控沙作业对大坝水库鱼类和大型无脊椎动物群落的影响

《River Research and Applications》：Effects of Sediment-Control Operations on Fish and Macroinvertebrate Communities in Dam Reservoirs

　　

沉积物在许多河流和大坝管理中因对水资源利用和防洪的不利影响而被回避。近年来，包括冲刷排沙（sluicing）在内的沉积物控制措施已被用于管理河道沉积物并恢复筑坝河流中的生物群落。冲刷排沙是一种通过在洪水事件期间建立流水条件（lotic conditions），使含沙水流通过大坝以控制水库沉积物淤积的技术。尽管冲刷排沙作业能够为坝下河道提供沉积物并增加群落多样性，但其对水库动物群的影响仍不清楚。因此，本研究旨在利用14年的监测数据，调查冲刷排沙作业对日本两处水库鱼类和底栖无脊椎动物群落的影响。研究结果显示，冲刷排沙作业后，水体总硝酸盐显著增加，底层氧化还原电位（ORP）升高，冬季悬浮固体（SS）降低，夏季大型无脊椎动物群落的分类单元丰富度和总密度降低。然而，结果表明大型无脊椎动物和鱼类的种群在每次大坝作业后随时间恢复。总之，尽管冲刷排沙作业减少了水库生物量，但大型无脊椎动物和鱼类丰富度在作业后数月内得以恢复，表明大坝作业对生物量的影响可能较小。

## 一、研究背景与问题提出

水库淤积因其降低蓄水能力和防洪安全性而对可持续供水产生不利影响，因此沉积物控制管理尤为重要。与此同时，水库对河道沉积物的拦截导致下游河床粗化，严重影响筑坝河流的群落与生态系统，已成为另一重大环境问题。近年来，沉积物控制措施如沉积物增补、沉积物旁路隧道及冲刷排沙等被相继实施，以在可持续水资源利用与生态恢复之间取得平衡。然而，尽管这些措施对坝下淡水生物群落的正面效应已被广泛报道，但关于其对水库内生物群落影响的研究仍十分有限。

水库作为包含多种重要生物的人工环境，是商业渔业和水产养殖的重要场所。冲刷排沙是一种在大流量事件前降低库水位，使含沙水流穿坝而过的沉积物管理措施。已有研究表明，该措施能促进坝下河道地貌多样化并恢复大型无脊椎动物群落，但水位与流速条件变化可能对水库生物群产生影响。例如，水位下降可导致鱼类群落同质化，水库泥沙冲刷曾导致鱼类密度下降约直径且长期未能恢复。尽管也有研究认为小幅度的水位下降对小型冷水水库的大型无脊椎动物和鱼类无显著影响，提示避难所的存在、降幅持续时间及 timing 的重要性，但冲刷排沙对水库生物群的综合影响仍缺乏系统研究。基于此，研究人员利用日本耳川的长期监测数据，开展了冲刷排沙对水库鱼类和大型无脊椎动物群落效应的研究，论文发表于《River Research and Applications》。

## 二、主要技术方法

研究采用日本耳川**西乡大坝**（Saigo Dam，库表面积400,000 m²，总库容2,450,000 m³)和**大内原大坝**（Ohuchibaru Dam，库表面积880,000 m²，总库容7,490,000 m³)的监测数据，为九州电力株式会社提供的2008—2021年长期序列。水质参数包括水温、电导率、溶解氧（DO)、化学需氧量(COD)、悬浮固体(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)等；底质条件涵盖氧化还原电位(ORP)、pH、烧失量、总有机碳(TOC)、总硫化物(TS)等；生物监测包括夏冬两季的大型无脊椎动物（苏伯采样器采集， scuba diver 操作）与夏秋季的鱼类调查（刺网、手抛网、抄网，计算单位捕捞努力量渔获量CPUE）。统计方法采用Brunner-Munzel非参数检验比较作业前后差异，以Cliff's delta计算效应量，非度量多维标度(nMDS)和非参数多元方差分析(npMANOVA)分析群落结构。

需要说明的是，受调查频率逐年降低、年份间数据收集不一致及缺乏适当对照点等因素制约，研究未能采用理想的前后对比-控制-影响设计，而以作业前数据范围为基线，将恢复力定义为回归基线范围。

## 三、研究结果

### 水质与底质条件变化

通过2008—2021年水质监测数据的Brunner-Munzel检验分析发现：九月表层和底层的总磷(TP)在西乡大坝显著升高（尽管绝对值仍低于日本环境标准0.1 mg/L）；一月大内原大坝表层和底层悬浮固体(SS)显著降低，推测系坝下沉积物过滤效应所致；一月大内原大坝底层水温显著升高，但可能与长期气候变化趋势有关。底质方面，大内原大坝氧化还原电位(ORP)显著上升，西乡大坝总氮(TN)显著升高，两者ORP效应量均较大(0.56—0.68)，且总硫化物(TS)呈降低趋势，反映冲刷排沙为底层沉积物供氧并减少厌氧条件。总体而言，水质参数在监测期内呈暂时性波动，因水库周转率高而快速恢复。

### 大型无脊椎动物群落

研究共记录132个分类单元，优势类群包括摇蚊亚科(Chironominae，42.0%)、直突摇蚊亚科(Orthocladinae，16.0%)、蜉蝣属(Ecdyonurus spp.，5.9%)等。监测期间群落结构、分类单元丰富度、总密度和生物量波动较大。Brunner-Munzel检验显示：大内原大坝夏季分类单元丰富度和总密度显著降低（效应量分别为?0.95和?0.71），但冬季这三项指标效应量为正(0.12—0.50)；西乡大坝夏季总密度效应量较大(?0.52)但未达显著。值得注意的是，每次冲刷排沙作业后约三个月内，各项参数即恢复至作业前范围。npMANOVA显示群落组成存在显著的季节差异(F=18.27, p<0.001)和库区间差异(F=8.59, p<0.001)，但作业前后无显著差异(F=0.09, p=0.886)。西乡大坝2017年因大坝改修长期低水位期间，大型无脊椎动物极度衰退，但恢复水位后约四个月即恢复，表明其对短期水位波动具有抵抗力和恢复力。

### 鱼类群落

研究鉴定22种鱼类，优势种为宽鳍鱲(Opsariichthys platypus，24.0%)、唐鱼(Candidia temminckii，17.1%)、高体鲫(Carassius auratus langsdorfii，14.9%)等。监测期间鱼类群落结构、分类单元丰富度和总密度波动显著，但作业前后未观察到明显变化。Brunner-Munzel检验显示各季节各库区的分类单元丰富度和总密度均无显著差异。虽然每次作业后两个月内出现丰富度和密度的即时下降，但均在次年夏季前充分恢复。npMANOVA对六种优势种及全部22种的分析均未发现季节间、库区间及作业前后的显著差异。nMDS排序显示种类组成未见沿作业因素的明显分化。

## 四、讨论与结论

### 讨论总结

**短期影响机制与恢复特征**：研究证实冲刷排沙作业对水库生物群的影响总体有限且具可逆性。大型无脊椎动物的显著下降仅出现在大内原大坝夏季，可能与夏季高温期代谢需求增加及避难所可达性降低的复合效应有关，但具体机制需进一步研究。摇蚊类作为优势类群，具有至少一个月的干旱耐受能力，故能抵御数天的水位变动。鱼类的即时下降与快速恢复则可能归因于个体向库内外缓流区迁移并在作业后回归——监测中主要捕获成鱼，排除了繁殖补充对恢复的贡献。与Grimardias等报道的泥沙冲刷导致鱼类密度下降57%且16个月未恢复相比，本研究中最大悬浮固体浓度仅约1.5 g/L且持续数小时，暴露强度与 duration 远低于前者(11.0 g/L持续约280小时)，这符合悬浮固体浓度与暴露时间累积效应决定生物影响的规律。

**生态系统管理意涵**：冲刷排沙在模拟自然沉积物动态方面具有优势——其沉积物供给量在数量、质量及时机上均接近自然过程，优于颗粒分选的沉积物增补和隧道旁路输沙方式。然而，该措施仅适用于周转率高、分层不明显的小型水库，并非普适方案。西乡大坝的鱼道促进了库间鱼类交流，可能增强了种群的恢复能力与群落相似性。

**研究局限与展望**：单一采样点的空间代表性、重复调查导致的假重复风险、以及无法完全分离大坝改修与冲刷排沙效应等因素，要求结论需谨慎解读。未来需继续监测以保障水生生态系统可持续性，并探索对水库生物群影响最小的排沙与冲刷技术方案。

### 结论翻译

Although this study has various limitations and conclusions should be drawn cautiously, the abundance and diversity of macroinvertebrate and fish communities generally returned to the level before sluicing operation a few months after ones, indicating a limited impact on reservoir biota. Given that the dam operation will continue in the Mimi River, it will be necessary to carefully monitor aquatic ecosystems in the future to ensure their sustainability.

尽管本研究存在多种局限性且需谨慎得出结论，但大型无脊椎动物和鱼类群落的丰度与多样性通常在冲刷排沙作业后数月内恢复至作业前水平，表明其对水库生物群的影响有限。鉴于耳川的大坝运行将持续进行，未来有必要对水生生态系统进行审慎监测以确保其可持续性。