白鳳朋 任玉峰 梅杰 梁志明 馬一鳴 楊中華

摘要：為量化生態(tài)調(diào)度對(duì)四大家魚生境面積的影響，2023年在三峽水庫(kù)開展了針對(duì)葛洲壩下游四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，以葛洲壩至枝江江段為研究區(qū)域，選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個(gè)主要生境因子，建立了耦合平面二維水動(dòng)力學(xué)模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時(shí)空分布的精細(xì)化模擬。結(jié)果顯示，2023年三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期間，約60%研究區(qū)域四大家魚產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積占研究區(qū)域總面積比例由30.45%增加至約55%；適宜四大家魚產(chǎn)卵區(qū)域（綜合適宜度指數(shù)0.6～1.0）明顯增加，占研究區(qū)域總面積比例由4.67%增加至約60%。研究表明，三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵的生境質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生態(tài)調(diào)度；四大家魚；適宜度指數(shù)；生境面積；三峽水庫(kù)

中圖分類號(hào)：X171.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-3075（2024）01-0112-08

水利工程的建成在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的同時(shí)，也不可避免地對(duì)河流生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響。水庫(kù)運(yùn)行后，大壩下游河道的徑流過(guò)程發(fā)生了較大變化，特別是水庫(kù)蓄水后下游水文指標(biāo)相較于蓄水前發(fā)生了改變，從不同的時(shí)空尺度上對(duì)下游魚類的群落結(jié)構(gòu)和自然繁殖造成了一定的影響（徐薇等，2019；屈霄等，2020）。生態(tài)調(diào)度通過(guò)改變大壩下泄流量，形成有利于魚類產(chǎn)卵的人造洪峰，從而促進(jìn)魚類繁殖，被認(rèn)為是減緩大壩運(yùn)行對(duì)魚類繁殖不利影響的有效途徑（趙越等，2012；徐薇等，2014）。目前，國(guó)內(nèi)尤其是在長(zhǎng)江流域通過(guò)水庫(kù)調(diào)度促進(jìn)重要魚類自然繁殖已成為生態(tài)調(diào)度的主要目標(biāo)，對(duì)于保護(hù)水生生物資源具有十分重要的意義（徐薇等，2020；戴凌全等，2022）。2011年以來(lái)，三峽水庫(kù)在保證防洪、發(fā)電和航運(yùn)調(diào)度的基礎(chǔ)上，針對(duì)四大家魚繁殖的生物學(xué)特性制定并開展了合理的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。截至2023年，三峽水庫(kù)已連續(xù)13年開展了20次水文過(guò)程生態(tài)調(diào)度，一定程度上減緩了大壩運(yùn)行對(duì)魚類自然繁殖的不利影響（李博等，2021；徐薇等，2023）。

生境面積是反映魚類生存空間的直接指標(biāo)，水庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)行導(dǎo)致魚類生境面積縮小、破碎化程度增加、連續(xù)性及完整性下降（周湖海等，2019；Li et al，2016）。相關(guān)研究表明，生境面積的大小變化與魚類產(chǎn)卵數(shù)量的變化趨勢(shì)較為一致（Zhang et al，2018；Baumgartner et al，2020），說(shuō)明生境面積在很大程度上影響了魚類產(chǎn)卵分布和數(shù)量。因此，通過(guò)生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)改善魚類適宜的產(chǎn)卵生境面積是保證魚類產(chǎn)卵數(shù)量的前提條件，而生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)的效果也可以根據(jù)產(chǎn)卵生境面積的大小進(jìn)行合理評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)外在這一研究領(lǐng)域已經(jīng)做了大量工作，并取得了一些進(jìn)展，其中通過(guò)建立物理生境模擬模型來(lái)分析流量變化與生境面積的關(guān)系是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。物理生境模擬模型耦合了水動(dòng)力模型和物種適宜生境偏好模型，基于物種對(duì)不同因子的適宜性曲線計(jì)算生境適宜性指數(shù)，進(jìn)而模擬不同流量下物種對(duì)生境的適宜程度及適宜生境面積大??；該模型在長(zhǎng)江流域及黃河流域的魚類生境模擬中得到了廣泛運(yùn)用（郭文獻(xiàn)等，2011；孫嘉寧等，2013；王煜等，2016；王瑞玲等，2020；戴凌全等，2021）。

本文以葛洲壩至枝江江段為研究區(qū)域，建立了耦合平面二維水動(dòng)力學(xué)模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評(píng)估模型，模擬三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期間研究區(qū)域內(nèi)四大家魚產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)的時(shí)空分布及適宜產(chǎn)卵生境面積變化情況，以期為三峽水庫(kù)下游四大家魚產(chǎn)卵繁殖生態(tài)調(diào)度提供理論參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域

葛洲壩壩址至枝江江段長(zhǎng)約90 km，區(qū)域內(nèi)分布有胭脂壩、虎牙灘、宜都、枝城等四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)（圖1）。其中，宜昌?宜都產(chǎn)卵場(chǎng)（胭脂壩、虎牙灘、宜都）是長(zhǎng)江中游典型的四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)，同時(shí)也是距離三峽?葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)最近的四大家魚產(chǎn)卵場(chǎng)。

1.2? ?研究方法

基于有限體積Godunov格式建立研究范圍內(nèi)的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型，選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個(gè)主要生境因子，確定四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線。耦合平面二維水動(dòng)力學(xué)模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線，構(gòu)建面向四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評(píng)估模型，運(yùn)用編寫的Fortran程序計(jì)算評(píng)估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)（HSI）的時(shí)空分布及適宜生境面積情況。

1.2.1? ?平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型? ?（1）模型控制方程。由于本研究江段水平方向尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直方向，所以適宜采用深度平均的平面二維淺水方程來(lái)描述區(qū)間水流特性：

[?U?t+?F?x+?G?y=S]

S = Sb [+] Sf [+] St? ①

Sb = [0gηSb，xgηSb，y] ， Sf = [0-gηSf，x-gηSf，y] ，

St = [0?（hTx，x）/?x+?（hTx，y）/?y?（hTy，x）/?x+?（hTy，y）/?y]? ②

式中：x、y分別表示二維笛卡爾坐標(biāo)系的水平軸和垂直軸，U表示守恒向量，F(xiàn)、G分別表示x、y方向的對(duì)流通量向量，g為地球重力加速度，h為水深，zb為河床地形高程，η=h+zb表示水位，u、v分別為x、y方向上的流速分量，qx=hu表示x方向上的單寬流量，qy=hv表示y方向上的單寬流量；Sb表示地形源項(xiàng)向量，Sf表示摩阻源項(xiàng)向量，St表示紊流渦粘項(xiàng)向量。

水溫模型控制方程：

[?hT?t+?（huT）?x+?（hvT）?y=??xDx?（hT）?x+??yDy?（hT）?y-KshT] ③

式中：T為水溫，Dx和Dy為擴(kuò)散系數(shù)，Ks散熱系數(shù)。

（2）數(shù)值算法。數(shù)值模型采用作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“基于Godunov型有限體積方法的平面二維水動(dòng)力水溫?cái)?shù)學(xué)模型”，模型詳細(xì)數(shù)值求解過(guò)程參考Zhu等（2018）。模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，共剖分10 230個(gè)三角形單元；采用宜昌水文站水位對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證，最大絕對(duì)誤差為0.20 m（表1）。

1.2.2? ?四大家魚棲息地適宜度曲線? ?四大家魚繁殖期產(chǎn)卵場(chǎng)的生境質(zhì)量將直接影響魚類資源，適宜性曲線的建立以棲息地適宜度指數(shù)為基礎(chǔ)，將四大家魚對(duì)棲息地的偏好性和生境因子之間的關(guān)系進(jìn)行量化，用數(shù)值0～1定義四大家魚對(duì)生境因子的偏好，0表示完全不適宜，1表示完全適宜；取值越趨近于1，則表示四大家魚對(duì)此生境因子的偏好性越大。

一般情況下，影響四大家魚產(chǎn)卵繁殖的主要水文條件為水位漲落和水溫，河流水動(dòng)力條件主要表現(xiàn)在流速、流態(tài)和水深方面，而回水、渦流等流態(tài)又與流速有關(guān)（柏海霞等，2014；林俊強(qiáng)等，2015）。本文主要研究水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案下水文水動(dòng)力條件對(duì)于四大家魚產(chǎn)卵生境面積的影響，因此主要從水位變幅、水深、流速和水溫4個(gè)生境因子構(gòu)建四大家魚產(chǎn)卵繁殖的適宜度曲線。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江中游河段四大家魚產(chǎn)卵的水位變幅、水深、流速和水溫等適宜度曲線已進(jìn)行了相關(guān)研究（李建和夏自強(qiáng)，2011；易雨君和樂(lè)世華，2011；李建等，2013），綜合比較選定的各適宜度曲線如圖2所示。四大家魚產(chǎn)卵的最適水位日漲幅≥0.25 m，最適水深為3～12 m，最適流速為0.6～1.3 m/s，產(chǎn)卵盛期水溫為21～24℃。

1.2.3? ?評(píng)估指標(biāo)? ?（1）產(chǎn)卵綜合適宜度。根據(jù)所建立的產(chǎn)卵適宜度曲線，采用幾何平均方法計(jì)算四大家魚的產(chǎn)卵綜合適宜度（Habitat Suitability Index， HSI），具體表達(dá)式如下：

HSI = （SIs × SId × SIv × SIt ）1/4? ④

式中：SIs為四大家魚產(chǎn)卵的水位變幅適宜度指數(shù)， SId為四大家魚產(chǎn)卵的水深適宜度指數(shù)，SIv為四大家魚產(chǎn)卵的流速適宜度指數(shù)，SIt為四大家魚產(chǎn)卵的水溫適宜度指數(shù)。

（2）加權(quán)可利用面積。結(jié)合水動(dòng)力模型模擬計(jì)算結(jié)果，計(jì)算產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積（Weighted Usable Area，WUA），評(píng)價(jià)不同生態(tài)調(diào)度方案下的產(chǎn)卵棲息地生境質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

WUA = [i=1nHSIi·Ai] ⑤

式中：HSIi為第i個(gè)網(wǎng)格的HSI值，Ai為第i個(gè)單元格的面積。

（3）產(chǎn)卵適宜等級(jí)面積占比。根據(jù)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)大小，將產(chǎn)卵生境劃分為3個(gè)等級(jí)，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)分別在[0，0.2）、[0.2，0.6）、[0.6，1.0]范圍內(nèi)，產(chǎn)卵生境質(zhì)量依次處于崩潰、不適宜、適宜等級(jí)（夏繼紅等，2022），產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)[≥]0.6的河段網(wǎng)格被認(rèn)為是四大家魚產(chǎn)卵生境較為適宜的區(qū)域。

1.3? ?生態(tài)調(diào)度過(guò)程

2023年5月27日至6月3日，三峽水庫(kù)開展了年度首次針對(duì)葛洲壩下游四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。5月27日三峽出庫(kù)流量按8 160 m3/s控制，從5月28日至6月3日持續(xù)7 d加大出庫(kù)流量，日均漲幅約1 400 m3/s；6月3日出庫(kù)流量加大至17 900 m3/s，本次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)結(jié)束。生態(tài)調(diào)度過(guò)程如圖3所示。調(diào)度期間研究范圍內(nèi)的流量、水位和水溫模型輸入條件見表2。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時(shí)空分布

生態(tài)調(diào)度期間（5月27日至6月3日），產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時(shí)空變化情況如圖4所示。生態(tài)調(diào)度第1天（5月27日），評(píng)估區(qū)域內(nèi)平均流速為0.66 m/s，平均水深為6.37 m，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值為0.4，說(shuō)明此時(shí)未充分達(dá)到四大家魚產(chǎn)卵所需要的水動(dòng)力條件；生態(tài)調(diào)度第3天（5月29日），隨著出庫(kù)流量增大，胭脂壩、虎牙灘、宜都、枝城和枝江等江段流速和水深增加，出現(xiàn)了適宜四大家魚產(chǎn)卵的水動(dòng)力條件，評(píng)估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)增加較快，均值達(dá)到0.75，適宜四大家魚產(chǎn)卵位置逐步向下游移動(dòng)。生態(tài)調(diào)度后期，評(píng)估區(qū)域內(nèi)產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值在0.8左右，維持在較高水平。

2.2? ?加權(quán)可利用面積變化

生態(tài)調(diào)度期間，葛洲壩至枝江江段產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積總體呈現(xiàn)穩(wěn)定增加的趨勢(shì)（圖5-a）。生態(tài)調(diào)度第4天（5月30日）達(dá)到峰值，約71.00 km2，調(diào)度后期維持在64.55～70.71 km2；產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積占研究河段總面積的比例由調(diào)度第1天的30.45%增加至調(diào)度后期約55%。調(diào)度最后一天（6月3日）產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積減少約5.3 km2，主要原因是三峽出庫(kù)流量較于前一天（6月2日）僅增加100 m3/s，水位增幅減少，未能滿足四大家魚產(chǎn)卵最適宜的漲水條件。

研究表明，葛洲壩至枝江江段適宜產(chǎn)卵生境（綜合適宜度指數(shù)0.6～1.0）的區(qū)域占評(píng)估范圍總面積占比增加較為明顯（圖5-b），由4.67%增加至約60%；不適宜產(chǎn)卵生境（綜合適宜度指數(shù)0.2～0.6）的區(qū)域占比明顯減少，由54.45%下降至約4%；產(chǎn)卵生境崩潰（綜合適宜度指數(shù)0～0.2）的區(qū)域面積變化較小，下降了約2%，主要分布在河道灘槽沒有過(guò)水的區(qū)域。通過(guò)生態(tài)調(diào)度，主要將研究范圍內(nèi)不適宜四大家魚的產(chǎn)卵生境轉(zhuǎn)換為適宜產(chǎn)卵的區(qū)域。

3? ?討論

3.1? ?生態(tài)調(diào)度能顯著改善四大家魚的產(chǎn)卵生境

2023年三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度期間，葛洲壩至枝江江段約60%區(qū)域產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均值由0.4增加至0.8；產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積最大值達(dá)到71.00 km2，占該江段總面積比例由30.45%增加至約55%；適宜產(chǎn)卵生境的區(qū)域明顯增加，占評(píng)估范圍總面積比例由4.67%增加至約60%。表明2023年三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量。

3.2? ?生態(tài)調(diào)度水溫對(duì)四大家魚產(chǎn)卵效果的影響

水溫是影響四大家魚生命活動(dòng)的主要因素，為了更好地理解水溫變化對(duì)四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜性的影響，本研究運(yùn)用所建立的生境質(zhì)量評(píng)估模型對(duì)2種水溫情景下的四大家魚產(chǎn)卵生境進(jìn)行模擬評(píng)估。

5月27日至6月3日生態(tài)調(diào)度期間，假設(shè)三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案不變、起調(diào)水溫采用宜昌江段5月平均水溫20℃，與實(shí)際生態(tài)調(diào)度（起調(diào)水溫為20.95℃）情景下的產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積對(duì)比如圖6所示。在生態(tài)調(diào)度期間，2種情景下產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積均有明顯的增加，占研究區(qū)域總面積的比例分別增加了25%和20%。相較于實(shí)際起調(diào)水溫情景，起調(diào)水溫下降至20℃情景下，適宜家魚產(chǎn)卵棲息的區(qū)域大幅度減小，產(chǎn)卵加權(quán)可利用面積最大值由71.00 km2減少至59.69 km2，適宜生境等級(jí)區(qū)域的最高面積占比由60.58%降至53.88%（圖7）。

選擇2個(gè)情景下產(chǎn)卵綜合適宜面積最大的一天，即第4天（5月30日）進(jìn)行起調(diào)水溫改變與實(shí)際生態(tài)調(diào)度下的空間差值分析，結(jié)果如圖8所示。相較于實(shí)際生態(tài)調(diào)度起調(diào)水溫20.95℃情景，起調(diào)水溫20℃情景下，幾乎所有區(qū)域的產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度為0.1～0.2。

綜上，四大家魚產(chǎn)卵受水溫影響較大，因此在進(jìn)行水庫(kù)生態(tài)調(diào)度時(shí)必須考慮水庫(kù)下泄水溫度，建議三峽水庫(kù)在滿足四大家魚產(chǎn)卵最佳水溫條件下開展生態(tài)調(diào)度，以最大程度地提高四大家魚的產(chǎn)卵生境適宜度。

4? ?結(jié)論

（1）選擇水位變幅、水深、流速、水溫4個(gè)主要生境因子，建立了耦合二維水動(dòng)力學(xué)模型和產(chǎn)卵棲息地適宜度曲線的四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)卵綜合適宜度指數(shù)時(shí)空分布規(guī)律的精細(xì)化模擬。

（2）2023年三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度顯著改善了葛洲壩至枝江江段四大家魚產(chǎn)卵生境質(zhì)量，適宜四大家魚產(chǎn)卵的區(qū)域面積明顯增加。

（3）四大家魚產(chǎn)卵受水溫影響較大，建議三峽水庫(kù)在滿足四大家魚產(chǎn)卵最佳水溫條件下開展生態(tài)調(diào)度。

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（責(zé)任編輯? ?萬(wàn)月華）

Effect of Ecological Operation of Three Gorges Reservoir on Spawning Habitat

Area of the Four Major Chinese Carps

BAI Feng‐peng1，2，3， REN Yu‐feng4， MEI Jie5， LIANG Zhi‐ming4，

MA Yi‐ming4，YANG Zhong‐hua5

（1. Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan? ?430051， P. R. China；

2. Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan? ?430051， P. R. China；

3. Key Laboratory of River and Lake Governance and Flood Control of the Ministry of Water Resources，

Wuhan? ?430051， P. R. China；

4. China Yangtze Power Co.， Ltd， Yichang? ?443000， P. R. China；

5. State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，

Wuhan University， Wuhan? ?430072， P. R. China）

Abstract：Ecological operation of hydropower facilities is necessary to protect fishery resources and the effect of the ecological operation can be evaluated by monitoring the scale of spawning habitat for target fish species. From May 27 to June 3， 2023， an ecological operation experiment at Three Gorges Reservoir （TGR） was carried out， aiming to increase natural reproduction of the four major Chinese carps downstream of Gezhouba Dam， a run-of-the river dam below TGR at Yichang. In this study， a section of the Yangtze River from Gezhouba Dam to Zhijiang was investigated. The impact of ecological regulation on the spawning habitat area of the four major Chinese carps was estimated based on model simulations. The quality assessment model for spawning habitat was established by coupling a two-dimensional hydrodynamic model to the spawning habitat suitability index （HSI） curve. Four major habitat factors （water level amplitude， water depth， flow rate， and water temperature） were selected as model parameters. The spatial and temporal distribution of the comprehensive spawning HSI was simulated and the change in suitable spawning habitat area was analyzed. Results show that during ecological operation in 2023， the comprehensive spawning habitat suitability index increased by 60% in the study section， and the proportion of suitable spawning habitat area （weighted available area） increased from 30.45% to 55%. The areas suitable for spawning for the four major Chinese carps， with a comprehensive spawning habitat suitability index ranging from 0.6 to 1.0， have significantly increased from 4.67% to 60% of the total study area. In conclusion， the ecological regulation of Three Gorges Reservoir in 2023 significantly improved the quality of spawning habitat for the four major Chinese carps from Gezhouba dam to Zhijiang.

Key words：ecological operation; four major Chinese carps; suitability index; habitat area; Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-11-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021YFC3200304）；長(zhǎng)江科學(xué)院開放研究基金（CKWV2019732/KY）；湖北省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（2022CFD169）；武漢市知識(shí)創(chuàng)新專項(xiàng)（2023020201010110）。

作者簡(jiǎn)介：白鳳朋，1989年生，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事流域水生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：bfp@whu.edu.cn

通信作者：楊中華，1977年生，男，博士，教授，主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail：yzh@whu.edu.cn