工程科学与技术   2020, Vol. 52 Issue (1): 18-28
弯曲分汊浅滩潜坝对洄游鱼类栖息地的影响研究
张新华, 邓晴, 文萌, 王明     
四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065
基金项目: 国家自然科学基金项目(51579162;51879174)
摘要: 长江上游弯曲分汊浅滩较多、碍航问题突出,同时该河段也是濒危鱼类中华鲟的主要繁衍水域。针对当前航道整治工程大都缺乏考虑其对水生生物栖息地的影响和现有栖息地评价仅依据河道内流量增加法中的加权可利用面积这两方面的问题,本文以长江上游弯曲分汊浅滩作为研究对象,考虑中华鲟产卵场功能区的分区特征,基于斑块面积比、栖息地破碎性指数、栖息地连通性指数,构建了鱼类栖息地综合评价模型,研究了淹没式丁坝(潜坝)布置形式对中华鲟栖息地的影响。结果表明:适当的潜坝布置形式对整治河段内中华鲟栖息地环境质量有明显改善作用;研究区域内中华鲟栖息地斑块个数与潜坝坝长成正比,斑块面积比和栖息地破碎性指数与坝体数量成反比,栖息地连通性指数主要受坝体数量的影响。从保护珍稀物种的角度出发,长江上游弯曲分汊浅滩治理中应控制整治建筑物的数量与长度。此外,本文基于濒危洄游型鱼类繁衍及生活习性提出的栖息地综合评价模型,能克服仅根据栖息地加权可利用面积评价的片面性,更适合鱼类栖息地环境质量评价。
关键词: 弯曲分汊河道    潜坝    中华鲟    产卵场功能区    栖息地综合评价    
Impact of Submerged Spur Dike on Migrating Fish Habitat in Bending Branched Shoal
ZHANG Xinhua, DENG Qing, WEN Meng, WANG Ming     
State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., Sichuan Univ., Chengdu 610065, China
Abstract: There are many bending branched shoals, which are the main obstacles of navigation, in the upper reaches of the Yangtze River, and the reaches are also the main breeding areas of endangering fish Acipenser sinensis. Currently, waterway regulation projects in this region seldom consider the impact on aquatic habitats. In addition, existing habitat assessment methods are mainly based on the weighted usable area (WUA) of habitats in the instream flow incremental methodology (IFIM). In this study, we took the bending branched shoal in the upper reaches of the Yangtze River as a case study, considering the zoning characteristics of the spawning grounds of Acipenser sinensis with different functions. On the basis of patch area ratios of habitat, fragmentation index and habitat connectivity index, a comprehensive evaluation model of fish habitat were constructed, and the effects of submerged spur dikes on the habitat of Acipenser sinensis were studied. Results indicated that appropriate layout of submerged dike could improve the environmental quality of the habitat of Acipenser sinensis obviously. In addition, the number of patches was proportional to the length of submerged dikes, and the area ratio of patches and the fragmentation index of habitat were inversely related with the number of dams, while the connectivity index of habitat was mainly affected by the number of dams. From the point of protecting endangered species, the number and length of regulation projects for the bending braided shoals hindering the navigation should be controlled properly. In addition, the comprehensive evaluation model of fish habitat based on the reproduction and life habits of endangering species proposed in this study can overcome the problems currently existing in the habitat evaluation only according to the WUA, and it is more suitable for the environmental quality evaluation of fish habitat.
Key words: bending branched channels    submerged spur dikes    Acipenser sinensis    functional zones of spawning grounds    comprehensive evaluation model of habitats    

弯曲分汊浅滩是长江上游山区河流中普遍存在的滩险类型之一,该类型滩险碍航成因复杂,治理难度大,对提高西部地区河流的通货能力产生巨大障碍。长江上游河道也是中国珍稀濒危物种中华鲟的主要繁殖水域,中华鲟是典型的大型溯河洄游鱼类,葛洲坝水电站修建后,阻断了其上溯金沙江产卵繁殖的通道,历史上金沙江老虎滩至宜昌的22处原中华鲟产卵场荒废,葛洲坝以下与庙咀之间的4 km江段成为唯一确认的新的中华鲟天然产卵场[1],产卵面积骤减至建坝前的5%,“水中国宝”中华鲟正遭遇严峻的种群危机。

随着中华鲟人工繁殖技术的逐渐成熟,专家开始研究在长江上游建立陆封型种群的可行性。刘向伟[2]的研究表明放养中华鲟能够在长江上游生长,在减少干流水电梯级开发、河道整治工程的条件下,长江上游具备重建中华鲟种群的可行性。可喜的是,近年来已在长江上游发现野生性成熟中华鲟[3]

Kang[4]、吴瑞贤[5]、Shih[6]、Im[7]、Deng[8]等通过研究证明整治建筑物(丁坝)有利于丰富鱼类栖息地,促进水生生态系统的恢复与重构。然而,如何在长江上游浅滩、特别是弯曲分汊浅滩整治中合理利用丁坝的生态价值,在确保中华鲟潜在生存与产卵栖息地环境的前提下,同时保证干流航道的通航条件成为当前亟待解决的关键问题。

目前,对水生生物栖息地研究常采用河道内流量增量方法(instream flow incremental methodology, IFIM),该方法的核心是利用栖息地加权可利用面积(weighted usable area, WUA)对鱼类生境进行定量评价[6-10]。但WUA值本身仅能反映栖息地的总量,忽略了栖息地的连通性和破碎程度,不能全面地反映生境质量。为此,Wang等[11]基于图论中的最小生成树原理,在鱼类栖息地评价模型中引入生境连通性指数;Li等[12]基于景观生态学的连通性指数,对鱼类生境模型进行了改进。上述两种方法计算出的栖息地连通性指数均是以寻求任意斑块之间的最短距离作为栖息地连通性的评判标准。然而,根据危起伟[13]对中华鲟的繁衍习性研究发现,一个完整中华鲟产卵场必须同时具备产卵受精区、播卵区和着卵孵化区3个功能区,分别行使产卵、播卵、孵化的功能。产卵受精区是雌雄亲鲟的交配场所;紧邻产卵受精区的播卵区,主要功能是使产卵功能区排出的卵子和精子充分混合;最后的孵化区是受精卵附着、孵化以及幼苗的栖息场所。这些不同的功能区斑块之间有先后到达顺序,在斑块连通性计算中需考虑不同生长时期下中华鲟对斑块的选择问题,而不能仅仅根据优化算法中的最短路径分析任意斑块之间连通性。

因此,本文针对上述问题,以长江上游弯曲分汊浅滩为研究对象,采用3维水动力模型,研究弯曲分汊河道不同整治方案中的流速、涡量等变化情况,构建考虑产卵场功能分区特征的鱼类栖息地综合评价模型,通过分析整治工程对中华鲟栖息地的影响,验证所提出的综合评价模型的合理性、可行性。

1 工程背景与整治方案

为进一步激活长江上游区域发展潜力,急需将长江干线宜宾至重庆河段的航道等级提高至Ⅱ级单线,航道标准水深为3.5 m。2015年现场调研发现,长江上游各重点弯曲分汊浅滩航道平均水深维持在3.2 m左右。以长江上游神背嘴滩为例,河势图与河床高程如图12所示。

图1 神背嘴河势图 Fig. 1 River channel of Shenbeizui

图2 神背嘴河床高程图 Fig. 2 River bed elevation map of Shenbeizui

许多学者对弯道分汊浅滩的治理进行了总结,发现这类浅滩的整治应采取开辟直槽通航的方案结合整治建筑物与疏浚的措施才有良好效果[14-15]。在当前航道水深与建设水深差距不大时,作者参照导流屏的原理[16-17]提出在弯道凸岸出口布置潜坝的整治思路,并在以往研究中已证明这种整治方案可较好地解决过渡段浅滩淤积问题[18],因此本文重点研究该整治方案对中华鲟栖息地的影响。

2 数学模型与求解

中华鲟是一种特有底栖鱼类,河床附近水力要素对其生殖繁衍具有重要影响,2维水深平均水流模型无法揭示河床附近水力特征。因此本文采用3维水动力模型分析不同整治方案在中华鲟栖息地内的流场变化情况。

2.1 紊流模型

采用湍流黏度修正的RNG $k - \varepsilon $ 湍流模型求解3维流场[19],该模型能更好地模拟湍流各向异性。各控制方程如式(1)~(4)所示。

连续方程:

$\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = 0$ (1)

动量方程:

$ \frac{{\partial {u_i}}}{{\partial t}} + {u_j}\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = {F_i} - \frac{1}{\rho }\frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + v\frac{{{\partial ^2}{u_i}}}{{\partial {x_i}\partial {x_j}}} - \frac{{\partial \overline {{u'_i}{u'_j}} }}{{\partial {x_i}}} $ (2)

$k$ 方程:

$ \frac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho k{u_i})}}{{\partial {x_i}}} = {G_k} + \;\rho \varepsilon + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{a_k}{\mu _{\rm eff}}\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right) $ (3)

$\varepsilon $ 方程:

$ \frac{{\partial (\rho \varepsilon )}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho \varepsilon {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = \frac{{C_{1\varepsilon }^ * \varepsilon }}{k}{G_k} - {C_{2\varepsilon }}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k} + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{\alpha _\varepsilon }{\mu _{\rm eff}}\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right) $ (4)

kε计算公式如下:

$k = \frac{1}{2}\overline {{{u'_j }^2}} $ (5)
$\varepsilon {\rm{ = }}v\overline {{{\left( {\frac{{\partial u'_j }}{{\partial {x_i}}}} \right)}^2}} $ (6)

式(1)~(6)中各系数计算公式如下:

${\mu _{\rm eff}}{\rm{ = }}\mu {\rm{ + }}{\mu _t}$ (7)
${\text{其中}},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\mu _t} = \rho {C_\mu }\frac{{{k^2}}}{g}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;$ (8)
$C_{1\varepsilon }^ * = C_{1\varepsilon }^{} - \frac{{\eta ({\eta _0} - \eta )}}{{{\eta _0}(1 + \beta {\eta ^3})}}$ (9)
${\text{其中}},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\eta = {(2{E_{ij}} \times {E_{ij}})^{1/2}}\frac{k}{\varepsilon }\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;$ (10)
${E_{ij}}{\rm{ = }}\frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)$ (11)
${G_k} = {\mu _t}\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}}$ (12)

式(1)~(12)中: ${u_i}$ ${x_i}$ 方向的时均速度分量, $u'_{{i}} $ 为各方向脉动值, $i$ =1,2,3; $p$ 为单元体压力时均值; ${F_i}$ ${x_i}$ 方向的质量力时均值; $v$ 为水黏性系数; $\mu $ 为动力黏性系数; ${\alpha _k}$ ${\alpha _\varepsilon }$ 分别是湍动能 $k$ 与耗散率 $\varepsilon $ 对应Prandtl数; ${C_\mu } = 0.084\;5$ ${\alpha _k} = 1.39$ ${\alpha _\varepsilon } = 1.3$ $\beta = 0.012$ $C_{2\varepsilon } = 1.68$ $C_{1\varepsilon } = 1.42$ ${\eta _0} = 4.377$ [19]

2.2 VOF模型

VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的自由表面跟踪方法,主要根据各时刻流体在网格单元中所占体积函数 $F$ 求解任意相之间的瞬态或者稳态分界面。 $F$ 的控制方程为:

$\frac{{\partial F}}{{\partial t}} + {u_i}\frac{{\partial F}}{{\partial {x_i}}} = 0$ (13)

本次模拟为水气二相流,当式(13)中F=0时表示单元内全部被空气占据,F=1表示单元内全部为水,当 $0 < F < 1$ 时表示单元内是水气混合相。

2.3 鱼类栖息地综合评价模型 2.3.1 栖息地综合适宜性指数

20世纪70年代末,美国鱼类和生物服务调查中心开发了可用于评价河道生态修复效果的河道内流量增加方法IFIM[20]。IFIM法中选择鱼类作为指示物种,建立流量和鱼类适宜栖息地之间的定量关系,通过水动力模拟和指示物种对水流因子的适宜性关系,计算每个网格内的栖息地综合适宜性指数(habitat suitability index,HSI)以及栖息地加权可利用面积WUA,计算公式见式(14)~(16)。适宜性指数与目标鱼种栖息地适宜性成正比。

${\rm{HSI}}_i= \prod\limits_{j = 1}^k {{V_{ij}}} $ (14)
${\rm{WUA}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{HSI}}_i} {a_i}$ (15)
${\rm{PUA}} = \frac{{{\rm{WUA}}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}} }}$ (16)

式(14)~(16)中:HSIi为第 $i$ 个网格栖息地综合适宜性指数; ${V_{ij}}$ 为第 $i$ 个网格中影响栖息地适宜性变化的水力参数j的适宜性指数; $k$ 为水力参数的个数, $k = 3$ $n$ 为计算域内单元总数; ${a_i}$ 为第 $i$ 个网格单元面积; ${\rm{PUA}}$ ${\rm{WUA}}$ 相对河道面积的占比。

相关研究表明,中华鲟亲鱼产卵时对河道内水深、近底流速、涡量具有明显的主动选择性。本文在总结大量科研成果[21-25]的基础上获得了中华鲟繁衍的不同功能区栖息地水力参数的适宜性曲线,如图3所示。由于对中华鲟不同功能区内的适宜水深研究成果较少,因此暂采用统一的水深适宜性曲线。

图3 中华鲟栖息地适应性曲线 Fig. 3 Habitat suitability curves of Acipenser sinensis

2.3.2 斑块面积比

河道内栖息地斑块是水生生物赖以生存的场所,只有当HSI值超出一定阈值( ${\rm{HSI}} > {\rm{HSI}}_{{\rm cut}}$ )且面积也超出一定阈值( $P > {P_{\rm cut}}$ )才能形成边界相连的栖息地斑块。结合目前国内相关中华鲟生态习性、繁殖习性、游泳能力野外调研成果[21-25],定义 ${\rm{HSI}}{_{\rm cut}} = $ 0.6, ${P_{\rm cut}} = 100$ m2。斑块面积比(percentage of patch area, PPA)可反映生境斑块的所占河道面积比例,公式如下:

${\rm{PPA}} = \sum\limits_{m = 1}^q {\frac{{{P\!_m}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}} }}} $ (17)

式中, ${P_m}$ 为第m个栖息地斑块面积, $q$ 为斑块个数。

2.3.3 生境破碎性指数

生境破碎化指数(habitat fragmentation index, HFI)是评价栖息地质量的重要参数。HFI定义为各斑块平均面积占研究区域面积百分比,见式(18)。HFI范围在0~1之间,其值越大表示生境碎片化程度越低。

${\rm{HFI}} = \frac{{{{\displaystyle \sum\limits_{m = 1}^q {{P\!_m}} }/q}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}} }}$ (18)
2.3.4 生境连通性指数

生境连通性指数(habitat connectivity index,HCI)是表征各生境斑块空间分布及其相关性的参数,当栖息地连通性良好时,鱼类才有足够的生存空间。本文考虑了同类功能区斑块连通性以及相邻生长时期功能区之间斑块连通性,HCI指数范围在0~1之间,其值越大代表栖息地斑块之间连通性越好,HCI的计算如式(19)所示:

$ {\rm{HCI}} \!\!=\!\! \frac{{\displaystyle \sum\limits_{m = 1}^q {{P\!_m}} }}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}} }}\!\left(\!\! {\sum\limits_{j = 1}^3 {\sum\limits_{b = 1}^c {\frac{{{{\left( {{{{P\!_{jb}}}/{{\textit{Z}}{D\!_{jb}}}}} \right)}^2}}}{{\displaystyle \sum\limits_{b = 1}^c {{{{P\!_{jb}}}/{{\textit{Z}}{D\!_{jb}}}}} }}\!+\! } } }{\sum\limits_{j = 1}^2 {\sum\limits_{b = 1}^c {\frac{{{{\left( {{{{P\!_{jb}}}/{{\textit{Z}}{D_{(j + 1)b}}}}} \right)}^2}}}{{\displaystyle \sum\limits_{b = 1}^c {{{{P\!_{jb}}}/{{\textit{Z}}{D_{(j{\rm{ + }}1)b}}}}} }}} } } \!\!\right) $ (19)

式中: $j$ 为中华鲟产卵场功能区种类,产卵受精区、播卵区和着卵孵化区 $j$ 值分为1、2、3; $c$ 为不同功能分区的斑块个数; ${P\!_{jb}}$ 为第 $j$ 类功能区中第 $b$ 个斑块面积; ${\textit{Z}}{D_{jb}}$ 为第 $j$ 类功能区中第 $b$ 个斑块与同类功能区内其他斑块之间的最短距离; $Z{D_{(j{\rm{ + }}1)b}}$ 为第 $j$ 类功能区中第 $b$ 个斑块与第 $j$ +1类功能区斑块之间的最短距离。

2.3.5 栖息地综合质量指数

中华鲟生境质量采用斑块面积比、生境破碎性指数、生境连通性指数进行综合评价,栖息地综合质量指数(habitat comprehensiveguality index, CQI)具体算法如式(20)所示。

${\rm{CQI}} = \sum\limits_{\lambda = 1}^3 {{\beta _\lambda }} {q_\lambda }$ (20)

式中: $\beta _\lambda $ 为生境评价指标 $\lambda $ 权重值; $q _\lambda $ 为生境评价指标 $\lambda $ 计算值;CQI为中华鲟生境综合质量指数,其值越大表示生境质量越好。

Li等[12]对丽江倒刺鲃栖息地质量进行评价时,与鱼类生物学家协商将PPA、HFI、HCI 3个评价指标的权重值分别赋为0.683 3、0.199 8、0.116 9。中华鲟产卵与孵化习性与倒刺鲃类似,喜爱在水域中下层活动并在河床上繁育孵化。因此暂采用该权重进行生境质量的综合评价。

3 模型验证

为了检验本文采用的数值模拟模型的可靠度,采用Zhou的水槽试验结果[26]与模拟结果进行对比。试验水槽长18 m,研究域为x=0 m至x=1.9 m,水槽进口水深0.1 m,进口流速0.25 m/s,底坡为0.4%,潜坝坝高0.05 m,顶宽0.015 m,坝长0.15 m,具体见图4

图4 Zhou水槽试验示意图 Fig. 4 Schematic diagram of Zhou’s experiment

选取水平线1、2的x方向流速计算值与试验值进行了对比,见图5。从图5可以看到,坝前水流压缩使得断面流速大于进口流速,坝后回流区内随着y值增大断面平均流速逐渐增至进口流速值,模型计算值与试验结果吻合程度较高。图6为断面1、3水面线试验值与计算值的对比情况。从图6中看出:模拟结果与试验值吻合程度较好,误差在3%以内。受丁坝挡水作用,坝前水位有所抬升,坝顶附近水位跌落而后逐渐趋于平缓。本文采用的数值模拟模型能较好地反映设置丁坝3维水流特性变化特点,具有较高计算精度,适合于本研究。

图5 横断面流速对比 Fig. 5 Comparison of cross section velocity

图6 断面水面线计算值与试验值对比 Fig. 6 Comparisons of water surface between calculated values and experimental values

4 模型建立 4.1 模型概化

通过收集长江上游若干典型弯曲分汊浅滩河势资料,分析其断面形态参数,确定模型为等宽复式断面单一弯道,弯道中心角为70°,河宽 $B$ 为600 m,RC/B为1.5(RC为弯曲半径)。过渡段总长为3 200 m,其中逆坡段长度为400 m。逆坡段凸岸侧纵比降为0.625%,凹岸侧纵比降为2.5%。弯道段边滩相对宽度 ${{\Delta B}/B}$ ,取 $\Delta B$ 为0.5( $\Delta B$ 为边滩宽度),边滩相对高度 ${{\Delta {\textit{Z}}}/{\sqrt B }}$ 取0.2( $\Delta {\textit{Z}}$ 为边滩平均高程与主槽平均高程的高差)。江心洲长度概化为1 200 m,相对河宽 ${{B'}/B}$ 取0.45( $\Delta B'$ 为江心洲宽度),直槽河宽为0.275B。横断面概化示意图如图7所示。

图7 河道横断面概化图 Fig. 7 Generalized cross-section of the studied area

4.2 潜坝布置方案

当前长江上游枯水期可通航1 000 t级船舶或船队,吃水深度约4.2~4.7 m。本文的潜坝方案坝高在设计水位下5 m,满足船舶吃水要求。根据《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)[27] 和长江上游相关浅滩整治经验,布设4个整治方案,采用正交丁坝,设计坝宽4 m,间距为1.5 $L$ $L$ 为坝长)。为避免滩段内形成急流滩,坝长与坝体数量如表1所示。1#潜坝布置在弯道出口10#断面上,沿程均匀布置20个测量断面,以方案3和方案4为例,模型概化见图8

表1 潜坝布置方案说明 Tab. 1 Description of submerged dam layout scheme

图8 模型概化图 Fig. 8 Generalized channel model

4.3 求解方法

数值模拟模型采用结构化网格,网格总数约为11×104。采用PISO算法与二阶迎风离散格式,残差收敛标准为10–5

4.4 边界条件

根据长江上游朱沱水文站1995—2014年水文资料,取多年平均流量7 800 m3/s为计算流量。水流进口设为速度边界,流速为1.12 m/s,水深为17 m;空气进口设为压力边界;出口均为压力出口边界,直接与大气相接。

5 结果分析与讨论 5.1 3维流速结果

流速不仅会影响河道淤积,还决定了生物在河流中所能接受的流体能量,对鱼类生物过程(如呼吸、养分吸收和利用等)非常关键,强烈地影响着生物结构和行为适应性[28]图910分别为无方案、方案4前后河道内底层(0~0.3H)、中层(0.3H~0.6H)、上层(0.6H以上)的流速分布图,图中U代表平面流速。从图910中可以看到,弯曲分汊河道流场3维特性明显,在弯道内布置潜坝后各层流速发生了明显改变。在潜坝的挡水作用下,逆坡段各层流速皆有所增大,可缓解过渡段内浅滩淤积。方案前后中华鲟适宜流速区都集中在弯道到江心洲洲头之间以及左岸江心洲洲尾以后,主要原因是这些区域底部流速相对汊道内流速低。方案前弯道主槽内平均底部流速约为0.97 m/s,方案4中主槽区平均底部流速增大至1.32 m/s,并且主槽区水深较大,更适宜受精卵附着河床孵化。产卵受精区与播卵区所需流速较孵化区大,更容易在坝体周围和逆坡段附近形成斑块。

图9 无方案平面流场 Fig. 9 Velocity field without regulation scheme

图10 方案4平面流场 Fig. 10 Velocity field of scheme No. 4

5.2 涡量结果

水流旋涡运动与中华鲟的产卵繁殖活动密不可分,中华鲟所产出的黏性卵必须与雄性鱼种精子充分掺混才有可能受精孵化幼苗,涡量能体现水流中漩涡强度,反映了受精成功的可能性。图1112分别为无方案、方案4平面涡量图,图中w表示平面涡量,对于不同深度的涡量分布而言,涡量改变仅发生在坝体附近,潜坝周围涡量明显增大。

图11 无方案平面涡量分布 Fig. 11 Vorticity distribution without scheme

图12 方案4平面涡量分布 Fig. 12 Vorticity distribution in Scheme No. 4

不同中华鲟功能区之间对水流涡量的要求一般为播卵区>产卵受精区>孵化区。鲟卵需黏附在河床底层的卵石缝中孵化成鱼苗,底层较小涡量能降低急流冲击与环境变化对幼苗的损害,提高幼苗成活率。涡量超过1.7 s–1的区域很难形成适宜孵化区斑块,方案前后汊道底层平均涡量在5.2 s–1以上,中华鲟幼苗在汊道内难以生存,因此斑块形成的区间主要在江心洲洲头前和洲尾后。中上层水流涡量的增加可以提高中华鲟亲鱼活动区内溶解氧浓度,刺激中华鲟性腺产卵,还可以为孵化出的鱼苗到达水体表层提供垂直向上的升力,使鱼苗更容易到达水体表层觅食生长。从图12可知,坝体周围中层涡量增加最为明显,较方案前约增大3.7倍,上层涡量约增大2.5倍。因此可以推断在潜坝周围由于水流涡量的增加易形成产卵受精区以及播卵区。

5.3 斑块分布

不同方案中华鲟栖息地斑块分布如图13所示。江心洲下游条状孵化区基本不受潜坝影响,面积和形态保持不变,但在方案4出口处分裂出一个小型孵化区。弯道内中华鲟产卵场功能区种类较为固定,凹凸两岸分别分布着面积最大的孵化区与产卵受精区,但播卵区位置主要随涡量的变化移动。

图13 不同方案中华鲟栖息地斑块分布 Fig. 13 Distribution of habitats patches of Acipenser sinensis under different schemes

方案前播卵区主要位于洲头前逆坡段内,且左岸播卵区面积较大,布设潜坝后播卵区向潜坝移动,其中:方案2与方案4在坝后形成了新播卵区,而方案4在两坝之间以及坝后都形成了新播卵区,但尺寸较小;方案1与方案3的产卵受精区与新播卵区存在部分重叠。从图13中看出,方案4对河道阻隔最为严重,导致中华鲟栖息地的破碎化程度最高。这也说明尽管在浅滩治理时方案4为推荐方案,但是从保护濒危水生生物栖息地及其生境质量的角度来看效果并不理想,因此在进行河道整治时应控制整治建筑物的数量与坝长。

5.4 不同方案与栖息地生境指标的响应关系

表2给出了各方案栖息地生境指标在弯道布设潜坝后的变化情况。由表2可知:各方案PUA值逐渐增大,方案4 PUA最大,较天然工况增加5.08%,PUA增长与坝长、坝数量成正比。不同方案之间斑块个数与坝长成正比,在L/B=0.2时斑块个数与方案前保持一致,而方案4增加两个斑块。斑块面积比PPA与HFI指数变化趋势相同且与坝体数量成反比,方案1到方案4的PPA、HFI指数都先增大后减小,其中PPA值在方案2达到最大,HFI指数在方案1达到最大,两者在方案4均为最小值。

表2 各方案栖息地生境评价结果 Tab. 2 Habitat assessment results of different channel regulation schemes

HCI指数以是否考虑功能分区分别进行了讨论,两种算法中的HCI指数均呈现波动变化。其中:考虑产卵场功能区分区时各方案HCI值先增大后减小。在方案3达到最大值,较方案前增加了15.35%;方案4 HCI值骤减,较方案前减小6.32%。未考虑产卵场功能区分区时各方案HCI值与潜坝长度呈负相关关系,方案1与方案3HCI值高于方案2与方案4。尽管不论是否考虑产卵场功能区分区HCI值都在方案3中达到最大值,但从表2中可以看到未考虑产卵场功能区分区计算的HCI值要明显大于计入产卵场功能区分区影响的HCI值。是否考虑产卵场功能区分区影响了栖息地质量综合指数CQI值在各方案的分布情况,前者CQI值在方案2达到最大,后者在方案1达到最大值,且较前者最大CQI值相对增加8.45%,但两种算法中方案4的CQI值均最小。

表2还可知,若仅凭栖息地加权可利用面积WUA(或PUA)最大来判断,方案4应为最佳方案,但实际上由于方案4对河道水流条件和横向阻隔影响最大,导致栖息地破碎化程度最高,连通性最低,栖息地质量综合指数CQI最低。这反映出河道水生生物栖息地常用评价方法(IFIM法)仅依据WUA值评价生境质量存在的缺陷,即因WUA值仅能够反映水域内的生境数量,无法对生境的破碎性和连通性进行评估。当存在生境破碎程度高或者连通性不佳但WUA较大的生境时,其实际栖息地质量不高,对生态修复意义不大。因此生境质量评价模型中单纯采用WUA指标不能全面客观地反映水生生物栖息地质量。

另外,不论是采用图论法或是引入景观生态学指标,当前关于栖息地连通性指数都是以计算任意两两斑块之间最小距离作为考虑栖息地连通性的基础。但对于有明确产卵场分区的鱼类,在某一生长时期中只会在特定的功能区内活动,例如,成熟中华鲟产卵时需要在同类产卵受精区完成产卵的过程后,才会到达播卵区进入下一生长时期。若按照未考虑产卵场功能区分区的计算模式,在产卵期内,产卵受精区可以和不同类的任意功能区关联计算最小距离,这明显不符合中华鲟的繁衍习性。表2中,未考虑产卵场功能区分区计算的HCI值偏大,与计入产卵场功能区分区影响的HCI值的最大差值高达20.71%,直接影响了栖息地综合质量的结果与最优方案的选取,导致评价结果存在误差。因此,本文在中华鲟栖息地连通性指标的计算中考虑不同生长时期的功能区分区特征,能使中华鲟生境质量评价模型更符合中华鲟繁殖行为特点。

6 结 论

本文构建了考虑中华鲟产卵场功能分区特点的鱼类栖息地综合评价模型,研究了长江上游弯曲分汊浅滩潜坝布置形式对中华鲟栖息地的影响,得出的主要结论如下:

1)弯道凸岸布设潜坝后,底部流速变化强烈,坝头附近涡量增大。弯道凹凸两岸分别分布着面积最大的孵化区与产卵受精区,但播卵区位置主要随涡量的变化移动。

2)研究区域内中华鲟栖息地斑块个数与潜坝坝长成正比,斑块面积比PPA与栖息地破碎性指数HFI与坝体数量成反比,各方案栖息地连通性指数HCI先增大后减小。除方案4外,其余方案对中华鲟栖息地生境质量均有改善效果且以方案2最佳,因此从保护濒危水生物角度出发,航道整治工程中应控制整治建筑物数量与长度。

3)仅采用IFIM中WUA最大评价会导致因未考虑栖息地破碎化以及连通性而选择破碎化程度高、连通性较差的方案作为推荐整治方案,如本研究中的方案4。而采用本研究提出的鱼类栖息地综合评价模型,可以综合考虑斑块面积、破碎性和符合特定生物繁衍习性的栖息地功能特征的连通性,既兼顾了栖息地的数量,也能确保栖息地的环境质量,更符合中华鲟的繁殖行为特点,可以更客观全面地反映航道整治工程对中华鲟生境的影响,更适用多种洄游性鱼类栖息地质量评估。

本研究虽然将中华鲟栖息地的适宜性与水深、流速、涡量等建立了联系,但栖息地适宜性的影响因素还比较多,如流量、泥沙、河床形态、基质、水温等,它们都会对栖息地生境质量造成影响,关于这些影响将在后续研究中予以讨论。

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