黃河干流蘭州-石嘴山河段關(guān)鍵魚類流量與深水關(guān)系研究

黃河干流蘭州-石嘴山河段關(guān)鍵魚類流量與深水關(guān)系研究

根據(jù)thoe2003年的總結(jié)，世界上44個(gè)國家使用超過200種方法。這些方法可以分為4類:水文學(xué)方法(Tennant法、日流量延時(shí)曲線法等)、水力學(xué)方法(濕周法、R2CROSS法等)、以生物學(xué)為基礎(chǔ)的棲息地法(IFIM法等)以及基于河流系統(tǒng)整體性理論的綜合法(BBM法等),其中水文學(xué)方法和水力學(xué)方法被廣泛采納,計(jì)算結(jié)果也比較合理,但遺憾的是這些方法本身缺乏物理意義。棲息地法的基本思路是通過建立河川徑流與目標(biāo)生物棲息地之間的關(guān)系,探求生態(tài)流量,因此其物理意義明確。棲息地評(píng)估法中最典型的是美國漁業(yè)及野生動(dòng)物署(U.S.FishandWildlifeService,USFWS)在1974年研發(fā)的河道內(nèi)流量增量法(instreamflowincrementalmethodology,IFIM法),該法將對(duì)象物種對(duì)棲息地流速、水深、底質(zhì)及覆蓋物的喜好性納入考慮,進(jìn)而將對(duì)象物種所需流量觀念,轉(zhuǎn)換成流量與棲息地之間的關(guān)系。管理者經(jīng)由此定量而非定性的描述,可從事河川保留生態(tài)流量的評(píng)估與決策。由于IFIM乃是一種解決問題的概念與方法,IFIM的分析需要由USFWS所開發(fā)的物理?xiàng)⒌啬M系統(tǒng)(physicalhabitatsimulationsystem,PHABSIM)來處理。PHABSIM是迄今最為廣泛使用的棲息地評(píng)估法模型,其分析過程為首先界定各對(duì)象物種(如魚類)對(duì)棲息地重要水力學(xué)(環(huán)境)因子(如水深、流速、覆蓋物、底質(zhì)等)的適應(yīng)度曲線(habitatsuitabilitycurve,HSC),然后計(jì)算河川在不同流量下各河段的水力學(xué)因子,依此水力學(xué)因子對(duì)應(yīng)棲息地適應(yīng)度曲線,即可查得對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度指數(shù)(habitatsuitabilityindex,HSI),適應(yīng)度指數(shù)與水域平面面積相乘即可推估出該水力學(xué)條件下的權(quán)重可使用棲息地面積(weightedusablearea,WUA)。1水力學(xué)模型的主要方法PHABSIM主要由兩部分構(gòu)成:水力學(xué)模型(hydraulicmodel)和棲息地模型(habitatmodel),水力學(xué)模型主要包含有對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)回歸法(IFG4)、渠道輸送法(MANSQ)、標(biāo)準(zhǔn)步推法(WSP)等方法,其中最普遍被使用的是IFG4法;棲息地模型中主要的棲息地模型為HABTAT法。1.1水生力學(xué)模型水力學(xué)模型的主要功能在于計(jì)算橫斷面各種不同流量的水位及橫斷面各分區(qū)的水深、流速分布。1.1.1推估水位方法對(duì)于由流量推估水位的計(jì)算,PHABSIM的水力學(xué)模型提供3種推估水位的方法,其分別使用PHABSIM模型中的IFG4、MANSQ、WSP程式,沿著橫切斷面去預(yù)測(cè)水位。(1)內(nèi)流量比的計(jì)算利用各斷面歷史水文資料,推求回歸方程式的參數(shù)a與b后,便可計(jì)算河川斷面任一流量的水深,其通式可表示如下:D=aQb(1)D=aQb(1)(2)均流方程的公式利用渠道某一斷面的流量與水深資料,推求斷面的糙度系數(shù)(曼寧n值),其公式為均勻流方程式:Q=A1nR2/3S01/2=1n?f(D)A(2)Q=A1nR2/3S01/2=1n?f(D)A(2)(3)wmp法利用緩變流水面線方程式,并以標(biāo)準(zhǔn)步推法由下游給定一已知水深,逐一計(jì)算上游各斷面的水深。1.1.2流速的推估對(duì)于流速的推估,PHABSIM提供了下列3種方法:已知速度檢定法、速度回歸檢定法、水深檢定法。當(dāng)各斷面有一組流速值,可使用已知速度檢定法來推估流速;當(dāng)有2組或2組以上的流速值時(shí),可使用速度回歸檢定法來推估流速;若完全沒有流速資料時(shí)就必須使用水深檢定法,該法針對(duì)每一個(gè)計(jì)算單元,以曼寧公式為基礎(chǔ),輸入曼寧系數(shù),求出每一個(gè)計(jì)算單元的流速,所依據(jù)的公式如下式所示:V=1n?f(D)(3)V=1n?f(D)(3)式中f(D)函數(shù)會(huì)隨著斷面的地文特性(斷面形狀與底床特性)而改變。1.2適應(yīng)度指數(shù)csf棲息地模型則根據(jù)水力學(xué)模型計(jì)算的不同流量各斷面流速與水深分布,再通過棲息地模型中對(duì)象物種的棲息地適應(yīng)度曲線,找出橫斷面各分區(qū)的流速與水深所對(duì)應(yīng)的棲息地適應(yīng)度指數(shù),便可求得研究河段的權(quán)重可使用棲息地面積如下:WUA=∑iF[f(Vi)?f(Di)?f(Ci)]Ai(4)WUA=∑iF[f(Vi)?f(Di)?f(Ci)]Ai(4)式中Ai為研究河段第i分區(qū)的水域面積;f(Vi)、f(Di)、f(Ci)分別為第i分區(qū)的流速、水深、河床底質(zhì)適應(yīng)度指數(shù);F[]為第i分區(qū)的組合適應(yīng)度因子(combinedsuitabilityfactor,CSF)。PHABSIM模型提供4種CSF的計(jì)算方法,分別為(1)乘積法CSF=f(V)f(D)f(C)(5)(2)幾何平均法CSF=f(V)f(D)f(C)????????????√3(6)CSF=f(V)f(D)f(C)3(6)(3)最小值法CSF=min[f(V),f(D),f(C)](7)(4)加權(quán)平均法CSF=kV?f(V)+kD?f(D)+kC?f(C)(8)式(8)中kV、kD、kC分別為流速、水深及河床底質(zhì)適應(yīng)度指數(shù)的權(quán)重因子,其總和為1,決策者可依據(jù)實(shí)際情況給予不同的權(quán)重。就上述4種方法而言,乘積法是假設(shè)3種參數(shù)f(V)、f(D)、f(C)的適合度指數(shù)影響力相同;幾何平均法針對(duì)此3種適合度指數(shù)做幾何平均;最小值法則是取最小的適合度指數(shù)當(dāng)作CSF值;而加權(quán)平均法是依據(jù)決策者的判斷對(duì)當(dāng)?shù)睾訁^(qū)的f(V)、f(D)、f(C)各自加權(quán),再去推求流量與權(quán)重可使用棲息地面積的關(guān)系,所以若能完全掌握當(dāng)?shù)厣锾匦?則加權(quán)平均法將是最具代表性的方法,然而本文無法判斷此特性,所以假設(shè)f(V)、f(D)、f(C)三者的影響力相同,因而使用乘積法來推求CSF。2生態(tài)流量的推估本文選取黃河干流中游蘭州-石嘴山間,全長680km為研究樣區(qū),采用PHABSIM法進(jìn)行生態(tài)流量的推估,并輔以歷史流量法中的Tennant法的結(jié)果來做比較。2.1計(jì)算時(shí)期選擇控制斷面要能基本控制所研究河流的水量,且要具有需要的觀測(cè)項(xiàng)目:水位、流量、大斷面等,同時(shí)選取的控制斷面要有10年以上可利用的觀測(cè)資料。根據(jù)控制斷面的選擇標(biāo)準(zhǔn),本文選擇黃河干流中游蘭州-石嘴山間蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山斷面做分析研究。計(jì)算時(shí)期總體上選擇受人類活動(dòng)干擾較少的時(shí)期。由于黃河上游第一座大型水庫龍羊峽1986年投入運(yùn)用,且通過對(duì)1975-1985年上述五斷面的汛前斷面資料分析,分別總體保持?jǐn)嗝嫫胶?因此選擇該時(shí)期作為本次計(jì)算時(shí)期。另外,對(duì)黃河干流蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山斷面,本文選取1985年5月9日、1985年5月11日、1985年5月8日、1985年5月17日的斷面實(shí)測(cè)資料作為分析的基礎(chǔ)。2.2評(píng)價(jià)物種的選取使用PHABSIM模型推求生態(tài)流量,最重要的影響因素是對(duì)象物種適應(yīng)度曲線的建立,由于此適合度曲線關(guān)系到整個(gè)棲息地的分布,因此如何選擇一合適的對(duì)象物種,并定義此對(duì)象物種的適合度曲線為其關(guān)鍵。本文選取黃河鯉魚為該研究河段的對(duì)象物種,主要根據(jù)該河段水生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈結(jié)構(gòu),計(jì)算水生態(tài)系統(tǒng)中各類種群(浮游植物、水草、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和魚類)的關(guān)鍵性指數(shù),比較各類種群的關(guān)鍵性指數(shù)的大小,識(shí)別出關(guān)鍵種群;然后計(jì)算種群中物種保護(hù)的次序,優(yōu)先保護(hù)的物種就是對(duì)象物種。研究結(jié)果表明,黃河鯉魚為該研究河段的對(duì)象物種。另外,由現(xiàn)場(chǎng)探勘調(diào)查,及從釣客的訪談中發(fā)現(xiàn),黃河鯉魚在此研究河段分布的比例相當(dāng)多。綜上,本文選取此魚種為該河段的對(duì)象物種。魚類的生活習(xí)性可以由水深、流速、底質(zhì)、水溫、溶解氧等參數(shù)反映,考慮到資料的可獲得性,本文僅將魚類對(duì)流速、水深的喜好性加入研究中,來表達(dá)魚類棲息地的優(yōu)劣。根據(jù)相關(guān)資料,鯉科類水深和流速適宜度曲線如圖1和圖2所示。鯉科類的最佳流速范圍為0.2～0.6m/s,最佳水深范圍為1～1.5m。2.3年增長期流量模擬量首先對(duì)選取的黃河干流中游蘭州-石嘴山間五個(gè)斷面(蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山)的歷年汛前平均實(shí)測(cè)月流量(1975-1985年)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到其流量范圍為484～1224m3/s,而流量模擬方面,由于本文期望對(duì)研究河段于時(shí)空變化下,其整體棲息地環(huán)境有一完整性的了解,故流量模擬為50～2000m3/s,此模擬流量足以涵蓋研究區(qū)的實(shí)際流量情形。2.4棲息地面積的計(jì)算在使用PHABSIM棲息地模型時(shí),權(quán)重變量會(huì)影響棲息地面積的大小,此值是在計(jì)算棲息地面積時(shí)對(duì)其距離取權(quán)重來計(jì)算權(quán)重可使用棲息地面積。本文假設(shè)各斷面所代表的棲息地面積,為距上下游斷面河段長各一半的棲息地面積,亦即在自然河道中各斷面的權(quán)重取0.5,圖3即是在各個(gè)斷面權(quán)重取0.5時(shí)棲息地的影響范圍示意圖。2.5流量-水位回歸法PHABSIM提供了3種方法來推估水位,但原則上對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)回歸法、渠道輸送法在每個(gè)斷面皆需要有一組或一組以上流量-水位資料,標(biāo)準(zhǔn)步推法無法處理當(dāng)上游最低河床高度比下游低的狀況(深水區(qū))?；谟行┵Y料難以取得的限制,本文采用對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)回歸法來推估模擬流量狀況下的水深。PHABSIM提供了3種方法來推估流速,本文因沒有流速資料,所以對(duì)于流速的推估采用水深檢定法,由上述PHABSIM推估出的水位資料來推算PHABSIM中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速值。2.6生態(tài)流量的確定生態(tài)流量的判別方式有許多種,可依據(jù)水源運(yùn)用型態(tài)選擇適合的評(píng)估基準(zhǔn)。當(dāng)以生態(tài)發(fā)展為唯一目標(biāo)時(shí),應(yīng)選擇WUA的最大值所對(duì)應(yīng)的流量,但此時(shí)所求出的生態(tài)流量太大,實(shí)際操作上根本不能符合其要求,太過于嚴(yán)苛。所以本文在分析生態(tài)流量時(shí),選取流量～WUA曲線圖的第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)(根據(jù)斜率變化選取),以此所對(duì)應(yīng)的流量當(dāng)作生態(tài)所需的基本流量,即生態(tài)流量。2.7棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量使用黃河鯉魚適合度曲線與乘積法(式(5))模擬出的蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山站的權(quán)重可使用棲息地面積,并繪制成圖4至圖8流量與WUA的關(guān)系曲線圖。由圖4可以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),其棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量為195m3/s;圖5第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),其棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量為220m3/s;圖6第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),其棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量為220m3/s;圖7第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),其棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量為220m3/s;圖8第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),其棲息地面積所對(duì)應(yīng)的流量為175m3/s。綜上,采用PHABSIM模式所推估出的汛前黃河干流蘭州-石嘴山間各斷面的生態(tài)流量如表1所示。2.8棲息地狀態(tài)及生態(tài)流量Tennant法為目前國外比較著名的歷史流量法,有時(shí)亦稱Montana法,乃北美洲政府官方常用的河溪內(nèi)流量制訂方法。此法以多年平均流量(meanannualflow,MAF)為基礎(chǔ),探討MAF不同百分比流量下河溪內(nèi)棲息地的狀態(tài)。Tennant法假設(shè)MAF的10%流量足夠大,部分水生生物渡過短期維持生物棲息地最低限度流量;MAF的30%流量則能維持水生生物良好的生存條件及滿足一般的休閑需求。本文采用1975-1985年多年平均實(shí)測(cè)流量為基準(zhǔn)流量。蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山1975-1985年多年平均實(shí)測(cè)流量和生態(tài)流量如表1所示。由表1可知,用PHABSIM模型推估出的黃河干流蘭州-石嘴山間蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽、石嘴山各斷面汛前的生態(tài)流量在Tennant法所設(shè)定的最小和適宜生態(tài)流量之間。3采用phabsim模型的生態(tài)流量計(jì)算用PHABSIM模式推估生態(tài)流量,考慮了對(duì)象物種對(duì)棲息地流速、水深、底質(zhì)及覆蓋物的喜好性,較其它生態(tài)流量計(jì)算方法更能反映生物的特性與需求,也是今后計(jì)算水生生物生態(tài)需水的發(fā)展方向。本文針對(duì)黃河干流蘭州-石嘴山間長680km的河段,以該河段的關(guān)鍵魚種黃河鯉魚為對(duì)象物種,嘗試?yán)肞HABSIM的水力學(xué)與棲息地模型,以流速及水深二水力學(xué)因子進(jìn)行研究,探討對(duì)象物種的流量與權(quán)重可使用面積的關(guān)系。通過對(duì)黃河干流蘭州-石嘴山河段蘭州、安寧渡、下河沿、青銅峽和石嘴山各斷面1975-1985年汛前共11年生態(tài)、水文及斷面資料的分析計(jì)算