基于优先保护鱼类识别的澜沧江中下游生态流量*

彭为，刘丙军，邱江潮，曾慧，张明珠，李丹

(1.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275； 2.华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广东 广州 510275； 3.中山大学土木工程学院，广东 珠海 519082； 4.广州市水务科学研究所，广东 广州 510220)

河道内生态流量是目前国内外广泛关注的热点，其准确计算关系到河道生态系统稳定[1]。当前，生态流量计算的方法大体分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体法4类。其中，水文学法和水力学法操作简单、数据需求量小，但这两种方法没有明确的生态目标，缺乏生物学基础，不能反映河流水生生态系统的实际需求；整体法考虑了生态系统及生物种群的完整性，所需资料复杂，且需要多领域专家及公众参与评价，难以广泛应用；栖息地法以水生生物为保护目标，定量评估其生境质量与流量的关系，确定适宜水生生物生存繁殖的流量，被认为是最可靠的生态流量评估方法[2]，在国内外生态流量评估中应用广泛，如Stamou等[3]构建了水文-水动力-生境综合模型，确定了斯佩耳刻俄斯河白鲑的生态流量；Wen等[4]采用PHABSIM模型量化了华南鲤和红魾的生态需求。该方法的关键是合理选取目标物种，然而现阶段多数研究直接选择研究区域珍稀鱼类或经济鱼类作为目标物种，如中华鲟[5]、褐鳟[6]、裂腹鱼[7]等，主观性较强。如何识别研究区域重点保护物种，是当前栖息地法亟待解决的问题之一。基于此，本文选取梯级高密度开发的澜沧江中下游地区为研究区，通过构建河道优先保护鱼类评估方法，识别了该地区优先保护鱼类；基于河道内流量增量法，构建中国结鱼成年期和产卵期适宜性曲线，建立生境适宜度指标与流量的关系曲线，确定中国结鱼产卵期、成年期的最适生态流量和适宜生态流量范围，并与Tennant法进行对比，分析了该方法的适用性，以期为该河流生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

澜沧江发源于青海省唐古拉山，流经西藏、云南出境后称湄公河(图1)。在中国境内，澜沧江长约2 161 km，流域面积约16.74万km2，多年平均径流量约640亿m3。澜沧江流域地形地貌多样、气候类型复杂，为水生生物提供了适宜的栖息场所，流域分布有鱼类174种，珍稀特有鱼类众多，具有极大的生态价值和经济价值[8]。由于水力资源丰富，澜沧江干流中下游规划建设有8座水电站，目前已建成6座，准确估算生态流量，对于梯级电站开展生态调度具有重要作用。因此，本文选取景洪-橄榄坝作为澜沧江中下游鱼类栖息地保护研究区，估算适宜鱼类生长繁殖的生态流量，为澜沧江流域生态调度提供理论依据。

2 澜沧江中下游地区优先保护鱼类识别

2.1 优先保护鱼类评估方法

优先保护鱼类识别需要考虑的因素主要包括鱼类种群特征及现状(如食性等级、繁殖年龄[9])、环境变化对物种的影响(如污染、过度利用[10-11])以及物种本身的保护价值(如种型、经济价值[12])等。本文结合澜沧江中下游生态系统的特点，构建了由风险系数、干扰系数、价值系数3个子系统组成的优先保护鱼类评估方法。其中，风险系数用以表示鱼类在自然分布状态下其种群的濒危程度，包含资源现状、食性等级、鱼类大小、繁殖年龄、产卵时长、种群结构6个指标，如某种鱼类种群数量越少、食物和生存空间需求越高、正常繁殖年龄越大、一年中产卵时间越短、种群结构越不稳定，则种群灭绝风险越高；干扰系数表示某种鱼类受人类活动干扰的程度，包含过度利用、工程阻隔、水体污染3个指标，生态系统的敏感性取决于最敏感的物种，优先保护对人类干扰更敏感的鱼类，有利于确保整个生态系统的稳定；价值系数表示某种鱼类的价值大小，包含特有情况、种型情况、经济价值3个指标，具有较高潜在遗传价值和经济价值的鱼类应当优先保护；各指标赋值范围为1分(优先保护级别低) 到4分(优先保护级别高)，具体评分标准如表1所示。通过对重要保护鱼类评分，并采用熵权法计算指标权重，得到各种鱼类评分的加权平均值，即优先保护指数，指数范围为1～4分，优先保护指数越高的鱼类，优先保护次序越靠前。

图1 澜沧江梯级电站及鱼类产卵场分布图Fig.1 Distribution of the cascade hydropower station and fish spawning grounds in the Lancang River

表1 优先保护鱼类评估方法评价指标及评分标准
Table 1 Evaluation indicators and scoring criteria for the assessment of priority protected fishes

系统层权重/%指标层权重/%评分等级/分1234风险系数52.59资源现状11.64常见偶见稀有很少食性等级8.94藻类、植物等浮游生物等水生昆虫等其它鱼类鱼类大小/cm8.160～1516～3031～50≥51繁殖年龄/龄7.60≤11～23～4≥4产卵时长/月8.30≥543≤2种群结构7.96稳定型间歇型衰退型极度衰退型干扰系数23.15过度利用8.41工程阻隔7.28水体污染7.45轻微中度高度剧烈价值系数24.26特有情况8.44非特有中国特有流域特有河段特有种型情况6.99多型属种少型属种(2～3种/属)单型属种少型科种(2～3种/科)经济价值8.83低中高珍贵

2.2 优先保护鱼类识别结果

澜沧江中下游主要为东洋区系鱼类提供栖息场所[13]，本文根据刘明典等[14]整理的澜沧江云南段鱼类的组成与分布情况，初步筛选了18种受威胁程度较高的东洋区系鱼类作为评价对象，根据优先保护鱼类评估方法及评分标准，对18种鱼类进行评分，并通过熵权法确定指标权重(如表1所示)，加权平均得到各鱼类的优先保护指数，从而确定鱼类的优先保护次序，澜沧江中下游鱼类评分及优先保护次序评估结果见表2。

表2 澜沧江中下游鱼类评分及优先保护次序评估结果Table 2 Evaluation results of priority protected species in the middle and lower reaches of the Lancang River

由表2可以看出，中国结鱼、大鳍鱼、湄南缺鳍鲇、鲃鲤等4种鱼类优先保护指数高于2.8分(总分4分)，其中，中国结鱼优先保护指数超过3.0分，为澜沧江中下游优先保护次序最高的鱼类。中国结鱼产卵期为7～9月，在急流中繁殖，需要较大的流量，而由于梯级电站的削峰补枯作用，7～9月径流过程减弱，中国结鱼的产卵需求较其它鱼类往往更难得到满足。因此，可以认为，在满足中国结鱼生长繁殖需求的流量条件下，基本可以保障澜沧江中下游其它鱼类的生长需要，维持河流生态系统的稳定。

3 澜沧江中下游地区生态流量计算

3.1 河道内流量增量法

河道内流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology，IFIM)在栖息地法中应用最为广泛，该方法耦合栖息地模型和水动力模型，建立河道流量与目标鱼类栖息地可利用性之间的关系，从而确定生态流量。

栖息地模型以综合适宜性指数(composite suitability index，CSI)[15]量化目标鱼类对栖息地流速、水深和底质等环境因子的喜好程度，范围从0到最适宜1，值越大代表适宜性越好，即鱼类出现频率越高，其计算公式为：

(1)

式中，i为计算单元，CSIi为各计算单元的综合适宜性指数，Di、Vi、Ci分别为各计算单元的水深适宜性指数、流速适宜性指数、底质适宜性指数。

中国结鱼幼鱼期通常生活在支流中，成鱼期栖息于干流河道水流较缓处，7～9月寻找流速较大的区域产卵，对流量需求较高，是梯级电站生态调度的关注重点，因此本文将中国结鱼生长概化为两个时期：一般成年期和产卵期，分别估算景洪-橄榄坝江段适宜中国结鱼生长和繁殖的生态流量。Yi等[16]在漫湾坝下至江边河段建立了中国结鱼栖息地适宜度模拟模型，认为其产卵期适宜流速、水深分别为0～5 m/s、0～30 m，成鱼期适宜流速、水深分别为0～3 m/s、0～25 m；高超[17]认为中国结鱼产卵期适宜流速、水深分别为0～4.8 m/s、0～10 m；王莹[18]模拟了罗梭江不同流量级的水力学特征，认为中国结鱼产卵期适宜流速、水深分别为0～4.57 m/s、0～9.48 m，成鱼期适宜流速、水深分别为0～2.03 m/s、0～6.23 m。综合以上研究，本文构建了中国结鱼产卵期和成年期的流速、水深适宜性曲线(图2)，产卵期适宜流速为0～5 m/s，适宜水深为0～15 m，成年期适宜流速、水深分别为0～3 m/s、0～10 m。由于缺少鱼类对底质的适宜性资料，默认底质适宜性指数为1。

图2 中国结鱼适宜性曲线Fig.2 The curves of suitability of Tor sinensis for the water flow velocity and depth in a river

加权可利用面积(Weighted Usable Area，WUA)是IFIM法中反映栖息地适宜程度的指标，但它并非栖息地实际利用面积，为便于说明，本文将其转换为水力生境适宜性指数(Hydraulic habitat suitability index，HHSI)[19]来表征鱼类对整个研究区域的适应性情况，水力生境适宜性指数HHSI定义为研究区域加权可利用面积占区域总面积的比值。其计算公式为：

(2)

式中，Ai是每个网格单元的面积，N为计算单元的数量。

HHSI体现的是鱼类对栖息地的整体适应情况，但不足以准确的反映生境质量，例如以极高、极低适宜度为主的栖息地，HHSI可能与以中等适宜度为主的栖息地相同，但由于鱼类趋利避害的本能，将优先选择具有极高适宜度的栖息地。因此，本文引入不同适宜度面积比例进一步评估不同流量对鱼类栖息地适宜程度的影响。定义CSI大于0.7为高适宜生境，0.3～0.7为中适宜生境，小于0.3为低适宜生境，高适宜生境面积比例(ideal suitable proportion, ISP)、中适宜生境面积比例(middle suitable proportion, MSP)和低适宜生境面积比例(low suitable proportion, LSP)[20]计算公式为：

(3)

(4)

(5)

本文利用Mike21软件构建澜沧江中下游景洪-橄榄坝河段的二维水动力模型，模型上边界采用流量边界，流量范围为500～4 500 m3/s，下边界为橄榄坝水位流量关系曲线，将模拟结果与实测数据[21]对比，确定河段糙率范围为0.025～0.050。

3.2 生态流量估算结果

利用Mike21 软件模拟了不同流量条件下景洪-橄榄坝河段流速、水深分布情况，结合中国结鱼产卵期和成年期的流速、水深适宜性曲线，得到中国结鱼产卵期和成年期的生境适宜度指标与流量的关系，如图3和4所示。

1)由图3可以看出，当流量为3 600 m3/s时， HHSI达到最大值63.32%， ISP仅为38.61%，而MSP高达52.34%；当流量为2 100 m3/s时， HHSI为59.66%，略小于3 600 m3/s流量时的值，而ISP达到最大值44.81%，是3 600 m3/s流量下ISP值的1.16倍。鱼类总是趋向于选择最有利于其生存和繁衍的环境作为栖息地，从ISP来看，2 100 m3/s流量条件更适宜于鱼类繁殖需求，因此可认为中国结鱼产卵期最适生态流量为2 100 m3/s。

生态流量不是一个固定值，而是在一个阈值区间内变化。已有研究表明，可利用栖息地面积在最大值的90%以上时可以较好的满足鱼类生存繁殖需求[22]，因此本文提出将HHSI和ISP均达到其最大值90%以上的流量范围作为适宜生态流量范围。中国结鱼产卵期的HHSI和ISP分别在流量范围为1 700～4 500 m3/s以及700～3 300 m3/s时达到其最大值的90%，故中国结鱼产卵期的适宜生态流量范围为1 700～3 300 m3/s。

2)由图4可知，流量为500～1200 m3/s时，中国结鱼成年期的HHSI和ISP均随着流量的增加而增加，最大值分别为64.34%和67.31%；流量为1200～2200 m3/s时，由于流速和水深增加，超出中国结鱼成年期的最适范围，ISP迅速减小，但由于MSP仍在继续增加，HHSI下降幅度相对较小，稳定在较高水平；当流量大于2 200 m3/s时，ISP不断减小，LSP迅速增加，使得HHSI迅速减小；因此中国结鱼成年期最适生态流量为1 200 m3/s，HHSI和ISP分别在流量范围为700～2 200 m3/s以及800～1 500 m3/s时达到其最大值的90%，故成年期的适宜生态流量范围为800～1 500 m3/s。

图3 中国结鱼产卵期生境适宜度指标与流量的关系Fig.3 Relationship between habitat suitability index and flow rate during spawning period of Tor sinensis

图4 中国结鱼成年期生境适宜度指标与流量的关系Fig.4 Relationship between habitat suitability index and flow rate during adulthood of Tor sinensis

为了评价计算结果的合理性，本文将IFIM法所得结果与Tennant法进行对比。Tennant法是国内外应用最为广泛的生态流量评估方法，它以多年平均流量为基础，探讨不同百分比流量下(10%～200%)水域生态环境的表现状况，以此来制定不同保护目标下的河流生态流量。本文以景洪坝下的允景洪水文站1953～2007年径流为基础，采用Tennant法计算生态流量，所得结果如表3所示，其中最佳生态流量为多年平均流量(1 806 m3/s)的60%～100%， 即1 084～1 806 m3/s。中国结鱼成年期最适生态流量1 200 m3/s位于Tennant法鱼类成年期的最佳等级，适宜生态流量范围800～1 500 m3/s介于很好与最佳之间，可见成鱼期生态流量计算结果较为合理。产卵期最适生态流量2 100 m3/s和适宜生态流量范围1 700～3 300 m3/s均介于Tennant法鱼类产卵期最佳与最大之间，计算结果相对Tennant偏大，这是由于IFIM法考虑了中国结鱼产卵期对流速和水深的较高要求，计算结果更能反映中国结鱼产卵时的实际流量需求。

表3 Tennant法生态流量计算结果Table 3 Calculation results of the ecologiacl flow based on Tennant method

4 结 论

本文选取澜沧江中下游为研究区，基于河道鱼类优先保护次序评估方法，识别了该地区优先保护鱼类；基于河道内流量增量法，研究了该地区优先保护鱼类的适宜生态流量，并与Tennant法对比，得到如下结论：

1)以鱼类为关键鱼类，构建了由风险系数、干扰系数、价值系数3个子系统组成的优先保护鱼类评估方法，评估了澜沧江中下游18种受威胁程度较高的东洋区系鱼类的优先保护指数，识别出澜沧江中下游优先保护等级最高的鱼类为中国结鱼；

2)构建了中国结鱼产卵期和成年期的流速、水深适宜性曲线，并与景洪-橄榄坝河段水动力模型相结合，估算得到中国结鱼产卵期最适生态流量为2 100 m3/s，适宜生态流量范围为1 700～3 300 m3/s；成年期最适生态流量为1 200 m3/s，适宜生态流量范围为800～1 500 m3/s，计算考虑了鱼类生长繁殖的实际需求，结果合理可靠。