鄱阳湖枯季水位变化对越冬水鸟生境面积的定量影响

陈炼钢，陈黎明，贾建伟，徐祎凡，栾震宇，施 勇

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）

1 研究背景

鄱阳湖作为我国最大的淡水湖泊，其河湖相的交替转换造就了水陆兼有的独特生境，形成了物种多样性丰富的湿地生态系统，为候鸟越冬提供了理想的栖息地：平均每年有38.4万余只候鸟在此越冬，已观察到112种国际湿地公约指定水鸟[1]；是世界上95%的白鹤和75%的东方白鹳等珍稀水禽种群的越冬场所[2]，也是迄今发现的全球最大的越冬鸿雁群体所在地，数量达3万只以上[3]，被誉为“白鹤之乡”和“候鸟王国”。水位和水深是湖泊湿地生态系统的重要组分，其变化节律直接影响到湖区滩地的淹没和出露日期及持续时间，对鸟类食物资源如植物、鱼类、底栖动物等的产量、分布、物种多样性、群落结构及演替产生直接影响[4-6]；同时也影响到鸟类取食效率、栖息地生境异质性等，进而影响水鸟群落结构及数量[7-9]。鄱阳湖水位变化受流域“五河”和长江来水的双重影响，长期以来形成了固有的丰枯变化节律；然而，21世纪以来受长江及“五河”上游水库群运用等的影响，鄱阳湖枯水节律发生了明显变化：枯水期提前、枯水历时延长，最低枯水位更枯[10]。为了应对新的枯水情势，江西省提出兴建鄱阳湖水利枢纽工程按照“调枯不控洪”的方式保障枯水期的“三生”用水。该工程建议一提出就引起国内外广泛关注，其中湿地与越冬水鸟保护是焦点问题之一，天然水位节律的彻底改变对鄱阳湖湿地生态系统的影响尚不明晰[11]。

已有的水位变化对鄱阳湖越冬水鸟的影响研究集中在以下2 个方面：（1）水位对鸟类数量分布、种群结构及行为活动的影响，主要的研究手段是观测和统计分析[1，9，11，12-16]，已形成了一些定性和半定量的共识“平水对鸟类越冬最为有利、高水有害、低水影响不明显”[1，11-12]；但由于水位是通过食物资源、栖息地等其它因素的变化间接影响鸟类，且已有的分析和判断都是基于有限的观测，因此存在着难以回避的不确定性。（2）水位对栖息地面积、分布等的影响，主要的研究手段是观测和遥感解译，通过有限的观测散点获得特征水位下栖息地面积及分布规律[15-20]，同样由于数据有限导致所得规律不确定性较大，目前尚未见到通过长系列栖息地连续模拟建立水位对栖息地定量影响函数的研究及成果。栖息地模拟将物理生境因子条件和生物本身的需求结合起来，模拟河湖水位流量和特定物种或群落适宜生境分布之间的定量关系，获得保护水生生物的生态水位和流量，为河湖水资源合理开发利用提供依据[21]。栖息地模拟被认为是生态需水计算中较为可靠的方法，一经提出便被各国广泛采用到工程实践中[22]。因此，本文在构建鄱阳湖越冬水鸟栖息地数值模拟模型的基础上，以水深作为关键生境因子，通过长系列的连续模拟建立越冬水鸟生境面积与枯季水位之间的定量响应函数，揭示越冬水鸟的适宜生态水位区间，为江湖新水沙条件下鄱阳湖枯季生态水位保障提供量化依据。

2 模型与方法

鄱阳湖越冬水鸟栖息地模拟由物理生境因子时空分布模拟和生境适宜度评价2部分组成，对以白鹤为指示物种的越冬水鸟种群生存、繁殖的生境进行评价，量化枯季水位变化对越冬水鸟潜在生境面积的影响，为枯季生态水位调控提供依据。

2.1 物理生境因子模拟鄱阳湖越冬水鸟物理生境因子时空变化模拟基于环境流体动力学模型EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code），该模型包括水动力、温热、水质和泥沙等模块。EFDC 是美国国家环保署USEPA 法定推荐的水系统模拟模型之一[23]，被广泛用于模拟河流、河口、湖泊、水库，湿地系统以及自近岸到陆架的海域一维、二维和三维流场、物质输运（包括温、盐、黏性和非黏性泥沙的输运）、生态过程及淡水入流，能同时考虑风、浪、潮、径流的影响，并可以设置水工建筑物[24]。本次物理生境因子模拟主要用到EFDC的水动力模块，其水动力学方程采用垂向静压假定，在水平方向上采用曲线正交坐标，垂直方向上采用σ坐标变换，沿重力方向分层求解三维紊动黏性方程，模型主要方程见文献[25]。

鄱阳湖入湖水系较多，模型上边界设为“五河七口”入流，分别为赣江-外洲站、抚河-李家渡站、信江-梅港站、饶河-渡峰坑和石镇街站、修水-虬津站和万家埠站，下边界采用湖口水位（位置如图1所示）。鄱阳湖丰、枯水期水位及湖面面积变化显著：枯水期时呈现明显的“河相”，水流只在河道深槽中流动，大部分滩地显露；丰水期时呈现明显的“湖相”，湖面宽广，水流趋于静止。因此，为了能够精确的模拟鄱阳湖年内河湖相的交替变化过程和充分反映计算域的特征，采用曲线正交贴体网格对计算域进行剖分，网格剖分时尽量沿主河槽或者堤防，使水流方向尽可能真实体现流动状态，精确的概化出河道、滩地、岛屿等边界的过度衔接，并对湖区内主槽中网格进行加密处理。最终水平网格数量14 110个，范围覆盖了“五河”下游尾闾地区和整个丰水期时的湖面，且将已与主湖分隔的军山湖剥离出计算域，共计3292 km2，如图2所示，绝大部分网格尺寸在200～500 m之间，湖区内主槽网格小至150 m左右，部分滩地网格大至1000 m左右。由于本文主要模拟水深的变化，因此垂向设置为1层以提高模型计算效率。湖床高程采用鄱阳湖2011年1∶1万实测水下地形资料进行插值，插值后浅水区的地形如图2所示，可见深槽、滩地等都得到了合理的反映，说明模型采用的网格能清晰地描述鄱阳湖地形的变化。

图1 鄱阳湖水系概化

图2 鄱阳湖网格剖分及浅水区地形

2.2 生境适宜度评价鄱阳湖越冬水鸟生境适宜度评价采用全球广为应用的适宜度曲线法[26]。适宜度曲线以生境因子的数值为横坐标，以目标物种对此生境因子的适宜度为纵坐标，建立目标物种对单个生境因子的偏好与生境因子之间关系的连续曲线，能定量描述物理栖息地特征与物种在该条件下的生存质量。用0～1的数值定义目标物种对生境因子的偏好，曲线的峰值代表生物对该因子的最适宜或最喜爱的范围。用来作为水生生物栖息地模拟的生境因子主要包括水深、流速、底质、含沙量和水温等，关键生境因子的遴选是生境模拟准确与否的关键[22]。冬季水深是影响水鸟取食的决定性因子：水位过高，水鸟不能正常取食苦草等沉水植物的块茎；水位过低，苦草等水鸟喜好的食物易枯死，且泥滩表面基质干燥也妨碍水鸟正常取食[11，16]。因此，本文选择水深作为鄱阳湖水鸟越冬的关键生境因子。

表1列出了代表性越冬水鸟的觅食水深[1，3，27]，可见0～60 cm浅水区是大多数水鸟的觅食水深范围，其中20～40 cm是大多数水鸟的最适觅食水深（适宜度指数取值1）；据此制定水深适宜度曲线如图3所示。

表1 鄱阳湖代表性越冬水鸟觅食水深

根据各网格单元水深及其适宜度指数采用加权可用面积法[28]计算鄱阳湖越冬水鸟适宜生境面积，见式（1）。

式中：WUA为加权可用生境面积，km2；Ai为第i个网格单元的面积，km2；SIi为第i个网格单元的生境适宜度。

图3 水深适宜度曲线

3 结果与讨论

3.1 越冬水鸟潜在生境面积随水位的变化规律2008年9月28日三峡水库开始175 m正常蓄水位的试验性蓄水，因此模型从2008年9月开始滚动计算至2017年12月。根据鄱阳湖代表性越冬水鸟迁徙节律（表2）[1，3]，选择大多数水鸟峰值时段（12月至次年1月）进行统计分析。

表2 鄱阳湖代表性越冬水鸟迁徙节律

EFDC 水动力模块的关键参数为床面粗糙高度，经率定后取值在0.023～0.030 m之间。模型对鄱阳湖区星子站、吴城（修水）站、吴城（赣江）站、棠荫站、鄱阳站、龙口站、康山站和都昌站8 个站（位置见图1）的水位进行验证，绝大部分时段水位误差控制在0.15 m 以内；鄱阳湖代表性水位控制站星子站分析时段（12月至次年1月）内水位模拟值与实测值的对比如图4所示（与吴淞基面高差-0.09 m，与国家85 高程基面高差-1.929 m）。可见，基于EFDC 构建的湖区水动力模型能很好的模拟鄱阳湖水位的时空分布变化。

图4 星子站水位验证

根据星子站实测水位和模拟计算的越冬水鸟潜在适宜生境面积相关图（图5），采用门限回归法建立鄱阳湖越冬水鸟潜在适宜生境面积对枯季水位变化的定量响应关系（见式（2））。此外，统计分析星子站实测水位和模拟计算0～60 cm浅水区面积之间的相关关系（见图（6）和式（3））。

图5 潜在适宜生境面积随水位变化

图6 浅水区面积随水位变化

式中：WUA为潜在适宜生境面积，km2；Z为星子站水位，m；A为0～60 cm浅水区面积，km2。

从图5和图6可见，潜在适宜生境面积和浅水区面积均在星子站水位11.7 m左右达到最大，分别为564 km2和912 km2；随着水位的升高，潜在适宜生境面积和浅水区面积均急剧下降；而随着水位的降低，潜在适宜生境面积和浅水区面积先下降然后基本稳定并略有抬升；潜在适宜生境面积在星子站水位9.56 m 时达到最小为476 km2，随后基本稳定在500 km2上下；而浅水区面积则在星子站水位10.37 m时达到最小为806 km2，随后基本稳定在800～850 km2。这一规律的形成是由于鄱阳湖区存在大量的蝶形子湖且湖底平坦，当主槽水位下降到某一阈值后蝶形子湖与主槽分离，湖区水面面积趋于稳定，并随着水位的进一步下降更多的水域变为浅水区。

3.2 三峡运用后生境面积的变化基于1991—2017年星子站逐日水位序列，采用本文建立的潜在适宜生境、浅水区面积与星子站水位的函数计算越冬水鸟潜在生境面积的长系列变化，并以2003年6月三峡水库蓄水运用为分界点分析三峡运用前后鄱阳湖越冬水鸟潜在生境面积的变化特征，结果见表3。从表3可见，三峡运用前后鄱阳湖越冬水鸟潜在生境面积变化的统计特征保持基本稳定：三峡运用后潜在适宜生境和浅水区平均面积相比运用前仅略微增加，增幅分别为1.02%和1.97%；三峡运用后生境面积变化趋于稳定，扰动幅度减小，潜在适宜生境和浅水区面积序列标准差在三峡运用后减小近50%。扰动对维持生态系统的弹性及物种多样性等具有重要意义，三峡运用后鄱阳湖越冬水鸟潜在生境面积扰动幅度的减小是否会对其湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更长时段的观察和更深入的研究。

表3 三峡运用前后鄱阳湖枯季越冬水鸟生境面积变化

2008年三峡水库开始175 m 试验性蓄水，当年最高蓄至172.80 m；2009年最高蓄至171.43 m；2010年之后均蓄至预定的175 m。基于鄱阳湖枯季越冬水鸟生境数值模拟结果，统计分析三峡175 m试验性蓄水后水鸟峰值月份生境的变化，结果见表4。从表4可见，三峡175m试验性蓄水后鄱阳湖枯季越冬水鸟潜在适宜生境及浅水区面积均保持基本稳定，潜在适宜生境面积偏离最大值幅度基本控制在15%以内；仅2015年12月偏小幅度达到20%以上，原因是当年冬汛导致同期长江干流水位偏高及五河来水偏大。

表4 三峡175m试验性蓄水后鄱阳湖枯季越冬水鸟生境面积

3.3 拟建鄱阳湖水利枢纽对生境面积的影响拟建鄱阳湖水利枢纽选择在鄱阳湖入江水道的屏峰山与长岭山之间建闸，上距星子县城约12 km、下至鄱阳湖入长江口约27 km（位置见图1）。论证中的鄱阳湖大闸水位调控分为5个时段：下闸蓄水期（9月1日—20日）、长江上游水库蓄水调节期（9月21日—10月31日）、补偿调节期（11月1日—次年2月28日）、低枯水位调控期（3月1日—31日）、江湖连通期（4月1日—8月31日）[29-30]。越冬水鸟数量峰值时段（12月—次年1月）处于补偿调节期，该时段内建议的水位调控方案有6种：16、14、13、12、11和10 m[2-3，29-30]。采用本文建立的生境面积与水位的函数关系，评价不同调控方案对鄱阳湖越冬水鸟生境面积的影响，结果见表5。从表5可见，从维持越冬水鸟最佳生境面积出发，鄱阳湖大闸补偿调节期特别是越冬候鸟数量峰值期内水位应控制在11～12 m之间，适宜生境及浅水区面积与最大值相比偏小幅度均在10%以内。然而，建闸调控将导致生境面积扰动幅度减小，其是否会对湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更深入的研究。

表5 鄱阳湖大闸补偿调节期控制水位对生境面积的影响

为科学论证鄱阳湖水利枢纽的可行性，江西省政府邀请国内权威机构专家从江湖关系、泥沙冲淤、防洪、水质、湿地与候鸟、水生动物等6个方面开展专题研究和论证。其中“湿地与候鸟”专题指出“要使鄱阳湖水利枢纽工程不对鄱阳湖湿地和水鸟造成灾难性影响，至少需要保持目前80%以上的草洲、泥沙滩和浅水水域作为水鸟栖息地”[3]。按照这一判定标准，补偿调节期特别是越冬候鸟数量峰值期内鄱阳湖水位不宜超过12.5 m，此时潜在适宜生境及浅水区面积相比最大值减幅分别为15.84%和18.81%。

4 结语

基于EFDC水动力学模型和生境适宜度曲线，构建了鄱阳湖枯季越冬水鸟栖息地数值模拟模型；以水深作为关键生境因子，对2008年9月三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖枯季越冬水鸟潜在生境面积变化进行了连续模拟。

（1）以星子站水位作为鄱阳湖代表性控制水位，建立了越冬水鸟潜在适宜生境面积和浅水区（≤60 cm）面积变化与水位的定量响应函数，揭示了越冬水鸟枯季生境面积随水位的变化规律：星子站水位11.7 m 左右生境面积达到最大，潜在适宜生境最大面积和浅水区最大面积分别为564 km2和912 km2；随着水位的升高，生境面积急剧下降；随着水位的降低，生境面积先下降然后基本稳定并略有抬升。

（2）三峡水库运用前后鄱阳湖枯季越冬水鸟潜在生境面积保持总体稳定：三峡运用后潜在适宜生境和浅水区面积均值相比运用前仅略微增加1.02%和1.97%；2008年175 m 试验性蓄水后，潜在适宜生境和浅水区面积相比其最大值偏小幅度基本控制在15%以内。然而，三峡运用后生境面积变化趋于稳定，扰动幅度减小近50%，其长远的生态影响有待更长时段的观察和更深入的研究。

（3）针对拟建的鄱阳湖水利枢纽工程，分析计算了不同水位调控方案下枯季越冬水鸟生境面积的变化，结果显示补偿调节期特别是越冬候鸟数量峰值期内鄱阳湖水位不宜超过12.5 m，11～12 m 之间对越冬水鸟保护影响最小，其生境面积相比最大值偏小幅度在10%以内。然而，建闸调控将导致生境面积扰动幅度减小，其是否会对其湿地生态系统产生不可逆的不利影响有待更深入的研究。

水深仅是越冬水鸟栖息地的一个生境因子，食物资源、人类干扰、湖床底质等都会影响水鸟对栖息地的选择，下阶段应构建复合生境因子作用下的鄱阳湖栖息地数值模拟模型，为越冬水鸟的保护提供更为全面深入的科学依据。