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基于淮河中游鱼类不同等级生境保护目标的生态需水研究（谢悦 , 夏军等）（P

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2024-11-23 18:19

基于淮河中游鱼类不同等级生境保护目标的生态需水研究

谢悦2 夏军1,2 张翔1,2 柏慕琛1,2

1.水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉大学， 430072；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉大学，430072

作者简介

谢悦（１９９２－），女，四川简阳人，主要从事生态水文学方面的研究。

通讯作者：

夏军（１９５４－），男，湖北孝感人，中国科学院院士，长期从事系统水文学、基于生态水文的可持续水资源管理方面的研究。

摘要

随着社会经济发展，生产生活用水长期挤占生态环境用水，造成河道断流、生境破坏、生态系统恶化等一系列生态环境问题。针对淮河流域目前的水生态环境问题，以淮河中游鱼类为研究对象，通过分析河段天然流量过程，以淮河流域生态恢复为目标，建立鱼类保护目标概念模型，采用IHA及EFC指标体系分析天然流量变化特性，并用HEC-RAS模型基于鱼类生态水力需求确定流量值大小，得出符合天然流量动态变化且满足不同等级生境目标需求的生态需水推荐结果，可为淮河流域水资源优化配置提供依据。

关键词

生境目标鱼类保护 IHA分析 HEC-RAS模型生态需水

Definition of environmental flow components based on different fish habitat protection goals in the middle reaches of Huai River

With the development of society and economy, water for production and domestic use has occupied the water for eco-environmental use for a long period of time, causing a series of ecological environmental problems, such as river blanking, habitat destruction, and ecosystem deterioration. Aiming at these problems and taking fish in the middle reaches of Huai River as the main object of study, we analyzed the natural river flow process, established a conceptual model for fish protection goals based on the goal of ecological restoration of Huai River, used IHA and EFC index system to analyze the characteristics of natural flow variation, and used HEC-RAS model to determine the quantity of flow based on the eco-hydraulic needs of fish. Thus, we obtained the recommended ecological flow which fits the dynamic changes of natural flow and meets the requirements of different levels of habitat goals. The results can provide a basis for scientific and reasonable use of water resources in Huai River basin.

Key words

habitat goal fish protection IHA analysis HEC-RAS model environment flow

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题（2014ZX07204-006）；国家自然科学基金（41571028）

水是河道生态系统的载体，承担着物质迁移转化、能量交换及为水生生物提供生存繁殖空间的作用，健康的河道必须维持一定的水量。随着社会经济的高速发展，生产生活用水不断增加，河道水量不断减少，造成河道断流、水质恶化、生态系统破坏等一系列生态环境问题。如何在经济发展的同时保证水生态环境以及保障河流等生态系统良性发展的生态需水量，已成为当前研究的热点问题。

我国的生态需水研究采用的方法大致可分为水文学法、水力学法及栖息地法［１］。水文学方法以历史日流量资料为依据，通过变异性分析［２－３］、频率分析［４－６］或流量组分分析［７－９］等统计分析方法确定生态需水值。水力学法大多以河道地形断面条件为依据，通过分析断面水力变化来确定生态需水，如水力半径法［１０－１２］、湿周法［１３－１４］等。栖息地法的应用研究大多集中在长江流域，以中华鲟、大型底栖动物等珍稀物种的栖息地保护为重点，通过建立流速、水温、水深等参数与栖息地面积关系曲线来确定生态需水［１５－１９］。上述方法中，水文学和水力学方法对水生物需求采用经验概化或直接忽略，与生态系统联系较弱，同时推荐值大多为年均值或月均值，忽略了水文过程的动态性和季节性；栖息地法则需要大量的水文、生物、地质等数据，而我国大多数流域长期以来缺乏生态监测，相关数据较少，应用难度较大。因此，需要建立一种资料需求适中、与生态系统有直接联系的生态需水计算方法。由于水生态系统恢复是个长期的过程，最小生态需水并不能满足健康河道对水量的需求，同时考虑水资源年际间丰枯变化及用水差异，需要根据不同等级生境保护目标确定生态需水量以达到满足不同时期河道保护目标的需求目的［２０］。

淮河是我国受人类活动影响最为严重的河流之一，水利工程在发挥防洪、发电、灌溉及供水方面的功能的同时改变了河道水文形势，出现了河道断流、主槽淤积萎缩等问题，严重影响河道生态系统健康。据统计淮河流域６４％的河流处于不健康或亚健康状态［２１－２２］，河道中鱼类等大量水生物出现死亡甚至灭绝的状态，水生态问题已成为淮河流域经济社会发展的重要制约因素之一。如何在经济社会发展的同时逐步恢复淮河流域生态健康成为当前研究的一个重点问题。

研究对象

1.1

研究区概况

淮河流域位于我国东部，流域面积２．７５×１０５ｋｍ２，流域内多年平均降水量为８８８ｍｍ，多年平均径流深约为２２１ｍｍ。淮河流域为典型季节性河流，受梅雨及台风的影响，６月－９月（汛期）暴雨频发，汛期降水总量约占淮河流域全年降水量的６０％［２３］。流域总人口约１．７０亿，流域平均人口密度为６３１人／ｋｍ２，国内生产总值（ＧＤＰ）为１．７３万亿元，人均１．０２万元。人口密度大，经济基础比较差，属于经济欠发达地区。

淮河流域历史上水资源丰富，鱼类资源众多，淮河中游曾经分布着较多的产卵场，其中安徽省凤台县的峡山口由于其得天独厚的水流条件使其在历史上成为淮河中游重要的产卵场，但是由于近年来截弯取直、水文情势改变和过度捕捞等造成河道生态环境不断恶化，产卵场逐渐消失，淮河流域鱼类数量急剧下降。本次在淮河凤台县河段选取了分布距离较为均匀的８个典型大断面，区间河段河床为岩石底质，断面较为稳定，河段平均比降为０．０２％，糙率０．０３。研究区及研究断面见图１。

1.2

指示性物种

参考《淮河流域生态－环境调查与评价报告》和《淮河流域生态用水调度研究报告》［２３］，淮河流域鱼类有２３种，隶属于９科，其中凤台县河段鱼类主要有鲤鱼科鲫、餐、蛇鮈、油餐、银鮈、蒙古鲌、红鳍鲌、青梢鲌及鲿科光泽黄颡鱼、长吻鮠，鲤鱼科为绝对优势种群。鱼类是河道生态系统的顶级生物，鱼类种群的改变可直观反映河道水文情势的变化对河道生态系统的影响，同时，适宜鱼类生存繁殖的流量过程也能使河道达到健康状态。本文选择凤台县典型鱼类为研究对象，将鱼类在不同时期对水流条件的需求作为生态需水制定的依据。同时本次将４月－６月定义为鱼类产卵期繁殖期，６月－９月定义为育幼期，该时间段对于鱼类种群丰度具有极其重要的作用，对其需求应重点考虑及研究。鱼类生态习性见表１。

研究内容

2.1

研究方法

河流水文情势与河流生态过程具有内在关系，是河流生态过程的主要驱动力［２４］。天然水文过程较为复杂，但生物与环境在长期相互作用的过程中，河流水文情势的变化与水生物年内生命阶段之间形成了天然的匹配关系［１８］。国际上普遍认为，流量的天然变化过程包括大小、频率、发生及持续时间、涨落率等最适宜鱼类的生存，对河道健康最有利［２５］。本文在确立不同等级生境保护目标的基础上，建立生态－水文响应概念性模型，通过历史流量资料分析确定流量组分年内分布变化特征，同时根据鱼类不同时期需求对生境保护目标赋予不同水力学指标，根据一维水力学模型演算确定流量值，综合确定生态需水推荐值。研究流程如图２所示。

2.2

生境保护目标确定

淮河流域水资源问题突出，水资源时空差异性明显，生态环境整体较差。在本次研究中，对研究区域设定了三个不同等级生境：

（１）不断流，即河道基流维持水体纵向联通性，无法维持水生生物的正常生存空间，生物由于缺水逐渐消亡生态系统处于极不健康状态；

（２）最小生境，即维持河道生态系统现状不恶化，为关键性物种如鱼类提供最小生存空间；

（３）适宜生境，定义为维持水生态系统完整性，河道水文情势能满足鱼类正常生存繁殖的水文、水力学要求，生态系统呈健康状态。

生境保护目标的确定为生态需水推求提供了理论基础和依据。

2.3

生态需水组成要素分析

根据淮河流域特点，以天然流量过程的变化为基准，以ＩＨＡ（ＩｎｄｉｃａｔｏｒｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃＡｌｔｅｒａｔｉｏｎ即水文变异指标法）及ＥＦＣ（ＥｎｕｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＦｌｏｗＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ即环境流量指数）指标体系［２６－３０］为基础建立一套适用于研究河段生态的水文指标，建立流量组分生态作用概念性模型如图３。分析河道１９５６年－２０１２年日流量过程，统计不同流量组分年内时间分布及变化特征，并确定极低流量、低流量、高流量、脉冲流量及洪水的年内发生时间、频率的统计规律及适宜值（表２）。由于漫滩洪水会对社会经济造成损害，且其生态作用小洪水也能达到，因此在生态需水过程推荐中不考虑该种流量组分。

2.4

确定基于鱼类需求的生态需水

生态过程与特定的流量组分之间有极高的联系，但生态过程难以与特定的流量值形成对应关系，但是这种关系能建立在生态过程与一些与生态系统具有较大联系的水力学参数如水深、流速、湿周上［３１］，如平均水深反映了鱼类在整个断面上生存空间的情况，最大水深为鱼类提供通道条件，浅滩水深为黏性卵鱼类在产卵时期提供繁殖及幼鱼生存空间。本文通过前期调查搜集文献及资料［２３，３２－３７］，结合Ｒ２ＣＲＯＳＳ法（基于曼宁方程并综合考虑栖息地有关水流指数的计算方法）中数据及Ｔｅｎｎａｎｔ野外试验统计数据［３８－４０］，确定研究区域鱼类不同生命历程的水力学需求；通过河道地形数据、糙率等资料，采用ＨＥＣ－ＲＡＳ［４１］构建一维水力学模型，模拟给定流量的水力学特性，建立水力学参数与流量之间的联系。

生态需水推荐

基于鱼类需求及水文特性，对不同等级生态需水推荐结果为：在极端情况下，为防止河流生态系统发生毁灭性灾难，推荐至少维持１７．５ｍ３／ｓ的基流；维持生态系统现状不恶化的最小生境，推荐在１０年－翌年５月、６月－９月分别维持４４．９ｍ３／ｓ、９３．２３ｍ３／ｓ的基流，为鱼类产卵繁殖及幼鱼生长提供一定的条件和空间，推荐在４月－６月产卵繁殖期保证２次以上峰值不小于２３８．４５ｍ３／ｓ，且涨水２天以上过程不少于７天的脉冲流量，６月－９月汛期发生１次以上峰值不小于１２３７．０７ｍ３／ｓ，涨水不小于３天，峰值持续２天整个过程不少于１２天的非漫滩洪水；维持河道生态系统健康的适宜生境，推荐在１０月－５月、６月－９月分别维持９３．２７ｍ３／ｓ、１６９．４９ｍ３／ｓ的基流，为鱼类产卵繁殖及幼鱼生长提供适宜的条件和空间，推荐在４月－６月产卵繁殖期保证４次以上峰值不小于５７７．１ｍ３／ｓ，且涨水２天以上过程不少于７天的脉冲流量，６月－９月汛期发生２次以上峰值不小于１８８１．０６ｍ３／ｓ，涨水不小于３天，峰值持续２天整个过程不少于１２天的非漫滩洪水。三种推荐生态需水过程示意图见图４。

通过计算结果与Ｔｅｎｎａｎｔ［３８］法栖息地质量等级对比（表４）可看出，不断流流量处于严重退化等级，河道生态系统不能维持正常功能；最小生态需水在枯水期处于较差水平，汛期处于中等水平；适宜生态需水在枯水期处于中等偏好水平，汛期处于较好等级。由于Ｔｅｎｎａｎｔ法采用年均流量比例的方法划分质量等级，忽略了流量季节性变化，均化了河流汛期脉冲流量及洪水对河道流量的改变，对季节性河流非汛期生态需水推荐偏大，并不能完全反映淮河流域生态需水特点，仅具有参考价值。

结论

生态需水是生态用水的依据，在生态系统修复中起着重要的作用，本文在淮河流域现有资料的基础上，参考大量国内外研究，提出一种符合淮河流域的实际生态需水计算方法。在本次研究中综合考虑河道天然水文情势变化特点及以鱼类为代表的水生态系统的需求，同时推荐的生态需水量在对于鱼类种群具有重要意义的产卵繁殖期及育幼期特别考虑，特别推荐了该时期脉冲或洪水发生的频率及涨落持续时间，更具有可操作性。本文资料需求适中且较为综合地考虑了水文生态系统，不同等级推荐流量均符合Ｔｅｎｎａｎｔ法栖息地等级范围，有利于水资源管理者在不同水资源管理策略中选择适宜的生态需水，实现水资源合理配置和高效利用，为淮河流域中长期水资源规划提供参考。

本次推荐的生态需水值是基于特定的河道地形条件由水力学参数确定的，由于水流冲刷作用导致河道地形复杂且多变，因此推荐的流量值并非一成不变，在不同时期生态需水可根据河道地形变化做适当的调整。同时，本文研究仅以鱼类作为生态系统的代表研究其在不同生境条件下生态过程与流量之间的关系，在今后研究中会加入河道生态系统中底栖、浮游动植物等生态需水情况研究，同时考虑水质变化对生态系统的影响综合确定生态需水。本文在分析长系列日流量资料时忽略气候变化及人类活动对水文过程一致性的影响，在以后研究中也应该加入对水文变异性的分析。