杨泽凡，胡 鹏，王玉莲，刘 欢，闫肖瑶
(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)
近年来，随着全国范围内河湖水质的逐步改善，生态流量保障不足成为我国水资源保护的制约性因子[1]。根据水利部已颁布的四批“重点河湖生态流量保障目标”，我国生态流量目标体系包括生态基流、最低生态水位、基本生态水量、敏感生态流量等指标，但目前已制定生态流量目标的283个重点控制断面中，仅有9个断面制定了敏感生态流量目[2-5]。缺乏成熟的目标制定方法和适宜的参数阈值是制约敏感生态流量保障实践的难题之一。
制定敏感生态流量目标是为了保护除河湖基本形态和功能之外的敏感生态保护对象，不同类型的保护对象对应不同的目标制定方法。我国敏感生态保护对象主要包括河流湿地(或河谷林)、湖泊、河口、鱼类生境等[6]，其中鱼类生境分布最为广泛，本文重点针对鱼类生境中最为重要的产卵生境保护开展相关研究。
现阶段，鱼类产卵期生态流量计算主要以水力学法和生境模拟法为主，重点关注鱼类在产卵过程中对水流速度和流量的特定要求。其中，水力学法通过建立满足鱼类产卵刺激的流速、水深、湿周等水力学因子与流量的函数关系来确定生态流量[7-8]。生境模拟法是在水力学法的基础上，结合鱼类产卵期的水文水动力偏好，通过量化评估流量变化对鱼类适宜生境面积的影响确定产卵期生态流量目标[9-10]。在此基础上，相关研究提出了产卵期脉冲流量过程线的理论，包括流量目标、发生时机、持续时间及发生频率等要素[11]。该理论利用鱼类产卵高峰期河流的流量变化，分析鱼类产卵对不同流量过程的响应，综合研究河段的天然水文过程和鱼类产卵水文需求确定相关要素值[12-13]。在描述时考虑了时间动态和空间异质性，更加全面地满足鱼类产卵生境的保护需求。
目前针对鱼类产卵期生态流量的研究方法纷繁多样，但由于不同方法侧重点不同，所得结果差距较大，且大多数方法需要详细的地形数据、水文数据及生态数据等，在普遍缺乏资料的中小河流应用受限[14]。而随着我国生态流量目标制定和保障工作的全面推进，形成一套科学合理、适应范围广的敏感期生态流量目标制定方法与关键阈值显得尤为迫切。在众多水文水动力参数中，考虑到流速对鱼类洄游产卵的影响至关重要，且不同河段的流速具有可比性，本文将重点研究面向生态流量目标制定的流速阈值。为此，结合水资源分区、鱼类区划、地形条件等，综合考虑不同区域、不同类型河流天然径流过程和鱼类产卵期水文水动力需求，研究提出一套全国分区分类河流敏感期生态流速阈值体系，并基于阈值体系开展了全国217个鱼类生境保护重点断面的敏感生态流量目标核算，为我国河流敏感生态流量目标的合理制定提供技术支撑。
2.1 研究区及分区分类本文研究范围为全国主要河流中具备鱼类生境保护要求的河段。分区主要依据全国水资源区划，同时结合鱼类区划和自然地理条件的差异，将十大水资源一级区拆解组合，最终划分为东北地区、黄淮海地区、西南地区、长江中下游地区、东南沿海地区、西北地区六大区域。松花江和辽河流域的气候条件寒冷干燥、冰封期长、河流本底条件相似，具有相似的生态环境和鱼类群落，该地区鱼类区划属于北方区系，主要以鲑科、茴鱼科和狗鱼科等耐寒性强的鱼类为主；
黄河、海河和淮河流域多为北方平原河流，其主要保护鱼类为鲤科，除黄河上游外，各流域气候特征和地形条件相似，统称为黄淮海地区；
而长江上游与长江中下游的气候特征、地形条件和鱼类分布差异较为明显，而与西南地区的河流相似度较高，因此将长江上游与西南诸河合并为西南地区，以突出其生态本底条件的相似性；
长江中下游的鱼类多属于江河平原区系，以暖水性、静水性鱼类为主，如鲤科的大部分种类；
东南沿海和珠江区多为丘陵山区，其鱼类区划均属于华南分区，以南方暖水性、急流性鱼类为主，如鲤科的鲃亚科与鳅科等。西北地区河流敏感生态保护重点是河谷林草和尾闾湿地，因此本文重点开展其余五个分区的鱼类产卵期敏感生态流量研究。
分类依据主要考虑断面集水面积和地形起伏度。河流规模、河道比降直接决定了鱼类栖息地的水动力条件，断面集水面积对于河流的规模和天然流量条件具有重要影响，直接关系到鱼类选择产卵场的规模和开阔度；
而地形起伏度则决定了河流流速的基本条件，这对于鱼类物种的组成分布有着显著的影响。例如，山区河流和平原河流的鱼类物种组成存在明显的差异，地形的变化直接影响了喜欢在流水性和缓流中生活的鱼类的分布。本文将集水面积超过10 000 km2的控制断面为大站，反之为小站；
在地形条件方面，东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区分别按山区河段、平原河段分类，西南地区分为横断山区河段和其它山区河段，东南沿海地区均为山区河段。
根据农村农业部公布的国家级水产种质资源保护区分布，选取217个同时具备重要产卵场和控制性水文站的河段作为本文研究目标，各河段对应控制断面位置及分类如图1所示。其中东北地区35个断面、黄淮海地区49个断面、西南地区40个断面、长江中下游地区49个断面、东南沿海地区44个断面。
图1 全国主要河流鱼类生境重点保护河段控制断面分布图(审图号：GS(2023)3916)
2.2 分区代表性鱼类评价根据各国家级水产种质资源保护区重点保护物种，筛选各分区代表性鱼类，筛选原则为代表性鱼类为分区内至少5个保护区的重点保护物种。结合29本流域/省份鱼类志、鱼类资源调研报告及相关参考文献等，详细梳理了47种代表性鱼类的产卵繁殖信息，综合得到分区内不同鱼类产卵时期和鱼卵孵化时间的最大公约数，结果如表1所示。东北地区以土著冷水鱼和特有经济鱼类为主，其中冷水鱼产卵期集中在4—5月份，鱼卵孵化持续时间(从受精卵到仔鱼阶段)约为10 d，而鳜、鳊等经济鱼类产卵期在6—7月份，鱼卵孵化持续时间约为7 d；
黄淮海地区以黄河特有鱼类、重要经济鱼类为主，产卵期集中在4—7月份，鱼卵孵化持续时间约为5 d；
长江中下游地区主要以“四大家鱼”等经济鱼类保护为主，鱼卵孵化持续时间约为5 d；
东南沿海地区以沿海经济鱼类为主，产卵期集中在3—6月份，鱼卵孵化持续时间约为5 d。
表1 分区代表性鱼类及繁殖习性
2.3 分区分类敏感生态流速阈值确定方法选取断面平均流速作为敏感生态流量的表征指标，以断面天然水动力条件为基础，结合鱼类产卵期生境需求，计算分区分类敏感生态流量关键阈值。具体步骤如下：
①挑选人类活动干扰较小的准天然河段作为分析断面天然水动力条件的对象。以受人类活动干扰最显著的枯水期(12月—翌年3月)径流量为判别依据，分析研究区所有断面枯水期长系列天然月径流量与实测月径流量的差异，以二者的相对误差不超过5%、且Nash效率系数高于0.9为判别标准，选取受人类活动干扰较小的河段，用于后续分析。
②根据分区代表性鱼类繁殖习性，确定敏感生态流量发生时机和持续时间。根据各河段对应水产种质资源保护区(或重要产卵场)主要保护物种，确定代表性鱼类，以代表性鱼类的繁殖期作为该河段敏感生态流量发生时期(精确到月)，以代表性鱼类的鱼卵孵化时间作为单次敏感生态流量的持续时间(精确到天，天数以N表示)。
③计算准天然河段敏感期目标流量。利用各河段近20年逐日实测流量资料，计算产卵期内各月份连续N天能够满足的最大流量Qmonth，如式(1)(2)所示，其中式(1)为求连续N日滑动最小值。以75%作为敏感生态流量年内以及年际的保证率要求，确定各年度产卵期内75%以上月份能够满足的流量Qyear，进而取75%年份能够达到的特征流量为该河段目标流量Qtarget，如式(3)(4)所示。
(1)
Qmonth=max{Qj}
(2)
Qyear=QUARTILE(Qmonth，3)
(3)
Qtarget=QUARTILE(Qyear，3)
(4)
式中：Qi为逐日实测流量，m3/s；
Qj为连续N天的最小流量，m3/s，j取值从1到该月最大天数，N值根据鱼卵孵化时间确定；
Qmonth为当月连续N天能够满足的最大流量，m3/s；
Qyear为年度特征流量，m3/s，取各年度产卵期内75%保证率的Qmonth；
Qtarget为目标流量，m3/s，取75%保证率的Qyear，Qyear和Qtarget计算时分别取第3个四分位数。
④计算各河段生态流速本底值。根据各河段控制断面流速-流量关系，以Qtarget对应的断面平均流速作为各河段生态流速本底值。
⑤确定分区分类敏感生态流速阈值。根据各河段生态流速目标值，制作箱体图，以分区分类均值和上、下四分位值为基准，分别确定分区分类河流敏感期生态流速阈值。
3.1 分区分类敏感期生态流量目标根据1956—2016年枯水期天然月径流量与实测月径流量对比，共筛选出127条人类活动干扰较小的河段作为分析天然水动力条件的对象，其中东北地区20个、黄淮海地区23个、西南地区27个、长江中下游地区32个、东南地区25个。各河段控制断面的流域规模信息如表2所示，本文选取的研究河段集水面积多在1000～100 000 km2之间，而所得阈值的应用范围也以该区间为准。
表2 人类活动干扰较小河段规模分区统计表
分别核算127个准天然河段对应控制断面的敏感期生态流量目标，图2展示了2018年赤水站重点保护时段的逐日平均流量及各月份特征流量Qmonth的计算过程。赤水站位于长江上游一级支流赤水河下游，所在河段属长江上游珍稀特有鱼类自然保护区范围，集水面积16 622 km2，在本研究的分区分类中属于西南地区其它山区大站。根据2.2节的结果，赤水站所在河段主要保护物种包括达氏鲟、胭脂鱼、圆口铜鱼等珍稀鱼类，重点保护期为4—7月份，单次敏感期生态流量持续时间为5 d。计算过程如图2所示，首先根据式(1)计算连续5天逐日平均流量的滑动最小值，进而取各月份5日滑动最小值的最大值即为该月份特征流量Qmonth，图中2018年4月份Qmonth为165 m3/s、5月份为167 m3/s、6月份为319 m3/s、7月份432 m3/s，则按照75%保证率要求，赤水站2018年特征流量Qyear为167 m3/s；
类似地，依次计算各年份特征流量Qyear，取75%的Qyear作为目标流量Qtarget，最终得到赤水站的目标流量为231 m3/s。为方便横向对比各断面目标流量，本文以目标流量占多年平均天然流量比值(下称流量占比)作为评价指标，赤水站流量占比为90%。类似地，结合2.2节分区代表性鱼类评价结果，根据各河段所在分区及对应种质资源保护区重点保护鱼类习性，分别计算各准天然河段敏感期生态流量目标及流量占比，分区流量占比结果如图3所示。
图2 赤水站敏感生态流量目标计算过程
(注：西南地区山区河段指横断山区河段、平原河段指其它山区河段)
图3展示了各分区断面敏感期流量占比集中分布情况，东北地区大站为59%～81%、小站为51%～98%；
黄淮海地区大站为44%～77%、小站为25%～51%；
西南地区大站为60%～88%、小站为51%～80%；
长江中下游地区大站为100%～130%、小站为90%～120%；
东南沿海地区大站为79%～129%、小站为65%～121%。整体上，同一分区、同一类型河段流量占比集中度较好，除东南沿海地区外，其余分区上、下四分位值差距在20%～30%左右。
长江中下游地区和东南沿海地区断面敏感期目标流量占比较高，这是由于分区内鱼类产卵期与汛期重叠，敏感期降水量和径流量占全年总降水量和径流量比例高；
与之相对的，黄淮海地区鱼类产卵期(4—7月)与主汛期(7—9月)不一致，敏感期径流量占全年总径流量比值小，尤其是4、5月天然来水量明显偏少，导致分区内各河段目标流量占比整体偏小；
而东北地区虽然鱼类产卵期与主汛期不一致，但受益于“桃花汛”期间的高流量过程、以及枯水期径流占比极小，东北地区断面敏感期目标流量占比相对黄淮海地区较高。
同一分区内大站流量占比普遍高于小站，其中黄淮海地区、东南沿海地区、长江中下游地区的大站和小站流量占比均值差达到20%左右；
而从分布上看，各分区大站与小站流量占比的极值差别不大，但大站均值和下四分位值明显高于小站，这是由于小站径流年内、年际波动更大，超过75%保证率的流量值较小。而东北地区大站和小站的流量占比较为接近，这是由于东北地区小站受区域气候影响显著、径流规律变化范围更广，部分靠北的站点4月中旬才解冻、靠南的站点4月已迎来“桃花汛”。此外，各分区内山区与平原区河段目标流量占比总体无显著性差别，流量占比受地形影响较小，仅东北地区、黄淮海地区山区大站明显大于平原大站，出现该现象主要原因为“桃花汛”导致4—5月山区河段流量偏高。
3.2 分区分类生态流速阈值根据《水文年鉴》各水文站“实测流量成果表”中实测流量及对应断面平均流速数据，分别建立各控制断面流速-流量拟合关系，并基于计算所得各断面生态流量目标，核算对应生态流速目标。图4展示了不同分区代表断面的流速-流量拟合曲线及公式，根据拟合公式计算流量目标对应断面平均流速即为断面生态流速目标。类似地，分别核算127个准天然河段的控制断面生态流速目标，各分区分类生态流速目标的平均值、上四分位值、下四分位值等结果如图5所示。
图4 分区代表断面流量-平均流速拟合关系
图5 全国分区分类重点河段敏感生态流速
由图3可知，不同分区断面流速目标差异明显，起伏度较大的西南地区断面流速目标整体偏高，其中横断山区大站流速目标多在1 m/s以上，其它断面流速目标也大多超过0.5 m/s。东北地区生态流速相对较低，山区大站流速目标大多在0.6～0.9 m/s之间，山区小站和平原大站流速目标集中在0.4～0.7 m/s，平原小站流速多为0.3～0.5 m/s。不同分区的山区大站流速目标平均值最大达到0.45 m/s、山区小站流速差最大达到0.34 m/s，而平原大站流速差值最大仅0.15 m/s、平原小站为0.06 m/s。
同一分区、相同地形的大站流速目标明显高于小站，其中各分区山区大站平均值普遍高于山区小站0.3～0.4 m/s、平原区大站流速目标高于小站0.2 m/s左右；
同一分区、相同规模的山区河段生态流速目标普遍高于平原河段，除东南沿海地区外，其余四个分区山区大站流速目标平均值比平原大站高0.4 m/s、山区小站流速目标平均值比平原小站高0.2 m/s；
不同分区间的山区河段目标流速差别较大、平原区差别较小，西南地区和东北地区山区河段平均目标流速相差达到0.4 m/s，而不同分区的平原小站平均流速几乎相同。
以图3所示上、下四分位数作为对应类型河段的生态流速范围、以平均值作为推荐流速确定依据，分区分类敏感期生态流速阈值如表3所示。全部分区分类推荐流速平均值为0.66 m/s，其中山区大站平均值为0.94 m/s、山区小站平均值为0.62 m/s、平原大站平均值为0.63 m/s、平原小站平均值为0.46 m/s。
表3 全国分区分类河流敏感期生态流速阈值 单位：m/s
4.1 阈值合理性分析利用湿周法对基于分区分类生态流速阈值的生态流量结果进行校核。湿周法是目前较为公认的一种生态流量计算方法，该方法计算简便、物理机制强，但多适用于河床稳定且形态近似抛物线形或矩形的断面，在不规则断面或者三角形断面等应用受限，因此本文仅对部分形状规则断面的敏感生态流量进行验证。基于分区分类生态流速阈值(阈值法，下同)所得生态流量结果与湿周法结果对比见表4，其中适宜流量下限值、上限值为各分区分类适宜流速阈值对应流量，推荐流量为生态流速推荐值对应流量，“相对误差”指阈值法与湿周法结果差与多年平均天然流量比值。
表4 阈值法与湿周法计算结果对比表
由表4可知，阈值法与湿周法所得生态流量结果整体较为一致，34个断面中有31个断面湿周法结果在阈值法所得适宜流量范围内。对比各断面阈值法与湿周法结果的相对误差，70%的断面下限值相对误差在±20%以内，58%的断面推荐值相对误差在±20%以内，仅41%的断面上限值相对误差在±20%以内；
同时，分别有4、6、16个断面下限值、推荐值、上限值相对误差超出±40%。可见，分区分类的最小生态流速阈值对应流量整体上更接近湿周法结果。因此在设定敏感生态流量管控目标时，建议以各分区对应最小生态流速为主，但部分类型的河段需根据实际情况灵活选取生态流速阈值。
根据验证结果，本文提出的分区分类生态流速阈值能够适应于不同区域、不同类型的河段，而对于无资料地区的河流敏感生态流量目标制定具有更为重要意义。此外，阈值法/湿周法相对误差较大的断面主要分布在大江大河干流，且阈值法计算结果普遍低于湿周法计算结果，这是由于本研究涉及准天然河段的集水面积在1000～100 000 km2，而大江大河干流断面集水面积往往超出该范围，该类型河段敏感生态需水目标建议利用生境模拟法制定。
4.2 阈值体系的应用本文提出的分区分类河流敏感期生态流速阈值应用范围包括：(1)重点针对缺少长系列水文数据、地形数据或者生物监测数据的河流，结合控制断面平均流速-流量关系，确定敏感生态流量目标值；
(2)辅助其它方法确定面向鱼类产卵生境保护的敏感生态流量目标值，原则上目标值不应超出推荐流速所对应的流量范围。
在实际应用中，需根据目标河段人类活动干扰情况灵活选取对应生态流速阈值。当目标河段上游开发利用强度较大时，以最小生态流速作为断面平均流速目标，反之则以推荐流速作为断面平均流速目标，结合断面平均流速-流量关系确定敏感生态流量；
对于三级及以上河流干流控制断面，考虑到断面控制规模和流速本底条件，以生态流速范围上限值对应的流量作为该河段敏感生态流量目标。此外，由湿周法对比结果可知，对于断面形态相对规整的矩形或梯形断面，阈值法能够快速、有效地给出流量目标，对于不规则断面或集水面积过大的断面，需与生境模拟法等其它方法相结合。
除生态流量目标值外，敏感期生态流量还包括生态流量发生时机和持续时间等指标，其中发生时机和持续时间分别基于表1中代表性鱼类的产卵期和鱼卵孵化时间确定。综上，面向鱼类产卵需求的全国分区分类河流敏感生态流量计算关键参数如图6所示。
图6 面向鱼类产卵需求的分区分类敏感生态流量计算关键参数(审图号：GS(2023)3916)
根据本文所得分区分类生态流速阈值及生态流量计算关键参数，分别制定了全国217个重点断面的敏感生态流量目标，并对2009—2018年敏感生态需水达标情况进行评价，结果如图7所示。2009—2018年全国整体敏感生态流量达标率为58%，其中东北地区61%、黄淮海地区55%、西南地区53%、长江中下游地区63%、东南沿海地区61%，黄淮海地区和西南地区敏感生态流量达标率较低。此外，统计不同类型河段平均达标率，五大分区山区大站平均值为68%、山区小站平均值为57%、平原大站平均值为63%、平原小站平均值为55%，整体上大站达标率高于小站，而山丘区河段达标率略高于平原区，但区别不大。对比各分区内部大站、小站达标率差异，其中东北地区、黄淮海地区、东南沿海地区大站明显高于小站，尤其是黄淮海区大站达标率高于小站17%，而长江流域小站达标率则略高于大站。
图7 2009—2018年全国分区敏感生态流量达标情况
本文以准天然条件下的流量过程为基础、以典型鱼类自然繁殖期需求为约束，提出面向鱼类生境保护的区域尺度敏感生态流量关键参数阈值确定方法，分别核算了分区分类河流敏感期生态流速阈值指标，将阈值结果初步应用于全国217个重点河段敏感生态流量目标制定，并结合湿周法对部分断面敏感生态流量目标进行验证。具体结果包括：
(1)综合考虑水资源区划、鱼类区系、地形条件等，将敏感生态流量研究范围整体划分为东北地区、黄淮海地区、西南地区、长江中下游地区、东南沿海地区等五大分区，各分区内又分为山区大站、山区小站、平原大站、平原小站等四个类别，并结合鱼类产卵期栖息地分布确定了分区重点保护河段，根据代表性鱼类习性分析，归纳总结了各分区敏感生态流量重点保护时期、持续时间等要素。
(2)以受人类活动干扰较小、且具备鱼类保护功能的河段为研究河段，根据历史流量资料和代表性鱼类鱼卵孵化时间，分别核算各研究河段流速目标，进而确定分区分类生态流速阈值，包括推荐流速范围和适宜流速。全部分区分类推荐流速平均值为0.66 m/s，其中山区大站平均值为0.94 m/s、山区小站平均值为0.62 m/s、平原大站平均值为0.63 m/s、平原小站平均值为0.46 m/s。
(3)基于所得敏感生态流速阈值体系，确定分区分类敏感生态流量关键参数阈值，利用关键参数阈值初步制定了全国217个重点河段敏感期生态流量目标，并将生态流量目标与湿周法结果进行对比，结果显示除大江大河干流外，本文提出的生态流速阈值及敏感生态流量关键参数体系能科学指导面向鱼类产卵保护的生态流量目标制定。
本文面向我国现阶段河流生态流量管理的实际需求，研究结果不仅为不同地区敏感生态流量目标确定提供参数支撑，同时为缺乏长系列水文资料或详细地形资料的地区开展敏感期生态需水管理提供了基础条件。在实践应用中，也可根据本文提出的生态流速阈值确定思路，在区域/流域尺度进一步细化分区分类及代表性鱼类产卵需求，确定较小尺度上更为精确的生态流速阈值体系。
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