侯 俊，黃喻威，苗令占，邵國(guó)毅，吳 淼

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水電開發(fā)為人類社會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也在改變著河流的水文情勢(shì)及水流形態(tài)，對(duì)河道原有的連續(xù)性、多樣性和完整性造成不利影響[1]。對(duì)于特定河流，需要保持一定水量、時(shí)間和頻率的一系列流量排放[2]。這些流量過程必須保證維持復(fù)雜的水生棲息地和河流生態(tài)系統(tǒng)健康，被稱為“生態(tài)流量”“生態(tài)用水需求”“環(huán)境流量”“環(huán)境用水需求”等[3]。2007年第十屆國(guó)際環(huán)境流量大會(huì)上發(fā)布的“布里斯班宣言”將環(huán)境流量描述為“維持河道及河口自然生態(tài)系統(tǒng)和維持人類生存發(fā)展所依賴的生態(tài)系統(tǒng)所需要的水量、時(shí)間和水質(zhì)”[4]。2018年新發(fā)布的“布里斯班宣言”對(duì)保障環(huán)境流量的全球行動(dòng)計(jì)劃做了進(jìn)一步的描述。

目前計(jì)算環(huán)境流量的方法有200多種[5]，主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法4類。棲息地模擬法不僅將流量變化與自然棲息地變化聯(lián)系在一起，還把這一信息應(yīng)用到具體物種的棲息地需求上，來確定環(huán)境流量的范圍。最典型的棲息地模擬法是20世紀(jì)70年代美國(guó)漁業(yè)及野生動(dòng)物署(USWFS)提出的河道內(nèi)流量增加法(instream flow incremental methodology, IFIM)，考慮了流速、水深、底質(zhì)等因子變化引起的特定物種處于不同生命階段的偏好變化，通過模擬計(jì)算出不同流量Q條件下棲息地加權(quán)可利用面積(weighted usable area, WUA)，根據(jù)Q-WUA關(guān)系來評(píng)估環(huán)境流量過程[6]。楊宇等[7]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，將棲息地水力條件劃分為水流特征量、河道特征量和無量綱量，并給出了適用范圍；侯俊等[8]運(yùn)用MIKE數(shù)值模擬與棲息地適宜度指數(shù)(habitat suitability index, HSI)模型結(jié)合的方法，得到了保護(hù)息縣樞紐工程閘下長(zhǎng)春鳊的環(huán)境流量；魏卿等[9]運(yùn)用IFIM和PHABSIM模型得到Q-WUA曲線，并計(jì)算得到洪澤湖鱖魚產(chǎn)卵期最小生態(tài)流量；韓仕清等[10]根據(jù)目標(biāo)物種產(chǎn)卵場(chǎng)逐日流量資料，分析構(gòu)建了水深、流速適宜度曲線，并采用IFIM得到水電站下泄的生態(tài)流量。

水生生物生境資料的難于獲取是目前制約棲息地模擬法發(fā)展的重要因素[11]，目前針對(duì)雅魯藏布江流域特有魚類及其環(huán)境流量需求的研究極少，主要原因也是水文和魚類生境等基礎(chǔ)資料難以獲取。本文采用河道內(nèi)流量增加法對(duì)雅魯藏布江中游河段進(jìn)行環(huán)境流量計(jì)算，以期為缺乏生境資料的河流環(huán)境流量計(jì)算提供思路，同時(shí)也為雅魯藏布江水電開發(fā)情況下水生生物棲息地保護(hù)提供理論和方法指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

雅魯藏布江流域位于西藏境內(nèi)，流域面積為24.6萬km2，平均海拔約4 500 m，干流全長(zhǎng)為 2 057 km，流域內(nèi)總落差為5 435 m，平均水力坡降在中國(guó)境內(nèi)所有大型河流中排首位。雅魯藏布江有著豐富的水電開發(fā)潛力，是西藏水能資源最豐富的河流，其干流和五大支流(多雄藏布江、年楚河、拉薩河、尼洋河、帕隆藏布江)的理論水能蘊(yùn)藏量約為1.13億kW，僅次于長(zhǎng)江流域。

雅魯藏布江中游指的是里孜至米林縣派鎮(zhèn)河段，長(zhǎng)約1 340 km，總落差達(dá)1 200 m。目前該河段已建成雅魯藏布江干流上的第一座大型水電站——藏木水電站，并于2015年開始運(yùn)行。其壩址處多年平均流量為1 010 m3/s，壩址控制流域面積約15.8萬km2，水庫正常蓄水位為3 310 m，最大壩高為116 m，相應(yīng)庫容約0.866億m3，電站總裝機(jī)容量達(dá)51萬kW，多年平均年發(fā)電量約25億kW·h，是西藏最大的水電開發(fā)項(xiàng)目。

根據(jù)雅魯藏布江梯級(jí)開發(fā)的規(guī)劃，藏木水電站下游還規(guī)劃建設(shè)米林電站(水庫)。根據(jù)已掌握的基礎(chǔ)資料情況，同時(shí)為了排除支流尼洋河(多年平均流量約占其入?yún)R處雅魯藏布江干流流量的40%)對(duì)雅魯藏布江干流水文情勢(shì)的干擾，選取藏木水電站下游米林—尼洋河匯口處河段作為本次研究區(qū)域。研究區(qū)域位于東經(jīng)94°13′～94°28′、北緯29°14′～29°25′范圍內(nèi)，河段長(zhǎng)38.9 km，斷面寬為0.25～2.24 km，平均水深約為4.5 m，面積約為 33.4 km2，多年平均流量為1 440 m3/s。選用棲息地模擬法來計(jì)算天然狀態(tài)下該河段維持拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵繁殖適宜棲息地所需的環(huán)境流量，為已建藏木水電站以及日后米林水電站運(yùn)行過程中水生生物棲息地保護(hù)提供理論支持。

在雅魯藏布江中游主要分布有拉薩裸裂尻魚、雙須葉須魚、拉薩裂腹魚、巨須裂腹魚、異齒裂腹魚和尖裸鯉共6種裂腹魚類，是當(dāng)?shù)靥赜械耐林?jīng)濟(jì)魚類[12]。李雷等[13]分別在2015年和2017年春季對(duì)雅魯藏布江中游魚類進(jìn)行了采樣調(diào)查，根據(jù)打撈物中各魚類的質(zhì)量和數(shù)量來計(jì)算分布頻率，統(tǒng)計(jì)分析了6種魚類的相對(duì)重要性指數(shù)(index of relative importance, IRI)，結(jié)果顯示異齒裂腹魚的平均IRI最高，約為 9 800，可視為優(yōu)勢(shì)種群;其次為拉薩裸裂尻魚，平均IRI約為2 200，可視為亞優(yōu)勢(shì)種群。另外李雷等[13]在對(duì)6種魚類地理分布范圍的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在藏木水電站下游江段(朗縣、米林)中，僅拉薩裸裂尻魚和巨須裂腹魚兩次均被采集到樣本。因此在研究藏木水電站下游魚類棲息地需求時(shí)拉薩裸裂尻魚具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 環(huán)境流量求解方法

釆用IFIM來計(jì)算目標(biāo)魚類產(chǎn)卵期環(huán)境流量，通過構(gòu)建研究區(qū)域二維水動(dòng)力模型，得到河段內(nèi)水深、流速等水力條件，再與魚類棲息地適宜度模型相結(jié)合，建立不同流量和目標(biāo)魚種有效棲息地WUA之間的關(guān)系，從Q-WUA關(guān)系曲線上找出拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為保障適宜魚類棲息地的環(huán)境流量，來為河流流量過程的生態(tài)調(diào)控提供依據(jù)。

在魚類棲息地適宜度模型模擬中，一般采用魚類棲息地適宜度指數(shù)來表征魚類在具體生活史階段對(duì)棲息地內(nèi)不同水力條件(如水深、流速、河床底質(zhì))的偏好程度，這一適宜度指數(shù)通常用魚類棲息地適宜度曲線來表示[14]。目前國(guó)內(nèi)暫無雅魯藏布江上特有裂腹魚類的可用棲息地適宜度模型，本文通過數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)的方法來構(gòu)建目標(biāo)魚類的棲息地適宜度模型。

2.2 目標(biāo)魚類棲息地適宜度模型構(gòu)建方法

本文基于雅尼濕地干流河段(尼洋河匯口處—奴下斷面)產(chǎn)卵期歷史水文資料，采用數(shù)值模擬與統(tǒng)計(jì)的方法[15]，構(gòu)建拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵期棲息地適宜度模型。拉薩裸裂尻魚繁殖時(shí)間主要在3—4月[16-17]，因此選取3—4月的水文數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型。拉薩裸裂尻魚的產(chǎn)卵場(chǎng)位于慢流河灣地區(qū)或淺灘流水處，拉薩裸裂尻魚一般產(chǎn)黏性卵于礫石底質(zhì)的邊灘、心灘交界的水域，之后受精卵會(huì)落入石礫縫中，孵化過程同時(shí)伴隨著水流的沖刷。產(chǎn)卵期水深的閾值范圍為0.5～1.5 m[18]。

以米尼村附近斷面地形為例，如圖1所示，主河槽與邊灘交界處急流與緩流混雜，利于魚類產(chǎn)卵，滿足拉薩裸裂尻魚的產(chǎn)卵需求。因此，將此交界處定義為地形突變點(diǎn)，該點(diǎn)附近水域可以視為拉薩裸裂尻魚的產(chǎn)卵適宜區(qū)域。選取雅尼濕地干流河段8個(gè)實(shí)測(cè)斷面，提取各斷面地形突變點(diǎn)，作為產(chǎn)卵場(chǎng)水力條件模擬的代表區(qū)域。

圖1 米尼村斷面地形

采用MIKE21水動(dòng)力模型來對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)代表區(qū)域進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬，上斷面流量根據(jù)奴下斷面的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)及控制面積的比例來推算，下斷面水位采用奴下斷面的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域?yàn)槟嵫蠛訁R口處—奴下斷面，模擬時(shí)間為2006—2010年的3—4月。利用模擬區(qū)域內(nèi)水面線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定的結(jié)果表明，各驗(yàn)證點(diǎn)位誤差在0～0.15 m之間，絕對(duì)平均值為0.08 m，模型選取的參數(shù)較為合理，能較好模擬研究區(qū)域內(nèi)的水力條件。

提取8個(gè)地形突變點(diǎn)的水深、流速計(jì)算結(jié)果，并參考張志廣等[18]對(duì)裂腹魚棲息地生態(tài)水力學(xué)特征的研究，舍棄水深不滿足0.5～1.5 m的計(jì)算結(jié)果。統(tǒng)計(jì)拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵場(chǎng)各水深、流速區(qū)間內(nèi)樣本的數(shù)量和分布頻率，并進(jìn)行歸一化處理，繪制拉薩裸裂尻魚流速、水深棲息地適宜度指數(shù)曲線。

2.3 目標(biāo)魚類棲息地WUA計(jì)算方法

IFIM通過WUA來表征魚類可生存繁衍的有效棲息地面積，將其定義為計(jì)算單元的棲息地適宜度指數(shù)和該單元面積的乘積：

(1)

式中：S為WUA的值；Ai為各計(jì)算單元的面積；n為計(jì)算單元個(gè)數(shù)；Ii為計(jì)算單元的棲息地適宜度指數(shù)，由Ivi、Idi、Ici，即流速、水深、河道特征(主要為河床覆蓋物和底質(zhì)情況)的適宜度指數(shù)組合而成，計(jì)算方法有乘積法、幾何平均法、最小值法和加權(quán)平均法，計(jì)算公式分別為

Ii=IviIdiIci

(2)

(3)

Ii=min(Ivi,Idi,Ici)

(4)

Ii=kvIvi+kdIdi+kcIci

(5)

式中kv、kd、kc分別為流速、水深和河道特征適宜度指數(shù)的權(quán)重系數(shù)。由于缺乏目標(biāo)魚類對(duì)河床覆蓋物和底質(zhì)的適宜度數(shù)據(jù)，將Ici的值默認(rèn)為1，僅考慮流速和水深的共同作用，采用式(2)計(jì)算棲息地適宜度指數(shù)；將計(jì)算節(jié)點(diǎn)外圍的泰森多邊形的面積作為計(jì)算單元的面積，計(jì)算WUA值。

根據(jù)水動(dòng)力模型得到不同流量下河段內(nèi)的流速和水深分布情況，結(jié)合目標(biāo)魚類對(duì)流速、水深和河道特征的適宜度指數(shù)曲線，確定不同流量下各網(wǎng)格區(qū)對(duì)應(yīng)的棲息地適宜度指數(shù)，根據(jù)式(1)和(2)，即可得到該流量下的WUA，最終綜合得出棲息地Q-WUA關(guān)系曲線。

2.4 水動(dòng)力模擬方法

選用MIKE21 Flow Model對(duì)研究區(qū)域(米林—尼洋河匯口處河段)的水動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同流量下河段內(nèi)的流速和水深分布情況。米林—尼洋河匯口處河段內(nèi)水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，所以可用二維淺水方程來模擬區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力特征。

本次模擬采用實(shí)測(cè)斷面地形資料，研究區(qū)域內(nèi)總共有20個(gè)斷面。模型地形搭建選用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為60 s，模擬區(qū)域內(nèi)共有 1 818個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，三角形單元共有2 112個(gè)。從網(wǎng)格地形圖來看，地形模擬結(jié)果可以較好地反映研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際地形地貌。上斷面以流量作為邊界條件，根據(jù)羊村斷面實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)及控制面積的比例推求得到；下斷面以流量作為邊界條件，通過奴下斷面的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)推求得到；其余均為陸地邊界。運(yùn)用“干濕判別法”處理網(wǎng)格內(nèi)二維動(dòng)邊界，模型模擬中干水深值取0.005 m，濕水深值取0.1 m，淹沒水深值取0.05 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘，雅魯藏布江米林—尼洋河匯口處河段河床以砂質(zhì)為主，有少許礫石、卵石。根據(jù)已有水邊線數(shù)據(jù)，采用不同的糙率系數(shù)n進(jìn)行試算，經(jīng)率定該河段糙率為0.042。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行誤差分析，計(jì)算得到的水深、流速驗(yàn)證結(jié)果的誤差均在正常范圍內(nèi)，平均偏差分別為6.6%和9.2%，且水深和流速模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)均與實(shí)測(cè)值變化情況有較好的一致性，所以此模型選取的參數(shù)合理，模型模擬結(jié)果也可信。

3 結(jié)果與分析

3.1 拉薩裸裂尻魚棲息地適宜度指數(shù)曲線

如圖2和圖3所示，拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵期可接受的水深范圍為0.5～1.3 m，其中水深為0.7～1.0 m 時(shí)，Id≥0.6(適宜水深)；水深為0.7 m、0.9～1.0 m時(shí)，Id≥0.8(理想水深)。流速可接受的范圍為0.1～0.9 m/s，其中流速為0.4～0.6 m/s時(shí)，Iv≥0.6(適宜流速)；流速為0.5 m/s時(shí)，Iv≥0.8(理想流速)。

圖2 水深統(tǒng)計(jì)及適宜度指數(shù)曲線

圖3 流速統(tǒng)計(jì)及適宜度指數(shù)曲線

圖5 流量432 m3 /s時(shí)適宜度指數(shù)和WUA分布

3.2 拉薩裸裂尻魚棲息地WUA與流量關(guān)系

模擬計(jì)算米林—尼洋河匯口處河段多年平均流量10%～80%條件下(8種工況)水深、流速分布情況，同時(shí)結(jié)合適宜度指數(shù)曲線，計(jì)算WUA，得到Q-WUA關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，流量由144 m3/s(0.1Q，Q為米林?jǐn)嗝娑嗄昶骄髁?增加至432 m3/s(0.3Q)，WUA由38.2萬m2持續(xù)增加至46.6萬m2。造成這一趨勢(shì)的原因可能是，米林—尼洋河匯口處河段多為辮狀河道，且區(qū)域內(nèi)橫向?yàn)┑卮罅糠植?，此時(shí)水位隨流量增加抬升至邊灘區(qū)域，同時(shí)坡降沿主河槽向邊灘逐漸變緩，因此區(qū)域內(nèi)WUA增加。流量由432 m3/s(0.3Q)增加至864 m3/s(0.6Q)，WUA約保持45萬m2(±1.5萬m2)。在該流量變化范圍內(nèi)，水位持續(xù)抬升，主河槽內(nèi)水深增加，水深適宜度指數(shù)降低；但隨著各河槽間相互連通，水面面積有所增加，因此WUA趨于穩(wěn)定。流量由864 m3/s(0.6Q)增加至1 152 m3/s(0.8Q)，WUA由44.6萬m2顯著增加至58.7萬m2。此時(shí)隨流量增加，水面持續(xù)上升并淹沒兩岸灘地，適宜區(qū)域面積明顯增加；同時(shí)受坡降減小影響，灘地兩側(cè)流速、水深適宜水域均擴(kuò)大，WUA顯著增加。

圖4 拉薩裸裂尻魚Q -WUA關(guān)系曲線

3.3 保障魚類產(chǎn)卵繁殖所需的環(huán)境流量

根據(jù)IFIM推求環(huán)境流量的建議，從Q-WUA的關(guān)系曲線上找出拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為環(huán)境流量。由圖4可知，受模擬河段地形影響，Q-WUA關(guān)系曲線上存在兩個(gè)拐點(diǎn)，選擇第一個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為研究區(qū)域保障拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵棲息地面積的環(huán)境流量，即米林?jǐn)嗝娑嗄昶骄髁康?0%、432 m3/s。

此外，進(jìn)一步分析該流量下模擬得到的適宜度指數(shù)和WUA分布情況(圖5)，可以看出，水域流動(dòng)性好、連通性強(qiáng)的灘地附近更容易出現(xiàn)集中的適宜產(chǎn)卵區(qū)域，這也與拉薩裸裂尻魚的實(shí)際產(chǎn)卵場(chǎng)特征相符。

3.4 不同方法計(jì)算的環(huán)境流量比較

為評(píng)價(jià)棲息地模擬法的計(jì)算結(jié)果，將水文學(xué)法中的Tennant法的環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果與本文的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

Tennant法一般將多年平均流量的10%作為水生生物生長(zhǎng)低限，在本研究河段即為144 m3/s，可見棲息地模擬法的計(jì)算結(jié)果明顯高于Tennant法推薦的環(huán)境流量值。這是因?yàn)門ennant法沒有考慮具體水生生物對(duì)流量的需求，僅根據(jù)歷史多年平均流量資料給出河道內(nèi)流量的最低下限，不能反映魚類對(duì)棲息地的適應(yīng)性。通常來說，棲息地模擬法得出的環(huán)境流量數(shù)值要大于水文學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果，適用于受人類活動(dòng)影響較小的天然河流。

產(chǎn)卵期是魚類生活史最重要的階段，對(duì)棲息地的要求也較高。Tennant法給出的能保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量為144 m3/s，此時(shí)研究河段的適宜棲息地面積為38.2萬m2，為棲息地模擬法計(jì)算結(jié)果的82%，不能很好地保證拉薩裸裂尻魚的產(chǎn)卵需求。

4 結(jié) 論

a. 基于數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)得出拉薩裸裂尻魚的棲息地適宜度指數(shù)曲線，適宜水深(Id≥0.6)為 0.7～1.0 m，適宜流速(Iv≥0.6)為0.4～0.6 m/s。

b. 流量由144 m3/s增加至432 m3/s(占多年平均流量的 10%～30%)，WUA由38.2萬m2緩慢增加至46.6萬m2；流量由432 m3/s增加至864 m3/s(占多年平均流量的 30%～60%)，WUA約保持 45萬m2(±1.5萬m2)；流量由864 m3/s增加至 1 152 m3/s(占多年平均流量的60%～80%)，WUA由44.6萬m2顯著增加至58.7萬m2。

c. 維持拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵場(chǎng)適宜棲息地面積的米林?jǐn)嗝嫣幾钚…h(huán)境流量為432 m3/s(占多年平均流量的30%)，對(duì)應(yīng)的WUA為46.6萬m2。

d. 與Tennant法相比，棲息地模擬法計(jì)算得到的環(huán)境流量考慮了魚類對(duì)棲息地的需求情況，更能保證拉薩裸裂尻魚產(chǎn)卵期的生境需求。