劉瀚 林俊強(qiáng) 王先政 班學(xué)君 王東勝 張迪 彭期冬 靳甜甜

摘要：為了促進(jìn)受水電工程影響河段魚類資源的恢復(fù)，選擇中華倒刺鲃（Spinibarbus sinensis），依托大型生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)，人工塑造多種近自然微地形生境，營(yíng)造適宜魚類棲息的水文水動(dòng)力環(huán)境，研究其棲息行為偏好特性。設(shè)置0.3、0.6、1.0、1.5、2.0、3.0 m?/s共6種流量工況，分別進(jìn)行多地形組合、沙洲地形局部偏好、深潭淺灘地形局部偏好魚類棲息生境選擇試驗(yàn)。采用PIT射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚類棲息行為，選取流速、渦量、湍流動(dòng)能和床體切應(yīng)力4個(gè)水動(dòng)力指標(biāo)，計(jì)算對(duì)應(yīng)流場(chǎng)條件下的中華倒刺鲃棲息適宜度，并基于隨機(jī)森林和CART算法篩選影響中華倒刺鲃棲息選擇的主要水動(dòng)力指標(biāo)，探究其棲息行為的水動(dòng)力選擇機(jī)制。結(jié)果表明，深潭淺灘及沙洲河段的進(jìn)出口是中華倒刺鲃喜好棲息場(chǎng)所，渦量和流速是影響其棲息的主要水動(dòng)力指標(biāo)。流速高于0.545 m/s、低于2.3 m/s，渦量高于0.72/m、低于15.7/m時(shí)的流場(chǎng)條件，為試驗(yàn)工況下中華倒刺鲃的最適宜棲息環(huán)境。研究結(jié)果為魚類棲息地生態(tài)修復(fù)及生態(tài)調(diào)度提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：中華倒刺鲃；微地形；水文水動(dòng)力；魚類行為；流速；渦量

中圖分類號(hào)：Q142? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-3075（2024）01-0134-09

河流是全球水能循環(huán)的重要組成部分（Wang et al， 2019），水電工程建設(shè)很大程度改變了河流生態(tài)系統(tǒng)，淹沒(méi)了眾多淡水物種的棲息地（Barbarossa et al， 2020）。河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)是改善生境和生物多樣性的有效措施（Li et al， 2022）；綜合考慮水電工程影響下魚類洄游變化、地貌變化和水文情勢(shì)變化等因素間的響應(yīng)關(guān)系，是當(dāng)下河流魚類棲息地修復(fù)工作的重點(diǎn)（Hecht et al， 2019）。

河流的物理結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力條件與魚類棲息生境、群落結(jié)構(gòu)的多樣性息息相關(guān)。在復(fù)雜河流地形與水文條件形成的非均勻流動(dòng)條件中，魚類行為存在可變性。因此，眾多學(xué)者開展了對(duì)不同河道結(jié)構(gòu)的流速、渦量、湍流動(dòng)能、剪切應(yīng)力等水動(dòng)力條件研究。如在不同底質(zhì)的生境結(jié)構(gòu)下布設(shè)不同的半球結(jié)構(gòu)研究湍流流態(tài)和床層剪切應(yīng)力變化（Shamloo et al，2001）；構(gòu)造不同缺口尺寸魚道對(duì)池堰魚道的三維平均流量和湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究（Yagci，2010）。基于此，結(jié)合復(fù)雜地形水力條件與魚類行為規(guī)律的研究也在廣泛展開（齊亮等，2012）。Silva等（2011）構(gòu)建了室內(nèi)全尺寸池室魚道，發(fā)現(xiàn)雷諾剪切應(yīng)力與魚類遷移時(shí)間相關(guān)性最高；Zha等（2021）在室內(nèi)水槽添加圓柱結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)圓柱渦結(jié)構(gòu)對(duì)鱘的游泳姿態(tài)穩(wěn)定性具有重要意義，卡門步態(tài)受速度、渦量和剪應(yīng)力的顯著影響；Maeda等（2018）定量分析了魚巢、深潭及對(duì)照河段的湍流動(dòng)能、剪切應(yīng)力與魚類行為能量消耗的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)魚巢與深潭環(huán)境更適宜魚類棲息。

河道形態(tài)、水力指標(biāo)與魚類種群生境利用的定量關(guān)系是當(dāng)下魚類棲息地修復(fù)工作的前提基礎(chǔ)和研究熱點(diǎn)。然而，以上研究多在室內(nèi)水槽尺度及小尺度場(chǎng)地中進(jìn)行，難以直接應(yīng)用于工程實(shí)際。為進(jìn)一步探究近自然流場(chǎng)條件下魚類的棲息偏好，明晰不同地形與水流條件下魚類的棲息選擇機(jī)制，本研究選擇安谷大型生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)，應(yīng)用仿自然河道人為營(yíng)造典型微地形，建立中試尺度的人工生境條件，采用PIT射頻識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)測(cè)魚類棲息行為，結(jié)合不同流量下的河道水動(dòng)力指標(biāo)，探究中華倒刺鲃（Spinibarbus sinensis）在多種微地形與復(fù)雜水動(dòng)力條件下的棲息選擇機(jī)制，以期為河道魚類棲息地修復(fù)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1? ?材料和方法

1.1? ?試驗(yàn)場(chǎng)地

安谷水電站是大渡河干流梯級(jí)開發(fā)的最后一級(jí)，壩址位于四川省樂(lè)山市市中區(qū)安谷鎮(zhèn)，該區(qū)域位于大渡河、青衣江、岷江的三江交匯口，魚類資源豐富。安谷生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)位于安谷水電站業(yè)主營(yíng)地，研究基于沿島嶼地形地勢(shì)規(guī)劃的蜿蜒型仿自然河道，采用進(jìn)水閘、出水閘直接引入大渡河河水，用于開展相關(guān)生態(tài)水力學(xué)研究。

1.2? ?試驗(yàn)區(qū)構(gòu)建

為削弱上下游進(jìn)出水閘的異常流態(tài)影響，研究選擇蜿蜒型河流中部約140 m河段作為試驗(yàn)河道。根據(jù)遙感影像和實(shí)際勘察，安谷河網(wǎng)地區(qū)河道形態(tài)多樣、沙洲眾多、深潭淺灘密布，因此在試驗(yàn)區(qū)直線河段和彎曲河段的基礎(chǔ)上，人工塑造深潭淺灘及沙洲微地形，形成4種試驗(yàn)河道類型。在深潭淺灘河道中構(gòu)建2組不同尺寸的深潭、淺灘地貌（深潭1：低于河床0.3 m，淺灘1：高于河床0.5 m；深潭2：低于河床0.4 m，淺灘2：高于河床0.7 m）；在沙洲河段構(gòu)建2組不同大小的沙洲（沙洲1：底長(zhǎng)2.4 m，底寬0.9 m，高1.3 m；沙洲2：底長(zhǎng)4.0 m，底寬1.5 m，高1.5 m）。其中，沙洲塑造尺寸均參考實(shí)際江心洲平面形態(tài)參數(shù)分布，深潭淺灘塑造參考自然河流深潭淺灘形態(tài)的振幅波長(zhǎng)比范圍（Buffington & Montgomery，1999），設(shè)置河床振幅（深潭淺灘高低落差）分別為0.8 m和1.1 m。在河道中布設(shè)無(wú)線射頻系統(tǒng)（RFID）監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)魚類行為，考慮到短距離內(nèi)設(shè)備間的信號(hào)干擾及有限的設(shè)備數(shù)量，將試驗(yàn)區(qū)分為3組，分別為多地形組合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)、深潭淺灘河段精細(xì)化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)及沙洲河段精細(xì)化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)（圖1）。

1.3? ?試驗(yàn)魚

1.3.1? ?品種選擇? ?根據(jù)安谷地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)與保護(hù)魚類、安谷水電站魚道的過(guò)魚對(duì)象以及試驗(yàn)場(chǎng)周邊河道的魚類資源調(diào)查結(jié)果，選取代表性魚類中華倒刺鲃作為試驗(yàn)對(duì)象。中華倒刺鲃屬于鯉形目、鯉科、倒刺鲃屬，為河道型底層魚，喜棲息于底質(zhì)為礫石的山地河流當(dāng)中，在自然條件下喜棲息于水清流急的溪河或江段。從試驗(yàn)場(chǎng)增殖站及周邊養(yǎng)殖場(chǎng)選取活力良好、規(guī)格相近的3～4齡魚30尾，于2022年8月7日至9月15日開展試驗(yàn)。試驗(yàn)魚的形態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3.2? ?暫養(yǎng)? ?將收集來(lái)的30 尾中華倒刺鲃試驗(yàn)魚暫養(yǎng)于距試驗(yàn)河道100 m的安谷水電站魚類增殖站圓形敞開式水池，暫養(yǎng)用水為大渡河河水，水溫為（12±1）℃，整個(gè)試驗(yàn)期間保持充氧，保持溶氧量大于6 mg/L。試驗(yàn)魚標(biāo)記手術(shù)后，持續(xù)暫養(yǎng)并觀察2周，均保持活躍狀態(tài)。

1.3.3? ?標(biāo)記? ?基于無(wú)源集成應(yīng)答器（PIT）技術(shù)的射頻識(shí)別系統(tǒng)是當(dāng)下復(fù)雜河流環(huán)境中有效魚類行為監(jiān)測(cè)手段。使用MS-222麻醉劑讓試驗(yàn)魚短暫迷暈后，將PIT標(biāo)簽（2.12 mm×12 mm， 0.1 g， 134.2 kHz）植入到魚的背部肌肉中，隨后將注射完成的試驗(yàn)魚放回沒(méi)有麻醉藥的清水中，待其1～2 min醒來(lái)并恢復(fù)正常游泳行為。試驗(yàn)魚繼續(xù)暫養(yǎng)2周，其背部肌肉傷口基本愈合，無(wú)死亡個(gè)體。

當(dāng)攜帶PIT標(biāo)簽的魚進(jìn)入與收發(fā)器連接天線的磁場(chǎng)范圍時(shí)，每個(gè)PIT標(biāo)簽的唯一識(shí)別碼及當(dāng)下時(shí)間將被識(shí)別并記錄。當(dāng)攜帶PIT標(biāo)記的試驗(yàn)魚短時(shí)間內(nèi)反復(fù)穿過(guò)監(jiān)測(cè)天線范圍時(shí)，終端僅記錄其第1次經(jīng)過(guò)該線圈的信息；當(dāng)試驗(yàn)魚離開磁場(chǎng)范圍超過(guò)20 s后再次游經(jīng)該天線范圍時(shí)，PIT標(biāo)簽信息將再次被記錄。

1.4? ?魚類行為監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)前將30尾試驗(yàn)魚全部放入試驗(yàn)河段并持續(xù)7 d，以提前適應(yīng)環(huán)境。期間保持河道0.1～0.3 m3/s的低流量環(huán)境，使試驗(yàn)魚逐漸恢復(fù)其天然情況下的游泳能力。經(jīng)過(guò)充分適應(yīng)后，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水閘門開度、改變河道流量，分別進(jìn)行3組魚類棲息生境選擇試驗(yàn)。流量工況的上下限設(shè)計(jì)參考安谷河網(wǎng)地區(qū)自然泄放生態(tài)流量，各地形的流速為0.2～2.8 m/s；據(jù)此，3組試驗(yàn)均設(shè)置6種流量工況，即0.3、0.6、1.0、1.5、2.0、3.0 m3/s。

1.4.1? ?多地形組合試驗(yàn)? ?每種工況持續(xù)9 h。通過(guò)各斷面線圈獲取的標(biāo)記信號(hào)頻次及時(shí)間，得出試驗(yàn)魚在直線河段、2組彎曲河段、2組深潭淺灘河段及2組沙洲不同流量工況下的棲息偏好。

1.4.2? ?沙洲地形局部偏好試驗(yàn)? ?每種工況持續(xù)3 h，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)魚在直線河段、2組沙洲進(jìn)口河段、2組沙洲出口河段以及4組分汊河段不同流量工況下的棲息偏好。

1.4.3? ?深潭淺灘地形局部偏好試驗(yàn)? ?每種工況持續(xù)3 h，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)魚在直線河段、2組深潭區(qū)域、2組淺灘區(qū)域以及4組其他區(qū)域的棲息偏好。

1.5? ?分析方法

1.5.1? ?PIT數(shù)據(jù)? ?PIT信號(hào)統(tǒng)計(jì)可以表征魚類游經(jīng)某區(qū)域的時(shí)間點(diǎn)并推算魚類在各監(jiān)測(cè)區(qū)域的棲息時(shí)間。棲息時(shí)間統(tǒng)計(jì)采用自定義的魚類棲息時(shí)間計(jì)算規(guī)則，基于接收相鄰2個(gè)信號(hào)的線圈序號(hào)確定魚類棲息區(qū)域，并根據(jù)2個(gè)信號(hào)的接收時(shí)間差得出試驗(yàn)魚在該區(qū)域的棲息時(shí)間。具體規(guī)則如圖2（以多地形組合試驗(yàn)首先獲得1號(hào)線圈信號(hào)為例），通過(guò)不斷累加棲息時(shí)間，即可得出試驗(yàn)魚在各區(qū)域的棲息總時(shí)間。由于試驗(yàn)過(guò)程中存在線圈被水流沖刷變形導(dǎo)致精度降低，試驗(yàn)魚的游泳行為脫離磁場(chǎng)范圍及其長(zhǎng)期不移動(dòng)不產(chǎn)生初始信號(hào)等原因，導(dǎo)致PIT信號(hào)接收存在一定遺漏，影響上述頻次及棲息時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。在計(jì)算過(guò)程中，舍棄信息遺漏造成的不準(zhǔn)確過(guò)程，僅保留準(zhǔn)確行為過(guò)程。

1.5.2? ?流場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與模擬? ?基于實(shí)際測(cè)量與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，獲得各流量工況下不同試驗(yàn)區(qū)的水動(dòng)力條件（圖3）。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采用華測(cè)i70II慣導(dǎo)版口袋RTK進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)河段地形定位與高程測(cè)量，采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV）進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)表層三維流速數(shù)據(jù)測(cè)量；數(shù)值模擬采用Fluent （Ansys 2021R1）進(jìn)行流場(chǎng)仿真，結(jié)合校準(zhǔn)得出6個(gè)流量工況下各區(qū)域流場(chǎng)條件。3個(gè)實(shí)測(cè)流速斷面分別布置于直線河段與彎曲河段的交界面、淺灘進(jìn)口處以及沙洲出口處，測(cè)量0.3、0.6、1.0、1.5 m3/s實(shí)際工況，其余2個(gè)工況由于測(cè)量難度過(guò)大未測(cè)量。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面表層16個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值及模擬值的誤差率為90.96%，誤差主要來(lái)自于實(shí)際河道岸邊的植被。

1.5.3? ?棲息適宜度? ?由于射頻設(shè)備數(shù)量的限制，在詳細(xì)監(jiān)測(cè)深潭淺灘及沙洲斷面的同時(shí)，無(wú)法監(jiān)測(cè)魚類在其他地形的棲息時(shí)間。因此，根據(jù)多地形組合試驗(yàn)9 h的時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出了各流場(chǎng)條件下魚類在直線段（1個(gè)區(qū)域）和2組彎曲段（2個(gè)區(qū)域）與深潭淺灘段、沙洲段的棲息時(shí)間比，并估算了6種流場(chǎng)條件下21個(gè)區(qū)域的試驗(yàn)魚棲息時(shí)間分布，即試驗(yàn)魚在不同流場(chǎng)條件下共計(jì)126種流場(chǎng)的棲息時(shí)間分布。為獲得在不同水流條件下的棲息地適宜性，首先計(jì)算試驗(yàn)魚在不同區(qū)域停留的時(shí)間占總時(shí)間的比例，而后將該比例乘以相應(yīng)區(qū)域面積的倒數(shù)，得出試驗(yàn)魚對(duì)該特定區(qū)域的偏好指數(shù)。最后，對(duì)這些指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即可得出流場(chǎng)的生境適宜度。計(jì)算公式如下：

S = [ti，jm=19ti，m+n=19ti，n+ti，s+ti，b1+ti，b2 ][×] [1Ak]

i = [1，2，…，6] ， j = [1，2，…，21] ①

SI =[ S-min（S）max（S）-min（S）] ②

式中：S為魚類區(qū)域偏好指數(shù)，i為6種流量工況，j為21個(gè)不同的區(qū)域， ti，m為在深潭淺灘河段9個(gè)區(qū)域中試驗(yàn)魚的平均棲息時(shí)間， ti，n為在沙洲河段9個(gè)區(qū)域中試驗(yàn)魚的平均棲息時(shí)間， ti.s為在直線河段試驗(yàn)魚的平均棲息時(shí)間， ti，b1和ti，b2為在2個(gè)彎曲河段試驗(yàn)魚的平均棲息時(shí)間， Ak為21個(gè)區(qū)域的面積， SI為魚類棲息的適宜度。

1.5.4? ?棲息選擇算法? ?隨機(jī)森林法依靠于決策樹的投票選擇并決定最后的分類結(jié)果。模型從原始數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取樣本（有放回的抽樣）構(gòu)建決策樹；訓(xùn)練完成后，每個(gè)特征均會(huì)有一個(gè)與之相關(guān)的重要性得分，基于平均得分的大小即可得出指標(biāo)重要性排序。

為進(jìn)一步體現(xiàn)指標(biāo)選擇過(guò)程，魚類的棲息選擇機(jī)制采用分類回歸樹算法（CART）；該算法采用二分遞歸分割技術(shù)，將基尼系數(shù)（gini）作為特征劃分的度量，這樣不僅可以處理二分屬性，也可用來(lái)處理連續(xù)屬性；當(dāng)特征指標(biāo)數(shù)據(jù)間存在自相關(guān)關(guān)系時(shí)，依舊可識(shí)別和預(yù)測(cè)多變量數(shù)據(jù)間的復(fù)雜層次關(guān)系。在基于CART構(gòu)建決策模型的過(guò)程中，為降低模型復(fù)雜性并消除模型的過(guò)泛?jiǎn)栴}，分別對(duì)模型進(jìn)行預(yù)剪枝及后剪枝以降低模型交叉驗(yàn)證誤差。預(yù)剪枝主要選用max_depth、min_sample_split、min_samples_leaf共3個(gè)參數(shù)，具體設(shè)置為限制最大層深7，最小樣本枝干4，最小樣本葉子節(jié)點(diǎn)2。后剪枝在模型數(shù)構(gòu)建完成后，采用代價(jià)復(fù)雜度剪枝法（Cost-Complexity Pruning， CCP），使以下?lián)p失函數(shù)最小化。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?魚類行為監(jiān)測(cè)

2.1.1? ?多地形組合? ?在多地形組合試驗(yàn)中，讀取分析每條攜帶標(biāo)記試驗(yàn)魚在各河段的停留時(shí)間。6個(gè)流量工況（0.3～3.0 m3/s）下，分別接收到21、23、22、21、23、22尾試驗(yàn)魚的信號(hào)，存在少數(shù)不活躍試驗(yàn)魚、逃逸或死亡現(xiàn)象，但總數(shù)保持穩(wěn)定（圖4）。監(jiān)測(cè)結(jié)果（表2）表明，絕大部分中華倒刺鲃均表現(xiàn)出對(duì)深潭淺灘地形和沙洲地形的偏好；隨著流量的增長(zhǎng)，對(duì)沙洲區(qū)域的棲息偏好呈增加趨勢(shì)，在高流量工況下（2.0、3.0 m3/s），60%以上的中華倒刺鲃均長(zhǎng)時(shí)間棲息于沙洲河段，2.0 m3/s流量工況下的沙洲1河段出現(xiàn)了中華倒刺鲃的最長(zhǎng)時(shí)間集聚。表明微地形對(duì)試驗(yàn)魚存在一定的吸引作用，吸引程度隨流量的變化而改變。

2.1.2? ?局部地形偏好

（1）深潭淺灘河段。在各流量條件下，多數(shù)中華倒刺鲃在深潭淺灘河段均存在棲息行為。A1、A6、A9是其主要棲息河段，尤以低流量工況（0.3、0.6 m3/s）下的A9河段是中華倒刺鲃最偏好的棲息環(huán)境（圖5-a，b）。

（2）沙洲河段。B1、B5、B9為中華倒刺鲃主要棲息區(qū)域，均為沙洲進(jìn)出口區(qū)域（其中B5由于劃分面積大，不存在較高的參考意義）。中華倒刺鲃在流量達(dá)到1.5 m3/s及以上時(shí)，在沙洲河段表現(xiàn)出聚集行為，并隨著流量的增大，聚集位置從2組沙洲河段間的連接河段逐漸向下游轉(zhuǎn)移。當(dāng)流量為3.0 m3/s時(shí)，超過(guò)50%的試驗(yàn)魚長(zhǎng)時(shí)間棲息于下游沙洲出口處（圖5-c，d）。

2.2? ?魚類棲息適宜度

根據(jù)魚類在各區(qū)域的棲息時(shí)間及各區(qū)域面積大小，采用公式①計(jì)算得出魚類在126種流場(chǎng)下的棲息適宜度。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的140 m河段中，棲息時(shí)間平均占比為100%，約0.7%/m，將低于棲息時(shí)間平均占比50%的流場(chǎng)環(huán)境（0.35%/m）劃分為低適宜（棲息適宜度0.03）；高于棲息時(shí)間平均占比1倍的流場(chǎng)環(huán)境（1.4%/m）劃分為高適宜（棲息適宜度為0.15）；其間為中適宜（高于0.35%/m、小于1.4%/m，棲息適宜度為0.03～0.15），以此確定中華倒刺鲃棲息地3類適宜度。以此為基準(zhǔn)，在考慮魚類棲息行為的同時(shí)，保證3類樣本數(shù)量的均衡，避免樣本權(quán)重失衡，提高模型計(jì)算準(zhǔn)確性。分析不同流場(chǎng)工況下棲息適宜度與流場(chǎng)最大流速（水體流動(dòng)速度）、渦量（斷面漩渦強(qiáng)度）、河床切應(yīng)力（床體摩擦消耗）和湍流動(dòng)能（水體紊動(dòng)程度）4個(gè)水動(dòng)力指標(biāo)的對(duì)應(yīng)分布，結(jié)果見(jiàn)圖6。中華倒刺鲃的高適宜棲息流場(chǎng)水動(dòng)力指標(biāo)分別為0.35～2.3 m/s、0.72～14.5/m、2.7～77.7 Pa、0.016～0.41 m2/s2。高適宜區(qū)均出現(xiàn)在深潭淺灘及沙洲河段，但難以采用單一水動(dòng)力指標(biāo)作為評(píng)價(jià)閾值判斷魚類棲息適宜區(qū)域。因此，擬采用多指標(biāo)綜合判別的方式，探究中華倒刺鲃的棲息行為選擇機(jī)制。

2.3? ?魚類棲息選擇機(jī)制

分別基于隨機(jī)森林及CART算法，構(gòu)建中華倒刺鲃的棲息適宜度與流速、渦量、壁面切應(yīng)力和湍流動(dòng)能的決策關(guān)系。模型數(shù)據(jù)集為試驗(yàn)魚在21個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)6種流量條件下的棲息適宜度及對(duì)應(yīng)4個(gè)水動(dòng)力指標(biāo)，共計(jì)126組數(shù)據(jù)。輸入4個(gè)水動(dòng)力因子特征值，輸出的棲息適宜度劃分為高、中、低適宜3類，以此構(gòu)建適宜選擇決策樹（圖7）。

隨機(jī)森林法生成的重要性排序表明，影響中華倒刺鲃棲息適宜度的水動(dòng)力指標(biāo)重要性排序?yàn)闇u量（Vor）、流速（Vem）、河床切應(yīng)力（WSS）和湍流動(dòng)能（TKE）。根據(jù)前剪枝和后剪枝訓(xùn)練生成的試驗(yàn)魚棲息選擇決策表明，采用流速及渦量作為判斷指標(biāo)即可得出較好的中華倒刺鲃棲息適宜性分類預(yù)測(cè)效果。分類決策樹的機(jī)制解釋如表3所示，其判斷結(jié)果表明，中華倒刺鲃的高適宜棲息環(huán)境多出現(xiàn)在高流速（>1.35 m/s）流場(chǎng)中，渦量過(guò)大（≥15.7/m）也會(huì)導(dǎo)致適宜性的降低。流場(chǎng)流速過(guò)低（≤0.545 m/s）也不適宜試驗(yàn)魚棲息。

3? ?討論

3.1? ?中華倒刺鲃棲息的空間分布特性

在過(guò)往有關(guān)長(zhǎng)江魚類生境特性的研究中，發(fā)現(xiàn)其分布位置多位于回水沱河段、分汊河段及深潭河段，主要原因在于特殊地形形成的漩渦水流結(jié)構(gòu)為魚類提供了多樣的棲息環(huán)境，促進(jìn)了上下水層浮游動(dòng)物的交換（徐觀兵，2022）；同時(shí)，環(huán)境本身也為魚類提供了良好的避險(xiǎn)場(chǎng)所（劉一漩，2021）。因此，通過(guò)丁壩、潛壩、圓木等組合布置的方式構(gòu)建深潭淺灘、江心洲，是人工營(yíng)造魚類適宜棲息空間廣為應(yīng)用的方法（王首鵬，2019）。本研究表明，中華倒刺鲃多分布在深潭淺灘及沙洲河段，低流量條件下偏好于深潭淺灘河段，高流量條件下更偏好于沙洲河段。在仿自然環(huán)境的深潭淺灘河段試驗(yàn)中，高差較大的深潭及淺灘區(qū)域更吸引魚類棲息；在沙洲河段，沙洲的進(jìn)口段和出口段更吸引中華倒刺鲃。復(fù)雜地形對(duì)魚類棲息更具備吸引力這一研究結(jié)果與前人研究結(jié)果類似，不同流量條件及不同地形高差的影響仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2? ?水動(dòng)力條件對(duì)中華倒刺鲃棲息的影響

中華倒刺鲃的棲息行為水動(dòng)力選擇機(jī)制表明，其對(duì)深潭淺灘和沙洲河段存在顯著的棲息偏好，渦量和流速是影響其棲息偏好的重要水動(dòng)力指標(biāo)。流速高于1.35 m/s、低于2.3 m/s，渦量高于0.72/m、低于15.7/m時(shí)，為高適宜棲息地；流速低于0.545 m/s，為低適宜棲息地；流速和渦量均較大時(shí)（流速大于0.545 m/s、渦量大于15.7/m），為中適宜棲息地。由此可以發(fā)現(xiàn)，中華倒刺鲃偏好棲息于存在一定流速及渦量的區(qū)域，流速高于0.545 m/s、低于2.3 m/s，渦量高于0.72/m、低于15.7/m時(shí)，存在較大概率出現(xiàn)中華倒刺鲃的適宜棲息地。渦量對(duì)中華倒刺鲃棲息影響的研究尚缺，已有的研究探討了棲息于不同生境中魚類的游泳能力和偏好游泳速度及其生理機(jī)制，對(duì)比了5種淡水魚類的游泳能力，發(fā)現(xiàn)中華倒刺鲃心鰓系統(tǒng)的供氧能力較高，導(dǎo)致其游泳能力高于其他魚類（付翔等，2020）；水流速度達(dá)到中華倒刺鲃體長(zhǎng)的2.0倍/s可以抑制其肌細(xì)胞凋亡，增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)能力（于麗娟等，2014）；同時(shí)，流速還是中華倒刺鲃胚胎發(fā)育的重要影響因子，較高流速（>0.6 m/s）的河道會(huì)提高胚胎發(fā)育率，降低畸形率，是適宜中華倒刺鲃的產(chǎn)卵場(chǎng)所（李西雷等，2017）。

3.3? ?基于魚類需求的河流結(jié)構(gòu)修復(fù)與生態(tài)調(diào)度

魚類棲息地修復(fù)是當(dāng)下河流生態(tài)修復(fù)工作中的重點(diǎn)，世界各地均已開展建設(shè)類型眾多的生態(tài)水利工程，如河床內(nèi)修建人工堰壩（V型、W型）。相關(guān)的水力條件在試驗(yàn)室尺度均已進(jìn)行了研究，但試驗(yàn)室條件受流量條件、底質(zhì)條件、光照條件、魚類活動(dòng)范圍等的限制，難以直接應(yīng)用于實(shí)際的工程建設(shè)中；同時(shí)，現(xiàn)有的大多數(shù)河流生態(tài)修復(fù)效果尚不明確，如何明晰工程修復(fù)效果差異的內(nèi)在機(jī)理，如何改造現(xiàn)有河流結(jié)構(gòu)修復(fù)工程，使其達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)有的吸引魚類棲息的效果，是當(dāng)下河流修復(fù)工作中的重點(diǎn)。本研究選擇近自然河道，量化了中小尺度河流生態(tài)修復(fù)工程的水動(dòng)力需求與魚類棲息偏好程度的關(guān)系，為河流結(jié)構(gòu)修復(fù)工程效果的改善提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。在今后的研究中，可通過(guò)對(duì)河網(wǎng)地區(qū)魚類主要棲息地的水動(dòng)力模擬結(jié)果，依據(jù)不同流量、不同地貌單元的水動(dòng)力特性及魚類不同生命周期的棲息行為選擇機(jī)制，調(diào)整合適的生態(tài)調(diào)度方案。

4? ?結(jié)論

（1）復(fù)雜地形對(duì)中華倒刺鲃的棲息存在吸引作用，深潭淺灘及沙洲河段的進(jìn)出口是中華倒刺鲃的偏好棲息場(chǎng)所。

（2）渦量和流速是影響中華倒刺鲃棲息的主要水動(dòng)力指標(biāo)，流速高于0.545 m/s、低于2.3 m/s，渦量高于0.72/m、低于15.7/m，吸引中華倒刺鲃棲息的概率較大。

（3）流量調(diào)節(jié)可以引發(fā)河道諸多水動(dòng)力指標(biāo)的變化，通過(guò)制定適宜的生態(tài)調(diào)度方案，營(yíng)造魚類在不同地形下的偏好棲息流場(chǎng)環(huán)境，可以改變魚類棲息生境，恢復(fù)魚類群落結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

付翔，付成，付世建，2020. 五種淡水魚類幼魚游泳能力的比較[J]. 生態(tài)學(xué)雜志， 39（5）：1629-1635.

李西雷，蘇時(shí)萍，吳謝強(qiáng)，等，2017. 孵化密度和流速對(duì)中華倒刺鲃胚胎發(fā)育的影響[C]//2017年中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì).

劉一漩，2021. 蜿蜒型河流地貌特征指標(biāo)體系研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué).

齊亮，楊宇，王悅，等，2012. 魚類對(duì)水動(dòng)力環(huán)境變化的行為響應(yīng)特征[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 40（4）：438-445.

王首鵬，2019. 基于深潭淺灘的河流仿自然生境營(yíng)造技術(shù)與應(yīng)用[D]. 沈陽(yáng)：遼寧大學(xué).

徐觀兵，2022. 三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)魚類生境特征及航道整治對(duì)其影響研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué).

于麗娟，李秀明，易建華，等，2014. 不同水流速度對(duì)中華倒刺鲃?dòng)佐~自由基代謝的影響[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)， 21（1）：101-107.

Barbarossa V， Schmitt R J P， Huijbregts M A J， et al， 2020. Impacts of current and future large dams on the geographic range connectivity of freshwater fish worldwide[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 117：3648-3655.

Buffington J M， Montgomery D R， 1999. Effects of hydraulic roughness on surface textures of gravel-bed rivers[J]. Water Resources Research， 35（11）：3507-3521.

Hecht J S， Lacombe G， Arias M E， et al， 2019. Hydropower dams of the Mekong River basin： A review of their hydrological impacts[J]. Journal of Hydrology， 568：285-300.

Li P， Li D， Sun X， et al， 2022. Application of Ecological Restoration Technologies for the Improvement of Biodiversity and Ecosystem in the River[J]. Water， 14（9）：1402.

Maeda S， Koshi Y， Hisao K， 2018. Turbulence and energetics of fish nest and pool structures in agricultural canal[J]. Paddy and Water Environment， 16：493-505.

Shamloo H， Rajaratnam N， Katopodis C， 2001. Hydraulics of simple habitat structures[J]. Journal of Hydraulic Resrarch， 39：351-366.

Silva A T， Santos J M， Ferreira M T， et al， 2011. Effects of water velocity and turbulence on the behaviour of Iberian barbel （Luciobarbus bocagei， Steindachner 1864） in an experimental pool-type fishway[J]. River Research and Applications， 27（3）：360-373.

Wang Y， Wai O W H， Chen Q， 2021. Laboratory study on fish behavioral response to meandering flow and riffle-pool sequence driven by deflectors in straight concrete flood channels[J]. Journal of Hydrology， 598：125736.

Yagci O， 2010. Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure[J]. Ecological Engineering， 36：36-46.

Zha W， Zeng Y， Katul G， et al， 2021. Laboratory study on behavioral responses of hybrid sturgeon， Acipenseridae， to wake flows induced by cylindrical bluff bodies[J]. Science of the Total Environment， 799：149403.

（責(zé)任編輯? ?萬(wàn)月華）

Habitat Preference of Spinibarbus sinensis Under Artificial Habitat Conditions

LIU Han1， LIN Jun‐qiang1， WANG Xian‐zheng2， BAN Xue‐jun1，3， WANG Dong‐sheng4，

ZHANG Di1， PENG Qi‐dong1， JIN Tian‐tian1

（1. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute

of Water Resources and Hydropower Research， Beijing? ?100038， P. R. China;

2. Sichuan Shengda Hydropower Development Co.， Ltd， Leshan? ?614000， P.R. China;

3. College of Agricultural Science and Engineering， Hohai University， Nanjing? ?211100， P. R. China;

4. China Renewable Energy Engineering Institute， Beijing? ?100120， P. R. China）

Abstract：In this study， Spinibarbus sinensis was selected for study， and we explored the habitat preferences of S. sinensis in constructed multiple microtopographic habitats， simulating the hydrologic and hydraulic conditions in natural rivers with large-scale ecological settings. Additionally， the principal hydrodynamic indicators influencing habitat selection and the hydrodynamic selection mechanism of habitat behavior were analyzed based on Random Forest and Classification and Regression Trees （CART） algorithms. The aims of the study were to provide criteria for planning， designing and carrying out habitat restoration， to facilitate the recovery of fish resources in rivers affected by hydropower projects and to create a hydrodynamic environment suitable for S. sinensis. On August 7 and September 15， real-time monitoring of fish habitation behaviour was conducted in the ecological experimental field using a Passive Integrated Transponder （PIT） radio frequency identification system. Four hydrodynamic indicators （flow velocity， vorticity， turbulent kinetic energy， and bed shear stress） were selected to calculate the suitability index for S. sinensis under different microtopographic environments （straight， meandering river sections and sections with a pool， shoal， or bars） and different flow conditions （0.3， 0.6， 1.0， 1.5， 2.0， 3.0 m3/s）. Results show that river sections with pool-shoal and bars were the preferred habitat for S. sinensis. With increasing water flow， preference for river sections with bars increased， especially at the inflow and outflow of bars. Under high water flow conditions （2.0， 3.0 m3/s）， over 60% of the S. sinensis displayed a strong preference for the river section with bars. Flow velocity and vorticity were the primary hydrodynamic parameters affecting the habitat preferences of S. sinensis. Under test conditions， the most suitable? field conditions for S. sinensis habitation is a velocity between 0.545 m/s and 2.3 m/s， and a vorticity between 0.72/m and 15.7/m. This research provides a theoretical foundation and technical support for ecological restoration and management of fish habitat.

Key words：Spinibarbus sinensis; microtopography; hydrodynamics; fish behavior; flow velocity; vorticity

收稿日期：2023-10-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC3200304）；國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U2240214）。

作者簡(jiǎn)介：劉瀚，1995年生，男，博士研究生，研究方向?yàn)樗鷳B(tài)修復(fù)。E-mail：l34175299@163.com

通信作者：林俊強(qiáng)，1984年生，男，正高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)水力學(xué)研究。E-mail：junquang-lin@hotmail.com