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以生態觀測建立河川魚類棲地適合度曲線-2009/07/22

以生態觀測建立河川魚類棲地適合度曲線 Establish the Fish Suitability Curve by the Camera 國立中央大學土木工程學系吳瑞賢Ray-Shyan Wu /教授兼系主任溫博文Po-Wen Wen /博士後研究員羅義碩Yi Shuo Luo /碩士
摘 要
本研究於玉峰溪旁的玉峰水位站,設置一生態觀測站,運用水中攝影機觀測玉峰溪之棲地情況與河川魚類的出現次數,並由經濟部水利署北區水資源局取得之水文資料,運用非線性迴歸分析出水位-流量率定曲線,因而得到平均流速及平均水位,再配合攝影機於玉峰溪之有效攝影範圍的斷面資料,與玉峰溪之總斷面資料的關係,推估出有效攝影範圍斷面的平均流速及平均水深,最後將魚體出現次數予以標準化處理(最大值為1),配合有效攝影範圍斷面的平均流速與平均水深,制定一針對玉峰溪河川魚類,建立其水深、流速等棲地適合度曲線,並與國內學者以不同方式,針對不同指標魚種,所制定之適合度曲線,加以比較。關鍵詞:棲地適合度曲線,魚體出現次數
ABSTRACT
This study set up an ecological observation station in the Yufeng flow gauge by the river bank of the Yu Feng River. An underwater video camera was used to observe habitat situation and emergence frequency of fish species. The hydrology data provided by Northern Region Water Resources office, Water Resources Agency Ministry of Economic Affairs, were analyzed to get level-discharge rating curve via nonlinear regression. Then the average flow velocity and the average water depth can be obtained sequentially. Comparative studies of cross section parts photoed by camera and the total section of Yu Feng River was evaluated to investigate the average flow velocity and the average water depth in the observation window. Finally the fish form emergence frequency to habitat suitability is normalized (on a scale from 0 to 1). The study utilized the average velocity and water depth pictured by underwater video camera to establish the curve of habitat suitability, aiming at fish in Yu Feng River. Moreover, this habitat suitability curve was examined to compare with different fishes and different methods devised by other researches. Keywords: Habitat Suitability Curve,Fish Farm Emerge Frequence
一、前言
台灣地區長久以來,河川管理多以人為出發點,注重開發及利用,卻往往忽略了賴水維生的河川生物。如今世人逐漸認同河川水資源為天然公共財,以及開始重視河川生態保育的理念下,在既有的河川治理原則且不影響人民生命財產安全的情況下,河川生態復育已成為當今所重視的課題。河川水量的大小影響到流速與水深,滿足河川生物生存,以及維持河川生態系統穩定及平衡所需的最低需水量,稱為河川的生態基準流量(Jowett,1997)。因此國內外發展出許多生態基準流量評估法,但大部分之生態基準流量評估法在進行模擬評估前,必須針對河川棲地生物建立其水深、流速等棲地適合度曲線。目前國內許多學者皆使用不同的方式,針對單一或不同的指標魚種,建立其河川棲地適合度曲線。有鑑於此,本研究欲以生態觀測的方式,制定一針對河川棲地生物建立其水深、流速等棲地適合度曲線,並與國內學者以不同方式,針對不同指標魚種所制定之棲地適合度曲線,比較其優缺點。
二、文獻回顧
近年來各界開始重視河川生態保育,在留給河川生物基本生存所需水量生態基流量)的理念下,本研究欲建立河川魚類針對流速與水深之棲地適合度曲線,並與國內其他學者以不同方式,針對不同指標魚種,所制定之棲地適合度曲線,比較其優、缺點,以提供日後評估河川生態基流量、模擬生態棲地之參考。 2.1 魚類採樣方法之比較目前國內河川生態學者進行魚類採樣常用之方法有電魚法、蝦籠補捉、手拋網、潛水及釣魚法採集,主要以電魚法採集為主,其他採集法為輔(汪靜明,1991)。各調查方法整理如下所示:潛水觀察法:潛水觀察通常用於水質較清澈,能見度較佳之溪流,可分為浮潛與水肺潛水兩種方式。浮潛適用於瀨區及清澈、較淺的潭區進行,深度超過3 公尺以上的潭區,則以水肺潛水較適合。蘇六裕(1993)選擇濁口溪流域,茂林村情人谷及萬山村幽幽谷,以浮潛的方式在各個魚類棲地利用水域型態(急瀨、平瀨、深潭)發現,高身鏟?魚的棲地利用以急瀨棲地(水深範圍在0.5~1m,流速範圍在0.48~1.1m/s)及深潭棲地(水深範圍在3~4.5m,流速範圍在0.12~0.76m/s)為主。 釣捕採集法:釣捕採集一般區分為手竿及甩竿式垂釣。但整體而言,釣捕法所得之魚相部分,僅可作為該地區水域,優勢魚種組成的參考,並不足以代表該地區之魚類群聚。籠具採集法:籠具採集為採用竹製式或塑膠式之籠具,放入誘餌吸引魚族進入籠內,通常用於潭區或湖沼等。李德旺(2003)從2001 年2 月到2002 年10 月,每月一次,以魚籠採集法在大甲溪烏溪流域,進行台灣白魚分布調查,發現台灣白魚在水深0.11~0.3m,流速小於0.5m/s,其被發現頻率較高。 網具採集法:網具採集一般可分為手抄網、投網、刺網、待袋網及小型底拖網。網具採集法主要皆以網具將魚族撈至岸上,進行相關量測工作。電具採集法方面,目前國內常用的電魚採集法主要有背負式電魚器採集法,及方形電格魚類採集。葉明峰(2002) 以台灣石為推估棲地適合度曲線之對象魚種,選擇濁水溪的主流及其重要支流為研究溪段,在樣區內選定10 個以上之採樣點,每一採樣站視河寬大小分成數十個方形樣格,再於其中系統抽樣10 個方形樣格,在每一方形樣格內之河床上,沿樣格長邊各放置1 根3 公尺長的5 分銅管,短邊間距為1.5 公尺,下游端各以絕緣銅線連接至岸上之發電機,使放電時形成長3 公尺、寬1.5 公尺的方形電場,再使用450W/120V 的交流電輸出30 秒,使方形樣格內的魚類暈厥,暫時喪失逃逸能力,每一樣格經11 分鐘以上的時間使其恢復常態,並於方形樣格下游處將魚撈起,實施魚類採樣及棲地特性調查,記錄完後隨即將魚釋放回原溪流,然後在方形樣格內測量四個角落及中心點的流速及水深,代表樣格之平均流速及平均水深。 背負式電魚器採集法:李信孝(2003)將十二伏特的蓄電池為電源,組裝而成的背負式電魚器,在溪流中以形同英文字母Z 的形狀為行進路徑,將背負式電魚器以閒歇放電的方式,將魚電昏,隨後將昏厥的魚隻撈起,進行魚種、特徵、體長、體重、數量等相關量測工作。李德旺(1999)在大安溪烏溪大甲溪濁水溪北港溪曾文溪高屏溪林邊溪東港溪、枋山溪、四重溪、楓港溪等12 條水系,共選定124 個採集站,以電魚法(直流電12 伏特背負式電魚器)進行埔里中華爬岩鰍分布調查,發現其流速適合度範圍在0.6~1.4m/s 之間,最適合流速為1.0m/s;水深適合度範圍在0.2~0.4m之間,最適合水深為0.38m。汪靜明等(2000)在濁水溪流域上游栗栖溪,藉由電魚法在各魚類棲地利用水域型態(淺流、淺瀨、深流、深潭、岸邊緩流)分類發現,台灣纓口鰍、台灣爬岩鰍與川?虎於淺瀨、淺流被捕獲之單位努力魚獲量(Catch Per Unit Effort,簡稱 CPUE)最多,屬於典型的嗜急流魚種;粗首?、台灣石、?魚、羅漢魚、台灣鮠由CPUE 可知,屬於嗜急流與嗜深潭魚種;而各魚種之幼魚則屬於嗜岸邊緩流魚種。翁智鴻(2003)根據2004 年4 月30 日及2004 年5 月14 日,採用背負式電魚器於台北縣境內雙溪河流域之枋腳溪進行相關的生態調查工作,得到平頜?及明潭吻?虎魚的適合度曲線。 2.2 本研究魚類採樣製作方法優、缺點之探討本研究於水中架設水中攝影機,以固定攝影的方式,定時定點將影像資料取回分析,以利分析記錄魚類個體出現次數,此一觀測方式可以長時間連續記錄魚群生活習性,並可將水深、流速、水溫、水質等相關水文資料一併傳送分析,對於魚類生活棲地不會造成影響,且可得知不同時段魚類個體出現次數的增減。
優點:
(1)不會對魚體造成傷害。
(2)對原生態環境不會造成破壞。
(3)不受水理參數(流速、水深)之影響。
(4)不受氣候之影響。
(5)可得知不同時段魚類個體出現次數的增減。
缺點:
(1)魚類個體出現次數並不能夠做精確的數量級。
(2)不能夠清楚辨別魚體特徵。
(3)受水中攝影機攝影範圍之影響。
(4)受水體水質之影響。
三、資料來源與分析
3.1 研究案例本研究以大漢溪上游支流,位於新竹縣尖石鄉玉峰村境內的玉峰溪為研究河段,於玉峰溪旁的玉峰水位站設置一生態觀測站,水位站高程為684m,如圖1 所示,並於生態觀測站所處的河道斷面,架設相關量測儀器,進行相關量測工作。 3.2 現地魚種由經濟部水利署北區水資源局所得資料可知,玉峰溪內有四種主要魚種,分別為台灣石、台灣鏟(合頁)魚、平(合頁)、褐吻蝦虎魚。經過實地探訪玉峰溪並詢問當地居民得知,玉峰溪數量最多的魚種為台灣鏟(合頁)魚及台灣石。由台灣魚類誌(沈世傑等,1993),台灣石(Acrossocheilus paradoxus),俗稱石斑,屬鯉科魚類,為台灣特有種,初級淡水魚,喜歡棲息於水流湍急、較高溶的溪流或清澈溪潭,成魚體型約7~15 公分,較大者可達20~25 公分,常出現在急瀨中、巨石附近或是後方水潭,幼魚則喜歡棲息於岸邊水流較緩慢處。屬雜食性,主要攝食於石頭上的藻類及水生昆蟲。台灣鏟(合頁)魚(Varicorhinus barbatulus),俗稱苦花、(固魚)魚,屬鯉科魚類,初級淡水魚,成魚可長到30~50 公分以上,喜歡棲息於河川上游水質冷而清澈的水域,於溪面較開闊、落差稍大、底質巨石較多、急湍上下以及深潭水域較容易發現其身影;幼魚則棲息於溪流旁水流較緩慢、河床底質含沙及細小卵石處。以附著於石頭上的藻類為主食,也攝取小型之無脊椎動物。褐吻蝦虎魚(Rhinogobius brunneus),俗稱狗甘仔,屬蝦虎科魚類,周緣性淡水魚,因其喜好棲息於河床底部,屬底棲性魚類,本研究並未發現其具清晰魚體特徵之影像,是故由北區水資源局取得其照片,成魚最大體長可達10 公分,喜好棲息於流速較緩的環境中,為肉食性,同一種有許多型態上的差異。平(合頁)(魚鬣)(Zacco platypus),俗稱溪哥仔,屬鯉科魚類,初級淡水魚,喜好棲息於河川中游附近,生性活潑好動,具群集特性。雜食性,以失足掉入水中的昆蟲、捕食水生昆蟲及浮游的幼魚、及刮食石頭上之藻類等為食。 3.3 水文資料來源與分析玉峰溪研究區域具有一水文觀測站,經濟部水利署北區水資源局不定期派作業員前往玉峰水位站,以現場量測位於水位站所處的玉峰溪河道斷面及斷面流速測量測定之平均斷面法(Mean-section method)來推估流量。由北區水資源局所得資料,玉峰水位站零流量時的水位高程(z)為684 公尺,將現場量測所推估的流量及所量測到的水位,利用非線性迴歸分析可得迴歸式並可繪制出水位-流量率定曲線。本研究於2003 年9 月3 日,在玉峰水位站架設相關量測儀器,資料取2003 年9 月3 日至2004 年8 月23 日之間。流量及斷面資料採用2002 年北區水資源局於玉峰溪現場量測所推估結果。日平均水位、流量方面,由水位-流量率定曲線的非線性迴歸式可得影像日期的日平均流量。日平均流速方面,將北區水資源局於玉峰溪現場量測所得到之斷面面積加以平均,可得平均面積為22.75m2,由連續方程式Q = V * A,可得到影像日期的日平均流速。日平均水深方面,由北區水資源局網站所得到的資料得知,玉峰水位站高程為684m,將影像擷取日期的日平均水位減去684m,可得日平均水深。 3.4 影像資料分析本研究於大漢溪上游玉峰水位站設置一生態觀測站,於水中架設水中攝影機,觀測魚體出現次數。以固定攝影的方式,定時定點將影像資料存檔並取回分析。此一觀測方式可以長時間連續記錄魚群生活習性,並可將在現場所量測到的水溫、水質等相關水文資料一併傳送分析,對於魚類生活棲地不會造成影響,且可得知不同時段,魚類個體出現次數的增減。本研究所使用之生態觀測方法,為當一魚族進入攝影機所照射之範圍內,不論其停留於鏡頭前多久時間,僅算其個體出現一次,但若其離開攝影範圍之後再進入,視為另一出現之魚類個體。將某單位時間(例如:1 小時)內,魚類個體的出現次數累加至某段時間(例如:13 小時),魚類個體於某段時間內出現的次數所代表之意義,可視為魚族活動力之表現。影像資料分析的日期由2003 年9 月至2004 年8 月。因夜晚光線昏暗,導致無影像資料輸入,影像擷取時間取6:00 至19:00,運用影像監控系統,觀測魚類個體依時間、日期所出現的影像資料,將其建檔存入電腦,定期至生態觀測站將資料取回並加以分析。將由生態觀測站所取回的影像資料,開啟影像瀏覽系統,將魚纇個體自2003 年9月至2004 年8 月期間,每一天的6:00 至19:00 所出現的影像重現,長時間且連續的隨著時間(每小時)、日期所出現的次數並加以紀錄。魚體特徵的影像界定,將決定目標物是否為魚體,由由圖2(a-c)有可辨識目標物的魚體特徵,故界定此影像的目標物為一魚類個體。由圖3(a-c)所圈出之目標物可看出其影像模糊,由目標物辨識不出其魚體特徵、魚體形狀,故界定此影像的目標物不為一魚類個體。
3.5 現地影響項目及攝影範圍之量測生態觀測的方式是將水中攝影機放入溪流中,長期且連續的觀測魚體出現的次數。於此情況下,本研究擬定溪流的水質、天氣的情況、以及攝影範圍,將成為影響魚體出現次數的重要因素。水中攝影機在溪流中的攝影範圍,將影響魚體出現的次數。溪流的水質及天氣的情況,將影響水中攝影機在溪流中的攝影範圍,以及魚類的生態情形。所以本研究以水質(濁度pH 值、溶)、天氣情況(照度、水溫、降雨量)為影響攝影範圍的參考因素。本研究分別於2005/1/20、2005/4/10、2005/4/18 前往玉峰溪現場,進行現地影響項目的量測。在水質方面,運用直讀式綜合水質分析儀進行pH 值及溶之量測;運用直讀式濁度計進行濁度之量測。在天氣情況方面,運用數字照度計進行照度之量測;運用高感度水銀溫度計進行水溫之量測;由北區水資源局網站,可得影像擷取日期間降雨量的資料。 3.6 有效攝影範圍斷面之日平均水深及日平均流速的推估本研究於2003 年9 月3 日至玉峰水位站所處之玉峰溪斷面,架設水中攝影機,此架設之位置於玉峰水位站旁的一大岩壁上,距離玉峰水位站4m 處,將攝影機架設在水面下0.5m 處,玉峰溪河道斷面及水中攝影機所處斷面位置如圖4 所示。圖中圓錐體所圍成之體積,為攝影機之有效攝影範圍。本研究以2002 年北區水資源局不定期派作業員前往玉峰溪現場量測所得之斷面資料,配合本研究於2005/4/27 前往玉峰溪下游石門水庫所量測到之有效攝影範圍,推估出有效攝影範圍斷面之日平均水深及日平均流速。 四、結果與討論 4.1 現地影響項目及攝影範圍本研究於2005/1/20、2005/4/10、2005/4/18 前往玉峰溪,於上午十一點至十二點的期間,進行pH 值、溶濁度、水溫、照度之量測,其所得結果如表1 所示。
由表1可知,雖然pH 值於正常範圍內,但溶明顯偏小,濁度明顯偏大。是故本研究根據「石門水庫上游引用水源污染防治規劃」之研究,在1992 年及1993 年分別對石門水庫上游玉峰溪水質,進行過四次採樣,將其值加以平均,如表2 所示。由表2 可知,玉峰溪水質於採樣期間(1992 年~1993 年),其濁度低,水質清澈,pH 值於合理範圍,而溶於水質水量標準來看,屬輕度污染之河川。本研究以表2 所得之結果,作為影像分析期間(2003 年9 月~2004 年8 月),玉峰溪水質之參考。 4.4 棲地適合度曲線本研究欲制定一針對河川魚類,建立其棲地適合度曲線(Habitat Suitability Curve,HSC)。將有效攝影範圍斷面的平均流速(v)為橫軸,魚體出現次數總和為縱軸,可繪得其關係圖,如圖5 所示。將有效攝影範圍斷面的平均水深(d)為橫軸,魚體出現次數總和為縱軸,可繪得其關係圖,如圖6 所示。 4.4.1 流速適合度曲線於有效攝影範圍斷面內,所有影像分析資料的流速皆介於0.14~2.56m/s 之間,亦即在流速為0.14 m/s 以下及2.56m/s 以上,並無影像分析的參考資料。因由生態觀測法所得到的魚體出現次數,並不能夠做精確的數量級,故本研究經由圖5,將魚體出現次數予以標準化處理(棲地適合度),再將各流速所觀測到的最大棲地適合度值(Habitatsuitability)取出分析。將流速在0.14~0.34m/s 之間所對應的最大棲地適合度值取出分析,可得一迴歸式及其限制式。將流速在0.34~2.56m/s 之間所對應的最大棲地適合度值取出分析,可得一迴歸式及其限制式。流速在0.14~0.34m/s 及0.34~2.56m/s 之間,各可得一迴歸方程式關係的曲線,如圖7 所示。於有效攝影範圍斷面內,所有影像分析資料的流速alled(皆介於0.14~2.56m/s 之間,於0.14m/s 以下及2.56m/s 以上,並無得影像資料,故本研究所得到之流速適合度曲線,其適用之範圍為流速在0.14~2.56m/s 之間。是故本研究訂定攝影範圍內之流速適合度範圍在0.14~2.56m/s 之間,最適合流速為0.34m/s。 4.4.2 水深適合度曲線於有效攝影範圍斷面內,所有影像分析資料的平均水深介於0.96~1.57m 之間,亦即在平均水深為0.96 m 以下及1.57m 以上,並無影像分析的參考資料。因由生態觀測法所得到的魚體出現次數,並不能夠做精確的數量級,所以本研究經由圖6,將魚體出現次數予以標準化處理(棲地適合度),再將各水深所觀測到的最大棲地適合度值(Habitat suitability)取出分析。將水深在0.96~1.12m 之間所對應的最大棲地適合度值取出分析,可得一迴歸式及其限制式。將水深在1.12~1.57m 之間所對應的最大棲地適合度值取出分析,可得一迴歸式及其限制式。水深在0.96~1.12m 以及1.12~1.57m 各可得一迴歸方程式關係的曲線,如圖8 所示。於有效攝影範圍斷面內,所有影像分析資料的水深皆介於0.96~1.57m 之間,於0.96m以下及1.57m 以上,並無得影像資料,故本研究所得到之水深適合度曲線,其適用之範圍為水深在0.96~1.57m 之間。是故本研究訂定攝影範圍內之水深適合度範圍在0.96~1.57m 之間,最適合水深為1.12m。 4.5 與國內學者所制定之棲地適合度曲線的比較本研究並未將魚種分類,亦即除了玉峰溪現地魚種(台灣石、台灣鏟(合頁)魚、平(合頁)、褐吻蝦虎魚)外,不分種類,只要辨識的出魚體特徵、形狀,一律界定為魚類個體,並沒有優勢魚種的區分。是故本研究將針對玉峰溪中的棲地魚類,所制定出之棲地適合度曲線,與國內各學者針對不同的優勢魚種,所制定的棲地適合度曲線做比較。本研究並未將魚種分類,是故將所得到的適合度曲線、流速適合度範圍、最適合流速、水深適合度範圍、最適合水深,與各學者針對優勢魚種所得之結果取出比較,如圖9、10 所示。 五、結論與建議本研究以水中攝影機觀測魚類進而推求出研究樣區魚類適合度曲線,其結論與建議如下:運用生態觀測法,流速在0.14~0.34m/s 及0.34~2.56m/s 之間,各可得一迴歸方程式關係的曲線。攝影範圍內的流速適合度範圍在0.14~2.56m/s 之間,最適合流速為0.34m/s。水深在0.96~1.12m 以及1.12~1.57m 之間,各可得一迴歸方程式關係的曲線。攝影範圍內的水深適合度範圍在0.96~1.57m 之間,最適合水深為1.12m。流速適合度範圍方面,因本研究所使用的生態觀測法是將水中攝影機固定在水中,觀測魚體的出現次數,並不會因為流速的關係而發生作業上的問題,所以流速適合度範圍明顯比國內各學者所制定之範圍大出許多,是否受因推算有效攝影範圍的平均流速,而導致產生誤差的影響,或受氣候(天氣、颱風……)的影響、或為其河川棲地本身之棲地特性的關係,本研究於此並未加以討論。最適合流速方面,雖然流速適合度範圍明顯較大,但最適合流速則與其他學者相去不遠,且當流速大於最適合流速,則隨著流速的增加,魚體出現次數有顯著減少的趨勢,意味著玉峰溪的魚類並非嗜高流速的魚種。由此可知本研究所使用的生態觀測法,與國內學者所使用方法,可得合理的結果,且不會對魚體造成傷害,造成生態上的失衡。水深適合度範圍方面,因本研究於玉峰溪放置攝影機的河段棲地區域,以水深較深的深潭(水深大於0.3m,流速小於0.3m/s)或深流(水深大於0.3m,流速大於0.3m/s)的流況較多,於影像資料可觀測到魚苗及非現地魚種的出現,證明此河段區域的魚群已適應其棲地特性。玉峰溪位於新竹縣山區,由泰崗溪白石溪匯流而成,流量較多,是故出現魚類個體的水深,明顯的比國內學者所制定之水深大出許多,可提供無法長時間從事河川魚類生態調查的水利、生態、環境……等專家在模擬山區河川,相同流況之生態基本流量的參考。因放置攝影機之河段棲地,為水深較深的深潭及深流,是故最適合水深明顯較深,可於同一條河川,不同棲地之類型架設攝影機,將其所得之棲地適合度曲線加以統合整理,可得較趨於完整、客觀之結果。建議可於同一條河段當中,選取不同潭瀨類型的區域,架設水中攝影機,進行生態觀測,其所建立之針對流速、水深等的棲地適合度曲線,將提供更趨於完整的資料。本研究僅針對水質及天氣項目做考量,建議未來可以食物來源項目、河床底質項目、植物覆蓋面積項目等,做更趨於完善之研究。
參考文獻
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相關圖片

  • 圖1 玉峰溪流域圖
  • 圖2 具備魚體特徵影像
  • 圖3 不具備魚體特徵影像
  • 圖4 水中攝影範圍示意圖
  • 圖5 魚體出現次數與平均流速關係圖
  • 圖6 魚體出現次數與平均水深關係圖
  • 圖7 流速適合度曲線圖
  • 圖8 水深適合度曲線圖
  • 圖9 流速適合度曲線比較圖
  • 圖10 水深適合度曲線比較圖
  • 表1 玉峰溪現地影響項目結果表 表2 玉峰溪水質項目結果表

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