高流量脉冲作用下河流交汇区鱼类水力生境指标时空变化

关键词：高流量脉冲；交汇区；鱼类水力生境指标；时空分布特征

中图分类号：ＴＶ１２１＋ ．７；Ｘ１７１．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１７

引用格式：汪贤瑶，钟亮，姜利．高流量脉冲作用下河流交汇区鱼类水力生境指标时空变化［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（６）：１０３－１０８，１１２．

干支流交汇区复杂的水流结构和地形条件为水生生物提供了多样化的栖息地［１－２］ 。嘉陵江是长江的支流，于重庆朝天门汇入长江。根据水流交汇特性，把交汇区水流分为水流停滞区、水流偏转区、回流分离区、最大流速区、水流恢复区和剪切层［３］ ，支流入汇使交汇区水位和流速发生变化，对鱼类水力生境产生影响。开展高流量脉冲作用下鱼类水力生境指标的时空变化特征研究，对河道鱼类资源保护和生态航道工程建设等具有重要意义。

鱼类栖息地包括产卵场、索饵场、越冬场和洄游通道［４］ 。目前，国内外学者对鱼类产卵场水力生境已有一定研究，Ｍｏｉｒ 等［５］ 认为流速是描述鱼类产卵场水力学特征的重要指标；Ｂｏｏｋｅｒ 等［６］ 运用三维流场模型模拟了鱼类产卵场的水流环境；易雨君等［７］ 通过分析四大家鱼的繁殖特性，构建了四大家鱼栖息地适宜度方程；张文鸽等［８］ 、郭文献等［９］ 对鱼类栖息地生境进行模拟，分析了流量与微生境适宜性面积的响应关系。

水文过程与生物过程存在相互适应、相互调节的耦合关系；王海秀等［１０］ 基于水文年内高流量脉冲和涨水过程探讨了水文情势变化对鱼类产卵的影响；Ｔａｏ 等［１１］研究发现长江中游产卵场鱼类繁殖与水文过程有关；邢宝龙等［１２］ 采用二维水动力模型研究了典型洪水过程中鱼类水力生境适宜性。

纵观已有研究成果，交汇区鱼类水力生境指标变化研究仍处于起步阶段，尚未阐明高流量脉冲过程与水力生境指标时空变化的响应关系。为此，本文以长江与嘉陵江交汇区为研究河段，以四大家鱼为代表，采用三维水流数值模拟方法，分析鱼类水力生境指标时空变化与高流量脉冲过程的响应关系，以期为干支流交汇区四大家鱼生境保护提供参考。

１资料与方法

１．１研究河段概况

研究河段为长江上游干支流弯曲型交汇河段（见图１），嘉陵江从长江左岸凸岸入汇，入汇角约为４０°，入汇口上下游干支流河段均为微弯河段，深槽靠右岸。长江、嘉陵江均为山区河流，河岸多由基岩、卵石或卵石夹沙组成，河床变形以推移质运动为主，浅滩演变遵循“洪淤枯冲”的规律，深槽表现为“洪冲枯淤”，在两岸已建挡墙及岩盘、石梁等的约束下，河床年际变化不大，河势及河段滩槽格局较为稳定。研究河段上游设有朱沱水文站（距朝天门大桥约１４７ ｋｍ）、北碚水文站（距朝天门大桥约５４ ｋｍ），下游设有寸滩水文站，３ 个水文站均具有较为完整的水文资料。

１．２水流数值模拟

基于三维水流数值模拟方法分析研究河段鱼类水力生境指标。水流模型基于三维不可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ 方程的解来构建，其服从静水压力和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ涡黏性假设。水流模型基本控制方程见式（１） ～式（３）；紊流模型在基本控制方程基础上引入涡黏系数，见式（４） ～式（５）。

基于２０１８年实测河道地形进行水流数值模拟，数值模拟选取计算区域为长江重庆大桥至寸滩水文站，嘉陵江黄花园大桥至汇合口，计算河段全长约１３．４ｋｍ。采用三角网格，网格边长为３０ ｍ，共２７ ３５５ 个单元、１４ １７１ 个节点。进口流量采用北碚水文站和朱沱水文站实测流量，出口水位采用寸滩水文站实测水位。水位、断面流速验证分别采用２０１２ 年５ 月３０ 日和２０１１ 年９ 月１７ 日的实测资料，见图２。由图２ 可以看出，长江与嘉陵江计算水位与实测水位偏差在±０．１ ｍ以内，流速大小及分布与实测值较为吻合，流速偏差在±５％以内，数值模拟计算的流向与浮标迹线走向较为一致。综上，本文建立的三维水流数值模型的计算精度满足《水运工程模拟试验技术规范》（ＪＴＳ／ Ｔ２３１—２０２１）要求，可用于下一步研究。

１．３分析方法

１．３．１高流量脉冲过程确定

根据水文情势的不同，可把流量过程分为低流量、高流量脉冲、洪水，其中高流量脉冲塑造河道形态、刺激鱼类洄流和产卵。根据ＩＨＡ 软件设定，结合该河段水文条件［１０］ ，将寸滩水文站１９９１—２０２１ 年日流量数据从小到大排序，低于４５％的流量为低流量；流量频率为４５％～７０％，流量日涨幅超过１５％为高流量脉冲开始，直至日降幅超过１０％结束。由于产卵繁殖期较少发生洪水，因此将洪水列入高流量脉冲，统称为高流量脉冲。

研究表明［１３］ ，刺激四大家鱼产卵的有效涨水过程需持续３ｄ 及以上，且一次连续涨水需超过０．５ ｍ。四大家鱼产卵繁殖期为每年的４—７ 月，结合四大家鱼产卵习性与高流量脉冲过程，选取２０１８年汛期５月２２日至５ 月３０日发生的脉冲过程作为典型高流量脉冲过程（寸滩水文站起始流量Ｑ_起始为９ ７１０ ｍ^３／ｓ，峰值流量Ｑ_峰值为２０ ７７５ ｍ^３／ｓ，终止流量Ｑ_终止为９ ４０７ ｍ^３／ｓ），见表１。Ｔ１—Ｔ３ 时段为涨水阶段，长江上游与嘉陵江上游来流量均急速上升，水位变化大，流量大幅度波动导致水体流动不平稳，长江来流量大于嘉陵江；Ｔ４—Ｔ６ 时段为落水阶段，长江来流量减幅大于嘉陵江，水位、流量均快速下降。

长江与嘉陵江交汇区干支流上游河段存在四大家鱼洄游通道和产卵场，下游距离四大家鱼保护区较近且存在产卵场，交汇区河段为四大家鱼的重要洄游通道［１４－１５］ 。流速变化影响适宜度指数，并通过改变水动力条件塑造多样化的微生境面积，从而影响鱼类分布。

１．３．２鱼类水力生境指标量化

根据影响四大家鱼产卵栖息的各环境因子适应性曲线，建立四大家鱼产卵栖息地适宜度评价模型［１６］ ，栖息地适宜度指数ＳＨ和微生境适宜性面积（Ａ）计算公式为

２结果与讨论

２．１流速

１）断面分布特征。各断面在不同脉冲时刻的流速分布见图３，两江交汇河段地形为“左凸右凹”，支流以接近直角冲击长江干流，两股水流相互挤压，支流流向发生偏转，产生流向偏转区；深槽向右岸发育，主流被压缩至凹岸，形成最大流速区；受附壁效应和弯道干流挤压影响，水流经凸岸受阻碍形成回流，出现椭圆状贴壁的回流分离区。Ｔ１—Ｔ３ 时段为涨水过程，交汇区内水位、流速急速上升。交汇区水流混掺，干支流水体随着涨水过程顶托增强，由于长江来流涨幅均大于嘉陵江，支流水流能量被消耗，因此回流分离区宽度逐渐减小，向凸岸侧收缩；河道凹岸最大流速区随涨水过程向边滩及深槽延伸。涨水过程中支流流量小于干流流量，两江水流强度差异较大，沿程各断面流速分布与涨水趋势基本一致。Ｔ４—Ｔ６ 时段为落水过程，两江来流逐渐减小，干流对支流顶托作用减弱，最大流速区范围随落水过程被压缩；回流分离区向凹岸侧增大。

２）垂线平均流速。高流量脉冲过程中，断面垂线平均流速发生显著变化，典型断面垂线平均流速变化见图４。流速变化与流量涨落趋势基本一致，随着流量的增大，河道流速增大；由于支流侧受凸岸边壁影响产生回流，因此主槽区流速随流量的变幅大于回流分离区的。ＣＳ２ 断面左侧为嘉陵江来流，受长江较大流量挤压，流向发生偏转，涨落水过程中流速均低于２ｍ／ ｓ；右侧深槽Ｔ３ 时刻流速均值高达２．５ ｍ／ ｓ。交汇区ＣＳ３、ＣＳ４ 断面左侧弯道对水流产生的阻碍力逐渐增强，回流分离区流速在０～１ ｍ／ ｓ 波动；右侧主流区变幅与脉冲过程一致。

２．２适宜度指数

栖息地适宜度指数（Ｓ_Ｈ）是评价生物栖息地适宜性的指标，综合了流速适宜度和水深适宜度。Ｓ_Ｈ 取值范围为０～１．０，其中０ 为不适宜栖息的生境、１．０ 为最适宜栖息的生境。研究表明，一般Ｓ_Ｈ＞０．８ 的区域较适宜四大家鱼产卵栖息［１７］ 。

１）各断面适宜度指数随时间的变化。交汇区各断面栖息地适宜度指数Ｓ_Ｈ随时间的变化见图５。沿程各断面栖息地适宜度指数Ｓ_Ｈ 呈河底大、水面小的趋势。在高流量脉冲过程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８ 的区域集中在河道边滩和河底，该区域较适于鱼类产卵栖息。涨水过程中，支流来流小于干流，凸岸回流分离区水流流速小、水位低，总体不适宜鱼类繁殖栖息，右侧主流区Ｓ_Ｈ ＞０．８的区域处于深槽水体中下层及凹岸边滩。各断面Ｓ_Ｈ＞０．８ 的区域随涨水过程向水体中下层及凸岸边壁偏移。至Ｔ３ 流量峰值时刻，主流区流速达峰值，大部分区域Ｓ_Ｈ较小，为０～０．３，支流来流增加，回流分离区流速整体较为适宜鱼类繁殖栖息，靠近凸侧河槽底部出现Ｓ_Ｈ 最大值，接近于１．０。落水阶段（Ｔ４—Ｔ６ 时段），适宜四大家鱼繁殖栖息区域的变化与涨水阶段相反，鱼类繁殖栖息理想生境面积随着落水过程逐渐增大，凸岸边滩因支流流量减小适宜栖息范围被压缩至凹岸深槽及边滩处，Ｓ_Ｈ＞０．８ 的区域随脉冲过程逐渐向凹岸河槽及边滩偏移。说明流速、水位变幅较大的涨落水过程可能造成交汇区适宜四大家鱼繁殖栖息生境面积减少，但支流入汇口以及低流量下主流区存在适宜鱼类繁殖栖息的理想生境。

２）适宜度指数沿河宽变化情况。典型断面四大家鱼栖息地适宜度指数沿河宽变化见图６。ＣＳ２ 断面左侧为嘉陵江来流，在涨落水过程中Ｓ_Ｈ变化规律基本一致，高流量涨水过程中，水深、流速超过适宜度阈值，低流量下河道为鱼类提供适宜的繁殖栖息地。ＣＳ３ 断面，支流入汇，左侧受干流顶托，流速、水深较小，不利于鱼类繁殖栖息。ＣＳ４ 断面深槽处Ｓ_Ｈ 均低于０．８，表明过大的流量不利于鱼卵孵化；落水过程中，在回流区与最大流速区适宜度指数逐渐增大相反，回流分离区高流量以及变幅较大的脉冲过程更有利于四大家鱼繁殖栖息。

２．３微生境适宜性面积

计算出汇流区域各单元栖息地适宜度指数Ｓ_Ｈ后，根据式（７）可计算由Ｓ_Ｈ加权得到的微生境适宜性面积Ａ。由于面积与河道长度有关，因此统计时将面积转换为１ ｋｍ 长度的数值。不同Ｓ_Ｈ 范围Ａ 变化见图７。高流量脉冲过程中，０．８＜Ｓ_Ｈ ＜１．０所对应的微生境适宜性面积Ａ占比较大，接近５０％，表明在高流量脉冲下，交汇区大部分区域为四大家鱼繁殖栖息的理想生境。由于河道汇流比Ｒ_Ｊ先减小后增大再减小，汇流比随脉冲过程发生变化，Ｔ１ 时刻嘉陵江来流占比较大，支流微生境适宜性面积增大，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 随涨水呈先减小后增大的变化趋势；落水过程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 随流量的减小而减小。涨水过程的微生境适宜性面积Ａ均高于落水的，说明适宜的流量涨幅刺激四大家鱼繁殖栖息。Ａ 随涨落水呈先增大后减小的变化趋势，整体变化趋势与涨落水变化趋势一致，Ａ 峰值出现在脉冲峰值Ｔ３ 时刻，河道水位抬高，为鱼类提供更多的栖息区域。

３结论

１）涨水阶段，干支流顶托作用增强，支流入汇在左侧形成回流分离区，随涨水回流区宽度缩窄，凹岸最大流速区向边滩及深槽延伸；落水阶段，流速递减变化趋势与涨水相反，流速整体变化趋势与脉冲过程保持一致。

２）随着流量的变化，适于鱼类产卵栖息的区域在深槽和边滩间移动。栖息地适宜度指数Ｓ_Ｈ大于０．８的区域，随涨水过程向河底及凸岸边壁处偏移，主流区大部分区域的Ｓ_Ｈ较小；落水过程交汇区适宜鱼类繁殖栖息的范围被压缩至凹岸深槽及边滩。

３）高流量脉冲条件下，微生境面积与涨落水具有一定相关性。交汇区微生境适宜性面积Ａ 随涨落水呈先增大后减小的变化趋势，Ａ 峰值出现在脉冲峰值Ｔ３时刻。在此脉冲过程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的微生境适宜性面积占比较大。