梯级枢纽条件下信江下游四大家鱼繁殖期水文情势分析_张越.pdf
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1、第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 4 0 1梯级枢纽条件下信江下游四大家鱼繁殖期水文情势分析张 越1,张 洁1,毛 苇2,严如玉3,陶 艳1,凌 铭1,计 勇1(1.南昌工程学院水利与生态工程学院,江西 南昌 3 3 0 0 9 9;2.江西省高等级航道事务中心,江西 南昌 3 3 0 0 3 8;3.南昌工程
2、学院土木与建筑工程学院,江西 南昌 3 3 0 0 9 9)摘要:为探究梯级枢纽建设及运行对信江下游四大家鱼产卵场水文情势的潜在影响,选取2 1项参数建立鱼类产卵场水文评价指标体系,采用一维水动力模型分析了大溪渡产卵场河段在梯级枢纽建设前后的水文情势,并采用变动范围法分析了梯级枢纽建设前后产卵场繁殖期生态水文变化情况。结果表明,四大家鱼繁殖期流量在枢纽运行后呈下降趋势,研究区域断面流量趋于平均;高流量脉冲数量减少,降低了脉冲流量对四大家鱼产卵的刺激性信号。研究量化了信江下游梯级枢纽建设对库区内产卵场繁殖期生态水文的影响,为当地枢纽调度运行的方案设计提供科学指导。关键词:梯级枢纽;四大家鱼;繁殖
3、期;水文指标体系;信江中图分类号:TV 1 4 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 1 8-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 1,修回日期:2 0 2 2-0 8-1 2基金 项 目:江 西 省 科 技 厅 项 目(2 0 2 0 2 B B G L 7 3 0 9 4;2 0 1 8 2 B C B 2 2 0 1 3);江 西 省“双 千 计 划”资 助 项 目(J X S Q 2 0 1 9 2 0 1 0 2 1);江 西 信 江 航 运 枢 纽 工 程 项 目 科 研 课 题(2 0 1 9 C 0 0 0 3);南
4、 昌 工 程 学 院 研 究 生 创 新 计 划 项 目(Y J S C X 2 0 2 0 0 1);江西省研究生创新专项资金项目(Y C 2 0 2 0-S 6 3 1;Y C 2 0 2 1-S 8 0 7;Y C 2 0 2 1-S 8 1 2)作者简介:张越(1 9 9 7-),男,硕士研究生,研究方向为水文水资源与生态水利,E-m a i l:5 7 6 3 1 7 1 4 9q q.c o m通讯作者:张洁(1 9 8 0-),女,副教授、硕导,研究方向为水利水电工程,E-m a i l:z h a n g j i e n i t.e d u.c n1 概况信江下游梯级枢纽包含已
5、修建完成的界牌枢纽及处于修建过程中的八字嘴枢纽。其中界牌枢纽位于江西省余江县,八字嘴枢纽分为虎山咀枢纽与貊皮岭枢纽,位于余干县境内,距上游界牌枢纽4 9 k m。研究区域内四大家鱼产卵场位于大溪渡附近,产卵场断面距下游八字嘴枢纽约7.3 k m,距离上游界牌枢纽约4 1.7 k m,见图1。研究表明1信江下游鲤科鱼类占多数,主要有产漂流性卵类群与产静水粘性卵类群。水利枢纽建设人为改变天然径流情势、影响河流水文规律、破坏河湖生态系统结构和功能的完整性2。已有研究证明3水文情势的变化会在不同时空尺度上改变鱼类产卵场条件,影响其生长发育繁殖等生命过程。目前,I HA-R VA法能方便快捷评估河流生态
6、水文改变情况,该指标虽以水文数据为基础,但每项指标均有相对应的生态影响,能在水文情势评价中表达丰富的生态信息。因此,该指标体系在水文情势评价研究中应用广泛4。信江为鄱阳湖水系五大河之一,计勇等5,6对该流域的研究主要图1 研究区域水系及产卵场位置图F i g.1 D r a i n a g e d i s t r i b u t i o n a n d l o c a t i o n o f s p a w n i n g s i t e s集中在水资源承载力及水质分析等方面,未涉及当地枢纽建设对鱼类产卵场的影响,同时产卵场附近水文站缺乏长时间序列水文资料。为此,本文利用M I K E模型模拟
7、计算信江下游产卵场繁殖期生态水文指标,分析了信江下游梯级枢纽建设对四大家鱼繁殖期的影响程度,以期为当地生态环境保护及工程调度运行提供科学依据。2 研究方法第4 1卷第5期张 越等:梯级枢纽条件下信江下游四大家鱼繁殖期水文情势分析2.1 水文数据及繁殖期确定水文数据源于江西省上饶市水文局水文站实测官方 数 据,选 取 上 饶 市 余 干 县 梅 港 水 文 站1 9 5 62 0 2 0年逐日流量资料为基础水文资料。根据已有研究对信江鱼类习性的调查,参考鄱阳湖休渔期时间,同时借鉴我国大型水电站针对鱼类产卵保护的实践情况,将36月作为信江下游四大家鱼繁殖期7。2.2 生态水文指标及水文改变度计算方
8、法I HA(I n d i c a t o r s o f H y d r o l o g i c A l t e r a t i o n)指标体系将流量过程划分为五组共3 2项参数,为定量评价水文指标受干扰后的变化程度,在I HA方法基础上提出了变动范围法及改变度Di量化水利工程建设对河流水文情势的影响,常俊超8提出整体水文变化度D0量化整体水文特征的改变程度,即:D0=1nni=1D2i()0.5(1)其中Di=No i-NeNe1 0 0%(2)式中,Di为第i个I HA指标的改变度;No i、Ne分别为第i个I HA指标受干扰后的观测年数落在R VA目标阈值范围内的年数、预期数,取天然
9、水文序列中各指标2 5%7 5%区间范围作为生态水文目标上下限阈值。取3 3%、6 7%分别为低度改变、高度改变阈值,D0范围取值同Di。结合I HA指标体系中各项参数所对应的生态影响,为有效分析信江下游产卵场繁殖期水文情势变化对鱼类生命活动的影响,参考已有研究,选取与鱼类发育繁殖相关的包含月均流量、极值流量、高低脉冲流量及流量变化率四组共2 1项参数作为生态水文指标9,将分析数据限制在繁殖期内,得出信江下游梯级枢纽建设对四大家鱼的影响。2.3 模型建立、率定及验证2.3.1 模型建立利用M I K E 1 1模型模拟得到河道水动力数据,结合生态水文指标可对河道生态水文情势进行有效分析,水动力
10、模型依据一维圣维南方程组建立,连续方程、运动方程公式1 0分别为:At+Qx=qt(3)Qt+xQ2A()+g Azx+gQ|Q|C2A R=QAqt(4)式中,t为时间坐标;x为距离坐标;A为断面过水面积;Q为断面流量;Z为水位;qt为侧向入流单宽流量;g为重力加速度;C为谢才阻力系数;R为过水断面的水力半径。研究区域在模型中分别被处理为主河及东大河两条河流,支流白塔河处理为从旁侧流。模型中的水工建筑物包括上游界牌枢纽及下游八字嘴枢纽,河道断面资料采用2 0 1 6年绘制的 信江八字嘴枢纽航道库区15 0 0 0地形图,平均每2 0 0 m提取一个断面。河网概化情况见图2。3 1743 17
11、23 1703 1683 1663 1643 1623 1603 1583 1563 1543 1523 1503 1483 1463 1443 1423 1403 1383 1363 134465470475480485490495经度/103纬度/103图2 研究区域河网布置图F i g.2 R i v e r n e t w o r k l a y o u t o f t h e s t u d y a r e a2.3.2 率定与验证采用典型年份1 9 7 7、2 0 0 5年梅港站实测水位数据对模型进行率定及验证,结果见图3。由图3可知,模型模拟结果与实测数据误差在5%以内,因此所建
12、模型能准确模拟信江下游河段流量变化过程。121416182022水位/m月份模拟值实测值241235678910111121416182022241235678910111模拟值实测值月份水位/m(a)模型率定结果图(b)模型验证结果图图3 水动力模型率定及验证结果图F i g.3 C a l i b r a t i o n a n d v e r i f i c a t i o n r e s u l t o f h y d r o d y n a m i c m o d e l3 结果与讨论结合趋势检验及梯级枢纽建设时间,综合拟定2 0 0 3年 为 研 究 区 域 河 段 径 流 突 变
13、 点,取1 9 5 62 0 0 3年为枢纽建设前时期,2 0 0 42 0 2 0年为枢纽建设后时期。通过模型模拟并提取产卵场断面水文数据,计算繁殖期生态水文指标见表1。经计算,产 卵 场 繁 殖 期 整 体 水 文 变 化 程 度 为4 7.5 6%,呈中度改变。3.1 月均流量变化分析第一组指标月均流量变化情况统计了梯级枢91表1 梯级枢纽建设前后产卵场生态水文变异指标对比分析T a b.1 C o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f e c o h y d r o l o g y i n d i c a t o r s b e f o r e a
14、 n d a f t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f c a s c a d e h u b s a t s p a w n i n g g r o u n d s组别生态水文指标均值阈值枢纽建设前枢纽建设后均值偏离量/%下限上限水文改变度/%第一组指标3月月均流量6 6 45 6 5.9-1 4.8 13 4 8.69 7 9.8 2 9.4 1(L)月均流量4月月均流量1 0 0 88 1 3.4-1 9.3 25 6 7.21 4 4 9-5.8 8(L)变化情况5月月均流量1 1 4 09 2 9.1-1 8.5 15 5 4.31 7 2
15、6 1 7.6 5(L)/(m3s-1)6月月均流量1 4 8 21 5 0 31.4 1 75 0 4.52 4 6 06 4.7 1(M)第二组指标 最小1 d流量1 5 01 8 7.12 4.7 37 3.8 2 2 6.1 6 4.7 1(M)极端流量最小3 d流量1 5 8.92 0 1.62 6.8 27 9.9 2 3 8.0 4 1.1 8(M)变化情况最小7 d流量1 8 2.12 2 1.72 1.7 88 8.0 2 7 6.1 5 2.9 4(M)/(m3s-1)最小3 0 d流量2 7 23 3 4.62 3.0 11 1 9.7 4 2 4.3 4 1.1 8(M
16、)最小9 0 流量4 1 4.94 5 1.38.7 7 52 0 6.5 6 2 3.3 7 6.4 7(H)最大1 d流量6 1 0 55 2 7 8-1 3.5 5 3 6 5 9.0 8 5 5 1.0 6 4.7 1(M)最大3 d流量5 1 8 74 5 6 3-1 2.0 3 2 8 9 1.0 7 4 8 3.0 5 2.9 4(M)最大7 d流量3 9 9 03 3 5 8-1 5.8 4 2 0 8 0.0 5 9 0 1.0 5 2.9 4(M)最大3 0 d流量2 4 3 32 1 2 6-1 2.6 4 1 2 0 2.0 3 6 6 5.0 1 7.6 5(L)最大
17、9 0 d流量1 7 8 21 6 5 6-7.0 6 1 0 4 5.0 2 8 5 6.0 7 6.4 7(H)第三组指标 低脉冲数量/次4.7 7 14.8 2 41.1 12.7 6.9 1 7.6 5(L)流量脉冲低脉冲历时/d1 7.5 81 1.1 1-3 6.8 44.3 3 5.2 2 9.4 1(L)变化情况高脉冲数量/次4.7 0 84.5 2 9-3.82.1 7.4 2 9.4 1(L)高脉冲历时/d8.9 6 87.9 7 5-1 1.0 82.5 2 2.1 1 7.6 5(L)第四组指标 涨幅率3 8 0.42 7 8.6-2 6.7 61 5 0.1 6 1
18、0.6 4 1.1 8(M)流量变化率 降幅率-9 4.1 8-8 0.4-1 4.6 3-1 4 4.7-4 3.6 7 6.4 7(H)及频率逆转次数/次3 8.2 34 1.4 18.3 2 53 2.5 4 4.0 5.8 8(L)注:涨幅率、降幅率单位均为m3/s/d。纽建设前后信江下游四大家鱼繁殖期(36月)的平均流量,该流量为水生生物提供栖息地,影响水温、溶解氧及光合作用等。流量变化改变了鱼类栖息地面积,很大程度影响其产卵数量及分布,适当的流量过程是保证鱼卵漂浮的重要条件1 1,因此枢纽建设对河道繁殖期流量大小的改变将直接影响四大家鱼产卵条件及鱼卵存活度。由表1可知,枢纽建设后信
19、江产卵场断面处6月月均流量变化不大,其余月份流量均有不同程度下降,其中4月月均流量下降1 9.3 2%,均值偏离量最大。图4为梯级枢纽建设前后繁殖期月均流量变化图。由图4可知,枢纽建设后35月月均值流量落入生态水文目标阈值内的年份与预期数量接近,均发生轻度改变,而6月均值流量呈中度改变。造成这一现象的主要原因是上游枢纽蓄水发电及提高通航需求,降低下游流量,恶化了产卵条件。同时月均流量的下降也间接改变了溶解氧、水温等鱼类产卵的关键因子,对水生生物栖息地蓄水及生物迁移造成影响。3.2 极端流量变化分析第二组指标极端流量变化情况统计了梯级枢纽建设前后产卵场36月中最小及最大1、3、7、3 0、9 0
20、 d平均流量。由表1可知,信江下游河段四大家鱼产卵场断面年均最小流量在枢纽建设运行的影响下均呈上升趋势,最大流量均有所下降,7项指标达到中度变化。极端流量整体变化显著,02004006008001 0001 2001 4001 600枢纽建设前枢纽建设后下限阈值上限阈值20202000 20101980 19901970196003006009001 2001 5001 8002 1002 40020202000 20101980 19901970196004008001 2001 6002 0002 4002 80020202000 20101980 19901970196008001 60
21、02 4003 2004 0004 8005 60020202000 20101980 199019701960流量/(m.s)3-1流量/(m.s)3-1枢纽建设前枢纽建设后下限阈值上限阈值(a)3月月均流量(b)4月月均流量年份年份枢纽建设前枢纽建设后下限阈值上限阈值枢纽建设前枢纽建设后下限阈值上限阈值流量/(m.s)3-1流量/(m.s)3-1(c)5月月均流量(d)6月月均流量年份年份图4 梯级枢纽建设前后繁殖期月均流量变化图F i g.4 V a r i a t i o n a v e r a g e f l o w d u r i n g s p a w n i n g p e r
22、 i o d b e f o r e a n d a f t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f c a s c a d e j u n c t i o n原因是枢纽建设及水库的调度运行使库区河段各时期流量趋于平均,该变化弱化了产生脉冲流量的条件,影响其繁殖发育。极端水文事件对河流及洪泛区的结构及功能有重要的调节作用,影响生物竞争的平衡。受水库“蓄洪补枯”作用的影响,水利枢纽的建设会显著改变河道极端流量大小。陈昌春等1 2应用低流量范围标准揭示了赣江流域枢纽建设后多项极端流量指标发生高度改变的情况,为当地水库生态调度提供参考。产漂流性卵鱼类产卵区域流速需
23、维持在“腰点”范围内,保证鱼卵及鱼苗不下沉,因此分析产卵场产卵期最小流量变化情况是判断当地鱼卵能否存活的重要依据。3.3 流量脉冲变化分析第三组指标流量脉冲变化情况包括繁殖期高、低流量发生次数及平均历时。由表1可知,信江下游梯级枢纽建设后研究区域低脉冲历时、高脉冲数量及历时均有减小,图5为梯级枢纽建设前后流量脉冲变化图。由图5可知,枢纽建设后繁殖期内低流量脉冲数量变幅加大,分析原因为枢纽配套电站开关机时产生发电流量,造成河道下游发生低流量程度的陡升陡降。四项指标呈轻度改变,但枢纽建设产生的削峰补枯作用使产卵场断面流量脉冲情况整体呈弱化趋势,降低了流量脉冲事件发生的频率,影响四大家鱼产卵行为。低
24、流量构成水生生物群落基本的限制;高流量则为鱼类及其他水生生物提供更多进入上游或下游区域的通道。赵越等1 3通过生态流组法分析四大家鱼繁殖期生态水文事件的组成,证明了流量脉冲的洪峰过程会刺激四大家鱼的排卵受精活动,是其繁殖发育的重要影响因素。参考方春林等1 4对信江流域鱼类资源调查情况可知枢纽建设前信江流域鱼类资源丰富,2 0 1 3年监测出鱼02水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期张 越等:梯级枢纽条件下信江下游四大家鱼繁殖期水文情势分析02468101214年份枢纽建设前枢纽建设后下限阈值上限阈值次数/次20202000 20101980 199019701960010
25、2030405060708022.54720.1311.554.247.23.2518.33159.26.434.673.8574.52.33335.521.43210.883026.7514.550.334.92263.88971121.4347.534.3339.53.286754.3336.758.251052.673.833319.675.5713.66712410.34.255.7527.7144.220.214.52.5620.519.6715.678.818310.63年份持续时间/d20202000 20101980 19901970196002468101214次数/次202
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