湘江干流四大家鱼产卵期生态水文情势变化分析

黎 小 东，曹 艳 敏，王 崇 宇

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007； 2.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000； 3.湖南省水务规划设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

产卵期是鱼类各生命周期中最重要的环节，保证了鱼类物种延续[1]。产卵期的水力条件、生态水文对鱼类产卵、鱼卵孵化及鱼苗存活有着关键的影响作用[2-3]。目前，各学者针对鱼类产卵期生态水文研究有：李翀[4]将长江中游四大家鱼产卵期间的涨水过程数、总涨水日数、平均每次涨水过程日数3项指标与四大家鱼发江量进行拟合，得出总涨水日数是影响四大家鱼发江量的重要因素；郭文献[5]对长江干流中游四大家鱼和中华鲟产卵场产卵期的生态水文进行长时间序列的分析，以得出三峡水库运行对鱼类产卵期生态水文的影响；黄曼茹[6]利用Pearson相关系数对长江上游铜鱼产卵期IHA指标与产卵情况进行统计，得出高流量脉冲是影响铜鱼产卵的关键因素。

在已有研究中，由于IHA-RVA法(生态水文指标变动范围法)中IHA指标体系对应了河流水生生态环境的不同影响环节，具有丰富的生态信息，RVA法尤其适用于分析受人类活动影响(如水库建设前后)的河流生态水文改变情况，因此常被采用。但是，在利用IHA-RVA法对产卵期生态水文指标进行分析的已有研究中，会存在极值、极值出现时间、高低脉冲次数、高低脉冲历时等指标是以全年数据为基础进行计算分析的情况。而这些指标是影响四大家鱼产卵、鱼卵孵化的关键性指标[7-9]，应将计算分析的数据限制在产卵期范围内，以排除产卵期以外其他时期数据的影响，以此得出鱼类产卵期生态水文指标的真正变异程度。

此外，已有研究对象主要为以三峡水库为代表的不完全年调节水利枢纽。因日调节电站调节库容较小，只在日内进行调节，其生态影响常被定性为较小，所以缺乏相应的产卵期生态水文情势影响定量分析[10]。

为排除其他时期对四大家鱼产卵期IHA指标的影响，本文以四大家鱼产卵期水文时间序列为研究对象，对该范围内的IHA指标进行RVA法(变动范围法)分析，极值、极值出现时间、高低脉冲次数、高低脉冲历时等IHA指标均为产卵期范围内计算值，以此进行水利工程建设前后的对比分析，以得出工程建设对四大家鱼产卵期生态水文指标的影响程度。同时，以日调节型电站为研究对象，定量分析其对四大家鱼产卵期生态水文的影响程度，完善该类型电站对生态水文情势变化影响有关研究内容。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 研究区域概况

湘江是长江中游的重要支流之一，也是湖南省境内最大的一条河流。湘江四大家鱼及其他一些经济鱼类多集中在湘江常宁张河铺至衡阳云集河段产卵，该江段产卵场是中国四大家鱼三大产卵场之一，其天然鱼苗产量约占全国1/4[11]。

随着湘江干流梯级开发相继建成蓄水，尤其是涉及产卵场区域的4个日调节电站梯级开发，原有88 km长江段的湘江四大家鱼产卵场已逐渐萎缩[12]，出现产卵场破碎化。根据2009～2010年调查分析推算，原有的湘江干流四大家鱼产卵场目前已萎缩破碎为大堡、柏坊、松江、渔市4个干流产漂流性产卵场[13]。

涉及本次研究区域的4个电站梯级均为径流式日调节型电站，自上游至下游分别为湘祁水电站、近尾洲水电站、土谷塘水电站和大源渡航电枢纽。湘祁水电站位于永州市境内，2012年建成蓄水，控制流域面积27 118 km2，正常蓄水位75.50 m；近尾洲水电站位于衡阳市境内，2002年建成蓄水，控制流域面积28 597 km2，正常蓄水位66.10 m；土谷塘水电站位于衡阳市衡南县，2015年建成，控制流域面积37 273 km2，正常蓄水位58.00 m；大源渡航电枢纽位于湘江干流衡阳市境内，1999年建成蓄水，控制流域面积53 200 km2，正常蓄水位50.10 m，以上高程均为85国家高程。研究区域涉及归阳和衡阳两个水文站(见图1)，目前破碎萎缩的4个产卵场均位于两水文站之间(见图2)，因此，对归阳、衡阳水文站水文时间序列进行分析可得出湘江干流四大家鱼产卵场水文情势变化情况。

因湘祁、土谷塘水电站建成年份晚，两电站建成后的实测水文系列较短，未形成长时间序列，因此本文以近尾洲及大源渡水文站建成蓄水年份作为分界点分析电站建成前后生态水文情势改变度。

1.2 数据来源

本文采用的数据资料主要包括：① 1961～2015年归阳水文站逐日流量、水位资料(由湖南省水文水资源勘测局提供)；② 1959～2015年衡阳水文站逐日流量、水位资料(由湖南省水文水资源勘测局提供)；③ 归阳、衡阳水文站河道断面实测数据(由湖南省水利水电勘测设计研究总院提供)。断面逐日平均流速Vi用公式(1)推求。

(1)

式中：Qi为逐日流量；Ai为Qi流量下对应的过水断面面积，结合归阳、衡阳水文站所在断面水下地形及Qi流量对应水位Hi求出。

图1 研究区域位置Fig.1 Map of study area of Xiangjiang River

图2 产卵场分布Fig.2 Distribution of spawning grounds for four domestic fishes

1.3 湘江干流四大家鱼产卵期确定

对于湘江干流四大家鱼产卵期确定，丁德明[12]在2008～2010年对湘江流域鱼类资源进行了多次调查，并且结合历年捞苗时间进行分析。湘江流域捞苗时间在20世纪60，70年代集中在4月下旬至5月上旬，而20世纪90年代到2010年左右，捞苗时间主要集中在6月份，其中最早为1994年(5月捞苗)，最晚为1996年和2003年(7月捞苗)，这也间接说明湘江四大家鱼产卵时间推迟了1个月左右。因此，本文将4～7月作为湘江干流四大家鱼产卵期。

2 研究方法

2.1 水文变化指标

1996年，Richter等[14]提出水文变化指标法(Indicators of Hydrologic Alteration，简称IHA方法)，该方法主要以水文条件的量、时间、频率、延时和变化率5种基本特征为基础，根据其统计特征划分为5 组，32 个指标[15]。IHA 各指标与河流生态系统密切相关[15-16]，由于IHA 具有丰富的生态信息，且易采集，因此常用来评价水文系统变化的程度及其对生态系统的影响。

2.2 RVA分析方法

变动范围法(RVA)是Richter等于1997年提出，该法建立在水文变化指标(IHA)的基础上，利用建立的生态水文指标(见表1)评价受水利工程影响的河流水文情势[17-18]。为了量化指标受干扰后的变化程度，Richter等建议以改变度来评估，其定义如下：

(2)

式中：Di为第i个IHA的水文改变度；Noi为第i个IHA受干扰后的观测年数中落在RVA目标阈值内的年数；Ne为受干扰后IHA指标预期落入RVA目标内的年数，可以用r·NT来评估，其中，r为受干扰前IHA落入RVA目标阈值内的比例，若以各个IHA的75%及25%作为RVA目标，则r=50%，而NT为受干扰后流量时间序列记录的总年数。

为对IHA指标的水文改变程度设定一个客观的判断标准，Richter等建议0≤|Di|<33%属于未改变或者低度改变；33%≤|Di|<67%属于中度改变；67%≤|Di|≤100%属于高度改变。整体水文变化程度D0可以用以下方法计算：取32个IHA指标改变度的平均值来评估河流生态环境的整体变化情形，然而这样将体现不出各指标权重大小。借鉴萧正宗提出的以权重平均的方式来量化评估整体水文特征改变度的方法[19-20]，以D0表示：

(3)

式中：n为指标个数；同时也规定D0值介于0～33%属于未改变或者低度改变，33%～67%之间属于中度改变，67%～100%属于高度改变。

2.3 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算简易[21]。本文采用Mann-Kendall趋势检验法对归阳(1961～2015年)及衡阳(1959～2015年)水文站长时间序列生态水文指标进行趋势分析。

3 实例研究

3.1 产卵场产卵期水文趋势分析

由Mann-Kendall趋势检验结果(见表1)可以看出，整个产卵场4月流量呈下降趋势；归阳5，6月月流量呈明显上升趋势；7月流量，归阳和衡阳断面变化趋势不明显。归阳水文站位于近尾洲库区末端，衡阳水文站位于大源渡枢纽库区中部，水位相应抬高，所以两断面水位呈明显上升趋势，而4～7月流速呈明显下降趋势。

表1 生境特征指标 Mann-Kendall秩相关检验法分析Tab.1 Analysis of Mann-Kendall test on the physical habita indicators

3.2 水文站产卵期生态水文改变度

为定量评价大源渡枢纽蓄水后库区河流生态水文情势的改变程度，将衡阳站时间序列划分为两个时段：枢纽蓄水前(1959～1998年)，枢纽蓄水后(1999～2015年)。在此基础上采用变动范围法(RVA)计算四大家鱼产卵期(4～7月)衡阳站流量、流速各指标的变化程度(见表2)，根据各指标的变化情况对生态水文情势的改变程度进行分析。大源渡枢纽蓄水回水抬高，使得衡阳断面水位已普遍高于蓄水前上限值，没有再落入天然河流状况下水位RVA目标范围内的值，因此不宜再对水位进行RVA分析。

定量评价近尾洲电站蓄水库区河流生态水文情势的改变程度，以电站蓄水时间为分界点，将归阳站水文数据序列划分为两个时段：第一阶段1961～2001年，天然河道情况；第二阶段2002～2011年，近尾洲电站蓄水(见表3)。

3.2.1月均值变化

四大家鱼鱼苗“腰点”流速为0.2 m/s，流速需维持在“腰点”流速以上以便鱼卵及刚孵化的鱼苗不下沉[22]；同时，较高的流速值是刺激四大家鱼产卵的有效流速[23]。本文分析得出大源渡枢纽蓄水后衡阳站4～7月份流速为高度改变，尤其4，5月改变度分别达到100%(如图3所示)，月均流速分别减至0.47，0.59，0.64，0.39 m/s，仍在“腰点”流速以上；但流速的大幅度降低和高度改变，无法形成刺激四大家鱼产卵的有效流速；同时，对水生生物栖息地蓄水以及生物迁徙需求产生影响，并影响到水温、含氧量、光合作用。

表2 大源渡枢纽蓄水前后衡阳站生态水文变异指标统计Tab.2 Statistics of flow and velocity indices before and after impoundment of the Dayuangdu Reservoir

表3 近尾洲水电站蓄水前后生态水文变异指标统计Tab.3 Statistics of hydrology indices before and after impoundment of Jinweizhou Hydropower Station

归阳站4月月均流量呈下降趋势，通过RVA分析同样得出归阳站4月流量发生中度改变，月均流量减少，改变度为60.32%；4月月均流速减少，改变度为85.86%(见图4)，5～7月月均流速为低度改变。

图3 衡阳站高变异度月均流速指标变化Fig.3 High variable monthly average velocity index of Hengyang Station

图4 归阳站4月月均流速改变度Fig.4 April mean flow of Guiyang Station

由此可得日调节电站蓄水使得库区产卵期(4～7月)月均流速整体降低，库区中部月均流速高度改变，库区尾部月均流速低度改变。

3.2.2产卵期极值及其发生时间变化

大源渡枢纽蓄水库区中部衡阳水文站，四大家鱼产卵期4～7月时期内1，3，7，30 d及90 d最小流速值均发生100%变异(见图5)，流速由天然情况下的0.46，0.48，0.51，0.67 m/s和 0.89 m/s降到了0.18，0.19，0.21，0.31 m/s和0.51 m/s。1，3 d最小流速值已不满足鱼苗“腰点”所需流速值[22]，会导致鱼苗下沉死亡。

图5 衡阳站年极值流速改变度Fig.5 Annual extreme flow alteration at Hengyang Station

在近尾洲电站蓄水库区尾部归阳水文站，四大家鱼产卵期4～7月时期内30，90 d最大流速值呈高度改变，由天然情况下的1.15，0.99 m/s降至0.77，0.60 m/s。流速高值下降，则需要刺激四大家鱼产卵的时间延长，不利于刺激四大家鱼产卵繁殖[23]，另一方面这时段流速的降低不利于库区内泥沙及污染物的携带及冲刷，不利于处理河道沉积物，加大了库区生态环境风险。

3.2.3高低脉冲变化

由于衡阳站位于大源渡枢纽库区中部，枢纽蓄水水位抬高，流速减缓，流速发生低脉冲次数升高，因此产卵期内流速的低脉冲次数高度改变(见图6)，改变度为74.79%。近尾洲水电站库区尾部，流量和流速产卵期高低脉冲变化各指标均为中度或低度改变。

近尾洲电站蓄水使库尾水位的低脉冲次数和历时发生高度改变，低脉冲次数由1.76次降为0.10次，改变度为84.81%，历时由10.73 d降为1.00 d，改变度为100%，说明由于近尾洲电站的蓄水使库尾产卵期水位的低脉冲特征基本消失。

图6 衡阳站流速低脉冲次数改变度Fig.6 Low pulse frequency of velocity at Hengyang Station

4 结 论

本文以湘江干流四大家鱼产卵场为研究区域，以研究区域涉及的归阳、衡阳水文站长时间水文序列为研究对象，采用Mann-Kendall趋势检验法对产卵期(4～7月)流量、水位和流速趋势进行分析。以近尾洲和大源渡两座日调节型电站蓄水时间作为时间节点，采用IHA-RVA法对比分析得出电站蓄水前后湘江干流四大家鱼产卵场产卵期(4～7月)生态水文指标变异度。结果表明：

(1) 通过Mann-Kendall趋势检验法得出产卵场4月流量呈下降趋势。

(2) 日调节电站蓄水使得库区产卵期(4～7月)月均流速整体降低，库区中部月均流速高度改变，库区尾部月均流速低度改变。

(3) 由于日调节电站蓄水，产卵期(4～7月)库区中部 1，3，7，30 d及90 d最小流速值，30，90 d最大流速值减少且发生高度改变，且1，3 d最小流速值已低于鱼苗“腰点”流速，会导致鱼苗下沉死亡；库区尾部30，90 d最大流速值减少且高度改变。

(4) 日调节电站蓄水使产卵期(4～7月)库区中部流速低脉冲次数升高，改变度为74.79%，库区尾部产卵期水位的低脉冲特征已基本消失。