孫志毅

(大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116001)

水生物種棲息地的面積及質(zhì)量是河流生態(tài)健康重要的評(píng)估指標(biāo)，也是河流水生態(tài)功能發(fā)揮程度的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[1- 2]。河流生態(tài)水力學(xué)通過(guò)建立不同物種各生命階段的生態(tài)環(huán)境與河流水利條件之間的聯(lián)系，對(duì)不同河道流量條件下的魚(yú)類生物棲息地面積和分布進(jìn)行模擬，是分析不同條件下河流生物棲息環(huán)境的重要方式和方法[3- 4]。當(dāng)前，采用物理模擬河流生物棲息地的技術(shù)是河流生態(tài)環(huán)境分析的關(guān)鍵和技術(shù)支撐，國(guó)內(nèi)外也展開(kāi)相關(guān)河流生物棲息地的模擬模型，如CASIMIR模型[5]、PHABSIM模型[6]、River2D模型等[7- 12]。但是通過(guò)實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)這些模型大都沒(méi)有對(duì)河流區(qū)間來(lái)水進(jìn)行有效考量，且只能對(duì)中等尺度河流生物棲息地進(jìn)行模擬，一般適用于河流斷面或局部河段下的生物棲息地模擬分析，因此對(duì)尺度較大的河流生物棲息地模擬存在局限性[13- 15]。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)耦合MIKE11模型及PHABSIM模型建立河流生態(tài)水力學(xué)模型，構(gòu)建能綜合考慮河流區(qū)間來(lái)水影響，且適用于范圍較大河流的棲息地適宜度指數(shù)模型，從而為河流生態(tài)需水的準(zhǔn)確評(píng)估和水庫(kù)群生態(tài)聯(lián)合調(diào)度提出有效的分析方法。

1 模型及其構(gòu)建思路

模型首先按照河流特點(diǎn)進(jìn)行不同河段劃分，綜合考慮不同河段之間的匯水影響，結(jié)合基于物理機(jī)制的棲息地模擬模型(PHABSIM)對(duì)不同河段的生物在不同流量條件下的棲息地面積進(jìn)行模擬分析，其中模型所需要的不同河段的水位-流量邊界條件采用MIKE11模型進(jìn)行整個(gè)河段的全過(guò)程模擬。河流生物棲息地模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PHABSIM模型采用IFG4方法對(duì)河道內(nèi)的流速和水深之間的指數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)對(duì)指數(shù)方程進(jìn)行回歸分析，參數(shù)回歸估計(jì)方程為：

H=αQβ

(1)

式中,H—計(jì)算水位,m；Q—斷面流量,m3/s；α、β—回歸方程的參數(shù)。

模型結(jié)合河流橫斷面粗糙率和恒定流方程對(duì)河流的水位進(jìn)行推求，方程為：

(2)

式中，n—橫斷面粗糙率；A—橫斷面面積；f—水位流量關(guān)系函數(shù)。

在水位推求基礎(chǔ)上，模型結(jié)合緩變流計(jì)算方程對(duì)不同斷面水位進(jìn)行演算，該方法可主要用于水利工程回水區(qū)的水面線推求。

在河道水力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)河流生物棲息地適宜度曲線，對(duì)不同河段生物棲息地適宜度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合各河段面積，采用加權(quán)平均方法計(jì)算均值，方程為：

(3)

式中，Ai—不同河段的分區(qū)面積，km2；f(Vi)—不同河段分區(qū)的適宜流速指數(shù)；f(Di)—不同河段的適宜水深指數(shù)；f(Ci)—不同河段的適宜底質(zhì)指數(shù)；F[]—適宜度組合指數(shù)，該指數(shù)可以采用四種方法進(jìn)行確定。

乘積法：CSF=f(Vi)·f(Di)·f(Ci)

(4)

幾何平均法：

CSF=[f(Vi)·f(Di)·f(Ci)]1/3

(5)

最小值法：

CSF=min[f(Vi)·f(Di)·f(Ci)]

(6)

加權(quán)平均法：

CSF=kvf(Vi)+kdf(Di)+kcf(Ci)

(7)

式中，kv—適宜流速指數(shù)的權(quán)重；kd—適宜水深指數(shù)的權(quán)重；kf—適宜底質(zhì)指數(shù)的權(quán)重。

2 實(shí)例概況

2.1 目標(biāo)物種選擇

河流整個(gè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)主要由非生物環(huán)境(水量、水質(zhì)、泥沙及河床的組成)、生物(魚(yú)類、浮游生物、底棲生物、魚(yú)類)以及鳥(niǎo)類等其他棲息生物共同形成的。河流生物多樣性以及豐富程度是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。在河流各生物系統(tǒng)中，魚(yú)類通常被認(rèn)定為河流生態(tài)健康和需水量評(píng)估等研究的重要分析生物。這主要是因?yàn)轸~(yú)類位于水生生物食物鏈的最頂端，對(duì)其他河流生物多樣性具有重要的意義。通常情況下，河流的生態(tài)環(huán)境條件若不能夠滿足生態(tài)環(huán)境的正常需求，則其他生物物種的生態(tài)環(huán)境也不能得到有效滿足。為此本文主要以河流魚(yú)類作為主要的保護(hù)物種目標(biāo)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)大量的魚(yú)類數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析，大連地區(qū)主要淡水魚(yú)類優(yōu)勢(shì)物種為鰱魚(yú)，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定鰱魚(yú)為主要目標(biāo)物種進(jìn)行分析。

2.2 目標(biāo)魚(yú)類的生態(tài)環(huán)境調(diào)查

據(jù)《遼寧省動(dòng)物志魚(yú)類》記載，大連地區(qū)鰱魚(yú)一般在4—6月為主要繁殖產(chǎn)卵期，對(duì)于水溫的要求一般在18℃以上。在25℃水體中受精卵經(jīng)過(guò)3～4d可以繁殖出小魚(yú)苗。調(diào)查分析表明，鰱魚(yú)對(duì)水深的需求一般大于1m，水體流速要小于0.3m/s的靜水或者緩慢流淌的水中，且以泥或砂作為河流底質(zhì)條件。

2.3 棲息地適宜度指數(shù)模型構(gòu)建

在對(duì)目標(biāo)物種棲息地模擬基礎(chǔ)上，對(duì)選定的魚(yú)類目標(biāo)物種進(jìn)行棲息地適宜度(HSI)模型的構(gòu)建。目標(biāo)魚(yú)類物種處于生命特定階段時(shí)對(duì)水深、底質(zhì)、水溫以及流速等生態(tài)水力因子的適宜度需要通過(guò)野外調(diào)查試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析才能獲取。本文主要對(duì)目標(biāo)物種的水深以及流速因素進(jìn)行分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 棲息地模擬結(jié)果分析

以大連地區(qū)碧流河水庫(kù)以下河流作為研究河段，河段內(nèi)主要魚(yú)類優(yōu)勢(shì)物種為鰱魚(yú)，結(jié)合河段特性將河流劃分成10段，采用構(gòu)建的棲息地模擬模型對(duì)各河段不同流量條件下鰱魚(yú)棲息地面積進(jìn)行加權(quán)平均模擬分析，結(jié)果如圖2所示，并對(duì)其關(guān)鍵河段的斷面水深以及流速分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

從10個(gè)河段鰱魚(yú)流量與棲息地加權(quán)面積分析結(jié)果可看出，隨著流量增加，面積加權(quán)值逐步遞增，并在流量為70～150m3/s的鰱魚(yú)棲息地加權(quán)面積達(dá)到最大值，隨后隨著流量增加加權(quán)面積值逐步遞減，并在一定范圍內(nèi)小幅變動(dòng)。但對(duì)于部分河段而言，在流量較大的條件下，加權(quán)面積會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，如1#河段當(dāng)流量達(dá)到600m3/s時(shí)，加權(quán)面積出現(xiàn)高值，而2#河段當(dāng)流量達(dá)到500m3/s時(shí)，面積加權(quán)值逐步提高到流量達(dá)到一定閾值條件下，水位經(jīng)過(guò)主槽后逐步增加，而在河道灘地區(qū)域可以產(chǎn)生較為適宜的水動(dòng)力條件。從圖3第一個(gè)關(guān)鍵河段的分析結(jié)果可看出，使得加權(quán)面積出現(xiàn)最大值，是在于該河段距離左岸200m區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)鰱魚(yú)大面積的棲息地。結(jié)合調(diào)查的鰱魚(yú)適宜水深和流速的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)流量達(dá)到300m3/s時(shí)，水位將超過(guò)河道主槽高程，鰱魚(yú)可進(jìn)行棲息的面積逐漸減少。圖3第二個(gè)關(guān)鍵河段為水深和流速的分布，從圖中看出，在不同流量條件下鰱魚(yú)的可棲息地的面積逐步加大?？傮w而言，受到不同河段斷面以及坡度的綜合影響，各河段內(nèi)的鰱魚(yú)棲息地的最大面積從上游到下游逐步遞增，高流量條件下對(duì)應(yīng)的棲息地面積波動(dòng)程度較高，且與棲息面積最大值相比遞減的速率較大，而下游河段由于流量對(duì)應(yīng)下的棲息地面積變化較為平穩(wěn)，因此各河段棲息地面積最大值差異性較小。

圖2 不同河段鰱魚(yú)流量-棲息地加權(quán)可利用面積關(guān)系模擬結(jié)果

圖3 兩個(gè)關(guān)鍵河段的水深及流速分布分析結(jié)果

3.2 產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地模擬結(jié)果分析

為對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康保護(hù)，除需要滿足鰱魚(yú)棲息的要求外，還需要使鰱魚(yú)在產(chǎn)卵期(4—6月)到達(dá)棲息地的要求。結(jié)合構(gòu)建模型對(duì)鰱魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合鰱魚(yú)產(chǎn)卵對(duì)適宜水深和流速分布的研究可知，鰱魚(yú)產(chǎn)卵棲息地主要分布在河段的下游，在河道正常不出現(xiàn)斷流的情況下，較小的流量即可滿足鰱魚(yú)的產(chǎn)卵適宜面積的需求。產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地面積將隨著流量的遞增而增加，當(dāng)流量達(dá)到60～80m3/s的最大值后，隨著流量遞增，產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地面積將逐步遞減。由于流速條件的影響，當(dāng)流量達(dá)到200m3/s以上后，鰱魚(yú)的適宜產(chǎn)卵面積的差異度將逐步減小。

3.3 棲息地適宜度指數(shù)分析

在各河段棲息地模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)選定的魚(yú)類目標(biāo)物種進(jìn)行棲息地適宜度(HSI)的分析，鰱魚(yú)水深及流速與棲息地適宜度指數(shù)的變化曲線結(jié)果如圖5所示。

從水深的分析結(jié)果可看出，當(dāng)水深從0.6m逐步增加到1.0m后，鰱魚(yú)的HSI指數(shù)逐步增加；當(dāng)水深為1.0m后，HSI指數(shù)逐步穩(wěn)定；當(dāng)水深達(dá)到1.9m后，HSI指數(shù)逐步遞減；當(dāng)水深達(dá)到2.3m后，HSI指數(shù)為0。從流速的分布結(jié)果可看出，當(dāng)流速達(dá)到0.1m/s時(shí)，鰱魚(yú)的HSI指數(shù)逐步增加；當(dāng)流速達(dá)到0.3m/s時(shí)，HSI指數(shù)趨于平穩(wěn)變化，但流速達(dá)到0.7m/s時(shí)，逐步遞減，且呈現(xiàn)直線下降趨勢(shì)。

圖4 產(chǎn)卵河段鰱魚(yú)棲息地模擬結(jié)果

3.4 模擬驗(yàn)證

以研究區(qū)域下游10#河段為驗(yàn)證河段，主要因?yàn)樵摵佣卧O(shè)置有水文站，具有實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)。通過(guò)該站點(diǎn)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)和模型棲息地模擬析，20世紀(jì)70年代該河段年平均流量為150m3/s，河流魚(yú)類的生態(tài)環(huán)境保護(hù)較為理想，而進(jìn)入2000年以后，從2000—2010年該河段平均流量只有15.6m3/s，鰱魚(yú)的棲息地環(huán)境逐步減少；而從2010年以后，由于加大了河道內(nèi)的生態(tài)用水和生態(tài)治理，河段的平均流量增加到64.5m3/s，鰱魚(yú)的棲息地面積有較為明顯的改善。

通過(guò)對(duì)河段實(shí)地調(diào)研和史料文獻(xiàn)記載可分析，區(qū)域河段在70年代屬于河流生態(tài)系統(tǒng)良好狀態(tài)，區(qū)域鰱魚(yú)資源十分充裕，后期受到人類活動(dòng)影響，河道生態(tài)環(huán)境用水被過(guò)渡擠占，鰱魚(yú)的棲息地受到不同程度的破壞和影響，面積銳減。近些年來(lái)，隨著河道內(nèi)生態(tài)用水和生態(tài)治理保護(hù)力度加大，河段內(nèi)的鰱魚(yú)數(shù)目逐年增加，調(diào)查結(jié)果和模型模擬結(jié)果高度吻合，計(jì)算結(jié)果合理、可靠度高。

4 主要結(jié)論

(1)不同河段棲息地面積-流量變化具有整體規(guī)律性，鰱魚(yú)從上游到下游最大棲息地面積對(duì)應(yīng)流量逐步遞增，從上游到下游高流量下棲息地面積變化趨勢(shì)逐步趨于穩(wěn)定。

(2)研究河段鰱魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)主要集中于下游河段，產(chǎn)卵適宜面積隨著流量的增加而逐步遞增，最大值對(duì)應(yīng)的流量為60～80m3/s，可作為碧流河水庫(kù)下泄最小生態(tài)流量。

(3)本文從水深和流速方面對(duì)魚(yú)類棲息地生境影響進(jìn)行分析，而對(duì)于其他影響因子如泥沙、水溫、底質(zhì)以及水環(huán)境因子的研究還未開(kāi)展，在以后的研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些因子的影響。