地適宜度的影響最小，甚至能增加目標(biāo)魚群的適宜度和理想適宜度范圍。