精品資料（2021-2022年收藏）中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的物理?xiàng)⒌啬Ｐ退鷳B(tài)學(xué)雜志

1、基于魚類生境需求的水生態(tài)調(diào)度決策方法物理?xiàng)⒌啬Ｐ驮谏鷳B(tài)流量決策中的應(yīng)用班璇基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目資助 編號(hào)：(kzcx2-yw-141) 資助；中科院知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資助 編號(hào)：(0909091009)作者簡(jiǎn)介：班璇（1981-），女，湖北省武漢人，助理研究員，主要從事生態(tài)水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)方面研究. *通訊作者 班璇. E-mail:banxuan(中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所, 湖北省環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077)摘要：本文以國(guó)家一級(jí)保護(hù)物種中華鱘為研究對(duì)象，探討三峽大壩和葛洲壩水利工程在不同調(diào)度措施下對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地的影響。通過(guò)考

2、慮中華鱘生境需求特性建立了中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的物理?xiàng)⒌啬Ｐ?，根?jù)模型得出的適宜棲息地面積來(lái)量化不同的流量調(diào)度措施對(duì)其產(chǎn)卵場(chǎng)質(zhì)量的影響，然后利用實(shí)測(cè)的中華鱘產(chǎn)卵量和資源量數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)物理?xiàng)⒌啬Ｐ偷目煽啃院蛯?shí)用性，從而進(jìn)行合理的生態(tài)流量決策。結(jié)果發(fā)現(xiàn)年平均適宜棲息地面積的變化曲線與中華鱘的產(chǎn)卵量和資源量變化曲線有著相同的變化趨勢(shì)，從而推斷適宜棲息地面積可以反映中華鱘產(chǎn)卵棲息地的質(zhì)量；并通過(guò)不同流量工況的計(jì)算，進(jìn)行最佳生態(tài)流量決策。利用該物理?xiàng)⒌啬Ｐ涂梢杂行У亓炕髁扛淖儗?duì)目標(biāo)物種棲息地質(zhì)量的影響，為中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地的生態(tài)水利調(diào)度提供評(píng)估和決策方法。關(guān) 鍵 詞：中華鱘；適宜棲息地面積；棲息地時(shí)

3、間序列；物理?xiàng)⒌啬Ｐ停簧鷳B(tài)流量決策中圖分類號(hào): X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 水利工程建設(shè)在給人們帶來(lái)福祉的同時(shí)，也造成了水生生物多樣性下降等一系列問(wèn)題。大壩及水閘的興建常造成江湖的阻隔，阻礙了一些魚類和水生生物的生態(tài)“通道”，使湖泊魚類天然資源無(wú)法從江河中得到補(bǔ)充和更新，影響洄游魚類的生殖，更重要的是這種阻隔會(huì)使湖泊的水文條件和物理狀況發(fā)生變化1。例如，中華鱘的產(chǎn)卵棲息地就由于葛洲壩水利樞紐的修建阻隔了其洄游到長(zhǎng)江上游產(chǎn)卵場(chǎng)的通道，使中華鱘產(chǎn)卵棲息地從長(zhǎng)江上游800km江段減少至葛洲壩壩下游不足30km江段，而三峽水庫(kù)每年10月份的蓄水將會(huì)減少葛洲壩下游的流量，進(jìn)一步地影響中

4、華鱘的產(chǎn)卵棲息地2。生態(tài)環(huán)境的惡化及生物多樣性的減少為人類敲響了警鐘，人們逐漸意識(shí)到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，并開始著手研究不同的方法來(lái)評(píng)估水利工程所引起的環(huán)境變化對(duì)目標(biāo)物種物理?xiàng)⒌丨h(huán)境的影響。據(jù)Tharme3在2003 年總結(jié), 全球有44 個(gè)國(guó)家進(jìn)行生態(tài)水利調(diào)度流量方面的研究, 所用方法超過(guò)200種之多。這些方法可以分為4 類：水文學(xué)方法(Tennant法4、日流量延時(shí)曲線法5等) 、水力學(xué)方法(濕周法6、R2CROSS法7等) 、以生物學(xué)為基礎(chǔ)的棲息地法( IFIM法8等) 以及基于河流系統(tǒng)整體性理論的綜合法(Holistic法9等)。其中水文學(xué)方法和水力學(xué)方法由于其簡(jiǎn)單易行，而被廣泛采納

5、；但遺憾的是這些方法僅從河流的水文水力特性入手，而沒(méi)有考慮水生物對(duì)生境的需求特性，所以本身缺乏物理意義。而棲息地法和綜合法則是從水生物對(duì)水環(huán)境的需求特性（適宜流速，適宜水深，適宜底質(zhì)等）方面入手，建立河流流量與目標(biāo)物種適宜棲息地面積之間的關(guān)系，通過(guò)適宜棲息地面積大小的變化來(lái)量化不同的流量調(diào)度措施對(duì)目標(biāo)物種棲息地的影響。其中，棲息地法適用于微生境的模擬，綜合法適用于大生境的模擬3。本文的研究區(qū)域?yàn)楦鹬迚蜗掠?km江段的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)，屬于微生境的范疇，因而采用棲息地法中的代表方法河道內(nèi)流量增量法(Instream Flow Incremental Method, IFIM)法對(duì)其研究。IFIM法被

6、廣泛地應(yīng)用到世界各地水生態(tài)影響評(píng)價(jià)中，它將水動(dòng)力學(xué)模型與水生物棲息地偏好特性相結(jié)合，通過(guò)求解目標(biāo)物種的適宜棲息地面積來(lái)量化水利工程造成的流量變化給水生物棲息地帶來(lái)的影響。但I(xiàn)FIM法的最終模型結(jié)果（適宜棲息地面積）是一個(gè)假設(shè)的變量，在河流中并不能實(shí)際地進(jìn)行測(cè)量，所以如何利用實(shí)測(cè)的水生物資源量來(lái)驗(yàn)證該模型的結(jié)果，一直是一個(gè)具有爭(zhēng)議性的問(wèn)題3。本文借鑒美國(guó)野生動(dòng)物署的Bovee8和Moir10教授提出的棲息地決策方法建立了中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的物理?xiàng)⒌貨Q策系統(tǒng)，在棲息地決策中一個(gè)重要的概念是棲息地時(shí)間序列11，它是量化各種不同的水利控制工況對(duì)棲息地影響的基本模塊。本文通過(guò)建立中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的適宜棲息地時(shí)間

7、序列曲線來(lái)求得各年的平均適宜棲息地面積，然后與實(shí)測(cè)的中華鱘產(chǎn)卵量和資源量情況進(jìn)行對(duì)比，分析IFIM法的模型結(jié)果與實(shí)測(cè)值的關(guān)系，從而驗(yàn)證該模型的可靠性和實(shí)用性。利用該模型進(jìn)行不同模擬工況下 (不同的流量大小，不同的流量入口等)適宜棲息地面積對(duì)比，以此來(lái)對(duì)三峽大壩和葛洲壩水利樞紐的生態(tài)調(diào)度措施流量進(jìn)行評(píng)估決策，為水資源管理部門提供一個(gè)可以量化水利調(diào)度措施對(duì)水生物棲息地影響的水生態(tài)調(diào)度決策方法。1 研究區(qū)域概況由于葛洲壩的阻隔，中華鱘不能上溯到長(zhǎng)江上游的金沙江江段產(chǎn)卵，而在葛洲壩下游形成了新的產(chǎn)卵場(chǎng)。三峽大壩對(duì)中華鱘的影響不是阻隔作用，而是影響了它產(chǎn)卵時(shí)的生態(tài)流量2。據(jù)長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所的危起偉12等人

8、的野外調(diào)查成果顯示葛洲壩下游江段中華鱘的產(chǎn)卵場(chǎng)主要有兩處，都集中在葛洲壩至鎮(zhèn)江閣4km江段內(nèi)，本研究選擇該區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)河段（圖1）。其中，葛洲壩電站有4種不同的流量出口（A、船閘；B、大江電廠；C、泄洪閘；D、二江電廠。對(duì)于不同的流量入口條件，中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的目標(biāo)河段會(huì)有不同的水力分布。由于船閘主要是通航的通道，一般沒(méi)有多少流量通過(guò)，所以本模擬中不考慮船閘的流量入口。其它的入口情況有4種不同的組合方式: 工況(1)：流量全來(lái)自大江電廠; 工況(2)：流量全來(lái)自泄洪閘; 工況(3)：流量同時(shí)來(lái)自大江電廠和二江電廠; 工況(4)：流量同時(shí)來(lái)自大江電廠、泄洪閘、二江電廠。 圖1葛洲壩樞紐壩下江段中華鱘產(chǎn)

9、卵場(chǎng)調(diào)查結(jié)果Fig.1 The spawning habitat distribution of the Chinese sturgeon on the downstream of Gezhouba Dam2 研究方法2.1 物理?xiàng)⒌啬Ｐ突贗FIM法的物理?xiàng)⒌啬Ｐ椭饕且揽織⒌剡m宜度標(biāo)準(zhǔn)(Habitat Suitability Criteria, HSC)13把魚類或其它水生物所需求的棲息地水力學(xué)和河道地形方面的棲息地特征變量，量化成可以比較的棲息地適宜度指數(shù)；然后找出目標(biāo)物種在不同特定生長(zhǎng)階段對(duì)水深、流速、底質(zhì)等棲息地物理變量的喜好范圍；最后利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS進(jìn)行適宜范圍的

10、空間分析，得到同時(shí)能夠滿足中華鱘產(chǎn)卵時(shí)的適宜水深，適宜流速，適宜底質(zhì)范圍要求的適宜棲息地范圍和面積大小，最終的輸出結(jié)果是不同工況下的流量與適宜棲息地面積之間的定量關(guān)系14。物理?xiàng)⒌啬Ｐ蛯?shí)施的技術(shù)路線如圖2所示。圖2. 物理?xiàng)⒌啬M的原理示意圖Fig.2 The IFIM frame display中華鱘適宜度曲線的獲得方法如下。在中華鱘產(chǎn)卵期對(duì)目標(biāo)研究河段進(jìn)行魚種的取樣分析，找到被目標(biāo)魚種使用的位置，測(cè)量在每一個(gè)使用位置處的水深，流速，底質(zhì)。在對(duì)100到200個(gè)位置進(jìn)行了測(cè)量以后，建立目標(biāo)魚種生命階段使用的棲息地原始數(shù)據(jù)頻率柱狀圖。使用頻率值為落在區(qū)間內(nèi)觀察到的魚種數(shù)量與樣本總數(shù)量的比值。

11、然后根據(jù)適宜度單變量連續(xù)曲線格式的建立標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各物理變量對(duì)應(yīng)的頻率值進(jìn)行歸一化處理來(lái)建立各范圍的棲息地適宜度指數(shù)。即棲息地適宜度指數(shù)為各變量范圍對(duì)應(yīng)的頻率值與最大頻率值之比。所獲得的水深和流速的適宜度曲線如圖3和圖4所示14,15。取適宜度曲線上HSI在0.9以上的數(shù)值范圍，從圖3和圖4上可以獲得中華鱘產(chǎn)卵時(shí)的適宜水深范圍大概是69m，適宜流速范圍大概是1.251.38m/s。圖3. 產(chǎn)卵期的水深范圍頻率分布圖和適宜度曲線圖Fig.3 The histogram and habitat suitability curve of Depth圖4. 產(chǎn)卵期的流速范圍頻率分布圖和適宜度曲線圖Fig.4

12、 The histogram and habitat suitability curve of Velociy中華鱘適宜棲息地面積的求解具體見文獻(xiàn)15。適宜棲息地面積是用來(lái)評(píng)估在一個(gè)特定的流量下每單位河段有多大的面積適宜魚類生存的變量。通過(guò)計(jì)算得出流量與適宜棲息地面積的關(guān)系曲線，我們可以評(píng)估出哪種流量和哪種工況是研究物種最需要的。圖35(b)是在中華鱘產(chǎn)卵時(shí)段得出的流量與適宜棲息地面積的關(guān)系曲線15。2.2 棲息地時(shí)間序列的獲得棲息地的時(shí)間序列是量化各種不同的水利控制工況對(duì)棲息地影響的基本模塊。建立棲息地時(shí)間序列曲線的方法十分直觀易懂，它由兩個(gè)基本的曲線獲得：其一是目標(biāo)時(shí)段的流量歷時(shí)曲線；其二

13、是流量與適宜棲息地面積的關(guān)系曲線, 該結(jié)果在本作者的另一篇論文中已求得1415。在流量歷時(shí)曲線中的每一個(gè)流量，都可以從流量與適宜棲息地面積的關(guān)系曲線上找到一個(gè)對(duì)應(yīng)的適宜棲息地面積。因而，獲得適宜棲息地面積的時(shí)間序列曲線僅僅需要把每天的流量值轉(zhuǎn)換成該流量對(duì)應(yīng)的適宜棲息地面積值11。例如，可以從2003年10-11月（中華鱘產(chǎn)卵期）的流量歷時(shí)曲線(圖35(a)上找出11月6日的日平均流量值Q8433m3/s；在流量與適宜棲息地面積(Suitable Habitat Area, SHA)的關(guān)系曲線(圖35(b)上找出Q8433m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的適宜棲息地面積值SHA555230m2；依據(jù)此方法依次獲得

14、每日的SHA后，繪制2003年10-11月的SHA歷時(shí)曲線(圖35(c)，此時(shí)SHA555230m2對(duì)應(yīng)的日期是11月6日。圖3 5 如何獲得瞬時(shí)適宜棲息地面積示意圖 Fig.3 5 How to get Suitable Habitat Area Time time Seriesseries2.2.1 瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列在棲息地決策系統(tǒng)中有兩種類型的棲息地時(shí)間序列。第一種類型被定義為瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列，代表一個(gè)特定流量下目標(biāo)物種的適宜棲息地面積，該面積沒(méi)有考慮在時(shí)間序列里特定流量之前的和之后的流量狀況。第二種類型被定義為平均棲息地時(shí)間序列，代表基于一個(gè)持續(xù)時(shí)間段的棲息地時(shí)間序列，之前和之后的

15、流量狀況都被計(jì)算到棲息地狀況評(píng)估中11。本文選擇1996年至2006年每年10-11月的日平均流量(10-11月是中華鱘的產(chǎn)卵期12)建立中華鱘的適宜棲息地時(shí)間序列。圖46和圖57顯示的是1996年和2006年中華鱘產(chǎn)卵期的流量過(guò)程線和瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列曲線。從各年份的瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列上我們可以看到，當(dāng)流量減小的時(shí)候，適宜棲息地的面積呈增加的趨勢(shì)，這符合實(shí)際調(diào)查中，中華鱘一般會(huì)選擇10-11月的退水期產(chǎn)卵這一觀測(cè)事實(shí)1516。另外對(duì)照各年份中華鱘的產(chǎn)卵日(圖中柱線標(biāo)出的日期)，可以看出中華鱘往往通常在各年份適宜棲息地面積達(dá)到較大值的時(shí)候產(chǎn)卵。圖6 1996年中華鱘產(chǎn)卵期流量過(guò)程線和瞬時(shí)棲息地

16、時(shí)間序列Fig.6 The flow duration and habitat time series curve in 1996圖4 1996年瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列Fig.4 The habitat time series in 1996圖7 2006年中華鱘產(chǎn)卵期流量過(guò)程線和瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列Fig.7 The flow duration and habitat time series curve in 2006圖5 2006年瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列Fig.5 The habitat time series in 20062.2.2 平均棲息地時(shí)間序列通過(guò)各年產(chǎn)卵期內(nèi)瞬時(shí)棲息地時(shí)間序列我們可以計(jì)

17、算出各年的年平均適宜棲息地面積，即對(duì)各年份產(chǎn)卵期內(nèi)（10-11月）的瞬時(shí)棲息地面積求平均值得出（圖68）。圖8 平均棲息地時(shí)間序列Fig.8 Yearly average habitat time series2.3 棲息地模型的驗(yàn)證將年平均適宜棲息地面積的變化曲線結(jié)果與各年實(shí)測(cè)的中華鱘資源量情況進(jìn)行對(duì)比。實(shí)測(cè)的中華鱘資源量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所1996-2006野外考察。數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分：第一類是用魚探儀探測(cè)到的中華鱘的數(shù)量來(lái)估算產(chǎn)卵場(chǎng)中華鱘的總資源量；第二類是通過(guò)解剖食鱘魚卵的食卵魚來(lái)估算產(chǎn)卵場(chǎng)中華鱘的產(chǎn)卵量。第一類的數(shù)量包括雌魚和雄魚以及不產(chǎn)卵的中華鱘數(shù)量，據(jù)調(diào)查產(chǎn)卵場(chǎng)的部分

18、鱘魚要在產(chǎn)卵場(chǎng)靜待一年，到次年的產(chǎn)卵季節(jié)才產(chǎn)卵12，所以魚探儀探測(cè)到的是同時(shí)包括了產(chǎn)卵的和不產(chǎn)卵的雌雄體的數(shù)量。第二類的數(shù)量只包括對(duì)當(dāng)年產(chǎn)卵雌魚的產(chǎn)卵量的評(píng)估，也就是說(shuō)解剖食卵魚的方法反映的是當(dāng)年產(chǎn)卵雌魚的產(chǎn)卵量情況，不包括雄魚和不產(chǎn)卵群體的數(shù)量1617。將各年實(shí)測(cè)的產(chǎn)卵量和計(jì)算得出的SHA值歸一化后進(jìn)行比較(歸一化值是用各數(shù)據(jù)所在序列的值與該序列的最大值相比得出)，其結(jié)果如圖79所示。圖9 實(shí)測(cè)估算的產(chǎn)卵量與模擬的SHA變化趨勢(shì)對(duì)比Fig.9 The contrast of surveyed spawning quantity with simulated SHA curve圖7 實(shí)測(cè)估算的

19、產(chǎn)卵量與模擬的SHA變化趨勢(shì)對(duì)比Fig.7 The contrast of surveyed spawning quantity with simulated SHA curve從圖68可以看出，中華鱘年平均適宜棲息地面積在1996-2006年之間呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)的趨勢(shì)，波峰出現(xiàn)在1999年、2001年、2004年；波谷出現(xiàn)在1997年、1998年、2000年、2002年、2003年、2006年。從圖79可以看出，中華鱘的產(chǎn)卵量從1996年到2006年有一個(gè)波動(dòng)中減小的趨勢(shì)，且在1998年和2000年較之前一年產(chǎn)卵量下降的趨勢(shì)非常大，且產(chǎn)卵量在2003年和2006達(dá)到極小值，降至200萬(wàn)粒左右。圖

20、79中計(jì)算得出的中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適宜棲息地面積SHA與產(chǎn)卵量的曲線趨勢(shì)大致相同，只是1996-1998年的數(shù)據(jù)不太吻合，這可能與實(shí)測(cè)估算的誤差和模型計(jì)算的誤差有關(guān)。但1999-2006年的曲線趨勢(shì)可以說(shuō)明適宜棲息地面積與產(chǎn)卵量有一定的相關(guān)性，即適宜棲息地面積越大，產(chǎn)卵量越高。同時(shí)分析中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所1998-2006年利用各年魚探儀探測(cè)到的中華鱘尾數(shù)估算得出的中華鱘資源量，其結(jié)果如圖810所示1617。把產(chǎn)卵前的中華鱘資源量測(cè)量結(jié)果與物理?xiàng)⒌啬Ｐ椭械哪昶骄m宜棲息地面積歸一化處理后進(jìn)行對(duì)比。可以看出各年平均適宜棲息地面積的變化趨勢(shì)與產(chǎn)卵前中華鱘資源量曲線有著大致相同的變化趨勢(shì)（圖911）

21、。圖8 10 1998-2006年宜昌產(chǎn)卵場(chǎng)中華鱘繁殖群體的資源量Fig.8 10 The population of Chinese sturgeon from 1998 to 2006圖911中華鱘繁殖群體的資源量與模擬的SHA變化趨勢(shì)對(duì)比Fig.9 11 The contrast of surveyed population with simulated SHA curve觀察圖810產(chǎn)卵前的中華鱘資源量(包括產(chǎn)卵的和不產(chǎn)卵的群體)，發(fā)現(xiàn)最大值出現(xiàn)在1999年，然后在2000年有一個(gè)急劇地下降，接著又在波動(dòng)中上升，到2001年又開始下降至2004年又開始上升；產(chǎn)卵后的中華鱘資源量(圖中實(shí)

22、線部分所示)在2000-2003年的資源量都較小。用產(chǎn)卵前的中華鱘資源量減去產(chǎn)卵后的資源量可以估算出各年產(chǎn)卵群體的資源量。產(chǎn)卵群體資源量與產(chǎn)卵前中華鱘資源量的曲線變化趨勢(shì)基本相同，該結(jié)果說(shuō)明產(chǎn)卵前中華鱘資源量越大，則產(chǎn)卵群體的資源量也越大。產(chǎn)卵前的資源量是同時(shí)包括了雌魚、雄魚及不產(chǎn)卵雌魚群體的資源量，它反映地是產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地總的中華鱘資源量。從圖911可以看出1998-2003年的SHA曲線趨勢(shì)與產(chǎn)卵前的中華鱘資源量的變化趨勢(shì)相同，該結(jié)果可以說(shuō)明適宜棲息地面積的大小在一定程度上可以反映產(chǎn)卵場(chǎng)中華鱘資源量的大小，即適宜棲息地面積越大，中華鱘的資源量越大；但2004-2006年SHA與產(chǎn)卵前資源量曲

23、線的變化趨勢(shì)相反，實(shí)測(cè)的產(chǎn)卵前資源量在2004-2006年有了一個(gè)呈上升的趨勢(shì)，而模擬的SHA在2004-2006年卻是一個(gè)下降的趨勢(shì)，推測(cè)可能是由于三峽大壩蓄水?dāng)r截了一部分上游的泥沙，這使葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的河床底部得到?jīng)_刷，原來(lái)適宜中華鱘產(chǎn)卵的大卵石底質(zhì)重新露出來(lái)，增加了產(chǎn)卵場(chǎng)的適宜底質(zhì)范圍1718，從而增加了中華鱘適宜產(chǎn)卵棲息地的范圍；而模擬適宜棲息地面積時(shí)只考慮了水深、流速、流量的變化和固定不變的適宜底質(zhì)范圍，所以三峽大壩蓄水后(2003年以后)的模擬值與實(shí)測(cè)值符合的不好。3 結(jié)果與應(yīng)用3.1 不同流量入口工況的調(diào)度對(duì)比對(duì)于葛洲壩電站的生態(tài)水利調(diào)度，由于其為徑流式電站，對(duì)于天然來(lái)流

24、是來(lái)多少放多少，所以只考慮葛洲壩電站不同的流量出口組合對(duì)中華鱘產(chǎn)卵棲息地的影響?？紤]4種不同流量出口組合工況下（圖1）2001-2006年中華鱘產(chǎn)卵期年平均適宜棲息地面積的大小。工況(1)和工況(2)的流量入口即為所要模擬的流量值，工況(3)依據(jù)以下方式確定各流量入口的流量大小 Q1，Q2 (1)式中：W1=1750MW(大江電站裝機(jī)容量)，W2=965MW(二江電站裝機(jī)容量)，W=2715MW(總裝機(jī)容量)；Q為模擬的總流量；Q1為大江電廠出口流量；Q2為二江電廠流量出口。對(duì)于工況(4)，則依據(jù)大江電廠、二江電廠和泄洪閘的實(shí)際尺寸比例來(lái)分配各流量入口的流量大小。大江電廠長(zhǎng)度為630m，二江電

25、廠長(zhǎng)度為290m，泄洪閘長(zhǎng)度為540m。三部分的總長(zhǎng)度為1460m。依據(jù)以下方式確定各流量入口的流量大小。 Q1，Q2，Q3 (2)式中：L1=630m，L2=540m，L3=290m，L=1460m；Q為模擬的總流量；Q1為大江電廠出口流量；Q2為泄洪閘流量出口；Q3為二江電廠流量出口。如果以流量入口為大江電廠(工況(1)時(shí)得出的Q-SHA關(guān)系曲線為基本工況，其它的工況視為不同的調(diào)度措施與之相比較來(lái)觀測(cè)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)適宜棲息地面積的變化，其結(jié)果如表1所示。表1 不同流量入口工況調(diào)度的適宜棲息地面積比較Tab.1 Contrast of SHA in the different inlets c

26、ombination年份工況(1)工況(2)工況(3)工況(4)20010.00%-34.63%-15.56%-42.86%20020.00%-7.07%-8.38%-13.53%20030.00%-8.89%-7.77%-18.56%20040.00%-26.34%-15.52%-34.67%20050.00%-25.06%-17.87%-33.66%20060.00%-8.41%-9.70%-14.45%從表1以看出在工況(2)、工況(3)和工況(4)的調(diào)度情況下，各年的適宜棲息地面積較之基本工況(工況(1)的調(diào)度情況都有所減小，說(shuō)明在流量入口為工況(1)時(shí)，能獲得最大的適宜棲息地面積。同

27、一大小的總流量從不同的工況入口流出時(shí)，會(huì)造成葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)不同的水深和流場(chǎng)分布，依據(jù)中華鱘產(chǎn)卵時(shí)對(duì)流速和水深的喜好選擇性，在流量從工況(1)即大江電廠流出時(shí)所形成的產(chǎn)卵場(chǎng)的水動(dòng)力學(xué)物理?xiàng)l件能達(dá)到最適宜的棲息地質(zhì)量。工況(2)、(3)、(4)所形成產(chǎn)卵場(chǎng)的流場(chǎng)水深分布都沒(méi)有工況(1)適合中華鱘產(chǎn)卵期的適宜度曲線范圍，因而造成適宜棲息地面積減少。事實(shí)上，葛洲壩電站在中華鱘的產(chǎn)卵期大多數(shù)時(shí)候也是利用大江電廠來(lái)發(fā)電的，也就是說(shuō)流量大多數(shù)時(shí)候都是從大江電廠泄出，這同時(shí)也驗(yàn)證了中華鱘之所以選擇葛洲壩下游為其棲息地的原因。3.2 不同流量范圍的調(diào)度對(duì)比由于三峽大壩的蓄水將會(huì)改變下游葛洲壩電站的天然出

28、流的流量大小，所以本模型利用棲息地決策系統(tǒng)依據(jù)2001-2006年各年實(shí)測(cè)的中華鱘產(chǎn)卵期的日平均流量和葛洲壩電站工況(1)的調(diào)度措施下Q-SHA曲線來(lái)評(píng)價(jià)不同的流量調(diào)度范圍對(duì)中華鱘產(chǎn)卵適宜棲息地面積大小的影響。以3000-36000m3/s的流量范圍為基準(zhǔn)流量范圍，此范圍包括了歷年實(shí)測(cè)的天然流量范圍，然后用不同流量范圍調(diào)度下的適宜棲息地面積與之對(duì)比，觀察不同流量范圍的調(diào)度對(duì)中華鱘產(chǎn)卵棲息地適宜面積大小的影響，其結(jié)果如表2所示。表2不同流量范圍工況的調(diào)度所獲得的適宜棲息地面積大小比較Tab.2 Contrast of SHA in the different discharge年份基本工況(1)

29、替代工況(2)替代工況(3)替代工況(4)替代工況(5)替代工況(6)替代工況(7)低流量（m3/s）300050005000700030001000020000高流量（m3/s）3600011000200001000011000200003000020010.0%65.7%1.0%80.8%65.7%-2.3%-43.3%20020.0%1.4%0.0%4.5%1.4%-3.9%-67.3%20030.0%19.7%0.1%27.2%19.7%-2.8%-60.3%20040.0%31.6%0.0%41.3%31.6%-3.1%-55.1%20050.0%44.5%1.2%55.4%44.5

30、%-2.4%-51.7%20060.0%3.6%0.0%11.8%3.6%0.1%-65.1%從表2以看出對(duì)于流量值較小的低流量調(diào)度范圍，適宜棲息地面積有所增加；而當(dāng)流量調(diào)度范圍的低流量較大時(shí)，適宜棲息地面積則有所減??；此次比較中，最適宜的流量調(diào)度范圍為替代工況(4)中當(dāng)流量為700010000m3/s的流量范圍，此時(shí)的適宜棲息地面積與基本工況比較所得的百分比最大。對(duì)于未來(lái)年份的流量調(diào)度措施，只要我們獲得了中華鱘產(chǎn)卵棲息地每天的日平均流量值就可以依據(jù)此模型來(lái)獲得其適宜棲息地面積值，從而對(duì)目標(biāo)流量調(diào)度措施下中華鱘產(chǎn)卵棲息地的質(zhì)量狀況做出科學(xué)地評(píng)價(jià)。3.3 不同典型年適宜棲息地面積對(duì)比不同的典型年

31、，中華鱘產(chǎn)卵棲息地的流量會(huì)有不同的大小變化范圍。本文從1996-2006年的水文記錄資料中選取枯水年、平水年、豐水年相對(duì)應(yīng)的代表年份來(lái)對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的適宜棲息地面積大小做一個(gè)對(duì)比，所得結(jié)果如表3所示。表3不同典型年的適宜棲息地面積對(duì)比典型年枯水年平水年豐水年年份200220061997200019981999SHA(m2)381111374041396150399135415296496775從表3可以看出枯水年年份適宜棲息地面積小于平水年適宜棲息地面積，平水年適宜棲息地面積又小于豐水年適宜棲息地面積，總體看來(lái)是豐水年的時(shí)候中華鱘產(chǎn)卵適宜棲息地面積狀況較好。4 結(jié)論經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的物理?xiàng)⒌啬Ｐ涂梢?/p>

32、反映不同流量工況下的棲息地狀況，即適宜棲息地面積的大小在一定程度上可以反映中華鱘產(chǎn)卵棲息地的質(zhì)量情況；在只考慮棲息地物理環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，可以得出適宜棲息地面積越大，中華鱘的資源量越大；且在不考慮中華鱘生物因素影響的假設(shè)上，中華鱘的產(chǎn)卵量也越大。本文提出的基于魚類生境需求的水生態(tài)調(diào)度決策方法可以為水利工程的流量調(diào)度措施對(duì)目標(biāo)物種水生態(tài)的影響程度提供一個(gè)良好的量化手段。對(duì)于未來(lái)年份葛洲壩水利樞紐和三峽水利樞紐不同的調(diào)度運(yùn)行措施，在該物理?xiàng)⒌啬Ｐ椭休斎胂鄳?yīng)的運(yùn)行工況和實(shí)測(cè)的流量大小，可以求得適宜棲息地面積的大小，然后利用棲息地決策系統(tǒng)對(duì)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)棲息地的質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估，從而為水利工程實(shí)施中華

33、鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的生態(tài)水利調(diào)度提供技術(shù)參考。本文主要是利用適宜棲息地面積的大小來(lái)評(píng)估棲息地物理變化對(duì)目標(biāo)物種繁殖影響的利弊。實(shí)際上適宜棲息地面積是一個(gè)虛擬的變量，在實(shí)際的野外考察中并不能直接測(cè)量出來(lái)。因而必須把適宜棲息地面積和實(shí)際的可測(cè)量的變量聯(lián)系起來(lái)才能評(píng)估物理?xiàng)⒌啬Ｐ偷挠行?。本文中是通過(guò)計(jì)算了中華鱘產(chǎn)卵期的每每一天的日適宜棲息地面積，然后對(duì)其求平均值，再和各年中華鱘的產(chǎn)卵量進(jìn)行比較，得出兩者具有相同的變化趨勢(shì)，來(lái)驗(yàn)證適宜棲息地面積和中華鱘的產(chǎn)卵量及資源量有著正比關(guān)系，從而對(duì)模型的有效性進(jìn)行了證明。在未來(lái)，對(duì)于如何用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證IFIM法中的物理?xiàng)⒌啬Ｐ鸵约皩?shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集的方法（如中華鱘的撈卵

34、量等）需要做進(jìn)一步地研究，同時(shí)也需要水利專家與生物專家進(jìn)一步地交流與合作。The application of physical habitat simulation model on ecological flow decisionAquatic ecology operation decision-making method based on fish habitat requirementBAN Xuan(Key Lab. For Environment and Disaster Monitoring and Evaluation, Institute of Geodesy and Ge

35、ophysics, Chinese Academy of Sciences, WSHAn 430077, China)Abstract：The national-level protected species of Chinese sturgeon is targeted as a study to explore the different operation measures of Three Gorges Dam and Gezhouba Dam impact on the Chinese sturgeon spawning habitat. A physical habitat sim

36、ulation model of Chinese sturgeon is established by considering the fish habitat needs, the suitable habitat area derived from the model is used to quantify impact of the different operations on the spawning habitat quality. Then the surveyed abundance of eggs and populations of Chinese sturgeon are

37、 used to verify and evaluate the reliability and practicability of this model. The results showed that the curve of the average annual change in suitable habitat area have the same trend with the Chinese sturgeon abundance curve, and thus infer suitable habitat area may reflect the quality of Chines

38、e sturgeon spawning habitat; The model is used to make a decision on the ecological flow based on different scenario simulation. The physical habitat model can effectively quantify the effects of flow rate change on the target species habitat quality, it could provide assessment and decision-making

39、methods for the ecological flow operation of Chinese sturgeon spawning habitat.Key words: Chinese sturgeon; suitable habitat area; habitat time series; physical habitat model; ecological flow decision參考文獻(xiàn):1禹雪中, 楊志峰,廖文根,等. 水利工程生態(tài)與環(huán)境調(diào)度初步研究J. 水利水電技術(shù), 2005, 36(11): 20-22.2班璇, 李大美. 大型水利工程對(duì)中華鱘生態(tài)水文學(xué)特征的影響J.

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41、h, wildlife, recreation and related environmental resourcesJ. Fisheries, 1976, 1(4): 6-10.5李載鳴. 臺(tái)灣地區(qū)溪流生態(tài)基礎(chǔ)流量推估和平溪上游案例研究J. 水土保持研究, 2001, 8(4): 146-150.6王慶國(guó), 李嘉,李克鋒,等. 河流生態(tài)需水量計(jì)算的濕周法拐點(diǎn)斜率取值的改進(jìn)J. 水利學(xué)報(bào), 2009, 39(5): 550-555.7Espegren G.D. Development of instream flow recommendations in Colorado using R2CROSS: Denver. CO J. Water Conservation Board, 1996: 34.8Bovee K.D. A comprehensive overview of the instream flow incremental methodology M. National Biolo