關(guān)鍵詞：高流量脈沖；交匯區(qū)；魚類水力生境指標(biāo)；時(shí)空分布特征

中圖分類號：ＴＶ１２１＋ ．７；Ｘ１７１．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１７

引用格式：汪賢瑤，鐘亮，姜利．高流量脈沖作用下河流交匯區(qū)魚類水力生境指標(biāo)時(shí)空變化［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１０３－１０８，１１２．

干支流交匯區(qū)復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)和地形條件為水生生物提供了多樣化的棲息地［１－２］ 。嘉陵江是長江的支流，于重慶朝天門匯入長江。根據(jù)水流交匯特性，把交匯區(qū)水流分為水流停滯區(qū)、水流偏轉(zhuǎn)區(qū)、回流分離區(qū)、最大流速區(qū)、水流恢復(fù)區(qū)和剪切層［３］ ，支流入?yún)R使交匯區(qū)水位和流速發(fā)生變化，對魚類水力生境產(chǎn)生影響。開展高流量脈沖作用下魚類水力生境指標(biāo)的時(shí)空變化特征研究，對河道魚類資源保護(hù)和生態(tài)航道工程建設(shè)等具有重要意義。

魚類棲息地包括產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場和洄游通道［４］ 。目前，國內(nèi)外學(xué)者對魚類產(chǎn)卵場水力生境已有一定研究，Ｍｏｉｒ 等［５］ 認(rèn)為流速是描述魚類產(chǎn)卵場水力學(xué)特征的重要指標(biāo)；Ｂｏｏｋｅｒ 等［６］ 運(yùn)用三維流場模型模擬了魚類產(chǎn)卵場的水流環(huán)境；易雨君等［７］ 通過分析四大家魚的繁殖特性，構(gòu)建了四大家魚棲息地適宜度方程；張文鴿等［８］ 、郭文獻(xiàn)等［９］ 對魚類棲息地生境進(jìn)行模擬，分析了流量與微生境適宜性面積的響應(yīng)關(guān)系。

水文過程與生物過程存在相互適應(yīng)、相互調(diào)節(jié)的耦合關(guān)系；王海秀等［１０］ 基于水文年內(nèi)高流量脈沖和漲水過程探討了水文情勢變化對魚類產(chǎn)卵的影響；Ｔａｏ 等［１１］研究發(fā)現(xiàn)長江中游產(chǎn)卵場魚類繁殖與水文過程有關(guān)；邢寶龍等［１２］ 采用二維水動力模型研究了典型洪水過程中魚類水力生境適宜性。

縱觀已有研究成果，交匯區(qū)魚類水力生境指標(biāo)變化研究仍處于起步階段，尚未闡明高流量脈沖過程與水力生境指標(biāo)時(shí)空變化的響應(yīng)關(guān)系。為此，本文以長江與嘉陵江交匯區(qū)為研究河段，以四大家魚為代表，采用三維水流數(shù)值模擬方法，分析魚類水力生境指標(biāo)時(shí)空變化與高流量脈沖過程的響應(yīng)關(guān)系，以期為干支流交匯區(qū)四大家魚生境保護(hù)提供參考。

１資料與方法

１．１研究河段概況

研究河段為長江上游干支流彎曲型交匯河段（見圖１），嘉陵江從長江左岸凸岸入?yún)R，入?yún)R角約為４０°，入?yún)R口上下游干支流河段均為微彎河段，深槽靠右岸。長江、嘉陵江均為山區(qū)河流，河岸多由基巖、卵石或卵石夾沙組成，河床變形以推移質(zhì)運(yùn)動為主，淺灘演變遵循“洪淤枯沖”的規(guī)律，深槽表現(xiàn)為“洪沖枯淤”，在兩岸已建擋墻及巖盤、石梁等的約束下，河床年際變化不大，河勢及河段灘槽格局較為穩(wěn)定。研究河段上游設(shè)有朱沱水文站（距朝天門大橋約１４７ ｋｍ）、北碚水文站（距朝天門大橋約５４ ｋｍ），下游設(shè)有寸灘水文站，３ 個(gè)水文站均具有較為完整的水文資料。

１．２水流數(shù)值模擬

基于三維水流數(shù)值模擬方法分析研究河段魚類水力生境指標(biāo)。水流模型基于三維不可壓縮雷諾平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ 方程的解來構(gòu)建，其服從靜水壓力和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ渦黏性假設(shè)。水流模型基本控制方程見式（１） ～式（３）；紊流模型在基本控制方程基礎(chǔ)上引入渦黏系數(shù)，見式（４） ～式（５）。

基于２０１８年實(shí)測河道地形進(jìn)行水流數(shù)值模擬，數(shù)值模擬選取計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L江重慶大橋至寸灘水文站，嘉陵江黃花園大橋至匯合口，計(jì)算河段全長約１３．４ｋｍ。采用三角網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為３０ ｍ，共２７ ３５５ 個(gè)單元、１４ １７１ 個(gè)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)口流量采用北碚水文站和朱沱水文站實(shí)測流量，出口水位采用寸灘水文站實(shí)測水位。水位、斷面流速驗(yàn)證分別采用２０１２ 年５ 月３０ 日和２０１１ 年９ 月１７ 日的實(shí)測資料，見圖２。由圖２ 可以看出，長江與嘉陵江計(jì)算水位與實(shí)測水位偏差在±０．１ ｍ以內(nèi)，流速大小及分布與實(shí)測值較為吻合，流速偏差在±５％以內(nèi)，數(shù)值模擬計(jì)算的流向與浮標(biāo)跡線走向較為一致。綜上，本文建立的三維水流數(shù)值模型的計(jì)算精度滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》（ＪＴＳ／ Ｔ２３１—２０２１）要求，可用于下一步研究。

１．３分析方法

１．３．１高流量脈沖過程確定

根據(jù)水文情勢的不同，可把流量過程分為低流量、高流量脈沖、洪水，其中高流量脈沖塑造河道形態(tài)、刺激魚類洄流和產(chǎn)卵。根據(jù)ＩＨＡ 軟件設(shè)定，結(jié)合該河段水文條件［１０］ ，將寸灘水文站１９９１—２０２１ 年日流量數(shù)據(jù)從小到大排序，低于４５％的流量為低流量；流量頻率為４５％～７０％，流量日漲幅超過１５％為高流量脈沖開始，直至日降幅超過１０％結(jié)束。由于產(chǎn)卵繁殖期較少發(fā)生洪水，因此將洪水列入高流量脈沖，統(tǒng)稱為高流量脈沖。

研究表明［１３］ ，刺激四大家魚產(chǎn)卵的有效漲水過程需持續(xù)３ｄ 及以上，且一次連續(xù)漲水需超過０．５ ｍ。四大家魚產(chǎn)卵繁殖期為每年的４—７ 月，結(jié)合四大家魚產(chǎn)卵習(xí)性與高流量脈沖過程，選?。玻埃保改暄雌冢翟拢玻踩罩粒?月３０日發(fā)生的脈沖過程作為典型高流量脈沖過程（寸灘水文站起始流量Ｑ_起始為９ ７１０ ｍ^３／ｓ，峰值流量Ｑ_峰值為２０ ７７５ ｍ^３／ｓ，終止流量Ｑ_終止為９ ４０７ ｍ^３／ｓ），見表１。Ｔ１—Ｔ３ 時(shí)段為漲水階段，長江上游與嘉陵江上游來流量均急速上升，水位變化大，流量大幅度波動導(dǎo)致水體流動不平穩(wěn)，長江來流量大于嘉陵江；Ｔ４—Ｔ６ 時(shí)段為落水階段，長江來流量減幅大于嘉陵江，水位、流量均快速下降。

長江與嘉陵江交匯區(qū)干支流上游河段存在四大家魚洄游通道和產(chǎn)卵場，下游距離四大家魚保護(hù)區(qū)較近且存在產(chǎn)卵場，交匯區(qū)河段為四大家魚的重要洄游通道［１４－１５］ 。流速變化影響適宜度指數(shù)，并通過改變水動力條件塑造多樣化的微生境面積，從而影響魚類分布。

１．３．２魚類水力生境指標(biāo)量化

根據(jù)影響四大家魚產(chǎn)卵棲息的各環(huán)境因子適應(yīng)性曲線，建立四大家魚產(chǎn)卵棲息地適宜度評價(jià)模型［１６］ ，棲息地適宜度指數(shù)ＳＨ和微生境適宜性面積（Ａ）計(jì)算公式為

２結(jié)果與討論

２．１流速

１）斷面分布特征。各斷面在不同脈沖時(shí)刻的流速分布見圖３，兩江交匯河段地形為“左凸右凹”，支流以接近直角沖擊長江干流，兩股水流相互擠壓，支流流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生流向偏轉(zhuǎn)區(qū)；深槽向右岸發(fā)育，主流被壓縮至凹岸，形成最大流速區(qū)；受附壁效應(yīng)和彎道干流擠壓影響，水流經(jīng)凸岸受阻礙形成回流，出現(xiàn)橢圓狀貼壁的回流分離區(qū)。Ｔ１—Ｔ３ 時(shí)段為漲水過程，交匯區(qū)內(nèi)水位、流速急速上升。交匯區(qū)水流混摻，干支流水體隨著漲水過程頂托增強(qiáng)，由于長江來流漲幅均大于嘉陵江，支流水流能量被消耗，因此回流分離區(qū)寬度逐漸減小，向凸岸側(cè)收縮；河道凹岸最大流速區(qū)隨漲水過程向邊灘及深槽延伸。漲水過程中支流流量小于干流流量，兩江水流強(qiáng)度差異較大，沿程各斷面流速分布與漲水趨勢基本一致。Ｔ４—Ｔ６ 時(shí)段為落水過程，兩江來流逐漸減小，干流對支流頂托作用減弱，最大流速區(qū)范圍隨落水過程被壓縮；回流分離區(qū)向凹岸側(cè)增大。

２）垂線平均流速。高流量脈沖過程中，斷面垂線平均流速發(fā)生顯著變化，典型斷面垂線平均流速變化見圖４。流速變化與流量漲落趨勢基本一致，隨著流量的增大，河道流速增大；由于支流側(cè)受凸岸邊壁影響產(chǎn)生回流，因此主槽區(qū)流速隨流量的變幅大于回流分離區(qū)的。ＣＳ２ 斷面左側(cè)為嘉陵江來流，受長江較大流量擠壓，流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，漲落水過程中流速均低于２ｍ／ ｓ；右側(cè)深槽Ｔ３ 時(shí)刻流速均值高達(dá)２．５ ｍ／ ｓ。交匯區(qū)ＣＳ３、ＣＳ４ 斷面左側(cè)彎道對水流產(chǎn)生的阻礙力逐漸增強(qiáng)，回流分離區(qū)流速在０～１ ｍ／ ｓ 波動；右側(cè)主流區(qū)變幅與脈沖過程一致。

２．２適宜度指數(shù)

棲息地適宜度指數(shù)（Ｓ_Ｈ）是評價(jià)生物棲息地適宜性的指標(biāo)，綜合了流速適宜度和水深適宜度。Ｓ_Ｈ 取值范圍為０～１．０，其中０ 為不適宜棲息的生境、１．０ 為最適宜棲息的生境。研究表明，一般Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區(qū)域較適宜四大家魚產(chǎn)卵棲息［１７］ 。

１）各斷面適宜度指數(shù)隨時(shí)間的變化。交匯區(qū)各斷面棲息地適宜度指數(shù)Ｓ_Ｈ隨時(shí)間的變化見圖５。沿程各斷面棲息地適宜度指數(shù)Ｓ_Ｈ 呈河底大、水面小的趨勢。在高流量脈沖過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８ 的區(qū)域集中在河道邊灘和河底，該區(qū)域較適于魚類產(chǎn)卵棲息。漲水過程中，支流來流小于干流，凸岸回流分離區(qū)水流流速小、水位低，總體不適宜魚類繁殖棲息，右側(cè)主流區(qū)Ｓ_Ｈ ＞０．８的區(qū)域處于深槽水體中下層及凹岸邊灘。各斷面Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區(qū)域隨漲水過程向水體中下層及凸岸邊壁偏移。至Ｔ３ 流量峰值時(shí)刻，主流區(qū)流速達(dá)峰值，大部分區(qū)域Ｓ_Ｈ較小，為０～０．３，支流來流增加，回流分離區(qū)流速整體較為適宜魚類繁殖棲息，靠近凸側(cè)河槽底部出現(xiàn)Ｓ_Ｈ 最大值，接近于１．０。落水階段（Ｔ４—Ｔ６ 時(shí)段），適宜四大家魚繁殖棲息區(qū)域的變化與漲水階段相反，魚類繁殖棲息理想生境面積隨著落水過程逐漸增大，凸岸邊灘因支流流量減小適宜棲息范圍被壓縮至凹岸深槽及邊灘處，Ｓ_Ｈ＞０．８ 的區(qū)域隨脈沖過程逐漸向凹岸河槽及邊灘偏移。說明流速、水位變幅較大的漲落水過程可能造成交匯區(qū)適宜四大家魚繁殖棲息生境面積減少，但支流入?yún)R口以及低流量下主流區(qū)存在適宜魚類繁殖棲息的理想生境。

２）適宜度指數(shù)沿河寬變化情況。典型斷面四大家魚棲息地適宜度指數(shù)沿河寬變化見圖６。ＣＳ２ 斷面左側(cè)為嘉陵江來流，在漲落水過程中Ｓ_Ｈ變化規(guī)律基本一致，高流量漲水過程中，水深、流速超過適宜度閾值，低流量下河道為魚類提供適宜的繁殖棲息地。ＣＳ３ 斷面，支流入?yún)R，左側(cè)受干流頂托，流速、水深較小，不利于魚類繁殖棲息。ＣＳ４ 斷面深槽處Ｓ_Ｈ 均低于０．８，表明過大的流量不利于魚卵孵化；落水過程中，在回流區(qū)與最大流速區(qū)適宜度指數(shù)逐漸增大相反，回流分離區(qū)高流量以及變幅較大的脈沖過程更有利于四大家魚繁殖棲息。

２．３微生境適宜性面積

計(jì)算出匯流區(qū)域各單元棲息地適宜度指數(shù)Ｓ_Ｈ后，根據(jù)式（７）可計(jì)算由Ｓ_Ｈ加權(quán)得到的微生境適宜性面積Ａ。由于面積與河道長度有關(guān)，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)將面積轉(zhuǎn)換為１ ｋｍ 長度的數(shù)值。不同Ｓ_Ｈ 范圍Ａ 變化見圖７。高流量脈沖過程中，０．８＜Ｓ_Ｈ ＜１．０所對應(yīng)的微生境適宜性面積Ａ占比較大，接近５０％，表明在高流量脈沖下，交匯區(qū)大部分區(qū)域?yàn)樗拇蠹音~繁殖棲息的理想生境。由于河道匯流比Ｒ_Ｊ先減小后增大再減小，匯流比隨脈沖過程發(fā)生變化，Ｔ１ 時(shí)刻嘉陵江來流占比較大，支流微生境適宜性面積增大，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 隨漲水呈先減小后增大的變化趨勢；落水過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的Ａ 隨流量的減小而減小。漲水過程的微生境適宜性面積Ａ均高于落水的，說明適宜的流量漲幅刺激四大家魚繁殖棲息。Ａ 隨漲落水呈先增大后減小的變化趨勢，整體變化趨勢與漲落水變化趨勢一致，Ａ 峰值出現(xiàn)在脈沖峰值Ｔ３ 時(shí)刻，河道水位抬高，為魚類提供更多的棲息區(qū)域。

３結(jié)論

１）漲水階段，干支流頂托作用增強(qiáng)，支流入?yún)R在左側(cè)形成回流分離區(qū)，隨漲水回流區(qū)寬度縮窄，凹岸最大流速區(qū)向邊灘及深槽延伸；落水階段，流速遞減變化趨勢與漲水相反，流速整體變化趨勢與脈沖過程保持一致。

２）隨著流量的變化，適于魚類產(chǎn)卵棲息的區(qū)域在深槽和邊灘間移動。棲息地適宜度指數(shù)Ｓ_Ｈ大于０．８的區(qū)域，隨漲水過程向河底及凸岸邊壁處偏移，主流區(qū)大部分區(qū)域的Ｓ_Ｈ較?。宦渌^程交匯區(qū)適宜魚類繁殖棲息的范圍被壓縮至凹岸深槽及邊灘。

３）高流量脈沖條件下，微生境面積與漲落水具有一定相關(guān)性。交匯區(qū)微生境適宜性面積Ａ 隨漲落水呈先增大后減小的變化趨勢，Ａ 峰值出現(xiàn)在脈沖峰值Ｔ３時(shí)刻。在此脈沖過程中，Ｓ_Ｈ ＞０．８的微生境適宜性面積占比較大。