考虑关键物种全生命周期的减脱水河段生态流量研究

于子铖，张 晶，赵进勇，彭文启，丁 洋，张 叶，李 轩

(中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京 100038)

河流作为水生态系统的重要组成部分，其基本特征包括水体的流动性及相应的时空差异性，其功能主要是实现流域内物质的输运以及生物的生存与迁徙[1]。近些年来，随着社会经济的快速发展，水利基础设施建设快速推进，在未考虑生态需求的背景下，大幅度改变河流的水文水力学特性、地貌特征及水文情势等，破坏河流自然动态流动机制，致使河流生物多样性发生显著变化，河流生态系统遭到破坏[2-4]。为复苏河流生态环境，应在合理开发、利用水资源的前提下，兼顾河流的生态需求，探求保障河流生态健康的相关水文特征[5]，科学确定合理的生态流量。生态流量旨在为可持续水资源管理提供信息，支持健康的河流栖息地，并为社会提供充足的供水[6]。确定生态流量的科学基础是了解水文过程、组分、量化与各种生态变量之间的联系[7]。

对于引水多、开发程度高、引水坝下游常存在减脱水现象的小水电河流，在电站建设、运行时均需对下泄流量进行论证，不仅需要维持河流的健康状态、满足水生生物的最低要求[8]，还需要兼顾水资源的合理利用以及工程最大效益的发挥等[9]。梳理国内外的相关文献，截至目前，有200多种方法和多个逻辑框架用于评估和计算水生生物、生态环境的用水需求，但由于出发点不同，这些方法在结果上存在很大差异[10]。根据SL/T 796—2020《小型水电站下游河道减脱水防治技术导则》，涉及国家和地方重点保护、珍稀濒危物种或开发区域等有特殊用水要求的河段，应专题论证确定其生态流量。

结合上述分析，本文选择巫溪县大宁河支流后溪河作为研究河段。后溪河是长江的二级支流，合适的地形、水能条件，使得后溪河上水电站数量众多，且多为引水式电站。经实地调研与资料收集，明确后溪河存在属于当地重点保护物种的齐口裂腹鱼。本文基于2019年和2021年实地调研数据，将齐口裂腹鱼全生命周期分为产卵期、索饵期与越冬期3个阶段，基于River 2D模型对后溪河镇泉大坝下游减脱水河段的水动力状况进行模拟与分析，以期为引水式小水电下游减脱水河段的生态修复提供依据。

1 研究区概况

后溪河位于重庆市巫溪县，距其县城约25 km。后溪河是长江的二级支流，大宁河的一级支流，位于重庆的东北方位，其流域面积为477 km2，河道全长为61.1 km，平均比降为9.86‰。本文选取后溪河镇泉大坝下游减脱水河段作为研究对象，镇泉大坝为镇泉电站的引水坝，具体空间位置(北纬31°24′，东经109°38′)见图1。镇泉电站的厂房在柏杨河上，柏杨河为巫溪县境内的另一条河流，也是长江的二级支流。镇泉电站装机容量为2.5万kW，属于引水式小水电站。基于资料梳理得知，后溪河鱼类主要有齐口裂腹鱼、南方马口鱼、鲶鱼、鲤鱼、泥鳅等。结合实地现场调查，选取当地土著、重点保护鱼类齐口裂腹鱼作为目标物种。

图1 研究区域位置及实测断面布局Fig.1 Location of study area and layout of measured cross-sections

2 研究方法

2019年6月、11月利用华测i70RTK、IGS300手持GPS、LS1260B流速仪等仪器对镇泉大坝下游进行实地测量，结合研究区周边的环境、地貌特征等，沿着水流方向每50～100 m布设一个测量断面，共计32个(ZQ01～ZQ32)，所测河段长约为2.5 km，具体测点依据河宽而定。经调查发现，研究河段减脱水现象严重，部分区域的河床存在大面积裸露，近乎无水，严重破坏了齐口裂腹鱼的栖息地环境。

为了更好地兼顾下游水生生物的生态需求，依据目标鱼类的生活史，分阶段对减脱水河段的生态流量进行确定。经梳理文献及询问当地人员得知，齐口裂腹鱼产卵期在3—6月，越冬期在11月至次年2月，其余月份为索饵期[11-13]。梳理前人相关研究，得到了产卵期水深流速的适宜性曲线，基于实测地形，利用水动力模型River 2D进行模拟分析，结合生境模拟法确定该阶段最佳与适宜生态流量。关于另外两个阶段的相关研究较少，引入地貌单元与水力单元的概念，推求流量与越冬场、索饵场面积的相关关系，考虑不同流量下水力单元多样性的变化趋势，从而确定越冬期与索饵期的最佳、适宜生态流量。此外，依据蒙大拿法，结合研究河段实际水文状况，确定研究河段的最小生态流量。

2.1 生境模拟法

依据河道内流量增加法(intra-river flow increase method, IFIM)，利用生境模拟法进行相关研究。具体为基于水动力模型建立起鱼类适宜生存栖息地的质量、数量与流量之间的相关关系，从而评估流量变化对栖息地适宜性的相关影响[14]。结合2019年6月、11月实地调研数据，发现研究河段底质较为均匀，所以本文只考虑受电站下泄流量影响栖息地的流速和水深。

River 2D模型由加拿大Alberta大学研制开发，可用来进行鱼类栖息地的相关模拟分析[15]，本文利用River 2D模型进行栖息地模拟。具体分3步：①明晰目标鱼类各微生境因子的适宜性曲线，计算各定义单元的适宜性值；②将各因子适宜性值按顺序进行组合与分析，得到定义单元的综合适宜性值；③汇总分析，确定目标鱼类的加权可利用的面积(weighted usable area, WUA)[16]。

(1)

式中：AWU为WUA值；n为单元个数；Ai为单元i的面积；Svi、SCi、SDi分别为单元i的流速、河床底质与水深的适宜度指数；CSF(Svi、SCi、SDi)为单元i的综合适宜性值。本文仅考虑水深与流速的影响。

基于孙莹等[17]的相关研究，结合实际踏勘收集的资料，得到齐口裂腹鱼的产卵期的适宜流速水深曲线(图2)。适宜度指数HSI(habitat suitability index)是对目标鱼类栖息地适宜程度的定量描述，数值范围为0～1，HSI值越大，适宜性越好。

(a) HSI与水深

2.2 水力单元分类

河流是复杂的系统，非生物和生物成分在不同的时空尺度上相互作用[18]，较小的时空层次嵌套在较大的时空尺度内。在这个嵌套的层次结构框架内，地貌单元(geomorphic unit)是河段的组成部分，是水流和泥沙输送过程的物理表现形式[19]。在河段尺度内，地貌单元能够反映河流生态系统的结构、功能和过程，同时地貌单元及其组合为生物提供了适宜的栖息地[20]。水力单元(hydraulic unit)一般指特定水文和生态元素的集合，如大型木质碎屑河床、水生植被和单个水流障碍物，呈现均一化的特点，即底质、水深、流速阈值等相近或相同，在层级嵌套结构中为地貌单元的下一级，水力单元的面积、类型会随着水文过程的变化而改变[21-23]。基于现场观测与调查数据，结合大坝下游减脱水河段特点及前人的分类方式[24-27]，依据水深与流速的差异、不同单元的底质特征，将研究河段现状地貌单元分布进行识别，具体分布如图3所示。其中边滩、心滩枯水期不被淹没，为砂砾堆积体；深潭为流速缓、水较深，底质多为砂砾石，是一种侵蚀单元；浅滩由冲积物堆积而成，水较浅，主要由砾石和小鹅卵石组成；跌坡是一种相对较短的单元，河床近乎垂直的下落；急滩是冲积或半冲积地貌单元，水流湍急、水深较浅，主要由巨砾和大卵石形成。

图3 研究河段地貌单元分布Fig.3 Distribution of geomorphic units in study river section

在识别地貌单元基础上，结合现场观测数据，查阅相关文献[21,28-29]，得到水深D和流速v的阈值，将研究河段划分成不同的水力单元类型(图4)。其中，急流浅滩区、浅水过渡区、平坦河床区主要集中在边滩、浅滩、急滩等地貌单元区域；实地调查中发现研究河段的跌坡和深潭底质和结构相对均匀，故没有再细分。水力单元越丰富，地貌异质性越高。地貌异质性是空间异质性的重要组成部分，空间异质性越高，生物越能稳定生存。基于前人的相关研究[13,30-32]，依据2019年6月、10月、11月及2021年6月的实地观测数据，结合询问当地村民、相关技术人员等，明确齐口裂腹鱼的越冬场为水面宽、流速较小的深水区域，幼鱼的索饵场主要为水流较缓的浅水区域，成鱼的索饵场主要为水流较急的浅水区域。结合图4，越冬场主要包含的水力单元类型为深潭，潜在包含水力单元类型为深水区；成鱼、幼鱼索饵场主要包含急流浅滩区、平坦河床区，潜在包含水力单元类型分别为浅水过渡区与缓流过渡区。

图4 基于水深、流速的河流水力单元分类Fig.4 Classification of river hydraulic units based on water depth and flow velocity

2.3 水力单元多样性指数

水力单元越丰富，地貌异质性越高，生物越能稳定生存。结合相关研究及研究区的实际状况，引入水力单元多样性指数。Shannon多样性指数可以用来表示景观异质性的程度，其值越大，景观异质性程度越好，景观内的生物越能稳定生存，景观异质性包含空间异质性[33]。水力单元多样性指数(H)是基于Shannon多样性指数提出的，其计算公式为

(2)

其中

Pi=Ai/AT

式中：m为研究区域水力单元类型的总数；Pi为水力单元i的面积Ai占研究河段总面积AT的比例。

2.4 蒙大拿法

根据SL/T 796—2020《小型水电站下游河道减脱水防治技术导则》，对于非季节性河流可采用蒙大拿法进行减脱水河段生态流量的确定。蒙大拿法(Tennant法)将年平均流量的百分比作为生态流量[34]，具体可参考SL/Z 479—2010《河湖生态需水评估导则(试行)》。根据上述导则以及后溪河所处流域及气候条件，分为汛期、非汛期两个时段，汛期为4—10月，非汛期为11月至次年2月。考虑逐月流量变化较大，为更好地兼顾社会与生态的要求，汛期取对应月均径流量的20%，非汛期取对应月均径流量的10%，以此作为保护鱼类的最小生态流量[35]。

3 模型构建与数据处理

3.1 模型构建与率定

基于实地调研数据，利用River 2D模型进行水动力模拟分析，结合现场调查，河床地形见图5，河床糙率取0.035。根据研究区水文数据，考虑引水式小水电发电用水需求，以1 m3/s、2.5 m3/s、5 m3/s、7.5 m3/s、10 m3/s、12.5 m3/s、15 m3/s、20 m3/s作为模型边界输入值，以282 m作为下游水位边界。选择断面ZQ18(北纬31°27′55″，东经109°30′6″)、ZQ26(北纬31°27′47″，东经109°30′22″)作为校核断面，对比分析流量1 m3/s下模拟水位与实测水位，相对误差分别为0.013%、0.037%，均在0.05%以下，表明搭建的水动力模型可以较好地反映研究区实际状况。

图5 河床地形Fig.5 Riverbed topography

3.2 水文数据处理

因相关限定与人为因素，未收集到后溪河的水文数据。考虑到后溪河为大宁河的一级支流，其水文特征、地形地貌等具有一致性与相似性，因此参考大宁河干流的巫溪水文站(北纬31°24′8″，东经109°38′5″)的数据，以后溪河流域的天星水文站(北纬31°27′60″，东经109°34′12″)为设计站，利用水文比拟法得到后溪河水文数据[36-37]。大宁河径流量、降水量及后溪河降水量等水文数据均从当地相关部门获得，准确可靠。

通过ArcGIS相关测量功能，分别得到大宁河与后溪河的流域面积。基于巫溪站、天星站水文数据，依据式(3)得到后溪河水文数据，结果见表1。

Q=K1K2QC

(3)

其中

K1=A/ACK2=P/PC

式中：Q、QC分别为设计、参证流域的多年平均流量；K1、K2分别为流域面积、年降水量的修正系数；A、AC分别为设计、参证流域的面积；P、PC分别为设计、参证流域的多年平均降水量。

表1 水文数据Table 1 Hydrological data

4 结果与分析

4.1 Q-AWU曲线

图6为不同流量下WUA分布情况。基于模拟结果，结合后溪河水文数据与齐口裂腹鱼产卵期适宜性曲线，建立Q-AWU关系曲线，曲线的转折点初步定为目标鱼类产卵期的适宜生态流量，最高点定为目标鱼类产卵期的最佳生态流量，结果见图7。可见，齐口裂腹鱼的Q-AWU关系曲线在Q为12.5 m3/s时出现转折，在15 m3/s时达到最大值，此时的AWU为4 191.1 m2。

(a) Q=1 m3/s

图7 Q-AWU曲线Fig.7 Q-AWU curve

4.2 不同流量下水力单元分布

图8为不同流量下水力单元分布情况，可见，随着流量的增加，水力单元类型逐渐变多，呈现多样化分布。河道有水区域随着流量的增大而变多，河道水面面积由33 108.5 m2增长至103 614.7 m2。不同流量下，河段都有平坦河床区、缓流过渡区、深潭3种类型水力单元，尤其是深潭，多集中在河道弯曲处。水流急、水较深的深水区单元在流量为15 m3/s时才出现，在深潭的附近。浅水过渡区随着流量的增加，分布变化最明显，在流量为20 m3/s时，几乎贯穿分布整个河段。将不同流量下水力单元具体分布面积进行梳理，具体见表2。由表2可见，随着流量的增加，平坦河床区面积呈现先上升后下降的趋势，在流量为7.5 m3/s时取得最大值，在2.5 m3/s处出现拐点；浅水过渡区面积呈现递增的趋势，在流量为20 m3/s时取得最大值，在10 m3/s处出现拐点；急流浅滩区面积呈现先小幅上升再下降再上升的趋势，在流量为20 m3/s时取得最大值，在10 m3/s处出现极大值；跌坡面积呈现先上升再小幅下降再上升的趋势，在流量为20 m3/s时取得最大值，在12.5 m3/s处出现极大值；缓流过渡区面积整体呈现下降趋势，在1 m3/s取得最大值；深水区在15 m3/s时出现，20 m3/s 处面积取得最大值；深潭面积呈现递增趋势，在20 m3/s时取得最大值，在2.5 m3/s处出现拐点。

(a) Q=1 m3/s

4.3 不同流量下水力单元多样性

计算不同流量下各水力单元占研究河段的比值，从而得到不同流量下水力单元多样性指数，结果见图9和图10，可以看出，随着流量的增加，水力单元呈现多样性趋势，多样性指数由1 m3/s对应的1.32 增至为20 m3/s对应的2.34，在流量为10 m3/s处出现拐点，为2.26。流量1～10 m3/s情况下，水力单元多样性指数的增长速率为0.104，流量10～20 m3/s情况下，水力单元多样性指数的增长速率为0.008。

表2 不同流量下水力单元面积Table 2 Hydraulic unit area under different flow

图9 不同流量下水力单元面积占比Fig.9 Proportion of hydraulic unit area under different flow

图10 不同流量下水力单元多样性指数Fig.10 Diversity index of hydraulic units under different flow

5 讨 论

5.1 流量与水力单元相关关系

考虑样本个数，利用SPSS对流量与水力单元面积进行斯皮尔曼相关性分析，结果见表3。由表3可见，流量变化与急流浅滩区、浅水过渡区等7种水力单元面积均呈现相关关系。其中，流量变化与急流浅滩区、浅水过渡区、跌坡、深水区、深潭面积呈现正相关关系，与平坦河床区、缓流过渡区面积呈现负相关关系。除深水区面积与流量为强相关(相关系数0.6～0.8)外，其余类型与流量均呈极强相关(相关系数0.8～1.0)。因而，基于流量与水力单元的关系研究分析生态流量是科学合理的。

Phillips[21]在墨西哥湾北部沿海平原萨宾河下游，6个不同河流类型中识别出了72种不同水力单元，量化的研究结果表明，水力单元的数量随着流量的变大而线性增长，主河槽内的高流量对维持和塑造水力单元类型方面具有显著作用。Padmore[38]以英格兰东北部11个地点的实地测量为基础，探讨了流量对形态单元(morphological units)与水力单元的影响，结果表明，流量的少量增加会促使水力单元从静水(deadwater)类型到滑水(glide)类型的转变，流量的进一步增大会促使水力单元从滑水(glide)类型变成平滑流动区(run)类型。这与本文得到的结果一致，流量变大会增加水力单元的多样性，会使水力单元类型发生变化。

结合表3，可见不同水力单元类型之间也存在显著相关性。其中，急流浅滩区面积与浅水过渡区、跌坡、深水区、深潭面积为正相关关系，与平坦河床区、缓流过渡区面积为负相关关系；浅水过渡区面积与跌坡、深水区、深潭面积为正相关关系，与平坦河床区、缓流过渡区面积为负相关关系；平坦河床区面积与跌坡、深水区、深潭面积均为负相关关系，与缓流过渡区面积为正相关关系；跌坡面积与深水区面积不相关，与缓流过渡区面积呈极强负相关关系；缓流过渡区面积与深水区面积不相关，与深潭面积呈极强负相关关系；深水区面积与深潭面积呈现正相关关系。

表3 相关性分析结果Table 3 Correlation analysis results

5.2 生态流量的确定

生态流量的确定需要研究河流随时间变化的自然流量，历史水文数据是此类研究的基本要素。这些时间序列数据不仅揭示了河流不同部分的平均流量模式，还揭示了河流生态系统历史上经历的“正常”变化范围[39]。天然河流流量过程有起有落，水电开发使得下泄流量过程平稳单调，改变了河流的自然属性，引发了一系列生态环境问题。由于不同目标物种或同一目标物种在其不同生命阶段的特定栖息地要求不同，生态流量不是恒定的，是随着时间的推移而变化的[40]。Wang等[41]提出了一种新的评价生态流量的方法，即考虑目标物种不同生命阶段的流量时间序列。为了恢复河流生态系统的多样性，胡和平等[42]提出了生态流量过程线的概念，即满足下游各生态环境需要的流量过程范围。考虑到引水式电站需兼顾生态与社会的双目标，基于研究区相关水文数据，采用蒙大拿法确定最小生态流量。将各月平均径流量为限制条件，针对目标鱼类产卵期、越冬期、索饵期3个阶段分别确定最小、适宜、最佳生态流量，结果见图11。

图11 生态流量过程Fig.11 Ecological flow process

a.产卵期(3—6月)。基于产卵期水深流速适宜性曲线，以WUA最大作为最佳生态流量。结合3—6月的月平均径流量，分别计算5.5 m3/s、13.8 m3/s、16.9 m3/s和20.8 m3/s对应的WUA和水力单元多样性指数，WUA值分别为2 158.2 m2、4 124.6 m2、4 170.3 m2和4 153.8 m2，均小于15 m3/s对应的4 191.1 m2；水力单元多样性指数分别为1.95、2.30、2.32和2.34，其中流量为13.8 m3/s、16.9 m3/s、20.8 m3/s时水力单元多样性指数与流量为15 m3/s时的2.32极为相近。结合上述分析，4月、5月、6月对应的最佳生态流量取13.8 m3/s、15 m3/s、15 m3/s，适宜生态流量均取12.5 m3/s。3月月均平均流量为5.5 m3/s，该流量值出在两曲线的快速增长段，因为越大越好，故3月最佳生态流量取5.5 m3/s，适宜生态流量选择流量为1～5.5 m3/s之间的拐点，取2.5 m3/s。以蒙大拿法的计算结果作为最小生态流量，3月、4月、5月、6月最小生态流量分别为0.55 m3/s、2.76 m3/s、3.38 m3/s和4.16 m3/s。

b.索饵期(7—10月)。结合齐口裂腹鱼幼鱼生活习性，其索饵场主要为平坦河床区，潜在的为缓流过渡区；成鱼索饵场主要为急流浅滩区，潜在的为浅水过渡区。流量与水力单元类型之间存在相关关系，因而依据两者之间的关系确定索饵期的生态流量。图12为不同流量下幼鱼和成鱼索饵场变化情况，幼鱼索饵期最佳生态流量取7.5 m3/s，拐点2.5 m3/s小于蒙大拿法的计算结果，因此该时段不建议适宜生态流量，以2.5 m3/s作为幼鱼索饵期的最小生态流量；流量为25 m3/s、30 m3/s、40 m3/s时，水力单元多样性指数分别为2.33、2.34和2.36，与流量为20 m3/s时的2.34非常相近。结合图10与图12，急流浅滩区、浅水过渡区均在流量为20 m3/s时存在拐点，因此7月、9月、10月取20 m3/s为最佳生态流量，取10 m3/s为适宜生态流量(水力单元多样性指数在流量为10 m3/s处存在拐点)，8月平均径流量为17.8 m3/s，处在两个曲线的上升段，因此该月取20 m3/s为最佳生态流量。以蒙大拿法结果作为最小生态流量，7月、8月、9月、10月最小生态流量分别为6.2 m3/s、3.56 m3/s、5.32 m3/s和4.32 m3/s。

(a) 幼鱼

c.越冬期(11月至次年2月)。齐口裂腹鱼越冬场的水力单元类型主要为深潭，潜在的为深水区。深潭面积在流量为20 m3/s时取得最大值，在2.5 m3/s处存在拐点；深水区在流量为15 m3/s以下均为0。因此，越冬期生态流量依据流量与深潭面积、水力单元多样性关系进行确定，两曲线均为单调递增，因而最佳生态流量均取月平均流量值。1月、2月、11月的适宜生态流量均取2.5 m3/s。最小生态流量基于蒙大拿法确定，11月、12月、1月、2月的最小生态流量分别为1.01 m3/s、1.32 m3/s、36 m3/s和0.35 m3/s。

6 结 论

a.利用产卵期水深流速适宜性曲线和蒙大拿法，结合现场观测，依据River 2D模型得到不同流量下齐口裂腹鱼越冬场、索饵场的分布，确定齐口裂腹鱼产卵期、越冬期、索饵期的最佳、适宜与最小生态流量。

b.引入地貌单元和水力单元的概念，利用模型、数理统计等方法，证实了流量变化与水力单元类型、面积具有显著的相关关系。从而直接建立流量与齐口裂腹鱼越冬场、索饵面积的相关关系，科学合理地考虑全生命阶段的生态流量。

c.在对引水式电站下游生态流量进行确定时，应结合研究区的历史水文资料。基于重点保护物种需求，推算出的生态流量可能远远大于实际月均流量，在无法进行生态补水引水的情况下，可考虑引水式电站生态化改造，使鱼类可以游到合适的生存区域；或人工营建及改造减脱水河段的地貌单元，增强地貌单元的多样性，使在低流量下也可形成产卵、索饵等栖息地。