黃月群,蔡德所,楊培思,陳俊華

1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,南寧530004

2.桂林理工大學(xué),廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,桂林541004

1 前言

河流生物棲息地評估是評價(jià)水資源是否科學(xué)合理分配以及評價(jià)河流生態(tài)修復(fù)效果的一種有效方法,對河流水資源的分配及管理、河流生態(tài)修復(fù)及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到了重要的指導(dǎo)作用。棲息地模擬法是河流生物棲息地評估的一種常見方法,其采用河道內(nèi)流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology,簡稱IFIM)將水力學(xué)模型和生物信息模型結(jié)合起來,建立魚類適宜棲息地與流量之間的定量關(guān)系來評價(jià)流量變化對魚類棲息地的影響,為確定最理想的河流生態(tài)流量和解決水資源分配問題提供參考依據(jù)。

目前采用二維模型來模擬河流生物棲息地的研究也逐漸增多,如River 2D模型采用水力模型模擬出河流局部流速、流向及水深,采用精確的生境適宜性指數(shù)模擬出魚類適宜棲息地面積。譚燕平等人利用River 2D軟件模擬雅礱江錦屏大河灣特征河段目標(biāo)物種適宜棲息地面積的變化情況,定性描述魚類適宜棲息地分布隨流量變化的關(guān)系[1];孫嘉寧等人采用River 2D對白鶴灘水庫回水支流黑水河進(jìn)行水動力模擬和魚類棲息地模擬,根據(jù)加權(quán)可利用面積分析蓄水前后魚類適宜物理?xiàng)⒌氐臄?shù)量和質(zhì)量變化[2]。孫瑩等人利用二維軟件模擬了河流生態(tài)修復(fù)前后魚類棲息地面積的變化特征[3]。李向陽等人提出河道整治中要考慮魚類棲息地的影響[4]。李平等人利用River 2D軟件模擬洪泛區(qū)林地開發(fā)對魚類棲息地面積的影響,評價(jià)了河漫灘糙率的改變對河流魚類棲息地造成的影響[5]。鑒于上述研究成果,本文以漓江桂林市區(qū)河段為研究對象,采用河流二維模型對漓江枯水期成年鯉棲息地隨流量變化進(jìn)行模擬研究。

2 研究區(qū)枯水期概況

本文研究河段為漓江桂林市區(qū)段,由桂林水文站至南洲大橋,長為12.86 km(見圖1),兩岸地面標(biāo)高在132—154 m之間,河槽寬在125—585 m之間,河岸高3—5 m,研究段河床平均比降為0.44‰。河床由砂、卵石組成,并常年長有水草,枯水期河灘水深小于1 m。歷史上漓江市區(qū)河段多年平均最枯流量為10.8 m3·s-1,最低水位為140.18 m(1989年),歷史實(shí)測最枯流量僅為3.8 m3·s-1(1951年2月),基本處于斷流狀態(tài)[6]?？菟跒槊磕甑?2月至次年2月,長期嚴(yán)重缺水導(dǎo)致河道水量幾乎枯竭。在枯水期間,漓江河道干涸、生物棲息地嚴(yán)重萎縮,生物多樣性顯著下降,特別是一些珍稀魚類由于無法適應(yīng)現(xiàn)今的生態(tài)環(huán)境而出現(xiàn)滅絕,嚴(yán)重影響漓江的生物結(jié)構(gòu)群落。

圖1 研究河段Fig.1 The study river section

2006年10月廣西桂林氣象和水文部門聯(lián)手首次制定了主要江河枯水位指標(biāo)及相應(yīng)流量,確定漓江桂林水文站枯水位標(biāo)準(zhǔn)為141.00m,流量為45m3·s-1,此指標(biāo)的制定在全國尚屬首例。如果漓江水位低于這一指標(biāo)則為枯水期,表明會對生態(tài)環(huán)境、水質(zhì)、漓江景觀等產(chǎn)生重要影響[7]。此外,從漓江流域生態(tài)環(huán)境、旅游通航、城市建設(shè)及水資源配置方案等多方面綜合分析,根據(jù)一、二、三期補(bǔ)水工程聯(lián)合向漓江補(bǔ)水后,桂林水文站斷面的最小生態(tài)需水量為60 m3·s-1,可使漓江全線生態(tài)環(huán)境狀態(tài)達(dá)到好至很好狀態(tài),基本解決漓江枯水期的斷航問題。

因此,本文通過采用河道內(nèi)流量增加法,建立漓江桂林市區(qū)河段在枯水期歷史實(shí)測最枯流量3.8m3·s-1、枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1和生態(tài)補(bǔ)水量60 m3·s-1三種不同流量情況下成年鯉的棲息地模型,分析漓江枯水期成年鯉有效棲息地面積與流量之間的定量關(guān)系,評價(jià)流量變化對成年鯉棲息地的影響。

3 研究河段棲息地模擬分析

3.1 河流二維模型簡介

河流二維模型是基于二維水力模擬與計(jì)算單元為三角形來計(jì)算加權(quán)可利用面積(Weighted Usable Area,簡稱WUA,也稱有效棲息地面積)的一種模型,其與傳統(tǒng)一維棲息地模型的基本原理是一致的,但是河流二維模型的水力模擬對局部流態(tài)的模擬更為準(zhǔn)確,更優(yōu)于傳統(tǒng)一維棲息地模型。河流二維模型通過模擬研究河段不同流量下水深和流速的分布情況,演算目標(biāo)生物的棲息地?cái)?shù)量即有效棲息地面積WUA,確定其適宜生存的可利用面積和流量之間的定量關(guān)系,可提供更準(zhǔn)確的棲息地適宜性及有效面積模擬效果。其主要有以下四個步驟:編輯研究河段的河床地形文件;對編輯好的河床地形文件進(jìn)行有限單元網(wǎng)格化;運(yùn)行并模擬不同流量下水深和流速的分布情況;根據(jù)魚類適宜性曲線、河道基質(zhì)及覆蓋物生態(tài)適宜性曲線演算出研究河段的有效棲息地面積 WUA[8–9]。

3.2 河道適宜性指數(shù)的確定

根據(jù)《廣西淡水魚類志(第二版)》漓江魚類以鯉科為最多[10]。因此,本文選取成年鯉作為指示物種。通過在河流二維模型中導(dǎo)入河床文件,進(jìn)行河流流場計(jì)算,在Channel Index命令下導(dǎo)入三個影響因子(水深、流速和河道指標(biāo))的適宜性曲線與河流流場計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行河流棲息地模擬。

適宜性曲線考慮研究河段的天然水力學(xué)條件并結(jié)合前人有關(guān)魚類適宜性曲線的研究成果來確定[11–13]。其水深和流速適宜性曲線最佳水深范圍為1.0 m—1.5 m,最佳流速范圍為0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,河道基質(zhì)及覆蓋物生態(tài)適宜性值都取為1,忽略其對魚類棲息地的影響[14–16]。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖2 三種不同流量研究段面的水深曲線圖Fig.2 Depth curves of three different flows

通過河流二維模擬漓江流域桂林市區(qū)河段成年鯉在歷史實(shí)測最枯流量3.8 m3·s-1、枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1和生態(tài)補(bǔ)水量 60 m3·s-1三種不同流量情況下成年鯉的有效棲息地面積。

(1)研究河段水深分布情況

研究河段三種不同流量下的水深分布如圖2所示。模擬結(jié)果表明歷史實(shí)測最枯流量3.8 m3·s-1時(shí)水面寬度為85 m,水深為0 m—1.0 m,低于鯉棲息地最佳水深范圍1.0 m—1.5 m,此時(shí)河床嚴(yán)重裸露,成年鯉幾乎無棲息地可棲息;枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1時(shí)水面寬度為125 m,水深為0 m—2.2 m,生態(tài)補(bǔ)水流量60 m3·s-1時(shí)水面寬度為135 m,水深為0 m—2.4 m,此時(shí)這兩種流量下的水深均大于鯉科棲息地最佳水深范圍1.0 m—1.5 m,對成年鯉棲息地影響不大。

模擬結(jié)果表明生態(tài)補(bǔ)水流量60 m3·s-1時(shí)的水深與枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1時(shí)的水深相差不大,說明枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1可基本滿足漓江順流單向通航要求和生態(tài)用水需求,低于此流量標(biāo)準(zhǔn)則會對成年鯉棲息地造成影響。如果枯水期出現(xiàn)流量低于枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1如歷史實(shí)測最枯流量3.8 m3·s-1時(shí),在只考慮魚類棲息地安全情況下只需從上游青獅潭水庫增加補(bǔ)水量41.2 m3·s-1即可滿足漓江魚類對棲息地的要求。

(2)研究河段流速分布情況

研究河斷在三種不同流量情況下的流速分布情況如圖3所示。模擬結(jié)果表明歷史最枯流量3.8 m3·s-1時(shí)平均流速只有0.06 m·s-1,枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1和生態(tài)補(bǔ)水量60 m3·s-1時(shí)平均流速為0.23 m·s-1和0.26 m·s-1,兩者相差不大。根據(jù)適宜性曲線鯉魚棲息地最佳流速范圍0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1和生態(tài)補(bǔ)水量60 m3·s-1時(shí)均介于適宜性曲線最佳流速范圍,說明漓江流量大于枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1時(shí),漓江水流流速適合鯉魚對棲息地的要求,而歷史最枯流量3.8 m3·s-1時(shí)平均流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該范圍,此時(shí)河流流速過低,不適合成年鯉棲息。

圖3 三種不同流量研究段面的流速曲線圖Fig.3 Velocity curves of three different flows

(3)研究河段補(bǔ)水前后有效棲息地面積模擬結(jié)果及變化分析

根據(jù)研究河段棲息地的流速、水深、基質(zhì)及覆蓋物等得到模擬河段適宜性指數(shù)(combined suitability index,簡稱CSI),其綜合函數(shù)為f(Vi,Di,Ci)與每個網(wǎng)格單元的面積A即得到模擬河段的WUA值,其公式為:

其中Vi為流速指標(biāo);Di為水深指標(biāo);Ci為河道指數(shù)。本文忽略其對魚類棲息地的影響,即河道基質(zhì)及覆蓋物生態(tài)適宜性取值為1。值得注意的是由于WUA忽略了河道底質(zhì)、水草覆蓋物等非水力因素的影響,因此它不是魚類實(shí)際棲息地使用的真實(shí)反映,不能用來衡量總棲息地面積的尺度,適用于河流管理中潛在可用棲息地面積指標(biāo)的確定[17]。

因此,本文將WUA轉(zhuǎn)換成百分比可用面積(percentages usable area,簡稱PUA)[18],轉(zhuǎn)換公式如下:

式中,PUA為魚類有效棲息地面積占研究河段總面積的比值;At為研究河段總面積。

圖4 三種不同流量研究河段的有效棲息地WAU值Fig.4 WAU of three different flows

根據(jù)模擬及演算結(jié)果(見圖4),研究河段河道總面積At為 3103895m2, 三種不同流量 3.8 m3·s-1、45 m3·s-1和60 m3·s-1下成年鯉的有效棲息地面積WUA分別為5622 m2、34737 m2和34949 m2。在歷史最枯流量3.8 m3·s-1情況下鯉魚的可用棲息地面積百分比僅占0.18%,幾乎沒有棲息地可供成年鯉使用?？菟跇?biāo)準(zhǔn)流量 45 m3·s-1和生態(tài)補(bǔ)水量 60 m3·s-1分別為1.12%和1.13%,兩者相差不大,比歷史最枯流量3.8 m3·s-1成年鯉的可用棲息地面積百分比PUA均增加了5倍多,說明漓江成年鯉適宜棲息地隨流量增大而增大并由河道中間逐漸向河兩邊移動。由歷史最枯流量3.8 m3·s-1至枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1變化時(shí)成年鯉適宜棲息地面積迅速增大,而由枯水期標(biāo)準(zhǔn)流量45 m3·s-1至生態(tài)補(bǔ)水量60 m3·s-1變化時(shí)成年鯉適宜棲息地面積變化不大,說明成年鯉的棲息地面積隨著流量增加而增大,但增加到了一定的流量,適宜棲息地面積的增長速度明顯降低甚至基本保持不變。

在枯水期間,如上游補(bǔ)水工程水資源緊張且只考慮漓江魚類生態(tài)環(huán)境及其棲息地情況下,補(bǔ)水后只要漓江過流量不低于45 m3·s-1即可滿足成年鯉對棲息地的要求,這與相關(guān)部門制定的枯水期水位和流量劃分標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

4 漓江枯水期魚類棲息地變化原因分析

對于漓江流域來說,影響枯水期流量大小的因素是錯綜復(fù)雜的,因此枯水期成年鯉棲息地面積變化原因也是多方面的,主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

(1)流域地勢變化大,河床坡度較陡,枯水期水位變化大

漓江流域地形北高南低,起伏較大,流域河床坡降較大,特別是從大溶江到桂林市區(qū)一帶河床平均坡降將近1‰。流域內(nèi)洪水匯流時(shí)間短,暴漲暴落,最大實(shí)測漲幅約為2.16 m·h-1時(shí),有時(shí)一次漲幅甚至可達(dá)到5 m之多,特別是在枯水期河槽水位降落大,嚴(yán)重影響了魚類的棲息地面積。

(2)流域面積較小,相應(yīng)的河流基流量也小,直接影響到魚類的棲息地面積

河流的徑流量與流域的面積呈指數(shù)關(guān)系,流域的面積越大,河流的基流也就越大,反之也就亦小。以桂林水文站為控制斷面的流域面積約為2762 km2,河流基流量小,從而影響到了流域魚類的棲息地面積。

(3)降雨量年內(nèi)分配不均,枯水期較長,河床裸露嚴(yán)重,棲息地嚴(yán)重萎縮

漓江屬于山區(qū)雨源性的河流,降水量在年內(nèi)分配不均,枯水期從9月至次年2月,枯水期時(shí)間較長,降水量少,部分河床河灘嚴(yán)重裸露,河流生物棲息地面積嚴(yán)重縮小。

(4)枯水期地表水向地下水排泄、補(bǔ)給比較強(qiáng)烈

漓江沿岸均為典型的南方喀斯特地貌,呈地上與地下含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在枯水期,由于地下水位低于河流水位而導(dǎo)致流域側(cè)向補(bǔ)給地下水,而流域的地下水運(yùn)動速度過快導(dǎo)致流域徑流在時(shí)間上也更為集中,使流域水資源缺乏有意義的天然性季節(jié)調(diào)節(jié),導(dǎo)致枯水期河流基流量減少,流域棲息地也隨之變小。

(5)城市化的快速發(fā)展,沿江用水量增長過快,導(dǎo)致河道過水量降低

隨著桂林市城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,沿江兩岸用水量也大幅度增長。目前桂林市區(qū)飲用水的主要來源是以漓江為取水水源的東鎮(zhèn)路水廠、東江水廠和瓦窯水廠三個水廠共4個取水點(diǎn),總供水能力為35.5×104m3·d-1時(shí), 相當(dāng)于 4.1 m3·s-1, 超過了漓江流域枯水期的歷史最枯流量3.8 m3·s-1,河道過水量降低,影響了魚類的棲息地面積。

(6)沿江兩岸排污口較多,影響了漓江水體質(zhì)量

沿江兩岸特別是在桂林市區(qū)河段隨處可見入江排污口,污染物來源主要為工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污染物以及未經(jīng)處理的生活污水。漓江自進(jìn)入市區(qū)后,水質(zhì)污染愈為嚴(yán)重,主要污染物為石油類、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、糞大腸菌群。特別是在枯水期,來水量少,河道自凈能力降低且取水量又逐年增加,極易造成漓江水體的污染,嚴(yán)重影響了河道的生態(tài)環(huán)境以及魚類的棲息地。

5 總結(jié)

本文選取漓江桂林市區(qū)河段為研究范圍,采用河流二維模型對枯水期三種流量情況下成年鯉的有效棲息地面積進(jìn)行了模擬及演算。本文僅從水文生態(tài)學(xué)的角度對成年鯉的有效棲息地面積進(jìn)行模擬,沒有考慮其本身對河流環(huán)境的主動性及棲息地的選擇。此外,本文只考慮鯉魚成魚階段棲息地的水深和流速兩個因素而忽略了河道指標(biāo)的影響,因此演算結(jié)果不能真正反映鯉魚的實(shí)際棲息地面積,但對于在同一條件下評價(jià)漓江流域枯水期及補(bǔ)水前后棲息地面積的變化具有一定的指導(dǎo)及應(yīng)用意義。在后期的研究工作中,可將上述兩種情況加以研究,為漓江魚類棲息地面積的評估與保護(hù)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]譚燕平,王玉蓉,李嘉,等.雅礱江錦屏大河灣減水河段中魚類棲息地模擬研究[J].水電能源科學(xué),2011,29(3):40–43.

[2]孫嘉寧,張土喬,ZHU D Z,等.白鶴灘水庫回水支流的魚類棲息地模擬評估[J].水利水電技術(shù),2013,44(10):17–22.

[3]孫 瑩,牛天祥,王玉蓉,等.基于地形重塑的魚類棲息地模擬修復(fù)設(shè)計(jì)[J].環(huán)境影響評價(jià),2015,37(3):29–32.

[4]李向陽,郭勝娟.內(nèi)河航道整治工程魚類棲息地保護(hù)探析[J].環(huán)境影響評價(jià),2015,37(3):26–28,56.

[5]李平,梁川.洪泛區(qū)林地的開發(fā)對魚類棲息地面積的影響模擬[J].長江流域資源與環(huán)境,2016,25(8):1286–1291.

[6]蔣亞萍.漓江枯水、功能性斷流與水利工程的關(guān)系[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,25(4):426–431.

[7]曾濤,易秀弟.桂林啟動漓江枯水期補(bǔ)水方案[N].中國氣象報(bào),2007–01–14(3).

[8]鄭丙輝,張遠(yuǎn),李英博.遼河流域河流棲息地評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(6):928–936.

[9]英曉明,崔樹彬,劉俊勇,等.水生生物棲息地適宜性指標(biāo)的模糊綜合評判[J].東北水利水電,2007,25(276):60–72.

[10]周解,張春光.廣西淡水魚類志(第2版)[M].南寧:廣西人民出版社,2005.

[11]ELIZABETH A E.Habitat suitability index models:Common Carp［R］.Washington D C:US Fish and Wildlife Service,1982.

[12]李建,夏自強(qiáng),戴會超,等.三峽初期蓄水對典型魚類棲息地適宜性的影響[J].水利學(xué)報(bào),2013,44(8):892–900.

[13]諸葛亦斯,劉德富,譚紅武.魚類棲息地流速適宜性曲線實(shí)驗(yàn)方法[J].水利學(xué)報(bào),2013,44:1–7.

[14]郝增超,尚松浩.基于棲息地模擬的河道生態(tài)需水量多目標(biāo)評價(jià)方法及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(5):557–561.

[15]楊志峰,于世偉,陳賀,等.基于棲息地突變分析的春汛期生態(tài)需水閾值模型[J].水科學(xué)進(jìn)展,2010,21(4):567–574.

[16]馬巍,彭靜,彭文啟,等.河流棲息地適合度曲線與分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2016,14(1):23–28.

[17]Lacey R,Millar R.Reach scale hydraulic assessment of instream salmonid habitat restoration[J].Journal of the American Water Resources Association,2004,40(6):1631–1644.

[18]王曉剛,嚴(yán)忠民.河道匯流口水力特性對魚類棲息地的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008,41(2):204–208.