費(fèi) 啟 航,彭 濤,2,由 星 瑩,劉 伯 娟,石 小 濤,2

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漢江興隆水利樞紐管理局,湖北 潛江 433126; 4.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

河流作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的主要通道,在流域生態(tài)平衡中起著十分重要的作用[1]。水資源過(guò)度開發(fā)和不合理利用導(dǎo)致河流不同程度的生態(tài)退化,其中,在河流上大規(guī)模筑壩建庫(kù)是河流生態(tài)系統(tǒng)受人為影響最顯著、最廣泛的事件之一[2]。大壩的淹沒、阻隔、徑流調(diào)節(jié)顯著改變了河道原有的水文條件,破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和空間連續(xù)性,誘發(fā)系列問(wèn)題,特別是伴隨著難以成本量化的河流生態(tài)系統(tǒng)退化和生物多樣性喪失[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全球共有高15 m以上的大壩5.8萬(wàn)余座,其中中國(guó)有2.3萬(wàn)多座,占全球總數(shù)的40.6%[4]。為應(yīng)對(duì)筑壩建庫(kù)、大規(guī)模引水等水利工程建設(shè)所導(dǎo)致的河流生態(tài)問(wèn)題,協(xié)調(diào)水資源開發(fā)利用與河流生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,研究者開始關(guān)注河流生態(tài)流量,并逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[5-7]。

目前,全球范圍內(nèi)關(guān)于生態(tài)流量的研究方法超過(guò)200種[8],大體分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體綜合法。水文學(xué)法是被最廣泛使用的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng),但缺乏明確的生態(tài)學(xué)意義[9];水力學(xué)法則在水文學(xué)法的基礎(chǔ)上增加了河道斷面參數(shù),包含了具體的河流和生物信息,但缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體性考慮[10];整體綜合法融合了多種學(xué)科,是目前生態(tài)流量評(píng)估最為合理的一種方法,但其數(shù)據(jù)要求高,操作復(fù)雜,過(guò)程繁瑣,不利于實(shí)現(xiàn)[11]。棲息地模擬法通過(guò)模擬流量與指示物種棲息地質(zhì)量之間的定量關(guān)系,可以獲得物種不同生命階段的生態(tài)流量[12],與其他計(jì)算方法相比,具有明晰的物理機(jī)制,因而得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。但已有研究側(cè)重某一種物種對(duì)流量單一水文要素的需求,缺乏對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性的考慮,且忽視了生命節(jié)律信號(hào)對(duì)指示物種生長(zhǎng)和繁殖的關(guān)鍵作用,使得計(jì)算成果難以滿足生態(tài)調(diào)度實(shí)踐和河流生態(tài)修復(fù)的需要。

由于漢江中下游梯級(jí)水利樞紐相繼建成以及南水北調(diào)中線工程運(yùn)行后,漢江中下游水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化,從而引起魚類資源萎縮、水華頻發(fā)等一系列生態(tài)問(wèn)題[16]。由此可見,開展梯級(jí)水庫(kù)影響下漢江中下游生態(tài)流量研究,對(duì)于河流生態(tài)修復(fù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前,漢江流域生態(tài)流量研究方面已取得了一些成果,但大部分研究采用水文學(xué)法和水力學(xué)法推求生態(tài)流量[17-18],難以反映流量與生物之間的響應(yīng)關(guān)系。目前雖有學(xué)者基于棲息地模擬法計(jì)算漢江中下游生態(tài)流量[19],但僅考慮魚類產(chǎn)卵期的生態(tài)需求。為此,本文選擇漢江下游四大家魚棲息地的典型河段,利用River 2D棲息地模型建立四大家魚加權(quán)可利用面積與徑流條件的響應(yīng)關(guān)系,并結(jié)合漢江下游天然水文情勢(shì)提出產(chǎn)卵期和生長(zhǎng)期的生態(tài)流量及高流量脈沖,最后與Tennant法和實(shí)際生態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證其合理性,為流域水資源管理與水庫(kù)生態(tài)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

漢江是長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流,發(fā)源于陜西省秦嶺南麓,干流全長(zhǎng)1 577 km,流域面積15.9萬(wàn)km2。丹江口水庫(kù)以上為漢江上游,長(zhǎng)約925 km;丹江口水庫(kù)至皇莊站為中游,長(zhǎng)約270 km;皇莊站以下為下游,長(zhǎng)約382 km。20世紀(jì)70年代丹江口水庫(kù)建成后,產(chǎn)漂流性卵魚類主要產(chǎn)卵場(chǎng)有王甫洲、茨河、宜城、馬良、澤口等9處,四大家魚產(chǎn)卵規(guī)模約為9億粒[20]。隨著王甫洲、崔家營(yíng)、興隆等梯級(jí)水利樞紐相繼建成,漢江中下游四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)以及產(chǎn)卵規(guī)模急劇縮減。2018年,汪登強(qiáng)等[20]在漢川監(jiān)測(cè)到四大家魚卵0.33億粒,并推測(cè)漢江下游存在澤口、張港、彭市、仙桃4處四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)。漢江中下游流域、主要水文站及魚類產(chǎn)卵場(chǎng)位置見圖1。

圖1 漢江中下游主要水文站和魚類產(chǎn)卵場(chǎng)位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究河段的河道地形采用2016年實(shí)測(cè)地形資料。

1964～2017沙洋站和1972～2017年仙桃站逐日流量資料來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局,2000～2017年岳口站和漢川站逐日水位資料來(lái)自湖北省水文水資源中心。由于漢江下游無(wú)大型支流匯入與流出,模型上下游邊界的流量與水位則用相近水文站進(jìn)行線性插值的方法進(jìn)行推求。

2 研究方法

2.1 指示物種及關(guān)鍵生境因子選擇

在河流生態(tài)系統(tǒng)中有許多生物群落,而魚類在其中是頂級(jí)群落,它們對(duì)其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚類可作為河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種,反映河流水生生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[13]。根據(jù)漢江下游河流生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),綜合考慮瀕危程度、遺傳價(jià)值和物種價(jià)值等因素,將四大家魚作為研究河段魚類優(yōu)先保護(hù)目標(biāo)。青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚 (Ctenopharyngodonidella)、鰱魚 (Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(Aristichthysnobilis)合稱四大家魚,屬于鯉形目、鯉科,是中國(guó)重要的淡水經(jīng)濟(jì)魚類,具有重要的遺傳育種價(jià)值。漢江是四大家魚天然產(chǎn)卵場(chǎng)分布區(qū)之一[20]。丹江口水庫(kù)下閘蓄水以后,漢江中下游水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化,使得四大家魚原有的生長(zhǎng)繁殖條件遭到破壞,產(chǎn)卵規(guī)模和魚類資源嚴(yán)重衰減。因此,選擇以四大家魚作為研究河段的指示物種,探究四大家魚棲息地與水文過(guò)程的響應(yīng)關(guān)系,對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及土著魚類群落保護(hù)具有重要意義。

魚類個(gè)體的整個(gè)生命階段分為產(chǎn)卵期、仔魚期、稚魚期、幼魚期、未成熟期、成魚期和衰老期[21]。由于目前許多學(xué)者側(cè)重考慮目標(biāo)物種產(chǎn)卵期的生態(tài)流量需求,而對(duì)其他生命階段考慮相對(duì)較少,難以滿足河流生態(tài)完整性的需要。因此,本研究綜合考慮四大家魚生存繁衍中比較重要的親魚產(chǎn)卵期(5～8月)和仔魚、稚魚、幼魚生長(zhǎng)期(9～11月)生態(tài)流量需求,使結(jié)果更具代表性和可靠性。四大家魚屬于典型的產(chǎn)漂流性卵魚類,親魚產(chǎn)卵需要一定的流速刺激,并且流速對(duì)產(chǎn)漂流性卵的魚以及剛孵出魚苗的成活至關(guān)重要,流速過(guò)低,可能會(huì)有使魚卵沉底或被其它魚類吞食,存活率較低;流速過(guò)高,尚未發(fā)育完全的魚苗無(wú)法適應(yīng)環(huán)境,也無(wú)法正常生存。除流速外,水深的大小也決定了水壓力、光照等的不同,處于不同階段的魚類適宜生活在不同深度的水體當(dāng)中,因此本文選取流速和水深作為魚類關(guān)鍵生境因子。對(duì)于河道底質(zhì),考慮資料可獲取性,采用參數(shù)簡(jiǎn)化方法[22],認(rèn)為河道底質(zhì)均為最適宜底質(zhì),適宜度為1。

2.2 四大家魚適宜度曲線的建立

適宜度曲線法是棲息地適宜度評(píng)價(jià)應(yīng)用最廣泛的方法[12],其中棲息地適宜度指數(shù)HSI(Habitat Suitability Index)用來(lái)定量生物對(duì)生境因子的偏好程度,用0～1區(qū)間來(lái)表示偏好程度,0為最不適宜,1為最適宜。目前,棲息地適宜度指數(shù)有二元格式、單變量格式和多變量格式[12]。二元格式即為生境因子確定一個(gè)適宜范圍,如在范圍內(nèi)適宜度為1,否則即為0;單變量格式利用0～1之間的數(shù)值來(lái)定義魚類棲息地的適宜性,是目前普遍使用的格式;多變量格式認(rèn)為生境因子對(duì)生物的影響是相關(guān)的,需要綜合考慮。本次研究采用單變量格式建立四大家魚的適宜度曲線。

2.3 棲息地模型構(gòu)建

2.3.1水動(dòng)力模型

棲息地模擬法將河道水力參數(shù)和指示物種生存所需的關(guān)鍵生境因子結(jié)合,推求滿足指示物種生存的生態(tài)流量,其物理意義明確。棲息地模擬法中,IFIM法是最具代表性的一種方法,但I(xiàn)FIM法僅是一套概念性方法,需要采用相關(guān)模型量化流量與棲息地分布之間的關(guān)系,如PHABSIM、River 2D等模型。因River 2D能較好地模擬流速和水深的局部動(dòng)態(tài)變化,在河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。因此,本文選用River 2D模型進(jìn)行河段四大家魚物理?xiàng)⒌啬M,該模型中包含水動(dòng)力模型和棲息地模型。River 2D軟件內(nèi)置的水動(dòng)力模塊是基于二維圣維南淺水方程組的平均水深的有限元模擬模型。由于研究河段垂向尺度遠(yuǎn)小于水平尺度,可用River 2D模型的淺水方程進(jìn)行二維水動(dòng)力模擬。

本次模擬選用2016年實(shí)測(cè)河道地形資料。由于研究河段地形復(fù)雜,模型采用三角形網(wǎng)格,同時(shí)為確保模型模擬精度,要求網(wǎng)格質(zhì)量(QI)大于0.1。模型上游邊界以流量作為邊界條件,下游邊界以水位作為邊界條件。采用不同的糙率系數(shù)進(jìn)行試算,經(jīng)率定得到研究河段的糙率系數(shù)為0.035。根據(jù)沙洋站1965～2017年的逐月平均流量資料,計(jì)算得到產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期的月平均流量為203～9 392 m3/s,模型設(shè)定的上邊界流量范圍基本涵蓋研究河段的實(shí)際流量情況。模型邊界、網(wǎng)格劃分、參數(shù)確定及模擬流量范圍見表1。

表1 模型邊界、網(wǎng)格劃分及參數(shù)確定

2.3.2棲息地模型

以水動(dòng)力模型模擬計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),將指示魚類關(guān)鍵生境因子的適宜性指數(shù)與河道各水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算,得到Vi、Di和Ci的適宜性值,并對(duì)不同生境因子的適宜性值進(jìn)行乘積計(jì)算得到綜合適宜性值(CSF),最后將CSF與對(duì)應(yīng)的棲息地面積相乘,得到加權(quán)可利用面積(WUA)。計(jì)算公式如下:

CSFi=Vi×Di×Ci

(1)

(2)

式中:CSFi為第i個(gè)單元格的綜合適宜性值;WUA為研究河段的加權(quán)可利用面積;Vi、Di、Ci分別為第i個(gè)單元格中流速、水深、底質(zhì)的適宜性值,區(qū)間為0～1,1代表最適宜;Ai表示第i個(gè)單元格的面積。

2.4 生態(tài)流量確定原則

研究表明,為維持河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性,應(yīng)考慮四大家魚不同的生態(tài)流量組分,即保證四大家魚生存極限條件的最小生態(tài)流量,滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖等生存需求的適宜生態(tài)流量以及刺激魚類產(chǎn)卵繁殖的高流量脈沖[23]。

本次研究在確定最小生態(tài)流量時(shí),選取WUA與流量關(guān)系曲線中棲息地面積驟然上升階段時(shí)的流量作為最小生態(tài)流量,即關(guān)系曲線中的第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),但在實(shí)際操作中,轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定存在一定主觀性。因此,在參考相關(guān)研究成果[14-15]的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)域的水資源狀況,將最大棲息地面積的30%和80%對(duì)應(yīng)的流量作為最小和適宜生態(tài)流量。圖2為目標(biāo)物種WUA與流量關(guān)系曲線及推薦生態(tài)流量示意圖。

圖2 目標(biāo)物種WUA與流量關(guān)系及推薦生態(tài)流量

研究表明,江河漲水引起的水位以及流速的上漲會(huì)刺激魚類進(jìn)行產(chǎn)卵[24]。郭文獻(xiàn)等[25]認(rèn)為,刺激四大家魚產(chǎn)卵還需要漲水持續(xù)時(shí)間在3～8 d,水位上漲率在0.41～0.85 m/d較為合適,且每年至少有1～2次高流量脈沖才能刺激魚類進(jìn)行產(chǎn)卵。尚文繡等[23]選取峰值流量、平均流量、持續(xù)時(shí)間以及發(fā)生次數(shù)4個(gè)指標(biāo)作為高流量脈沖的關(guān)鍵特征值。本次研究以四大家魚所需的水文條件為約束,以產(chǎn)卵期最小生態(tài)流量為高流量脈沖的下限,設(shè)定高流量脈沖漲水持續(xù)時(shí)間不小于3 d,每年高流量脈沖發(fā)生次數(shù)不小于2次。

3 結(jié)果與討論

3.1 四大家魚水深、流速適宜度曲線

參考文獻(xiàn)[26-27],結(jié)合漢江下游河流特征與四大家魚的行為特點(diǎn),分別建立了四大家魚在產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期的水深、流速適宜度曲線(見圖3)。在產(chǎn)卵期,四大家魚適宜流速范圍為1.0～1.5 m/s,極限流速為 3 m/s。同時(shí),考慮到四大家魚為產(chǎn)漂流性卵魚類,設(shè)定流速低于0.3 m/s時(shí)魚卵會(huì)下沉死亡;在生長(zhǎng)期,四大家魚幼魚適宜流速范圍為0.6～1.0 m/s,極限流速為1.8 m/s,最低流速閾值為0.1 m/s;由于水深對(duì)于產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期的魚類影響相對(duì)較小,故水深適宜范圍取5～15 m,水深的上下限閾值分別為1 m和30 m。

圖3 四大家魚產(chǎn)卵期和生長(zhǎng)期水深、流速的適宜性指數(shù)曲線

3.2 棲息地模擬結(jié)果

3.2.1模型率定與驗(yàn)證

在4條研究河段中,仙桃段水文資料較為完整,故選取仙桃段進(jìn)行模型驗(yàn)證。利用2016年仙桃站實(shí)測(cè)逐月平均流量作為模擬工況,得到仙桃斷面的模擬水位,并與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行比較(見圖4)。結(jié)果顯示,仙桃斷面實(shí)測(cè)水位與模擬水位基本一致,相對(duì)誤差在±1.08%以內(nèi),說(shuō)明模型模擬效果良好,可用于模擬不同流量下四大家魚流場(chǎng)及適宜棲息地分布。

3.2.2棲息地面積與流量的響應(yīng)關(guān)系

利用River 2D水動(dòng)力模型對(duì)各個(gè)研究河段進(jìn)行模擬,得到不同流量下四大家魚棲息地流場(chǎng)及適宜棲息地分布。圖5和圖6為澤口河段與仙桃河段在典型流量條件下的水深與流速分布。隨著流量增加,澤口段與仙桃段的水深與流速均隨著流量的增加而增加,仙桃段更為明顯,而澤口段由于受河道地形影響而增加并不明顯。圖7和圖8為各河段四大家魚在產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期的棲息地模擬結(jié)果。結(jié)果顯示,在產(chǎn)卵期時(shí),當(dāng)流量為1 310 m3/s時(shí),各河段主河道出現(xiàn)些許適宜產(chǎn)卵的區(qū)域;當(dāng)流量上漲至3 520 m3/s 時(shí),各河段主河道絕大部分為適宜產(chǎn)卵的區(qū)域。而在生長(zhǎng)期時(shí),當(dāng)流量為441 m3/s,各河段主河道存在少部分適合四大家魚生長(zhǎng)的區(qū)域;當(dāng)流量上漲至1 520 m3/s,這些區(qū)域幾乎覆蓋了全部主河道。根據(jù)各研究河段不同流量下四大家魚棲息地模擬結(jié)果,建立產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期WUA與流量的響應(yīng)關(guān)系曲線(見圖9)。

圖5 澤口河段典型流量條件下水深與流速分布

圖8 澤口、張港、彭市和仙桃河段典型流量下四大家魚生長(zhǎng)期棲息地適宜性分布

圖9 澤口、張港、彭市和仙桃河段四大家魚產(chǎn)卵期、生長(zhǎng)期流量與WUA的關(guān)系曲線

3.3 生態(tài)流量推薦值

(1) 產(chǎn)卵期(5～8月)。由圖9可以看出,各河段四大家魚的Q-WUA曲線變化基本一致,均為由快到慢的上升,而澤口段由于漫灘地形占比較大,導(dǎo)致流速難以達(dá)到四大家魚產(chǎn)卵的適宜性范圍,故產(chǎn)卵期生態(tài)流量主要考慮張港、彭市和仙桃3條河段。由不同流量下各河段四大家魚不同生命階段WUA占最大WUA的比例可知(見表2),各河段在441～1 310 m3/s流量時(shí),WUA隨流量增加而快速增長(zhǎng),當(dāng)流量達(dá)到1 310 m3/s時(shí),3個(gè)河段WUA占最大WUA的比例在38.24%以上。因此推薦漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期最小生態(tài)流量為1 310 m3/s。在1 310～3 520 m3/s流量時(shí),四大家魚棲息地面積隨流量增加的幅度變小,當(dāng)流量達(dá)到3 520 m3/s時(shí),3條研究河段WUA占比在80.82%以上。故漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期適宜生態(tài)流量的推薦值為3 520 m3/s。

(2) 生長(zhǎng)期(9～11月)。當(dāng)流量為441 m3/s時(shí),澤口段生長(zhǎng)期WUA占比為17.61%,而其他3條河段WUA占比在33.83%以上,能保證四大家魚生長(zhǎng)發(fā)育需求,考慮到澤口段特殊的河道地形導(dǎo)致河床窄淺的情況,故推薦漢江下游四大家魚生長(zhǎng)期最小生態(tài)流量為441 m3/s。當(dāng)流量達(dá)到1 520 m3/s時(shí),澤口段棲息地面積占比為49.42%,其他3條河段WUA占比在80.27%以上,故推薦漢江下游四大家魚生長(zhǎng)期適宜生態(tài)流量為1 520 m3/s。

(3) 高流量脈沖。江河的漲水對(duì)四大家魚產(chǎn)卵行為具有刺激作用。汪登強(qiáng)等[20]和謝文星等[28]在漢江下游沙洋和漢川斷面監(jiān)測(cè)到洪水過(guò)程與卵苗數(shù)量的關(guān)系,要求漲水持續(xù)時(shí)間大于4 d,流量日漲幅在287～734 m3/s時(shí),四大家魚卵苗開始大量出現(xiàn)。由于丹江口水庫(kù)運(yùn)行對(duì)漢江中下游水文情勢(shì)產(chǎn)生了深刻影響,因此可以將丹江口水庫(kù)建成之前壩下實(shí)測(cè)流量過(guò)程看作近似的天然狀態(tài)。本文以1973年丹江口水庫(kù)建成為時(shí)間節(jié)點(diǎn),將流量超過(guò)2 510 m3/s(1964～1972年四大家魚產(chǎn)卵期累積頻率25%對(duì)應(yīng)的流量)且持續(xù)漲水時(shí)間(從脈沖初始流量達(dá)到1 310 m3/s算起)超過(guò)3 d的流量事件視為高流量脈沖,分別統(tǒng)計(jì)建庫(kù)前后沙洋站典型時(shí)段的漲水發(fā)生次數(shù)、峰值流量、平均流量、日均流量漲幅和持續(xù)時(shí)間的均值(見表3)。由表3可得,建庫(kù)后 (1973～2017年),5月的漲水發(fā)生次數(shù)顯著降低,且流量漲幅較小,故5月的流量過(guò)程難以達(dá)到四大家魚產(chǎn)卵需求。此外,整個(gè)產(chǎn)卵期 (5～8月) 流量漲幅均下降,5、6月峰值流量未達(dá)到適宜生態(tài)流量推薦值(3 520 m3/s),這對(duì)四大家魚產(chǎn)卵規(guī)模的增加是不利的。

表3 丹江口水庫(kù)運(yùn)行前后沙洋站高流量脈沖特征值

為刺激四大家魚產(chǎn)卵行為以及增加其產(chǎn)卵規(guī)模,恢復(fù)漢江下游河段高流量脈沖過(guò)程,推薦丹江口水庫(kù)至少實(shí)施2次生態(tài)調(diào)度。由于每年產(chǎn)卵觸發(fā)信號(hào)對(duì)于產(chǎn)漂流性卵魚類十分重要,故推薦在5月上旬開始進(jìn)行第1次生態(tài)調(diào)度,通過(guò)模擬河流自然漲水過(guò)程向四大家魚釋放產(chǎn)卵信號(hào),促進(jìn)親魚性腺成熟;第2次生態(tài)調(diào)度在6月中旬實(shí)施,通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)塑造高流量脈沖,進(jìn)一步促進(jìn)四大家魚大規(guī)模自然產(chǎn)卵繁殖。具體地,在四大家魚產(chǎn)卵期丹江口水庫(kù)擇機(jī)開展生態(tài)調(diào)度,增加出庫(kù)流量,提高漢江下游的日流量上漲率和持續(xù)時(shí)間,要求高流量(大于1 310 m3/s)天數(shù)至少有3 d,流量上漲率在287～753 m3/(s·d),且峰值達(dá)到3 520 m3/s。參考沙洋站天然時(shí)期高流量的重要特征值,在產(chǎn)卵期增設(shè)2次高流量脈沖過(guò)程(見表4)。

表4 漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期高流量脈沖推薦值

3.4 討 論

3.4.1與Tennant法結(jié)果比較

Tennant法為目前國(guó)外廣泛應(yīng)用的水文學(xué)方法,該方法以河流多年平均流量為基礎(chǔ),分析不同百分比的多年平均流量條件下河流棲息地狀態(tài)?；跅⒌啬M得到的漢江下游仙桃段生態(tài)流量推薦值及與Tennant法的對(duì)比見表5。結(jié)果表明,棲息地法推求的產(chǎn)卵期最小和適宜生態(tài)流量分別處于Tennant法的“最佳”和“超過(guò)最大”等級(jí),生長(zhǎng)期最小和適宜生態(tài)流量分別對(duì)應(yīng)Tennant法的“好”和“最大”等級(jí),有利于重點(diǎn)考慮維持四大家魚自然繁殖的需要,并能兼顧幼魚生長(zhǎng)發(fā)育的需求。因此,本文提出的最小和適宜生態(tài)流量推薦值基本滿足研究河段四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)修復(fù)以及生態(tài)調(diào)度的實(shí)際需要。

表5 基于棲息地模擬得到的仙桃段生態(tài)流量推薦值及與Tennant法比較

3.4.2在實(shí)際中的驗(yàn)證

在2018年6月12日,漢江中下游開展梯級(jí)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度試驗(yàn),創(chuàng)造了一次歷時(shí)3 d、流量日漲幅為400～1 000 m3/s的高流量脈沖[29],汪登強(qiáng)等[20]于2018年在漢川河段監(jiān)測(cè)到四大家魚卵苗在流量為1 800～3 300 m3/s時(shí)急劇增加,這表明該次生態(tài)調(diào)度塑造的高流量脈沖能夠有效促進(jìn)四大家魚產(chǎn)卵。張曉敏等[30]于2007年在沙洋站監(jiān)測(cè)到四大家魚在流量為900～2 500 m3/s和2 000～8 000 m3/s時(shí)有產(chǎn)卵行為,并監(jiān)測(cè)到4個(gè)達(dá)到6 000 m3/s的洪峰,四大家魚僅在第一個(gè)漲洪階段進(jìn)行產(chǎn)卵,說(shuō)明流量持續(xù)過(guò)大也不利于四大家魚產(chǎn)卵。由于梯級(jí)水庫(kù)建成,漢江中下游魚類繁殖較建壩前推遲了20 d以上,導(dǎo)致四大家魚在5月基本不產(chǎn)卵。為刺激四大家魚產(chǎn)卵,汪登強(qiáng)等[20]認(rèn)為漢江下游流量日均漲幅要達(dá)到500 m3/s以上,持續(xù)時(shí)間不小于5 d;張輝等[19]則認(rèn)為流量日均漲幅在139.1～534.8 m3/s之間,調(diào)度持續(xù)時(shí)間不小于5 d。本文參照沙洋站天然時(shí)期的徑流過(guò)程,提出維持四大家魚繁殖的高脈沖流量日均漲幅要求達(dá)到287～753 m3/s,漲水時(shí)間不小于3 d。因此,本文給出的產(chǎn)卵期生態(tài)流量推薦值及高流量脈沖能較好滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖的需求。

3.4.3生態(tài)流量滿足率分析

研究時(shí)段內(nèi)滿足生態(tài)流量的天數(shù)占研究時(shí)段總天數(shù)的百分比為生態(tài)流量滿足率,它可以反映氣候變化特別是人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)流量的影響。本文利用1964～2017年沙洋站日平均流量資料分析漢江下游生態(tài)流量滿足率,結(jié)果見圖10。

圖10 沙洋站四大家魚產(chǎn)卵期與生長(zhǎng)期的生態(tài)流量滿足率

由圖10可見,產(chǎn)卵期(5～8月)最小和適宜生態(tài)流量滿足率分別為54.84%和9.79%,說(shuō)明在產(chǎn)卵期,有54.84%的時(shí)段能滿足四大家魚產(chǎn)卵行為的最低需求,9.79%的時(shí)段為四大家魚產(chǎn)卵提供適宜的生境條件;生長(zhǎng)期(9月～11月)最小和適宜生態(tài)流量滿足率分別為98.94%和49.45%。由此來(lái)看,產(chǎn)卵期生態(tài)流量滿足率較低,因此有必要實(shí)施生態(tài)調(diào)度提高產(chǎn)卵期的生態(tài)流量滿足率,為四大家魚產(chǎn)卵創(chuàng)造良好的條件;而在生長(zhǎng)期,最小生態(tài)流量滿足率接近100%,但在1966年和1997年沒有達(dá)到100%,且最小生態(tài)流量滿足率在下降,即枯水年份的干旱程度呈現(xiàn)增加趨勢(shì),未來(lái)需在枯水年份對(duì)四大家魚生長(zhǎng)期進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。

4 結(jié) 論

本文以丹江口等梯級(jí)水庫(kù)影響下的漢江下游河道為例,選取四大家魚為指示物種,構(gòu)建了漢江下游棲息地模型,提出了維持四大家魚產(chǎn)卵期和生長(zhǎng)期需求的生態(tài)流量及高流量脈沖,得到以下主要結(jié)論:

(1) 采用River 2D模型建立了棲息地面積與流量的響應(yīng)關(guān)系,提出了漢江下游四大家魚產(chǎn)卵期最小和適宜生態(tài)流量分別為1 310,3 520 m3/s;生長(zhǎng)期最小和適宜生態(tài)流量分別為441,1 520 m3/s。

(2) 參照漢江下游天然時(shí)期水文情勢(shì)的關(guān)鍵特征值,提出四大家魚產(chǎn)卵期需要至少2次高流量脈沖,其高流量(大于1 310 m3/s)持續(xù)漲水時(shí)間在3 d以上,流量日均漲幅達(dá)到287～753 m3/s,且峰值流量需達(dá)到3 520 m3/s,以刺激四大家魚大規(guī)模自然產(chǎn)卵繁殖。

(3) 與Tennant法和實(shí)際生態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較,本文提出的生態(tài)流量推薦值和高流量脈沖能較好滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖的需要;對(duì)比歷史實(shí)測(cè)流量過(guò)程,四大家魚生長(zhǎng)期生態(tài)流量滿足率相對(duì)較高,而產(chǎn)卵期滿足率明顯不足,需要進(jìn)一步加強(qiáng)漢江中下游梯級(jí)水利樞紐的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度,塑造維持四大家魚自然繁殖的適宜生態(tài)流量和高流量脈沖。