三峽蓄水以來葛洲壩下中華鱘產卵場河床質特征變化規律

劉文成 李君軼 李鵬程 班 璇 吳金明 張 輝沈 麗 劉志剛 杜 浩

(1. 上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306; 2. 中國水產科學研究院長江水產研究所農業農村部淡水生物多樣性保護重點實驗室, 武漢 430223; 3. 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院環境與災害監測評估湖北省重點實驗室, 武漢 430077)

對眾多河流生物來說, 河床質是其棲息地重要物理組成部分[1]。了解并研究河床質性狀及變化情況是保護河流生物的重要前提, 尤其是對水體底層生活及產粘性卵的魚類, 產卵河床底質是其種群延續的關鍵因子。水聲學技術最早被用來探測潛艇和測量水深, 近期用于探測魚群較多[2]。與通常的評估方法相比, 水聲學方法具有高效、調查區域廣、不損壞生物資源、提供可持續的數據等優點[3]。作為水聲學方法主要工具的回聲探測儀在其中起著關鍵作用, 回聲探測儀發展至今, 目前主要應用有評估魚類資源量、監測魚類行為、鑒別魚類種類、評估其他水生生物、監測水質和水生生態系統、探測水深和底質類別等[4]。

由于水下的特性, 河床質通常使用回聲探測儀進行研究, 不同底質類型對聲波反射特性有差異,回聲探測儀可憑借這一特征來觀測河床底質類型以及底部沉淀物[5]。聲學特性包括第一個底部回波的第一部分和第二部分被用來區分不同硬度、粗糙度的沉積物[6]。Heald和Pace[7]提供了兩個回波的能量特征與海底參數之間關系的理論背景。此后Magorrian等[8]、Kaiser等[9]、Bax等[10]相繼使用該聲學技術繪制海底生物群落的生物資源。Daniel等[11]利用當時較新的Biosonics回聲探測系統對巴德河的整個底質生境進行了描述, 提取粗糙度和硬度數據, 并與底質粒徑制定底質分類散點圖;Anderson等[12]發現回聲探測系統獲取的特征參數與底質的化學元素含量有直接關系, 并且探測頻率不同, 研究結果可靠性也不同?；谒晫W方法探測底質的特點, 結合一定的傳統取樣或光學觀察,能夠迅速且可靠地對河床沉積物進行分類[3]。

中華鱘(Acipenser sinensis)是國家一級重點保護水生動物, 國際自然保護聯盟(IUCN)極危級(CR)物種, 國際瀕危動植物種貿易公約(CITES)附錄Ⅱ保護物種[13]。在20世紀后期, 由于水利工程建設、過度捕撈、水體污染和航運等諸多因素, 其野生種群資源量不斷下降[14]。據2017—2020年進行的中華鱘自然繁殖生態調查報告, 葛洲壩下近壩江段已連續幾年未觀測到中華鱘的自然繁殖活動[15],這可能與該區域的非生物環境變化有較大關系。在目前中華鱘歷史產卵場無法發揮作用, 而葛洲壩下現有產卵場中華鱘自然繁殖活動持續中斷的情況下, 中華鱘自然繁殖所需的非生物環境變化研究亟須開展。

中華鱘歷史產卵場河床質特征常被描述為“卵石河床質”, 中國科技工作者認為底質必須具備巖石或卵石中華鱘才會開始產卵[16]。另外河床質粒徑、組成和布局等都會對自然繁殖產生影響, 一般認為清潔的河床質對于多數鱘魚類的自然產卵有利[17]。常劍波和曹文宣[18]認為, 刺激中華鱘產卵的外界因素主要是河床的底質狀況。因此眾多學者對葛洲壩下中華鱘產卵場的底部環境進行研究, 杜浩等[19]在2008年通過水下視頻觀測根據卵石大小、排列方式及是否含沙等狀況, 將河床質表層結構劃分為6種類型。杜浩等[20,21]系統觀察了中華鱘受精卵的分布狀態, 提出由細砂決定的河床質填塞度是決定中華鱘自然繁殖發生位點和繁殖效果的重要因素。在國內使用回聲探測儀, 主要是對葛洲壩下中華鱘產卵場底部環境的硬度和粗糙度進行研究。張輝[3]首次研究了葛洲壩下中華鱘產卵場底質表觀特征和聲學特征的相關性, 2014年結合水下視頻獲得的研究資料確定了該江段的底質特征關系式[22]。杜浩等[21]研究了2004—2012年葛洲壩下中華鱘產卵場河床質的粗糙度和硬度變化, 探究三峽大壩蓄水運行對河床質的影響。藺丹清[23]在2016年對整個長江湖北宜昌中華鱘自然保護區進行了聲學采樣, 確定了相應底質特征的關系式, 與之前相比有一定的區別。雖然部分學者提出了葛洲壩下中華鱘產卵場底質聲學特征和表觀特征的相關公式, 但其判別底質效果較差, 原因可能在于未使用與Biosonic探測系統配套的聲學后處理系統, 使用的聲學處理軟件未對回波進行特殊處理。

水利工程的建設運行、人類活動及長江流域的洪澇災害等均會導致河床質及其構建的微生境變化, 從而影響中華鱘自然繁殖行為和早期仔幼魚的存活, 這直接關系到野生中華鱘種群的補充群體數量。因此有必要對葛洲壩下中華鱘產卵場的河床質進行更深入的研究, 結合水聲學方法和水下視頻技術, 重新構建硬度、粗糙度與底質表觀特征的相關性, 補充分形維數與底質的相關性, 并據此對葛洲壩下中華鱘產卵場的底質演變過程進行描述,結合長江流域發生的水沙事件揭示底質變化規律,并解釋中華鱘自然繁殖狀況的變化。這有助于推測未來葛洲壩下中華鱘產卵場的變化趨勢, 為將來中華鱘人工模擬產卵場的構建、中華鱘潛在產卵場的篩選和葛洲壩下中華鱘產卵場的恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區域位于緊鄰宜昌葛洲壩下游約4 km的江段范圍內, 涵蓋中華鱘產卵場。位于湖北省宜昌市的葛洲壩屬于低水頭徑流式水電站, 庫區長度180 km, 壩前水位27 m, 總庫容 1.58×109m3[24]。在葛洲壩建成后, 中華鱘野生種群近三十年在此產卵場進行產卵活動[14]。葛洲壩下中華鱘產卵場河床底質主要由大型卵石、中型卵石、小型卵石、沙石和黏土組成, 另外還存在部分人工護底河床, 在歷年調查中未觀察到泥類型的底質[19,25]。產卵場依照從上至下的順序劃分為Ⅰ—Ⅴ五個區域, Ⅰ和Ⅱ區域從左至右依次劃分為A—D四個區域, 其余區域劃分為A—C三個區域(圖1)。

圖1 葛洲壩下中華鱘產卵場及分區Fig. 1 Spawning grounds and zoning of Chinese sturgeon under Gezhouba Dam

1.2 產卵場水聲學調查

河床底質水聲學數據采集水聲學數據主要來源于長江水產研究所在2004—2020年開展的中華鱘自然繁殖生態調查期間進行的水聲學探測活動。探測使用的水聲學儀器為美國BioSonics公司DT-X系列數字科學回聲系統, 系統參數設置參照張輝等[22]使用的方法。采用科學回聲儀配套軟件Visual Acquisition 5.0.3實時接收和存儲所獲取的水聲學數據。探測時采用“z”字型路線以8 km/h的速度進行。探測范圍從葛洲壩下至下游大約4 km。

水下視頻影像數據采集長江水產研究所在2016年1月期間對長江湖北宜昌中華鱘自然保護區范圍內河床底部的200個采樣點進行樣品驗證數據采集, 采樣范圍從葛洲壩下至松滋口大約80 km。采樣目的是研究河床底質的表觀特性與其水聲學特征值的相關性。因此在隨機采樣點進行聲學數據采集的同時, 對聲學系統探測區域的底部進行視頻數據采集。在隨機采樣點進行水聲學數據采集與水聲學調查使用的儀器參數設置是一致的, 在采集之前用錨等固定用物體將船體固定在采樣點, 使用Dell Latitude D810筆記本電腦通過Visual Acquisition 5.0.3軟件接收和記錄聲學數據。視頻數據采集使用Canon G16光學相機與防水密封護套和燈(RJW7100, 中國)固定在自行設計的不銹鋼籠子上,使用藺丹清[23]的方法進行水下視頻觀察, 在存儲卡容量范圍內連續拍攝分辨率為1980×720 dpi的影像資料[23]。使用手持GPS定位系統記錄采樣位點的經緯度信息, 及時更新采樣點位置。

1.3 數據處理

河床底質特征參數提取使用聲學后處理系統Visual Bottom Typer對水聲學數據進行分析,設置時變增益40 logR用于補償回波的距離相關性。平均進行3次ping, 以最小化底部的ping到ping變化。硬度、粗糙度和分形維數都是使用該軟件對相應聲學回波進行歸一化處理的參數。一般研究認為硬度和表觀充塞度存在相關關系[21], 由第一個底部回波的第一部分(從底部回波開始到回波峰值)評估; 粗糙度和河床底質的粒徑存在相關關系,由第一底部回波的第二部分(從回波峰值到末端)評估[26]; 分形維數是量化聲學回波信號包絡形狀的特征參數[28], 被認為與底質的基本元素含量相關, 由整個第一底部回波來評估[27]。

河床底質表觀特征提取在2016年采集的200個采樣點中有123個采樣點部分底質粒徑明顯大于水下視頻采集視野中的范圍, 因此只選用77個采樣點的水聲學特征及表觀特征數據。通過視覺檢查水下視頻, 使用美國漁業協會推薦的方法確定河床底質的充塞度和粒徑[22]。充塞度是單位視野面積中河床質(粒徑較大的礫石或卵石)的縫隙被河床推移質(粗砂和細砂)填塞的面積百分比[21], 通過視覺檢查和相應軟件輔助確定底質充塞度大小。使用Bain等對主要底質類型描述方法和底質觀測結果[28], 將77個視頻觀測點的底質主要組成劃分為中型卵石、小型卵石、沙石、黏土及人工護底河床共5種類型。

統計分析和空間分布分析采樣點的水聲學特征與河床底質充塞度、粒徑的相關性通過Origin 2020分析。河床底質的聲學特征參數數據連同位置信息導入ArcGIS 10.6, 使用反距離權重法構建網格大小為10 m的柵格圖像。將各柵格圖像轉換為點數據, 導入Origin中繪制相應箱線圖, 獲取除去異常點后的極值和平均值。結合粒徑-粗糙度擬合方程將粗糙度轉換為粒徑, 構建粒徑空間分布圖。通過均值變化找到河床質演變的關鍵時間節點, 統計計算關鍵年份產卵場分區的特征參數統計值并進行單因素方差分析, 使用ArcGIS中的重分類工具按對應圖例進行分類并計算所占比例。

相關性結果用于底質類型的判別分析, 水聲學特征參數柵格圖像結果用于底質類型的空間分布分析, 重分類結果和箱線圖結果用于分析葛洲壩下中華鱘產卵場的底質演變。

2 結果

2.1 底質聲學特征與表觀特征的相關性

通過水下視頻視覺檢查發現, 在所有采樣點中,河床質主要組成大都為卵石和沙的非均質混合物,純沙和純卵石僅在部分區域可見。在所有樣本中,充塞度為0—100%, 底質粒徑為0—200 mm。聲學分析發現, 硬度基本在0—0.05, 粗糙度為0—0.007,分形維數為0—0.20。進一步的回歸分析發現, 充塞度(E)和硬度(H)之間的關系可以用Boltzmann模型進行擬合, 方程為E=3+95/{1+exp[(H-0.00679)/0.00232]}(R2=0.74; 圖2a), 中 等 粒 徑(D)和 粗 糙 度(R)之間的關系可以用logistic模型進行擬合, 方程表示 為D=285-285/(1+R/0.000824) (R2=0.87; 圖2b)。另外分形維數(FD)的數值大小可以很好地區分河床底質的主要組成成分(圖3)。

圖2 后向散射參數和底質表觀特征之間的關系Fig. 2 Relationship between backscattering parameters and substrate phenology

圖3 分形維數與河床質主要組成的關系Fig. 3 Relationship between fractal dimension and major composition of riverbed mass

2.2 底質水聲學特征變化

葛洲壩下中華鱘產卵場河床質水聲學特征均值在2004—2020年發生了明顯的變化, 圖4—6顯示該區域的3種水聲學特征參數變化趨勢是一致的,3種特征參數在2004—2008上升, 在2008—2012年下降, 在2012—2019年持續上升, 在2019—2020年下降, 但是變化幅度有所區別。硬度均值在2004—2012年的變化不明顯, 在0.0046—0.0054波動, 其在2012—2015年增加78.37%, 在2015—2019年增加115.56%, 在2019—2020年減少52.18%。粗糙度均值波動較為明顯, 自2005年增長到0.001后保持穩定, 從2008年開始減少, 在2008—2012年減少22.21%,在2015—2019年增加75.13%, 在2019—2020年減少68.88%。分形維數均值從2004—2005年增長116.91%后, 在2005—2012年保持在0.108—0.123內波動,2015—2019年維持在0.127—0.138波動, 2020年下降到0.12?？梢园l現2008年、2012年、2015年、2019年和2020年是底質特征變化的關鍵時間節點。

圖4 葛洲壩下中華鱘產卵場硬度年際變化Fig. 4 Interannual variation in hardness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖5 葛洲壩下中華鱘產卵場粗糙度年際變化Fig. 5 Interannual variation in roughness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖6 葛洲壩下中華鱘產卵場分形維數年際變化Fig. 6 Interannual variation of fractal dimension of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

2.3 河床質特征演變過程

穩定產卵區底質變化的相應關鍵時間節點的特征空間分布圖如下(圖7—10)。結果顯示在ⅡA區域三種特征參數一般較小, 且常年維持在一定的水平。ⅠB、ⅡB、ⅡC、ⅢB、ⅤA和ⅤB區域的底質較為穩定, 聲學參數特征一般較大, 其他區域每年都有較大的變動。

圖7 葛洲壩下中華鱘產卵場硬度空間分布Fig. 7 Spatial distribution of hardness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

關鍵年份的三種聲學參數的顯著性差異結果顯示, 葛洲壩下中華鱘產卵場底質在2004年的硬度與2012年無顯著差異(P≥0.05), 在2008年的粗糙度與2020年無顯著差異(P≥0.05), 在2008年的分形維數與2020年無顯著差異(P≥0.05), 除此之外硬度、分形維數各年均有顯著性差異(P＜0.01; 表1)。

表1 關鍵年份葛洲壩下中華鱘產卵場底質聲學參數統計值Tab. 1 Statistical values of substrate acoustic parameters of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam in key years

柵格圖像重分類的統計結果顯示在2004年、2008年和2012年硬度小于0.007的部分占據整個研究區域的85%以上, 到了2015年其所占比例銳減至52.22%, 2019年就只有23.59%, 2020年回升至57.42%(表2)。粗糙度和分形維數也都有相似的變化, 在2004年、2008年和2012年, 粗糙度和分形維數較小的區域占據的比例均較大, 2012—2019年期間占據比例減少較多, 2020年才開始增加(表3和表4)。

表2 中華鱘產卵場底質硬度占比Tab. 2 Percentage of substrate hardness in Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表3 中華鱘產卵場底質粗糙度占比Tab. 3 Substrate roughness ratio of Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表4 中華鱘產卵場底質分形維數占比Tab. 4 Substrate fractal dimension ratio of Chinese sturgeon spawning grounds (%)

表5顯示2004年整個產卵場基本上是以卵石和沙的混合底質為主, 2008年卵石就占據成為產卵場的主要底質, 黏土幾乎消失, 2012年沙和卵石的混合底質類型增加, 2015年河床質基本以卵石為主,2019年含沙的底質比例進一步減少, 直至2020年,含沙底質的比例開始回升。

表5 中華鱘產卵場底質占比Tab. 5 Percentage of substrate in spawning grounds of Chinese sturgeon (%)

葛洲壩下中華鱘產卵場的底質變化主要是推移質和卵石的運動, 而卵石底質在一般情況下推移距離較短, 因此主要是推移質量的變化。在2004年至2020年整個時間段, 底質組成經歷從含大量沙、含適量沙到含極少量沙, 最后沙量回升的過程。

3 討論

3.1 河床質特征的水聲學參數研究

早在1984年, 研究學者就確認了河床質可以被聲學特征所區分[6], Daniel等[11]結合一定的光學觀測建立了聲學特征和底質類型之間的關系, 并以此對巴德河的底部進行分類。2011年杜浩等[20]發現中華鱘產卵場的硬度和粗糙度的大小明顯與底質類型相關, 但是其后使用Sonar 5 Pro獲取的聲學特征判別底質類型存在一定的困難, 原因可能是缺乏歸一化處理聲學回波的步驟[22,23], 研究獲取的聲學特征與底質特征相關關系區分底質效果較差。

本研究在之前研究的基礎上, 使用Biosonics聲學后處理系統對數據進行歸一化處理, 結合水下視頻影像提取的底質表觀特征, 分析三種聲學參數與底質表觀特征的相關性, 并以此對中華鱘產卵場底質進行分類, 繪制該研究區域的底質分類圖, 描述中華鱘產卵場的底質演變過程。

由于水下視頻設備的限制, 粒徑超過200 mm的底質沒有得到展示, 圖8e顯示在分布圖中有部分粗糙度的數值是大于200 mm底質對應的粗糙度,實際葛洲壩下中華鱘產卵場粒徑大于200 mm的河床質確實占據了一定的比例, 因此粒徑-粗糙度擬合曲線對后續的推測趨勢應該是正確的, 但具體的驗證還需要設備條件的更新。2004—2012年葛洲壩下中華鱘產卵場整體硬度變化不大, 但是實際其底質含沙量明顯下降[21], 這能夠由充塞度和硬度的相關關系解釋。圖2a的散點分布顯示, 前期充塞度和硬度的相關性較差, 例如在硬度為0.005時, 充塞度可以在20%—80%波動, 因此推斷在推移質和卵石底質混合且推移質較多的情況下, 硬度極有可能不僅與推移質的填充量相關, 還與推移質在卵石之間填充的方式、河床質的孔隙度等特征相關。若結合圖3對底質進行分類, 那么大部分采樣點的底質主要組成就應為人工護底, 但是實際上葛洲壩下江段的人工護底僅占很小的一部分。因此應對底質的分形維數數值范圍進行修正, 圖9顯示2012年后葛洲壩下中華鱘產卵場的分形維數以0.07—0.20為主, 而此時其河床質的主要組成為中型卵石和小型卵石, 主要組成為中型卵石的分形維數范圍應該修正為0.07—0.20, 以此修正范圍可以更加準確地對底質進行分析。

圖8 葛洲壩下中華鱘產卵場粗糙度空間分布Fig. 8 Spatial distribution of roughness of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖9 葛洲壩下中華鱘產卵場分形維數空間分布Fig. 9 Spatial distribution of fractal dimensions of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

圖10 葛洲壩下中華鱘產卵場粒徑空間分布Fig. 10 Spatial distribution of grain size of Chinese sturgeon spawning grounds under Gezhouba Dam

3.2 長江水文事件與產卵場河床質變化的相關性

2003年6月, 三峽大壩首次進行蓄水運行, 而后其水位不斷抬高, 至2008年9月初步開展175 m蓄水計劃[29], 期間蓄水運行導致長江上游轉移至中下游的沙等推移質在壩區內淤積, 葛洲壩江段推移質的量不斷被沖刷而補充減少, 原本的平衡被打破。2004 年12月開展了葛洲壩下近壩江段的河勢調整工程[30], 期間產卵場區域的含沙量受到了一定的影響。因此在2004—2008年, 葛洲壩下中華鱘產卵場河床底質發生了明顯的改變, 推移質減少, 充塞度顯著降低、卵石暴露。2008年長江中上游干流及多條支流均發生了歷史同期最大洪水, 且當時汶川地震造成了大量的河道崩岸, 上游推移質轉移較多。在長江宜昌站監測獲取的2008—2013年的輸沙量, 除2011年較少外, 其他年份均保持在一定的水平(圖11), 此期間洪水帶來較多的沙可能改變了三峽大壩蓄水造成的清水下泄現象, 期間推移質得以補充, 因此2008—2012年該區域充塞度增加。

圖11 長江宜昌站輸沙量年際變化Fig. 11 Interannual variation of sand transport at Yichang Station of Yangtze River

從2012—2015年, 粗糙度、硬度和分形維數的均值增加趨勢明顯, 但由于2013年和2014年進行數據采集是使用其他水聲學儀器, 無法提取和其他年份相同處理的水聲學特征參數, 因此無法判斷水聲學參數在2012—2015年是逐步上升還是在某一年突然增加的, 依據宜昌站監測的輸沙量變化可能能夠解釋這一變化: 在2012年長江上游的向家壩和各種新建水壩的相繼投入運行后, 2013年開始宜昌站輸沙量減少, 2015年到達最小值(圖11), 葛洲壩下中華鱘產卵場的推移質被進一步沖刷而得不到補充。由此推測, 2012—2015年該區域含沙量應該是逐漸減少的, 粗糙度和硬度逐年上升。葛洲壩下江段的底質泥沙含量還取決于三峽大壩的運行狀態,比如2016—2020年多發的洪水導致三峽大壩庫區內泥沙堆積過多, 三峽大壩在2020年8月進行了沙峰排沙調度[31], 葛洲壩下中華鱘產卵場底質含沙量因此在2019—2020年增加, 而 2018年7月雖然也進行了沙峰排沙調度, 但可能由于排沙時間較早和排沙量相對較少, 2018年中華鱘繁殖生態調查期間產卵場泥沙留存量較少, 底質狀況并未改善。

通過葛洲壩下中華鱘產卵場底質的演變分析發現, 該江段河床質變動的主要原因有水利工程的建設運行、長江流域的洪水發生以及人類活動。大型水利工程對葛洲壩下中華鱘產卵場河床質的影響是逐年增加的, 尤其是在其上游多個水利工程相繼運行后, 中華鱘自然繁殖所需的推移質被沖刷而得不到補充; 挖沙活動和泥沙調度能直接影響到中華鱘產卵場的底質含沙量; 長江流域的大型洪水能夠改善河床質狀況。若是在排除人類活動影響的前提下, 葛洲壩下中華鱘產卵場底質的推移質含量會持續減少, 中華鱘自然繁殖活動很難恢復, 但是長江流域洪水的發生可能會緩解這種不利狀況,其緩解程度取決于洪水發生的位點、規模及三峽大壩的運行狀況。

3.3 河床質變化對中華鱘自然繁殖的影響及中華鱘產卵場保護性建議

長江水壩導致的一些制約因素對中華鱘的自然繁殖行為是有顯著累積影響的[14], 底質因素就是眾多制約因素之一。在三峽蓄水運行初期, 其蓄水程度還沒有達到較高水平, 2004—2008年產卵場各個區域的含沙量減少程度有所不同, 但是中華鱘所在的Ⅳ和Ⅴ部分區域的充塞度還維持在一定水平,因此除了在2003年后中華鱘自然繁殖次數由2次轉為1次, 中華鱘的自然繁殖活動依然能監測到。2008—2012年中華鱘產卵場的上產卵區(Ⅰ、Ⅱ區), 其河床質的變化較下產卵區(Ⅲ—Ⅴ區)明顯,更適合中華鱘自然繁殖, 這可能是中華鱘主要產卵區域遷移的原因之一。2012—2015年中華鱘適宜繁殖底質逐年減少, 這可能是中華鱘自然繁殖首次中斷和再次中斷的誘因。2015—2019年粗糙度和硬度持續增加使得葛洲壩下的中華鱘產卵場已不適宜繁殖, 2017年中華鱘自然繁殖連續中斷至今。中華鱘的自然繁殖活動明顯與底質狀況相關。

在長江流域三峽大壩和上游向家壩等多個水壩蓄水運行的情況下, 中華鱘產卵場的恢復與重建是困難的, 但是仍然存在部分希望, 建議: (1)通過歷史數據篩選中華鱘適宜的產卵條件(地形、底質、水溫等), 在長江湖北宜昌中華鱘自然保護區的范圍內, 篩選葛洲壩產卵場下游其余區域條件適宜的江段, 進行部分改造使其成為新的中華鱘產卵場;(2)在保證中華鱘繁殖需求的流速和水溫的前提下,調整三峽大壩進行泥沙調度活動的時間和規模, 將壩區排沙的開始時間延后至9—11月期間或者在2020年三峽大壩進行泥沙調度規模的基礎上增加壩區排沙量, 使葛洲壩下江段在中華鱘繁殖期間得以維持良好的底質狀況, 為中華鱘恢復產卵活動提供適宜環境, 實現葛洲壩下中華鱘產卵場的功能修復。

4 結論

本研究利用豐富的水聲學數據, 結合水聲學的方法和水下視頻技術對葛洲壩下中華鱘產卵場進行了深入的研究, 完善了底質特征之間的相關關系,找到了底質變化的關鍵時間節點和原因, 并推斷了中華鱘自然繁殖中斷可能的原因, 研究結果對中華鱘的種群存續問題來說意義重大, 但也存在著部分不足, 比如在底質水聲學特征和表觀特征的相關性研究中, 粒徑大于200 mm的底質未有研究, 相關關系對較大的粒徑判別可能有偏差, 需要后續的設備和技術更新; 在葛洲壩下中華鱘產卵場底質演變過程的分析中, 只是解析了推動底質演變的原因, 而沒有對其進行量化, 對研究區域后續的底質變化只能大致推測; 本研究只是對葛洲壩下江段的底質變化進行了研究, 但并沒有獲取中華鱘的適宜底質特征, 下一步工作可以對以往產卵區域的底質水聲學特征進行精確提取并判別。這些不足之處都需要科研工作者們去一步步解決, 為下一步篩選中華鱘潛在產卵場、建立人工模擬中華鱘產卵場乃至葛洲壩下中華鱘產卵場的修復與重建等提供科學依據和方案。

本研究的主要結論: (1)粗糙度、硬度、分形維數三種聲學特征分別與河床底質的粒徑、充塞度和主要組成類型相關, 粗糙度和硬度與相應表觀特征能建立相關公式, 在河床質充塞度較大的情況下(20%—80%), 依據硬度-充塞度擬合曲線判別底質效果較差。(2)2008、2012、2015、2019和2020年是葛洲壩下中華鱘產卵場河床質變化的重要時間節點, 研究區域內的主要變化如下: 含沙底質比例在2004—2008年減少33.08%, 在2008—2012年增加12.69%, 在2012—2015年 減 少33.83%, 在2015—2019年減少6.29%, 2020年含沙量回升, 相比2019年增加39.37%。在2004—2020年整個時間段, 底質組成經歷一個從含大量沙、含適量沙到含極少量沙,最后沙量回升的過程。(3)結合長江流域發生的水沙變化事件, 發現水利工程的建設運行、長江流域洪水的發生及人類活動都會影響河床質的演變進程: 水利工程蓄水運行造成的清水下泄會導致其下游的推移質持續減少, 長江流域洪水的發生有利于泥沙從上游向中下游轉移, 河勢調整工程和泥沙調度等人類活動則會直接影響泥沙含量的變化。(4)河床質的演變進程會影響中華鱘的自然繁殖狀況: 中華鱘自然繁殖活動在2013年首次中斷, 在2015年再次中斷, 2017年連續中斷至今, 也正是在此期間, 葛洲壩下中華鱘產卵場底質被嚴重沖刷,推移質急劇減少, 中華鱘的自然繁殖活動明顯與河床質狀況相關。