徐观兵,杨胜发,王 丽,杨 威,胡 江,李文杰
1.重庆交通大学河海学院,重庆 400074
2.国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆 400074
长江流域年均输运到河口的泥沙量约为4.3亿t,接近全球每年陆源泥沙通量的4.5%。 长江流域的泥沙输运不仅为人类的生存与发展塑造了广阔肥沃的冲积平原和河口三角洲,而且所输运的部分泥沙作为建筑材料在社会经济发展中发挥了重要作用[1]。 长江上游输沙量占长江流域总输沙量的80%以上,该区域分布有众多输沙模数大于2 000 t/km2的重点产沙区[2-3]。 近几年来,随着长江上游地区经济的快速增长,地方建筑行业不断发展,江砂开采规模日渐增大。 据统计,2007—2016 年,长江上游河道由采砂造成的地形变化量约为0.93 亿m3;单坑采砂量达到500 万m3的采砂坑有4 个,超过100 万m3的有24 个,约占该河段采砂坑总数量的40%[4]。 长江上游大量集中采砂造成河床地貌大幅度改变,在河床上留下大量采砂坑深潭。 泥沙开挖后,河床高程降低,水深增加,河道流速减小,改变了该河段原有的水流特性[5-6]。 同时,长江上游鱼类资源丰富,分布有特有鱼类119 种,已建立的水产种质资源保护区共29 个[7-8]。 目前,河道采砂后的鱼类生境现状尚不明确。 了解长江上游采砂后的鱼类栖息地分布现状及特征,探明采砂后的河道变化对鱼类生境的影响,并提出相应的生态修复措施,已成为加强长江上游鱼类资源保护的迫切需求。
国内外关于河道采砂对生态环境的影响的相关研究,主要针对河道采砂对河流物理生境、河床稳定性以及底栖动物的影响[9-10]。 研究表明,采砂对河流生态环境尤其是鱼类生境具有较大影响[11-12]。 比如,河道断面变宽使得枯水期水位变低或者河床裸露,过水断面减少不利于水生生物的栖息和迁徙。 河道采砂还会影响到河床和堤岸的稳定,导致河道下切、河床水位降低、洪水漫滩频率和强度下降、地下水位降低,进而影响到河岸带植被的生长,对河岸带动植物生境产生负面影响[13-14];会对底栖动物产生影响[15-18],破坏河床底质稳定性,导致大型底栖动物栖息地减少、丰度和多样性下降、迁移率上升[19]。 因此,本研究旨在了解长江上游采砂前后的河道地形及水流特性变化,探明鱼群生境现状,基于鱼类适宜生境条件解析水流特性变化对鱼类生境的影响,并结合生境现状提出生态修复建议,从而为长江上游采砂河段的生境保护与恢复提供科学参考。
洛碛河段位于重庆市渝北区,处于长江上游三峡库区变动回水区中段,属大型山区河流。 其河床底部高低起伏较大,深槽与浅滩交替出现[20],如图1 所示。 受水库调度影响,该河段水流条件年内分布变化较大:在蓄水期,其水深较大、水流平缓、水位较稳定;而在消落期及汛期,因坝前水位降低,该河段受水库壅水影响减弱,水位及水流特性与天然状态基本相似。 洛碛河段属于长江重庆段国家级水产种质资源保护区[21],该保护区的主要保护对象为四大家鱼。 同时,该河段在2008—2017 年存在持续的采砂过程,采砂量超过100 万m3,最大挖深大于20 m[4]。 受航道修造以及河道采砂等人为因素的过度干扰,该河段水文环境条件发生了较大变化,流速、水深、水体营养元素的组成和浓度等均发生了改变[22]。
图1 研究区域示意图Fig.1 The schematic diagram of study area
2019 年1 月及2020 年6 月、12 月,在洛碛河段分别进行了3 次水声学调查。 将鱼探仪(美国BiSonics,DT-X)安装在水面以下0.5 m 处,声呐探头采用200 kHz(角度6.8°)圆形分束换能器,并采用-130 dB 对阈值的部分杂波信号进行滤波,脉冲持续时间和频率分别设置为0.4 ms 和5 ping/s。 调查前,根据DUCAN 等[23]描述的操作程序,使用21 mm 标准钨球对回声探测系统进行声学校正。 调查船以约2 m/s 的速度航行,按200~400 m 间距平行式走航探测(重点区域间距为200 m,非重点区域为400 m),走航路线见图2。 为避免夜间航行危险,所有调查都在白天进行。
图2 走航路线Fig.2 Cruise route
利用Visual Analyzer 4.1 软件对鱼探仪采集到的原始数据进行分析和后处理;利用单回波检测(SED)对数据进行处理,估计目标强度(TS)。SED 分析的参数设置如下:回波阈值为-65 dB,最小归一化脉冲长度为0.75,最大归一化脉冲长度为3。 将10 个以上的鱼类个体信号计为鱼群,以鱼群中心点为鱼群位置点。 鱼类TS 值和鱼类体长(TL)的换算公式[24]如下:
式中:TL 为目标鱼类的体长,cm;TS 为鱼类的目标强度,dB,阈值取-65 dB。
采用二维水动力模型模拟朝天门至涪陵区域的水力条件。 该模型基于求解Saint-Venant 方程,包括连续性方程和动量方程[25]。 在本研究中,计算区域在正交曲线坐标系下共包含3 255×60 个网格点,平均网格间距约为40 m,大小为15~93 m。 根据观测值与模拟值的相关系数(R2)评价模型性能。R2介于0~1,越接近1 表示模型性能越好[26]。
栖息地适宜性指数(Habitat Suitablity Index,HSI)直接由栖息地模型输出,表征研究区域对目标物种栖息生境要求的满足程度。 HSI 取值范围为0~1,1 表示该区域完全满足目标鱼类对栖息地生境的需求,0 表示不满足生境需求。 HSI 计算公式如下[27-28]:
式中:HSI 为计算单元的栖息地适宜性指数;Hi为水深适合度指数,m;Vi为流速适合度指数,m/s。
本研究根据鱼类在洪水期和蓄水期的不同生境需求,选取水深及流速两个因子分别计算研究区域HSI 的空间分布。 三峡库区变动回水区鱼群空间分布及影响因素相关研究显示,该区域鱼群在洪水期的主要栖息指标为水深大于20 m 以及流速小于1.2 m/s[26],在蓄水期的主要栖息指标为水深大于20 m 以及流速小于0.6 m/s[29]。 鱼类栖息对生境因子的响应曲线如图3 所示。
图3 鱼类栖息对生境因子的响应曲线Fig.3 Response curves between suitability index and river ecological factors
2019 年1 月以及2020 年6 月、12 月,分别在洛碛河段进行了3 次水声学调查,3 次调查能覆盖年内洪水期(2020 年6 月)及蓄水期(2019 年1月及2020 年12 月)的水流特性变化。 图4 为3次调查的鱼群位置平面分布图。 水声学调查的范围为航道里程597~607 km 处,共10 km 河段,采砂坑位于航道里程601 km 处,且整个采砂坑均在航道左侧。 3 次水声学调查结果显示,鱼群均位于采砂坑范围内,且集中在采砂坝前段,即最大深潭处。 鱼群栖息位置年内变化不明显,采砂形成的深潭已逐渐成为鱼类新的栖息生境,且位置相对固定。
图4 洛碛河段鱼群空间分布Fig.4 Spatial distribution of fish swarms in Luoqi reach
3 次调查在研究河段均监测到鱼群,且均分布在采砂坑处,但鱼群规模不同。 2019 年1 月调查到的鱼群密度为81.8 ind. /1 000 m3,2020 年6月、12 月分别为170.0、111.1 ind. /1 000 m3,2019年1 月最小,2020 年6 月最大。 鱼群密度分布规律整体上呈现为洪水期>蓄水期。 将鱼探仪测得的鱼类目标强度值代入公式(1)便可得到鱼类的体长。 调查结果显示,2020 年6 月的鱼类平均体长最大,达到了17.2 cm;其次为2020 年12 月,体长为15.1 cm;最小体长出现在2019 年1 月,为14.8 cm。 鱼群体长分布规律整体上同样呈现为洪水期>蓄水期。
对比2008 年、2013 年与2019 年实测地形变化,其中,2008 年为采砂前期,2013 年为采砂中期,2019 年为采砂结束后。 从图5 可看出,采砂活动对地形的改变明显。 采砂前,河床高程为150~155 m,纵向断面高程变化不明显。 采砂中期,河床最小高程为143 m,已初步形成采砂坑,采砂坑最大深度为7 m。 采砂结束后,河床最低高程小于131 m,形成了一个深度约为20 m 的深潭,采砂区域内水深较采砂前明显增加。
图5 2008—2019 年采砂区断面高程对比Fig.5 Comparison of section elevation in the sand mining area from 2008 to 2019
寸滩水文站位于洛碛河段上游约50 km 处,其观测资料全面且精度较高,可靠性、一致性、代表性均较好,能较好地反映该河段的水文特性,因此,采用寸滩站作为该河段水文分析代表站。 通过对比寸滩水文站的计算水位和实测水位,对二维水动力模型进行了率定和验证。 5 月水位为率定,6 月水位为验证,结果如图6 所示。 通过模拟结果可以看出,模拟水位与实测数据的吻合程度较高,模型参数设置合理。
图6 模型率定与验证Fig.6 Model calibration and validation
2008 年、2013 年与2019 年采砂区最深处的全年水深变化如图7 所示。 从图7 可知,2008年、2013 年与2019 年全年水深变化规律相似,其中,5—10 月水深变化幅度大,10 月后(蓄水期)的水深变化幅度较小。 2008 年为采砂前期,采砂区原有的地形高程较大,整个区域的水深整体较小。 以20 m 水深作为分界线可得,2008 年采砂区最深处的全年水深均小于20 m。 2013 年为采砂中期,已初步形成采砂坑地形,因此,采砂区最深处的水深整体较2008 年要大,主汛期部分时段的水深大于20 m。 2019 年为采砂结束后,采砂坑处形成了一个深度约为20 m 的深潭,采砂区最深处的全年水深均大于20 m。 综上可知,采砂后的采砂区水深较采砂前明显增加,采砂活动对水深有明显影响。
图7 采砂区最深处水深变化Fig.7 Changes of water depth at the deepest part of the sand mining area
2008 年、2013 年与2019 年采砂区最深处的全年流速变化如图8 所示。 图8 显示,采砂前后,在不同地形高程的作用下,采砂区最深处的平均流速发生了较大改变,且采砂前后的采砂区最深处全年流速变化规律存在显著差异。 采砂前期及中期的流速分布呈现“n”形,主汛期的流速峰值显著大于其他时期,其中,采砂前期流速峰值约为2.8 m/s,采砂中期有所降低,为2.2 m/s。 采砂结束后,由于在采砂处形成了深潭,流速分布与采砂前相比发生了明显变化,主汛期的流速峰值大幅度减小,最大值为1.1 m/s,全年流速波动相对平缓。 以1.2 m/s 作为流速分界线可得,在2008年及2013 年,采砂区最深处5—9 月的流速均大于1.2 m/s,其他时段的流速则小于1.2 m/s;在2019 年,采砂区最深处全年流速均小于1.2 m/s。对比采砂区最深处在采砂前、中、后3 个不同时期的流速分布可知,采砂区流速总体随采砂坑深度的增加而降低。
图8 采砂区最深处流速变化Fig.8 Changes of water velocity at the deepest part of the sand mining area
采砂前后的洪水期及蓄水期鱼类栖息地适宜度空间分布如图9 所示。 定义HSI 介于0.8~1.0(含上限不含下限,下同)为非常适宜,HSI 介于0.6~0.8 为适宜,HSI 介于0.4~0.6 为较适宜,HSI 介于0.2~0.4 为不适宜,HSI 介于0.0~0.2为非常不适宜。 从HSI 分布可以看出,洪水期主航道区域HSI 普遍偏小,蓄水期主航道区域HSI普遍较大,洪水期HSI 整体远小于蓄水期。 当流量(Q)为35 000 m3/s 时,研究河段主流带大部分区域的HSI 均小于0.2,非常不适宜鱼类栖息。当Q为6 000 m3/s 时,研究河段主要区域的HSI均大于0.8,较洪水期有大幅度提升,非常适宜鱼类栖息。 由此可知,在洪水期,采砂前的全河段HSI 均小于0.8,采砂后在深潭处出现了较高的HSI;在蓄水期,采砂前后全河段均存在大面积适宜栖息区域。
图9 采砂前后的鱼类栖息地适宜度空间分布Fig.9 Spatial distribution of habitat suitability index
从HSI 以及鱼群的空间分布可以看出,整个调查区域的鱼群均位于采砂坑深潭河段。 在洪水期以及蓄水期,均在采砂坑深潭监测到鱼群,说明采砂坑深潭已逐渐形成可供鱼类栖息的新生境。在洪水期,鱼群喜爱栖息于深潭,主要原因是洪水期的整体流速较大,主流带不适宜鱼类栖息,采砂坑深潭能提供大水深、低流速的栖息生境,此时深潭中的缓流区成为了鱼类的避难所[30-31]。 在蓄水期,由于整体流速较洪水期小,主流带也可以满足鱼群栖息生境的水力要求,因此,蓄水期的深潭鱼群密度小于洪水期。 但在两个时期均监测到鱼群,说明深潭处已经形成一个相对固定的栖息生境。 这可能是由于水流作用使得该区域相对于主航道更利于大量浮游动植物沉积,能为深潭鱼群提供充足的食物[32]。
影响鱼群栖息的水流特性因子主要包括水深、流速等[33-34]。 已有研究人员对三峡库区变动回水区的鱼群空间分布及影响因素进行了研究,发现该区域鱼群在洪水期的主要栖息指标为水深大于20 m 以及流速小于1.2 m/s[26],在蓄水期的主要栖息指标为水深大于20 m 以及流速小于0.6 m/s[29]。 洛碛河道由于采砂形成了一个深度约为20 m 的采砂坑。 采砂坑形成后,采砂区域水深增加,深潭水深全年均大于20 m。 同时,由于采砂区域附近河道过水面积没有明显变化,水深的增加导致采砂区域流速减小。 相关研究已表明,三峡水库变动回水区鱼群的栖息流速小于1.2 m/s,因为过大的流速会使鱼类为克服水流阻力而消耗大量能量。 采砂会引发河床的物理变化,从而导致物种丰富度、多样性和鱼类丰度下降[35-36]。 通过改变基质组成,采砂可能会破坏某些鱼类的索饵、栖息和产卵场地[37-38]。 但随着时间的推移,河道地形地貌及水文情势会达到新的平衡,底栖生物逐渐恢复,会形成一个新的生境[39]。 本研究中,采砂后形成的采砂坑深潭生境的流速均小于1.2 m/s 的临界值。 3 次调查均在采砂坑深潭监测到鱼群,表明采砂坑深潭可能正逐渐成为新的鱼类栖息生境。
在生态修复方面,越来越多的河道管理人员开始意识到浅滩-深潭结构在建立河流生境多样性方面的重要作用[40]。 然而,关于如何有效进行鱼群生境修复,仍缺少理论基础[41]。 现有研究显示,在工程区域采用具有透水结构的人工鱼礁有利于鱼类、底栖动物和浮游动物的栖息和繁殖,可为鱼类等水生生物提供索饵、繁殖、越冬和庇护场所[42-43]。 由于采砂坑难以实现自然修复,以往的思路是将航道整治所产生的弃碴回填至深潭处。但采砂深潭可能已形成新的鱼类生境,因此,可以进行原地保护或改造,从而实现生境修复。 首先,对于已形成新生境的采砂深潭,保持现有地形地貌及水文情势,不再回填清礁弃碴。 其次,可在采砂区域抛放人工鱼礁,有利于鱼类及其他水生生物的栖息。
为了掌握长江上游洛碛河段采砂坑对鱼类生境的影响及采砂后的鱼类栖息地现状,通过分析采砂前后地形、流速、水深等参数的变化,得到采砂前后水流特性对鱼类生境的影响。 同时,采用水声学探测仪揭示了洛碛河段的鱼群时空分布规律及鱼类栖息生境特征,旨在为长江上游洛碛河段鱼类保护和栖息地修复提供科学依据。研究结果表明,采砂坑深潭能提供大水深、低流速的栖息生境。 3 次水声学调查均在采砂坑深潭监测到鱼群,采砂坑深潭已形成一个新的缓流生境。