楊云平 王建軍 劉萬利 朱玉德 方娟娟

摘 要：長江中下游是“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚、鳙魚）的主要產(chǎn)卵場和育幼場。近年來實(shí)施了大量的航道工程，雖產(chǎn)生了較好的生態(tài)效果，但仍不清楚航道工程與四大家魚生境水力學(xué)指標(biāo)的互饋關(guān)系。以長江中游戴家洲河段為對象，建立了“四大家魚”產(chǎn)卵適宜性數(shù)學(xué)模型，模擬研究航道工程實(shí)施前后“四大家魚”產(chǎn)卵生境水力學(xué)指標(biāo)的變化。結(jié)果表明：戴家洲河段“四大家魚”產(chǎn)卵的最佳流量區(qū)間為17 500～22 000m3/s;戴家洲河段航道工程的實(shí)施，為“四大家魚”棲息創(chuàng)造了更多的生境空間;枯水期出露的心灘（池湖港心灘），在枯水流量下HSI和WUA均減小，中枯水及以上流量HSI和WUA均增大;枯水期未出露的低灘（戴家洲洲頭低灘），工程實(shí)施后HSI和WUA均增大，為“四大家魚”產(chǎn)卵及棲息提供了更多的生境空間;低矮且存在竄溝的邊灘（樂家灣邊灘），護(hù)灘工程的實(shí)施限制了竄溝發(fā)育，工程實(shí)施后“四大家魚”HSI、WUA均減小。

關(guān)鍵詞：生態(tài)水力學(xué);適宜度模型;“四大家魚”;航道整治工程;戴家洲河段;長江中游

中圖法分類號(hào)：S956.3 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0412

“四大家魚”是中國主要的淡水養(yǎng)殖和捕撈對象，長江是“四大家魚”主要天然原產(chǎn)地，是寶貴的天然物種種質(zhì)資源庫。由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的江湖阻隔[1]、流量過程[2]、春夏季水溫滯冷效應(yīng)[3]及過度捕撈[1，4]等因素，破壞了“四大家魚”棲息地及產(chǎn)卵環(huán)境，使得“四大家魚”資源量衰退[5，6]。從已有研究文獻(xiàn)上看，研究重點(diǎn)關(guān)注了“四大家魚”資源量[7]、生境水力學(xué)指標(biāo)適宜曲線[8-13]、產(chǎn)卵場分布及變遷[14]、產(chǎn)卵時(shí)間[2，15-20]等方面。三峽工程運(yùn)行以來，長江中下游河道發(fā)生了長距離累積性沖刷，給航道水深提升帶來有利條件[21-23]。為改善長江干線河道的航道條件，2003年以來實(shí)施了大量航道工程，包括壩體、護(hù)灘帶、護(hù)底帶及護(hù)岸等。隨著流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高，航道工程中采用了透水型結(jié)構(gòu)，以期改善航道工程對生態(tài)環(huán)境的影響。巨石（Boulder）、丁壩（Spurdike）和淺灘（Riffle）存在時(shí)的棲息地面積與沒有時(shí)相比分別提高2%、7%和131%[24]。修建丁壩對棲息地加權(quán)可用面積提高程度為 23.9%～31.9%[25]，提高了壩體間水域的棲息地適宜度，建議丁壩間距為壩體長度的2.5倍及以上[26]，且雙丁壩較單丁壩有較優(yōu)的WUA[27]。概化水槽試驗(yàn)表明，透空型人工魚礁周圍水流流速可維持在0.84～1.00m/s，處于“四大家魚”產(chǎn)卵繁殖最適宜的流速范圍內(nèi)[28]。一般而言，航道工程施工期間，對浮游動(dòng)植物、底棲生物生物量、“四大家魚”魚卵苗數(shù)量等存在一定影響[29-31]，工程完工后影響逐漸消除[30，32，33]。荊江河段航道一期工程生態(tài)監(jiān)測表明，四面六邊透水框架群區(qū)生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜并提高了底棲動(dòng)物多樣性[34，35]，也具有誘魚與集魚作用[36，37]。此外，周天河段透水潛丁壩工程起到了人工魚礁的作用，為魚類提供了良好的庇護(hù)、棲息及覓食等環(huán)境，有利于魚卵的受精和正常孵化[38]。戴家洲河段二期工程實(shí)施后基本未改變“四大家魚”適宜產(chǎn)卵流速，基本不影響“四大家魚”現(xiàn)有產(chǎn)卵場所需的產(chǎn)卵水文條件[39]。東流水道二期工程也能增加“四大家魚”產(chǎn)卵期理想的適宜區(qū)域，有助于“四大家魚”產(chǎn)卵繁殖[40]。利用2011—2016年生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，荊江河段航道工程實(shí)施后航道健康狀態(tài)有所改善[41，42]。綜上，長江中下游河段已實(shí)施的航道工程已產(chǎn)生了較好的生態(tài)效應(yīng)。

本研究選取長江中游正在實(shí)施戴家洲河段6.0m水深航道工程為對象，以“四大家魚”產(chǎn)卵生境水力學(xué)指標(biāo)為參照，利用平面二維數(shù)學(xué)模型手段，模擬計(jì)算代表流量級(jí)條件下，“四大家魚”產(chǎn)卵適宜水深、適宜流速、棲息地適宜性面積及微生境面積等變化，探討分析航道工程生態(tài)水力學(xué)效果。

但對于航道工程設(shè)計(jì)，尚未系統(tǒng)開展航道工程方案與“四大家魚”生境水力學(xué)指標(biāo)的影響關(guān)系研究。

1 ?研究河段概況

1.1 ?戴家洲河段

該河段位于長江中游，航道里程為915～945km，全長約30km，下游為長江黃石段“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚、鳙魚）種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。河段內(nèi)分布有池湖港心灘、巴河邊灘（2011年基本沖失），戴家洲心灘（包含低灘）和樂家灣邊灘。2018年以前，戴家洲河段已實(shí)施了三期的航道工程，2009～2010年實(shí)施了一期工程，實(shí)施了1條縱壩，3條潛丁壩及3條護(hù)灘帶，以及戴家洲洲頭護(hù)岸，守護(hù)了戴家洲洲頭低灘及岸線邊界;2010—2013年期間實(shí)施了二期工程，守護(hù)了戴家洲右緣的下段洲灘邊界;2012—2014年期間實(shí)施了三期工程，在寡婦磯區(qū)域?qū)嵤?條護(hù)灘帶，戴家洲右緣中上段守護(hù)洲灘邊界。三個(gè)階段航道工程實(shí)施后，配合維護(hù)疏浚措施，航道尺度實(shí)現(xiàn)4.5m×200m×1 050m（水深×航寬×彎曲半徑）的目標(biāo)。

2018年以來，為實(shí)現(xiàn)武漢至安慶段6.0m×110m（200m）×1 050m航道尺度暢通目標(biāo)，擬定了戴家洲河段的工程方案：戴家洲洲頭低灘、池湖港心灘、樂家灣邊灘區(qū)域?qū)嵤┳o(hù)灘帶工程，戴家洲右汊進(jìn)口及出口實(shí)施疏浚工程（疏浚底高程為設(shè)計(jì)最低通航水位下6.5m）。

1.2 ?戴家洲河段已建航道工程生態(tài)效果

2018年3月20—27日，對戴家洲河段一期、二期和三期工程區(qū)域的生態(tài)效果作了現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)果表明：戴家洲河段二期工程、三期工程中的護(hù)岸工程采用了鋼絲石籠結(jié)構(gòu)，在工程實(shí)施一年后，護(hù)岸工程枯水平臺(tái)以上植被茂盛，產(chǎn)生了較好的陸域生態(tài)效果?！八拇蠹音~”的覓食餌料之一為底棲生物中的淡水貽貝，調(diào)查表明：戴家洲河段二期工程、三期工程水下散拋石上已附著大量淡水貽貝，在枯水期因水位低散拋石出露，在中洪水期淹沒時(shí)“四大家魚”在此區(qū)域覓食，為其提供了更多的覓食場所。

2 ?建模及計(jì)算條件

2.1 ?建模

本研究模擬計(jì)算采用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算現(xiàn)狀條件（2018年3月地形）與工程實(shí)施條件下戴家洲河段水深、流速及“四大家魚”生境水力學(xué)適宜度指標(biāo)等變化。

2.1.1 ?水流運(yùn)動(dòng)基本方程

水流連續(xù)性方程：

水流動(dòng)量方程：

式中u，v為水深平均流速在x，y方向分量，u1，u2為三維空間水平面上x，y方向流速分量;H為水深，H=h+ζ;f為科氏力系數(shù)f=2ωsinφ，ω為地球地轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度;ve為有效粘性系數(shù)：ve= vt+v，vt為紊動(dòng)粘性系數(shù);，分別為底部切應(yīng)力在x，y方向分量：

cf為底部摩擦系數(shù)：cf=n2g/H1/3，n為河底糙率系數(shù)。τsx，τsy分別為表面風(fēng)應(yīng)力在x，y方向分量：

其中ks為系數(shù)，計(jì)算中暫不考慮風(fēng)應(yīng)力影響，令，為零。

2.1.2 ?懸沙不平衡輸運(yùn)方程

懸沙不平衡輸運(yùn)方程表達(dá)式：

式中：s為單位水體垂線平均含沙量，s為單位水體含沙量，s=ρScS，c為單位水體體積濃度;vt=vmt;σS=σc為Schmidt數(shù);ωS為泥沙沉速，下標(biāo)i表示非均勻泥沙分組情況。

依據(jù)推移質(zhì)不平衡非均勻輸沙原理，通過推移質(zhì)水深推導(dǎo)得到底沙不平衡輸沙的方程：

式中：N、N*分別為推移質(zhì)輸沙量和推移質(zhì)輸沙能力折算成相應(yīng)水深的泥沙濃度，β為推移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)，恢復(fù)飽和系數(shù)β和無因次量，H/d50、U/ωS、D*、T等因數(shù)有關(guān)，可寫成：

對于非均勻沙，推移質(zhì)不平衡輸移方程如下：

式中下標(biāo)i表示第i組粒徑泥沙對應(yīng)的變量。

2.1.3 ?河床變形方程

懸移質(zhì)沖淤引起的河床變形方程為：

式中：ηsi為第i組粒徑懸移質(zhì)泥沙引起的沖淤厚度。γ0為床面泥沙干容重。

推移質(zhì)沖淤引起的河床變形方程為：

式中：ηbi為第i組粒徑推移質(zhì)泥沙引起的沖淤厚度。

河床沖淤厚度為：

2.1.4 ?模型驗(yàn)證

模型計(jì)算范圍上起航道里程945km，下止航道里程為915km，模型計(jì)算采用正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為109 021個(gè)（121×901）。河床的糙率系數(shù)，河槽一般為0.015～0.025，灘地一般為0.025～0.035。以2018年3月水文測驗(yàn)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，模型進(jìn)口給定漢口站逐日流量，出口給定黃石水位站逐日水位，模擬計(jì)算結(jié)果表明：模型計(jì)算的主流分布與實(shí)際情況基本一致，模擬計(jì)算流速與實(shí)測流速數(shù)值吻合較好（圖2），模擬計(jì)算精度符合《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)范》。

2.2 ?“四大家魚”生境水力學(xué)指標(biāo)及參數(shù)

棲息地適宜度指數(shù)（Habitat Suitability index，HIS）是對研究物種有重要影響的生態(tài)因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以一個(gè)或多個(gè)環(huán)境變量的方程反映環(huán)境質(zhì)量，以此定量地反映物種對棲息地的偏好[43，44]。

魚類產(chǎn)卵棲息地適宜指數(shù)（HSI）公式如下：

利用HSI指數(shù)加權(quán)計(jì)算，得到微生境適宜性面積WUA（Weighted Usable Area，WUA），公式如下：

式中HIS（Vi×Hi）為每個(gè)單元影響因子的適宜度值;Vi、Hi表示第i單元的流速、水深適宜度值;Ai表示第i單元的水體表面面積。

國內(nèi)學(xué)者對長江中下游河道“四大家魚”產(chǎn)卵的水深、流速等適宜度曲線進(jìn)行了相關(guān)研究[7-9，45，46]，綜合比較選定“四大家魚”產(chǎn)卵水深、流速適宜度曲線見圖3。

2.3 ?模擬水文泥沙條件及驗(yàn)證

2016年為長江中游典型的大水年（見圖4），選取2016年作為代表水文年可檢驗(yàn)航道工程的預(yù)期效果。戴家洲河段航道工程的枯水流量為11 900m3/s，中枯水流量為15 764 m3/s，年平均流量為23 300m3/s，洪水流量為50 000m3/s。

3 ?整治工程作用下“四大家魚”生境水力學(xué)指標(biāo)變化模擬

3.1 ?“四大家魚”產(chǎn)卵水深適宜性指標(biāo)變化

戴家洲河段航道工程實(shí)施前后“四大家魚”產(chǎn)卵水深適宜性及面積見圖5和圖6，分析表明：各級(jí)流量條件下，戴家洲河段進(jìn)口深槽區(qū)域水深適宜性面積增大;中枯水流量、洪水流量條件下池湖港心灘工程區(qū)域水深適宜性面積減小，說明工程促淤效果明顯，年平均流量下適宜性面積增大;枯水流量、中枯水流量下戴家洲頭部工程區(qū)域水深適宜性面積減小，說明工程促淤作用明顯，平均流量與洪水流量下水深適宜性面積增加;樂家灣工程區(qū)域各級(jí)流量下水深適宜性面積均減小。

3.2 ?“四大家魚”流速適宜性指標(biāo)變化

戴家洲河段航道工程實(shí)施前后“四大家魚”產(chǎn)卵流速適宜性及面積見圖7和圖8，分析表明：各級(jí)流量條件下，戴家洲河段進(jìn)口深槽區(qū)域流速適宜性面積增大;各代表流量級(jí)下池湖港心灘工程區(qū)域流速適宜性面積均增加;枯水流量、中枯水流量及多年平均流量下戴家洲頭部工程區(qū)域流速適宜性面積均增大，而洪水流量下略有減小;樂家灣工程區(qū)域各級(jí)流量下流速適宜性面積均減小，隨著流量增加面積減幅減小。

4 ?航道工程作用下“四大家魚”生境水力學(xué)指標(biāo)的變化

4.1 ?“四大家魚”棲息地適宜度分布變化

戴家洲河段航道工程實(shí)施前后“四大家魚”棲息地適宜度及面積見圖9和圖10，分析表明：各級(jí)流量條件下戴家洲河段進(jìn)口深槽區(qū)域流速適宜性面積增大;各代表流量級(jí)下池湖港心灘工程區(qū)域、戴家洲頭部工程區(qū)域棲息地適宜性面積均增加;樂家灣工程區(qū)域各級(jí)流量下棲息地適宜性面積均減小，隨著流量增加面積減幅減小。

4.2 ?戴家洲河段“四大家魚”適宜性面積的變化

戴家洲河段6.0m水深航道工程實(shí)施后，統(tǒng)計(jì)各代表流量級(jí)條件下“四大家魚”棲息地適宜指數(shù)（HIS）的面積（圖11），主要變化特點(diǎn)如下。

戴家洲河段：各級(jí)流量下戴家洲河段的HSI面積均增大，表明工程的實(shí)施塑造了更多適宜“四大家魚”產(chǎn)卵的生境空間。

池湖港心灘：HIS<0.40時(shí)池湖港邊灘枯水流量下的HSI面積增大，HIS≥0.40時(shí)則為減小;中枯水流量、多年平均流量及洪水流量時(shí)HSI面積均增大，隨著流量的增大，HSI面積增加值減小。

戴家洲低灘：HSI<0.70時(shí)，枯水流量、中枯水流量條件下戴家洲洲頭低灘區(qū)域HSI面積變化不大，而HSI≥0.70時(shí)面積增大;多年平均流量、洪水流量條件下，HSI面積增大。

樂家灣邊灘：枯水流量及中枯水流量條件下，樂家灣邊灘區(qū)域HSI面積減少，多年平均流量條件下HSI面積變化不大;洪水流量條件下，HSI<0.40時(shí)變化不大，0.50≤HSI≤0.70 時(shí)面積減小，HSI≥0.80時(shí)面積增大。

4.3戴家洲河段微生境適宜面積（WUA）的變化

戴家洲河段6.0m水深航道工程實(shí)施后，統(tǒng)計(jì)各代表流量級(jí)條件下HSI≥0.80、HSI≥0.90的面積變化（圖12），變化特征如下。

戴家洲河段：HSI≥0.80、HSI≥0.90時(shí)，隨著流量增加WUA均為先增大后減小，工程后WUA大。

池湖港邊灘：枯水流量時(shí)，HSI≥0.80、HSI≥0.90時(shí)WUA減小;中枯水流量、多年平均流量及洪水流量時(shí)，WUA均增大。

戴家洲洲頭低灘：HSI≥0.80、HSI≥0.90時(shí)，隨著流量增加WUA均為先增大后減小;工程實(shí)施后，各級(jí)流量下戴家洲洲頭低灘區(qū)域WUA均增大，其中枯水流量時(shí)增幅最大。

樂家灣邊灘：HSI≥0.80、HSI≥0.90時(shí)，隨著流量增加WUA均為先增大后減小;工程實(shí)施后，各級(jí)流量下樂家灣區(qū)域WUA均減小，中枯水流量時(shí)減幅最大。

美國魚類及野生動(dòng)植物管理局（United States Fish and Wildlife Service，USFWS）提出了河道內(nèi)流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology，IFIM），該方法通過結(jié)合物種的適宜棲息地條件如流量、水深、河流底質(zhì)等建立水力學(xué)模型，并通過模擬計(jì)算出魚類生存的加權(quán)可利用面積，并通過建立魚類的生存環(huán)境的流量與加權(quán)可利用面積之間的定量曲線關(guān)系來評(píng)價(jià)魚類生境的適宜性。利用長江中游戴家洲河段“四大家魚”微生境面積與流量關(guān)系，戴家洲河段“四大家魚”產(chǎn)卵適宜的最佳流量區(qū)間為17 500m3/s～22 000m3/s。

5 ?結(jié)論

本文建立了“四大家魚”產(chǎn)卵適宜性數(shù)學(xué)模型，模擬長江中游戴家洲河段6.0m水深航道工程實(shí)施前后“四大家魚”產(chǎn)卵生境水力學(xué)指標(biāo)的變化，主要結(jié)論如下。

戴家洲河段已實(shí)施了多期航道工程，基本實(shí)現(xiàn)了4.5m×200m×1050m航道尺度貫通;航道工程實(shí)施后，護(hù)岸工程枯水平臺(tái)以上植被生長較好，水下部分拋石上貝類等底棲豐富，工程的生態(tài)效果較好。

戴家洲河段正在實(shí)施以6.0m水深為目標(biāo)的航道工程，工程實(shí)施后該河段“四大家魚”產(chǎn)卵棲息地適宜指數(shù)（HIS）、微生境適宜性面積（WUA）均增大，說明工程實(shí)施為“四大家魚”產(chǎn)卵創(chuàng)造了更多的生境空間。

池湖港心灘高程較大，枯水期出露江面，在枯水流量下HSI、WUA均減小，中枯水及以上流量“四大家魚”HSI、WUA均增大;戴家洲洲頭低灘高程較低，枯水期未出露，在工程實(shí)施后各級(jí)流量下“四大家魚”HSI、WUA均增大，為“四大家魚”棲息提供了更多生境空間;樂家灣邊灘存在近岸竄溝，護(hù)灘帶工程限制了竄溝發(fā)展，工程后“四大家魚”HSI、WUA均減小。

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Simulation Study on the Ecological Effects of Daijiazhou Reach Channel Engineering Based on the Habitat Hydraulic Indexes of "Four Home Fishes"

Yang Yunping1，2 ? Wang Jianjun1 ? Liu Wanli1 ? Zhu Yude1 ?Fang Juanjuan2

（1. Key Laboratory of Engineering Sediment Transportation Industry，Tianjin Institute of Water Transport Engineering Science，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China;2. Yangtze Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：The middle and lower reaches of the Yangtze River are the main spawning grounds and nursery grounds of the "four major home fish" （herring，grass carp，silver carp，and bighead carp）. In recent years，a large number of waterway projects have been implemented，and although they have produced good ecological effects，the mutual feedback relationship between the waterway projects and the four major fish habitat hydraulic indicators is still unclear. Taking the Daijiazhou section of the middle reaches of the Yangtze River as the object，a mathematical model of the spawning suitability of the "four major home fishes" was established to simulate and study the changes in the hydrodynamic indicators of the spawning habitat of the "four major home fishes" before and after the implementation of the waterway project. The results show that the optimal flow rate for spawning of the "four major home fishes" in the Daijiazhou section is 17 500-22 000 m3/s;the implementation of the Daijiazhou section channel project has created more habitat space for the "four major home fishes" to inhabit;For the central beach exposed in the dry season （Chihugang central beach），both HSI and WUA decrease under low water flow，and both HSI and WUA increase at medium low water and above;Low beach），both HSI and WUA have increased after the implementation of the project，providing more habitat space for spawning and habitation of the “four major home fishes”;The implementation of the beach project restricted the development of channeling channels. After the implementation of the project，the HSI and WUA of the "four major home fish" were reduced.

Keywords：ecological hydraulics;fitness model;"four major home fishes";channel regulation project;Daijiazhou reach;middle reaches of the Yangtze River

收稿日期：2020-11-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51809131）;長江航道局重點(diǎn)工程科研專項(xiàng)（編號(hào)：2017491211）;

中央級(jí)科研院所科研創(chuàng)新基金（編號(hào)：TKS20200404）

作者簡介：楊云平，男，主要從事航道工程治理技術(shù)研究。Email：yangsan520_521@163.com