栖息地适宜度理论在生态航道护岸鱼巢结构设计中的应用研究

◎ 程华明 鲍鸿鹄 郝建新 刘佰文

1.江苏省交通运输厅港航事业发展中心；2.宿迁市港航事业发展中心；3.东南大学交通学院

宿连航道作为江苏省干线航道网“五横”中最北的“一横”，全长329公里。宿连航道一期工程作为部分人工开挖的航道，断面宽度有限，因此在有限的土地资源上建设鱼巢结构的直立式护岸，对于航道的综合开发和沿线绿色生态廊道的建设具有重要的实践意义。国外许多学者和设计人员对河道生态护岸进行了大量的研究和设计改进工作。但总体上，对于护岸的鱼巢结构设计基本都是基于规范和经验进行。护岸的水动力特性是影响水生生物的重要因素，本研究通过对宿连航道一期工程水域的水生生物进行调查，将栖息地适宜度理论应用于护岸鱼巢结构设计中，期望对类似航道工程提供指导和参考。

1.双栖息地适宜度（HSI）模型理论

栖息地适宜度（Habitat Suitability Index，简称HSI）模型理论是生态学上用于描述物种丰富度和生态变量之间关系的方法。通过栖息地适宜度方程，对航道水域主要物种生存、繁殖的生态因子进行综合评价，确定栖息地的适宜度，对于航道的生态保护与修复具有重要作用[1]。

栖息地适宜度模型的应用通常假设：物种或种群主动选择适宜其生存的生境；物种存在和环境变量（食物、水、隐蔽物和其他非生物因素）存在线性关系，这种假设的线性关系主要来自经验数据、专家意见或二者结合。在研究中，HSI取值范围一般为0～1.0，0表示不适宜生境，1.0表示最适宜生境。

栖息地适宜度模型建立过程包括：获取生境资料，即找出影响物种资源的主要生态因素（即关键因子），并对其进行评价；构建单因素适宜度函数，确定生态影响因子之后就是确定单因素与适宜度的关系曲线，即栖息地适宜度曲线[2-3]；赋予生境因子权重，研究中多采取专家知识结合实测数据拟合来确定；计算整体HSI值，本研究采用连乘法：

式中H为栖息地适应性指数HSI；i为因子序号；n为影响因子总数；Si为第i个影响因子的Si值；绘制HSI分布图，通过生成图形可轻易辨别某物种在研究段内的栖息地适宜度[4]。

本栖息地适合度模型的研究区域为宿连航道一期工程近岸区域，结合生态本底调查分析对主要物种进行栖息地适宜度的建模与分析。

2.栖息地适合度（HSI）模型构建及分析

2.1 生态本底调查及分析

调查取样位置为京杭运河与宿连航道的交界区域。本底调查内容主要包括：水质、沉积物、叶绿素、浮游植物、浮游动物、底栖动物、固着生物、渔业资源等。根据该地区生物学特征和样本，重点对浮游植物、底栖动物、渔类进行分析。

2.1.1 浮游植物群落结构

浮游植物的主要种类共计37种，见表1。浮游植物作为水域中生命有机体的最原始生产者，其组成与多样性的变化将直接影响到江湖生态系统的结构与功能。

表1 浮游植物种类组成

2.1.2 底栖动物群落结构

本次调查共发现底栖动物3门7种。从门类组成上看，其中环节动物门2种，软体动物门3种，节肢动物门2种。底栖动物门类组成如表2所示。

表2 底栖动物门类组成

2.1.3 鱼类资源结构

生态本底调查共采集鱼类8种，19尾，重量为652.9g，整体渔获物重量适中，以小型鱼类为主，其中刀鲚数量最多。组成如表3所示。

表3 鱼类资源种类组成

2.2 栖息地适合度（HSI）模型构建及分析

根据生态本地调查结果，选取主要藻类、河蚬和刀鲚作为栖息地适合度（HSI）模型构建分析的代表物种。

2.2.1 藻类

由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等存在诸多的不同，宿连航道一期工程区域藻类主要考虑流速、光照、水温三个栖息地适宜度条件。

采用几何平均法进行计算：

V1、V2、V3即流速、光照、水温的适宜度指数，用来评价研究区域该因素对藻类生存的好坏程度。

根据工程段情况及生物学研究成果：影响藻类栖息地的主要生态因子V1的适宜度曲线如图1，V2可取为0.8，V3取为1（研究段温度25℃左右），结合水流情况和栖息地适宜度方程，运算得出研究段内各处的藻类栖息地适宜度[5]。

图1 浮游植物生态因子栖息地适宜度曲线

2.2.2 河蚬

本研究以河蚬作为代表。河蚬栖息于底质多为沙、沙泥或泥的江河、湖泊、沟渠、池塘及河口咸淡水水域。河蚬栖息地适宜度从水流条件（Flow condition）和底质条件（Substrate condition）两方面考虑，得到栖息地适宜度：

其中，F C代表水流条件：FC=(V1·V2·V3)1/3；S C代表底质：SC={V4·V5}1/2。

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水温、水深、流速、底质组成、底质深度为适宜度指数。可以用来评价研究区域该因素对河蚬生存的好坏程度。

根据工程段情况及生物学研究成果：V1可取为0.7（研究段温度25℃左右），V4、V5均取为1。结合水流情况和栖息地适宜度方程，运算得出研究段内各处的河蚬栖息地适宜度，主要生态因子适宜度曲线，见图2。

图2 河蚬生态因子栖息地适宜度曲线

2.2.3 刀鲚

鱼类主要选择调研数量最多的刀鲚作为代表物种进行研究。刀鲚栖息地适宜度主要生态因子参考生物学研究成果，选择水位变幅、流速、水温和溶解氧四个生态因子。栖息地适宜度用几何平均法进行计算：

其中，V1、V2、V3、V4、V5即水位、流速、温度、溶解度为适宜度指数，是用来评价研究区域该因素对刀鲚生存的好坏程度。

根据工程段情况及生物学研究成果：V1可取为0.8，V3可取为0.7（研究段温度20℃左右），V4取为0.8，结合水流情况和栖息地适宜度方程，运算得出刀鲚栖息地适宜度[6]。刀鲚栖息地的主要生态因子适宜度曲线，见图3。

图3 刀鲚生态因子栖息地适宜度曲线

3.护岸鱼巢结构设计工程应用

宿连航道一期工程所在区域沿线地质基本为粉质粘土和黏土，最高通航水位取20年一遇设计洪水位。设计方案应用于最高通航水位16.81m，最低通航水位15.51m工程段。

3.1 设计方案栖息地适合度（HSI）分析

设计鱼巢位置以最低通航水位为设计参照位置，临水面采用圆形鱼巢，内部空间采用长方形空箱结构。在确定结构鱼巢位置时根据渔业专家建议考虑不同水层的生物分布特征（浮游植物、两栖动物、鱼类），对多种鱼巢位置和鱼巢大小的设计方案先通过水动力数值模拟对孔内及附近水流进行流速分析，然后进行栖息地适合度（HSI）分析，优选出鱼巢护岸底部0.55m处、鱼巢尺寸为0.5m的方案。

通过该方案不同物种的HSI分析，其生态适宜度综合分布如图4所示。

图4 栖息地适合度综合分析（①藻类②底栖类③鱼类）

设计方案中流速较大区域主要集中在鱼巢顶部区域，鱼巢空间内部整体流速仍然较小。航道表层因船舶行驶等形成的船行波在鱼巢结构内产生的流速分布整体较小[7]。空间底部经过前部鱼巢底槛的防护形成了基本静态的流场，航道内的波浪水流等外部条件对鱼巢底部的影响较小，鱼巢空间内可以保证安静的流场环境，适合底层水中鱼类进行各种生物活动，空间内稳定的流场环境与内部放置的树枝也可为鱼类活动提供稳定安全的庇护场所[8]。

3.2 鱼巢结构设计方案

根据栖息地适合度（HSI）分析结果，对预制鱼巢结构方案设计如图5、图6、图7所示。

图5 设计方案俯视图

图6 设计方案主视图

图7 设计方案侧视图

4.结论

本研究根据航道工程区域条件，确定了影响物种资源的主要生态因素，制定了不同环境变量的适合度函数，确定环境变量的生态适合度曲线，构建宿连航道一期工程区域浮游植物、底栖动物、鱼类三类主要物种的栖息地适合度（HSI）模型。根据栖息地适合度（HSI）模型对不同鱼巢位置和鱼巢大小的设计方案进行了优选，并对设计方案进行了详细论证，使设计方案有“理”可循，有“法”可依，实现了航道工程在生态建设上的进一步探索。