2023年三峡水库生态调度对四大家鱼生境面积的影响

白凤朋 任玉峰 梅杰 梁志明 马一鸣 杨中华

摘要：为量化生态调度对四大家鱼生境面积的影响，2023年在三峡水库开展了针对葛洲坝下游四大家鱼自然繁殖的生态调度试验，以葛洲坝至枝江江段为研究区域，选择水位变幅、水深、流速、水温4个主要生境因子，建立了耦合平面二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线的四大家鱼产卵生境质量评估模型，实现了产卵综合适宜度指数时空分布的精细化模拟。结果显示，2023年三峡水库生态调度期间，约60%研究区域四大家鱼产卵综合适宜度指数呈现增加趋势，其产卵加权可利用面积占研究区域总面积比例由30.45%增加至约55%；适宜四大家鱼产卵区域（综合适宜度指数0.6～1.0）明显增加，占研究区域总面积比例由4.67%增加至约60%。研究表明，三峡水库生态调度显著改善了葛洲坝至枝江江段四大家鱼产卵的生境质量。

关键词：生态调度；四大家鱼；适宜度指数；生境面积；三峡水库

中图分类号：X171.1        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2024）01-0112-08

水利工程的建成在带来巨大经济效益与社会效益的同时，也不可避免地对河流生态环境造成一定程度的影响。水库运行后，大坝下游河道的径流过程发生了较大变化，特别是水库蓄水后下游水文指标相较于蓄水前发生了改变，从不同的时空尺度上对下游鱼类的群落结构和自然繁殖造成了一定的影响（徐薇等，2019；屈霄等，2020）。生态调度通过改变大坝下泄流量，形成有利于鱼类产卵的人造洪峰，从而促进鱼类繁殖，被认为是减缓大坝运行对鱼类繁殖不利影响的有效途径（赵越等，2012；徐薇等，2014）。目前，国内尤其是在长江流域通过水库调度促进重要鱼类自然繁殖已成为生态调度的主要目标，对于保护水生生物资源具有十分重要的意义（徐薇等，2020；戴凌全等，2022）。2011年以来，三峡水库在保证防洪、发电和航运调度的基础上，针对四大家鱼繁殖的生物学特性制定并开展了合理的生态调度试验。截至2023年，三峡水库已连续13年开展了20次水文过程生态调度，一定程度上减缓了大坝运行对鱼类自然繁殖的不利影响（李博等，2021；徐薇等，2023）。

生境面积是反映鱼类生存空间的直接指标，水库的建设和运行导致鱼类生境面积缩小、破碎化程度增加、连续性及完整性下降（周湖海等，2019；Li et al，2016）。相关研究表明，生境面积的大小变化与鱼类产卵数量的变化趋势较为一致（Zhang et al，2018；Baumgartner et al，2020），说明生境面积在很大程度上影响了鱼类产卵分布和数量。因此，通过生态调度试验改善鱼类适宜的产卵生境面积是保证鱼类产卵数量的前提条件，而生态调度试验的效果也可以根据产卵生境面积的大小进行合理评估。目前，国内外在这一研究领域已经做了大量工作，并取得了一些进展，其中通过建立物理生境模拟模型来分析流量变化与生境面积的关系是当前的研究热点。物理生境模拟模型耦合了水动力模型和物种适宜生境偏好模型，基于物种对不同因子的适宜性曲线计算生境适宜性指数，进而模拟不同流量下物种对生境的适宜程度及适宜生境面积大小；该模型在长江流域及黄河流域的鱼类生境模拟中得到了广泛运用（郭文献等，2011；孙嘉宁等，2013；王煜等，2016；王瑞玲等，2020；戴凌全等，2021）。

本文以葛洲坝至枝江江段为研究区域，建立了耦合平面二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线的四大家鱼产卵生境质量评估模型，模拟三峡水库生态调度期间研究区域内四大家鱼产卵综合适宜度指数的时空分布及适宜产卵生境面积变化情况，以期为三峡水库下游四大家鱼产卵繁殖生态调度提供理论参考。

1   材料与方法

1.1   研究区域

葛洲坝坝址至枝江江段长约90 km，区域内分布有胭脂坝、虎牙滩、宜都、枝城等四大家鱼产卵场（图1）。其中，宜昌?宜都产卵场（胭脂坝、虎牙滩、宜都）是长江中游典型的四大家鱼产卵场，同时也是距离三峡?葛洲坝梯级水库最近的四大家鱼产卵场。

1.2   研究方法

基于有限体积Godunov格式建立研究范围内的平面二维水动力学模型，选择水位变幅、水深、流速、水温4个主要生境因子，确定四大家鱼产卵栖息地适宜度曲线。耦合平面二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线，构建面向四大家鱼产卵生境质量评估模型，运用编写的Fortran程序计算评估区域内产卵综合适宜度指数（HSI）的时空分布及适宜生境面积情况。

1.2.1   平面二维水动力数学模型   （1）模型控制方程。由于本研究江段水平方向尺度远远大于垂直方向，所以适宜采用深度平均的平面二维浅水方程来描述区间水流特性：

[?U?t+?F?x+?G?y=S]

S = Sb [+] Sf [+] St  ①

Sb = [0gηSb，xgηSb，y] ， Sf = [0-gηSf，x-gηSf，y] ，

St = [0?（hTx，x）/?x+?（hTx，y）/?y?（hTy，x）/?x+?（hTy，y）/?y]  ②

式中：x、y分别表示二维笛卡尔坐标系的水平轴和垂直轴，U表示守恒向量，F、G分别表示x、y方向的对流通量向量，g为地球重力加速度，h为水深，zb为河床地形高程，η=h+zb表示水位，u、v分别为x、y方向上的流速分量，qx=hu表示x方向上的单宽流量，qy=hv表示y方向上的单宽流量；Sb表示地形源项向量，Sf表示摩阻源项向量，St表示紊流涡粘项向量。

水温模型控制方程：

[?hT?t+?（huT）?x+?（hvT）?y=??xDx?（hT）?x+??yDy?（hT）?y-KshT] ③

式中：T为水温，Dx和Dy为扩散系数，Ks散热系数。

（2）数值算法。数值模型采用作者团队研发的“基于Godunov型有限体积方法的平面二维水动力水温数学模型”，模型详细数值求解过程参考Zhu等（2018）。模型采用非结构三角形网格剖分计算区域，共剖分10 230个三角形单元；采用宜昌水文站水位对模型进行参数率定和模型验证，最大绝对误差为0.20 m（表1）。

1.2.2   四大家鱼栖息地适宜度曲线   四大家鱼繁殖期产卵场的生境质量将直接影响鱼类资源，适宜性曲线的建立以栖息地适宜度指数为基础，将四大家鱼对栖息地的偏好性和生境因子之间的关系进行量化，用数值0～1定义四大家鱼对生境因子的偏好，0表示完全不适宜，1表示完全适宜；取值越趋近于1，则表示四大家鱼对此生境因子的偏好性越大。

一般情况下，影响四大家鱼产卵繁殖的主要水文条件为水位涨落和水温，河流水动力条件主要表现在流速、流态和水深方面，而回水、涡流等流态又与流速有关（柏海霞等，2014；林俊强等，2015）。本文主要研究水库生态调度方案下水文水动力条件对于四大家鱼产卵生境面积的影响，因此主要从水位变幅、水深、流速和水温4个生境因子构建四大家鱼产卵繁殖的适宜度曲线。目前，国内学者对长江中游河段四大家鱼产卵的水位变幅、水深、流速和水温等适宜度曲线已进行了相关研究（李建和夏自强，2011；易雨君和乐世华，2011；李建等，2013），综合比较选定的各适宜度曲线如图2所示。四大家鱼产卵的最适水位日涨幅≥0.25 m，最适水深为3～12 m，最适流速为0.6～1.3 m/s，产卵盛期水温为21～24℃。

1.2.3   评估指标   （1）产卵综合适宜度。根据所建立的产卵适宜度曲线，采用几何平均方法计算四大家鱼的产卵综合适宜度（Habitat Suitability Index， HSI），具体表达式如下：

HSI = （SIs × SId × SIv × SIt ）1/4  ④

式中：SIs为四大家鱼产卵的水位变幅适宜度指数， SId为四大家鱼产卵的水深适宜度指数，SIv为四大家鱼产卵的流速适宜度指数，SIt为四大家鱼产卵的水温适宜度指数。

（2）加权可利用面积。结合水动力模型模拟计算结果，计算产卵加权可利用面积（Weighted Usable Area，WUA），评价不同生态调度方案下的产卵栖息地生境质量，计算公式如下：

WUA = [i=1nHSIi·Ai] ⑤

式中：HSIi为第i个网格的HSI值，Ai为第i个单元格的面积。

（3）产卵适宜等级面积占比。根据产卵综合适宜度指数大小，将产卵生境划分为3个等级，产卵综合适宜度指数分别在[0，0.2）、[0.2，0.6）、[0.6，1.0]范围内，产卵生境质量依次处于崩溃、不适宜、适宜等级（夏继红等，2022），产卵综合适宜度指数[≥]0.6的河段网格被认为是四大家鱼产卵生境较为适宜的区域。

1.3   生态调度过程

2023年5月27日至6月3日，三峡水库开展了年度首次针对葛洲坝下游四大家鱼自然繁殖的生态调度试验。5月27日三峡出库流量按8 160 m3/s控制，从5月28日至6月3日持续7 d加大出库流量，日均涨幅约1 400 m3/s；6月3日出库流量加大至17 900 m3/s，本次生态调度试验结束。生态调度过程如图3所示。调度期间研究范围内的流量、水位和水温模型输入条件见表2。

2   结果与分析

2.1   产卵综合适宜度指数时空分布

生态调度期间（5月27日至6月3日），产卵综合适宜度指数时空变化情况如图4所示。生态调度第1天（5月27日），评估区域内平均流速为0.66 m/s，平均水深为6.37 m，产卵综合适宜度指数均值为0.4，说明此时未充分达到四大家鱼产卵所需要的水动力条件；生态调度第3天（5月29日），随着出库流量增大，胭脂坝、虎牙滩、宜都、枝城和枝江等江段流速和水深增加，出现了适宜四大家鱼产卵的水动力条件，评估区域内产卵综合适宜度指数增加较快，均值达到0.75，适宜四大家鱼产卵位置逐步向下游移动。生态调度后期，评估区域内产卵综合适宜度指数均值在0.8左右，维持在较高水平。

2.2   加权可利用面积变化

生态调度期间，葛洲坝至枝江江段产卵加权可利用面积总体呈现稳定增加的趋势（图5-a）。生态调度第4天（5月30日）达到峰值，约71.00 km2，调度后期维持在64.55～70.71 km2；产卵加权可利用面积占研究河段总面积的比例由调度第1天的30.45%增加至调度后期约55%。调度最后一天（6月3日）产卵加权可利用面积减少约5.3 km2，主要原因是三峡出库流量较于前一天（6月2日）仅增加100 m3/s，水位增幅减少，未能满足四大家鱼产卵最适宜的涨水条件。

研究表明，葛洲坝至枝江江段适宜产卵生境（综合适宜度指数0.6～1.0）的区域占评估范围总面积占比增加较为明显（图5-b），由4.67%增加至约60%；不适宜产卵生境（综合适宜度指数0.2～0.6）的区域占比明显减少，由54.45%下降至约4%；产卵生境崩溃（综合适宜度指数0～0.2）的区域面积变化较小，下降了约2%，主要分布在河道滩槽没有过水的区域。通过生态调度，主要将研究范围内不适宜四大家鱼的产卵生境转换为适宜产卵的区域。

3   讨论

3.1   生态调度能显著改善四大家鱼的产卵生境

2023年三峡水库生态调度期间，葛洲坝至枝江江段约60%区域产卵综合适宜度指数呈现增加趋势，产卵综合适宜度指数均值由0.4增加至0.8；产卵加权可利用面积最大值达到71.00 km2，占该江段总面积比例由30.45%增加至约55%；适宜产卵生境的区域明显增加，占评估范围总面积比例由4.67%增加至约60%。表明2023年三峡水库生态调度显著改善了葛洲坝至枝江江段四大家鱼产卵生境质量。

3.2   生态调度水温对四大家鱼产卵效果的影响

水温是影响四大家鱼生命活动的主要因素，为了更好地理解水温变化对四大家鱼产卵栖息地适宜性的影响，本研究运用所建立的生境质量评估模型对2种水温情景下的四大家鱼产卵生境进行模拟评估。

5月27日至6月3日生态调度期间，假设三峡水库生态调度方案不变、起调水温采用宜昌江段5月平均水温20℃，与实际生态调度（起调水温为20.95℃）情景下的产卵加权可利用面积对比如图6所示。在生态调度期间，2种情景下产卵加权可利用面积均有明显的增加，占研究区域总面积的比例分别增加了25%和20%。相较于实际起调水温情景，起调水温下降至20℃情景下，适宜家鱼产卵栖息的区域大幅度减小，产卵加权可利用面积最大值由71.00 km2减少至59.69 km2，适宜生境等级区域的最高面积占比由60.58%降至53.88%（图7）。

选择2个情景下产卵综合适宜面积最大的一天，即第4天（5月30日）进行起调水温改变与实际生态调度下的空间差值分析，结果如图8所示。相较于实际生态调度起调水温20.95℃情景，起调水温20℃情景下，几乎所有区域的产卵综合适宜度指数均呈现不同程度的下降，下降幅度为0.1～0.2。

综上，四大家鱼产卵受水温影响较大，因此在进行水库生态调度时必须考虑水库下泄水温度，建议三峡水库在满足四大家鱼产卵最佳水温条件下开展生态调度，以最大程度地提高四大家鱼的产卵生境适宜度。

4   结论

（1）选择水位变幅、水深、流速、水温4个主要生境因子，建立了耦合二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线的四大家鱼产卵生境质量评估模型，实现了产卵综合适宜度指数时空分布规律的精细化模拟。

（2）2023年三峡水库生态调度显著改善了葛洲坝至枝江江段四大家鱼产卵生境质量，适宜四大家鱼产卵的区域面积明显增加。

（3）四大家鱼产卵受水温影响较大，建议三峡水库在满足四大家鱼产卵最佳水温条件下开展生态调度。

参考文献

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（责任编辑   万月华）

Effect of Ecological Operation of Three Gorges Reservoir on Spawning Habitat

Area of the Four Major Chinese Carps

BAI Feng‐peng1，2，3， REN Yu‐feng4， MEI Jie5， LIANG Zhi‐ming4，

MA Yi‐ming4，YANG Zhong‐hua5

（1. Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan   430051， P. R. China；

2. Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan   430051， P. R. China；

3. Key Laboratory of River and Lake Governance and Flood Control of the Ministry of Water Resources，

Wuhan   430051， P. R. China；

4. China Yangtze Power Co.， Ltd， Yichang   443000， P. R. China；

5. State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，

Wuhan University， Wuhan   430072， P. R. China）

Abstract：Ecological operation of hydropower facilities is necessary to protect fishery resources and the effect of the ecological operation can be evaluated by monitoring the scale of spawning habitat for target fish species. From May 27 to June 3， 2023， an ecological operation experiment at Three Gorges Reservoir （TGR） was carried out， aiming to increase natural reproduction of the four major Chinese carps downstream of Gezhouba Dam， a run-of-the river dam below TGR at Yichang. In this study， a section of the Yangtze River from Gezhouba Dam to Zhijiang was investigated. The impact of ecological regulation on the spawning habitat area of the four major Chinese carps was estimated based on model simulations. The quality assessment model for spawning habitat was established by coupling a two-dimensional hydrodynamic model to the spawning habitat suitability index （HSI） curve. Four major habitat factors （water level amplitude， water depth， flow rate， and water temperature） were selected as model parameters. The spatial and temporal distribution of the comprehensive spawning HSI was simulated and the change in suitable spawning habitat area was analyzed. Results show that during ecological operation in 2023， the comprehensive spawning habitat suitability index increased by 60% in the study section， and the proportion of suitable spawning habitat area （weighted available area） increased from 30.45% to 55%. The areas suitable for spawning for the four major Chinese carps， with a comprehensive spawning habitat suitability index ranging from 0.6 to 1.0， have significantly increased from 4.67% to 60% of the total study area. In conclusion， the ecological regulation of Three Gorges Reservoir in 2023 significantly improved the quality of spawning habitat for the four major Chinese carps from Gezhouba dam to Zhijiang.

Key words：ecological operation; four major Chinese carps; suitability index; habitat area; Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-11-19

基金项目：国家重点研发项目（2021YFC3200304）；长江科学院开放研究基金（CKWV2019732/KY）；湖北省自然科学基金联合基金（2022CFD169）；武汉市知识创新专项（2023020201010110）。

作者简介：白凤朋，1989年生，男，博士，高级工程师，主要从事流域水生态环境研究。E-mail：bfp@whu.edu.cn

通信作者：杨中华，1977年生，男，博士，教授，主要从事环境水力学研究。E-mail：yzh@whu.edu.cn