航道整治对东流水道四大家鱼栖息地适宜度的影响

蒋 宁，蒋 波，雷 国 平

(1.成都师范学院 物理与工程技术学院，四川 成都 611130; 2.国家内河航道整治工程技术研究中心 长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430040)

河流栖息地是指为鱼类及其他水生生物提供适宜生存、繁殖及完成其生命周期的物理、化学和生物条件的空间[1]。水生生物群落的时空分布取决于它们对周围环境因子的功能需求，其中生境特征(流速、水深等)在空间分布中起了重要作用[2]。定量描述栖息地的经典方法是栖息地适宜度指数法(HSI)。栖息地适宜度指数(Habitat Suitability index, HSI)是一种评价野生生物生境适宜程度的指数，对研究物种有重要影响的生态因子进行综合评价，以一个或多个环境变量的方程反映环境质量，以此定量地反映物种对栖息地的偏好。该方法由美国鱼类和野生生物管理局率先提出[3]，并在业内得到了广泛运用。

Crance[4]提出了美国短鼻鲟的栖息地适宜度方程，假设短鼻鲟主要受食物和繁殖的影响，而食物和繁殖的主要影响因素是水位、流速和底质，从而得出美国短鼻鲟栖息地适宜度的计算公式；易雨君等[5-6]建立了长江中华鲟栖息地适宜度模型，分析整理出适宜中华鲟生存繁殖的河流水温、水深、底质、流速、含沙量及食卵鱼等10个因子的临界指标，得出了这些因素的适宜度曲线；王家樵[7]应用栖息地指数(HSI)并结合分数回归分析方法在3种不同的假设背景下对钓获率与温度、盐度、溶解氧等环境因素的关系展开了研究；陈红波等[8]运用分数回归方法对环境数据和小黄鱼的单位努力捕捞量渔获量进行分析，得出了小黄鱼最佳栖息地指数模型；刘伟等[9]主要采用栖息地指数模型评估乌苏里江大麻哈鱼降河洄游期栖息地的适宜性，并用HSI栖息地指数的附加模型(IFIM值)进行了验证。

本文根据四大家鱼的适宜度曲线和已有平面二维水流数学模型，建立了四大家鱼栖息地适宜度模型，对长江下游东流水道不同时期的四大家鱼适宜度分布进行了数值模拟，以初步评估东流水道二期整治工程对四大家鱼适宜度的影响。

1 平面二维水流数学模型

数学模型的基本控制方程为浅水二维水动力学方程组，包括质量守恒方程和动量守恒方程[10]，采用正交直角坐标系，守恒向量形式具体如下：

(1)

(2)

(3)

式中，t为时间；x和y为空间坐标；h为水深；u,v为x,y方向的水流流速；g为重力加速度，本文中取9.8 m/s2；U为守恒量向量；F和G为x和y方向的通量向量；S为源项向量；Sbx=∂zb/∂x，Sby=∂zb/∂y分别为x和y方向的地形坡度，zb为河床高程；Sfx和Sjy分别为x和y方向的阻力坡度。

方程(1)～(3)中除包含基本未知量外，还包含Sfx和Sjy两个未知数，为了使方程封闭，需引入以下经验关系：

(4)

式中,n为Manning糙率系数。

本文数学模型采用非结构三角网格剖分计算区域，采用Toro[11]的HLLC近似黎曼算子计算界面通量，通过空间上的构造及预测-校正步实现模型的二阶精度，底坡项采用Valiani和Begnudelli提出的遵循严格物理意义的DFB方法[12-13]以保证模型的和谐性，采用全隐式方法处理阻力项以保证模型的稳定性，采用显卡并行语言OpenACC对模型进行并行化处理[14]以提高模型的计算效率。由于所采用的数值格式是显式的，需遵循CFL线性稳定条件，柯朗数统一取值为0.95。关于模型的详细描述可参考文献[12,14]，这里不做赘述。

2 栖息地适宜度曲线

栖息地适宜度模型是用来描述某一环境对某一特定物种栖息的适宜程度，通过结合水动力学模型和栖息地适宜度方程(曲线)，对主要影响某一物种生存、繁殖的生态因子进行综合影响评价。其中，栖息地适宜度曲线是物理栖息地特征与某物种在该条件下适宜程度的定量描述。物种对栖息地的选择不是由单一因素决定，而是由多个因素共同影响决定，因此需要选取合适的生态因子，确定各生态因子的相互关系，本文由以下公式决定：

HSI=(SI1×SI2×…×SIn)1/n

(5)

式中，SI1为各要素的适应性指标，范围在0～1之间;HSI为栖息地适宜度，范围为0～1之间。

本研究选定长江流域分布广泛的四大家鱼作为指示生物来分析生境适宜度(HSI)。表1为四大家鱼在不同HSI评分指标下的适应性情况[15]。

表1 不同HSI下的鱼类适应性Tab.1 Fish habitat suitability index

本次研究主要针对流速、水深和底质进行分析研究。评估鲤科鱼类(四大家鱼)对环境的适应性必须考虑鲤科鱼类在不同的生命阶段的不同需求，本文计算鲤科鱼类HSI时分两个阶段分别考虑[15]，见表2。具体的适应性指标曲线见图1。

表2 鲤科鱼类不同生长阶段的适应性指标Tab.2 Habitat suitability index of carps at different growth stage

图1 鲤科鱼类不同生长阶段的SI指标Fig.1 Habitat index of carps at different growth stage

3 二期工程对鱼群HSI指数分布的影响

东流水道位于长江下游九江-安庆之间，上起华阳河口，下迄吉阳矶，全长31 km，属顺直分汊河型，河道内洲滩周期性平行下移，汊道兴衰交替。为形成对航道条件有利的河道格局，对本河段已实施了两次航道整治工程。东流水道航道整治一期工程由老虎滩守护工程、左岸丁坝群工程及玉带洲头鱼骨坝工程组成，工程于2004年2月开始施工，2008年3月正式完工。为进一步巩固完善一期工程已初步形成的有利态势，于2012年实施了东流水道二期工程，工程包括老虎滩头部鱼骨坝工程、天玉串沟守护工程、老虎滩左缘护滩带加固工程、右岸七里湖护岸工程和老虎岗护岸工程，二期工程于2014年正式交付使用。

3.1 模型验证

本文采用非结构三角网格，共划分了20 430个三角单元，并用2009年11月和2013年10月的水文测验资料进行了定床模型验证。

3.1.1 水位验证

表3为2009年11月测次水位验证数据，表4为2013年10月测次水位验证数据。从表中可以看出，不同测次水文条件下东流水道计算与实测水位误差均在0.05 m以内，计算水位与实测水位符合较好，满足规范要求，说明模型率定的参数基本能够反映研究河段的水位变化情况。

表3 2009年11月水位计算值与实测值比较Tab.3 Calculated and measured water level in November, 2009 m

表4 2013年10月水位计算与实测值对比Tab.4 Calculated and measured water level in October, 2013 m

3.1.2 流速验证

考虑到篇幅，本文只摘取2009年11月测次的部分断面流速进行对比分析，见图2。从图中可以看出，计算滩槽流速分明，主流分布与实际情况一致。可见，定性上模型计算流场符合对天然河流的一般认识，实测流速与计算流速基本一致，符合规范要求，说明采用的率定参数能定量反映东流水道流速分布情况。

图2 14 200 m3/s下断面流速分布对比Fig.2 Cross-sectional flow velocity distribution at discharge 14 200 m3/s

3.1.3 分流比验证

表5为东流水道计算的分流比和实测的分流比。由表5可见，计算与实测分流比误差均在1%以内，满足规范要求。可见，模型能较准确地反映东流水道的分流格局。

表5 分流比验证Tab.5 Flow rate verification %

3.2 计算结果分析

选取四大家鱼SI指标(图1)作为计算参数，分别计算东流水道四大家鱼在产卵期和生长期有、无二期工程的HSI分布情况。

3.2.1 2012年地形条件

3.2.1.1 产卵期

四大家鱼产卵期为每年3～6月，以4～6月最为集中，此时长江正处于中水期，因此选用中水流量(27 580 m3/s)作为四大家鱼产卵期HSI模拟计算的代表性流量。表6为四大家鱼产卵期有、无二期工程的HSI模拟计算结果。由表6可知，二期工程实施后，HSI小于0.5的面积占比有所增加，达到0.52%(约4.6×105m2)；HSI在0.5～0.6之间的面积占比有所减少，达到0.55%(约4.9×105m2)；HSI在0.6～0.7之间的面积占比维持不变；HSI在0.7～0.8之间的面积占比有所增加(0.02%)；HSI在0.8～0.9之间的面积占比维持不变；HSI在0.9～1.0之间的面积占比有所增加，为0.01%(约0.9×104m2)。

上述结果表明：东流水道二期工程能增加四大家鱼产卵期HSI小于0.5的面积，减小HSI在0.5～0.8之间的面积，增加HSI大于0.8的面积，结合表1，可以得出二期工程能在一定程度上增加四大家鱼在产卵期的理想(HIS>0.8)适宜性区域，有助于四大家鱼的产卵繁殖。

表6 有无二期工程鱼群产卵期HSI分布Tab.6 HSI distribution of fish swarm in spawning season with and without stage 2 project %

注：计算区域总面积为8.85×107m2，表中0.01%代表面积约为8.85×103m2。

图3为中水流量(27 580 m3/s)下的HSI分布图，HSI大于0.8的区域(理想的适宜性区域)均在玉带洲洲头处。

图3 四大家鱼产卵期HSI分布Fig.3 HSI distribution of Chinese carps in spawning season

3.2.1.2 生长期

四大家鱼生长期为每年7～11月，此时长江正处于中水、洪水期，因此选用中水流量(27 580 m3/s)和洪水流量(51 140 m3/s)作为四大家鱼生长期HSI模拟计算的代表性流量。表7为四大家鱼生长期有无二期工程的HSI分布情况。由表7可知，二期工程实施后，HSI小于0.5的面积占比均有所增加，洪水条件下增加的面积达到0.45%；HSI在0.5～0.6之间的面积占比均有所减少，洪水条件下面积减小达到0.46%；HSI在0.6～0.7之间的面积占比在中水条件下有所减小(-0.06%)，洪水条件下维持不变；HSI在0.7～0.8之间的面积占比洪水条件下有所增加(0.02%)，中水条件下维持不变；HSI在0.8～0.9之间的面积占比在洪水条件下有所减小(-0.03%)，中水条件下维持不变；HSI在0.9～1.0之间的面积占比在洪水条件下有所增加(0.02%)，中水条件下维持不变。

以上结果表明：在枯水条件下，东流水道二期工程能增加四大家鱼生长期HSI小于0.5的面积，减小HSI在0.5～0.8之间的面积，HSI大于0.8的面积则基本维持不变。结合表1，可以得出二期工程能增加鱼群生长期较差的适宜性区域面积，减小一般的、潜在的适宜度范围，不利于鱼群的生长。

表7 不同流量级下有、无二期工程鱼群生长期HSI分布Tab.7 HSI distribution of fish swarm at different discharge level with and without stage 2 project %

这里只选取洪水期HSI分布图为例说明。图4是流量为51 140 m3/s下的HSI分布图，HSI大于0.8(理想的适宜性区域)均主要集中在玉带洲头部及玉带洲右缘。

图4 51 140 m3/s下四大家鱼生长期HSI分布Fig.4 HSI distribution of Chinese carps at discharge 51140 m3/s

3.2.2 2017年地形条件

为了反映二期工程引起的东流河段地形变化对HSI的影响，特选取2017年1月地形测图(工程后)进行模拟计算，并与2012年地形(工程前)计算结果对比，分析二期工程实施前后的HSI分布变化情况，表8为工程前后鱼群产卵期HSI分布，表9为工程前后鱼群生长期HSI分布。

表8与表9所展现的规律一致，说明二期工程能在一定程度上增加四大家鱼在产卵期一般的、理想的适宜性区域(HSI大于0.6)，有助于四大家鱼的产卵繁殖。

由表9得出，二期工程均减少四大家鱼在生长期较差的适宜性区域面积，增加一般的、潜在的和理想的适宜度范围，幅度相对较大，表明二期工程有利于四大家鱼的生长。

表8 工程前后鱼群产卵期HSI分布Tab.8 HSI distribution of fish swarm in spawning season before and after stage 2 project construction %

表9 工程前后鱼群生长期HSI分布Tab.9 HSI distribution of fish swarm in growth season before and after stage 2 project construction %

4 结 论

本文根据四大家鱼栖息地适宜度曲线，建立了四大家鱼栖息地适宜度模型，并与已有平面二维水流数学模型进行耦合，对东流水道不同时期的四大家鱼栖息地适宜度分布进行了数值模拟，主要结论如下：

(1) 根据四大家鱼栖息地适宜度曲线和已有平面二维水流数学模型建立的计算河道鱼类栖息地适宜度的数学模型可以反映鱼类栖息地适宜度时空分布特征。

(2) 东流水道二期工程能在一定程度上增加四大家鱼产卵期理想的适宜性区域，有助于四大家鱼的产卵繁殖。

(3) 在鱼群生长期工程进入施工时，工程施工增加了较差的适宜性区域面积，减小了一般的、潜在的适宜度范围，不利于鱼群的生长；工程实施后，其规律刚好相反，有助于四大家鱼的生长。

建议在进行航道整治工程的整体布局和尺寸设计时，充分考虑整治工程对目标鱼群栖息地适宜度的影响，尽量使航道整治工程对目标鱼群栖息地适宜度的影响最小，甚至能增加目标鱼群的适宜度和理想适宜度范围。