中图分类号：X171.4 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2011）06-0678-07
Study on instream ecological flow of the middle Yangtze River based on physical habitat simulation
LI Jian，XIA Zi-qiang
Abstract：The Delft3D hydraulic model and habitat model were used to constitute a physical habitat simulation model for investigating the ecoenvironment of fishes. Taking the middle reach of the Yangtze River from Yichang to Zhijiang as the study area，and considering four major Chinese carps as target economic fish species，with velocity and depth as constrained factors，the relationship of river discharge and weighted usable area were studied. The results show that in spawNIng period from April to June，the minimum ecological flow of the Yangtze River for four major Chinese carps is 4 570m3/s，and optimal ecological flow is 12 000~15 500m3/s. The results calculated by PHABSIM are more reasonable and within the scope of those calculated by traditional hydrological methods. This result provides suggestions for fish protection and references for ecological regulation of the Three Gorges Project and Gezhouba Project.
Key words：physical habitat；ecological flow；weighted usable area；numerical simulation
1 研究背景
水资源的开发利用已经在世界范围内对河流生态系统造成了极大影响。为了评估天然河流可以被开发利用的程度以及河流生态系统可接受的退化程度，河道生态流量的计算方法已成为相对热门的研究内容。据统计［1］，全球已有40多个国家在进行河流生态流量研究，所用方法超过200种。这些方法可以分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法以及整体综合评价法。其中栖息地模拟法因能够定量评价水量变化对栖息地的影响［2］，已引起更多研究者的关注。
栖息地模拟法的应用范围仅次于水文学法。其中比较典型的是美国渔业及野生动物署在20世纪70年代提出的河道内流量增加法（instream flow incremental methodology，IFIM），该法被一些从事生态流量研究的学者认为是科学而合理的评价方法之一［3-4］。IFIM法包含了一系列的水力学模型和栖息地模拟模型，其中栖息地模型具有预测物种多样性、提高对物种-栖息地关系的理解和量化物种栖息地需求三个服务目标［5］。随着研究的深入又产生了一些IFIM方法的次生模型，如PHABSIM模型［6-9］。该模型被认为是较早用来模拟生物栖息地面积的模型之一［10］，目前在世界范围内受到广泛的应用。20世纪90年代，PHABSIM在欧洲被用来评估栖息地的修复情况，之后一些像RHYHABSIM、EVHA等以PHABSIM为基础的栖息地模型相应也被开发出来［11-13］。
PHABSIM模型在栖息地模拟中属于基于相关关系的单变量栖息地适宜性模型。单变量栖息地适宜性模型以水深、流速和河床底质等特定属性下区域内的物种数量来表示栖息地的适宜程度［14-15］。其在计算时所需的影响目标物种在栖息地内产卵的一些参数获取比较困难，可采用参数简化的方法处理该问题［16］，即将难以获取的影响因子都认为是最适宜的。本文即在PHABSIM模型的基础上，重点研究不危及河流重要生物物种生存和繁殖后代的最小生态流量，以及河流重要生物物种生存和繁殖后代的最适宜生态流量范围，以期为四大家鱼的保护以及三峡等水利工程的生态调度提供参考建议。
2 研究区概况
研究区位于长江中游，从葛洲坝下的宜昌至枝江河段，全长近100km（如图1）。根据宜昌水文站的历史观测资料（1882—2001年），该江段的多年平均流量为14 241m3/s，多年平均最小流量为3 539m3/s，多年最大平均流量为51 266m3/s。另外根据调查［17］，长江干流从宜昌到城陵矶有四大家鱼产卵场11处，产卵规模约占全江总产量的42.7%。其中宜昌至枝江江段现有四处产卵场（如图1中S1、S2、S3和S4），是长江中游最为典型的产卵河段［18］。另外，鱼类产卵期为4—6月份，多年月平均流量分别为6 597、11 543和17 908m3/s。研究河段水质状况基本良好，水质不是该河段鱼类栖息地的限制因素，水深、流速等物理条件是该栖息地比较明显的限制因素，因此采用PHABSIM方法进行分析计算［19］。
图1 研究区域和产卵场位置及实测断面位置
3 研究方法
3.1 物理栖息地模拟
PHABSIM方法适用于分析由流量或河道形态改变引起的受保护物种——如鱼类、无脊椎动物和大型植物等不同生命周期物理栖息地的变化。其是一种微生境模拟模型，主要用于评价生境的可持续性［20］。PHABSIM模型主要包括水力学模型和栖息地模型两个部分［21］。其中水力学模型主要包括对数-对数回归法（IFG4）、渠道输送法（MANSQ）、标准步推法（WSP）等方法；栖息地模型的计算方法主要是HABTAT法。为了更准确地描述微栖息地的构造以及其对河流流量关系的依赖，本文借助Delft-3D软件组建水力学模型。Delft-3D软件不仅符合模拟工具的条件，而且在河床地形资料完备的情况下可以更详细地描述栖息地的构成，并计算栖息地水流的流场分布。
PHABSIM的分析过程是首先界定目标物种对平均流速、水深和底质等重要的栖息地水力学因子的适应度曲线，然后计算栖息地河段在不同流量下的水力学因子，再结合栖息地适应度曲线查得该水力学因子对应的栖息地适应度指数，这些适应度指数与栖息地水域平面面积的乘积就是该水力学条件下的加权可利用面积（weighted usable area，WUA）［22］。
PHABSIM模拟有一个基本的假设条件：假设WUA与鱼类生物量之间有正相关关系。虽然这种假设还有待证实，但是大多数学者都比较认同，所以本文的研究也是在这一假设的基础上进行。PHABSIM模拟可以得到流量-WUA关系曲线，取流量-WUA曲线图的第一个明显转折点（根据斜率变化选取）作为最小生态流量［23］，取最大WUA所对应的流量作为适宜生态流量。
3.2 目标物种选择
青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼合称四大家鱼，是长江重要的经济鱼类。四大家鱼都是产漂流性卵的鱼类，成熟亲鱼的排卵受精活动，不但需要江水的自然环境条件及其变化所引起的刺激，而且产出的鱼卵也需要流水的携带［24］。长江干流中的四大家鱼只在具有特定自然环境的江段产卵，如弯曲型，分汊型以及矶头型江段，这些江段就是它们的产卵场。因此本文选择四大家鱼作为栖息地模拟的目标物种。
水温和涨水过程是影响四大家鱼产卵的两个重要因素。四大家鱼每年产卵的时间为4—6月份，该季节长江干流的水温变动在18~28℃之间，21~24℃时为产卵盛期。当江水温度低于18℃时，四大家鱼停止产卵。在每年4—6月份四大家鱼的繁殖季节，宜昌以下的长江干流都要平均经历5~7次明显的涨水过程。根据观测资料显示［18］，每次涨水过程，长江干流各个产卵场都有家鱼产卵，在设定的产卵场断面内都能采集到家鱼鱼卵和早期鱼苗。
3.3 目标物种的水深和流速适应度曲线
PHABSIM模拟重要的步骤之一就是建立目标物种的栖息地适应度曲线。本文重点研究四大家鱼产卵期的生态流量，所以参考有关四大家鱼产卵条件的文献资料，以4—6 月份的流量条件为基础建立适应度曲线。由于相关资料极为缺乏，很多参数值难以获得，本文只考虑四大家鱼在产卵期对水深、流速的适好性，并认为研究河段的底质和覆盖物等条件良好，其适宜度指数为1。
3.4 流量范围
根据宜昌站1950—2001年的实测月平均流量统计资料显示，在四大家鱼产卵期4—6月份的流量范围为6 597~17 908m3/s，Delft3D模拟时设定的上边界流量条件的范围为3 000~28 200m3/s，模拟的流量范围足以涵盖研究河段的实际流量情形。
3.5 水力学模型计算和验证
Delft3D是用来计算河流、河口以及沿海环境的水体动力、泥沙输送和污染物扩散的三维水动力-水质模型，包含水流、水动力、波浪、泥沙、水质、生态等6个模块［25］。本文通过其计算研究河段的水深和流速分布。对宜昌至枝江河段进行网格划分，网格大小为40m×100m，即沿断面方向40m，沿水流方向100m。计算网格总计749×51个。经率定糙率系数设为0.025。
利用2004年葛洲坝坝下流量为12 139m3/s时的实测流速资料，以及云池附近流量为4 030m3/s时的实测流速资料来验证Delft3D 的模拟结果。图2 为1、2、3、4 断面上流速的模拟值与实测值对比图。从图中可以看出，模拟结果比较理想，模拟的数值可以用来代表实际情况。
图2 模拟流速与实测流速的对比（Q1，2=12 139m3/s；Q3，4=4 030m3/s）
3.6 栖息地模型
根据水力学模型计算不同流量条件下研究河段的流速和水深分布，查栖息地目标物种适宜的曲线，获得各点流速和水深对应的栖息地适应度指数，最后计算出整个栖息地的加权可利用面积WUA，计算公式为：
式中： F [ ] 为第i 分区的组合适应度因子（combined suitability factor，CSF）； Ai 为研究河段第i 分区（第i个网格）的水域面积； f (Vi )、f (Di )、f (Ci ) 分别为第i分区的流速、水深和河床底质适应度指数，分别由流速和水深对应的适宜度曲线查得；其中流速和水深值指研究河段划分的第i 个网格中心点的模拟值。由于缺乏足够的实测资料，在研究中认为研究区域的底质状况良好，将f (Ci ) 全部设定为1。
对于组合适应度因子CSF，在PHABSIM模型中有4种计算方法，分别为乘积法、几何平均法、最小值法和加权平均法。本文采用乘积法推求CSF 值，乘积法的计算公式为：
CSF = f (V ) f (D ) f (C ) （2）
4 计算结果
根据相关资料［18，24，26］，建立了比较粗糙的流速和水深适宜度曲线，如图3。四大家鱼产卵期的最佳流速适宜范围为0.8~1.3m/s，最佳水深适宜范围为3~12m。
图3 四大家鱼产卵期栖息地适宜度曲线
利用Delft3D模拟的流速和水深分布，结合四大家鱼产卵期的流速和水深适宜度曲线及栖息地加权可利用面积公式，可以得到不同流量条件下四大家鱼产卵期栖息地的加权可利用面积，并绘制流量-WUA关系曲线图，如图4所示。
本文根据斜率的变化选取流量-WUA关系曲线图的第一个明显转折点，作为四大家鱼产卵期的最小生态流量，选取WUA 的最大值对应的流量作为产卵期的最适宜生态流量。图4 中4 个产卵区S1、S2、S3、S4 的第一个明显转折点对应的流量分别为4 570m3/s、4 370m3/s、4 570m3/s、4 570m3/s。取4个栖息地中最小生态流量的较大值比较合适，所以确定长江中游宜昌至枝江河段四大家鱼在产卵期4—6月份的最小生态流量为4 570m3/s。
取4个产卵区流量-WUA关系曲线图中WUA最大值所对应的流量作为最适宜生态流量。S1、S2、S3、S4 中WUA最大值所对应的流量分别为15 000m3/s、12 000m3/s、15 500m3/s、15 500m3/s。所以确定长江中游四大家鱼在产卵时期的最适宜生态流量范围为12 000~15 500m3/s之间，当产卵期的流量小于或者大于该范围的流量时，WUA将呈减小趋势。
图4 乘积法下4个产卵区的流量-WUA关系曲线
5 讨论
PHABSIM方法具有一个假设前提：WUA与鱼类生物量之间有正相关关系。该假设并不是所有情况下都成立，这种正相关关系受水质、人类活动和时空尺度的影响。从本质上来说，PHABSIM方法的计算条件对于物理栖息地是必要的，而不是充分的。但是本文研究区域位于长江中游，该区域水质条件基本良好，对四大家鱼等水生生物的生存繁殖不构成威胁；研究河段内没有近岸工程和河道整治工程等人类活动，对栖息地模拟不产生人为影响；另外，本文选取四大家鱼作为目标物种，其为长江重要的经济鱼类，对环境因子具有良好的敏感性。四大家鱼产卵场在长江中游干流的分布比较密集，其产卵繁殖与4—6 月份的涨水次数密切相关，选取四大家鱼可以有效减小时空尺度对PHABSIM方法的影响。因此，本文关于WUA与鱼类生物量之间有正相关关系的假设具有合理性。
为了评价计算结果的合理性，将该结果与采用水文学方法得出的结果进行对比。根据宜昌站52年的历史资料（1950—2001），利用逐月最小生态径流法计算年最小生态径流过程，利用逐月频率计算法计算年适宜生态径流过程［27］。
逐月最小生态径流计算法是将历史流量资料按1—12月份分成12个月平均径流系列，取每个月系列的最小值作为该月的最小生态流量，1—12月份的组合即为全年的最小生态径流过程。逐月频率计算法是根据历史流量资料将一年划分为丰、平、枯3个时期，并拟定各个时期的保证率［28］，一般情况下枯水期定为90%保证率，平水期定为70%保证率，丰水期定为50%保证率。
本文选取研究区域上边界处的宜昌站作为代表站，计算该站的最小生态径流和适宜生态径流过程，并绘制成曲线图如图5所示。图中显示7月份的最小生态流量和适宜生态流量最大，但是四大家鱼在此时已经产卵结束。本文只考虑4—6月份四大家鱼产卵期间的生态流量状况。宜昌站在四大家鱼产卵期4—6月份的最小生态径流量为3 720~9 620m3/s，适宜生态径流量为5 420~16 000m3/s。
图5 宜昌站生态径流年内分配过程线
将PHABSIM模拟结果与水文学法的计算结果进行对比（见表1），从表中可以看出PHABSIM法得出的最小生态流量4 570m3/s，和最适宜生态流量12 000~15 500m3/s都在该结果的范围内。但是利用水文学方法计算的最小生态径流和适宜生态径流的范围过大，而且利用月流量的历史最低值作为最小生态径流的下限值，其合理性还存在争议，因为月流量的历史最低值有可能已超过河流内目标物种的耐受能力。PHABSIM法模拟得到的最小生态流量值大于逐月最小生态径流法的下限值，PHABSIM法的计算结果是利用目标物种的栖息地面积与流量关系获得，其值更可靠。利用PHABSIM法计算的适宜生态流量范围包含在逐月频率计算法所得结果的范围内，但是数值范围更小，更有利于为上游水库的生态调度提供参考。
表1 PHABSIM法和水文学法生态流量计算结果的对比
6 结论
本文基于PHABSIM方法，根据流量-WUA关系曲线计算出不危及长江中游四大家鱼生存和繁殖后代的最小生态流量为4 570m3/s，其生存和繁殖后代的最适宜生态流量范围为12 000~15 500 m3/s。计算结果比既往水文学法的计算结果更加合理。同时该结果也可为长江中游四大家鱼的保护和三峡及葛洲坝工程的生态调度提供了参考建议。另外，在计算时发现流量-WUA关系曲线对目标物种的适宜度曲线具有很强的敏感性。由于资料有限，在利用PHABSIM方法进行计算时对参数进行了简化，例如没有考虑河床底质、水温和溶解氧等参数对栖息地面积的影响，这对计算结果的准确度会产生一定程度的影响。因此有必要在更多观测资料的基础上，制定更准确的适宜度曲线，并结合河床底质、水温及溶解氧等诸多影响因子作进一步的研究。
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作者介绍：李建（1985-），男，山东临沂人，博士生，主要从事水文水资源及生态水文研究。
