黎 小 東，曹 艷 敏，王 崇 宇

(1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000； 3.湖南省水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

產(chǎn)卵期是魚類各生命周期中最重要的環(huán)節(jié)，保證了魚類物種延續(xù)[1]。產(chǎn)卵期的水力條件、生態(tài)水文對(duì)魚類產(chǎn)卵、魚卵孵化及魚苗存活有著關(guān)鍵的影響作用[2-3]。目前，各學(xué)者針對(duì)魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文研究有：李翀[4]將長(zhǎng)江中游四大家魚產(chǎn)卵期間的漲水過程數(shù)、總漲水日數(shù)、平均每次漲水過程日數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)與四大家魚發(fā)江量進(jìn)行擬合，得出總漲水日數(shù)是影響四大家魚發(fā)江量的重要因素；郭文獻(xiàn)[5]對(duì)長(zhǎng)江干流中游四大家魚和中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵期的生態(tài)水文進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的分析，以得出三峽水庫運(yùn)行對(duì)魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文的影響；黃曼茹[6]利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)長(zhǎng)江上游銅魚產(chǎn)卵期IHA指標(biāo)與產(chǎn)卵情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出高流量脈沖是影響銅魚產(chǎn)卵的關(guān)鍵因素。

在已有研究中，由于IHA-RVA法(生態(tài)水文指標(biāo)變動(dòng)范圍法)中IHA指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)了河流水生生態(tài)環(huán)境的不同影響環(huán)節(jié)，具有豐富的生態(tài)信息，RVA法尤其適用于分析受人類活動(dòng)影響(如水庫建設(shè)前后)的河流生態(tài)水文改變情況，因此常被采用。但是，在利用IHA-RVA法對(duì)產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標(biāo)進(jìn)行分析的已有研究中，會(huì)存在極值、極值出現(xiàn)時(shí)間、高低脈沖次數(shù)、高低脈沖歷時(shí)等指標(biāo)是以全年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析的情況。而這些指標(biāo)是影響四大家魚產(chǎn)卵、魚卵孵化的關(guān)鍵性指標(biāo)[7-9]，應(yīng)將計(jì)算分析的數(shù)據(jù)限制在產(chǎn)卵期范圍內(nèi)，以排除產(chǎn)卵期以外其他時(shí)期數(shù)據(jù)的影響，以此得出魚類產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標(biāo)的真正變異程度。

此外，已有研究對(duì)象主要為以三峽水庫為代表的不完全年調(diào)節(jié)水利樞紐。因日調(diào)節(jié)電站調(diào)節(jié)庫容較小，只在日內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其生態(tài)影響常被定性為較小，所以缺乏相應(yīng)的產(chǎn)卵期生態(tài)水文情勢(shì)影響定量分析[10]。

為排除其他時(shí)期對(duì)四大家魚產(chǎn)卵期IHA指標(biāo)的影響，本文以四大家魚產(chǎn)卵期水文時(shí)間序列為研究對(duì)象，對(duì)該范圍內(nèi)的IHA指標(biāo)進(jìn)行RVA法(變動(dòng)范圍法)分析，極值、極值出現(xiàn)時(shí)間、高低脈沖次數(shù)、高低脈沖歷時(shí)等IHA指標(biāo)均為產(chǎn)卵期范圍內(nèi)計(jì)算值，以此進(jìn)行水利工程建設(shè)前后的對(duì)比分析，以得出工程建設(shè)對(duì)四大家魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文指標(biāo)的影響程度。同時(shí)，以日調(diào)節(jié)型電站為研究對(duì)象，定量分析其對(duì)四大家魚產(chǎn)卵期生態(tài)水文的影響程度，完善該類型電站對(duì)生態(tài)水文情勢(shì)變化影響有關(guān)研究?jī)?nèi)容。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

湘江是長(zhǎng)江中游的重要支流之一，也是湖南省境內(nèi)最大的一條河流。湘江四大家魚及其他一些經(jīng)濟(jì)魚類多集中在湘江常寧張河鋪至衡陽云集河段產(chǎn)卵，該江段產(chǎn)卵場(chǎng)是中國(guó)四大家魚三大產(chǎn)卵場(chǎng)之一，其天然魚苗產(chǎn)量約占全國(guó)1/4[11]。

隨著湘江干流梯級(jí)開發(fā)相繼建成蓄水，尤其是涉及產(chǎn)卵場(chǎng)區(qū)域的4個(gè)日調(diào)節(jié)電站梯級(jí)開發(fā)，原有88 km長(zhǎng)江段的湘江四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)已逐漸萎縮[12]，出現(xiàn)產(chǎn)卵場(chǎng)破碎化。根據(jù)2009～2010年調(diào)查分析推算，原有的湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)目前已萎縮破碎為大堡、柏坊、松江、漁市4個(gè)干流產(chǎn)漂流性產(chǎn)卵場(chǎng)[13]。

涉及本次研究區(qū)域的4個(gè)電站梯級(jí)均為徑流式日調(diào)節(jié)型電站，自上游至下游分別為湘祁水電站、近尾洲水電站、土谷塘水電站和大源渡航電樞紐。湘祁水電站位于永州市境內(nèi)，2012年建成蓄水，控制流域面積27 118 km2，正常蓄水位75.50 m；近尾洲水電站位于衡陽市境內(nèi)，2002年建成蓄水，控制流域面積28 597 km2，正常蓄水位66.10 m；土谷塘水電站位于衡陽市衡南縣，2015年建成，控制流域面積37 273 km2，正常蓄水位58.00 m；大源渡航電樞紐位于湘江干流衡陽市境內(nèi)，1999年建成蓄水，控制流域面積53 200 km2，正常蓄水位50.10 m，以上高程均為85國(guó)家高程。研究區(qū)域涉及歸陽和衡陽兩個(gè)水文站(見圖1)，目前破碎萎縮的4個(gè)產(chǎn)卵場(chǎng)均位于兩水文站之間(見圖2)，因此，對(duì)歸陽、衡陽水文站水文時(shí)間序列進(jìn)行分析可得出湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)水文情勢(shì)變化情況。

因湘祁、土谷塘水電站建成年份晚，兩電站建成后的實(shí)測(cè)水文系列較短，未形成長(zhǎng)時(shí)間序列，因此本文以近尾洲及大源渡水文站建成蓄水年份作為分界點(diǎn)分析電站建成前后生態(tài)水文情勢(shì)改變度。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括：① 1961～2015年歸陽水文站逐日流量、水位資料(由湖南省水文水資源勘測(cè)局提供)；② 1959～2015年衡陽水文站逐日流量、水位資料(由湖南省水文水資源勘測(cè)局提供)；③ 歸陽、衡陽水文站河道斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(由湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院提供)。斷面逐日平均流速Vi用公式(1)推求。

(1)

式中：Qi為逐日流量；Ai為Qi流量下對(duì)應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e，結(jié)合歸陽、衡陽水文站所在斷面水下地形及Qi流量對(duì)應(yīng)水位Hi求出。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Map of study area of Xiangjiang River

圖2 產(chǎn)卵場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of spawning grounds for four domestic fishes

1.3 湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期確定

對(duì)于湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期確定，丁德明[12]在2008～2010年對(duì)湘江流域魚類資源進(jìn)行了多次調(diào)查，并且結(jié)合歷年撈苗時(shí)間進(jìn)行分析。湘江流域撈苗時(shí)間在20世紀(jì)60，70年代集中在4月下旬至5月上旬，而20世紀(jì)90年代到2010年左右，撈苗時(shí)間主要集中在6月份，其中最早為1994年(5月?lián)泼?，最晚為1996年和2003年(7月?lián)泼?，這也間接說明湘江四大家魚產(chǎn)卵時(shí)間推遲了1個(gè)月左右。因此，本文將4～7月作為湘江干流四大家魚產(chǎn)卵期。

2 研究方法

2.1 水文變化指標(biāo)

1996年，Richter等[14]提出水文變化指標(biāo)法(Indicators of Hydrologic Alteration，簡(jiǎn)稱IHA方法)，該方法主要以水文條件的量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和變化率5種基本特征為基礎(chǔ)，根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征劃分為5 組，32 個(gè)指標(biāo)[15]。IHA 各指標(biāo)與河流生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)[15-16]，由于IHA 具有豐富的生態(tài)信息，且易采集，因此常用來評(píng)價(jià)水文系統(tǒng)變化的程度及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。

2.2 RVA分析方法

變動(dòng)范圍法(RVA)是Richter等于1997年提出，該法建立在水文變化指標(biāo)(IHA)的基礎(chǔ)上，利用建立的生態(tài)水文指標(biāo)(見表1)評(píng)價(jià)受水利工程影響的河流水文情勢(shì)[17-18]。為了量化指標(biāo)受干擾后的變化程度，Richter等建議以改變度來評(píng)估，其定義如下：

(2)

式中：Di為第i個(gè)IHA的水文改變度；Noi為第i個(gè)IHA受干擾后的觀測(cè)年數(shù)中落在RVA目標(biāo)閾值內(nèi)的年數(shù)；Ne為受干擾后IHA指標(biāo)預(yù)期落入RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)，可以用r·NT來評(píng)估，其中，r為受干擾前IHA落入RVA目標(biāo)閾值內(nèi)的比例，若以各個(gè)IHA的75%及25%作為RVA目標(biāo)，則r=50%，而NT為受干擾后流量時(shí)間序列記錄的總年數(shù)。

為對(duì)IHA指標(biāo)的水文改變程度設(shè)定一個(gè)客觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)，Richter等建議0≤|Di|<33%屬于未改變或者低度改變；33%≤|Di|<67%屬于中度改變；67%≤|Di|≤100%屬于高度改變。整體水文變化程度D0可以用以下方法計(jì)算：取32個(gè)IHA指標(biāo)改變度的平均值來評(píng)估河流生態(tài)環(huán)境的整體變化情形，然而這樣將體現(xiàn)不出各指標(biāo)權(quán)重大小。借鑒蕭正宗提出的以權(quán)重平均的方式來量化評(píng)估整體水文特征改變度的方法[19-20]，以D0表示：

(3)

式中：n為指標(biāo)個(gè)數(shù)；同時(shí)也規(guī)定D0值介于0～33%屬于未改變或者低度改變，33%～67%之間屬于中度改變，67%～100%屬于高度改變。

2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)易[21]。本文采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)歸陽(1961～2015年)及衡陽(1959～2015年)水文站長(zhǎng)時(shí)間序列生態(tài)水文指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)分析。

3 實(shí)例研究

3.1 產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵期水文趨勢(shì)分析

由Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果(見表1)可以看出，整個(gè)產(chǎn)卵場(chǎng)4月流量呈下降趨勢(shì)；歸陽5，6月月流量呈明顯上升趨勢(shì)；7月流量，歸陽和衡陽斷面變化趨勢(shì)不明顯。歸陽水文站位于近尾洲庫區(qū)末端，衡陽水文站位于大源渡樞紐庫區(qū)中部，水位相應(yīng)抬高，所以兩斷面水位呈明顯上升趨勢(shì)，而4～7月流速呈明顯下降趨勢(shì)。

表1 生境特征指標(biāo) Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法分析Tab.1 Analysis of Mann-Kendall test on the physical habita indicators

3.2 水文站產(chǎn)卵期生態(tài)水文改變度

為定量評(píng)價(jià)大源渡樞紐蓄水后庫區(qū)河流生態(tài)水文情勢(shì)的改變程度，將衡陽站時(shí)間序列劃分為兩個(gè)時(shí)段：樞紐蓄水前(1959～1998年)，樞紐蓄水后(1999～2015年)。在此基礎(chǔ)上采用變動(dòng)范圍法(RVA)計(jì)算四大家魚產(chǎn)卵期(4～7月)衡陽站流量、流速各指標(biāo)的變化程度(見表2)，根據(jù)各指標(biāo)的變化情況對(duì)生態(tài)水文情勢(shì)的改變程度進(jìn)行分析。大源渡樞紐蓄水回水抬高，使得衡陽斷面水位已普遍高于蓄水前上限值，沒有再落入天然河流狀況下水位RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的值，因此不宜再對(duì)水位進(jìn)行RVA分析。

定量評(píng)價(jià)近尾洲電站蓄水庫區(qū)河流生態(tài)水文情勢(shì)的改變程度，以電站蓄水時(shí)間為分界點(diǎn)，將歸陽站水文數(shù)據(jù)序列劃分為兩個(gè)時(shí)段：第一階段1961～2001年，天然河道情況；第二階段2002～2011年，近尾洲電站蓄水(見表3)。

3.2.1月均值變化

四大家魚魚苗“腰點(diǎn)”流速為0.2 m/s，流速需維持在“腰點(diǎn)”流速以上以便魚卵及剛孵化的魚苗不下沉[22]；同時(shí)，較高的流速值是刺激四大家魚產(chǎn)卵的有效流速[23]。本文分析得出大源渡樞紐蓄水后衡陽站4～7月份流速為高度改變，尤其4，5月改變度分別達(dá)到100%(如圖3所示)，月均流速分別減至0.47，0.59，0.64，0.39 m/s，仍在“腰點(diǎn)”流速以上；但流速的大幅度降低和高度改變，無法形成刺激四大家魚產(chǎn)卵的有效流速；同時(shí)，對(duì)水生生物棲息地蓄水以及生物遷徙需求產(chǎn)生影響，并影響到水溫、含氧量、光合作用。

表2 大源渡樞紐蓄水前后衡陽站生態(tài)水文變異指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of flow and velocity indices before and after impoundment of the Dayuangdu Reservoir

表3 近尾洲水電站蓄水前后生態(tài)水文變異指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of hydrology indices before and after impoundment of Jinweizhou Hydropower Station

歸陽站4月月均流量呈下降趨勢(shì)，通過RVA分析同樣得出歸陽站4月流量發(fā)生中度改變，月均流量減少，改變度為60.32%；4月月均流速減少，改變度為85.86%(見圖4)，5～7月月均流速為低度改變。

圖3 衡陽站高變異度月均流速指標(biāo)變化Fig.3 High variable monthly average velocity index of Hengyang Station

圖4 歸陽站4月月均流速改變度Fig.4 April mean flow of Guiyang Station

由此可得日調(diào)節(jié)電站蓄水使得庫區(qū)產(chǎn)卵期(4～7月)月均流速整體降低，庫區(qū)中部月均流速高度改變，庫區(qū)尾部月均流速低度改變。

3.2.2產(chǎn)卵期極值及其發(fā)生時(shí)間變化

大源渡樞紐蓄水庫區(qū)中部衡陽水文站，四大家魚產(chǎn)卵期4～7月時(shí)期內(nèi)1，3，7，30 d及90 d最小流速值均發(fā)生100%變異(見圖5)，流速由天然情況下的0.46，0.48，0.51，0.67 m/s和 0.89 m/s降到了0.18，0.19，0.21，0.31 m/s和0.51 m/s。1，3 d最小流速值已不滿足魚苗“腰點(diǎn)”所需流速值[22]，會(huì)導(dǎo)致魚苗下沉死亡。

圖5 衡陽站年極值流速改變度Fig.5 Annual extreme flow alteration at Hengyang Station

在近尾洲電站蓄水庫區(qū)尾部歸陽水文站，四大家魚產(chǎn)卵期4～7月時(shí)期內(nèi)30，90 d最大流速值呈高度改變，由天然情況下的1.15，0.99 m/s降至0.77，0.60 m/s。流速高值下降，則需要刺激四大家魚產(chǎn)卵的時(shí)間延長(zhǎng)，不利于刺激四大家魚產(chǎn)卵繁殖[23]，另一方面這時(shí)段流速的降低不利于庫區(qū)內(nèi)泥沙及污染物的攜帶及沖刷，不利于處理河道沉積物，加大了庫區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3高低脈沖變化

由于衡陽站位于大源渡樞紐庫區(qū)中部，樞紐蓄水水位抬高，流速減緩，流速發(fā)生低脈沖次數(shù)升高，因此產(chǎn)卵期內(nèi)流速的低脈沖次數(shù)高度改變(見圖6)，改變度為74.79%。近尾洲水電站庫區(qū)尾部，流量和流速產(chǎn)卵期高低脈沖變化各指標(biāo)均為中度或低度改變。

近尾洲電站蓄水使庫尾水位的低脈沖次數(shù)和歷時(shí)發(fā)生高度改變，低脈沖次數(shù)由1.76次降為0.10次，改變度為84.81%，歷時(shí)由10.73 d降為1.00 d，改變度為100%，說明由于近尾洲電站的蓄水使庫尾產(chǎn)卵期水位的低脈沖特征基本消失。

圖6 衡陽站流速低脈沖次數(shù)改變度Fig.6 Low pulse frequency of velocity at Hengyang Station

4 結(jié) 論

本文以湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)為研究區(qū)域，以研究區(qū)域涉及的歸陽、衡陽水文站長(zhǎng)時(shí)間水文序列為研究對(duì)象，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)產(chǎn)卵期(4～7月)流量、水位和流速趨勢(shì)進(jìn)行分析。以近尾洲和大源渡兩座日調(diào)節(jié)型電站蓄水時(shí)間作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，采用IHA-RVA法對(duì)比分析得出電站蓄水前后湘江干流四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵期(4～7月)生態(tài)水文指標(biāo)變異度。結(jié)果表明：

(1) 通過Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法得出產(chǎn)卵場(chǎng)4月流量呈下降趨勢(shì)。

(2) 日調(diào)節(jié)電站蓄水使得庫區(qū)產(chǎn)卵期(4～7月)月均流速整體降低，庫區(qū)中部月均流速高度改變，庫區(qū)尾部月均流速低度改變。

(3) 由于日調(diào)節(jié)電站蓄水，產(chǎn)卵期(4～7月)庫區(qū)中部 1，3，7，30 d及90 d最小流速值，30，90 d最大流速值減少且發(fā)生高度改變，且1，3 d最小流速值已低于魚苗“腰點(diǎn)”流速，會(huì)導(dǎo)致魚苗下沉死亡；庫區(qū)尾部30，90 d最大流速值減少且高度改變。

(4) 日調(diào)節(jié)電站蓄水使產(chǎn)卵期(4～7月)庫區(qū)中部流速低脈沖次數(shù)升高，改變度為74.79%，庫區(qū)尾部產(chǎn)卵期水位的低脈沖特征已基本消失。