基于鱼类栖息地需求的雅鲁藏布江中游环境流量计算

侯 俊，黄喻威，苗令占，邵国毅，吴 淼

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098;2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

水电开发为人类社会创造巨大的经济效益和社会效益的同时，也在改变着河流的水文情势及水流形态，对河道原有的连续性、多样性和完整性造成不利影响[1]。对于特定河流，需要保持一定水量、时间和频率的一系列流量排放[2]。这些流量过程必须保证维持复杂的水生栖息地和河流生态系统健康，被称为“生态流量”“生态用水需求”“环境流量”“环境用水需求”等[3]。2007年第十届国际环境流量大会上发布的“布里斯班宣言”将环境流量描述为“维持河道及河口自然生态系统和维持人类生存发展所依赖的生态系统所需要的水量、时间和水质”[4]。2018年新发布的“布里斯班宣言”对保障环境流量的全球行动计划做了进一步的描述。

目前计算环境流量的方法有200多种[5]，主要包括水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法4类。栖息地模拟法不仅将流量变化与自然栖息地变化联系在一起，还把这一信息应用到具体物种的栖息地需求上，来确定环境流量的范围。最典型的栖息地模拟法是20世纪70年代美国渔业及野生动物署(USWFS)提出的河道内流量增加法(instream flow incremental methodology, IFIM)，考虑了流速、水深、底质等因子变化引起的特定物种处于不同生命阶段的偏好变化，通过模拟计算出不同流量Q条件下栖息地加权可利用面积(weighted usable area, WUA)，根据Q-WUA关系来评估环境流量过程[6]。杨宇等[7]在总结前人研究的基础上，将栖息地水力条件划分为水流特征量、河道特征量和无量纲量，并给出了适用范围；侯俊等[8]运用MIKE数值模拟与栖息地适宜度指数(habitat suitability index, HSI)模型结合的方法，得到了保护息县枢纽工程闸下长春鳊的环境流量；魏卿等[9]运用IFIM和PHABSIM模型得到Q-WUA曲线，并计算得到洪泽湖鳜鱼产卵期最小生态流量；韩仕清等[10]根据目标物种产卵场逐日流量资料，分析构建了水深、流速适宜度曲线，并采用IFIM得到水电站下泄的生态流量。

水生生物生境资料的难于获取是目前制约栖息地模拟法发展的重要因素[11]，目前针对雅鲁藏布江流域特有鱼类及其环境流量需求的研究极少，主要原因也是水文和鱼类生境等基础资料难以获取。本文采用河道内流量增加法对雅鲁藏布江中游河段进行环境流量计算，以期为缺乏生境资料的河流环境流量计算提供思路，同时也为雅鲁藏布江水电开发情况下水生生物栖息地保护提供理论和方法指导。

1 研究区域概况

雅鲁藏布江流域位于西藏境内，流域面积为24.6万km2，平均海拔约4 500 m，干流全长为 2 057 km，流域内总落差为5 435 m，平均水力坡降在中国境内所有大型河流中排首位。雅鲁藏布江有着丰富的水电开发潜力，是西藏水能资源最丰富的河流，其干流和五大支流(多雄藏布江、年楚河、拉萨河、尼洋河、帕隆藏布江)的理论水能蕴藏量约为1.13亿kW，仅次于长江流域。

雅鲁藏布江中游指的是里孜至米林县派镇河段，长约1 340 km，总落差达1 200 m。目前该河段已建成雅鲁藏布江干流上的第一座大型水电站——藏木水电站，并于2015年开始运行。其坝址处多年平均流量为1 010 m3/s，坝址控制流域面积约15.8万km2，水库正常蓄水位为3 310 m，最大坝高为116 m，相应库容约0.866亿m3，电站总装机容量达51万kW，多年平均年发电量约25亿kW·h，是西藏最大的水电开发项目。

根据雅鲁藏布江梯级开发的规划，藏木水电站下游还规划建设米林电站(水库)。根据已掌握的基础资料情况，同时为了排除支流尼洋河(多年平均流量约占其入汇处雅鲁藏布江干流流量的40%)对雅鲁藏布江干流水文情势的干扰，选取藏木水电站下游米林—尼洋河汇口处河段作为本次研究区域。研究区域位于东经94°13′～94°28′、北纬29°14′～29°25′范围内，河段长38.9 km，断面宽为0.25～2.24 km，平均水深约为4.5 m，面积约为 33.4 km2，多年平均流量为1 440 m3/s。选用栖息地模拟法来计算天然状态下该河段维持拉萨裸裂尻鱼产卵繁殖适宜栖息地所需的环境流量，为已建藏木水电站以及日后米林水电站运行过程中水生生物栖息地保护提供理论支持。

在雅鲁藏布江中游主要分布有拉萨裸裂尻鱼、双须叶须鱼、拉萨裂腹鱼、巨须裂腹鱼、异齿裂腹鱼和尖裸鲤共6种裂腹鱼类，是当地特有的土著经济鱼类[12]。李雷等[13]分别在2015年和2017年春季对雅鲁藏布江中游鱼类进行了采样调查，根据打捞物中各鱼类的质量和数量来计算分布频率，统计分析了6种鱼类的相对重要性指数(index of relative importance, IRI)，结果显示异齿裂腹鱼的平均IRI最高，约为 9 800，可视为优势种群;其次为拉萨裸裂尻鱼，平均IRI约为2 200，可视为亚优势种群。另外李雷等[13]在对6种鱼类地理分布范围的调查中发现，在藏木水电站下游江段(朗县、米林)中，仅拉萨裸裂尻鱼和巨须裂腹鱼两次均被采集到样本。因此在研究藏木水电站下游鱼类栖息地需求时拉萨裸裂尻鱼具有较好的代表性。

2 研究方法

2.1 环境流量求解方法

釆用IFIM来计算目标鱼类产卵期环境流量，通过构建研究区域二维水动力模型，得到河段内水深、流速等水力条件，再与鱼类栖息地适宜度模型相结合，建立不同流量和目标鱼种有效栖息地WUA之间的关系，从Q-WUA关系曲线上找出拐点对应的流量作为保障适宜鱼类栖息地的环境流量，来为河流流量过程的生态调控提供依据。

在鱼类栖息地适宜度模型模拟中，一般采用鱼类栖息地适宜度指数来表征鱼类在具体生活史阶段对栖息地内不同水力条件(如水深、流速、河床底质)的偏好程度，这一适宜度指数通常用鱼类栖息地适宜度曲线来表示[14]。目前国内暂无雅鲁藏布江上特有裂腹鱼类的可用栖息地适宜度模型，本文通过数值模拟和统计的方法来构建目标鱼类的栖息地适宜度模型。

2.2 目标鱼类栖息地适宜度模型构建方法

本文基于雅尼湿地干流河段(尼洋河汇口处—奴下断面)产卵期历史水文资料，采用数值模拟与统计的方法[15]，构建拉萨裸裂尻鱼产卵期栖息地适宜度模型。拉萨裸裂尻鱼繁殖时间主要在3—4月[16-17]，因此选取3—4月的水文数据来构建模型。拉萨裸裂尻鱼的产卵场位于慢流河湾地区或浅滩流水处，拉萨裸裂尻鱼一般产黏性卵于砾石底质的边滩、心滩交界的水域，之后受精卵会落入石砾缝中，孵化过程同时伴随着水流的冲刷。产卵期水深的阈值范围为0.5～1.5 m[18]。

以米尼村附近断面地形为例，如图1所示，主河槽与边滩交界处急流与缓流混杂，利于鱼类产卵，满足拉萨裸裂尻鱼的产卵需求。因此，将此交界处定义为地形突变点，该点附近水域可以视为拉萨裸裂尻鱼的产卵适宜区域。选取雅尼湿地干流河段8个实测断面，提取各断面地形突变点，作为产卵场水力条件模拟的代表区域。

图1 米尼村断面地形

采用MIKE21水动力模型来对产卵场代表区域进行水动力学模拟，上断面流量根据奴下断面的实测流量数据及控制面积的比例来推算，下断面水位采用奴下断面的实测水位数据，模拟区域为尼洋河汇口处—奴下断面，模拟时间为2006—2010年的3—4月。利用模拟区域内水面线实测数据对模型进行参数率定的结果表明，各验证点位误差在0～0.15 m之间，绝对平均值为0.08 m，模型选取的参数较为合理，能较好模拟研究区域内的水力条件。

提取8个地形突变点的水深、流速计算结果，并参考张志广等[18]对裂腹鱼栖息地生态水力学特征的研究，舍弃水深不满足0.5～1.5 m的计算结果。统计拉萨裸裂尻鱼产卵场各水深、流速区间内样本的数量和分布频率，并进行归一化处理，绘制拉萨裸裂尻鱼流速、水深栖息地适宜度指数曲线。

2.3 目标鱼类栖息地WUA计算方法

IFIM通过WUA来表征鱼类可生存繁衍的有效栖息地面积，将其定义为计算单元的栖息地适宜度指数和该单元面积的乘积：

(1)

式中：S为WUA的值；Ai为各计算单元的面积；n为计算单元个数；Ii为计算单元的栖息地适宜度指数，由Ivi、Idi、Ici，即流速、水深、河道特征(主要为河床覆盖物和底质情况)的适宜度指数组合而成，计算方法有乘积法、几何平均法、最小值法和加权平均法，计算公式分别为

Ii=IviIdiIci

(2)

(3)

Ii=min(Ivi,Idi,Ici)

(4)

Ii=kvIvi+kdIdi+kcIci

(5)

式中kv、kd、kc分别为流速、水深和河道特征适宜度指数的权重系数。由于缺乏目标鱼类对河床覆盖物和底质的适宜度数据，将Ici的值默认为1，仅考虑流速和水深的共同作用，采用式(2)计算栖息地适宜度指数；将计算节点外围的泰森多边形的面积作为计算单元的面积，计算WUA值。

根据水动力模型得到不同流量下河段内的流速和水深分布情况，结合目标鱼类对流速、水深和河道特征的适宜度指数曲线，确定不同流量下各网格区对应的栖息地适宜度指数，根据式(1)和(2)，即可得到该流量下的WUA，最终综合得出栖息地Q-WUA关系曲线。

2.4 水动力模拟方法

选用MIKE21 Flow Model对研究区域(米林—尼洋河汇口处河段)的水动力进行数值模拟，得到不同流量下河段内的流速和水深分布情况。米林—尼洋河汇口处河段内水平尺度远大于垂直尺度，所以可用二维浅水方程来模拟区域内水动力特征。

本次模拟采用实测断面地形资料，研究区域内总共有20个断面。模型地形搭建选用非结构化的三角形网格，时间步长设为60 s，模拟区域内共有 1 818个网格节点，三角形单元共有2 112个。从网格地形图来看，地形模拟结果可以较好地反映研究区域内实际地形地貌。上断面以流量作为边界条件，根据羊村断面实测流量数据及控制面积的比例推求得到；下断面以流量作为边界条件，通过奴下断面的实测流量数据推求得到；其余均为陆地边界。运用“干湿判别法”处理网格内二维动边界，模型模拟中干水深值取0.005 m，湿水深值取0.1 m，淹没水深值取0.05 m。

根据现场查勘，雅鲁藏布江米林—尼洋河汇口处河段河床以砂质为主，有少许砾石、卵石。根据已有水边线数据，采用不同的糙率系数n进行试算，经率定该河段糙率为0.042。对模拟结果进行误差分析，计算得到的水深、流速验证结果的误差均在正常范围内，平均偏差分别为6.6%和9.2%，且水深和流速模拟结果的变化趋势均与实测值变化情况有较好的一致性，所以此模型选取的参数合理，模型模拟结果也可信。

3 结果与分析

3.1 拉萨裸裂尻鱼栖息地适宜度指数曲线

如图2和图3所示，拉萨裸裂尻鱼产卵期可接受的水深范围为0.5～1.3 m，其中水深为0.7～1.0 m 时，Id≥0.6(适宜水深)；水深为0.7 m、0.9～1.0 m时，Id≥0.8(理想水深)。流速可接受的范围为0.1～0.9 m/s，其中流速为0.4～0.6 m/s时，Iv≥0.6(适宜流速)；流速为0.5 m/s时，Iv≥0.8(理想流速)。

图2 水深统计及适宜度指数曲线

图3 流速统计及适宜度指数曲线

图5 流量432 m3 /s时适宜度指数和WUA分布

3.2 拉萨裸裂尻鱼栖息地WUA与流量关系

模拟计算米林—尼洋河汇口处河段多年平均流量10%～80%条件下(8种工况)水深、流速分布情况，同时结合适宜度指数曲线，计算WUA，得到Q-WUA关系曲线如图4所示。由图4可知，流量由144 m3/s(0.1Q，Q为米林断面多年平均流量)增加至432 m3/s(0.3Q)，WUA由38.2万m2持续增加至46.6万m2。造成这一趋势的原因可能是，米林—尼洋河汇口处河段多为辫状河道，且区域内横向滩地大量分布，此时水位随流量增加抬升至边滩区域，同时坡降沿主河槽向边滩逐渐变缓，因此区域内WUA增加。流量由432 m3/s(0.3Q)增加至864 m3/s(0.6Q)，WUA约保持45万m2(±1.5万m2)。在该流量变化范围内，水位持续抬升，主河槽内水深增加，水深适宜度指数降低；但随着各河槽间相互连通，水面面积有所增加，因此WUA趋于稳定。流量由864 m3/s(0.6Q)增加至1 152 m3/s(0.8Q)，WUA由44.6万m2显著增加至58.7万m2。此时随流量增加，水面持续上升并淹没两岸滩地，适宜区域面积明显增加；同时受坡降减小影响，滩地两侧流速、水深适宜水域均扩大，WUA显著增加。

图4 拉萨裸裂尻鱼Q -WUA关系曲线

3.3 保障鱼类产卵繁殖所需的环境流量

根据IFIM推求环境流量的建议，从Q-WUA的关系曲线上找出拐点对应的流量作为环境流量。由图4可知，受模拟河段地形影响，Q-WUA关系曲线上存在两个拐点，选择第一个拐点对应的流量作为研究区域保障拉萨裸裂尻鱼产卵栖息地面积的环境流量，即米林断面多年平均流量的30%、432 m3/s。

此外，进一步分析该流量下模拟得到的适宜度指数和WUA分布情况(图5)，可以看出，水域流动性好、连通性强的滩地附近更容易出现集中的适宜产卵区域，这也与拉萨裸裂尻鱼的实际产卵场特征相符。

3.4 不同方法计算的环境流量比较

为评价栖息地模拟法的计算结果，将水文学法中的Tennant法的环境流量计算结果与本文的结果进行对比分析。

Tennant法一般将多年平均流量的10%作为水生生物生长低限，在本研究河段即为144 m3/s，可见栖息地模拟法的计算结果明显高于Tennant法推荐的环境流量值。这是因为Tennant法没有考虑具体水生生物对流量的需求，仅根据历史多年平均流量资料给出河道内流量的最低下限，不能反映鱼类对栖息地的适应性。通常来说，栖息地模拟法得出的环境流量数值要大于水文学方法的计算结果，适用于受人类活动影响较小的天然河流。

产卵期是鱼类生活史最重要的阶段，对栖息地的要求也较高。Tennant法给出的能保持河流生态系统健康的最小流量为144 m3/s，此时研究河段的适宜栖息地面积为38.2万m2，为栖息地模拟法计算结果的82%，不能很好地保证拉萨裸裂尻鱼的产卵需求。

4 结 论

a. 基于数值模拟和统计得出拉萨裸裂尻鱼的栖息地适宜度指数曲线，适宜水深(Id≥0.6)为 0.7～1.0 m，适宜流速(Iv≥0.6)为0.4～0.6 m/s。

b. 流量由144 m3/s增加至432 m3/s(占多年平均流量的 10%～30%)，WUA由38.2万m2缓慢增加至46.6万m2；流量由432 m3/s增加至864 m3/s(占多年平均流量的 30%～60%)，WUA约保持 45万m2(±1.5万m2)；流量由864 m3/s增加至 1 152 m3/s(占多年平均流量的60%～80%)，WUA由44.6万m2显著增加至58.7万m2。

c. 维持拉萨裸裂尻鱼产卵场适宜栖息地面积的米林断面处最小环境流量为432 m3/s(占多年平均流量的30%)，对应的WUA为46.6万m2。

d. 与Tennant法相比，栖息地模拟法计算得到的环境流量考虑了鱼类对栖息地的需求情况，更能保证拉萨裸裂尻鱼产卵期的生境需求。