魚類產卵敏感期河流生態流速的分區分類閾值研究

楊澤凡，胡 鵬，王玉蓮，劉 歡，閆肖瑤

(中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

近年來，隨著全國范圍內河湖水質的逐步改善，生態流量保障不足成為我國水資源保護的制約性因子[1]。根據水利部已頒布的四批“重點河湖生態流量保障目標”，我國生態流量目標體系包括生態基流、最低生態水位、基本生態水量、敏感生態流量等指標，但目前已制定生態流量目標的283個重點控制斷面中，僅有9個斷面制定了敏感生態流量目[2-5]。缺乏成熟的目標制定方法和適宜的參數閾值是制約敏感生態流量保障實踐的難題之一。

制定敏感生態流量目標是為了保護除河湖基本形態和功能之外的敏感生態保護對象，不同類型的保護對象對應不同的目標制定方法。我國敏感生態保護對象主要包括河流濕地(或河谷林)、湖泊、河口、魚類生境等[6]，其中魚類生境分布最為廣泛，本文重點針對魚類生境中最為重要的產卵生境保護開展相關研究。

現階段，魚類產卵期生態流量計算主要以水力學法和生境模擬法為主，重點關注魚類在產卵過程中對水流速度和流量的特定要求。其中，水力學法通過建立滿足魚類產卵刺激的流速、水深、濕周等水力學因子與流量的函數關系來確定生態流量[7-8]。生境模擬法是在水力學法的基礎上，結合魚類產卵期的水文水動力偏好，通過量化評估流量變化對魚類適宜生境面積的影響確定產卵期生態流量目標[9-10]。在此基礎上，相關研究提出了產卵期脈沖流量過程線的理論，包括流量目標、發生時機、持續時間及發生頻率等要素[11]。該理論利用魚類產卵高峰期河流的流量變化，分析魚類產卵對不同流量過程的響應，綜合研究河段的天然水文過程和魚類產卵水文需求確定相關要素值[12-13]。在描述時考慮了時間動態和空間異質性，更加全面地滿足魚類產卵生境的保護需求。

目前針對魚類產卵期生態流量的研究方法紛繁多樣，但由于不同方法側重點不同，所得結果差距較大，且大多數方法需要詳細的地形數據、水文數據及生態數據等，在普遍缺乏資料的中小河流應用受限[14]。而隨著我國生態流量目標制定和保障工作的全面推進，形成一套科學合理、適應范圍廣的敏感期生態流量目標制定方法與關鍵閾值顯得尤為迫切。在眾多水文水動力參數中，考慮到流速對魚類洄游產卵的影響至關重要，且不同河段的流速具有可比性，本文將重點研究面向生態流量目標制定的流速閾值。為此，結合水資源分區、魚類區劃、地形條件等，綜合考慮不同區域、不同類型河流天然徑流過程和魚類產卵期水文水動力需求，研究提出一套全國分區分類河流敏感期生態流速閾值體系，并基于閾值體系開展了全國217個魚類生境保護重點斷面的敏感生態流量目標核算，為我國河流敏感生態流量目標的合理制定提供技術支撐。

2 研究方法

2.1 研究區及分區分類本文研究范圍為全國主要河流中具備魚類生境保護要求的河段。分區主要依據全國水資源區劃，同時結合魚類區劃和自然地理條件的差異，將十大水資源一級區拆解組合，最終劃分為東北地區、黃淮海地區、西南地區、長江中下游地區、東南沿海地區、西北地區六大區域。松花江和遼河流域的氣候條件寒冷干燥、冰封期長、河流本底條件相似，具有相似的生態環境和魚類群落，該地區魚類區劃屬于北方區系，主要以鮭科、茴魚科和狗魚科等耐寒性強的魚類為主；黃河、海河和淮河流域多為北方平原河流，其主要保護魚類為鯉科，除黃河上游外，各流域氣候特征和地形條件相似，統稱為黃淮海地區；而長江上游與長江中下游的氣候特征、地形條件和魚類分布差異較為明顯，而與西南地區的河流相似度較高，因此將長江上游與西南諸河合并為西南地區，以突出其生態本底條件的相似性；長江中下游的魚類多屬于江河平原區系，以暖水性、靜水性魚類為主，如鯉科的大部分種類；東南沿海和珠江區多為丘陵山區，其魚類區劃均屬于華南分區，以南方暖水性、急流性魚類為主，如鯉科的鲃亞科與鰍科等。西北地區河流敏感生態保護重點是河谷林草和尾閭濕地，因此本文重點開展其余五個分區的魚類產卵期敏感生態流量研究。

分類依據主要考慮斷面集水面積和地形起伏度。河流規模、河道比降直接決定了魚類棲息地的水動力條件，斷面集水面積對于河流的規模和天然流量條件具有重要影響，直接關系到魚類選擇產卵場的規模和開闊度；而地形起伏度則決定了河流流速的基本條件，這對于魚類物種的組成分布有著顯著的影響。例如，山區河流和平原河流的魚類物種組成存在明顯的差異，地形的變化直接影響了喜歡在流水性和緩流中生活的魚類的分布。本文將集水面積超過10 000 km2的控制斷面為大站，反之為小站；在地形條件方面，東北地區、黃淮海地區、長江中下游地區分別按山區河段、平原河段分類，西南地區分為橫斷山區河段和其它山區河段，東南沿海地區均為山區河段。

根據農村農業部公布的國家級水產種質資源保護區分布，選取217個同時具備重要產卵場和控制性水文站的河段作為本文研究目標，各河段對應控制斷面位置及分類如圖1所示。其中東北地區35個斷面、黃淮海地區49個斷面、西南地區40個斷面、長江中下游地區49個斷面、東南沿海地區44個斷面。

圖1 全國主要河流魚類生境重點保護河段控制斷面分布圖(審圖號：GS(2023)3916)

2.2 分區代表性魚類評價根據各國家級水產種質資源保護區重點保護物種，篩選各分區代表性魚類，篩選原則為代表性魚類為分區內至少5個保護區的重點保護物種。結合29本流域/省份魚類志、魚類資源調研報告及相關參考文獻等，詳細梳理了47種代表性魚類的產卵繁殖信息，綜合得到分區內不同魚類產卵時期和魚卵孵化時間的最大公約數，結果如表1所示。東北地區以土著冷水魚和特有經濟魚類為主，其中冷水魚產卵期集中在4—5月份，魚卵孵化持續時間(從受精卵到仔魚階段)約為10 d，而鱖、鳊等經濟魚類產卵期在6—7月份，魚卵孵化持續時間約為7 d；黃淮海地區以黃河特有魚類、重要經濟魚類為主，產卵期集中在4—7月份，魚卵孵化持續時間約為5 d；長江中下游地區主要以“四大家魚”等經濟魚類保護為主，魚卵孵化持續時間約為5 d；東南沿海地區以沿海經濟魚類為主，產卵期集中在3—6月份，魚卵孵化持續時間約為5 d。

表1 分區代表性魚類及繁殖習性

2.3 分區分類敏感生態流速閾值確定方法選取斷面平均流速作為敏感生態流量的表征指標，以斷面天然水動力條件為基礎，結合魚類產卵期生境需求，計算分區分類敏感生態流量關鍵閾值。具體步驟如下：

①挑選人類活動干擾較小的準天然河段作為分析斷面天然水動力條件的對象。以受人類活動干擾最顯著的枯水期(12月—翌年3月)徑流量為判別依據，分析研究區所有斷面枯水期長系列天然月徑流量與實測月徑流量的差異，以二者的相對誤差不超過5%、且Nash效率系數高于0.9為判別標準，選取受人類活動干擾較小的河段，用于后續分析。

②根據分區代表性魚類繁殖習性，確定敏感生態流量發生時機和持續時間。根據各河段對應水產種質資源保護區(或重要產卵場)主要保護物種，確定代表性魚類，以代表性魚類的繁殖期作為該河段敏感生態流量發生時期(精確到月)，以代表性魚類的魚卵孵化時間作為單次敏感生態流量的持續時間(精確到天，天數以N表示)。

③計算準天然河段敏感期目標流量。利用各河段近20年逐日實測流量資料，計算產卵期內各月份連續N天能夠滿足的最大流量Qmonth，如式(1)(2)所示，其中式(1)為求連續N日滑動最小值。以75%作為敏感生態流量年內以及年際的保證率要求，確定各年度產卵期內75%以上月份能夠滿足的流量Qyear，進而取75%年份能夠達到的特征流量為該河段目標流量Qtarget，如式(3)(4)所示。

(1)

Qmonth=max{Qj}

(2)

Qyear=QUARTILE(Qmonth，3)

(3)

Qtarget=QUARTILE(Qyear，3)

(4)

式中：Qi為逐日實測流量，m3/s；Qj為連續N天的最小流量，m3/s，j取值從1到該月最大天數，N值根據魚卵孵化時間確定；Qmonth為當月連續N天能夠滿足的最大流量，m3/s；Qyear為年度特征流量，m3/s，取各年度產卵期內75%保證率的Qmonth；Qtarget為目標流量，m3/s，取75%保證率的Qyear，Qyear和Qtarget計算時分別取第3個四分位數。

④計算各河段生態流速本底值。根據各河段控制斷面流速-流量關系，以Qtarget對應的斷面平均流速作為各河段生態流速本底值。

⑤確定分區分類敏感生態流速閾值。根據各河段生態流速目標值，制作箱體圖，以分區分類均值和上、下四分位值為基準，分別確定分區分類河流敏感期生態流速閾值。

3 結果與分析

3.1 分區分類敏感期生態流量目標根據1956—2016年枯水期天然月徑流量與實測月徑流量對比，共篩選出127條人類活動干擾較小的河段作為分析天然水動力條件的對象，其中東北地區20個、黃淮海地區23個、西南地區27個、長江中下游地區32個、東南地區25個。各河段控制斷面的流域規模信息如表2所示，本文選取的研究河段集水面積多在1000～100 000 km2之間，而所得閾值的應用范圍也以該區間為準。

表2 人類活動干擾較小河段規模分區統計表

分別核算127個準天然河段對應控制斷面的敏感期生態流量目標，圖2展示了2018年赤水站重點保護時段的逐日平均流量及各月份特征流量Qmonth的計算過程。赤水站位于長江上游一級支流赤水河下游，所在河段屬長江上游珍稀特有魚類自然保護區范圍，集水面積16 622 km2，在本研究的分區分類中屬于西南地區其它山區大站。根據2.2節的結果，赤水站所在河段主要保護物種包括達氏鱘、胭脂魚、圓口銅魚等珍稀魚類，重點保護期為4—7月份，單次敏感期生態流量持續時間為5 d。計算過程如圖2所示，首先根據式(1)計算連續5天逐日平均流量的滑動最小值，進而取各月份5日滑動最小值的最大值即為該月份特征流量Qmonth，圖中2018年4月份Qmonth為165 m3/s、5月份為167 m3/s、6月份為319 m3/s、7月份432 m3/s，則按照75%保證率要求，赤水站2018年特征流量Qyear為167 m3/s；類似地，依次計算各年份特征流量Qyear，取75%的Qyear作為目標流量Qtarget，最終得到赤水站的目標流量為231 m3/s。為方便橫向對比各斷面目標流量，本文以目標流量占多年平均天然流量比值(下稱流量占比)作為評價指標，赤水站流量占比為90%。類似地，結合2.2節分區代表性魚類評價結果，根據各河段所在分區及對應種質資源保護區重點保護魚類習性，分別計算各準天然河段敏感期生態流量目標及流量占比，分區流量占比結果如圖3所示。

圖2 赤水站敏感生態流量目標計算過程

(注：西南地區山區河段指橫斷山區河段、平原河段指其它山區河段)

圖3展示了各分區斷面敏感期流量占比集中分布情況，東北地區大站為59%～81%、小站為51%～98%；黃淮海地區大站為44%～77%、小站為25%～51%；西南地區大站為60%～88%、小站為51%～80%；長江中下游地區大站為100%～130%、小站為90%～120%；東南沿海地區大站為79%～129%、小站為65%～121%。整體上，同一分區、同一類型河段流量占比集中度較好，除東南沿海地區外，其余分區上、下四分位值差距在20%～30%左右。

長江中下游地區和東南沿海地區斷面敏感期目標流量占比較高，這是由于分區內魚類產卵期與汛期重疊，敏感期降水量和徑流量占全年總降水量和徑流量比例高；與之相對的，黃淮海地區魚類產卵期(4—7月)與主汛期(7—9月)不一致，敏感期徑流量占全年總徑流量比值小，尤其是4、5月天然來水量明顯偏少，導致分區內各河段目標流量占比整體偏??；而東北地區雖然魚類產卵期與主汛期不一致，但受益于“桃花汛”期間的高流量過程、以及枯水期徑流占比極小，東北地區斷面敏感期目標流量占比相對黃淮海地區較高。

同一分區內大站流量占比普遍高于小站，其中黃淮海地區、東南沿海地區、長江中下游地區的大站和小站流量占比均值差達到20%左右；而從分布上看，各分區大站與小站流量占比的極值差別不大，但大站均值和下四分位值明顯高于小站，這是由于小站徑流年內、年際波動更大，超過75%保證率的流量值較小。而東北地區大站和小站的流量占比較為接近，這是由于東北地區小站受區域氣候影響顯著、徑流規律變化范圍更廣，部分靠北的站點4月中旬才解凍、靠南的站點4月已迎來“桃花汛”。此外，各分區內山區與平原區河段目標流量占比總體無顯著性差別，流量占比受地形影響較小，僅東北地區、黃淮海地區山區大站明顯大于平原大站，出現該現象主要原因為“桃花汛”導致4—5月山區河段流量偏高。

3.2 分區分類生態流速閾值根據《水文年鑒》各水文站“實測流量成果表”中實測流量及對應斷面平均流速數據，分別建立各控制斷面流速-流量擬合關系，并基于計算所得各斷面生態流量目標，核算對應生態流速目標。圖4展示了不同分區代表斷面的流速-流量擬合曲線及公式，根據擬合公式計算流量目標對應斷面平均流速即為斷面生態流速目標。類似地，分別核算127個準天然河段的控制斷面生態流速目標，各分區分類生態流速目標的平均值、上四分位值、下四分位值等結果如圖5所示。

圖4 分區代表斷面流量-平均流速擬合關系

圖5 全國分區分類重點河段敏感生態流速

由圖3可知，不同分區斷面流速目標差異明顯，起伏度較大的西南地區斷面流速目標整體偏高，其中橫斷山區大站流速目標多在1 m/s以上，其它斷面流速目標也大多超過0.5 m/s。東北地區生態流速相對較低，山區大站流速目標大多在0.6～0.9 m/s之間，山區小站和平原大站流速目標集中在0.4～0.7 m/s，平原小站流速多為0.3～0.5 m/s。不同分區的山區大站流速目標平均值最大達到0.45 m/s、山區小站流速差最大達到0.34 m/s，而平原大站流速差值最大僅0.15 m/s、平原小站為0.06 m/s。

同一分區、相同地形的大站流速目標明顯高于小站，其中各分區山區大站平均值普遍高于山區小站0.3～0.4 m/s、平原區大站流速目標高于小站0.2 m/s左右；同一分區、相同規模的山區河段生態流速目標普遍高于平原河段，除東南沿海地區外，其余四個分區山區大站流速目標平均值比平原大站高0.4 m/s、山區小站流速目標平均值比平原小站高0.2 m/s；不同分區間的山區河段目標流速差別較大、平原區差別較小，西南地區和東北地區山區河段平均目標流速相差達到0.4 m/s，而不同分區的平原小站平均流速幾乎相同。

以圖3所示上、下四分位數作為對應類型河段的生態流速范圍、以平均值作為推薦流速確定依據，分區分類敏感期生態流速閾值如表3所示。全部分區分類推薦流速平均值為0.66 m/s，其中山區大站平均值為0.94 m/s、山區小站平均值為0.62 m/s、平原大站平均值為0.63 m/s、平原小站平均值為0.46 m/s。

表3 全國分區分類河流敏感期生態流速閾值 單位：m/s

4 討論

4.1 閾值合理性分析利用濕周法對基于分區分類生態流速閾值的生態流量結果進行校核。濕周法是目前較為公認的一種生態流量計算方法，該方法計算簡便、物理機制強，但多適用于河床穩定且形態近似拋物線形或矩形的斷面，在不規則斷面或者三角形斷面等應用受限，因此本文僅對部分形狀規則斷面的敏感生態流量進行驗證?；诜謪^分類生態流速閾值(閾值法，下同)所得生態流量結果與濕周法結果對比見表4，其中適宜流量下限值、上限值為各分區分類適宜流速閾值對應流量，推薦流量為生態流速推薦值對應流量，“相對誤差”指閾值法與濕周法結果差與多年平均天然流量比值。

表4 閾值法與濕周法計算結果對比表

由表4可知，閾值法與濕周法所得生態流量結果整體較為一致，34個斷面中有31個斷面濕周法結果在閾值法所得適宜流量范圍內。對比各斷面閾值法與濕周法結果的相對誤差，70%的斷面下限值相對誤差在±20%以內，58%的斷面推薦值相對誤差在±20%以內，僅41%的斷面上限值相對誤差在±20%以內；同時，分別有4、6、16個斷面下限值、推薦值、上限值相對誤差超出±40%?？梢?，分區分類的最小生態流速閾值對應流量整體上更接近濕周法結果。因此在設定敏感生態流量管控目標時，建議以各分區對應最小生態流速為主，但部分類型的河段需根據實際情況靈活選取生態流速閾值。

根據驗證結果，本文提出的分區分類生態流速閾值能夠適應于不同區域、不同類型的河段，而對于無資料地區的河流敏感生態流量目標制定具有更為重要意義。此外，閾值法/濕周法相對誤差較大的斷面主要分布在大江大河干流，且閾值法計算結果普遍低于濕周法計算結果，這是由于本研究涉及準天然河段的集水面積在1000～100 000 km2，而大江大河干流斷面集水面積往往超出該范圍，該類型河段敏感生態需水目標建議利用生境模擬法制定。

4.2 閾值體系的應用本文提出的分區分類河流敏感期生態流速閾值應用范圍包括：(1)重點針對缺少長系列水文數據、地形數據或者生物監測數據的河流，結合控制斷面平均流速-流量關系，確定敏感生態流量目標值；(2)輔助其它方法確定面向魚類產卵生境保護的敏感生態流量目標值，原則上目標值不應超出推薦流速所對應的流量范圍。

在實際應用中，需根據目標河段人類活動干擾情況靈活選取對應生態流速閾值。當目標河段上游開發利用強度較大時，以最小生態流速作為斷面平均流速目標，反之則以推薦流速作為斷面平均流速目標，結合斷面平均流速-流量關系確定敏感生態流量；對于三級及以上河流干流控制斷面，考慮到斷面控制規模和流速本底條件，以生態流速范圍上限值對應的流量作為該河段敏感生態流量目標。此外，由濕周法對比結果可知，對于斷面形態相對規整的矩形或梯形斷面，閾值法能夠快速、有效地給出流量目標，對于不規則斷面或集水面積過大的斷面，需與生境模擬法等其它方法相結合。

除生態流量目標值外，敏感期生態流量還包括生態流量發生時機和持續時間等指標，其中發生時機和持續時間分別基于表1中代表性魚類的產卵期和魚卵孵化時間確定。綜上，面向魚類產卵需求的全國分區分類河流敏感生態流量計算關鍵參數如圖6所示。

圖6 面向魚類產卵需求的分區分類敏感生態流量計算關鍵參數(審圖號：GS(2023)3916)

根據本文所得分區分類生態流速閾值及生態流量計算關鍵參數，分別制定了全國217個重點斷面的敏感生態流量目標，并對2009—2018年敏感生態需水達標情況進行評價，結果如圖7所示。2009—2018年全國整體敏感生態流量達標率為58%，其中東北地區61%、黃淮海地區55%、西南地區53%、長江中下游地區63%、東南沿海地區61%，黃淮海地區和西南地區敏感生態流量達標率較低。此外，統計不同類型河段平均達標率，五大分區山區大站平均值為68%、山區小站平均值為57%、平原大站平均值為63%、平原小站平均值為55%，整體上大站達標率高于小站，而山丘區河段達標率略高于平原區，但區別不大。對比各分區內部大站、小站達標率差異，其中東北地區、黃淮海地區、東南沿海地區大站明顯高于小站，尤其是黃淮海區大站達標率高于小站17%，而長江流域小站達標率則略高于大站。

圖7 2009—2018年全國分區敏感生態流量達標情況

5 結論

本文以準天然條件下的流量過程為基礎、以典型魚類自然繁殖期需求為約束，提出面向魚類生境保護的區域尺度敏感生態流量關鍵參數閾值確定方法，分別核算了分區分類河流敏感期生態流速閾值指標，將閾值結果初步應用于全國217個重點河段敏感生態流量目標制定，并結合濕周法對部分斷面敏感生態流量目標進行驗證。具體結果包括：

(1)綜合考慮水資源區劃、魚類區系、地形條件等，將敏感生態流量研究范圍整體劃分為東北地區、黃淮海地區、西南地區、長江中下游地區、東南沿海地區等五大分區，各分區內又分為山區大站、山區小站、平原大站、平原小站等四個類別，并結合魚類產卵期棲息地分布確定了分區重點保護河段，根據代表性魚類習性分析，歸納總結了各分區敏感生態流量重點保護時期、持續時間等要素。

(2)以受人類活動干擾較小、且具備魚類保護功能的河段為研究河段，根據歷史流量資料和代表性魚類魚卵孵化時間，分別核算各研究河段流速目標，進而確定分區分類生態流速閾值，包括推薦流速范圍和適宜流速。全部分區分類推薦流速平均值為0.66 m/s，其中山區大站平均值為0.94 m/s、山區小站平均值為0.62 m/s、平原大站平均值為0.63 m/s、平原小站平均值為0.46 m/s。

(3)基于所得敏感生態流速閾值體系，確定分區分類敏感生態流量關鍵參數閾值，利用關鍵參數閾值初步制定了全國217個重點河段敏感期生態流量目標，并將生態流量目標與濕周法結果進行對比，結果顯示除大江大河干流外，本文提出的生態流速閾值及敏感生態流量關鍵參數體系能科學指導面向魚類產卵保護的生態流量目標制定。

本文面向我國現階段河流生態流量管理的實際需求，研究結果不僅為不同地區敏感生態流量目標確定提供參數支撐，同時為缺乏長系列水文資料或詳細地形資料的地區開展敏感期生態需水管理提供了基礎條件。在實踐應用中，也可根據本文提出的生態流速閾值確定思路，在區域/流域尺度進一步細化分區分類及代表性魚類產卵需求，確定較小尺度上更為精確的生態流速閾值體系。