河流生态需水研究及实践

生境模拟法是河道内环境流量研究中较为广泛的一种计算方法，该方法用于河流规划、保护和管理等，帮助河流管理者评价不同管理方式产生的影响。生境模拟模型通过将水力模型和物种栖息地偏好特性结合，模拟流量和栖息地之间的定量关系，为各种利益团体进行协商提供了依据。

3.2.3.1　生境模拟法基本步骤

生境模拟法基本步骤可分为7部分：①典型物种确定；②研究河段确定；③研究数据资料收集；④适宜性标准确定；⑤水力模拟；⑥栖息地模拟；⑦确定流量与栖息地面积关系曲线。本节简要分析生境模拟法中各部分内容，详细分析过程如下：

（1）典型物种确定。根据对研究河流中的典型水生物种进行分析，选择对栖息地变化最敏感的代表性物种，它能反映出栖息地中其他物种集合的变化的特征；或者选择代表河道内环境流量评价的主要管理者利益的物种。通常选择鱼类尤其是洄游性鱼类作为研究对象，选择研究物种后，对物种的生命阶段（如鱼苗，成鱼，迁徙，产卵等）进行划分，重点分析生物的关键期如产卵繁殖期来进行研究。

（2）研究河段确定。根据对典型物种关键生命阶段的研究，确定河流研究河段如鱼类产卵场区域等，分析研究河段的生境类型如浅滩、深潭的分布情况，对河段进行设置断面，每一个断面内划分成间隔相等的若干个单元，一般划分的单元应包含河道形态变化明显的地方。

（3）数据资料收集。目前生境模拟法中模拟的变量主要为水深、流速、基质和覆盖物，实际上鱼类栖息地是物理的、化学的和生物的因素相互作用的结果，然而考虑较少的因素相对比较方便，而且采用较少因素分析的结果也较为合理，因此，通常采集数据有水力数据、基质数据和覆盖物资料。其中水力要素数据包括：沿断面与河流垂直方向，测定每个单元中线处的水深、流速、基质、覆盖物的组成、河床底高程以及每个断面的水质和水温。基质（substrate）由组成河床的材料和有机质残骸及植被组成。不同河流基质组成是不同的，主要类型有细砂、砂砾、卵石、巨石等。覆盖物 （cover）有4种类型：深度覆盖物（depth cover），高架覆盖物 （overhead cover），紊动覆盖物 （turbulence cover）和物体覆盖物（object cover）。物体覆盖物表明被水中捕获的保护程度和作为饲养地的流速庇护所的使用，包括卵石、巨石、有机质残骸和底切河床 （undercut）等；紊动覆盖物指水流的扰动程度对物种的保护。

（4）适宜性标准确定。栖息地适宜性标准（habitat suitability criteria）用来定量一个物种的特定行为特性，这个特性是为在做出决策的过程中进行比较建立的标准。通常栖息地适宜性标准用0～1之间的数值表示栖息地影响因子 （水深，流速，基质和覆盖物）对鱼种的影响，对于影响因子最适宜鱼种生存的情况，赋予数值为1，最不适宜鱼种生存的情况，赋予数值为0。栖息地适宜性标准是生境模拟法的生物学基础，其模拟的真实性和准确性对于栖息地模拟的成功起着关键的作用。栖息地适宜性标准有3种：二元格式（binary format），单变量格式 （univariate format），多变量格式 （multivariate format）。其中单变量格式方法确定适宜性标准是目前普遍使用的方法，因此本节主要介绍该方法。

单变量或连续值曲线格式建立了每个变量的使用范围和最佳范围，通常采用介于0和1之间的可利用适宜性概念定义鱼类栖息地的适宜性，曲线的峰值代表一个变量的最合适的或者最喜爱的范围，曲线的末端代表了每一个变量适宜性的界限。在确定单变量栖息地适宜性曲线的方法中有：专家观点或参考文献法，该方法费用少，节省时间，但不是从数据中得到的，缺乏一定的可靠性；栖息地使用曲线法，该方法直接从对目标物种特定生命阶段的栖息地使用观察中得到，以测量微生境特性的频率分布为基础，以观察目标物种实际出现在栖息地情况，适合于鱼类产卵场，通过监测鱼类产卵时的流速和水深等生境条件，建立鱼类生境适宜性标准；栖息地偏好曲线法，该曲线方法给出使用栖息地和可用栖息地的组合，用来减少与环境可利用性相关的偏见。偏好指标通常涉及使用的资源的比例和可利用的资源的比例的比值或未使用的资源的比例和可利用的资源的比例（可利用包括资源使用的比例和未使用的比例）的比值，该方法考虑了栖息地的可利用性，经过不断的发展以后，成为颇受欢迎的方法。

（5）水力模拟。水力模拟一般包括一维、二维和三维水力模型，主要模拟水深和流速。目前用于生境模拟中的水力模拟模型主要有：①一维模型：PHABSIM （Physical Habitat Simulation Model）、RHABSIM （River Habitat Simulation Model）、RHYHABSIM （River Hydraulic and Habitat Simulation Model）、EVHA （Evaluation of Habitat）、RSS （River System Simulator）、CASIMIR （Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements）、HEP （Habitat Evaluation Procedues），其中以PHABSIM和RHABSIM 较为常用；②二维模型：River2D、RMA2、FESWMS、TLEMAC2D、AquaDyn、SSIIM2D、HYDROSIM，其中以River2D和RMA2较为常用；③三维模型：DELFT3D和SSIIM3D 等。水力模拟已经取得了长足发展，详细水力模拟方程见第3.2.3.2小节。

（6）栖息地模拟。栖息地模拟基于以下假定：①栖息地适宜性是流量的函数，且与物种数量之间存在一定的比例关系；②水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素，它们之间相互影响，共同确定河流微生境条件；③河床形状在模拟的过程中保持不变。栖息地模拟依靠栖息地适宜性曲线得到每个单元影响因子的组合适宜性值，利用如下公式计算研究河段总的微生境栖息地适宜性，并称其为加权可利用面积WUA （Weighted Usable Area）。

式中 WUA——研究河段的微生境适宜性面积；

CSF（Vi，Di，Ci）——每个单元影响因子的组合适宜性值；

Vi、Di、Ci——第i单元的流速、水深以及河床质适宜性值；

Ai——研究河段中第i单元的水表面面积。

在栖息地模拟中确定栖息地的组合适宜性值，通常采用以下4种计算方法，计算公式如下

其中，式 （3-26）取每个影响因子的适宜值的乘积，体现了它们的综合作用结果；式 （3-27）考虑当某一影响因子较为不利时，组成栖息地值影响因子之间的补偿影响；式 （3-28）将最不适于鱼种生存的影响因子适宜值作为组合适宜性值；式 （3-29）中，kV、kD、kC分别为流速、水深和河床底质的权重，该公式考虑了每个影响因子之间的权重不同。

（7）流量和栖息地关系曲线确定。根据对不同流量下的研究河段WUA计算后，便可以绘制WUA与流量关系曲线，利用流量与时间的关系和栖息地与流量之间的关系，可以得到栖息地与时间的关系和栖息地持续时间曲线。河流中的流量在不断的发生变化，最佳环境流量持续时间短，持续时间短暂的栖息地对于鱼类来说，并没有多大的意义。从栖息地与时间关系曲线上，可以看出超过某一水平的WUA在给定时间内分布的概况，从栖息地持续时间曲线上，可以得到某一时间保证率的WUA，根据这个值，从栖息地与流量关系曲线上得到鱼类某一生命阶段需水量的域值，即 [Qmin，Qmax]，该域值随时间保证率要求的不同而变化。

3.2.3.2　生境模拟法模拟模型研究

根据对生境模拟法确定河道环境流量可知，生境模拟法中模拟模型有许多种，本节针对几种常用的模型软件进行介绍。

（1）物理生境模拟模型PHABSIM （Physical Habitat Simulation Model）。PHABSIM是由美国地质调查局（USGS）研制开发的一种生境定量评价方法，可用于预测和评价河流中栖息地随水流的变化情况，也是目前生境模拟法中最为常用的一种环境流量评价方法。PHABSIM主要包括水力模拟和栖息地模拟两部分，其中水力模拟以一维水力学公式为基础，主要模拟水深和流速，水深的计算来自程序中模拟的水表面高程，假定同一断面的水表面高程相同。水位模拟通常有三种方法：①水位流量关系法 （STGQ）；②曼宁方程法（MANSQ）；③水表面轮廓法（WSP）。流速模拟使用曼宁方程进行模拟；栖息地模拟包括HABTAE、HABEF和HATAM三个模型，栖息地模拟过程见生境模拟法基本步骤。根据水力模拟和生境模拟，结合鱼类适宜性曲线，最终确定鱼类栖息地加权可利用面积WUA与流量之间关系曲线。PHABSIM计算WUA过程示意图见图3-1。

为了使PHABSIM运用方便，美国地质调查局开发了PHABSIM 模拟软件，该软件运用简单方便，更大地推广了该模拟方法在全世界的使用，PHABSIM软件应用结构流程图见图3-2。

一维生境模拟模型除了PHABSIM 外，较为常用的还有河流生境模拟模型RHABSIM （River Habitat Simulation Model），该模拟模型具有PHABSIM类似功能。

（2）二维鱼类生境模型River2D。River2D栖息地模拟模型是2002年加拿大Alberta大学研制开发的水力和鱼类栖息地模拟的应用软件。该模型主要针对天然河流，能帮助人们更详细的研究河流局部的流速和深度分布以及确定流量与鱼类可用栖息地的关系。

图3-1　PHABSIM计算WUA过程示意图

图3-2　PHABSIM软件应用结构流程图

该模拟模型采用二维模型模拟流场，进而模拟栖息地。主要特点是：二维水动力学模型以浅水方程为基础；栖息地计算单元是三角形；模型假定单元节点的垂向速度相同，且压强符合静水压强分布；方程采用有限元法求解，根据初始条件和边界条件计算节点的平均水深和平均流速；每个节点的适宜值是各影响因子的组合适宜性值；单元的适宜值是三角形节点的组合适宜性值。该模拟模型的优点是水深平均速度矢量 （大小和方向），水表面高程和水深沿河道分布的单个单元计算，还能模拟复杂构造物附近的水流，包括分叉流、汇聚流、紊流和低速死水区。因此，该模型能提供较高的空间分辨率和较好的栖息地指标的评价。

River2D模型包括水力模型、简单的冰凌覆盖层模型以及鱼类栖息地模型3部分，下面对水力模型和鱼类栖息地模型理论方程进行简要介绍。(www.xing528.com)

1）水力模型。该模型是一个二维有限元模型，基于二维瞬时流圣维南方程，包括质量守恒方程、x方向动量守恒方程和y方向动量守恒方程。

a.质量守恒方程

b.x方向动量守恒方程

c.y方向动量守恒方程

式中 H——水深；

U、V——x、y方向水深上的平均流速；

qx、qy——x、y方向与流速相关的流量强度，qx=HU，qy=HV；

g——重力加速度；

ρ——水的密度；

Sox、Soy——x、y方向上的河床坡度；

Sfx、Sfy——x、y方向上的阻力坡度；

τxx、τxy、τyx、τyy——水平方向上的紊动应力张量。

此外，水力模型计算中还包括河床阻力计算公式、横向紊动剪切力计算公式以及干湿地区处理计算公式等。

水力模型求解采用流线迎风伽辽金加权残差隐格式有限元方法，该方法可以保证在所有的流动条件下，即在缓流、急流和临界流的情况下，都能保证求解的稳定性，完全守恒形式的离散能够确保在模拟的区域没有流动质量损失或多余，模型实际上是非稳态的，但它能被用于瞬变分析或者得到一个稳态解。采用有限元方法能够灵活地处理复杂边界条件的河段。其中边界条件的处理：进口给定流量边界条件，出口给定水位边界条件，河岸边界采用动边界方式。

2）鱼类栖息地模型。该模拟模型的栖息地模型是以加权可利用面积WUA概念为基础，其中WUA计算是研究区每个节点的影响因子的组合值，具体计算过程与PHABSIM模拟模型类似。

3）River2D软件包。River2D软件提供友好的图像界面，主要包括4个软件包：R2D_Bed、R2D_Ice、R2D_ Mesh和River2D。R2D_Bed主要用于编辑河床地形特征的软件，可编辑的数据有每个节点的x、y坐标、高程、河床粗糙度和河道指数；还可以定义和编辑默认结算边界，输出R2D_Bed的河床地形文件。R2D_Ice是用于编辑和定义冰凌覆盖层的软件，可以有其提供的文件来解决冰凌覆盖层与水深、流速之间的关系。R2D_ Mesh是为二维平均深度有限元水动力模型提供有限元网格的软件，通过读取一个河床地形文件，该文件包括离散点和特征线的位置、高程和河床粗糙度信息，然后生成有限元网格文件。River2D是整个软件包的重要部分，它可以根据以上几个软件提供的文件来模拟稳态和瞬时状态下的流速分布，可以计算鱼类栖息地的可利用面积，可以输出任意点的流速、水深、粗糙度、河道指数以及各种计算图件。

4）River2D应用步骤。River2D模拟主要可分为以下步骤。

a.基础数据输入。首先采用文本编辑器编辑地形数据，包括河岸及河床地形数据即各个点的坐标（可以是相对坐标）、高程和粗糙度，生成一个河床地形文件 （扩展名是.bed文本文件），然后用R2D_Bed软件对生成的.bed文件进行编辑并改进数据，将其三角形化，以便生成河段网格的R2D_ Mesh模块。

b.边界界定。边界条件分为有水流通过边界条件 （入口和出口）和无水流通过边界条件 （河岸）两种。河段入流以总流量为边界条件，出流以水位为边界条件；对于河岸，通常设置为挡水墙，即阻水边界，当河岸低于洪水水位时，应根据洪水水位作为河岸的高程。

c.单元剖分。将改进的.bed文件用R2D_ Mesh软件生成计算离散化 （网格）得到.mesh文件，确定分割线和节点数量，结合边界条件输入，生成.cdg文件，其中剖分三角形单元质量Quality Index（QI）应达到可以接受的程度，通常为0.15～0.5。

d.模型运行。用迭代法聚敛目标，生成河床地形、流速等成果。

e. WUA计算。根据水力模型计算结果，结合鱼类适宜性指数，该指数保存在.prf文件中，计算不同流量下鱼类加权可利用面积，确定鱼类适宜环境流量。

3.2.3.3　生境模拟法存在的问题

目前水生生物栖息地模拟存在以下问题。

（1）构成水生生物栖息地的因素只考虑了水深、流速、底质和覆盖物，其他因素没有考虑，而其他因素也影响到物种的生存状况。例如鱼种产卵需求一定的水温，鱼种对水深、流速和底质的偏好随许多因素变化，包括昼夜、季节、物理条件（紊流、温度）等。

（2）栖息地适宜性指标的计算认为各影响因素是相互独立的。事实上，各影响因素是关联在一起来提供物种生存的环境。鱼种利用水生植物或覆盖物（例如树根等）作为遮蔽处，采用河床的凹处或河床有大块石凸出的地方作为躲避高流速冲击的掩体。在有水生植物或覆盖物较多的情况下，鱼种可以在浅水中存留；在河床有石块的地方，鱼种可以在流速较大的情况下生存，在没有覆盖物或覆盖物较少的情况下在深水中生存。因此，影响因素之间是相关而非独立的。

（3）物种数据采集时存在误差：仪器精度，测量扰动，测量的人为因素。仪器精度误差指采用水下录像及生物遥测技术的设备误差。水下观测使水流产生扰动对鱼种有影响。

（4）物种数据的采集需要花费大量的时间，每个季节在代表流量下都要取样，记录物种、体长和数量。