一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法与流程

本发明属于产卵期脉冲流量研究技术领域，涉及一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法。

背景技术：

径流的脉冲式变化过程是河流和湿地的植物、微生物、无脊椎动物和鱼类生命循环的主要驱动力。水位和流量过程的变化使生物物质和非生物物质的输送特征发生不断的变化，不断的改变河道、岔道、支流和三角洲、浅滩、激流、深潭和净水区域等多元化生态环境的水流条件和物质条件，物种的分布、丰度以及水生动植物群落的组成和多样性，同时，主河槽与滩地横向连通性的丧失会导致种群的隔离以及鱼类和其他生物的局部灭绝。例如，鱼类的洄游产卵同流量的涨落过程及流量的大小有直接的关系，而滩地植被的生长和丰度同洪水频率及洪水水位的变化密切相关。

河流水文过程控制着河流系统之间及同陆地、湖泊、海洋等相邻系统之间的物质交换、能量交换及生物交换。在枯水季节，水流仅存在于有限的主河槽范围内，河流系统和洪泛区是相互独立的，水生生物活动在较小的水域范围内。而在丰水季节，水位上涨、流速增加，此时水生生物生长迅速，部分鱼类受水流刺激开始在河道中洄游。当流量脉冲持续增加，水域面积进一步扩大，流速到达一定程度，部分鱼类在适宜的栖息地条件开始产卵。当水位越过平滩水位，水流不断地由河流涌向洪泛区，河流与滩区连为一体成为统一的动水区域。主槽水体向滩区漫溢的过程中也为洪泛区提供能量及有机营养物质输入，同时滩区受淹土壤中的营养物质也得到释放，逐渐形成完整的河流生态系统。当主槽流量达到峰值时，水域范围达到最大值，水生生物和陆生生物的生存环境都遭受剧烈干扰，迫使生物迁徙或对洪水产生适应性改变。水位上涨期是鱼类繁衍的高峰期，而浮游生物繁衍的高峰则是处于涨水期结束前。由此可见，河流径流的脉冲式变化是河流生物群落变化最主要的控制因子，河流的横向水力联系以及营养物质循环，为生物栖息地和食物网结构提供了更丰富的选择，对水生生物的繁殖和生长具有关键性的作用。

结合流量脉冲过程对鱼类洄游及产卵的影响，根据流量的大小和发生的频率，将流量划分为低流量、高脉冲流量、小洪水、大洪水四种特征流量。其中，低流量作为河道基流量，维持河道水流条件，在冰封期为生物提供生存空间，流量过程长期在低流量以下，会阻碍河流纵向连通与横向连通，并且对部分水生物的生命活动造成抑制。高脉冲流量一般指流量涨至低流量以上，但不高于平滩流量。高脉冲流量是鱼类洄游和产卵的主要刺激，也是塑造河床形态以及底质条件的关键因素。同时，高流量脉冲可以缓解低流量条件下所造成的水环境压力。小洪水指水位超过主河槽河岸，即流量超过平滩流量，一般重现期为2-10年，能够加强河流横向间的水力联系，为水生生物提供更丰富的栖息地条件。大洪水发生频率较低，重现期一般高于10年，但是它在河流生态系统中发挥了不可或缺的作用。大洪水延长洪泛平原淹没时间，维持动植物种类的多样性，还可以有效冲刷产卵场，将大量有机物质冲入下游，并且使主河道和洪泛平原水体的水质更好。各流量组分对鱼类的生态作用如表1所示。

表1不同流量组分对鱼类的生态意义

基于洪水脉冲理论中各流量要素的生物学意义，在所有生态流量组成要素中，高流量脉冲过程是刺激鱼类洄游和产卵、以及维持栖息地和提供鱼类食物来源的关键要素，本发明将结合天然径流过程，重点分析各河段产卵期脉冲流量的指标值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，其技术方案具体为：

一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、综合分析研究河段内所有鱼类的产卵习性，依据水温划分产卵时段，通常根据冷水性鱼类和暖温性鱼类的产卵要求，划分为4-5月、6-7月两个产卵时期；

步骤2、4-5月份适宜脉冲流量核算

1.1栖息地适宜度曲线

将1m作为黏性卵鱼类水深适宜度曲线的最大值，0.1m作为满足鱼类产卵的最小水深，0.4-0.8m为适宜水深，得到产黏性卵鱼类产卵期水深适宜度曲线。而黏性卵产出后需要附着在水草、卵石上孵化，需要一定的水流保持水质和营养物输送，但流速不宜过大，因此将0.1m/s-0.2m/s作为黏性卵鱼类产卵期栖息地的适宜流速，0.5m/s为极限流速，得到产黏性卵鱼类产卵期流速适宜度曲线。

1.2产卵期适宜流量

将步骤1.1建立的栖息地适宜度曲线导入phabsim模型，以50m³/s的流量间隔模拟在流量递增条件下鱼类产卵期有效栖息地面积wua变化，得到有效栖息地面积与流量的变化关系曲线；

步骤3、6-7月份适宜脉冲流量核算

2.1栖息地适宜度曲线

将6-7月份产漂流性卵鱼类的适宜水深确定为1m-2m，最小临界水深为0.2m，最大临界水深为3m；适宜流速确定为0.6-1.2m/s，保障鱼卵漂浮不沉底的最小临界流速为0.2m/s，考虑鱼类上溯能力，将最大临界流速定为2m/s。得到产漂流性卵鱼类的水深、流速适宜度曲线；

2.2产卵期适宜流量

将步骤2.1建立的栖息地适宜度曲线导入phabsim模型，同样以50m³/s的流量间隔分别模拟在流量递增条件下鱼类产卵期有效栖息地面积wua变化，得到在6-7月份产漂流性卵鱼类有效栖息地面积与流量的变化关系曲线。

本发明具有以下有益效果：

本发明算法突破了以往河流栖息地模拟模型选用单一或少数鱼类作为指示物种的局限性，通过对研究区所有鱼类产卵习性的全面调查和分析，综合确定松花江重点生态断面的产卵期脉冲流量要求。首先将松花江流域鱼类产卵划分为4-5月、6-7月2个主要时段，明晰了各时段产卵鱼类种类、鱼卵类型和孵化时间等重要信息，在此基础上提出了各时段以水温为控制条件的脉冲流量发生时机，以及持续时间、发生频次等要求；然后根据产黏性卵和漂流性卵鱼类对于水动力学条件的不同要求，各自建立相应的栖息地适宜度曲线，模拟重点河段不同流量条件下2种鱼类的栖息地变化情况；最后综合确定产卵期适宜生态流量值和范围。该算法所得生态流量过程的推荐方案体现了对于不同产卵习性鱼类的针对性分析，结果更为科学，同时能更加高效地指导水利工程生态调度。

附图说明

图1是黏性卵鱼类水深适宜度曲线；

图2是黏性卵鱼类流速适宜度曲线；

图3是二松干流松原段产黏性卵鱼类wua-流量变化曲线；

图4是嫩江干流大赉段产黏性卵鱼类wua-流量变化曲线；

图5是松花江干流哈尔滨段产黏性卵鱼类wua-流量变化曲线；

图6是松花江流域产漂流性卵鱼类水深适宜度曲线；

图7是松花江流域产漂流性卵鱼类流速适宜度曲线；

图8是二松干流松原段产漂流性卵鱼类wua-流量变化曲线；

图9是嫩江干流大赉段产漂流性卵鱼类wua-流量变化曲线；

图10是松花江干流哈尔滨段产漂流性卵鱼类wua-流量变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法，包括以下步骤：

1.4-5月份适宜脉冲流量核算

1.1栖息地适宜度曲线

在松花江流域，洄游性冷水鱼类是特征物种，由于干流若干大型水利和航电枢纽建设，最具代表性的大马哈鱼、哲罗鱼等物种已经绝迹，现存鱼类中难以找到公认的区域水生态系统指示物种。其次，松花江流域鱼类产卵有明确的季节性差异，不同鱼类产卵时间有很大差别，若单单考虑某一种或几种鱼类的产卵需求，对于非此时段产卵的鱼类将造成极大影响，从而也影响整个松花江流域水生态系统结构的稳定性。第三，同一产卵类型的鱼类对于适宜产卵栖息地的选择，以及产卵后的水动力条件需求是基本一致的，比如黏性卵鱼类需要在浅水缓流区产卵，使得鱼卵能黏附在近岸水草、卵石上，漂流性卵鱼类则更适宜在急流中产卵，同时产卵后亦需要维持一定的流速，保障鱼卵的漂浮。因此，本发明的目标物种并不是针对某一种或几种鱼类，而是通过对松花江流域全部鱼类产卵时间的分类，在各个产卵时期根据鱼类产卵类型，分别建立产黏性卵鱼类、漂流性卵鱼类的栖息地适宜度曲线，曲线相关参数以最大程度满足该类别鱼类的综合需求为原则。由于产沉性卵鱼类栖息地适宜度关键因素是河道底质情况，而产浮性卵鱼类对于产卵场水动力学条件要求相对较低，因此不单独进行研究。

松花江流域4-5月份产卵的鱼类绝大部分均是黏性卵，黏性卵产卵后附着于水草、卵石上，一般均产在浅水缓流区，对于产卵场需要大面积的漫滩。根据松花江流域42种产黏性卵鱼类的综合分析，其最大产卵适宜水深不超过1m，因此将1m作为黏性卵鱼类水深适宜度曲线的最大值，0.1m作为满足鱼类产卵的最小水深，0.4-0.8m为适宜水深，得到松花江流域产黏性卵鱼类产卵期水深适宜度曲线如图1所示。而黏性卵产出后需要附着在水草、卵石上孵化，需要一定的水流保持水质和营养物输送，但流速不宜过大，因此将0.1m/s-0.2m/s作为黏性卵鱼类产卵期栖息地的适宜流速，0.5m/s为极限流速，得到松花江流域产黏性卵鱼类产卵期流速适宜度曲线如图2所示。

1.2产卵期适宜流量

在26个具有重要生态意义的河段中，共有6个河段，共9个种质资源保护区分布在松花江三大干流上，其分布位置如图3所示。其中嫩江干流2个种质资源保护区均分布在江桥至大赉河段，以嫩江出口断面大赉站作为该河段脉冲流量核算的基准断面；第二松花江1个种质资源保护区分布在松花江下游松原段，以二松出口断面扶余站作为该河段脉冲流量核算的基准断面；松花江干流6个种质资源保护区中有4个分布在三岔口至哈尔滨段，故松花江干流以哈尔滨站作为该河段脉冲流量核算的基准断面。考虑到水利工程的实际调度中，哈尔滨站的流量过程已经基本决定了松干下游木兰、佳木斯断面的流量过程，因此对于松干下游木兰段、佳木斯段的重点生态河段，不再单独开展脉冲流量的核算。

将上节建立的栖息地适宜度曲线导入phabsim模型，以50m³/s的流量间隔分别模拟二松干流松原段、嫩江干流大赉段和松花江干流下岱吉-哈尔滨段在流量递增条件下鱼类产卵期有效栖息地面积(wua)变化，得到3个河段有效栖息地面积与流量的变化关系曲线，结果如图3至图5所示。

对于第二松花江，当扶余站流量为550m³/s时，松原松花江银鯝国家级水产种质资源保护区所在河段黏性卵鱼类的有效栖息地面积最大，接近50hm²/km，以达到最大可用栖息地面积的80％作为脉冲流量取值范围，则第二松花江下游在4-5月份的脉冲流量下限值应不低于460m³/s，且峰值最好不高于680m³/s。

对于嫩江干流，当大赉站流量为450m³/s时，吉林省嫩江大安段乌苏里拟鲿、嫩江镇赉段2个国家级水产种质资源保护区所在河段黏性卵鱼类的有效栖息地面积最大，为42hm²/km，以达到最大可用栖息地面积的80％作为脉冲流量取值范围，则嫩江下游在4-5月份的脉冲流量下限值应不低于340m³/s，且峰值最好不高于500m³/s。

对于松花江干流，当哈尔滨站流量为950m³/s时，松花江宁江段、松花江肇源段花鱼骨、松花江双城段鳜银鯝、松花江肇东段4个国家级水产种质资源保护区所在河段黏性卵鱼类的有效栖息地面积最大，为51hm²/km，以达到最大可用栖息地面积的80％作为脉冲流量取值范围，则松干哈尔滨段在4-5月份的脉冲流量下限值应不低于810m³/s，且峰值最好不高于1070m³/s。

2.6-7月份适宜脉冲流量核算

2.1栖息地适宜度曲线

松花江流域6-7月份产卵的68种鱼类中，共收集到57种鱼类的产卵类型，其中28种鱼类产黏性卵，15种鱼类产漂流性卵，5种产浮性卵，4种产沉性卵，4中产卵于蚌鳃内。可见在6-7月份的产卵期，除了要考虑黏性卵鱼类的适宜产卵条件外，也要重点考虑产漂流性卵的适宜产卵场和鱼卵漂流所需水动力条件。

产漂流性鱼卵的鱼类一般均具有趋流产卵的特性，对于水深的适应范围较广，而对于流速有较高的要求。例如银鲴在产卵期分布的水深范围为20cm至2.3m，流速一般在0.6-1.1m/s；似鳊在产卵期分布的水深范围为60cm到2-3m、流速一般在0.3m/s以上。通过对产漂流性卵鱼类的综合考量，将6-7月份产漂流性卵鱼类的适宜水深确定为1m-2m，最小临界水深为0.2m，最大临界水深为3m；适宜流速确定为0.6-1.2m/s，保障鱼卵漂浮不沉底的最小临界流速为0.2m/s，考虑鱼类上溯能力，将最大临界流速定为2m/s。得到松花江流域产漂流性卵鱼类的水深、流速适宜度曲线如图6和图7所示。

2.2产卵期适宜流量

将上节建立的栖息地适宜度曲线导入phabsim模型，同样以50m³/s的流量间隔分别模拟二松干流松原段、嫩江干流大赉段和松花江干流下岱吉-哈尔滨段在流量递增条件下鱼类产卵期有效栖息地面积(wua)变化，得到3个河段在6-7月份产漂流性卵鱼类有效栖息地面积与流量的变化关系曲线，结果如图8至6-10所示。

从图8可以看出，随着第二松花江流量的增加，产漂流性卵鱼类的适宜产卵场也不断增加，但当扶余站流量超过700m³/s后，产卵场面积的增加速率显著变小，对应的漂流性卵鱼类有效栖息地面积约为44hm²/km。考虑到6-7月份除了产漂流性卵鱼类，还有大量的产黏性卵鱼类的栖息地同样需要保护，要使得产黏性卵鱼类的有效栖息地面积达到40hm²/km(最佳水平的80％)，扶余站流量范围应为460-680m³/s，在此流量区间内，产漂流性卵鱼类有效栖息地面积随流量上升而显著增加。因此，综合考虑该河段产黏性卵和漂流性卵鱼类的综合需求，将其6-7月份产卵期脉冲流量适宜值确定为680m³/s，此时产漂流性卵鱼类的适宜栖息地面积约41hm²/km，与黏性卵鱼类的栖息地面积基本相当。

从图9可以看出，随着嫩江流量的增加，由于产漂流性卵鱼类对于水深的适应范围较广，而且对于流速的有着较高的要求，因此其适宜产卵场面积随着流量的增加也在不断增加，且无明显的拐点。但考虑到同一时期产黏性卵鱼类的栖息地保护需求，要使得产黏性卵鱼类的有效栖息地面积达到34hm²/km(最佳水平的80％)，大赉站流量范围应为340-500m³/s，在此流量区间内，产漂流性卵鱼类有效栖息地面积随流量上升而显著增加。综合考虑该河段产黏性卵和漂流性卵鱼类的综合需求，将嫩江大赉段6-7月份产卵期脉冲流量适宜值确定为500m³/s，此时产漂流性卵鱼类的适宜栖息地面积约44hm²/km，已高于产黏性卵鱼类的栖息地面积，可认为满足了产漂流性卵鱼类的产卵需求。

从图10可以看出，在松花江宁江段、松花江肇源段花鱼骨、松花江双城段鳜银鯝、松花江肇东段4个国家级水产种质资源保护区所在河段，随着松花江流量的增加，产漂流性卵鱼类适宜产卵场面积不断增加，在哈尔滨站流量在1100m³/s以内时，栖息地随流量增速较快，超过1100m³/s之后，增速明显变慢。考虑到同一时期产黏性卵鱼类的栖息地保护需求，要使得产黏性卵鱼类的有效栖息地面积达到41hm²/km(最佳水平的80％)，哈尔滨站流量范围应为810-1070m³/s。而在此流量区间内，产漂流性卵鱼类有效栖息地面积随流量上升而显著增加。综合考虑该河段产黏性卵和漂流性卵鱼类的综合需求，将松花江哈尔滨段6-7月份产卵期脉冲流量适宜值确定为1070m³/s，此时产漂流性卵鱼类的适宜栖息地面积约95hm²/km，远高于产黏性卵鱼类的栖息地面积，可认为已满足了产漂流性卵鱼类的产卵需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。