摘 要:為掌握黃河調(diào)水調(diào)沙對魚類影響過程,在2023 年黃河調(diào)水調(diào)沙期小浪底壩址至花園口河段開展水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測,初步探討了黃河調(diào)水調(diào)沙對魚類影響的主要途徑、范圍、時(shí)限以及程度,結(jié)果表明:調(diào)水調(diào)沙對魚類的影響局限在排沙期;水體短期內(nèi)含沙量劇增和溶解氧迅速降低,是對魚類及其棲息生境產(chǎn)生不利影響的主要因素;小浪底水庫高含沙水體排泄是引發(fā)壩下“流魚” 的主要原因,“流魚”分為水庫魚類機(jī)械性損傷死亡、壩下魚類窒息死亡以及“浮頭” 等,隨著含沙量沿程迅速降低,“流魚” 現(xiàn)象逐漸減弱,至伊洛河口基本消失;在調(diào)水調(diào)沙結(jié)束兩個月后,魚類總質(zhì)量基本可恢復(fù)至調(diào)水調(diào)沙前水平。
關(guān)鍵詞:調(diào)水調(diào)沙;水生生物;魚類;含沙量;溶解氧;黃河
中圖分類號:TV61;X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.12.017
引用格式:潘軼敏,葛雷,周子?。S河調(diào)水調(diào)沙對下游魚類影響研究[J].人民黃河,2024,46(12):105-109,116.
0 引言
黃河輸沙量和含沙量均屬世界之最,每年汛期大量泥沙隨著洪水傾瀉而下,淤積在下游河道[1] ,形成著名的地上“懸河”。水沙調(diào)控是黃河水沙關(guān)系調(diào)節(jié)的重要手段[2] ,通過水庫群聯(lián)合運(yùn)用,合理配置和優(yōu)化調(diào)度水資源,并利用骨干水庫攔蓄泥沙,協(xié)調(diào)水沙關(guān)系。調(diào)水調(diào)沙充分考慮黃河下游河道輸沙能力和不同量級水流挾沙能力,通過水庫群的聯(lián)合調(diào)度,在小浪底庫區(qū)人工塑造異重流,加大小浪底水庫的排沙量,調(diào)整天然水沙過程,從而達(dá)到輸水沖沙、減輕河道萎縮、恢復(fù)并維持中水河槽的目的[3-4] 。黃河調(diào)水調(diào)沙分為汛前調(diào)水調(diào)沙和汛期調(diào)水調(diào)沙,2000—2022 年汛前調(diào)水調(diào)沙排沙量占排沙總量的18.3%[5] ,是減輕水庫淤積、增加下游平灘流量的重要手段。持續(xù)多年的黃河調(diào)水調(diào)沙,在維持下游中水河槽、減小下游漫灘風(fēng)險(xiǎn)、水庫排沙減淤、河口生態(tài)補(bǔ)水等方面取得了顯著成效[6-8] 。
魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分,與黃河水沙調(diào)控關(guān)系密切。自1999 年小浪底水庫建成運(yùn)用以來,黃河下游魚類資源得到一定程度的恢復(fù),魚類物種多樣性提高[9] 。但調(diào)水調(diào)沙期間泥沙下泄在短時(shí)間內(nèi)對下游水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不利影響,時(shí)有“流魚”現(xiàn)象發(fā)生,引發(fā)社會廣泛關(guān)注?!傲黥~”指當(dāng)河流泥沙含量過高時(shí),河流魚類昏迷漂浮于水面,順流而下的現(xiàn)象。據(jù)記載,黃河干流自寧夏至河南,每年汛期均會出現(xiàn)“流魚”,歷時(shí)長則7~8 d,短則2~3 d,如:1977 年7月7 日陜西延安遭特大暴雨,使黃河干流出現(xiàn)“流魚”12 h[10] ?!傲黥~”本質(zhì)是河流高含沙水流所致,20 世紀(jì)80 年代以來,國內(nèi)外先后開展了高含沙水流對魚類的影響研究,如:高含沙水流會引起魚類避難運(yùn)動量增加,從而增大呼吸頻率和需氧量,同時(shí)容易堵塞魚鰓,影響魚類氧氣攝入[11] ;Garric 等[12] 研究認(rèn)為,溶解氧的虧缺比懸移質(zhì)濃度更容易導(dǎo)致魚類死亡;Giuseppe等[13] 研究表明,當(dāng)水庫排沙過程中最大含沙量為70~80 kg/ m3、平均含沙量為4~5 kg/ m3 時(shí),魚類密度下降了73%、生物量下降了66%,尤其是幼魚的損失較多。上述研究通過試驗(yàn)和實(shí)測給出了水庫排沙時(shí)魚類的受損途徑和機(jī)理,明晰了高含沙量、低溶解氧等是其主要影響因素。國內(nèi)以黃河調(diào)水調(diào)沙為研究對象也開展了針對性研究,明確細(xì)顆粒泥沙堵塞魚鰓或損壞魚鰓結(jié)構(gòu)[14] 、魚類急性缺氧應(yīng)激[15] 是魚類死亡的主要原因,并給出了含沙量閾值。
上述研究極大地提高了高含沙水流對魚類影響的認(rèn)識,促進(jìn)了多泥沙河流水生生物保護(hù)。然而,當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究多集中于高含沙水流下魚類個體生存的閾值研究,調(diào)水調(diào)沙對魚類影響的河長、程度等尚未涉及,并未解答調(diào)水調(diào)沙周期內(nèi)高含沙水流對下游魚類影響的具體變化過程。因此,從黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展需求出發(fā),亟須掌握調(diào)水調(diào)沙對魚類影響的認(rèn)識,針對性提出減緩措施,提升黃河水沙調(diào)控生態(tài)化水平。為系統(tǒng)評價(jià)調(diào)水調(diào)沙對魚類生態(tài)環(huán)境的影響,筆者以2023 年度黃河汛前調(diào)水調(diào)沙為契機(jī),開展調(diào)水調(diào)沙全過程的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與監(jiān)測,探討調(diào)水調(diào)沙對下游魚類影響的機(jī)制及過程,以期為黃河調(diào)水調(diào)沙期魚類保護(hù)提供參考。
1 研究區(qū)概況
小浪底水庫地處黃河最后一個峽谷出口處,控制黃河天然年徑流總量的87%和近100%的泥沙。獨(dú)特的地理位置和水沙控制優(yōu)勢,使小浪底水庫調(diào)度成為黃河調(diào)水調(diào)沙的主要工程手段。小浪底壩址下游16km 處為西霞院水庫,是小浪底水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫。
黃河出西霞院水庫后,至高村長達(dá)299 km 的河段多屬游蕩型河段,河道寬淺,水流散亂,心洲密布,主流擺動頻繁[16] ,是黃河中下游濕地面積較大的河段之一,魚類棲息生境多樣,也是黃河干流魚類最為多樣的河段之一。2018—2020 年連續(xù)調(diào)查結(jié)果顯示,該河段分布有魚類6 目11 科44 種,魚類在目級組成上以鯉形目為主,在科級水平上鯉形目鯉科最多[17] ,以產(chǎn)沉黏性卵為主,主要包括鯉、鯽、鯰、鳊、泥鰍、黃顙魚、赤眼鱒等,主要產(chǎn)卵繁殖期為4—6 月,產(chǎn)卵盛期為4—5月[9] 。黃河鯉是該河段重要經(jīng)濟(jì)魚類,為中國四大淡水名魚之一[18] ,是重要保護(hù)魚類之一。
據(jù)調(diào)查,黃河小浪底壩下至高村河段大部分魚類喜棲息于相對緩流生境,水面寬闊、水流平緩的區(qū)域是黃河魚類的主要產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場。其中,產(chǎn)卵場多分布于河邊淺灘、河流消落區(qū)和河心島等水生生物資源豐富的水域[19] 。經(jīng)調(diào)查,該河段內(nèi)產(chǎn)卵場相對較零散,分布有伊洛河口、花園口等5 處大型集中產(chǎn)卵場。
2 研究方法
2.1 調(diào)查河段與斷面布設(shè)
研究河段以小浪底壩址至花園口為主,兼顧小浪底庫區(qū)。綜合黃河泥沙變化、魚類產(chǎn)卵場分布、支流影響等因素,在洛陽黃河公路橋、鞏義趙溝(西霞院壩址以下約34 km)、伊洛河口、孤柏嘴、沁河口布置5 個含沙量監(jiān)測斷面,在小浪底、花園口布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面,在趙溝、伊洛河口、孤柏嘴、桃花峪、花園口布設(shè)魚類調(diào)查斷面。調(diào)查河段范圍及監(jiān)測斷面布設(shè)見圖1。
2.2 調(diào)查因子和方法
參考近年黃河下游水質(zhì)現(xiàn)狀和魚類養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn),選擇水溫、pH 值、溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷(以P 計(jì))、總氮(以N 計(jì))和鐵、錳、鎘離子作為水環(huán)境監(jiān)測因子,其中水溫和pH值、溶解氧分別用水溫計(jì)和便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀當(dāng)場測定,化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)用滴定法測定,氨氮、總磷和總氮用紫外可見分光光度計(jì)測定,鐵、錳、鎘用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。小浪底斷面和花園口斷面流量、含沙量數(shù)據(jù)由黃河水利委員會水文局提供。
2.3 調(diào)查時(shí)間
2023 年進(jìn)行的第27 次調(diào)水調(diào)沙,自6 月21 日9時(shí)開始,于7 月11 日8 時(shí)結(jié)束,歷時(shí)20 d。采用萬家寨、三門峽和小浪底水庫調(diào)控,支流陸渾、故縣、河口村水庫相機(jī)配合的聯(lián)合調(diào)度模式。6 月21 日至7 月5日為清水下泄期,7 月6 日至10 日為排沙期,7 月11日調(diào)水調(diào)沙結(jié)束,7 月16 日水沙過程基本結(jié)束[20] 。
根據(jù)調(diào)水調(diào)沙實(shí)施情況,于7 月7 日、8 日8:00—18:00 每隔2 h 采集一次水樣進(jìn)行含沙量測量;于6 月16 日、23 日、26 日和7 月10 日、13 日、20 日開展水環(huán)境因子監(jiān)測;同時(shí)在調(diào)水調(diào)沙前(6 月中旬)、調(diào)水調(diào)沙后(7 月下旬)、恢復(fù)期(9 月下旬)開展水生生物調(diào)查。
3 結(jié)果與分析
3.1 調(diào)水調(diào)沙前后下游河段水生生物資源變化情況
2023 年調(diào)水調(diào)沙期間,對黃河干流小浪底至花園口河段水生生物開展了全過程現(xiàn)場調(diào)查。排沙期因流速太快而未能進(jìn)行底棲生物采樣,僅在調(diào)水調(diào)沙前、調(diào)水調(diào)沙后和恢復(fù)期對水生生物資源進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果見表1~表3。
作為魚類的餌料資源,河流中浮游動植物和底棲動物也被稱作餌料生物,是河流中低等生物,對河流水環(huán)境變化極為敏感,常被選作河流水環(huán)境質(zhì)量變化的指示物種。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,調(diào)水調(diào)沙過程中,河段內(nèi)餌料生物資源密度和生物量均呈現(xiàn)先大幅下降后逐漸回升的趨勢,但表現(xiàn)并不相同。浮游植物作為最低等生物,是初級生產(chǎn)力提供者,平均生物量由調(diào)水調(diào)沙前的0.63 mg/ L 迅速下降至排沙期的0.05 mg/ L,受水庫排沙影響較大,但在調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后即快速恢復(fù),兩個月后即可恢復(fù)至1.65 mg/ L,可為喜浮游植物的魚類迅速提供餌料資源。浮游動物也受調(diào)水調(diào)沙影響較大,平均生物量由調(diào)水調(diào)沙前的0.58 mg/ L 迅速下降至排沙期的0.14 mg/ L,且在調(diào)水調(diào)沙后繼續(xù)降低至0.02mg/ L,兩個月后浮游動物生物量僅恢復(fù)至0.07 mg/ L,表明浮游動物受調(diào)水調(diào)沙影響大、持續(xù)時(shí)間長、恢復(fù)速度慢。在調(diào)水調(diào)沙后底棲動物平均密度較調(diào)水調(diào)沙前下降,但其平均生物量顯著高于調(diào)水調(diào)沙前,表明調(diào)水調(diào)沙后其恢復(fù)速度較快。
調(diào)水調(diào)沙結(jié)束時(shí)與調(diào)水調(diào)沙前相比,黃河干流西霞院至花園口河段捕獲魚類種數(shù)從27 種減少至20種,減少約26%;漁獲數(shù)減少約48%,平均體重下降約18%;兩個月后,該河段魚類種數(shù)逐步回升,平均體重比調(diào)水調(diào)沙前增加了148%,總質(zhì)量恢復(fù)至調(diào)水調(diào)沙前水平。
3.2 調(diào)水調(diào)沙排沙期“流魚”現(xiàn)象
為了解“流魚”發(fā)生河段和主要特征,于調(diào)水調(diào)沙期間對小浪底至花園口河段“流魚”現(xiàn)象進(jìn)行了觀察和記錄。調(diào)水調(diào)沙初期為清水下泄,小浪底以下河段未觀測到“流魚”現(xiàn)象,但清水下泄期過高的流速使小浪底壩下河段魚類趨避明顯,部分躲避于心灘、岸邊、丁壩壩垛之間,部分洄游至伊洛河口等支流入黃段,壩下魚類較少。調(diào)水調(diào)沙進(jìn)入排沙期后,首日泥沙含量低,未有“流魚”發(fā)生;隨著含沙量增大,第二日夜間出現(xiàn)“流魚”;第三日出現(xiàn)含沙量峰值后,“流魚”現(xiàn)象最為突出,主要發(fā)生在小浪底壩下至花園口之間,但不同河段表現(xiàn)不同。以小浪底壩下至西霞院庫尾河段(約7 km)和西霞院壩下至洛陽黃河公路橋河段“流魚”現(xiàn)象最為突出,“流魚”種類為鰱、鳙、鳊、似鳊等,表現(xiàn)為魚類死亡、昏迷后隨水流而下;從體型質(zhì)量和死亡方式可以判斷為庫區(qū)魚類經(jīng)由泥沙裹挾通過排沙洞進(jìn)入壩下河段,因沖擊力較大而導(dǎo)致魚類機(jī)械性損傷死亡。洛陽黃河公路橋至趙溝河段主要表現(xiàn)為魚類窒息死亡。趙溝至伊洛河口河段,“流魚”表現(xiàn)為死亡和“浮頭”兩種,死亡魚類有鳊、似鳊、蛇、鯽、、赤眼鱒、翹嘴紅鲌、紅鰭原鲌等,體長以20 cm 以下為主,以5~10cm 之間最為常見,死亡方式以窒息死亡為主,少有機(jī)械性損傷死亡。伊洛河口以下則少有魚類死亡,多以“浮頭”為主,表現(xiàn)為魚類浮于水面快速呼吸吞取空氣,行動遲緩。即小浪底壩址以下各河段“流魚”表現(xiàn)不同,從上至下逐段減緩。
采用Pinkas 相對重要性指數(shù)(IRI)分析調(diào)水調(diào)沙不同時(shí)期漁獲物優(yōu)勢種,見表4。結(jié)果表明蛇、銀等亞科魚類IRI 值急劇降低,表明上述魚類受調(diào)水調(diào)沙影響較大。
3.3 調(diào)水調(diào)沙期生境因子變化情況
水域水體是魚類生存的基礎(chǔ),水體物理要素和化學(xué)要素構(gòu)成魚類的生境要素。調(diào)水調(diào)沙通過短時(shí)間內(nèi)集中泄放水量和沙量,顯著改變了下游流量、流速和含沙量等物理指標(biāo),也對下游河段水環(huán)境造成了一定影響。流量是影響河流魚類分布的主要因素之一,流量增大對增加水面面積、擴(kuò)大水體和岸灘植被交換界面具有積極意義,但過高的流量會導(dǎo)致流速顯著增大,不利于魚類覓食、棲息,以及仔魚的生長。調(diào)水調(diào)沙期小浪底斷面流量、含沙量和流速變化見圖2、圖3。
清水下泄期小浪底斷面日均流量峰值為4 440m3 / s,排沙期日均流量峰值為3 490 m3 / s;與平水期相比,調(diào)水調(diào)沙期小浪底斷面平均流速由1.04 m3 / s 增大到2.36 m3 / s,最大流速由2.94 m3 / s 增大到4.92m3 / s;花園口斷面平均流速由0.96 m3 / s 增大到1.97m3 / s,最大流速由2.17 m3 / s 增大到3.78 m3 / s。調(diào)水調(diào)沙期小浪底至花園口斷面流速顯著增大,且小浪底斷面最大流速顯著高于花園口斷面。魚類最適宜流速一般為0.1~0.5 m/ s,鯉、鲇等僅能適應(yīng)最大約2 m/ s的流速[21] 。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示,調(diào)水調(diào)沙期過高的流速對小浪底壩下河段魚類驅(qū)趕效應(yīng)明顯,干流主河槽內(nèi)魚類分布顯著減少。
含沙量是影響魚類生境質(zhì)量的重要因素之一。小浪底水庫自7 月5 日開始排沙,7 月6 日18 時(shí)含沙量達(dá)206 kg/ m3,至7 月11 日結(jié)束,歷時(shí)6 d。其中排沙峰值出現(xiàn)在7 月7 日,最高含沙量達(dá)432 kg/ m3;經(jīng)過西霞院水庫后排沙峰值略有衰減,降低至398 kg/ m3;隨后沿程快速衰減,在西霞院以下約8 km 的洛陽黃河公路橋,含沙量峰值降至最高187 kg/ m3,在鞏義趙溝降至72.8 kg/ m3;隨后含沙量沿程衰減速率降低,在伊洛河口受伊洛河頂托影響,最大含沙量略增大至76.9kg/ m3,至桃花峪最大含沙量為60.3 kg/ m3。從時(shí)間上,“流魚”發(fā)生時(shí)段主要為7 月6 日18 時(shí)至7 月8 日凌晨,對應(yīng)小浪底水庫排沙量在80 kg/ m3 以上;從空間上看,“流魚”主要發(fā)生在小浪底壩下至伊洛河口以上河段,對應(yīng)含沙量峰值在76 kg/ m3以上。根據(jù)相關(guān)研究成果,當(dāng)含沙量在80 kg/ m3 以上時(shí),魚類在短時(shí)間內(nèi)因缺氧而死亡。上述結(jié)論與現(xiàn)場觀測到的情況基本一致,除壩下河段魚類以機(jī)械性損傷死亡為主外,在鞏義趙溝斷面以上主要為魚類窒息死亡。不同河段“流魚”現(xiàn)象與含沙量之間的同步變化表明,含沙量過高是引發(fā)“流魚”的主要原因之一。
對調(diào)水調(diào)沙期間小浪底至花園口河段水溫、pH值、含沙量、溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、鐵、錳、鎘等水環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測,并對壩下過飽和氣體進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示,除溶解氧外,其他各環(huán)境因子在調(diào)水調(diào)沙后未發(fā)生較大變化,均在地表水Ⅱ~Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間,總?cè)芙鈿怏w飽和度未超過110%(美國國家環(huán)保局1986 年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)[22] )。本次研究對小浪底至花園口河段溶解氧含量進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測,排沙期伊洛河口溶解氧變化見圖4。
監(jiān)測結(jié)果顯示,當(dāng)水體含沙量大于80 kg/ m3 時(shí),溶解氧含量低于2 mg/ L。調(diào)水調(diào)沙前和清水下泄期,黃河小浪底至高村水體溶解氧含量均大于5 mg/ L;集中排沙期伊洛河入黃口監(jiān)測斷面溶解氧含量為0.07~1.54 mg/ L,平均值僅為0.53 mg/ L,同期伊洛河支流入黃口監(jiān)測斷面溶解氧含量為6 mg/ L 左右;7 月8 日以后,河段溶解氧含量回升,至7 月10 日,花園口斷面溶解氧含量恢復(fù)至2.16 mg/ L。
黃河小浪底至花園口河段魚類以鯉、鯽、鲇、鳊、黃顙魚等常見種為主,屬江河平原區(qū)系和第三紀(jì)復(fù)合體區(qū)系溫水性魚類。部分河段常見魚類正常生長溶解氧需求、臨界溶解氧含量(水體溶解氧含量低于此含量時(shí),魚類出現(xiàn)“浮頭”)和窒息點(diǎn)(導(dǎo)致魚類窒息死亡的溶解氧含量)見表5[23] 。
對比含沙量變化和常見魚類溶解氧需求,在排沙期黃河干流趙溝以下河段含沙量已低于80 kg/ m3,水體溶解氧含量降至2 mg/ L 以下,造成魚類呼吸困難,出現(xiàn)“浮頭”現(xiàn)象;但有8 h 的時(shí)間溶解氧含量持續(xù)低于0.2 mg/ L,低于多數(shù)魚類的窒息點(diǎn),造成該河段出現(xiàn)魚類死亡。
4 結(jié)論
通過開展2023 年黃河汛前調(diào)水調(diào)沙期水文泥沙、水環(huán)境和魚類調(diào)查和監(jiān)測,基本明晰了調(diào)水調(diào)沙對魚類影響的主要途徑、因素、范圍、程度,為今后開展魚類針對性保護(hù)措施提供了一定技術(shù)支撐。
1)黃河調(diào)水調(diào)沙出現(xiàn)“流魚”現(xiàn)象主要發(fā)生在排沙期,此時(shí)小浪底水庫泄水含沙量高于80 kg/ m3,主要發(fā)生河段為小浪底壩下至伊洛河口河段,其中小浪底壩下和西霞院壩下河段“流魚”主要表現(xiàn)為魚類機(jī)械性損傷死亡,洛陽黃河公路橋至趙溝河段主要表現(xiàn)為魚類窒息死亡,趙溝至伊洛河口河段以魚類窒息死亡和“浮頭”為主,伊洛河口以下主要為“浮頭”?!傲黥~”對小浪底至花園口河段魚類資源的影響在調(diào)水調(diào)沙結(jié)束2 個月后可得到一定程度的恢復(fù),總質(zhì)量恢復(fù)至調(diào)水調(diào)沙前水平。
2)黃河調(diào)水調(diào)沙排沙期高流速和高含沙量降低了河段內(nèi)餌料含量,隨著含沙量沿程迅速衰減,在伊洛河口處即可回落至76 kg/ m3,其主要影響范圍為小浪底至伊洛河口河段。
3)黃河調(diào)水調(diào)沙期,水體中溶解氧含量隨著泥沙含量增大而迅速降低至魚類臨界需氧量以下,部分時(shí)段低于魚類窒息點(diǎn),是造成魚類窒息死亡的主要因素之一,調(diào)水調(diào)沙后溶解氧含量迅速恢復(fù)。
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【責(zé)任編輯 呂艷梅】
基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2023YFC3206202-01);河南省重大科技專項(xiàng)(201300311400);黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(KYY-KYZX-2022-02)