裁弯河道内生物栖息地改造及生态流量估算

南军虎，刘一安，陈 垚，张书峰

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050； 2.四川省安全科学技术研究院，四川 成都 610041)

河道裁弯取直是一种常见的自然现象或工程措施，天然的游荡型河流在较长的周期内由于洪水的冲刷，可能会导致河道自然裁弯[1]；将演变到一定程度的弯曲河道人工裁弯是基于防洪目的的河道整治措施之一[2]。河道裁弯取直后可以有效改善其行洪条件，解决蜿蜒河道自身存在的一些弊病[3]。然而，裁弯取直的河道整治方法很大程度上简化了河道形态，导致河流沿岸堆积地貌萎缩，生物群落结构简化，同时由于水流流速增大，河道内营养物质流失，导致鱼类等生物的栖息地面积大幅缩小，种群密度下降[4]。维持适宜的栖息地面积及流量是保证河道内生物生存的前提条件，因此，对自然或人工裁弯河道内生物栖息地的自然化改造及生态流量的研究显得尤为重要。

对水生生物栖息地修复常采用在河道内添加巨石、设置小型丁坝、深槽等方法[5]。例如：常留红等[6]研究了丁坝群对鱼类不同成长阶段的影响，并通过工程实例验证了修复效果；Acre等[7]对科罗拉多河流域的长背亚口鱼进行了标记和追踪，结果表明目标鱼类多栖息于砾石、巨石和基岩之间，认为人造栖息地能对流域内鱼类保护产生积极效果；Dongkyun等[8]对比了在城市渠化河道内分别布置单个巨石、丁坝和深槽后宽鳍鱲栖息地的变化情况，为河道生物栖息地修复提供了参考；Mozzaquattro等[9]评估了环境变量 (河段坡度和宽度) 和空间变量 (障碍物高度、距离、水流方向等) 对鱼类群落结构的影响，进一步阐述了阻水建筑物对改善鱼类栖息地的重要性。

生态流量的计算对于生物栖息地保护[10]、流域水资源规划[11]及生态环境修复[12]具有重要意义。在生态流量研究方面，基本和目标生态流量分别指维持河流、湖泊、沼泽给定的生态保护目标所对应的生态环境功能不丧失和维持给定生态保护目标需要保留的水流过程[13]。目前生态流量计算方法主要有水文学法、水力学法[14]、生物栖息地法和综合法，其中栖息地法因具有针对性强、物理意义明确等特点[15]，在国内外生态流量评估中得到广泛应用。王瑞玲等[16]构建了黄河鲤栖息地面积与流量的关系曲线，估算了黄河鲤繁殖期最小和适宜生态流量；Wang等[17]通过估算生态流量建立了水库运行优化模型，有效解决了生态系统与人类生产生活之间的用水矛盾；Zhou等[18]研究了雅尼湿地裂腹鱼产卵期的需水量，并对不同径流条件下裂腹鱼的适宜栖息地面积和连通性进行了预测；侯俊等[19]分析了流量对长春鳊各个生命阶段栖息地的影响，并采用栖息地法估算了适宜生态流量，可为水利工程建设后的鱼类栖息地保护及生态调度提供参考。

上述关于河道的自然化改造和生态流量的研究大多基于天然河道，鲜有从河道整治到河道栖息地修复，再到生态流量调度完整过程的研究。南军虎等[20]针对人工裁弯的河道，提出采用砾石群修复河道内的生物栖息地，结果表明在裁弯河道的凹岸布置高密度的砾石群能有效改善生物栖息地质量，为河道自然化改造提供了新思路。本文以江西省金沙溪弯曲河段为研究区域，以鲢鱼为研究对象，通过设计正交试验研究砾石群的布置形式对裁弯河道的自然化改造效果，并分析流量与鲢鱼适宜栖息地面积的相应关系，确定鲢鱼栖息地的生态流量。

1 研究区概况

金沙溪位于江西省玉山县境内，为信江源河，区域多年平均降水量为1 857.4 mm。研究河段位于十七都大桥至博士大道弯曲段，长约2 km，河道平均宽度约100 m，平均坡降为0.610%，河床综合糙率在0.032～0.037之间，上游流域面积为1 014.5 km2。金沙溪为雨洪式河流，河道呈深“V”形，区域汇流快、洪峰流量大。因弯曲河道在水流的长期侵蚀下，凸岸淤积泥沙，河道过流能力减弱，易发生洪水灾害[3]。研究假定对金沙溪弯曲段实施裁弯取直，疏通河道并将其拓宽至200 m左右，以增强河道的泄洪能力。裁弯河段起始断面桩号为1+909，终止断面桩号为3+502 (图1)。

图1 裁弯前后河道

信江流域主要鱼类有鲢鱼、青鱼、鳙鱼等，鲢鱼作为区域优势鱼种[21]，其生长周期短，疾病少，易饲养且经济价值较高，故选取鲢鱼为目标物种。鲢鱼主要以浮游生物为食，喜居于水体上层，是水库、河湖养殖的主要鱼种。根据研究区流量、季节及鲢鱼摄食习性[22]，确定其栖息地类型为索饵场。根据鲢鱼的流速和水深适宜性曲线[23-24]确定其最佳适宜流速范围为0.3～0.5 m/s，最佳适宜水深范围为2～4 m (图2)。

为提升河道内生物栖息地质量，在裁弯河道内布置如图3 (a)(b) 所示的砾石群。因河道凹岸水流受砾石群的影响明显，高密度的砾石群布置可在其下游形成较大面积的低速水域，对提升鱼类的栖息地质量最为有效，因此将砾石群布置于裁弯河道凹岸[20]；同时为便于筛选分析砾石群的最优布置形式，选定布置断面位于裁弯段的四等分线处。单个砾石堆积体由中间为小块石、四周为大块石的砾石堆积而成，并用生态网格固定，高度为4～5 m，物理模型简化为等边三角形。为减小砾石堆积体对河道行洪能力的影响，砾石群仅包含3个单体砾石堆积体，且堆积体之间有一定的间距。裁弯河道两岸由仿石型生态框(图3(c))错落堆积形成护坡结构，腔内回填碎石，常水位以上放入绿化桶，种植绿植，以增加景观效果。

图2 鲢鱼流速水深适宜性曲线

2 研究方法

本文基于River2D模型对原河道及改造河道内水动力环境进行数值模拟，并建立生物栖息地与流量变化的动态关系，进而选用栖息地法确定具有生态学意义的生态流量值。

2.1 数值模拟

栖息地模拟模型主要包括水力学模型和栖息地模型。通过模拟研究河道内不同流量下的流速、水深分布，结合目标生物适宜性曲线计算其栖息地数量。

2.1.1水力学模型

River2D水动力模块是基于二维圣维南浅水方程的平均深度有限元模型。模型假定沿水深垂直方向符合静水压强，流速沿深度方向取平均值，科氏力和风力忽略不计[25]。River2D模型控制方程包括能量方程、x方向动量守恒和y方向动量守恒方程：

(1)

式中：H为水深；u、v分别为x、y方向上的流速；qx、qy分别为x、y方向上的流量；g为重力加速度；ρ为水的密度；S0x、S0y分别为x、y方向上的河床坡度；Sfx、Sfy分别为x、y方向上的摩阻坡度；τxx、τxy、τyx、τyy为水平方向上的剪切应力张量的分量。

摩阻坡度是根据河床剪应力计算的，假设剪应力与平均流速水深的大小和方向有关，x方向摩阻坡度可用下式计算：

(4)

式中：τbx为x方向上的河床剪切应力；Cs为谢才系数。

(a)砾石群布置 (b)砾石群结构(单位：mm) (c)生态护岸

2.1.2栖息地模型

采用河道内流量增量法 (instream flow incremental methodology，IFIM) 进行生物栖息地研究，该方法利用栖息地加权可用面积 (weighted usable area，WUA) 对生物栖息地质量进行评价[26]，栖息地加权可用面积表征目标物种适宜物理栖息地面积[27]，计算公式为

(5)

式中：AWU为栖息地加权可用面积；f(Vi，Di，Ci)为适宜性组合函数，其中Vi、Di、Ci分别代表流速、水深与河床底质的适宜度指数，由于缺少目标物种对河床底质及覆盖物的适宜性资料，Ci默认为1；Ai为单元网格i的面积；n为单元网格总数。

可用面积百分率APU表征目标物种AWU与河道总面积的比值[28]。为便于分析，将AWU转化为APU以说明河道生物栖息地的质量，二者之间有如下关系：

(6)

式中AT为河道总面积。

2.1.3网格划分

模型网格采用Delauney三角剖分，网格密度依据计算结果和河床地形设定，原河道网格大小为3～10 m，裁弯后的河道较为规整，网格大小为8～25 m。

2.1.4边界条件

定义桩号1+250和3+502分别为上、下游边界，其中上游边界为流量进口边界，下游边界为水位出口边界。金沙溪20年一遇设计洪水流量由两部分叠加组成，其中水库下泄流量为700 m3/s，水库下游区间流域产生的流量为718 m3/s。以1 418 m3/s作为研究工况的流量上限，设置丰水期、枯水期和洪水期3个流量序列：自718 m3/s以50 m3/s的流量梯度依次递减至118 m3/s的序列作为丰水期流量工况，自100 m3/s以10 m3/s的流量梯度依次递减至10 m3/s的序列作为枯水期流量工况，自1 418 m3/s以100 m3/s的流量梯度依次递减至818 m3/s的序列作为洪水期流量工况，共计30个流量工况。利用HEC-RAS软件，基于伯努利方程采用步推法求解各工况的上下游边界水位[29]，得到各工况下的流量-水位关系作为数值模拟的边界条件。

2.1.5模型可靠性验证

以原河道中心剖面的水深为对象评估模型的可靠性，在1 418 m3/s流量下，通过上下游水位边界实测数据，模拟得出特征断面水深，并与实测水深进行对比，结果见表1，可见各特征断面中心处的实测水深与模拟水深基本一致，二者的差值小于0.20 m，说明模拟结果准确，模型合理。

表1 特征桩号实测与模拟水深对比

2.2 正交试验设计

利用正交试验法设计试验方案能以较少的试验次数找到影响因素与水平之间的最佳搭配。根据实际需要采用3因素 (砾石堆积体边长A、砾石堆积体间距B、河道流量C) 正交试验分析砾石群布置形式及流量对河道内生物栖息地质量的影响，表2为正交试验影响因素和水平。

表2 正交试验影响因素和水平

3 结果与分析

3.1 裁弯取直的影响

对原河道弯曲段做裁弯取直处理后，河道进出口水位有了明显下降，在20年一遇设计洪水流量下，1+250和3+502断面水位分别下降了0.64 m和2.23 m。同时，裁弯河道内水流流速增大、水深减小、河道内垂向速度梯度增大、沿河道长度方向水流的弗劳德数沿程减小，这些变化有利于提高河道的行洪、输沙能力。然而，以上裁弯河道内水流流态的改变对河道内的生物栖息地产生了较大的破坏。表3为718 m3/s流量下裁弯前后河道内鲢鱼栖息地模拟结果对比，裁弯河道面积较原河道减少47 434 m2，AWU较原河道减少19 157 m2，对应APU减小2.79%。适宜栖息地主要分布在两岸的有限范围内且不连续，难以为鲢鱼提供稳定的索饵栖息地，因此，需采取一定的措施对裁弯河道内的鲢鱼栖息地进行自然化改造。

3.2 正交试验结果与分析

正交试验方案下鲢鱼栖息地数值模拟结果如表4所示，仅以栖息地加权可用面积AWU作为评价指标时，方案6 (A1B1C1) 为最优的砾石群特征与流量单个组合，其对应的砾石群布置方案为堆积体边长20 m、间距3 m，河道流量1 418 m3/s，裁弯河道总面积为485 449 m2，其中适合鲢鱼生存的AWU为73 116 m2，相应的APU为15.06%。

表3 裁弯前后鲢鱼栖息地模拟结果

表4 正交试验方案与试验结果

3.2.1极差分析

极差分析是对正交结果可靠性进行分析和验证的关键步骤，极差R表征试验影响因素对结果的影响程度，R越大，表明相应的影响因素对结果的影响越大。砾石群特征及流量对鲢鱼栖息地的APU极差分析结果如表5所示。

表5 鲢鱼栖息地APU极差分析结果

由表5可知RA、RB、RC分别为1.41、0.73和6.64，表明流量大小对鲢鱼栖息地APU的影响最大，砾石堆积体边长次之，砾石堆积体间距的影响最小。同时为探讨砾石群特征及流量的最佳组合，遵循评价指标APU越大越好的原则，各影响因素应取指标值最大的水平。分析不同水平下各影响因素对APU的影响指标，得出因素与水平的最佳组合为A1B3C1，与之对应的砾石群特征与流量最佳组合为：砾石堆积体边长20 m、间距9 m，河道流量1 418 m3/s。最佳组合并未出现在正交试验中，这也体现出正交试验设计的客观性[30]。

3.2.2方差分析

多因素方差分析主要用于研究多个自变量对因变量产生影响的显著性。以砾石群特征及河道流量为自变量，APU为因变量，用SPSS软件进行方差分析，结果如表6所示。对于指定的显著水平，将各个自变量相对应的P值与之进行比较，若小于或等于显著水平，可以认为自变量的不同水平对因变量产生了显著影响，相反，则认为没有显著影响。按显著水平α=0.05来检验，自变量河道流量P值小于显著水平0.05，即河道流量对APU产生了显著影响，根据显著性P值的大小，河道流量对APU影响最大，砾石堆积体边长次之，砾石堆积体间距最小，这与极差分析所得结论一致。

表6 砾石群特征及流量对鲢鱼栖息地APU的方差分析Table 6 Variance analysis of gravel group characteristicsand flow over APU of silver carp habitats

3.3 布置砾石群的影响

3.3.1生物栖息地

枯水期、丰水期和洪水期30个流量工况的模拟结果表明，当流量达到818 m3/s时，水流会大范围溢出主河道，故取718 m3/s为原河道的平滩流量。为确定砾石群对鲢鱼栖息地的自然化改造效果和最优砾石群的布置形式，以此流量为典型流量工况，对比分析原河道、布置砾石群前后的裁弯河道内鲢鱼栖息地的变化，结果如图4所示。

由图4可知，无砾石布置的裁弯河道内鲢鱼的AWU最小，且零散分布在河岸附近，河道内垂向速度梯度较大，河道下游劳德数Fr约为0.4；布置砾石群的裁弯河道下游形成了较大面积的低速水流区，Fr约为0.1，垂向流速差明显减小；A1B1和A1B3砾石群布置方案的AWU较无砾石布置方案分别增加了25 882 m2和31 886 m2，较原河道分别增大6 725 m2和12 729 m2，两种方案下流速剪切值均存在较大的横向分布差异，流速大小和分布总体上接近，适宜栖息地分布广泛，并且形成了类似原河道的连续片状栖息地，表明在裁弯河道内布置砾石群能有效改善鲢鱼栖息地质量，为鲢鱼的索饵提供了良好的条件。

为进一步研究A1B1和A1B3两种砾石群布置方案对鲢鱼栖息地的改造效果，在典型流量工况下对两种方案进行数值模拟，结果如表7所示。除1 418 m3/s和418 m3/s两个流量工况外，其余6个工况下A1B3方案的AWU均大于A1B1方案，且AWU最大值出现在A1B3方案的流量序列中，为76 621 m2；在整体河道面积小于原河道的情况下，A1B3方案中裁弯河道的AWU在318～718 m3/s流量区间内均大于原河道，对应的APU也有显著提升。因此，裁弯河道内砾石群的最佳布置方案为A1B3，对应的砾石边长为20 m，间距为9 m。

(a)原河道 (b)裁弯后河道 (c)A1B1方案 (d)A1B3方案

表7 不同流量下的数值模拟结果

3.3.2水面线

通过布置砾石群改善河道内生物栖息地的方法，其本质是利用砾石群的阻水效应改变裁弯河道内的水流流态，创造类似原河道的流速、水深条件。为探讨砾石群对河道过流能力的影响，在平滩流量718 m3/s条件下，对砾石群布置前后裁弯河道典型断面的水面线进行对比，结果见图5，各典型断面平均水面高程的平均值如表8所示。

表8 裁弯河道典型断面的平均水面高程

(a)有砾石群河道 (b)无砾石群河道

布置砾石群的裁弯河道水面线总体趋势与无砾石群河道相似，裁弯段进口处二者水位基本一致，表明该区域水位受砾石群的影响较小。受河道和砾石群的影响，布置砾石群的河道断面1—1凹岸出现明显的壅水，该断面平均水面高程较无砾石群布置时高0.24 m，沿河道宽度方向水面线最大差值为0.22 m。沿水流方向砾石群引起的河道内局部壅水高度逐渐减小，在断面3—3上两种河道内下游断面平均水面高程差小于0.02 m。综上所述，砾石群的布置对裁弯河道过流能力没有明显影响，能够满足一定的行洪需求。

3.4 河道内生态流量

由前文分析可知，流量对河道内鲢鱼的AWU影响最大，因此对河道内生态流量的估算尤为必要。为能够更加全面、准确地估算河道内生态流量，以平滩流量以下的模拟结果作为河道生态流量的估算依据，以20年一遇洪水下的模拟结果作为参照，对计算所得的AWU值做归一化处理，定义各工况下AWU与所有工况中最大AWU之比为适宜栖息地面积百分比，其随流量的变化如图6所示。参考NB/T 35091—2016《水电工程生态流量计算规范》及相关研究[16，31]中采用栖息地法确定生态流量的方法，取流量与适宜栖息地面积百分比曲线的明显转折点对应的流量为原河道鲢鱼索饵的基本生态流量，最高点对应的流量为目标生态流量。确定裁弯河道生态流量时，在栖息地法的基础上，同时要求所取生态流量下目标物种的APU不小于原河道。

图6 流量与适宜栖息地面积百分比关系

由图6可知，原河道AWU的变化趋势可分为3个阶段：10～40 m3/s流量区间为原河道AWU的快速增长段；50～368 m3/s流量区间内，AWU在(46 000±2 000) m2区间内波动，可见原河道在小流量下具有较强的生物栖息地调控能力，其中50 m3/s是曲线转折点，此时APU为8.89%，取其为基本生态流量；在368～1 418 m3/s流量区间，AWU与流量呈线性正相关变化，但在718 m3/s之后水流会溢出主河道，所增加的水域面积给防洪安全及生物栖息地带来了不确定性，并不能作为鱼类生存的稳定栖息地，故取原河道目标生态流量为718 m3/s，此时APU为11.90%。

在布置砾石群的裁弯河道内，当流量小于618 m3/s时AWU随流量的增大而增大，80 m3/s是流量与适宜栖息地面积百分比关系曲线的快速增长点，但此时裁弯河道的APU为6.36%，小于原河道基本生态流量下的APU，可能是因为河道拓宽以后，水深显著下降导致AWU减小；218 m3/s是曲线的第二个快速增长点，此时裁弯河道的APU为9.23%，大于原河道基本生态流量下的APU，确定裁弯河道基本生态流量为218 m3/s；当流量为618 m3/s时AWU达到最大值，此时对应的APU为15.78%，随着流量的进一步增大，曲线呈缓慢下降的趋势，表明在一定的流量范围内，砾石群对河道生物栖息地的影响较为有限，因此取裁弯河道目标生态流量为618 m3/s。

研究表明栖息地法的计算结果一般较水文学法推荐的生态流量大[15]，同时适宜成鱼索饵的水深较产卵期大[32]，因此适宜鲢鱼索饵的生态流量可能存在偏大问题，工程设计中应予以考虑。本文是对单一鱼种成鱼索饵场流速水深的分析，并未考虑生物化学因素对鱼类生境的影响，如氨氮浓度、溶解氧、浮游生物等，如何综合考虑多种影响因素、多种鱼类、多个成长阶段是未来栖息地改造及生态流量研究的重点。

4 结 论

a.将河道弯曲段裁弯取直处理后，河道水位下降，流速增加，有利于河道行洪能力的提升，但对河道内的生物栖息地产生了较大的破坏，裁弯取直后河道内AWU较原河道减小约30%。

b.河道流量对裁弯河道AWU的影响最大，砾石堆积体边长次之，砾石堆积体间距最小，最优的砾石群特征组合为砾石堆积体边长20 m，间距9 m。

c.在最优砾石群布置方案下，裁弯河道内AWU较无砾石群布置方案增加了72%，较原河道增加了20%，为鲢鱼提供了较大范围的索饵场，且布置砾石群后对裁弯河道过流能力没有明显影响，能够有效改善河道的行洪能力。

d.原河道基本生态流量为50 m3/s，目标生态流量为718 m3/s。布置砾石群的裁弯河道基本生态流量218 m3/s，目标生态流量为618 m3/s。