1. 引言
随着汉江流域社会经济发展和水资源开发利用程度的提高，汉江中下游的生态环境问题日益突出。丹江口水库作为汉江流域水资源开发利用的控制性水利枢纽工程，在发挥防洪、发电、灌溉、航运等综合利用效益的同时改变了下游水文情势，给汉江中下游地区的生态环境带来了一定影响。为给南水北调中线工程供水，2005年丹江口水库大坝开始加高。随着丹江口水库加坝扩容和调水工程的实施，这些生态环境影响可能进一步加剧。高永年 [1] 等通过构建综合评价指标体系分析了南水北调中线工程对汉江中下游生态环境的影响程度，谢平 [2] 等建立了南水北调中线工程不同调水方案下的汉江水华发生概率计算模型，徐新伟 [3] 等研究了南水北调工程对汉江中下游水生植物多样性的影响，方芳 [4] 等分析了调水对汉江中下游水质和水环境容量的影响，上述研究从多方面阐述了南水北调中线工程对汉江中下游生态环境的影响，而结合汉江中下游产漂流性卵鱼产卵特性分析不同调水规模对亲鱼繁育的影响研究相对较少。本文总结已有研究，结合实测资料分析，提出影响汉江四大家鱼产卵的主要水文要素，依据丹江口水库加高调水的运行规则，模拟分析了丹江口水库加高后两种调水规模下，汉江中下游主要水文站点的水文情势变化，并结合水文情势的变化特征，分析了调水后可能对汉江中下游产漂流性卵鱼类的影响。
本文研究丹江口水库建设和加高对汉江流域中下游以四大家鱼为代表的产漂流型卵鱼的影响，对于合理配置水资源、满足受水区和调水区的需水，尽量减少水利工程对中下游社会经济发展和生态环境的影响具有现实意义。
2. 汉江四大家鱼产卵所需水文条件分析
以四大家鱼为代表的产漂流性卵鱼适应了数百万年来流域生态演变，其繁殖习性与外界环境相互统一，形成了在一定外界因素的刺激下产卵繁殖的繁衍模式。一般认为，对于存在产卵场的江段，刺激家鱼产卵的环境因素主要包括：水温、涨水过程、透明度等。以往研究基本认为在水温及涨水过程是决定家鱼是否产卵两个重要因素 [5] [6] ，而对于江水透明度等其他因素是否影响家鱼产卵则存在一定争议，多数认为影响不大。
2.1. 产漂流性卵鱼产卵所需水温因素
天然情况下，四大家鱼在20℃~24℃产卵活动最频繁；27℃~28℃也有家鱼产卵；而水温低于18℃时，则基本没有家鱼产卵活动。长江、汉江等实测鱼类繁殖时水温亦高于18℃。对于多数经济鱼类来说，产卵活动的上限水温在30℃左右，室内试验显示，水温超过31℃胚胎容易出现畸形。长系列资料显示，在鱼类繁殖季节，汉江基本不会出现超31℃高水温。故对于汉江四大家鱼的繁殖过程，低温18℃是限制鱼类产卵起始日期的主要因素。不同河流家鱼繁殖的月份略有差别，长江一般在4月底至7月初，而汉江则基本集中在5月至8月，在汛期水温较高的时期产卵。
汉江丹江口蓄水运行后，坝下江段的水温周年变化幅度变小。夏季水温较建坝前下降4℃~6℃，冬季水温则提高4℃~6℃。比较黄家港水文站在建坝前后10年的5~8月的水温资料，显示出在建坝后水温下降了4℃~6℃，达到鱼类繁殖所要求的最低限度的温度条件18℃水温的日期，向后推迟了20~30天左右。从1976年和2004年及2007年早期资源监测情况来看，由于丹江口水库下泄低温水的影响，汉江四大家鱼产卵时间集中在7月和8月份，首次产卵日期是7月19日，最晚结束日期是8月18日。虽然6月份监测到鱼类产卵，但是没有四大家鱼，都是经济鱼类和小型鱼类。
所以，汉江中下游以四大家鱼为代表的产漂流型卵鱼类受水温变化影响，产卵时间主要集中于每年7~8月，该时期水温普遍高于18℃，满足鱼类产卵所需水温。
汉江中下游及控制断面示意图，如图1所示。
2.2. 产漂流性卵鱼产卵所需的涨水特征要素
与家鱼发江时间，提出相应的涨水特征要素。一般来说，江河涨水过程包括流量增加、水位升高、流速增大，且在天然河道中，三者基本为同一过程。
多数研究认为涨水造成的流速增加是刺激家鱼产卵的主要条件，易伯鲁 [7] 认为产卵场上江水流速陡然适当的增大，是促使亲鱼排卵的主要外界条件；周春生 [8] 根据产漂流性卵鱼类的繁殖活动是在水的上层，甚至表层进行的特点，以及家鱼人工繁殖时需要冲水以促进产卵的事实来分析，认为流速的增大在促进鱼类繁殖的诸水文因素中，是起着主要作用的；曾胜祥 [9] 据以往资料，分析认为长江干流家鱼繁殖期为4~7月，在此期间，水位上涨，流量增大，流速加快是刺激家鱼产卵必需的外界条件；陈永柏 [10] 根据秭归站和宜昌站家鱼产卵与长江水位之间的关系分析，提出水位急剧升高，随之而导致流速迅速加大，是刺激家鱼产卵的一个必要条件，江水上涨后，经过一定的时间家鱼才开始产卵，其相隔的时间与流速的大小相关。流速大，刺激产卵所需要的时间短；流速小，刺激产卵所需要的时间长。
可见，以往研究成果对于涨水流速增加是刺激家鱼产卵的主要因素，基本达成共识。在河槽较稳定的情况下，江水流速的加大是流量增加的结果，流量的增加也同时造成水位的提高。即是说，流速大小与流量多寡成正比。在工作中，经常观测水位的变动，既较容易，又较准确，所以在研究分析流速变化与家鱼产卵排精之间的关系时，利用了水位的变化来说明 [3] 。
Figure 1. Schematic diagram of middle and lower Hanjiang River and its control section
图1. 汉江中下游及控制断面示意图
余志堂 [5] [6] 提出长江宜昌以下各河段涨水幅度1.5~3.5 m，起涨0.5~2 d，家鱼即可产卵。邱顺林 [11] 据1997~1999长江家鱼早期资源监测资料，四大家鱼发江的适宜条件是5、6月江水水温
18 ℃ ~
24℃，江水水位涨幅0.73~6.92 m，平均涨幅3.77 m，流量变化范围5300~16,900 m3/s，平均增加9833 m3/s。而在汉江，当日平均涨幅在0.4 m以上时，产卵活动较为强烈 [4] 。张晓敏等 [12] 据2004年及2007年不同洪峰四大家鱼的自然繁殖情况，提出汉江中下游四大家鱼自然繁殖的水文过程初步范围是，沙洋断面洪峰初始水位达到33.82~36.71 m之间，洪峰最高水位36.86~39.80 m，上涨时间持续3~8 d，水位日上涨率达到0.44~1.50 m/d，水位上涨幅度1.55~3.14 m。
上述分析可见，各江河不同江段，以四大家鱼为代表的产漂流性卵鱼的发江产卵所需条件略有差异，主要由于采用不同年限资料，且不同产卵场对应的流量过程代表站点也不统一，所以四大家鱼产卵所需涨水条件出现多种定量结果。但可以确定的是，满足一定的水位、流量、流速涨幅(三者为同一过程)且保持一定时间是家鱼产卵所需的主要涨水条件，且在天然河道，流速增幅可用水位或流量增幅代替。
总的来说，当水温达到要求后，在涨水起始时间、起涨水位、水位涨幅、洪水历时、洪峰流量等涨水特征要素中，一定的流量涨幅与涨水持续时间是决定四大家鱼是否产卵的主要条件。
据长江中游宜昌–监利江段四大家鱼1997~1999年产卵资料，家鱼繁殖盛期，产卵规模与涨水幅度成正比：洪峰大，产卵规模大；洪峰小，产卵规模小，平均来看也就是水位(流速)增幅越大，则相应产卵规模就越大，如表1。据1976年汉江支流白河产卵场流速变化与产卵量关系可得，流速增加的幅度越大，产卵量增加的幅度就越大，如表2，而近期2009年汉江沙洋站监测情况亦有流量增幅与日产卵量正相关的结果，如图2。可见，对
Table 1. Relationship between flow rising and eggs and fries amounts of four major Chinese carps
表1. 监测江段涨水与四大家鱼鱼苗发江的响应关系
Table 2. Relationship between number of eggs-laying and flow velocity in Baihe River
表2. 白河产卵场流速变化与产卵量关系
Figure 2. Relationship between flow rising of Shayang station and number of eggs-laying in 2009
图2. 2009年汉江沙洋站流量增幅与日产卵量关系
于单个涨水过程来讲，在流速涨幅满足产卵要求以后，其涨幅越大，该洪水过程家鱼产卵量就越大。另外，从年内家鱼产卵期总产卵量上来看，在满足家鱼产卵涨水条件的前提下，年内涨水次数、总天数越多，则代表家鱼的产卵机会越多，同时产卵的时间越长，相应年内家鱼产卵量就越大，即产卵江段在产卵期总涨水日数越多，则对应家鱼年内产卵量越大。
综上可见，据长江、汉江实测以四大家鱼为代表的产漂流性卵鱼早期资源情况，在河流涨水过程可以满足刺激其产卵的基本要求后，其产卵的规模主要由涨水过程的涨水幅度以及产卵期涨水持续时间共同决定。即涨水幅度越大、涨水持续时间越长，亲鱼的产卵量就越大。
3. 丹江口水库加高调水运行模拟
3.1. 两种调水规模下丹江口调度运行方式
(1) 设计调水规模(调水95亿m3)
设计调水规模下丹江口水库调度运行采用《汉江丹江口水库可调水量研究》的研究成果，丹江口水库大坝加高的调度图如图3。
防洪：预留防洪库容，由初期规模的77.2~55亿m3提高至110~81.02亿m3，增加32.8 (夏)~26.29 (秋)亿m3。因此，汉江中下游防洪状况得到较大改善。防洪调度仍采用预报预泄，分级补偿方式。防洪限制水位为6月21日至8月21日为160 m，8月21日至9月30日为163.05 m，10月1日开始蓄水。
供水：同初期规模供水调度线拟定原则，即优先满足水源区用水，在此基础上按拟定的输水工程规模尽可能向北方调水。并按库水位高低，分区进行调度，尽可能使供水均匀，提高枯水年调水量。
发电：服从调水，利用汉江中下游需水丹江口水库补偿下泄的流量发电，不专门为发电下泄水量，仅当水库汛期面临弃水时，才加大下泄，电站按预想出力发电。根据河道外取汉江水过程、各段航道要求的航运流量，考虑区间来水过程、自下游而上游推算出要求丹江口水库补偿下泄的流量过程。
设计调水规模下丹江口调度图见图3。
(2) 初期调水规模(调水40亿m3)
经调查，南水北调中线一期工程初期调水量未达到95亿m3，初期调水规模约40亿m3，故现状年下考虑南水北调中线工程调水量按40亿m3左右实施。调度规则上，丹江口水库在南水北调中线工程调水40亿m3时调度原则与设计调水95亿m3时保持一致，仅将各供水区的供水量按比例削减。初期调水规模下丹江口调度图见图4。
3.2. 不同方案下丹江口水库调度计算
(1) 丹江口水库调度模型
按照丹江口水库调度运行方式，在保障防洪安全、南水北调中线调水及下游基本用水需求的前提下，建立了以发电量最大为目标的丹江口水库调度模型，如下所示：
1) 目标函数
(1)
2) 水量平衡约束
(2)
3) 下泄流量约束
(3)
(4)
(5)
(6)
Figure 3. Danjiangkou reservoir regulation chart in designing water diversion scale
图3. 设计调水规模下丹江口水库调度图
Figure 4. Danjiangkou reservoir regulation chart in initial water diversion scale
图4. 初期调水规模下丹江口水库调度图
4) 发电目标约束
(7)
(8)
(9)
(10)
式中：
为机组出力，kw；
为第t时段初库容，m3；
为第t时段入库流量，m3/s；
为第t时段出库流量，m3/s；
为第t时段丹江口水库供水流量，m3/s，可根据丹江口水库供水调度图确定；
为第t时段最小下泄水量，m3/s，其与库水位及入库流量有关；
为第t时段最大下泄流量，m3/s，其由库水位与最大泄流能力关系曲线确定；
为水库第t时段初库水位，m，其有水库水位与库容关系曲线确定；
为水库坝下水位，m，其由下泄水量与下游水位关系曲线确定；
为出力系数，取值8.5；
为第t时段最大出力，其与水头有关；dt为时段步长。
(2) 调度计算方案
按照前面介绍的丹江口水库调度模型，丹江口水库分别按40亿m3 (初期调水规模)和95亿m3 (设计调水规模)两种调水规模进行调度计算，计算时段为1955年6月21日至2012年6月20日，计算结果如表2。其中丹江口水库入库流量在1968年10月之前直接采用黄家港水文站径流资料，之后依据黄家港水文站、龙王庙水文站水位径流数据及灌溉用水量等资料采用水量平衡方程推求得到。
4. 丹江口水库加高调水对产漂流性卵鱼类的影响分析
4.1. 涨水条件变化
丹江口水库运行后，由于水库的径流调节作用，下游产漂流性卵鱼繁殖所需的涨水过程发生变化，影响坝下游以四大家鱼为代表的产漂流型卵鱼产卵繁殖。由于丹江口水库下泄低温水的影响，汉江四大家鱼繁殖的时间往后推迟了20天左右，从1976年和2004年早期资源监测情况来看，目前汉江四大家鱼产卵时间主要集中在7月和8月份。所以，本节重点分析丹江口加高及不同调水规模下汉江中下游河段7~8月份的涨水过程特征变化，以反映丹江口加高调水对产漂流型卵鱼类产卵繁殖的影响。
经上文长系列计算分析可知，丹江口水库加高和南水北调工程调水后，丹江口下游各站点的月均径流量均减少，其中汛期7~8月及汛后蓄水期9~10月减少幅度较大；对典型年的分析可知，汛期洪峰基本被拦于水库，原本有利于产漂流性卵鱼产卵的大洪水涨水过程消失。
丹江口水库加高调水，按照调水量的不同分为2013现状水平年调水40亿m3方式，以及2020规划水平年调水95亿m3方式。分析丹江口水库下游主要站点7~8月份3日以上流量日均涨幅的年平均值长系列变化如图5和图6可见，丹江口水库加高调水后，丹江口下游涨水过程相比加高前发生显著变化，7~8月份3日以上流量日均涨幅受到加高调水影响，显著减小；特别是7~8月有较大涨幅的年份，当水库调水运行后，涨幅的下降十分显著。
分析涨水过程特征变化，如表3。可见汉江中下游涨水特征在丹江口水库运行前后、加高调水不同运行方式，下的变化情况各异：
(1) 对于流量及水位日均涨幅，丹江口水库蓄水运行后相比运行前显著下降，其中襄阳站由1138 m3/s∙d−1、0.424 m∙d−1，下降至311 m3/s∙d−1、0.270 m∙d−1，沙洋站由1136 m3/s∙d−1、0.722 m∙d−1，下降至418 m3/s∙d−1、0.301 m∙d−1；而加高调水两种方式相比加高前亦呈下降态势，流量及水位日均涨幅继续下降至(调水40亿m3) 164 m3/s∙d−1、0.170 m∙d−1，及(调水95亿m3) 163 m3/s∙d−1、0.168 m∙d−1。
(2) 对于发生涨水次数，丹江水库运行后相比运行前增加，襄阳站由6.4次增加至7.4次，沙洋站由6.3次增加至6.6次；而加高调水两种方式下，涨水次数继续增加，襄阳站增加至(调水40亿m3) 8.9次、(调水95亿m3) 9.0次，沙洋站增加至(调水40亿m3) 7.3次、(调水95亿m3) 7.5次。
(3) 而单次涨水持续时间则在各运行方式下均变化不大，襄阳站在4天左右，沙洋站则平均4.5天左右。
(4) 7~8月3日以上涨水的涨水总天数增加，襄阳站由丹江口水库运行前的27.1天增加至29.5天，沙洋站由27.3天增加至29.8天；加高调水两种方式运行后，涨水总天数继续增加，其中襄阳站增加至(调水40亿m3) 34.3天、(调水95亿m3) 34.5天。
基于上述分析可知，丹江口水库蓄水运行后，下游涨水幅度显著下降，而涨水次数增加，单次涨水天数不
Figure 5. Comparing measured average flow increases above three days in August and July from 1956 to 2011 with calculated value in different transferring water rules of 4 billion m3 and 9.5 billion m3 in Xiangyang station
图5. 1956~2011年襄阳站7~8月3日以上流量年平均日均涨幅的实测值与调水40亿m3和95亿m3对比
Figure 6. Comparing measured average flow increases above three days in August and July from 1956 to 2011 with calculated value in different transferring water rules of 4 billion m3 and 9.5 billion m3 at Shayang station
图6. 1958~2011年沙洋站7~8月3日以上流量日均涨幅的年平均实测值与调水40亿m3和95亿m3对比
Table 3. Change of flow increases in different operation rules of Dangjiangkou reservoir
表3. 不同运行方式下丹江口水库下游涨水特征值变化
变，涨水总天数增加；加高调水后，下游涨水幅度进一步下降，而涨水次数进一步增加，单次涨水天数仍变化不大，而涨水总天数亦进一步增加；调水40亿m3与调水95亿m3两种调水方式相比，各项涨水特征值均没有显著变化。
4.2. 汉江鱼类资源变化诱因
汉江中下游由于丹江口水库的调节作用，部分鱼类产卵场受损，甚至消失，产卵规模明显减小，汉江鱼类资源的呈现衰退趋势。在1977年~1978年、2004年、2006年~2007年对汉江中下游鱼类资源进行了较为系统的调查监测，其调查的结果表明，汉江中下游干流原王甫洲产卵场因王甫洲水电枢纽的修建已消失；四大家鱼产卵数量减少了1处，产卵场位置有所变化，襄樊产卵场消失；四大家鱼卵苗径流量下降明显，从20世纪70年代末的近5 × 108粒(尾)下降到2004年以后的不足1 × 108粒(尾)，下降幅度明显。同时，四大家鱼卵苗径流量占鱼类卵苗总径流量的比例也从19.0%下降到了1%以下。丹江口水库运行后，以四大家鱼为代表的产漂流性卵鱼产卵场整体变化不大、位置略有移动，水库运行后的主要涨水条件仍可满足基本产卵要求，但产卵规模却受其影响显著下降。总体上，丹江口水库运行以来，汉江中下游影响产漂流性卵鱼产卵繁殖的涨水过程，发生两方面显著变化：① 建库后年内持续3天以上涨水过程的发生次数、持续时间相比建库前有所增加；② 建库后年内持续3天以上涨水过程的日涨水率相比建库前显著减小。一方面，涨水过程发生次数及总持续时间的增加，有利于亲鱼产卵繁殖、维持产卵规模；另一方面，日涨水率的显著下降不利于亲鱼的产卵及产卵量。汉江早期鱼类监测资料显示丹江口水库运行后汉江中下游产卵量萎缩。可见，日涨水幅度下降的不利影响要大于涨水发生次数及总持续时间增加的有利影响。即丹江口下游影响产漂流性卵鱼产卵繁殖的两个主要涨水特征要素中，涨水幅度比涨水持续时间的影响更大。
综上所述，丹江口运行导致下游涨水幅度下降，涨水持续时间增加，共同导致汉江中下游产漂流型卵鱼产卵量下降。而加高调水工程实施后，进一步加剧了上述涨水特征变化。7~8月涨水过程中日涨水幅度的降低是导致坝下游产漂流性卵鱼类产卵规模减少的主要诱因，故调水工程实施后，坝下游产漂流性卵鱼的产卵量可能进一步减少。
5. 结论
本章依据丹江口水库加高调水的运行规则，模拟分析了丹江口水库加高后两种调水规模下，汉江中下游主要水文站点的水文情势变化，并结合水文情势的变化特征，分析了调水后可能对汉江中下游水华及产漂流性卵鱼类的影响。丹江口水库蓄水运行后，下游涨水幅度显著下降，而涨水次数增加，单次涨水天数不变，涨水总天数增加；加高调水后，下游涨水幅度进一步下降，而涨水次数进一步增加，单次涨水天数仍变化不大，而涨水总天数亦进一步增加；调水40亿m3与调水95亿m3两种调水方式相比，各项涨水特征值均没有显著变化。总体来看，丹江口水库加高调水不同规模下，汉江中下游7~8月涨水过程的涨水次数和总涨水天数有所增加，但日平均涨水幅度显著下降；经丹江口运行前后实际情况分析，涨水幅度的降低是导致坝下游产漂流性卵鱼类产卵规模减少的诱因，故调水工程实施后，涨水特征的变化情况会导致汉江中下游产漂流性卵鱼的种群及产卵量萎缩。
基金项目
国家自然科学基金项目(51509012; 51509008; 41601043)；中国长江三峡集团公司经费项目(0799553)。