水库变动回水区鱼类产卵场生境重塑的生态调度目标研究

李福霜，李 洪，由丽华，王宏伟，张陵蕾，陈 旻，李 嘉，廖 宁，袁 满

（1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091）

0 引 言

近几十年来中国水电蓬勃发展，全国第一次水利普查数据显示，全国10 万m3以上的水库约为9.80 万座，总库容达9 323.13 亿m3［1］，数量庞大的水库群在发挥其防洪、发电、灌溉等兴利功能的同时，也不可避免改变了河流的天然水文情势，使得河流的地形、水动力、水温等环境状况发生了变化，进而破坏了鱼类等水生生物的原有生长繁殖条件［2］。为了降低水库的这种不利影响，我国于21世纪初开始了对“水库生态调度”的研究［3］，其目的是在传统调度基础上增加生态因子的考虑，尤其关注在河流生态系统中作为食物链最顶端的物种--鱼类［4］，促进重要鱼类自然繁殖已成为生态调度的主要目标［5］。由于水库建设后坝下河道仍保留其天然河道形态，且可通过水库调度控制下泄生态流量以满足鱼类产卵水动力条件，所以目前通过水库生态调度为鱼类重塑产卵场的相关研究均聚焦在坝址下游河段，较多采用建立模型的方法，借助一维或者二维水动力学模型研究水库下泄流量对鱼类产卵场生境的影响［6-8］，确定鱼类各生命阶段生长繁殖的水库下泄环境流。

然而，由于变动回水区在建坝前后生境变化较大，大坝建设后在高水位情况下会淹没水库变动回水区，低水位时又使变动回水区恢复河流的形态，水位落差大，故此区域以往几乎被视为生境重塑的“盲区”，认为其并不具备产卵条件，对变动回水区内的鱼类产卵生境重塑的研究极为少见。部分学者曾对变动回水区鱼类产卵场进行研究，如李翀等［9］利用水力学模型推求水库变动回水区内四大家鱼产卵场位置；王中敏等［10］对变动回水区产卵场水文情势进行分析；XIAO 等人［11］利用二维水动力-泥沙输运数值模型和鱼类栖息地适宜性模型，研究三峡大坝建成前后变动回水区的四大家鱼有效栖息地面积（WUA）变化，发现建坝后产卵期WUA仅为建坝前的18%，提出水库运行管理要兼顾考虑变动回水区产卵场；ZHANG 等人［12］在利用模糊逻辑法对金沙江圆口铜鱼产卵场进行研究时，发现乌东德水库蓄水975 m 后上游产卵场WUA增加约25%。而本研究课题组也于2022 年进行水库野外观测时在变动回水区发现了产卵场，这表明变动回水区仍然具备鱼类产卵条件，可作为一个新的产卵生境重塑区域。值得关注的是，以往通过生态调度重塑产卵场生态功能的研究是建立水库下泄流量与WUA的二元关系［13］，这种二元关系适用于水位流量关系基本固定的坝下河道，但由于没有考虑对变动回水区鱼类生境影响显著的水库水位因子的作用，且无法控制水库入库流量，故流量与WUA的二元关系对变动回水区并不适用。目前通过水库生态调度重塑变动回水区产卵场生态功能的相关研究仅限于定性评价［11］，缺乏生态调度目标的量化参数明确生态修复措施。

因此，本研究面向水库变动回水区的鱼类产卵场生境重塑，提出了量化参数—生境重塑目标区间；在以往流量-WUA二元关系的基础上，考虑水库水位因子作用，建立入库流量-水位-WUA的三元关系，真实反映变动回水区鱼类产卵场生境对水库调度的响应。本研究以岷江上游的河道型水库紫坪铺水库为例，整合二维水动力学模型和鱼类栖息地模型，确定重塑变动回水区产卵场生境的目标WUA，经多种入库流量和水位组合工况下的WUA计算筛选，确定生境重塑目标区间，以此作为生态调度的量化参数。

1 材料与方法

1.1 研究区域

紫坪铺水库是岷江干流最大的水利工程，所在河段属长江中上游二级支流，具有水流湍急、坡降大等特点，建库后河流原生生境遭到破坏，库区产卵场被淹没。紫坪铺水库正常蓄水位877 m，死水位817 m，水位变幅达60 m，变动回水区长12 km（图1）。据调查，水库蓄水前变动回水区古溪沟村附近有齐口裂腹鱼产卵场存在，建库后回水淹没及水位变幅影响造成急流生境消失，使得原有的齐口裂腹鱼等珍稀特有鱼类的生存空间及存活机会大幅减小。

图1 研究区域Fig.1 Study area

齐口裂腹鱼是中国特有种，长江上游特有鱼类，也是四川省省级保护动物，喜好在水温较低、溶解氧较高的急、缓流交界处生活，产卵季节有短距洄游需求，上述习性与库区环境并不相符，使得人们很少关注其在水库内的生活动态。2022 年5月，本研究课题组于紫坪铺水库开展野外观测时在原产卵场处发现鱼类产卵繁殖迹象，这表明了水库蓄水后变动回水区内仍存在鱼类产卵条件。

1.2 研究方法

首先建立紫坪铺水库深度平均二维水动力学模型和鱼类栖息地模型，利用模型计算变动回水区天然河道多年平均流量下的WUA和现行水库调度下的WUA，确定需重塑的目标WUA。然后计算建库后不同入库流量和水库水位组合工况下的WUA，建立水库入库流量-水位-WUA三者的关系，筛选出满足目标WUA的工况即为生境重塑目标区间。最后根据紫坪铺水库在齐口裂腹鱼产卵期（3-5 月）的入库流量，调度水库水位落于生境重塑目标区间，实现重塑变动回水区产卵场的目的。研究方法流程如图2所示。

图2 方法流程图Fig.2 Flow chart of the method

1.2.1 数据收集

调查收集了1971-2020 年水库坝址处的逐旬流量，统计得到50 年内齐口裂腹鱼产卵期流量为208～430 m3/s。其中，2016年产卵期平均流量为中位数，则以2016年典型平水年的调度运行数据作为模型边界条件，开展水动力模型验证及现行水库调度运行下产卵期WUA模拟计算。2016 年水库调度运行资料包括逐日坝前水位、入库流量和出库流量，为保证数据的时间一致性，同步收集了2016年紫坪铺水库实测地形数据建立水动力学模型。

鱼类栖息地的流速水深适宜性曲线采用陈明千［14］在岷江研究获得的成果（图3），岷江中齐口裂腹鱼产卵的流速适宜区间为0.5～2.5 m/s，其中1.4～1.6 m/s 为最优适宜区间，适宜度为1；对于水深而言，0.5～1.5 m 均适宜齐口裂腹鱼产卵，超出这一区间则不能刺激鱼类产卵。

图3 岷江齐口裂腹鱼产卵期流速水深适宜性曲线［14］Fig.3 Suitability curve of flow velocity and water depth during Schizothorax prenanti spawning period in the Minjiang River

1.2.2 水动力学模型建立与验证

基于深度平均二维MIKE21 数值模型，建立紫坪铺水库二维水动力模型。将收集的地形资料转化为平面坐标和高程，生成23 452 个非结构网格，其中变动回水区内构建了22 391 个加密网格（面积≤700 m2），建立的紫坪铺水库深度平均二维MIKE21数值模型用于计算评估水动力条件。

利用2016 年3 月主库岷江入库流量、支库寿溪河入库流量和水库出库流量模拟每日坝前水位，与坝前水位实测值对比，检验模型的可靠性。

1.2.3 鱼类栖息地模型

基于河流流量增量法（IFIM）的栖息地法是目前应用最广泛的评价生境质量的代表性模型，尤其是在鱼类产卵时期应用较多［15］。IFIM 法通过结合水动力模型和鱼类栖息地适宜性模型，建立不同流场与目标鱼类有效栖息地面积（WUA）之间的关系，WUA定义为单元栖息地适宜性指数与该单元面积的乘积，是目前最广泛采用的生境质量评价指标，可由此确定鱼类产卵场生境对水库调度下水文情势的响应［16］。选择一种评估特定鱼类或生命阶段的栖息地适宜性方法是非常关键的［17］，本研究与陈明千［14］在岷江研究的鱼类同为齐口裂腹鱼，故与其选定同样的几何平均法评价鱼类生境适宜性，其计算公式为：

式中：n为单元个数；Ai为计算单元的面积，m2；HSIi为计算单元的综合栖息地适宜性指数；SIvi为流速适宜指数，取值范围为0～1；SIdi为水深适宜指数，取值范围为0～1；SIci为河道适宜指数（包括底质和覆盖物状况），取值范围为0～1。

流速适宜指数SIvi和水深适宜指数SIdi参考图 3 进行取值；根据现场踏勘，研究区域河段底质为砾石，满足齐口裂腹鱼的产卵要求，故而计算中河道适宜指数SIci设定为1。

模拟典型平水年2016 年产卵期调度情况下的WUA，利用图 3 中的流速水深适宜性曲线计算WUA，确定可通过水库调度实现的WUA范围。同时按天然河道下多年平均流量的不同百分比，模拟紫坪铺水库变动回水区的水动力条件，在计算过程中不断逼近WUA峰值。参考前人研究［18，19］，变动回水区生境重塑目标WUA应不低于天然河道下WUA最大值的60%。

1.2.4 工况设置

经调查2011-2020 年10 年间鱼类产卵期内紫坪铺水库的逐日入库流量与坝前水位数据，确定了13 个流量和14 种水位（表1），共组合成182 组工况，模拟计算变动回水区的水动力条件，并结合岷江齐口裂腹鱼产卵期流速水深适宜性曲线（图3）计算WUA值。

表1 流量和水位工况Tab.1 Conditions of flow and water level

1.3 统计分析

采用纳什效率系数验证紫坪铺水库深度平均二维水动力模型模拟结果的可信度，纳什效率系数E的计算公式为：

式中：QO为观测值；Qm为模拟值；Qt表示第t时刻的某个值；¯¯¯QO表示观测值的平均值。

E取值为负无穷至1，E接近1，表示模型的可信度高；E接近0，表示模拟结果接近观测值的平均值水平，即总体结果可信，但过程模拟误差大；E远远小于0，则模型不可信。

采用斯皮尔曼相关系数ρ评价现行水库运行调度情况下流量-WUA和水位-WUA的相关性，斯皮尔曼相关系数ρ的计算公式为：

式中：D为两组数据次序的差值；N为数据的个数。

ρ取值介于-1～1，|ρ|越接近1相关性越强，|ρ|≥0.6为强相关，0.4 ＜|ρ|＜0.6 为中度相关，|ρ|≤0.4 为弱相关。同时进行显著性检验，当p＜0.05则表明相关性显著，否则无显著相关性。

2 结果

2.1 模型验证结果

利用模型模拟得到2016 年3 月逐日坝前水位值，与实测水位进行对比（图4），模型模拟值与实测值的R2为0.992 6，线性关系良好，最大绝对误差为0.32 m，模型纳什效率系数为0.99，接近1，表示研究建立的紫坪铺水库深度平均二维水动力模型可有效模拟变动回水区水动力条件，模型质量好，可信度高。2016年水库水动力场计算结果表明，变动回水区仍存在满足齐口裂腹鱼产卵场流速水深适宜性曲线的水动力区间，故具备生态调度重塑适宜产卵生境的条件。

图4 实测水位与模拟水位对比图Fig.4 Comparison of measured and simulated water levels

2.2 目标WUA值

紫坪铺水库坝址处多年平均流量为469 m3/s，为寻求WUA峰值，按百分比最低15%至最高100%共设置了10 种工况进行计算（图5），由图5 可见，随流量增大，WUA先增大后减少。取多年平均流量的65%（304 m3/s）时，WUA达到峰值634 889 m2；则目标WUA按峰值的60%计，为380 933 m2。

图5 多年平均流量-WUA曲线Fig.5 Curve of mean annual flow-WUA

模拟分析水库现行调度下的WUA变化，可明确WUA对水库调度的真实响应，探究通过水库水位调度重塑变动回水区鱼类产卵场的可操作性，并结合天然河道WUA情况确定目标WUA值。图6 是2016 年水库调度运行下产卵期水动力条件与WUA变化图。整个产卵期WUA范围为254 335～450 412 m2。当入库流量低于300 m3/s时，WUA随着流量的增大而增加，当流量升至600 m3/s 时，WUA从444 591 m2降至354 051 m2。水位则呈现相反的规律，水位下降时，WUA波动增长。现行水库调度下产卵期WUA有41%的时段在380 933 m2以上，这一方面说明WUA峰值的60%可通过水库调度来实现，将380 933 m2作为目标WUA是可操作的，另一方面也表明需要继续通过水库调度提高产卵期间满足目标WUA的比例。

图6 2016年水动力条件与WUA变化图Fig.6 Hydrodynamic conditions and WUA variations in 2016

斯皮尔曼相关系数检验现行水库调度运行下流量-WUA、水位-WUA相关性的结果如表2 所示。结果表明，流量与WUA斯皮尔曼相关系数在3 月和4 月分别为0.673 和0.736，有显著的强正相关关系（p＜0.05），5 月流量较大时，呈现显著强负相关，这表明较大的流量会对WUA产生不利影响。3 月和5 月水库水位较低时，水位和WUA有着显著的强负相关关系（p＜0.05）；4 月水库水位整体在840 m 以上时（图6），水位和WUA无显著相关（p＞0.05），表明高水位情况下无法保证调度水库水位重塑产卵场生境的效果。

表2 2016年变动回水区水动力条件与WUA的相关性Tab.2 Correlation between hydrodynamic conditions and WUA of fluctuating backwater area in 2016

2.3 生境重塑目标区间

不同流量和水位组合工况下的变动回水区WUA结果如图7（a）所示。结果表明，当水库水位固定时，随着入库流量从50 m3/s 增大至900 m3/s，WUA先增大到峰值，然后逐渐减小。不同水位工况下均显示WUA在流量300 m3/s 时达到峰值，并在300 m3/s后逐渐减小，有着极高的同步性。当入库流量固定时，随着水位从817 m 升至856 m，WUA显著单调递减，水位越高，WUA越小，这与水库蓄水水位低、淹没产卵场面积少的实际情况相吻合。水库水位在844 m 以上时，WUA值均在目标值以下。故对紫坪铺水库而言，应尽可能保持产卵期水库水位在844 m以下。

图7 不同流量水位组合情况下变动回水区WUA图Fig.7 WUA for various flow and water level settings of fluctuating backwater area

满足目标WUA的流量水位工况如图7（b）所示，可见WUA高值集中在流量300 m3/s附近，图7（b）右上角高水位、大流量情况下WUA值较小，而流量减小或水位降低均可增大WUA。图中斜线区域WUA值均在目标值以上，即研究确定的生境重塑目标区间。若流量水位同时处于这一区间，则可在变动回水区重塑足够面积的产卵场。此区间的水位范围为817～844 m，流量范围为114～652 m3/s，表明入库流量低于114 m3/s 或高于652 m3/s时，无法调度水库水位落于生境重塑目标区间；入库流量介于260～370 m3/s 时，水库水位在844 m 以下即处于生境重塑目标区间。

产卵期应根据入库流量调度水位处于生境重塑目标区间，如入库流量为200 m3/s 时，则应调度水库水位低于837 m，同时不应低于水库死水位817 m。根据上述2016年紫坪铺入库流量情况，齐口裂腹鱼产卵期有91%的日均流量介于114～652 m3/s之间，即91%的时段可调度水位处于生境重塑目标区间，使变动回水区满足目标WUA，比原有调度的41%增加了50%，满足率提升至现状的2.22倍。

3 讨 论

在紫坪铺水库变动回水区，采用流速和水深这两个指标进行齐口裂腹鱼产卵生境适宜性研究，流速增加水体溶解氧，刺激鱼类产卵，水深为底栖性鱼类提供足够生存空间［20］。通过栖息地流速水深适宜性曲线可明确，不仅坝下河道存在产卵条件，原作为生态修复盲区的坝上变动回水区也具备适宜产卵的水动力区间。该区流速、水深受入库流量和水库水位调度的影响，分析流量与水位即可评估齐口裂腹鱼产卵场生境。

紫坪铺水库在2004年蓄水以后，库区水动力条件发生了显著性变化，破坏了齐口裂腹鱼原有产卵场生境。在入库流量较低的3 月和4 月，流量的增大使得流速、水深更加适宜齐口裂腹鱼产卵，因此流量和WUA呈现强正相关；而5 月流量升至600 m3/s 附近时，过大的流量导致流速水深已经超过了齐口裂腹鱼适宜产卵区间，故流量与WUA呈现强负相关。对于水库水位而言，水位越低，淹没的变动回水区区域越少，类似天然河道的变动回水区无疑更加适宜齐口裂腹鱼产卵场恢复重塑，故水位与WUA呈负相关。紫坪铺水库从库尾至坝前坡降逐渐减小，使得3 月和5 月水位较低时，水位的变化显著影响变动回水区被淹没的面积，故3月和5月呈现显著的强相关关系；同理，4月水位较高时，水库水位-WUA则无显著相关。对于紫坪铺水库而言，通过计算182 种流量水位组合工况下变动回水区的WUA，确定了齐口裂腹鱼产卵期生境重塑目标区间，此区间的水位范围为817～844 m，流量范围为114～652 m3/s。在提取出的生境重塑目标区间［图7（b）］的基础上，已知入库流量时，若流量在生境重塑目标区间内，则可根据此区间调度水位，在变动回水区重塑足够的WUA，越低的水库水位可重塑越多适宜齐口裂腹鱼产卵的区域。建库后现行调度下，变动回水区齐口裂腹鱼WUA在整个产卵期仅有41%的时段处于目标WUA以上，而按照生境重塑目标区间进行生态调度后，可使91%的时段满足目标WUA，比原有调度增加了50%，生境重塑效果显著。

以往在对鱼类产卵场的生态调度研究中，一般是通过建立水库下泄流量与WUA的二元关系以明确水库生态调度具体实施方式，如ZHANG等［6］利用这种二元关系确定了金沙江鱼类产卵觅食时期巴塘大坝生态流量，易雨君等［7］得到了澜沧江不同保证率下结鱼WUA对应的漫湾大坝下泄流量。由于坝下河道内水位流量关系基本固定，确定流量与WUA的二元关系就能确定水位与WUA的关系，因此这种二元关系适用于坝下河道［4，21］。但是对于水库变动回水段，水位既受库尾来流影响，又受库区水位的顶托作用，这种复杂的水动力特点使得单纯的流量-WUA二元关系无法包含水位对WUA的影响，且相较于无法控制的入库流量，坝前水位是在水库调度中可以直接控制的一个变量。因此，针对变动回水区的鱼类产卵场生境重塑，本文建立流量-水位-WUA的三元关系，既避免了流量与WUA的二元关系无法实际应用于水库调度的窘境，又把对变动回水区水动力条件影响显著的水库水位因子纳入考虑，结果可准确反映产卵场生境对水库调度的响应，也能更便捷地指导水库进行调度。

西南山区的其他河道型水库，与本研究中的实例紫坪铺水库具有类似的特点，其作为潜在产卵场的变动回水区坡降大，水动力条件对水库水位的变幅响应显著，更易通过生态调度塑造产卵场生境条件。对于在变动回水区有产卵场分布的水库而言，想要通过生态调度实现重塑产卵场的目的，则可参照本研究提出的生境重塑目标区间明确生态调度措施。值得说明的是，本研究确定的生境重塑目标区间仅考虑了水动力条件中的流速和水深，没有考虑水温、涡量等其他指标在水库调度中的响应，后续可将其他指标纳入考虑。同时，已有研究表明鱼类繁殖生长过程中值得关注和保护的时期并不仅限于产卵期［22，23］，在进行栖息地修复与保护时，可兼顾鱼类其他生命阶段需求，以保障鱼类种群数量。

4 结 论

本文通过探讨鱼类有效栖息地面积对入库流量与水库调度水位的响应关系，明确生境重塑并不局限于坝下河道，坝上变动回水区也存在适宜的水动力条件，故将视线聚焦到以往被忽视的变动回水区，意图通过优化水库调度将水库的生态效益最大化。以紫坪铺水库为例，建立变动回水区流量-水位-WUA的三元关系，确定了紫坪铺水库变动回水区生境重塑目标区间，此区间的入库流量范围为114～652 m3/s，水位范围为817～844 m。当水库入库流量、水位落于生境重塑目标区间内，便可达到为变动回水区鱼类产卵场重塑目标WUA的目的。本文提出的生境重塑目标区间，为其他旨在维护重建变动回水区产卵场的水库提供了参考，对实现水库生态效益最大化具有重要意义。