优化中华鲟产卵生境的水库生态调度研究

为减轻水利工程对河流生态系统造成的不利影响,针对重要珍稀水生动物中华鲟资源的有效保护及可持续发展问题,本文在葛洲坝下游中华鲟产卵场水动力数学模型及产卵适合度评价模型的基础上,利用BP人工神经网络的学习能力构建水库调度与产卵场产卵适合度关系模型,并将关系模型嵌入葛洲坝现行的水库调度模型,获得中华鲟产卵期（10—11月）优化中华鲟产卵生境的水库生态调度模型。生态调度模型以中华鲟产卵场产卵适合度及水电厂发电量最大为双目标函数,以同期水库需满足的航运效益、水资源利用效益及水轮机运行效益为主要约束条件,通过比较相同     

补偿中华鲟产卵场水动力环境的梯级水库联合生态调度研究

三峡—葛洲坝梯级水利枢纽工程的建设和运行阻隔了长江部分洄游鱼类的洄游通道,梯级水库的联合调度运行改变了坝下河道天然径流过程,对被迫在坝下形成新产卵场的珍稀水生物中华鲟的产卵繁殖产生一定影响。为有效保护中华鲟资源,在明确梯级水库调度运行与中华鲟产卵场产卵适合度相关性分析的基础上,提出优化三峡下泄流量和葛洲坝运行方式相结合的三峡—葛洲坝梯级水库生态调度方式,以补偿中华鲟产卵栖息所需的河流生境。通过以三峡水库的实际来流过程输入水库生态调度模型,得出中华鲟产卵期(每年10—12月)补偿其产卵栖息水环境的梯级水库联合生态调度方式。根据梯级水库生态调度与现有调度结果进行分析比较结果表明:梯级水库联合生态调度可在满足三峡水库常规调度目标的基础上同时满足中华鲟产卵所需的生态流量,配合葛洲坝电厂优化调度运行方式,可有效增加坝下中华鲟产卵场水动力环境产卵适合度,补偿梯级水库运行对中华鲟产卵生境造成的不利影响。     

优化中华鲟产卵场水动力环境的梯级水库联合调度研究

为保护中华鲟资源,修复其产卵场水动力环境,通过资料调查、数值模拟等方法,明确三峡-葛洲坝梯级水库联合运行前后葛洲坝下中华鲟产卵场水动力环境演变趋势,构建优化中华鲟产卵场水动力环境的梯级水库联合调度模型。对比分析2010年中华鲟产卵期(10—12月)梯级水库实际调度过程与优化调度,得出结论:三峡-葛洲坝联合优化调度方案在满足梯级水库常规调度目标的同时,可有效提高中华鲟产卵场产卵适合度,优化产卵场水动力环境,增加中华鲟自然繁殖的概率,有效保护中华鲟资源。     

葛洲坝电站运行对中华鲟产卵场水流条件的影响

葛洲坝修建后,中华鲟被迫于每年10~11月在葛洲坝下游产卵繁殖。但三峡水库蓄水后,中华鲟产卵期,葛洲坝来水量减小,使中华鲟产卵场水流条件发生变化,从而对其自然繁殖产生不利影响。通过建立中华鲟产卵场二维水动力模型,在探讨中华鲟产卵场适宜水流速、流量和葛洲坝机组增容的基础上,提出2种葛洲坝水电站生态优化调度方案。结果表明:改变发电流量泄流位置将一定程度改善中华鲟产卵场水流条件,但增加机组额定发电流量对改善产卵场水流条件作用有限。     

葛洲坝下游中华鲟产卵场的水文学模型

根据对(每年9～11月)葛洲坝下游中华鲟产卵场水位-流量过程的分析,构建了多项水文参数与中华鲟产卵量的耦合模型,分析了水位、流量等水文参数改变对中华鲟产卵繁殖的影响,为三峡工程的调度提供了设计生态流量、生态流速、生态水深的依据.     

葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件的影响

建立中华鲟产卵场三维水流数学模型,模拟葛洲坝电厂不同调度情况下产卵场水流条件;分析了葛洲坝下游近坝段适宜中华鲟产卵的水深、近底层流速和两者叠加的区域范围;研究了葛洲坝电厂调度对中华鲟产卵场水流条件影响,并初步提出了中华鲟产卵场水流条件改善措施。研究结果表明:葛洲坝下泄流量在15 000～6 000 m3/s范围变化时,适宜中华鲟产卵的水流区域范围随下泄流量减小相应减小;在下泄流量为6 000 m3/s情况下,若下泄流量全由大江电厂泄流时有利于增大大江尾水区适宜产卵的水流区域范围。     

葛洲坝下游河势调整工程对中华鲟产卵场的影响

水文水力条件的变化会给水生生物繁殖栖息带来一系列的影响,评估这些影响能为保护和重建物种栖息地提供科学依据。本文以葛洲坝下游河势调整前地形(2003年)和河势调整后地形(2008年)作为边界条件建立二维非恒定流水动力学模型,模拟中华鲟产卵场整个产卵期的水流变化特征。通过对比河势调整前后中华鲟产卵场地形、流场和涡量的变化,流量变化过程中各水流参数与相关系数的变化,以及河势调整工程给产卵场水力条件带来的变化,对照河势调整前后中华鲟产卵位置和资源量的变化进一步分析了其对中华鲟产卵的影响。结果显示,河势调整使中华鲟上产卵区河床高程抬升,流场紊动程度加大,水流结构随着流量变化的相关性减小;使下产卵区流场紊动程度减小。     

中华鲟产卵栖息地的生态需水量研究

分析了葛洲坝坝下中华鲟产卵场近20年的水文资料和实测的产卵场地形和水力数据，用Tennant法通过历史水文资料计算得到了不同栖息地状况下的生态需水量范围，其中最佳范围为7800~13000 m3/s；采用IFIM法将中华鲟对栖息地流速、水深、底质的喜好性纳入考虑, 并利用地理信息系统技术结合中华鲟产卵场水动力模拟结果计算了不同流量边界条件下的适宜栖息地面积，并得到中华鲟产卵时生态需水量范围为5000~15000m3/s, 随后利用各年实测的中华鲟产卵日的流量数据验证了该结果的正确性；同时还得出当流量入口为葛洲坝大江电厂和二江电厂时，产卵场适宜栖息地面积比其它几种入口工况的大；且同流量下基于1999年地形得出的适宜栖息地面积远大于基于2003年地形得出的适宜栖息地面积。     

中华鲟产卵区水流特征分析及二维数值模拟

随着三峡水库和葛洲坝水利枢纽联合调度的实施,改变了长江自然径流的时空分配,长江中下游的地貌、水文条件、水文特征、水力学条件将发生改变,原有已经稳定的中华鲟产卵场地的地形和水流状态也会受到影响.以实测流速脉动试验为基础,分析了中华鲟产卵场产卵期流速的时空分布规律.对长江中华鲟产卵场江段进行了二维数值模拟,以实验资料进行了验证,并对该计算区域的地形、水流特征进行了分析.     

基于NSGA-Ⅱ方法的三峡水库汛末蓄水期多目标生态调度研究

为充分发挥三峡水库的经济效益和生态效益,建立了以三峡水电站发电量最大和下游河道适宜生态流量改变度最小为目标的水库优化调度模型,基于生态水文学法量化了下游河道适宜生态流量。为有效求解多目标优化问题,引入带有精英保留策略的非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)作为调度模型的寻优算法。通过比较2015年调度期内三峡水库优化调度方案和现行调度方案的发电效益和生态效益表明:提高生态流量改变度0.63%可使发电量增加2.32%,降低0.58%的发电量将生态流量改变度降低8.86%。该算法避免了对多目标进行加权求解的盲目性,能获得多个兼顾两个目标且分布均匀、收敛性较好的优化调度方案,为决策者提供了多种可行的选择。研究成果为三峡水库蓄水优化调度提供理论依据和具体方案参考。     

Quantitative evaluation of fish alternative habitats in the Luosuo RiverEI北大核心CSCD

针对罗梭江替代生境适宜度及影响因素尚缺乏定量分析的问题,选取澜沧江干流特有经济鱼类中国结鱼(Tor sinensis)为目标物种,基于河流内流量增加法(IFIM),结合二维水动力模型和鱼类栖息地适宜性曲线,建立了罗梭江典型鱼类的栖息地评价模型,分析了替代生境适宜度及其影响因子。结果表明:罗梭江作为澜沧江最大支流,能为中国结鱼提供良好产卵场,产卵场在丰水期(7—9月)数量和质量较优,高质量产卵场主要分布于河流蜿蜒处;罗梭江不适宜成鱼全年栖息,尤其在枯水期(2—4月),成鱼产卵及育肥适宜度最差。在罗梭江替代生境后期管理中,建议优先加强对河流弯道处的生境保护及捕捞管理,同时重视其关联干流的生态保护。     

中华鲟产卵场的三维水流特性分析

中华鲟面临严重的种群资源问题,明确中华鲟产卵场的水流特性可为产卵场修复和自然种群挽救提供更准确合理的技术参数。研究运用流体力学软件Fluent模拟葛洲坝坝下中华鲟产卵场产卵时期的三维水流过程,分析流速、涡量、湍动能等水力学参数在产卵场不同功能区内的变化规律和取值范围。结果表明:不同功能区水力学参数的取值范围不同,对比各取值范围发现底层流速基本满足产卵受精区播卵区着卵孵化区,而播卵区的流速垂向变化幅度总体大于产卵受精区;涡量基本满足播卵区产卵受精区着卵孵化区;湍动激烈区基本位于水体的上中层,底层湍动能在各功能区变化不大,特别是着卵孵化区的湍动能没有明显区别于播卵区。葛洲坝坝下产卵场水流状况不是特别有利于中华鲟卵的受精散播和附着孵化,为了进一步明确中华鲟产卵繁殖的水流特性,需要继续开展大量的模拟、对比分析工作。     

三峡初期蓄水对典型鱼类栖息地适宜性的影响

三峡工程是长江中游干流最大的骨干工程，蓄水后下游水文情势发生明显改变。分析水库运行后下游水文情势的改变情况，将为了解大型水利工程对河流健康状况的影响程度和开展生态保护提供有意义的信息和帮助。本文选择宜昌站作为研究对象，并以中华鲟和四大家鱼为典型代表物种，研究三峡工程初期蓄水对下游生态系统的影响。结果表明，三峡工程蓄水运行后，(1) 坝下宜昌站生态水文条件发生明显变化，主要表现为多年平均水温上升，多年平均流量、水位和含沙量下降；(2) 非汛期的水温以及汛期的流量、水位和含沙量月径流过程明显改变；(3) 下游生态水文条件的改变，导致中华鲟鲟卵孵化适宜度和四大家鱼产卵适宜度明显降低；(4) 栖息地内生态水文条件的变化是影响中华鲟鲟卵孵化和四大家鱼产卵行为的关键因素，而不是影响中华鲟产卵和四大家鱼鱼卵孵化的关键因素。     

Longitudinal and temporal water temperature patterns in the Yangtze River and its influence on spawning of the Chinese sturgeon (Acipenser sinensis Gray 1835)

In this study, water temperature longitudinal and temporal patterns were investigated in four locations of the Yangtze River to identify their influence on spawning of the Chinese sturgeon (Acipenser sinensis Gray 1835). The results showed that, historically (1960–1980), the four locations, Pingshan (PS, 2,687 river kilometres [rkm]), Yichang (YC, 1,640 rkm), Chenglingji (CLJ, 1,265 rkm), and Hukou (HK, 805 rkm), all had similar average annual water temperatures (around 18.0 °C) but very different amplitudes: The upper two locations, PS (11.4–23.2 °C) and YC (9.1–25.9 °C), were relatively stable and had smaller amplitude than the lower two ones, CLJ (6.0–30.0 °C) and HK (5.9–30.8 °C). On the basis of the physiological effects for Chinese sturgeon, we defined three water temperature ranges: stressing (>23 °C), holding (23–20 °C), and spawning (20–16 °C). We found that the upper two locations with successful spawning of the Chinese sturgeon (PS and YC) had short or no stressing period but long holding and spawning periods. Currently (2013–2016), the impoundment of the Three Gorges Reservoir increases the time for water temperature decreasing to 20 °C at the current spawning ground (YC) in autumn, which increases the stressing and holding periods, and has significant negative impact on the spawning of Chinese sturgeon. Nonetheless, considering the very high stressing temperature and the short duration of the holding and spawning periods at CLJ and HK, we propose that YC is still the most suitable spawning location for the Chinese sturgeon.     

四大家鱼产卵栖息地适宜度与大坝泄流相关性分析

为探究三峡—葛洲坝水库联合调度运行后,长江四大家鱼对不同大坝泄流工况下产卵栖息地水动力环境的适宜性,在构建长江四大家鱼主要产卵栖息地水动力数学模型及产卵栖息地适宜度评价模型基础上,针对大坝不同运行参数进行大坝泄流方式与四大家鱼产卵栖息地适宜度相关性分析。结果表明,大坝泄流量为10 000~15 000 m~3/s时,四大家鱼产卵栖息地具有较高的适宜度;在流量基数为10 000~15 000 m~3/s,日均流量增长率为1 000~1 500 m~3/s时,四大家鱼产卵栖息地同样有较高的产卵栖息适宜度。研究结果可为构建考虑家鱼自然繁殖的水库生态调度方式提供参考。     

孤山电站对库区鱼类产卵场水文情势的影响研究

汉江孤山水电站建成后,库区水文情势将发生变化,对库区的鱼类资源产生一定影响。采用一维水动力模型模拟了孤山水电站建库前后库区河段水文情势,并根据模拟结果分析了白河、将军河河口产漂流性卵鱼类产卵场的水文情势变化情况。结果表明,孤山电站建成运行后,库区河段日均水位、水面宽均有不同程度的增加,流速总体由库尾至坝前逐渐减小;白河、将军河河口断面水位分别抬高7,15 m,流速分别降低至0.11~0.14,0.08~0.09 m/s,水面宽分别增加33~49,104~150 m,鱼类产卵场水文情势变化明显。根据当地鱼类的产卵条件分析可知,鱼类产卵场生态环境将受到较大影响,鱼类产卵规模和效果将大幅降低。因此,水库建成后,应采取相应的措施保护当地的鱼类资源。     

中华鲟自然繁殖的水文状况适合度研究

对三峡水库运行前（1983-2002年）后（2003-2005年）中华鲟产卵场产卵季节（10-11月）的水文状况进行了比较分析,并根据所建立的水文要素适合度模型,对三峡水库运行前（1983-1986,2002年）后（2003-2005年）8个年份产卵季节水文状况对于中华鲟产卵的适合度进行了分析。结果表明：2003年三峡水库蓄水以来中华鲟产卵场产卵季节的水文状况发生了显著变化,产卵季节平均水温上升了 1.48 ℃ （ 8.2% ）,含沙量降低了 0.36 kg/m3（ 91.8% ）。平均适合度模型的分析结果表明,虽然整个产卵季节水文状况对于产卵的综合适合度呈现出先上升后下降的趋势,但整个产卵季节水文状况的适合度都比较高,并且中华鲟的产卵活动并不总是发生在水文状况适合度最佳（即综合适合度波峰值）的时候,说明水文状况并不是决定自然繁殖发生时间的唯一因素。产卵前含沙量的变动趋势由水库运行前的稳中下降转变为运行后的稳中上升,说明含沙量的剧烈下降可能对中华鲟的自然繁殖活动不利。中华鲟自然繁殖发生时间应是多种因素综合作用的结果,除水文状况外,科研捕捞活动、年度之间自然繁殖群体的生物学差异等都可能对自然繁殖活动发生的具体时间产生影响。