梯级水电开发对半浮力卵鱼类繁殖过程的潜在影响评估

李艺乔 

摘要：水电项目改变了河流的物理栖息地，严重影响了当地鱼类的生存。鱼卵运动规律研究是鱼类产卵场位置推算、水库生态调度和鱼类资源保护的基础。为预测梯级水电开发对半浮力卵鱼类繁殖过程的影响，采用MIKE 21流动模型。为了防止缺乏鱼类栖息地保护这种重大河流生态问题，有必要彻底评估梯级水电开发对半浮力卵鱼类繁殖过程的潜在影响。

关键词：梯级开发、漂流性鱼卵、涉水工程、生态保护

1. 前言

缺乏鱼类栖息地保护是河流水电开发中最突出的问题之一。梯级水电站的建设破坏了河道之间的连通性，改变了自然的洪水脉冲模式[1]。水力的变化对当地鱼类的生存和繁殖有严重影响，特别是对于具有半浮力卵的鱼类，其生存和繁殖需要特定的流体动力学条件。为了防止这种重大问题，有必要彻底评估水电开发对半浮力卵鱼类繁殖过程的潜在影响。

2. 国内外研究现状

鱼类种群高度依赖于水生栖息地的特征，这支持其所有生物功能[2]。在1940年代初期，人们逐渐意识到水利设施的建设将导致渔场的减少，并且已经对环境流量与鱼类用水需求之间的关系进行了广泛的研究。随着水电工程对水生生物生态影响研究的深入，河流水流条件变化对鱼类生存的影响越来越受到重视。已经证明，繁殖期的高流速是促进洄游鱼类向上游洄游产卵的主要因素之一[3]。大量研究表明，水流为河流鱼类洄游提供了主要的方向线索。当流速低于鱼类需求并且无法提供洄游方向线索时，洄游鱼类无法完成洄游[4]。此外，维持幼鱼漂移过程对于保护大量洄游鱼类至关重要。具有半浮力卵的鱼的卵和非常年轻的幼虫比水略重。为了生存，半浮力卵必须悬浮在水中，由水流湍流支撑，直到它们孵化并发展游泳能力，鱼卵在水库中需要足够的漂流距离；否则，卵的孵化率会降低，幼虫的早期死亡率会增加。然而，半浮力卵的漂移距离过去是通过经验公式确定的，通过数学模型进行定量计算应该是预测半浮力卵随行进时间轨迹的更准确方法。

3. 模型试验方法

数学模型是更好地了解水生系统中各种物理、化学和生物相互作用的宝贵工具[5]。MIKE 21是一个综合建模系统，用于模拟水环境中的水力学和与水力相关的现象[6]，专为海洋学、沿海、河口环境和内陆地表水的复杂应用而开发。

MIKE21是一种专业的水力学模拟软件，广泛应用于河流、湖泊和海洋等水域环境的研究和管理中。其可以模拟河流的水流速度、水位变化、水温、水质污染物的浓度等参数，并根据这些参数来评估河流生态系统的健康状况[7]。未来随着技术的进一步发展，MIKE21将在河流生态系统研究和管理中发挥越来越重要的作用。

4. 实例

金沙江分布于中国，是长江的上游。它被称为鱼类的重要产卵场和孵化场，其自然流动条件是半浮力卵鱼类生存和繁殖的基础。研究河段位于鱼嘴大桥水道和长叶碛水道，属三峡变动回水区，河道较弯曲。

通过河段范围CAD地形图提取研究对象边界，将提取的.dxf文件导入SMS平台中。河道地形数据的获取基于 CAD地形图中提取的研究对象高程点，包括每个节点的 x，y 坐标和高程，以.xyz 格式输出高程点文件并且载入SMS平台，再通过SMS-MIKE文件转换，生成地形的可视化模型。研究通过SMS软件确定河段外部边界，划定河岸和流入。在mesh中根据设定边界范围的河段输入部署的节点数，调整网格密度。最终划分网格点距35m。依据给定计算设计水位为156.55m，其相应设计流量为4500m3/s，通过MIKE软件模拟水动力参数水深、流速变化情况。

基于水力模型计算的基础上，结合历史资料，绘制鱼类栖息地适宜性曲线（HSC），计算研究河段不同流量下水深、流速等分布情况，演算得到权值栖息地适宜面积WUA。

WUA 、CHSI计算式：

式中，Ai 为计算栅格面积；HSI是第i个网格的栖息地适应性指数；CSHIi为计算栅格的生境适宜指数，Vi、 Di分别为计算栅格流速、水深。

WUA、CHSI计算结果如下表所示。

表1  WUA、CHSI计算结果表

h	v	siv	A	CHSI	HSI	A*HSI	WUA	WUA/10000
7.26	0.57	0.37	268.75	4.12	0.41	109.67	1199944.54	119.99
12.34	0.43	0.23	269.69	5.36	0.48	130.72
17.78	0.68	0.48	268.80	12.18	0.70	187.19
21.50	0.64	0.44	268.97	13.65	0.64	173.11

5. 总结

根据流量对应流速、水深分布及WUA模拟结果（计算设计水位为156.55m，设计流量为4500m3/s为例），研究河段上游至中游流速逐渐递增，中游至下游整体流速逐渐递减且流速较小；研究河段上游至中游，弯道处水深明显增加，中下游至下游河道渐窄，水深增幅明显。研究河段具有明显流速、水深空间分布特征，适宜产卵场在上游、下游部分区域都有分布，占河道总面积比例较大，水电开发将对产半浮力卵的鱼类繁殖产生严重影响。

参考文献：

[1]伍献文，白国栋等。丹江口水库库区水生生物调查和渔业利用意见。水生生物学集刊，1959: 33-56．

[2]Larinier, M.,2001.Dams and Fish Migration, Dams Fish & Fisheries Opportunities Challenges & Conflict Resolution, Rome.45–89.

[3]谢文星，黄道明，谢山等。丹江口水利枢纽兴建后汉江中下游四大家鱼等早期资源及其演变。水生态学杂志，2009，2(2)：44-49．

[4]刘绍平，陈大庆，段辛 斌等。长江中上游四大家鱼资源监测与渔业管理。长江流域资源与环境，2004，13(2)：183-186．

[5]长江四大家鱼产卵场调查队．葛洲坝水利枢纽工程截流后长江四大家鱼产卵场调查．水产学报，1982，6(4)：87-305

[6]彭期冬，廖文根，李翀等。三峡工程蓄水以来对长江中游四大家鱼自然繁殖影响研究。四川大学学报，2012，44(2)228-232．

[7]Hinch, S.G., Rand, P.S., 2000. Optimal swimming speeds and forward-assisted propulsion: energy-conser. Canadian Journal of Fisheries & Aquatic Sciences 57 (12), 2470–2478.