漓江枯水期流量变化对鱼类栖息地的影响模拟

黄月群,蔡德所,杨培思,陈俊华

1.广西大学土木建筑工程学院,南宁530004

2.桂林理工大学,广西矿冶与环境科学实验中心,桂林541004

1 前言

河流生物栖息地评估是评价水资源是否科学合理分配以及评价河流生态修复效果的一种有效方法,对河流水资源的分配及管理、河流生态修复及水生态环境保护起到了重要的指导作用。栖息地模拟法是河流生物栖息地评估的一种常见方法,其采用河道内流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology,简称IFIM)将水力学模型和生物信息模型结合起来,建立鱼类适宜栖息地与流量之间的定量关系来评价流量变化对鱼类栖息地的影响,为确定最理想的河流生态流量和解决水资源分配问题提供参考依据。

目前采用二维模型来模拟河流生物栖息地的研究也逐渐增多,如River 2D模型采用水力模型模拟出河流局部流速、流向及水深,采用精确的生境适宜性指数模拟出鱼类适宜栖息地面积。谭燕平等人利用River 2D软件模拟雅砻江锦屏大河湾特征河段目标物种适宜栖息地面积的变化情况,定性描述鱼类适宜栖息地分布随流量变化的关系[1];孙嘉宁等人采用River 2D对白鹤滩水库回水支流黑水河进行水动力模拟和鱼类栖息地模拟,根据加权可利用面积分析蓄水前后鱼类适宜物理栖息地的数量和质量变化[2]。孙莹等人利用二维软件模拟了河流生态修复前后鱼类栖息地面积的变化特征[3]。李向阳等人提出河道整治中要考虑鱼类栖息地的影响[4]。李平等人利用River 2D软件模拟洪泛区林地开发对鱼类栖息地面积的影响,评价了河漫滩糙率的改变对河流鱼类栖息地造成的影响[5]。鉴于上述研究成果,本文以漓江桂林市区河段为研究对象,采用河流二维模型对漓江枯水期成年鲤栖息地随流量变化进行模拟研究。

2 研究区枯水期概况

本文研究河段为漓江桂林市区段,由桂林水文站至南洲大桥,长为12.86 km(见图1),两岸地面标高在132—154 m之间,河槽宽在125—585 m之间,河岸高3—5 m,研究段河床平均比降为0.44‰。河床由砂、卵石组成,并常年长有水草,枯水期河滩水深小于1 m。历史上漓江市区河段多年平均最枯流量为10.8 m3·s-1,最低水位为140.18 m(1989年),历史实测最枯流量仅为3.8 m3·s-1(1951年2月),基本处于断流状态[6]。枯水期为每年的12月至次年2月,长期严重缺水导致河道水量几乎枯竭。在枯水期间,漓江河道干涸、生物栖息地严重萎缩,生物多样性显著下降,特别是一些珍稀鱼类由于无法适应现今的生态环境而出现灭绝,严重影响漓江的生物结构群落。

图1 研究河段Fig.1 The study river section

2006年10月广西桂林气象和水文部门联手首次制定了主要江河枯水位指标及相应流量,确定漓江桂林水文站枯水位标准为141.00m,流量为45m3·s-1,此指标的制定在全国尚属首例。如果漓江水位低于这一指标则为枯水期,表明会对生态环境、水质、漓江景观等产生重要影响[7]。此外,从漓江流域生态环境、旅游通航、城市建设及水资源配置方案等多方面综合分析,根据一、二、三期补水工程联合向漓江补水后,桂林水文站断面的最小生态需水量为60 m3·s-1,可使漓江全线生态环境状态达到好至很好状态,基本解决漓江枯水期的断航问题。

因此,本文通过采用河道内流量增加法,建立漓江桂林市区河段在枯水期历史实测最枯流量3.8m3·s-1、枯水期标准流量45 m3·s-1和生态补水量60 m3·s-1三种不同流量情况下成年鲤的栖息地模型,分析漓江枯水期成年鲤有效栖息地面积与流量之间的定量关系,评价流量变化对成年鲤栖息地的影响。

3 研究河段栖息地模拟分析

3.1 河流二维模型简介

河流二维模型是基于二维水力模拟与计算单元为三角形来计算加权可利用面积(Weighted Usable Area,简称WUA,也称有效栖息地面积)的一种模型,其与传统一维栖息地模型的基本原理是一致的,但是河流二维模型的水力模拟对局部流态的模拟更为准确,更优于传统一维栖息地模型。河流二维模型通过模拟研究河段不同流量下水深和流速的分布情况,演算目标生物的栖息地数量即有效栖息地面积WUA,确定其适宜生存的可利用面积和流量之间的定量关系,可提供更准确的栖息地适宜性及有效面积模拟效果。其主要有以下四个步骤:编辑研究河段的河床地形文件;对编辑好的河床地形文件进行有限单元网格化;运行并模拟不同流量下水深和流速的分布情况;根据鱼类适宜性曲线、河道基质及覆盖物生态适宜性曲线演算出研究河段的有效栖息地面积 WUA[8–9]。

3.2 河道适宜性指数的确定

根据《广西淡水鱼类志(第二版)》漓江鱼类以鲤科为最多[10]。因此,本文选取成年鲤作为指示物种。通过在河流二维模型中导入河床文件,进行河流流场计算,在Channel Index命令下导入三个影响因子(水深、流速和河道指标)的适宜性曲线与河流流场计算相结合进行河流栖息地模拟。

适宜性曲线考虑研究河段的天然水力学条件并结合前人有关鱼类适宜性曲线的研究成果来确定[11–13]。其水深和流速适宜性曲线最佳水深范围为1.0 m—1.5 m,最佳流速范围为0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,河道基质及覆盖物生态适宜性值都取为1,忽略其对鱼类栖息地的影响[14–16]。

3.3 模拟结果分析

图2 三种不同流量研究段面的水深曲线图Fig.2 Depth curves of three different flows

通过河流二维模拟漓江流域桂林市区河段成年鲤在历史实测最枯流量3.8 m3·s-1、枯水期标准流量45 m3·s-1和生态补水量 60 m3·s-1三种不同流量情况下成年鲤的有效栖息地面积。

(1)研究河段水深分布情况

研究河段三种不同流量下的水深分布如图2所示。模拟结果表明历史实测最枯流量3.8 m3·s-1时水面宽度为85 m,水深为0 m—1.0 m,低于鲤栖息地最佳水深范围1.0 m—1.5 m,此时河床严重裸露,成年鲤几乎无栖息地可栖息;枯水期标准流量45 m3·s-1时水面宽度为125 m,水深为0 m—2.2 m,生态补水流量60 m3·s-1时水面宽度为135 m,水深为0 m—2.4 m,此时这两种流量下的水深均大于鲤科栖息地最佳水深范围1.0 m—1.5 m,对成年鲤栖息地影响不大。

模拟结果表明生态补水流量60 m3·s-1时的水深与枯水期标准流量45 m3·s-1时的水深相差不大,说明枯水期标准流量45 m3·s-1可基本满足漓江顺流单向通航要求和生态用水需求,低于此流量标准则会对成年鲤栖息地造成影响。如果枯水期出现流量低于枯水期标准流量45 m3·s-1如历史实测最枯流量3.8 m3·s-1时,在只考虑鱼类栖息地安全情况下只需从上游青狮潭水库增加补水量41.2 m3·s-1即可满足漓江鱼类对栖息地的要求。

(2)研究河段流速分布情况

研究河断在三种不同流量情况下的流速分布情况如图3所示。模拟结果表明历史最枯流量3.8 m3·s-1时平均流速只有0.06 m·s-1,枯水期标准流量45 m3·s-1和生态补水量60 m3·s-1时平均流速为0.23 m·s-1和0.26 m·s-1,两者相差不大。根据适宜性曲线鲤鱼栖息地最佳流速范围0.2 m·s-1—0.6 m·s-1,枯水期标准流量45 m3·s-1和生态补水量60 m3·s-1时均介于适宜性曲线最佳流速范围,说明漓江流量大于枯水期标准流量45 m3·s-1时,漓江水流流速适合鲤鱼对栖息地的要求,而历史最枯流量3.8 m3·s-1时平均流速远远低于该范围,此时河流流速过低,不适合成年鲤栖息。

图3 三种不同流量研究段面的流速曲线图Fig.3 Velocity curves of three different flows

(3)研究河段补水前后有效栖息地面积模拟结果及变化分析

根据研究河段栖息地的流速、水深、基质及覆盖物等得到模拟河段适宜性指数(combined suitability index,简称CSI),其综合函数为f(Vi,Di,Ci)与每个网格单元的面积A即得到模拟河段的WUA值,其公式为:

其中Vi为流速指标;Di为水深指标;Ci为河道指数。本文忽略其对鱼类栖息地的影响,即河道基质及覆盖物生态适宜性取值为1。值得注意的是由于WUA忽略了河道底质、水草覆盖物等非水力因素的影响,因此它不是鱼类实际栖息地使用的真实反映,不能用来衡量总栖息地面积的尺度,适用于河流管理中潜在可用栖息地面积指标的确定[17]。

因此,本文将WUA转换成百分比可用面积(percentages usable area,简称PUA)[18],转换公式如下:

式中,PUA为鱼类有效栖息地面积占研究河段总面积的比值;At为研究河段总面积。

图4 三种不同流量研究河段的有效栖息地WAU值Fig.4 WAU of three different flows

根据模拟及演算结果(见图4),研究河段河道总面积At为 3103895m2, 三种不同流量 3.8 m3·s-1、45 m3·s-1和60 m3·s-1下成年鲤的有效栖息地面积WUA分别为5622 m2、34737 m2和34949 m2。在历史最枯流量3.8 m3·s-1情况下鲤鱼的可用栖息地面积百分比仅占0.18%,几乎没有栖息地可供成年鲤使用。枯水期标准流量 45 m3·s-1和生态补水量 60 m3·s-1分别为1.12%和1.13%,两者相差不大,比历史最枯流量3.8 m3·s-1成年鲤的可用栖息地面积百分比PUA均增加了5倍多,说明漓江成年鲤适宜栖息地随流量增大而增大并由河道中间逐渐向河两边移动。由历史最枯流量3.8 m3·s-1至枯水期标准流量45 m3·s-1变化时成年鲤适宜栖息地面积迅速增大,而由枯水期标准流量45 m3·s-1至生态补水量60 m3·s-1变化时成年鲤适宜栖息地面积变化不大,说明成年鲤的栖息地面积随着流量增加而增大,但增加到了一定的流量,适宜栖息地面积的增长速度明显降低甚至基本保持不变。

在枯水期间,如上游补水工程水资源紧张且只考虑漓江鱼类生态环境及其栖息地情况下,补水后只要漓江过流量不低于45 m3·s-1即可满足成年鲤对栖息地的要求,这与相关部门制定的枯水期水位和流量划分标准是一致的。

4 漓江枯水期鱼类栖息地变化原因分析

对于漓江流域来说,影响枯水期流量大小的因素是错综复杂的,因此枯水期成年鲤栖息地面积变化原因也是多方面的,主要表现在以下几点:

(1)流域地势变化大,河床坡度较陡,枯水期水位变化大

漓江流域地形北高南低,起伏较大,流域河床坡降较大,特别是从大溶江到桂林市区一带河床平均坡降将近1‰。流域内洪水汇流时间短,暴涨暴落,最大实测涨幅约为2.16 m·h-1时,有时一次涨幅甚至可达到5 m之多,特别是在枯水期河槽水位降落大,严重影响了鱼类的栖息地面积。

(2)流域面积较小,相应的河流基流量也小,直接影响到鱼类的栖息地面积

河流的径流量与流域的面积呈指数关系,流域的面积越大,河流的基流也就越大,反之也就亦小。以桂林水文站为控制断面的流域面积约为2762 km2,河流基流量小,从而影响到了流域鱼类的栖息地面积。

(3)降雨量年内分配不均,枯水期较长,河床裸露严重,栖息地严重萎缩

漓江属于山区雨源性的河流,降水量在年内分配不均,枯水期从9月至次年2月,枯水期时间较长,降水量少,部分河床河滩严重裸露,河流生物栖息地面积严重缩小。

(4)枯水期地表水向地下水排泄、补给比较强烈

漓江沿岸均为典型的南方喀斯特地貌,呈地上与地下含水系统结构。在枯水期,由于地下水位低于河流水位而导致流域侧向补给地下水,而流域的地下水运动速度过快导致流域径流在时间上也更为集中,使流域水资源缺乏有意义的天然性季节调节,导致枯水期河流基流量减少,流域栖息地也随之变小。

(5)城市化的快速发展,沿江用水量增长过快,导致河道过水量降低

随着桂林市城镇化的快速发展,沿江两岸用水量也大幅度增长。目前桂林市区饮用水的主要来源是以漓江为取水水源的东镇路水厂、东江水厂和瓦窑水厂三个水厂共4个取水点,总供水能力为35.5×104m3·d-1时, 相当于 4.1 m3·s-1, 超过了漓江流域枯水期的历史最枯流量3.8 m3·s-1,河道过水量降低,影响了鱼类的栖息地面积。

(6)沿江两岸排污口较多,影响了漓江水体质量

沿江两岸特别是在桂林市区河段随处可见入江排污口,污染物来源主要为工业废水、农业污染物以及未经处理的生活污水。漓江自进入市区后,水质污染愈为严重,主要污染物为石油类、氨氮、高锰酸盐指数、粪大肠菌群。特别是在枯水期,来水量少,河道自净能力降低且取水量又逐年增加,极易造成漓江水体的污染,严重影响了河道的生态环境以及鱼类的栖息地。

5 总结

本文选取漓江桂林市区河段为研究范围,采用河流二维模型对枯水期三种流量情况下成年鲤的有效栖息地面积进行了模拟及演算。本文仅从水文生态学的角度对成年鲤的有效栖息地面积进行模拟,没有考虑其本身对河流环境的主动性及栖息地的选择。此外,本文只考虑鲤鱼成鱼阶段栖息地的水深和流速两个因素而忽略了河道指标的影响,因此演算结果不能真正反映鲤鱼的实际栖息地面积,但对于在同一条件下评价漓江流域枯水期及补水前后栖息地面积的变化具有一定的指导及应用意义。在后期的研究工作中,可将上述两种情况加以研究,为漓江鱼类栖息地面积的评估与保护提供更准确的数据依据。

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