蘇洪洋

(沈陽市蘇家屯區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110101)

在防洪排澇、航道通行、興利發(fā)電以及農(nóng)業(yè)灌溉方面，水利工程為社會(huì)發(fā)展帶來巨大效益的同時(shí)，影響和破壞了河流的自然功能[1]。由于水利工程修建所造成的下游河湖之間的濕地萎縮，河流水生生物特別是魚類棲息地遭到不同程度破壞，生物多樣性喪失，水環(huán)境質(zhì)量惡化等已經(jīng)成為生態(tài)環(huán)境問題[2- 3]。如何降低河流生態(tài)因水利工程運(yùn)行造成的影響，對河流自然生態(tài)功能進(jìn)行防護(hù)，保障水生生物棲息地的生態(tài)功能，已是河流生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[4- 5]。這一問題同時(shí)也促進(jìn)了生態(tài)水利學(xué)科的萌芽和發(fā)展[6- 9]。隨著研究的深入和社會(huì)發(fā)展的需求，人們逐漸認(rèn)識到天然河道的重要作用，開始實(shí)施河道生態(tài)修復(fù)或恢復(fù)工程，同時(shí)由于魚類棲息地生態(tài)水力學(xué)的不斷發(fā)展，人們開始認(rèn)識到產(chǎn)卵場水動(dòng)力學(xué)特征及水動(dòng)力學(xué)環(huán)境對魚類生活的影響[10- 15]。基于這種認(rèn)識，分析天然產(chǎn)卵場的地形地貌特征以及生態(tài)功能，選取典型產(chǎn)卵場分析其水流特征和產(chǎn)卵活動(dòng)對水力學(xué)環(huán)境的需求。以期為保護(hù)渾河魚類產(chǎn)卵場、河道整治規(guī)劃，以及重要生物資源的永續(xù)利用提供理論依據(jù)和參考。

1 大伙房下游河道魚類調(diào)查

1.1 魚類調(diào)查分析

結(jié)合實(shí)地調(diào)研成果及相關(guān)文獻(xiàn)記載，鯉形淡水魚是大伙房下游河道主要魚類，占魚類總數(shù)的75.2%，此外還分布有少量的鳙魚、青魚、草魚、鰱魚。由于人類活動(dòng)影響，大伙房水庫在建庫初期河流生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的影響，河流魚類的種類逐年呈現(xiàn)遞減變化，主要以鯉魚和鰱魚為主，小齡魚占據(jù)的比重較高，為此對大伙房下游水庫河流魚類開展了為期一個(gè)月的現(xiàn)場調(diào)查工作。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)大伙房下游河道魚類棲息可利用的面積有所減少，生態(tài)棲息環(huán)境受到不同程度影響，大伙房下游河道水深及流速發(fā)生不同程度變化。

1.2 產(chǎn)卵區(qū)斷面流速特征分析

在大伙房下游主產(chǎn)卵區(qū)布設(shè)4個(gè)斷面進(jìn)行流速脈動(dòng)測量，每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)觀測點(diǎn)，各斷面流速特征如圖1所示。

圖1 大伙房下游河道魚類產(chǎn)卵場斷面流速分布

1.3 產(chǎn)卵區(qū)斷面流速脈動(dòng)強(qiáng)度變化

水體在天然河道中受到不同因素的綜合影響，天然河流大多呈紊流狀態(tài)。水流紊動(dòng)引起流速的脈動(dòng)特征變化，其大小和方向受水流紊動(dòng)變化的影響，通過對速脈動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算可對產(chǎn)卵區(qū)流速的脈動(dòng)變化特征進(jìn)行綜合反映，脈動(dòng)強(qiáng)度y的計(jì)算方程為：

(1)

大伙房下游產(chǎn)卵區(qū)水流脈動(dòng)試驗(yàn)流速的變化情況見表1。

分析結(jié)果表明單點(diǎn)最大流速為2.74m/s，最大流速偏角達(dá)225°。水面最大平均流速接為2.04m/s，最低流速為0.06m/s出現(xiàn)在水深最大的區(qū)域。水深縱向變化使得流速大小、脈動(dòng)特征、偏角都發(fā)生遞增到遞減的變化，流速均值并不能真正反映水流的流態(tài)或散亂程度，脈動(dòng)強(qiáng)度和流速偏角變幅則可以。流速均值較低的區(qū)域水流脈動(dòng)強(qiáng)度較大，流速大小和方向變化形成復(fù)雜的水流流態(tài)。

1.4 產(chǎn)卵場三維力學(xué)特征分析

結(jié)合聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)觀測數(shù)據(jù)對大伙房下游產(chǎn)卵場三維水力學(xué)特性進(jìn)行分析。并結(jié)合三維流速累積頻率分析產(chǎn)卵區(qū)和非產(chǎn)卵區(qū)水流流速變化的差異度，結(jié)果見表2及圖2所示。

從縱向流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，4#斷面流速均值最大，而2#斷面最低，整個(gè)研究河段流速縱向均值為1.40m/s。各斷面產(chǎn)卵區(qū)縱向流速總體差異度較小，產(chǎn)卵區(qū)縱向流速均值稍高于整個(gè)河道的流速均值，各斷面縱向流速均值變化總體較小?？v向流速的頻率累積分布曲線表明整個(gè)研究區(qū)域縱向相對流速變化范圍為0～2.3，這說明產(chǎn)卵區(qū)的流速相比其他區(qū)域更具有多樣性。從橫向流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，12#斷面橫向流速均值最大，而2#斷面橫向流速均值最小，各斷面橫向流速均值變化差異度較低，與整個(gè)河道橫向流速均值相似。相比于縱向流速，橫向流速的頻率累積分布曲線規(guī)則度更低，此外流速變化幅度較大的區(qū)域主要集中在4#和5#斷面，變幅在0～2.5之間，變幅最低的區(qū)域主要集中在2#、3#及11#斷面，流速相對分布較為平均。最大垂向流速主要分布在12#和10#斷面，最低流速分布在1#斷面，各斷面垂向流速變幅區(qū)域主要介于0.26～0.43之間。

表1 大伙房下游產(chǎn)卵區(qū)水流脈動(dòng)試驗(yàn)流速的變化

表2 三維流速統(tǒng)計(jì)分析結(jié) 單位：m/s

表3 大伙房下游河道產(chǎn)卵場水平渦量與單位面積卵濃度

圖2 各方向相對流速累積頻率分布

2 大伙房下游河道魚類產(chǎn)卵行為與水力學(xué)特征關(guān)系研究

2.1 產(chǎn)卵場渦強(qiáng)特征研究

利用流場模擬數(shù)據(jù)來計(jì)算產(chǎn)卵場水平渦量強(qiáng)度特征，并建立大伙房下游河道產(chǎn)卵場水平渦量與單位面積卵濃度關(guān)系，見表3及圖3所示。

從表3中可看出，各年份產(chǎn)卵期分布差異度均較大，主要集中在3#、4#、5#、7#和8#斷面區(qū)域，其他區(qū)域分布較少，由圖3中單位面積卵濃度～水平渦量關(guān)系可知，兩者之間存在顯著的相關(guān)性，隨著水平渦量的增加單位面積卵濃度遞減變化，單位面積產(chǎn)卵量高值出現(xiàn)在水平渦量為0.9×10-3s-1時(shí)，少量卵出現(xiàn)在(0.9～1.9)×10-3s-1的水平渦量范圍內(nèi)。卵濃度單位面積最低值出現(xiàn)在水平渦強(qiáng)度低于0.9×10-3s-1時(shí)。從圖3(b)水平渦量值小于0.5×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)6尾，占總量的19%；水平渦量值為(0.5～1.0)×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)3尾，頻率為9.7%；水平渦量值為(1.0～1.5)×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)12尾，出現(xiàn)頻率為39%，出現(xiàn)頻率最高；水平渦量值為(1.5～2.0)×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)3尾，出現(xiàn)頻率9.7%；水平渦量值為(2.0～2.5)×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)4尾，出現(xiàn)頻率為13%；水平渦量值為(2.5～3.0)×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)1尾，出現(xiàn)頻率為3.2%；水平渦量值大于3.0×10-3s-1時(shí)，出現(xiàn)3尾，出現(xiàn)頻率為9.7%。

圖3 水平渦量與單位面積卵濃度

2.2 產(chǎn)卵場紊動(dòng)能特征研究

三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得到不同流量條件下產(chǎn)卵場河段底部(相對水深為0.8)處紊動(dòng)動(dòng)能(Turbulent Kinetic Energy簡稱TKE)分布圖，如圖4所示。由圖4可知，不同流量條件下產(chǎn)卵場河段的紊動(dòng)動(dòng)能分布具有相同特點(diǎn)，在產(chǎn)卵場河段左岸由于特殊地形的存在，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，該處紊動(dòng)動(dòng)能較大，在主產(chǎn)卵區(qū)紊動(dòng)動(dòng)能亦較大。隨著流量的增加，紊動(dòng)動(dòng)能變大，整體分布特征并未變化。主產(chǎn)卵區(qū)屬于水流紊動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，這說明紊動(dòng)劇烈的水流對魚類產(chǎn)卵具有一定刺激或幫助作用。

旅游紀(jì)念品本應(yīng)是某地特有的或特別著名的產(chǎn)品，富有當(dāng)?shù)氐奈幕瘹v史內(nèi)涵，有些紀(jì)念品甚至只能在當(dāng)?shù)夭拍苌a(chǎn)。然而，當(dāng)成百上千個(gè)景區(qū)都在販賣長了“同一張臉”的旅游紀(jì)念品時(shí)，誰還會(huì)認(rèn)為值得購買、值得為“到此一游”留念？據(jù)說有人在四川旅游，竟買到了寫有“少林寺紀(jì)念”的“特產(chǎn)”，如此忽悠手法實(shí)在是太低級了。

3 大伙房下游河道魚類產(chǎn)卵場環(huán)境適宜性評價(jià)研究

3.1 環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)體系

評價(jià)體系主要包含魚類4個(gè)不同時(shí)期的準(zhǔn)則層，指標(biāo)層共選取了20個(gè)指標(biāo)來反映研究目標(biāo)的適宜性。

圖4 不同流量條件下產(chǎn)卵場紊動(dòng)能分布圖

表4 產(chǎn)卵場棲息地環(huán)境適宜性評價(jià)體系

目標(biāo)層為單一即總目標(biāo)，表達(dá)的是棲息地的綜合適宜程度，棲息地適宜性評價(jià)目的在于綜合評價(jià)該棲息地的總體適宜水平，根據(jù)評價(jià)出的適宜性真實(shí)狀態(tài)采取相應(yīng)的措施，以推進(jìn)人棲息地的生物棲息適宜度指數(shù)，為保護(hù)生物棲息地提供參考。準(zhǔn)則層是目標(biāo)層的有機(jī)組成部分，分為4個(gè)方面：①幼魚期：指的是幼年魚苗的生長期；②成魚期：指的是幼魚經(jīng)歷了成長期之后的階段；③產(chǎn)卵期：指的成魚性成熟后已到自然繁殖時(shí)間；④卵孵化期：指的是魚卵產(chǎn)出后在水流中孵化的時(shí)期。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要結(jié)合相關(guān)魚類環(huán)境適應(yīng)性分析的成果，并結(jié)合大伙房下游河道魚類生境要素的變化特點(diǎn)，對其棲息地環(huán)境適宜性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，見表5。

表5 產(chǎn)卵場棲息地環(huán)境適宜性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)因子隸屬度的確定

結(jié)合調(diào)查資料，對各個(gè)指標(biāo)的隸屬度值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 產(chǎn)卵場各指標(biāo)隸屬度向量值

對不同指標(biāo)的隸屬度通過三角形隸屬度函數(shù)進(jìn)行確定，為對不合理的等級跳變現(xiàn)象進(jìn)行消除，將不同指標(biāo)的中間分解點(diǎn)進(jìn)行等級的劃分，當(dāng)各指標(biāo)處于中間分解位置時(shí)，該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度等級值為1.0，而進(jìn)入分解臨界區(qū)域位置時(shí)，該指標(biāo)的隸屬度相應(yīng)劃分等級值為0。

3.4 綜合評價(jià)結(jié)果

結(jié)合多級模糊綜合評判法，在各因子隸屬度分析的基礎(chǔ)上，對2007～2018年大伙房下游產(chǎn)卵場棲息地適宜水平進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表7。

表7 2007～2018年大伙房下游產(chǎn)卵場棲息地適宜水平綜合評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

本文綜合考慮了影響產(chǎn)卵場環(huán)境適宜性的指標(biāo)，利用模糊綜合評判方法評價(jià)，考慮了影響因素之間的相依性，能夠較客觀地反映產(chǎn)卵場環(huán)境的適宜性水平。模型的計(jì)算結(jié)果表明評價(jià)期內(nèi)大伙房下游河道產(chǎn)卵場環(huán)境實(shí)際適宜性狀態(tài)比較好。大伙房下游河道魚類產(chǎn)卵濃度隨水平渦量的增大呈下降趨勢，一般選擇水平渦量強(qiáng)度為較大的地方作為棲息位置。

(1)隨著流量的增加，紊動(dòng)動(dòng)能變大，大伙房下游河道紊動(dòng)動(dòng)能整體分布特征并未變化，主產(chǎn)卵區(qū)屬于水流紊動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，紊動(dòng)劇烈的水流對魚類產(chǎn)卵具有一定刺激作用。

(2)環(huán)境適宜評價(jià)指標(biāo)體系綜合考慮幼魚期、成魚期、產(chǎn)卵期和孵卵期等4個(gè)時(shí)期影響因子，評價(jià)結(jié)果和調(diào)查結(jié)果吻合度較高，方法適用性較好。

水利工程對魚類產(chǎn)卵影響還應(yīng)包含對水溫的分析，在以后水溫?cái)?shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)開展水庫下泄水溫對魚類產(chǎn)卵影響。