环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (5): 1129-1139  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.03.46

引用本文  

徐薇, 杨志, 陈小娟, 等. 三峡水库生态调度试验对四大家鱼产卵的影响分析[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1129-1139.
XU Wei, YANG Zhi, CHEN Xiaojuan, et al. Three Gorges Reservoir Ecological Operation Effect on the Spawning of the Four Major Chinese Carps[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(5): 1129-1139.

基金项目

国家重点研发计划项目(No.2016YFC0402204);国家自然科学基金项目(No.51609156,51679152)
National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0402204); National Natural Science Foundation of China (No.51609156, 51679152)

责任作者

李键庸(1962-), 男, 安徽无为人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水文水资源及水生态保护研究, lijianyong@mail.ihe.ac.cn.

作者简介

徐薇(1984-), 女, 湖北仙桃人, 副研究员, 硕士, 主要从事鱼类生态学及生态调度研究, betty3115@126.com

文章历史

收稿日期:2020-02-05
修订日期:2020-03-29
三峡水库生态调度试验对四大家鱼产卵的影响分析
徐薇, 杨志, 陈小娟, 陶江平, 潘晓洁, 李键庸    
水利部中国科学院水工程生态研究所, 水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室, 湖北省水生态保护与修复工程技术研究中心, 湖北 武汉 430079
摘要:2011年以来,三峡水库持续开展了促进长江中游四大家鱼产卵的生态调度试验.采用鱼类早期资源调查方法研究了三峡水库生态调度实施以来四大家鱼自然繁殖、水文环境要素的年际变化特征,采用系统重构方法分析了四大家鱼自然繁殖的关键生态水文要素,提出了宜昌江段涨水过程的生态调度优化条件.结果表明:①2012—2018年三峡水库共开展了11次生态调度试验,生态调度使得宜昌江段持续涨水时间范围为2~9 d,水位日均涨幅范围为0.43~1.83 m,流量日均增幅范围为1 080~5 800 m3/s,起始水温范围为17.5~23.5℃.②沙市江段监测到四大家鱼鱼卵时的水温分布范围为19.2~25.5℃、平均值为22.5℃,流量分布范围为11 000~33 600 m3/s、平均值为16 890 m3/s;水温平均值在各年份间没有显著性差异,流量平均值在各年份间有显著性差异.③沙市江段四大家鱼鱼卵组成以草鱼和鲢为主,二者年均产卵量约占总产卵量的85%,青鱼和鳙年均产卵量约占总产卵量的15%.除2016年外,生态调度期间四大家鱼的产卵量占监测期间四大家鱼总产卵量的比例较大,变动范围为31.90%~66.58%.生态调度期间,四大家鱼自然繁殖性能普遍好于非生态调度时期,表现为产卵持续时间更长、产卵场范围更广、单次洪峰的产卵规模更大,证实了实施生态调度的有效性.④持续涨水天数、初始水位和产卵时序是影响2012—2018年宜昌至沙市江段四大家鱼产卵量的重要生态水文参数.⑤为增加宜昌至沙市江段四大家鱼产卵量,宜昌江段需满足的水文条件为断面初始流量达14 000 m3/s,持续涨水4 d以上,水位日涨幅平均大于0.5 m,流量日增幅平均大于2 000 m3/s,与前一次洪峰的间隔时间在5 d以上.研究显示,三峡水库连续实施生态调度对近年来长江中游四大家鱼的种群恢复起到了一定的作用,未来应将建模和监测手段整合到生态调度试验中以分析长期的生态响应,并建立一套科学的生态调度效果评价体系来评价流量调节对四大家鱼产卵活动的影响.
关键词四大家鱼    产卵量    生态水文指标    三峡水库    生态调度    
Three Gorges Reservoir Ecological Operation Effect on the Spawning of the Four Major Chinese Carps
XU Wei, YANG Zhi, CHEN Xiaojuan, TAO Jiangping, PAN Xiaojie, LI Jianyong    
Hubei Engineering Research Center of Hydroecology Protection and Restoration, Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources, Institute of Hydroecology, Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430079, China
Abstract: Since 2011, ecological operation tests of the Three Gorges Reservoir (TGR) have been continuously conducted to improve the spawning quantity of the four major Chinese carps (FMCC) below the Gezhouba Dam. This study evaluated the interannual variations of the spawning quantity of FMCC and the hydrological and environmental factors using an early fish resource investigation, and analyzed the key eco-hydrological factors affecting the spawning quantity of FMCC using a system reconstruction method. Based on the results of the system reconstruction, the flood process in the Yichang River Section was optimized for TGR ecological operation. The results show that: (1) A total of 11 ecological operation tests were carried out during the period of 2012-2018. As a result of ecological scheduling, the water level in the Yichang River Section continued to rise for 2 to 9 days. In these flood courses, the average daily rise of water level ranged from 0.43 m to 1.83 m, the average daily increase of flow ranged from 1, 080 m3/s to 5, 800 m3/s, and the initial water temperature ranged from 17.5 ℃ to 23.5 ℃. (2) When the FMCC eggs were collected, the water temperature ranged from 19.2 ℃ to 25.5 ℃, with an average value of 22.5 ℃, and the flow distribution range was 11, 000-33, 600 m3/s, with an average value of 16, 890 m3/s; There was no significant difference in the water temperature between years, whereas significant difference in river flow between years could be detected. (3) Grass carp and Silver carp were dominant species in egg composition of FMCC, accounting for about 85% of the annual average spawning quantity of four carps, and Black carp and Bighead carp accounted for about 15%. Except for 2016, the spawning quantity of FMCC during ecological scheduling period accounted for a large proportion of that during monitoring period, with a range from 31.90% to 66.58%. During the periods of the TGR ecological operation, the FMCC showed a longer spawning duration, a wider distribution of spawning grounds, and a larger spawning scale at a single flood course. (4) The number of days for continuous water rise, initial water level and spawning date batch were important eco-hydrological parameters affecting the spawning scale of FMCC in the Yichang-Shashi River Section from 2012 to 2018. (5) In order to improve the spawning quantity of FMCC in the section from Yichang to Shashi, the hydrological conditions of the Yichang River Section should meet following conditions: the initial flow of the section is above 14, 000 m3/s, the water level continues to rise for more than 4 days, the daily average water level rises more than 0.50 m, the daily average flow increases by more than 2, 000 m3/s, and the time interval from the last flood peak is more than 5 days. The research shows that the continuous implementation of the TGR ecological operation has played a certain role in the population restoration of the FMCC in the middle reaches of the Yangtze River in recent years. Future research should be focus on integrating modeling and monitoring methods into the flow regulation experiments to analyze the long-term ecological responses and establish a set of scientific evaluation system to estimate the effect of flow regulation on the FMCC spawning activities.
Keywords: the four major Chinese carps    spawning quantity    eco-hydrological parameters    the Three Gorges Reservoir    ecological operation    

水库调度导致流量变异性降低,抑制流量峰值,增加短脉冲洪水的频率[1],对许多产漂流性卵鱼类的产卵活动造成了明显的影响[2].以兴利和防洪为主的传统水库调度已逐步转向生态调度,即将各生态因子纳入到传统水库调度中,旨在恢复和维系河流生态系统[3].目前,国内尤其是在长江流域通过水库调度促进重要鱼类自然繁殖已成为生态调度的主要目标,对于水生生物资源保护具有十分重要的意义.

我国特有的产漂流性卵的典型鱼类有草鱼(Ctenopharyngodon idellus)、青鱼(Mylopharyngodon piceus)、鲢(Hypophthalmichthys molitrix)和鳙(Aristichthys nobilis),被合称为四大家鱼.四大家鱼是长江水系鱼类资源的重要组成部分,也是长江中游江湖洄游性鱼类的代表,长江宜昌至城陵矶江段是四大家鱼最主要的繁殖栖息地[4].以往对四大家鱼自然繁殖的水文水力学条件开展了大量的研究,发现除水温之外,合适的涨水条件是刺激产卵的一个必要因素,与其他产漂流性卵鱼类相比,四大家鱼在涨水时期内发生产卵的次数和天数相对较少,其对水文条件的要求相对较高[5]. 20世纪50年代提出了三峡工程对长江四大家鱼资源影响的问题,随后在三峡工程论证、建设和运行阶段,四大家鱼也是关注和研究的焦点.三峡工程建设运行前后大量研究[6-10]表明,四大家鱼繁殖规模的减少与三峡大坝蓄水运行引起的宜昌江段水温、水文情势变化密切相关,水温变化导致了四大家鱼繁殖时间推迟,水文情势变化导致了繁殖水文条件恶化,繁殖规模下降. 2010年三峡工程首次蓄水至175 m正常蓄水位,针对四大家鱼自然繁殖状况堪忧的现实,在2011年6月首次开展了针对四大家鱼自然繁殖的三峡水库生态调度试验,为促进长江中游四大家鱼资源的恢复迈出了重要一步.此后,每年5—6月持续实施三峡水库生态调度试验和效果监测工作,不断积累了调度经验和监测成果.

为评估三峡水库生态调度试验效果,水利部中国科学院水工程生态研究所在长江中游沙市江段设点开展了持续的监测调查工作,目前已经积累了2011—2018年较长时间序列的鱼类早期资源、水文环境要素等监测数据.该研究着重从生态调度期间四大家鱼繁殖、水文环境要素动态变化,以及四大家鱼自然繁殖对生态调度水文过程响应等方面,对三峡水库生态调度试验成果进行总结,对生态调度试验效果进行初步分析,进而提出三峡水库生态调度试验方案的优化建议.

1 材料与方法 1.1 研究区域

长江中游沙市江段距上游的葛洲坝枢纽约150 km,距三峡大坝约188 km.宜昌至沙市江段有顺直河道、弯曲河道以及沙洲等不同的生境类型,历史上有多个四大家鱼的产卵场分布.由图 1可见,鱼类早期资源固定采样点选在长江中游荆州沙市区荆江水文趸船,该点位于地处长江北岸的主泓一侧,距岸边约100 m (30°18′52.58″N、112°13′45.03″E),该处位于沙市水文站附近.鱼卵汛高峰时期的断面采样位置为覆盖固定采样点所在的河道断面.

图 1 长江中游采样站点及断面示意图 Fig.1 Sampling area and transaction sites in the Middle Yangtze River
1.2 三峡水库生态调度实施过程

表 1可见,2012—2018年三峡水库共实施了11次生态调度试验,2012年、2015年、2017年、2018年均为2次,2013年、2014年、2016年均为1次.其中,2017年5月首次开展了溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合生态调度试验,向家坝水库和三峡水库同步开始加大出库流量,以满足生态调度试验要求.

表 1 2012—2018年三峡水库生态调度实施情况 Table 1 Implementation of ecological operation by TGR from 2012 to 2018

根据实际调度情况统计,生态调度时间集中在5月下旬至6月下旬,三峡出库起始流量介于6 200~14 600 m3/s之间,出库流量日增幅介于1 050~3 130 m3/s之间(见表 1).生态调度期间宜昌江段持续涨水时间范围2~9 d,水位日均涨幅范围0.43~1.83 m,流量日均增幅范围1 080~5 800 m3/s,调度起始时水温范围17.5~23.5 ℃,调度时宜昌江段水温除2013年未达到18 ℃ (但沙市江段已达到)外,其余年份的水温都介于四大家鱼自然繁殖适宜范围(20~24 ℃).

1.3 采样方法

采样时间为2011—2018年每年5月中旬至7月中旬,不同年份中的采样起始时间略有差异,但都保证持续采样60 d左右,因2011年只采样1个月,所以未纳入分析.

采用弶网进行表层定性采集,网口呈半圆形,网口直径1.01 m,网长2 m,网口面积0.4 m2,网眼40目(425 μm).集苗网箱长为40 cm,宽、高均为30 cm,通过矩形木框支撑成长方体形状,网箱的上部不封口,便于收集鱼卵和仔鱼,网箱的近底部开一个椭圆形口,用于与弶网连接.圆锥网进行表、中、底不同水层及断面定量采集,网口呈圆形,网口直径0.35 m.采样频次为每天早上(07:00—08:00)、中午(12:00—13:00)、晚上(18:00—19:00)3个时段,每个时段的下网时间为10~30 min不等.此外,在卵汛时段进行断面采集2~3次,设置左岸(A)、左中(B)、江心(C)、右中(D)、右岸(E)5个采样点,各采样点采集表层(A1~E1)、中层(A2~E2)、底层(A3~E3)3个水层的样品(见图 1).

采集过程中,通过前置的流速仪测定网口流速,以计算滤过的流量;同时测定当时的水温、溶解氧、透明度等指标.采集江段的实时水文数据从水利部发布的全国水雨情信息网(http://xxfb.mwr.cn)获取.

采集到的鱼卵首先在双筒解剖镜下进行观察,依据卵径、外形和色素分布等典型特征初步鉴定,并记录发育期和主要性状.无法鉴定的鱼卵进行室内培养,一般培养1周左右(发育至鳔充气期),然后用配置的5%~7%福尔马林溶液保存.采样结束后,所有样品在实验室内做进一步鉴定和校核[11].

1.4 统计方法 1.4.1 四大家鱼自然繁殖估算方法

网口单位时间的卵苗密度:

$ d=n /(S \times V \times t) $ (1)

式中:d为卵苗单位时间进网密度,个/m3S为网口面积,m2V为网口流速,m/s;n为采集时段内进网卵苗数,个;t为采集时间,s.

断面卵苗平均密度与定点卵苗密度相比系数:

$ C=\frac{\sum\limits_{j=1}^{15} \bar{d}_{j}}{d_{1}} $ (2)

式中:C为卵苗平均密度相比系数;d1为固定采样点(A1)的卵苗密度,个/m3$\bar{d}_{j} $为断面各采样点卵苗的平均密度,个/m3.

采集期间卵苗径流量:

$ M_{i}=d_{i} \times Q_{i} \times C \times t_{i} $ (3)

式中:Mi为第i次采集时段内通过该江断面的卵苗径流量,个;di为第i次采集的卵苗密度,个/m3Qi为第i次采集时的断面流量,m3/s;ti为第i次采集时间,s.

非采集期间卵苗径流量,用相邻两次采集的径流量及其间隔时间进行插补计算:

$ M_{i, i+1}=\left(M_{i} / t_{i}+M_{i+1} / t_{i+1}\right) \times t_{i, i+1} / 2 $ (4)

式中:Mi, i+1为第ii+1次采集时间间隔内的卵苗径流量,个;ti, i+1为第ii+1次采集时间间隔,s.

调查期间采集江段的卵苗总径流量:

$ M=\sum\limits_{i=1}^{359} M_{i}+\sum\limits_{i=1}^{359} M_{i, i+1} $ (5)
1.4.2 水文要素统计方法

采用ZHANG等[12]提出的要素-准则系统重构分析方法将一个洪水过程分解为不同的要素(见图 2),选取苗汛洪峰过程的9个生态水文指标,包括洪峰初始水位(V1)、水位日上涨率(V2)、断面初始流量(V3)、流量日增长率(V4)、涨水持续时间(V5)、前后两个洪峰过程的间隔时间(V6)、前后两个洪峰过程的水位差异(V7),起始产卵距5月1日的时间(V8)和卵汛时序(V9).将上述9个生态水文指标作为状态变量,将单次洪峰过程的四大家鱼鱼卵径流量作为因变量,采用系统重构分析软件GeneRec2002对影响四大家鱼产卵规模大小的生态水文要素进行定量分析.

图 2 洪峰过程的水文参数分解 Fig.2 Hydrological indexes by flood process decomposition
1.4.3 数理统计方法

采用单因素方差分析和中位数分析比较各年份采集到四大家鱼鱼卵时的水温和流量平均值的差异,所有统计分析在R软件(R Development Core Team, 2018)和Microsoft Excel 2007软件中进行.

2 结果与分析 2.1 生态调度期水文环境要素年际变化 2.1.1 水温

图 3可见,2012—2018年监测期间,沙市采样点监测到四大家鱼鱼卵时的水温分布范围为19.2~25.5 ℃,平均值为22.5 ℃,其中,2013年水温的分布范围最宽,2015年水温的分布范围最窄,日均水温以2017年最高、2013年最低.单因素方差分析表明,各年采集到四大家鱼鱼卵时的水温平均值在统计学上差异不显著(F=1.452,P=0.198);中位数分析结果表明,在统计学上监测到四大家鱼鱼卵时的水温中位数在各年间也没有显著差异(χ2=5.375,P=0.499).由于沙市采样点观测的是近岸水温,较断面平均水温可能稍有偏高.综上,每年采集家鱼卵的时间正处于四大家鱼自然繁殖的最适水温范围(20~24 ℃).

图 3 2012—2018年采集到四大家鱼鱼卵时的水温分布 Fig.3 Distribution of water temperature when four major Chinese carps (FMCC) eggs monitored from 2012 to 2018
2.1.2 流量

图 4可见,2012—2018年监测期间,沙市采样点监测到四大家鱼鱼卵时的流量分布范围为11 000~ 33 600 m3/s,平均值为16 890 m3/s,其中,2018年流量的分布范围最宽,2013年流量的分布范围最窄,日平均流量以2016年最高(19 250 m3/s)、2013年最低(14 720 m3/s).单因素方差分析表明,各年间采集到四大家鱼鱼卵时的流量平均值在统计学上差异显著(F=2.779,P=0.014);而中位数分析结果表明,在统计学上监测到四大家鱼鱼卵时的流量中位数在各年间没有显著性差异(χ2=11.864,P=0.065).

图 4 2012—2018年采集到四大家鱼鱼卵时的流量分布 Fig.4 Distribution of water runoff when FMCC eggs monitored from 2012 to 2018
2.2 生态调度期四大家鱼产卵规模年际变化 2.2.1 四大家鱼总鱼卵量

图 5可见:2012—2018年,监测期间四大家鱼的产卵规模(鱼卵径流量)呈先减少后逐年上升的趋势,其中,在2016年达峰值,随后在2017年显著降至2014年产卵规模.生态调度期间,四大家鱼的产卵规模在2013年显著下降,随后在各年间大致相等(除2016年以外);非生态调度期间,四大家鱼产卵规模的年际变动趋势与整个监测期间四大家鱼产卵规模的年际变动趋势相同.另外,生态调度期间四大家鱼的产卵规模占监测期间四大家鱼总产卵规模的比例以2012年最大(66.58%),2017年次之(59.94%).除2016年以外,生态调度期间四大家鱼的产卵规模占监测期间四大家鱼总产卵规模的比例较大,变动范围为31.90%~66.58%.四大家鱼产卵规模的年际波动,一方面与每年参与繁殖的群体数量和质量以及水温和水文等环境要素的变化有关,另一方面受到鱼卵的采集效率、孵化存活率、鉴定准确率等方面的影响.

图 5 2012—2018年不同调度期间沙市断面四大家鱼的鱼卵径流量水平及占比 Fig.5 Egg runoff and its proportion of FMCC during different operation periods from 2012 to 2018
2.2.2 不同种类家鱼鱼卵量

图 6可见:不同种类家鱼的鱼卵径流量在各年份间呈不规则波动变化.除2015年、2016年以外,草鱼和鲢的鱼卵径流量在不同年份的变化趋势基本一致;青鱼和鳙的鱼卵径流量在不同年份的变化趋势基本一致.统计四种鱼在各年份的鱼卵径流量占比发现,草鱼、鲢、青鱼、鳙鱼卵径流量占比分别为38.5%~ 68.8%、22.2%~53.8%、0.6%~20.7%、0.2%~18.4%.沙市江段四大家鱼组成一直以草鱼和鲢为主,二者年均产卵量约占总产卵量的85%,青鱼和鳙年均产卵量约占总产卵量的15%.此外,四大家鱼种类组成比例变动较大的年份(2015年、2016年)与生态调度期四大家鱼卵径流量占比较小的年份保持一致,初步表明生态调度水文过程的差异性可能对不同种类家鱼的作用效果不同,这有待今后进一步分析.

图 6 2012—2018年不同家鱼鱼卵径流量及生态调度期四大家鱼鱼卵径流量占比 Fig.6 Egg runoff of different carps and proportion in ecological operation from 2012 to 2018
2.3 三峡水库生态调度试验效果分析 2.3.1 四大家鱼自然繁殖对三峡生态调度的响应

从四大家鱼繁殖响应时间来看,在生态调度后的1~3 d,宜都至沙市江段的四大家鱼就陆续开始产卵.但2013年,三峡水库调度持续加大泄流6 d后沙市断面才出现卵汛,四大家鱼繁殖的响应时间较长,推测可能由于此次调度开始时间较早,沙市断面温度刚达到18 ℃,而宜都断面尚未达到18 ℃,江水的流量和水温不足以刺激四大家鱼大规模繁殖.

根据历年沙市断面四大家鱼鱼卵密度与枝城水文站水位变化的响应关系得出,每年在5月中旬至7月上旬,只要有明显的涨水过程都能监测到四大家鱼产卵活动,而持续退水过程中几乎都没有家鱼繁殖.图 7为四大家鱼繁殖对三峡生态调度响应情况较好的年份(2012年、2017年),单日最大鱼卵密度均出现在生态调度的人造洪峰过程,初步表明生态调度的实施能够促进四大家鱼大规模繁殖发生.

注:EO代表生态调度期间, 其余时段为非生态调度期间. 图 7 2012年和2017年四大家鱼鱼卵密度与水位变化响应关系 Fig.7 Relationship of FMCC egg density and water level in 2012 and 2017
2.3.2 生态调度与非调度期间四大家鱼繁殖性能比较

为进一步评估生态调度的有效性,选取了3个能够表征四大家鱼繁殖性能的参数,分别为产卵持续时间、产卵场范围、产卵规模,通过比较生态调度洪峰与非生态调度洪峰两种调度模式下四大家鱼繁殖性能参数(平均值和范围)来综合评估生态调度的实施效果.

2012—2018年,沙市断面共有28个产卵规模在1 000×104粒以上的繁殖事件,其中包括9次生态调度洪峰过程和19次非生态调度洪峰过程.通过比较繁殖性能参发现,生态调度下四大家鱼繁殖状况普遍好于非生态调度,表现为繁殖持续时间更长、产卵场延伸范围更广、单次洪峰的产卵规模更大(见表 2),证实了实施生态调度对四大家鱼自然繁殖是有效果的.

表 2 两种调度洪峰模式下四大家鱼繁殖性能比较 Table 2 Comparison of reproduction performance in FMCC between ecological operation and routine operation
2.4 四大家鱼自然繁殖的水文需求分析

选取四大家鱼自然繁殖状况较好的年份(2012年、2016年、2017年、2018年)中历次洪峰过程促发四大家鱼繁殖的水文参数(枝城站水文数据)以及对应的鱼卵径流量作为建模数据,根据因素和等级的重要程度排序得出,持续涨水时间、初始水位、产卵时序排在重要等级的前三位(见表 3),是影响四大家鱼自然繁殖规模比较重要的生态水文指标.

表 3 洪峰过程参数影响四大家鱼繁殖的系统重构分析结果 Table 3 System reconstruction analysis of flood-process hydrological indexes influencing the reproduction of FMCC

表 3可见,根据系统重构分析结果将枝城水文站需要满足的关键水文参数推算到宜昌水文站得出,宜昌水文站引起四大家鱼较大产卵规模的水文需求范围为持续涨水时间>4 d、初始水位>44 m、前后洪峰水位差>1.4 m、初始流量>14 000 m3/s、前后洪峰间隔时间>5 d、水位日上涨率>0.54 m、流量日上涨率>2 200 m3/s.

3 讨论 3.1 长江中游四大家鱼自然繁殖动态

历史上对长江干流四大家鱼自然繁殖状况的调查研究主要包括4个阶段,分别为摸清本底阶段(20世纪60年代)、葛洲坝影响评估阶段(20世纪80年代)、三峡工程建设和蓄水期影响评估阶段(1997—2010年)、三峡工程生态调度以来监测评估阶段(2011年至今).对宜昌江段[7]、监利江段[13-14]自然繁殖状况变化的报道较多,均得出20世纪60年代以来长江中游干流的四大家鱼繁殖规模在持续下降,而在三峡工程蓄水运行期间,四大家鱼自然繁殖规模下降的趋势仍在加剧[15].沙市江段位于宜昌和监利之间,与宜昌、监利江段的变化趋势基本一致. 1964年、1965年枝城至沙市江段四大家鱼产卵量分别为73.64×108、76.33×108[4];1981年、1986年枝江至沙市江段产卵量分别为30.8×108、11.76×108[16-17];该研究发现,2012—2018年沙市断面四大家鱼产卵量范围为1.16×108~6.10×108个,年均值为3.01×108个.但由于缺乏三峡建设及蓄水期该江段的产卵量数据,故无法掌握生态调度实施前后该江段资源量变化情况.

根据中华鲟研究所在宜都断面以及长江水产研究所在监利断面的监测数据,发现2011—2019年三峡水库生态调度期间,四大家鱼早期资源量总体呈增加趋势,这是三峡水库蓄水运行以来首次出现四大家鱼繁殖规模上升,其可能与近年来实施了加强禁捕、四大家鱼亲本放流以及三峡水库针对四大家鱼自然繁殖的生态调度试验等综合性保护措施有关.

3.2 三峡水库生态调度的水文条件

不同研究中以历史宜昌水文站数据为依据给出了三峡生态调度人造洪峰条件(见表 4),其中,开展生态调度的时间为5—7月,涉及的参数包括水位日涨幅、流量日增幅、涨水持续时间、涨水次数、两次洪水间隔时间等[18-23].

表 4 不同研究中宜昌江段生态调度水文条件 Table 4 Hydrological demands in Yichang River Section proposed by different researchers

此外,中国科学院水生生物研究所基于2005—2010年宜都断面鱼类早期资源和水文环境因子的综合分析,提出三峡水库生态调度应满足宜昌江段水位日涨幅平均大于0.55 m[24];中华鲟研究所基于生态调度实施后宜都断面鱼类早期资源和水文数据,得出三峡水库生态调度应满足宜昌江段流量范围在10 000~25 000 m3/s之间,持续4 d及以上涨水过程,日均流量增加2 000 m3/s以上.

表 4所示:该研究与马超等[23]研究结果及中华鲟研究所的研究结果较为接近,提出的各指标均为下限值,对生态调度的指导性更强;此外,该研究得出持续涨水时间、初始水位、产卵时序是影响四大家鱼繁殖规模的重要指标.持续涨水天数反映了洪峰过程的持续性,一般持续涨水时间越长,繁殖规模就越大;初始水位表明促发家鱼产卵需要一定的流量条件,初始流量越高时,促发产卵时间越短[25];产卵时序代表了四大家鱼产卵高峰出现时间.初始水位、产卵时序两个指标可以用来确定开展生态调度的时机.

3.3 水文调节对鱼类产卵繁殖的影响

1982年Junk[26]首次提出了生态洪水脉冲的概念,其关注水文情势特别是水位涨落过程对生物过程的影响,如河流鱼类可以通过水文情势的丰枯变化完成产卵、孵化、迁徙等生命活动,洪水的发生时机和持续时间是很多鱼类完成生活史的必要条件. 20世纪70年代以来,拦河筑坝导致河流丧失了天然水文情势,由此引发的生态问题受到普遍关注,一些国家开展了环境流量研究,进而采取了水库生态调度措施.如美国在多个河流开展了改进大坝调度方式的试验来满足重要或土著鱼类的产卵、寻址需求[27].南非Clanwilliam大坝通过调整10月—翌年1月黄花鱼产卵期的下泄流量方式,人为制造洪水来增加鱼类的产卵量,同时考虑了水温对鱼类产卵的影响[28].澳大利亚在Murray-Darling流域实施了一系列针对本土鱼类繁殖保护的环境流管理措施,并通过改变大坝下泻流量试验、监测鱼类繁殖和早期资源响应状况来评估环境流的有效性[29-30].国内针对如何优化改进三峡工程的调控模式以适应坝下鱼类(如四大家鱼、中华鲟)的繁殖需求开展了大量且系统的研究,为针对四大家鱼自然繁殖的生态调度实践奠定了重要基础.涨水过程的刺激是促使四大家鱼自然繁殖的必要条件,近年来通过不断优化三峡水库调度方式,在四大家鱼繁殖时期营造持续几天的洪峰过程是可行的,初步监测结果表明生态调度取得了一定的效果[25, 31].该研究进一步探讨了较长时间序列下四大家鱼自然繁殖动态变化及其对三峡生态调度的响应,尝试建立鱼类繁殖规模与水文要素的定量关系模型.该研究的不足之处在于,由于不清楚未实施生态调度时四大家鱼的自然繁殖状况,且每年四大家鱼的繁殖还受到水温情势、繁殖亲鱼数量、性腺发育状况等多种因素的影响,仅通过比较几个繁殖性能参数来评估生态调度的效果,其结果有待商榷.今后研究的重点应该将建模和监测手段整合到生态调度试验中以分析长期的生态响应,以及建立一套科学的生态调度效果评价体系来评价流量调节对四大家鱼产卵活动的影响.

4 结论

a) 2012—2018年三峡水库共开展了11次生态调度试验,生态调度使得宜昌江段持续涨水时间范围为2~9 d,水位日均涨幅范围为0.43~1.83 m、流量日均增幅范围为1 080~5 800 m3/s,起始水温范围为17.5~23.5 ℃.沙市江段监测到四大家鱼鱼卵时的水温分布范围为19.2~25.5 ℃、平均值为22.5 ℃,流量分布范围为11 000~33 600 m3/s、平均值为16 890 m3/s.水温平均值在各年份间没有显著性差异,流量平均值在各年份间有显著性差异.

b) 沙市江段四大家鱼鱼卵组成以草鱼和鲢为主,二者年均产卵量约占总产卵量的85%,青鱼和鳙年均产卵量约占总产卵量的15%.除2016年以外,生态调度期间四大家鱼的产卵规模占监测期间四大家鱼总产卵规模的比例较大,变动范围为31.90%~ 66.58%.生态调度条件下四大家鱼自然繁殖性能普遍好于非生态调度条件,表现为产卵持续时间更长、产卵场范围更广、单次洪峰的产卵规模更大,证实了实施生态调度的有效性.

c) 持续涨水天数、初始水位和产卵时序是影响2012—2018年宜昌至沙市江段四大家鱼产卵规模的重要生态水文参数.系统重构分析得出,宜昌水文站引起四大家鱼较大产卵量的水文需求为持续涨水时间>4 d、初始水位>44 m、前后洪峰水位差>1.4 m、初始流量>14 000 m3/s、前后洪峰间隔时间>5 d、水位日上涨率>0.54 m、流量日上涨率>2 200 m3/s.

5 展望

通过三峡水库生态调度实施以来对四大家鱼自然繁殖、水文情势变化等综合研究分析,明确了目前长江宜昌至沙市江段四大家鱼自然繁殖的水文需求.此外,参考其他学者对宜昌江段涨水条件的研究结果以及总结生态调度实践经验,进一步提出了三峡水库生态调度的优化建议.

a) 生态调度实施时间应安排在5月下旬至6月下旬实施,且水温在19 ℃以上为必要条件.

b) 生态调度实施次数以多次为宜,结合上游来水和三峡调度运行实际情况,建议汛前三峡消落期至6月10日实施1次生态调度试验,主要促进宜昌至沙市江段四大家鱼产卵发生;汛期6月中旬至7月上旬,择机开展生态调度试验1~2次,一方面促进宜昌至沙市江段四大家鱼产卵,另一方面有利于监利江段四大家鱼苗汛发生.

c) 为增加宜昌至沙市江段四大家鱼产卵量,宜昌江段需要满足的水文条件为断面初始流量达到14 000 m3/s,持续涨水4 d以上,水位日涨幅平均大于0.5 m,流量日增幅平均大于2 000 m3/s,与前一次洪峰的间隔时间在5 d以上.

三峡水库促进四大家鱼自然繁殖的生态调度试验是我国大型水电工程首次针对鱼类实施的生态调度,对推动长江大保护工作具有重要的意义.近年来,通过对以往调度经验和调度效果不断总结和优化,促进了长江宜昌至监利江段四大家鱼的自然繁殖,减缓了四大家鱼资源衰退趋势,取得了良好的生态效益和社会效应.在生态调度实践过程中,初步形成了方案制定—监测实施—效果评价—信息反馈的生态调度工作机制以及涉及流域管理部门、发电企业、科研院所多方参与的生态调度协商机制.不仅为长江流域大型水电工程联合调度管理奠定了基础,也为其他大型水库开展生态调度实践提供了范本.

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