劉文成 李君軼 李鵬程 班 璇 吳金明 張 輝沈 麗 劉志剛 杜 浩

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306; 2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430223; 3. 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430077)

對(duì)眾多河流生物來(lái)說(shuō), 河床質(zhì)是其棲息地重要物理組成部分[1]。了解并研究河床質(zhì)性狀及變化情況是保護(hù)河流生物的重要前提, 尤其是對(duì)水體底層生活及產(chǎn)粘性卵的魚類, 產(chǎn)卵河床底質(zhì)是其種群延續(xù)的關(guān)鍵因子。水聲學(xué)技術(shù)最早被用來(lái)探測(cè)潛艇和測(cè)量水深, 近期用于探測(cè)魚群較多[2]。與通常的評(píng)估方法相比, 水聲學(xué)方法具有高效、調(diào)查區(qū)域廣、不損壞生物資源、提供可持續(xù)的數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)[3]。作為水聲學(xué)方法主要工具的回聲探測(cè)儀在其中起著關(guān)鍵作用, 回聲探測(cè)儀發(fā)展至今, 目前主要應(yīng)用有評(píng)估魚類資源量、監(jiān)測(cè)魚類行為、鑒別魚類種類、評(píng)估其他水生生物、監(jiān)測(cè)水質(zhì)和水生生態(tài)系統(tǒng)、探測(cè)水深和底質(zhì)類別等[4]。

由于水下的特性, 河床質(zhì)通常使用回聲探測(cè)儀進(jìn)行研究, 不同底質(zhì)類型對(duì)聲波反射特性有差異,回聲探測(cè)儀可憑借這一特征來(lái)觀測(cè)河床底質(zhì)類型以及底部沉淀物[5]。聲學(xué)特性包括第一個(gè)底部回波的第一部分和第二部分被用來(lái)區(qū)分不同硬度、粗糙度的沉積物[6]。Heald和Pace[7]提供了兩個(gè)回波的能量特征與海底參數(shù)之間關(guān)系的理論背景。此后Magorrian等[8]、Kaiser等[9]、Bax等[10]相繼使用該聲學(xué)技術(shù)繪制海底生物群落的生物資源。Daniel等[11]利用當(dāng)時(shí)較新的Biosonics回聲探測(cè)系統(tǒng)對(duì)巴德河的整個(gè)底質(zhì)生境進(jìn)行了描述, 提取粗糙度和硬度數(shù)據(jù), 并與底質(zhì)粒徑制定底質(zhì)分類散點(diǎn)圖;Anderson等[12]發(fā)現(xiàn)回聲探測(cè)系統(tǒng)獲取的特征參數(shù)與底質(zhì)的化學(xué)元素含量有直接關(guān)系, 并且探測(cè)頻率不同, 研究結(jié)果可靠性也不同?；谒晫W(xué)方法探測(cè)底質(zhì)的特點(diǎn), 結(jié)合一定的傳統(tǒng)取樣或光學(xué)觀察,能夠迅速且可靠地對(duì)河床沉積物進(jìn)行分類[3]。

中華鱘(Acipenser sinensis)是國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水生動(dòng)物, 國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)極危級(jí)(CR)物種, 國(guó)際瀕危動(dòng)植物種貿(mào)易公約(CITES)附錄Ⅱ保護(hù)物種[13]。在20世紀(jì)后期, 由于水利工程建設(shè)、過(guò)度捕撈、水體污染和航運(yùn)等諸多因素, 其野生種群資源量不斷下降[14]。據(jù)2017—2020年進(jìn)行的中華鱘自然繁殖生態(tài)調(diào)查報(bào)告, 葛洲壩下近壩江段已連續(xù)幾年未觀測(cè)到中華鱘的自然繁殖活動(dòng)[15],這可能與該區(qū)域的非生物環(huán)境變化有較大關(guān)系。在目前中華鱘歷史產(chǎn)卵場(chǎng)無(wú)法發(fā)揮作用, 而葛洲壩下現(xiàn)有產(chǎn)卵場(chǎng)中華鱘自然繁殖活動(dòng)持續(xù)中斷的情況下, 中華鱘自然繁殖所需的非生物環(huán)境變化研究亟須開展。

中華鱘歷史產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)特征常被描述為“卵石河床質(zhì)”, 中國(guó)科技工作者認(rèn)為底質(zhì)必須具備巖石或卵石中華鱘才會(huì)開始產(chǎn)卵[16]。另外河床質(zhì)粒徑、組成和布局等都會(huì)對(duì)自然繁殖產(chǎn)生影響, 一般認(rèn)為清潔的河床質(zhì)對(duì)于多數(shù)鱘魚類的自然產(chǎn)卵有利[17]。常劍波和曹文宣[18]認(rèn)為, 刺激中華鱘產(chǎn)卵的外界因素主要是河床的底質(zhì)狀況。因此眾多學(xué)者對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底部環(huán)境進(jìn)行研究, 杜浩等[19]在2008年通過(guò)水下視頻觀測(cè)根據(jù)卵石大小、排列方式及是否含沙等狀況, 將河床質(zhì)表層結(jié)構(gòu)劃分為6種類型。杜浩等[20,21]系統(tǒng)觀察了中華鱘受精卵的分布狀態(tài), 提出由細(xì)砂決定的河床質(zhì)填塞度是決定中華鱘自然繁殖發(fā)生位點(diǎn)和繁殖效果的重要因素。在國(guó)內(nèi)使用回聲探測(cè)儀, 主要是對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底部環(huán)境的硬度和粗糙度進(jìn)行研究。張輝[3]首次研究了葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)表觀特征和聲學(xué)特征的相關(guān)性, 2014年結(jié)合水下視頻獲得的研究資料確定了該江段的底質(zhì)特征關(guān)系式[22]。杜浩等[21]研究了2004—2012年葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)的粗糙度和硬度變化, 探究三峽大壩蓄水運(yùn)行對(duì)河床質(zhì)的影響。藺丹清[23]在2016年對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江湖北宜昌中華鱘自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了聲學(xué)采樣, 確定了相應(yīng)底質(zhì)特征的關(guān)系式, 與之前相比有一定的區(qū)別。雖然部分學(xué)者提出了葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)聲學(xué)特征和表觀特征的相關(guān)公式, 但其判別底質(zhì)效果較差, 原因可能在于未使用與Biosonic探測(cè)系統(tǒng)配套的聲學(xué)后處理系統(tǒng), 使用的聲學(xué)處理軟件未對(duì)回波進(jìn)行特殊處理。

水利工程的建設(shè)運(yùn)行、人類活動(dòng)及長(zhǎng)江流域的洪澇災(zāi)害等均會(huì)導(dǎo)致河床質(zhì)及其構(gòu)建的微生境變化, 從而影響中華鱘自然繁殖行為和早期仔幼魚的存活, 這直接關(guān)系到野生中華鱘種群的補(bǔ)充群體數(shù)量。因此有必要對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的河床質(zhì)進(jìn)行更深入的研究, 結(jié)合水聲學(xué)方法和水下視頻技術(shù), 重新構(gòu)建硬度、粗糙度與底質(zhì)表觀特征的相關(guān)性, 補(bǔ)充分形維數(shù)與底質(zhì)的相關(guān)性, 并據(jù)此對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底質(zhì)演變過(guò)程進(jìn)行描述,結(jié)合長(zhǎng)江流域發(fā)生的水沙事件揭示底質(zhì)變化規(guī)律,并解釋中華鱘自然繁殖狀況的變化。這有助于推測(cè)未來(lái)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的變化趨勢(shì), 為將來(lái)中華鱘人工模擬產(chǎn)卵場(chǎng)的構(gòu)建、中華鱘潛在產(chǎn)卵場(chǎng)的篩選和葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于緊鄰宜昌葛洲壩下游約4 km的江段范圍內(nèi), 涵蓋中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)。位于湖北省宜昌市的葛洲壩屬于低水頭徑流式水電站, 庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度180 km, 壩前水位27 m, 總庫(kù)容 1.58×109m3[24]。在葛洲壩建成后, 中華鱘野生種群近三十年在此產(chǎn)卵場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)卵活動(dòng)[14]。葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床底質(zhì)主要由大型卵石、中型卵石、小型卵石、沙石和黏土組成, 另外還存在部分人工護(hù)底河床, 在歷年調(diào)查中未觀察到泥類型的底質(zhì)[19,25]。產(chǎn)卵場(chǎng)依照從上至下的順序劃分為Ⅰ—Ⅴ五個(gè)區(qū)域, Ⅰ和Ⅱ區(qū)域從左至右依次劃分為A—D四個(gè)區(qū)域, 其余區(qū)域劃分為A—C三個(gè)區(qū)域(圖1)。

圖1 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)及分區(qū)Fig. 1 Spawning grounds and zoning of Chinese sturgeon under Gezhouba Dam

1.2 產(chǎn)卵場(chǎng)水聲學(xué)調(diào)查

河床底質(zhì)水聲學(xué)數(shù)據(jù)采集水聲學(xué)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所在2004—2020年開展的中華鱘自然繁殖生態(tài)調(diào)查期間進(jìn)行的水聲學(xué)探測(cè)活動(dòng)。探測(cè)使用的水聲學(xué)儀器為美國(guó)BioSonics公司DT-X系列數(shù)字科學(xué)回聲系統(tǒng), 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置參照張輝等[22]使用的方法。采用科學(xué)回聲儀配套軟件Visual Acquisition 5.0.3實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)所獲取的水聲學(xué)數(shù)據(jù)。探測(cè)時(shí)采用“z”字型路線以8 km/h的速度進(jìn)行。探測(cè)范圍從葛洲壩下至下游大約4 km。

水下視頻影像數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所在2016年1月期間對(duì)長(zhǎng)江湖北宜昌中華鱘自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)河床底部的200個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行樣品驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集, 采樣范圍從葛洲壩下至松滋口大約80 km。采樣目的是研究河床底質(zhì)的表觀特性與其水聲學(xué)特征值的相關(guān)性。因此在隨機(jī)采樣點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)采集的同時(shí), 對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域的底部進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集。在隨機(jī)采樣點(diǎn)進(jìn)行水聲學(xué)數(shù)據(jù)采集與水聲學(xué)調(diào)查使用的儀器參數(shù)設(shè)置是一致的, 在采集之前用錨等固定用物體將船體固定在采樣點(diǎn), 使用Dell Latitude D810筆記本電腦通過(guò)Visual Acquisition 5.0.3軟件接收和記錄聲學(xué)數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)采集使用Canon G16光學(xué)相機(jī)與防水密封護(hù)套和燈(RJW7100, 中國(guó))固定在自行設(shè)計(jì)的不銹鋼籠子上,使用藺丹清[23]的方法進(jìn)行水下視頻觀察, 在存儲(chǔ)卡容量范圍內(nèi)連續(xù)拍攝分辨率為1980×720 dpi的影像資料[23]。使用手持GPS定位系統(tǒng)記錄采樣位點(diǎn)的經(jīng)緯度信息, 及時(shí)更新采樣點(diǎn)位置。

1.3 數(shù)據(jù)處理

河床底質(zhì)特征參數(shù)提取使用聲學(xué)后處理系統(tǒng)Visual Bottom Typer對(duì)水聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,設(shè)置時(shí)變?cè)鲆?0 logR用于補(bǔ)償回波的距離相關(guān)性。平均進(jìn)行3次ping, 以最小化底部的ping到ping變化。硬度、粗糙度和分形維數(shù)都是使用該軟件對(duì)相應(yīng)聲學(xué)回波進(jìn)行歸一化處理的參數(shù)。一般研究認(rèn)為硬度和表觀充塞度存在相關(guān)關(guān)系[21], 由第一個(gè)底部回波的第一部分(從底部回波開始到回波峰值)評(píng)估; 粗糙度和河床底質(zhì)的粒徑存在相關(guān)關(guān)系,由第一底部回波的第二部分(從回波峰值到末端)評(píng)估[26]; 分形維數(shù)是量化聲學(xué)回波信號(hào)包絡(luò)形狀的特征參數(shù)[28], 被認(rèn)為與底質(zhì)的基本元素含量相關(guān), 由整個(gè)第一底部回波來(lái)評(píng)估[27]。

河床底質(zhì)表觀特征提取在2016年采集的200個(gè)采樣點(diǎn)中有123個(gè)采樣點(diǎn)部分底質(zhì)粒徑明顯大于水下視頻采集視野中的范圍, 因此只選用77個(gè)采樣點(diǎn)的水聲學(xué)特征及表觀特征數(shù)據(jù)。通過(guò)視覺(jué)檢查水下視頻, 使用美國(guó)漁業(yè)協(xié)會(huì)推薦的方法確定河床底質(zhì)的充塞度和粒徑[22]。充塞度是單位視野面積中河床質(zhì)(粒徑較大的礫石或卵石)的縫隙被河床推移質(zhì)(粗砂和細(xì)砂)填塞的面積百分比[21], 通過(guò)視覺(jué)檢查和相應(yīng)軟件輔助確定底質(zhì)充塞度大小。使用Bain等對(duì)主要底質(zhì)類型描述方法和底質(zhì)觀測(cè)結(jié)果[28], 將77個(gè)視頻觀測(cè)點(diǎn)的底質(zhì)主要組成劃分為中型卵石、小型卵石、沙石、黏土及人工護(hù)底河床共5種類型。

統(tǒng)計(jì)分析和空間分布分析采樣點(diǎn)的水聲學(xué)特征與河床底質(zhì)充塞度、粒徑的相關(guān)性通過(guò)Origin 2020分析。河床底質(zhì)的聲學(xué)特征參數(shù)數(shù)據(jù)連同位置信息導(dǎo)入ArcGIS 10.6, 使用反距離權(quán)重法構(gòu)建網(wǎng)格大小為10 m的柵格圖像。將各柵格圖像轉(zhuǎn)換為點(diǎn)數(shù)據(jù), 導(dǎo)入Origin中繪制相應(yīng)箱線圖, 獲取除去異常點(diǎn)后的極值和平均值。結(jié)合粒徑-粗糙度擬合方程將粗糙度轉(zhuǎn)換為粒徑, 構(gòu)建粒徑空間分布圖。通過(guò)均值變化找到河床質(zhì)演變的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn), 統(tǒng)計(jì)計(jì)算關(guān)鍵年份產(chǎn)卵場(chǎng)分區(qū)的特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)值并進(jìn)行單因素方差分析, 使用ArcGIS中的重分類工具按對(duì)應(yīng)圖例進(jìn)行分類并計(jì)算所占比例。

相關(guān)性結(jié)果用于底質(zhì)類型的判別分析, 水聲學(xué)特征參數(shù)柵格圖像結(jié)果用于底質(zhì)類型的空間分布分析, 重分類結(jié)果和箱線圖結(jié)果用于分析葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底質(zhì)演變。

2 結(jié)果

2.1 底質(zhì)聲學(xué)特征與表觀特征的相關(guān)性

通過(guò)水下視頻視覺(jué)檢查發(fā)現(xiàn), 在所有采樣點(diǎn)中,河床質(zhì)主要組成大都為卵石和沙的非均質(zhì)混合物,純沙和純卵石僅在部分區(qū)域可見(jiàn)。在所有樣本中,充塞度為0—100%, 底質(zhì)粒徑為0—200 mm。聲學(xué)分析發(fā)現(xiàn), 硬度基本在0—0.05, 粗糙度為0—0.007,分形維數(shù)為0—0.20。進(jìn)一步的回歸分析發(fā)現(xiàn), 充塞度(E)和硬度(H)之間的關(guān)系可以用Boltzmann模型進(jìn)行擬合, 方程為E=3+95/{1+exp[(H-0.00679)/0.00232]}(R2=0.74; 圖2a), 中 等 粒 徑(D)和 粗 糙 度(R)之間的關(guān)系可以用logistic模型進(jìn)行擬合, 方程表示 為D=285-285/(1+R/0.000824) (R2=0.87; 圖2b)。另外分形維數(shù)(FD)的數(shù)值大小可以很好地區(qū)分河床底質(zhì)的主要組成成分(圖3)。

圖2 后向散射參數(shù)和底質(zhì)表觀特征之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between backscattering parameters and substrate phenology

圖3 分形維數(shù)與河床質(zhì)主要組成的關(guān)系Fig. 3 Relationship between fractal dimension and major composition of riverbed mass

2.2 底質(zhì)水聲學(xué)特征變化

葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)水聲學(xué)特征均值在2004—2020年發(fā)生了明顯的變化, 圖4—6顯示該區(qū)域的3種水聲學(xué)特征參數(shù)變化趨勢(shì)是一致的,3種特征參數(shù)在2004—2008上升, 在2008—2012年下降, 在2012—2019年持續(xù)上升, 在2019—2020年下降, 但是變化幅度有所區(qū)別。硬度均值在2004—2012年的變化不明顯, 在0.0046—0.0054波動(dòng), 其在2012—2015年增加78.37%, 在2015—2019年增加115.56%, 在2019—2020年減少52.18%。粗糙度均值波動(dòng)較為明顯, 自2005年增長(zhǎng)到0.001后保持穩(wěn)定, 從2008年開始減少, 在2008—2012年減少22.21%,在2015—2019年增加75.13%, 在2019—2020年減少68.88%。分形維數(shù)均值從2004—2005年增長(zhǎng)116.91%后, 在2005—2012年保持在0.108—0.123內(nèi)波動(dòng),2015—2019年維持在0.127—0.138波動(dòng), 2020年下降到0.12?？梢园l(fā)現(xiàn)2008年、2012年、2015年、2019年和2020年是底質(zhì)特征變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖4 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)硬度年際變化Fig. 4 Interannual variation in hardness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖5 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)粗糙度年際變化Fig. 5 Interannual variation in roughness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖6 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)分形維數(shù)年際變化Fig. 6 Interannual variation of fractal dimension of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

2.3 河床質(zhì)特征演變過(guò)程

穩(wěn)定產(chǎn)卵區(qū)底質(zhì)變化的相應(yīng)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的特征空間分布圖如下(圖7—10)。結(jié)果顯示在ⅡA區(qū)域三種特征參數(shù)一般較小, 且常年維持在一定的水平。ⅠB、ⅡB、ⅡC、ⅢB、ⅤA和ⅤB區(qū)域的底質(zhì)較為穩(wěn)定, 聲學(xué)參數(shù)特征一般較大, 其他區(qū)域每年都有較大的變動(dòng)。

圖7 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)硬度空間分布Fig. 7 Spatial distribution of hardness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

關(guān)鍵年份的三種聲學(xué)參數(shù)的顯著性差異結(jié)果顯示, 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)在2004年的硬度與2012年無(wú)顯著差異(P≥0.05), 在2008年的粗糙度與2020年無(wú)顯著差異(P≥0.05), 在2008年的分形維數(shù)與2020年無(wú)顯著差異(P≥0.05), 除此之外硬度、分形維數(shù)各年均有顯著性差異(P＜0.01; 表1)。

表1 關(guān)鍵年份葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值Tab. 1 Statistical values of substrate acoustic parameters of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam in key years

柵格圖像重分類的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在2004年、2008年和2012年硬度小于0.007的部分占據(jù)整個(gè)研究區(qū)域的85%以上, 到了2015年其所占比例銳減至52.22%, 2019年就只有23.59%, 2020年回升至57.42%(表2)。粗糙度和分形維數(shù)也都有相似的變化, 在2004年、2008年和2012年, 粗糙度和分形維數(shù)較小的區(qū)域占據(jù)的比例均較大, 2012—2019年期間占據(jù)比例減少較多, 2020年才開始增加(表3和表4)。

表2 中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)硬度占比Tab. 2 Percentage of substrate hardness in Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表3 中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)粗糙度占比Tab. 3 Substrate roughness ratio of Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表4 中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)分形維數(shù)占比Tab. 4 Substrate fractal dimension ratio of Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表5顯示2004年整個(gè)產(chǎn)卵場(chǎng)基本上是以卵石和沙的混合底質(zhì)為主, 2008年卵石就占據(jù)成為產(chǎn)卵場(chǎng)的主要底質(zhì), 黏土幾乎消失, 2012年沙和卵石的混合底質(zhì)類型增加, 2015年河床質(zhì)基本以卵石為主,2019年含沙的底質(zhì)比例進(jìn)一步減少, 直至2020年,含沙底質(zhì)的比例開始回升。

表5 中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)占比Tab. 5 Percentage of substrate in spawning grounds of Chinese sturgeon (%)

葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底質(zhì)變化主要是推移質(zhì)和卵石的運(yùn)動(dòng), 而卵石底質(zhì)在一般情況下推移距離較短, 因此主要是推移質(zhì)量的變化。在2004年至2020年整個(gè)時(shí)間段, 底質(zhì)組成經(jīng)歷從含大量沙、含適量沙到含極少量沙, 最后沙量回升的過(guò)程。

3 討論

3.1 河床質(zhì)特征的水聲學(xué)參數(shù)研究

早在1984年, 研究學(xué)者就確認(rèn)了河床質(zhì)可以被聲學(xué)特征所區(qū)分[6], Daniel等[11]結(jié)合一定的光學(xué)觀測(cè)建立了聲學(xué)特征和底質(zhì)類型之間的關(guān)系, 并以此對(duì)巴德河的底部進(jìn)行分類。2011年杜浩等[20]發(fā)現(xiàn)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的硬度和粗糙度的大小明顯與底質(zhì)類型相關(guān), 但是其后使用Sonar 5 Pro獲取的聲學(xué)特征判別底質(zhì)類型存在一定的困難, 原因可能是缺乏歸一化處理聲學(xué)回波的步驟[22,23], 研究獲取的聲學(xué)特征與底質(zhì)特征相關(guān)關(guān)系區(qū)分底質(zhì)效果較差。

本研究在之前研究的基礎(chǔ)上, 使用Biosonics聲學(xué)后處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理, 結(jié)合水下視頻影像提取的底質(zhì)表觀特征, 分析三種聲學(xué)參數(shù)與底質(zhì)表觀特征的相關(guān)性, 并以此對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)進(jìn)行分類, 繪制該研究區(qū)域的底質(zhì)分類圖, 描述中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底質(zhì)演變過(guò)程。

由于水下視頻設(shè)備的限制, 粒徑超過(guò)200 mm的底質(zhì)沒(méi)有得到展示, 圖8e顯示在分布圖中有部分粗糙度的數(shù)值是大于200 mm底質(zhì)對(duì)應(yīng)的粗糙度,實(shí)際葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)粒徑大于200 mm的河床質(zhì)確實(shí)占據(jù)了一定的比例, 因此粒徑-粗糙度擬合曲線對(duì)后續(xù)的推測(cè)趨勢(shì)應(yīng)該是正確的, 但具體的驗(yàn)證還需要設(shè)備條件的更新。2004—2012年葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)整體硬度變化不大, 但是實(shí)際其底質(zhì)含沙量明顯下降[21], 這能夠由充塞度和硬度的相關(guān)關(guān)系解釋。圖2a的散點(diǎn)分布顯示, 前期充塞度和硬度的相關(guān)性較差, 例如在硬度為0.005時(shí), 充塞度可以在20%—80%波動(dòng), 因此推斷在推移質(zhì)和卵石底質(zhì)混合且推移質(zhì)較多的情況下, 硬度極有可能不僅與推移質(zhì)的填充量相關(guān), 還與推移質(zhì)在卵石之間填充的方式、河床質(zhì)的孔隙度等特征相關(guān)。若結(jié)合圖3對(duì)底質(zhì)進(jìn)行分類, 那么大部分采樣點(diǎn)的底質(zhì)主要組成就應(yīng)為人工護(hù)底, 但是實(shí)際上葛洲壩下江段的人工護(hù)底僅占很小的一部分。因此應(yīng)對(duì)底質(zhì)的分形維數(shù)數(shù)值范圍進(jìn)行修正, 圖9顯示2012年后葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的分形維數(shù)以0.07—0.20為主, 而此時(shí)其河床質(zhì)的主要組成為中型卵石和小型卵石, 主要組成為中型卵石的分形維數(shù)范圍應(yīng)該修正為0.07—0.20, 以此修正范圍可以更加準(zhǔn)確地對(duì)底質(zhì)進(jìn)行分析。

圖8 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)粗糙度空間分布Fig. 8 Spatial distribution of roughness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖9 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)分形維數(shù)空間分布Fig. 9 Spatial distribution of fractal dimensions of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖10 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)粒徑空間分布Fig. 10 Spatial distribution of grain size of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

3.2 長(zhǎng)江水文事件與產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)變化的相關(guān)性

2003年6月, 三峽大壩首次進(jìn)行蓄水運(yùn)行, 而后其水位不斷抬高, 至2008年9月初步開展175 m蓄水計(jì)劃[29], 期間蓄水運(yùn)行導(dǎo)致長(zhǎng)江上游轉(zhuǎn)移至中下游的沙等推移質(zhì)在壩區(qū)內(nèi)淤積, 葛洲壩江段推移質(zhì)的量不斷被沖刷而補(bǔ)充減少, 原本的平衡被打破。2004 年12月開展了葛洲壩下近壩江段的河勢(shì)調(diào)整工程[30], 期間產(chǎn)卵場(chǎng)區(qū)域的含沙量受到了一定的影響。因此在2004—2008年, 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床底質(zhì)發(fā)生了明顯的改變, 推移質(zhì)減少, 充塞度顯著降低、卵石暴露。2008年長(zhǎng)江中上游干流及多條支流均發(fā)生了歷史同期最大洪水, 且當(dāng)時(shí)汶川地震造成了大量的河道崩岸, 上游推移質(zhì)轉(zhuǎn)移較多。在長(zhǎng)江宜昌站監(jiān)測(cè)獲取的2008—2013年的輸沙量, 除2011年較少外, 其他年份均保持在一定的水平(圖11), 此期間洪水帶來(lái)較多的沙可能改變了三峽大壩蓄水造成的清水下泄現(xiàn)象, 期間推移質(zhì)得以補(bǔ)充, 因此2008—2012年該區(qū)域充塞度增加。

圖11 長(zhǎng)江宜昌站輸沙量年際變化Fig. 11 Interannual variation of sand transport at Yichang Station of Yangtze River

從2012—2015年, 粗糙度、硬度和分形維數(shù)的均值增加趨勢(shì)明顯, 但由于2013年和2014年進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是使用其他水聲學(xué)儀器, 無(wú)法提取和其他年份相同處理的水聲學(xué)特征參數(shù), 因此無(wú)法判斷水聲學(xué)參數(shù)在2012—2015年是逐步上升還是在某一年突然增加的, 依據(jù)宜昌站監(jiān)測(cè)的輸沙量變化可能能夠解釋這一變化: 在2012年長(zhǎng)江上游的向家壩和各種新建水壩的相繼投入運(yùn)行后, 2013年開始宜昌站輸沙量減少, 2015年到達(dá)最小值(圖11), 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的推移質(zhì)被進(jìn)一步?jīng)_刷而得不到補(bǔ)充。由此推測(cè), 2012—2015年該區(qū)域含沙量應(yīng)該是逐漸減少的, 粗糙度和硬度逐年上升。葛洲壩下江段的底質(zhì)泥沙含量還取決于三峽大壩的運(yùn)行狀態(tài),比如2016—2020年多發(fā)的洪水導(dǎo)致三峽大壩庫(kù)區(qū)內(nèi)泥沙堆積過(guò)多, 三峽大壩在2020年8月進(jìn)行了沙峰排沙調(diào)度[31], 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)含沙量因此在2019—2020年增加, 而 2018年7月雖然也進(jìn)行了沙峰排沙調(diào)度, 但可能由于排沙時(shí)間較早和排沙量相對(duì)較少, 2018年中華鱘繁殖生態(tài)調(diào)查期間產(chǎn)卵場(chǎng)泥沙留存量較少, 底質(zhì)狀況并未改善。

通過(guò)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)的演變分析發(fā)現(xiàn), 該江段河床質(zhì)變動(dòng)的主要原因有水利工程的建設(shè)運(yùn)行、長(zhǎng)江流域的洪水發(fā)生以及人類活動(dòng)。大型水利工程對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)的影響是逐年增加的, 尤其是在其上游多個(gè)水利工程相繼運(yùn)行后, 中華鱘自然繁殖所需的推移質(zhì)被沖刷而得不到補(bǔ)充; 挖沙活動(dòng)和泥沙調(diào)度能直接影響到中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的底質(zhì)含沙量; 長(zhǎng)江流域的大型洪水能夠改善河床質(zhì)狀況。若是在排除人類活動(dòng)影響的前提下, 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)的推移質(zhì)含量會(huì)持續(xù)減少, 中華鱘自然繁殖活動(dòng)很難恢復(fù), 但是長(zhǎng)江流域洪水的發(fā)生可能會(huì)緩解這種不利狀況,其緩解程度取決于洪水發(fā)生的位點(diǎn)、規(guī)模及三峽大壩的運(yùn)行狀況。

3.3 河床質(zhì)變化對(duì)中華鱘自然繁殖的影響及中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)保護(hù)性建議

長(zhǎng)江水壩導(dǎo)致的一些制約因素對(duì)中華鱘的自然繁殖行為是有顯著累積影響的[14], 底質(zhì)因素就是眾多制約因素之一。在三峽蓄水運(yùn)行初期, 其蓄水程度還沒(méi)有達(dá)到較高水平, 2004—2008年產(chǎn)卵場(chǎng)各個(gè)區(qū)域的含沙量減少程度有所不同, 但是中華鱘所在的Ⅳ和Ⅴ部分區(qū)域的充塞度還維持在一定水平,因此除了在2003年后中華鱘自然繁殖次數(shù)由2次轉(zhuǎn)為1次, 中華鱘的自然繁殖活動(dòng)依然能監(jiān)測(cè)到。2008—2012年中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的上產(chǎn)卵區(qū)(Ⅰ、Ⅱ區(qū)), 其河床質(zhì)的變化較下產(chǎn)卵區(qū)(Ⅲ—Ⅴ區(qū))明顯,更適合中華鱘自然繁殖, 這可能是中華鱘主要產(chǎn)卵區(qū)域遷移的原因之一。2012—2015年中華鱘適宜繁殖底質(zhì)逐年減少, 這可能是中華鱘自然繁殖首次中斷和再次中斷的誘因。2015—2019年粗糙度和硬度持續(xù)增加使得葛洲壩下的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)已不適宜繁殖, 2017年中華鱘自然繁殖連續(xù)中斷至今。中華鱘的自然繁殖活動(dòng)明顯與底質(zhì)狀況相關(guān)。

在長(zhǎng)江流域三峽大壩和上游向家壩等多個(gè)水壩蓄水運(yùn)行的情況下, 中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的恢復(fù)與重建是困難的, 但是仍然存在部分希望, 建議: (1)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)篩選中華鱘適宜的產(chǎn)卵條件(地形、底質(zhì)、水溫等), 在長(zhǎng)江湖北宜昌中華鱘自然保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi), 篩選葛洲壩產(chǎn)卵場(chǎng)下游其余區(qū)域條件適宜的江段, 進(jìn)行部分改造使其成為新的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng);(2)在保證中華鱘繁殖需求的流速和水溫的前提下,調(diào)整三峽大壩進(jìn)行泥沙調(diào)度活動(dòng)的時(shí)間和規(guī)模, 將壩區(qū)排沙的開始時(shí)間延后至9—11月期間或者在2020年三峽大壩進(jìn)行泥沙調(diào)度規(guī)模的基礎(chǔ)上增加壩區(qū)排沙量, 使葛洲壩下江段在中華鱘繁殖期間得以維持良好的底質(zhì)狀況, 為中華鱘恢復(fù)產(chǎn)卵活動(dòng)提供適宜環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的功能修復(fù)。

4 結(jié)論

本研究利用豐富的水聲學(xué)數(shù)據(jù), 結(jié)合水聲學(xué)的方法和水下視頻技術(shù)對(duì)葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)進(jìn)行了深入的研究, 完善了底質(zhì)特征之間的相關(guān)關(guān)系,找到了底質(zhì)變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)和原因, 并推斷了中華鱘自然繁殖中斷可能的原因, 研究結(jié)果對(duì)中華鱘的種群存續(xù)問(wèn)題來(lái)說(shuō)意義重大, 但也存在著部分不足, 比如在底質(zhì)水聲學(xué)特征和表觀特征的相關(guān)性研究中, 粒徑大于200 mm的底質(zhì)未有研究, 相關(guān)關(guān)系對(duì)較大的粒徑判別可能有偏差, 需要后續(xù)的設(shè)備和技術(shù)更新; 在葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)演變過(guò)程的分析中, 只是解析了推動(dòng)底質(zhì)演變的原因, 而沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行量化, 對(duì)研究區(qū)域后續(xù)的底質(zhì)變化只能大致推測(cè); 本研究只是對(duì)葛洲壩下江段的底質(zhì)變化進(jìn)行了研究, 但并沒(méi)有獲取中華鱘的適宜底質(zhì)特征, 下一步工作可以對(duì)以往產(chǎn)卵區(qū)域的底質(zhì)水聲學(xué)特征進(jìn)行精確提取并判別。這些不足之處都需要科研工作者們?nèi)ヒ徊讲浇鉀Q, 為下一步篩選中華鱘潛在產(chǎn)卵場(chǎng)、建立人工模擬中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)乃至葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的修復(fù)與重建等提供科學(xué)依據(jù)和方案。

本研究的主要結(jié)論: (1)粗糙度、硬度、分形維數(shù)三種聲學(xué)特征分別與河床底質(zhì)的粒徑、充塞度和主要組成類型相關(guān), 粗糙度和硬度與相應(yīng)表觀特征能建立相關(guān)公式, 在河床質(zhì)充塞度較大的情況下(20%—80%), 依據(jù)硬度-充塞度擬合曲線判別底質(zhì)效果較差。(2)2008、2012、2015、2019和2020年是葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)河床質(zhì)變化的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn), 研究區(qū)域內(nèi)的主要變化如下: 含沙底質(zhì)比例在2004—2008年減少33.08%, 在2008—2012年增加12.69%, 在2012—2015年 減 少33.83%, 在2015—2019年減少6.29%, 2020年含沙量回升, 相比2019年增加39.37%。在2004—2020年整個(gè)時(shí)間段, 底質(zhì)組成經(jīng)歷一個(gè)從含大量沙、含適量沙到含極少量沙,最后沙量回升的過(guò)程。(3)結(jié)合長(zhǎng)江流域發(fā)生的水沙變化事件, 發(fā)現(xiàn)水利工程的建設(shè)運(yùn)行、長(zhǎng)江流域洪水的發(fā)生及人類活動(dòng)都會(huì)影響河床質(zhì)的演變進(jìn)程: 水利工程蓄水運(yùn)行造成的清水下泄會(huì)導(dǎo)致其下游的推移質(zhì)持續(xù)減少, 長(zhǎng)江流域洪水的發(fā)生有利于泥沙從上游向中下游轉(zhuǎn)移, 河勢(shì)調(diào)整工程和泥沙調(diào)度等人類活動(dòng)則會(huì)直接影響泥沙含量的變化。(4)河床質(zhì)的演變進(jìn)程會(huì)影響中華鱘的自然繁殖狀況: 中華鱘自然繁殖活動(dòng)在2013年首次中斷, 在2015年再次中斷, 2017年連續(xù)中斷至今, 也正是在此期間, 葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)底質(zhì)被嚴(yán)重沖刷,推移質(zhì)急劇減少, 中華鱘的自然繁殖活動(dòng)明顯與河床質(zhì)狀況相關(guān)。