基于RIVER2D的西藏扎拉水电站减水河段生态流量模拟研究

马俊超 范晓志 栾会

收稿日期：2023-09-15

作者简介：

马俊超，男，工程师，硕士，主要从事水文水资源及水生态环境工程方面的工作。E-mai：1109050661@qq.com

引用格式：

马俊超，范晓志，栾会.

基于RIVER2D的西藏扎拉水电站减水河段生态流量模拟研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：116-120.

摘要：

为了量化扎拉水电站减水河段内鱼类生长及繁殖所需的生态流量，以河道内的重点保护鱼类鮡科鱼类作为目标物种，采用水动力模型与栖息地模型耦合的RIVER2D模型，结合水深及流速两个影响鱼类生境的因子，推求各产卵区对应物种不同生命时期所需流量与可利用栖息地面积的关系曲线及分布图。结果表明：鮡科鱼类在4～9月的生长及繁殖期间适宜的生态流量范围为22.0～33.0 m3/s。根据可利用栖息地二维分布图可知，鱼类有效栖息地集中分布在河道中心区域，流量增加后，有效栖息地由河道中间带状分布向河道两边延伸。研究成果可为鮡科鱼类的保护及电站生态调度提供参考。

关键词：

生态流量； RIVER2D模型； 物理栖息地； 可利用栖息地面积； 扎拉水电站

中图法分类号：TV11；P333

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.020

文章编号：1006-0081（2024）06-0116-05

0  引  言

随着人类社会及经济的发展，大批水利水电工程投入运行使用，改变了河道的生境条件和水文情势，可能对河道内鱼类的生长繁殖产生影响［1］。为此，合理确定河道内的生态流量逐渐成为了研究热点。据Tharme［2］统计，河道生态流量的计算及研究方法已超过200种，大体可以分为以下4类［3-6］：水文学法（Tennant法、7Q10法、Texas法、基本流量法等）、水力学法（湿周法、R2-Cross法等）、栖息地模拟法（IFIM/ PHABSIM法等）、基于河流系统整体性理论的综合法（BBM法等）。水文学法和水力学法常用于水电站减水河段河道生态流量的计算，但成果并未考虑河道内的生态系统及物理意义［7］。栖息地模拟法通过构建河道生态流量与栖息地之间的相关关系，考虑了河道内的流速、水深、底质及覆盖物等生态属性，以探求生态流量［8］。

栖息地模拟法最早是美国渔业及野生动物署在1974年研究使用的河道内流量增量法（IFIM法），该法包含了水力学模型及栖息地模型，既考虑了河道水动力条件又考虑了鱼类的生境条件［9］。目前，PHABSIM模型是应用最广泛的栖息地评估法模型，是IFIM法的核心［10］，但属于一维模型，模拟结果易受一维模式的限制。本文以西藏扎拉水电站减水河段为研究区域，采用RIVER2D模型，利用IFIM法模拟分析鮡科鱼类在减水河段内栖息地面积的变化，并定量计算适宜鱼类生境所需的生态流量，研究成果可为流域生态保护和水电站生态调度提供技术参考。

1  研究区域概况

扎拉水电站坝址处流域面积9 379 km2，多年平均流量110 m3/s。工程运行后，坝址至厂址处将形成59.2 km的减水河段。根据调查，减水河段河道狭窄，河谷深切，多呈“V”形，河道内共分布3处鮡科鱼类产卵场，鮡科鱼类为河道内特有鱼种，也是敏感保护对象。根据调查，鮡科鱼类的产卵期一般从5月开始，并于6～7月达到繁殖盛期［11］。

2  研究方法

2.1  模型简介

RIVER2D为二维水深平均有限元模型，主要原理是基于非恒定瞬时模型，同时也可

用于恒定流加速收敛的情况。鱼类栖息地计算的核心是基于PHABSIM中有效权重面积的方法，适应于不规则几何区域的三角形网格［12］。

2.1.1  水动力学模型

RIVER2D水动力模型是基于二维平均水深的圣维南方程，由3个方程组成，分别代表了水体的质量守恒方程和两个方向的动量守恒方程［13］。

质量守恒方程：

Ht+qxx+qyy=0

（1）

X方向的动量守恒方程：

qxt+x（Uqx）+y（Vqy）+g2xH2=

gH（Sox-Sfx）+1ρx（Hτxx）+1ρy（Hτxy）（2）

Y方向的动量守恒方程：

qyt+x（Uqy）+y（Vqy）+g2yH2=

gH（Soy-Sfy）+1ρx（Hτyx）+1ρy（Hτyy）

（3）

式中：H为水深；

U，V分别为x，y方向的水深平均流速；

qx，qy分别为与流速相对应的单宽流量值，qx=HU，qy=HV；

g代表重力加速度；

ρ代表水的密度；

Sox和Soy分别为x和y方向的河床底坡斜率；

Sfx和Sfx分别为相应的摩擦比降；

τxx，τxy，τyx，τyy为水平方向的切应力值。

2.1.2  鱼类栖息地模型

栖息地模型在模拟过程中需满足3个假设：① 鱼类对栖息地的适宜性与流量存在一定相关关系；② 水位、流速等水动力条件是影响鱼类生长和繁殖的主要因子；③ 河床地形在模拟过程中始终保持不变。

权重可利用面积（Weighted Usable Area，WUA）计算是RIVER2D模型的基础，而PHABSIM模型又是计算权重可利用面积的核心。PHABSIM模型假定河流的流速、水深、基质和覆盖物等因子是影响鱼类所需的生态流量与有效栖息地面积及分布情况相关关系的主要因素。通过调查分析确定出目标物种对流速、水深、基质和覆盖物的适应度，并计算可利用权重面积，即WUA［14］。

WUA=ni=1CSF（Vi，Ci，Di）×Ai（4）

式中：

CSF（Vi，Ci，Di）为每个单元的组合适应性值；i为划分的单元个

数；V为流速适宜指数、D为水位适宜指数、C为河道适宜指数（包括基质和覆盖物）；

Ai为每个单元的水平面积。

2.2  目标物种选择

经调查研究，怒江裂腹鱼、贡山裂腹鱼、鮡科鱼类为研究区域内的特有鱼种，占扎拉水电站减水河段调查区域鱼类总数15种的20%。其中，鮡科鱼类的主要产卵及生长区位于扎拉水电站坝址下游至河口处，是分析坝址对下游鱼类生境影响的核心区域。因此，经综合考虑分析，选择鮡科鱼类作为栖息地模拟的目标物种。

2.3  目标物种水深和流速适应度曲线

根据相关鮡科鱼类的生态习性、繁殖习性等方面的研究［15-17］，鮡科鱼类繁殖期所需的适宜水深为0～3 m，最适宜水深为0.45～1.00 m；流速范围为0.45～3.00 m/s，最适宜流速为1.00～1.75 m/s（图1）。

2.4  模拟工况

为构建生态流量与有效栖息地面积的关系曲线，并尽量保证模拟流量符合研究区的实际流量情形，分别选取减水河段多年平均流量（110 m3/s）的5%～100%等12个工况，模拟流量范围为5.5～110.0 m3/s。

3  结果分析

采用生境模拟法中IFIM法，运用RIVER2D模型中河道栖息地二维模拟模式，对研究河段可利用栖息地面积进行计算，建立了流量（Q）与可利用栖息地面积（WUA）的定量关系，见图2。

从图2可以看出，研究河段流量与生境可利用面积（WUA）曲线有两个拐点，第一个明显拐点对应的流量表示其对应的栖息地面积比较适合鱼类生境，可将其作为鱼类繁殖初期及一般生长期所需的生态流量。第二个明显拐点对应的是鱼类栖息地面积最大的流量，表示该流量下栖息地面积最适宜鱼类生境，可将其作为鱼类繁殖及生长旺期所需的生态流量。

各研究区生态流量模拟情况见表1。从表1可以看出，各产卵场所在区域流量与可利用栖息地面积均呈先增加后减小的变化趋势。经验证可知，在鮡科鱼类生长繁殖期，考虑支流汇入的情况下，研究河段流量在5.5～33.0 m3/s时，各研究河段生境可利用栖息地面积随着流量增加而增大。当坝址处下泄流量达33.0 m3/s（坝址年均流量的30%）时，各研究河段生境可利用栖息地面积最大，分别为101 827，71 777 m2和58 878 m2。流量在33.0 m3/s以上时，随着流量的增加，各研究河段可利用栖息地面积也逐渐减少。流量与可利用栖息地面积曲线的变化趋势与水深、流速适宜度指数关系曲线的变化趋势基本保持一致，仅在适宜流量范围内生境可利用栖息地面积才较大，适宜鱼类生长繁殖。

经计算分析，扎拉水电站坝址4月和9月（繁殖初期及一般生长期）需下泄的生态流量为22.0 m3/s，5～8月（繁殖及生长旺盛期）需下泄的生态流量为33.0 m3/s。

同时，本次研究提取了典型工况下研究河段有效栖息地面积分布情况，可以判断出扎拉水电站减水河段在各生态流量下鱼类生境的满足程度，模拟结果见图3。由图3可知，各研究河段鮡科鱼类可利用栖息地以河道中间为主，且分布较连续，当流量在多年平均30%条件下时，各河段可利用栖息地面积最大。随着流量的增加，栖息地利用范围变大，逐渐由河道中央向两岸发散，且分布不均匀。同时，由于河道水深及流速增加，导致适宜鱼类生境的水深及流速范围减少，可利用栖息地面积也随之减少。

4  结  论

（1） 本文构建了以PHABSIM模型为核心的RIVER2D模型，建立了生态流量与有效栖息地面积的关系曲线，以及可利用栖息地面积在河道内的二维分布图。本文既定量分析了流量与有效栖息地面积之间的关系，又定性展示了不同流量下有效栖息地在减水河段内的分布情况。

（2） 计算结果表明：流量为5.5～33.0 m3/s时，各研究河段生境可利用栖息地面积随着流量增加而增大，当坝址处下泄流量33.0 m3/s（坝址年均流量的30%）时，各研究河段生境可利用栖息地

面积最大。随着流量的增加，河道水深及流速增加，导致适宜鱼类生境的水深及流速范围减少，可利用栖息地面积也随之减少。为了满足扎拉水电站减水河段鮡科鱼类的正常生长及繁殖，扎拉水电站坝址4月和9月需下泄的生态流量为22.0 m3/s，5～8月需下泄的生态流量为33.0 m3/s。

（3） 根据鮡科鱼类有效栖息地面积在减水河段内的二维分布可知，有效栖息地集中分布在河道中间区域，随着下泄流量的增加，有效栖息地面积逐渐向河道两端变宽。当流量增加至坝址年均流量的30%以上时，有效栖息地分布由河道中间区域向河

道两岸延伸。

由于本文在进行物理栖息地模拟时并未考虑河道基质和覆盖物的影响，同时，鮡科鱼类生长所需的流速及水深等适宜性指标是通过查阅相关文献获得的，计算结果可能与实际存在一定的偏差，需要进一步对鱼类适宜生境做更详细的调查和研究。

参考文献：

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（编辑：李  慧）

RIVER2D-based simulation research of ecological flow in reduced-water section of Xizang Zhala Hydropower Station

MA Junchao，FAN Xiaozhi，LUAN Hui

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to quantify the ecological flow required for fish growth and reproduction in river，taking Zhala Hydropower Station flow reducing reach as the study area，and the sisoridae fishes of the area as target species，by using RIVER2D model coupled with hydrodynamic model and habitat mode，combining with two factors affecting fish habitat，such as water depth and flow velocity，the relationship curve and distribution map between the flow of corresponding species in different life periods and the available habitat area was calculated. The results showed that the suitable ecological flow for the growth and reproduction of sisoridae fishes from April to September was 22.0～33.0 m3/s. According to the two-dimensional distribution map of available habitats，the effective habitat of fish was concentrated in the central area of the river. After the increase of the flow，the distribution of effective habitats moved from the middle of the river to both sides of the river. The research results can provide a reference for the protection of sisoridae fish and the ecological regulation of hydropower station.

Key words：

ecological flow； RIVER2D model； physical habitat； weighted usable area； Zhala Hydropower Station