生态水力学及其在水利工程生态环境效应模拟调控中的应用

生态水力学是水力学、生物学和生态学的交叉学科,重点研究水动力对水生态系统的作用机制以及水生态健康的水力调控技术。生态水力学一方面研究水动力条件变化对物质生物地球化学过程的影响及生态系统中物种构成、栖息地分布、生态功能的效应,另一方面研究水生态系统的演变对水力情势的影响。本文围绕水电开发的生态环境效应模拟与调控,重点论述生态水力学研究的发展现状、热点难点、工程应用及前沿展望。     

河流水生态承载力系统动力学模型软件开发

基于河流水生态承载力理论和实践的河流健康管理模式被认为是一种科学可行的河流管理方式.水生态承载力是社会经济系统发展和水生态系统演变的耦合结果,对其演变趋势分析的科学性是河流和相应的区域管理决策支持的重要基础.本文将采用系统动力学方法模拟生态承载力变化的方法进行研究,一直来人们认为这是一种较好的方法.本论文重点介绍自主开...     

人工湿地优化设计研究

从水力学角度系统地分析了人工湿地的表面积、潜流湿地的横截面面积、长宽比、深度和水力停留时间等设计参数,从水力学、微生物学和生态学角度推导了人工湿地一级反应动力学模型、水流流动数学模型和生态动力学模型.     

基于改进IFIM法的生态流量应用方法进展

河道内流量增加法(IFIM)在生态流量的计算中起着非常重要的作用,但IFIM法仍存在精确度不足、局限性和普适性低等问题。根据已发表参考文献,系统归纳了IFIM法的步骤及特点,总结了基于IFIM法不同的水力学模型与栖息地模型的耦合方法,并详细阐述了不同水力学模型的适用范围,综合分析了不同水力学模型的优点和缺点,并提出了改进IFIM法未来的发展趋势,为后续使用栖息地法研究不同尺度的生态流量定量化提供依据。     

水生态系统的突变模型

用突变理论的观点对水生态系统进行了分析,以水质和水量为控制变量,建立了水生态系统突变的尖顶突变模型,对水生态系统的水量水质耦合作用机理进行了解释.该模型可以用于水生态系统状态的判断、对水生态系统进行预警、提出改进水生态的措施和进行区(流)域水生态规划.     

黄河干流水生态系统结构特征沿程变化及健康评价

根据2008年在黄河干流刘家峡以下河段水生态调查资料，分析了黄河干流水生态系统理化性状和生物群落结构的沿程变化；参照20世纪50和80年代水生态调查资料，对比分析了黄河干流水生态系统几十年来的变化情况，并分析了变化的原因；建立黄河水生态系统健康评价指标，对黄河干流各河段的水生态系统健康状况进行了评价，揭示了黄河水生态系的真实状况。研究结果表明：（1）由于自然和人类活动影响的差异，黄河干流水生态系统结构特征沿程分布差异比较大；（2）2008年黄河干流水生态状况与20世纪50、80年代相比，除底栖动物外，其它生物种类和数量均下降明显。（3）黄河水生态系统健康状况不容乐观，干流大部分河段生态系统的结构和功能发生了较大的变化，部分生态功能丧失。     

太子河流域不同生态分区的水生态承载力年内变化研究

为实现太子河流域水生态系统的分区、分期保护,并达到太子河流域的水生态环境与社会经济协调发展的目标,采用系统动力学和隶属度相结合的方法,从分析流域的人口、社会经济、水资源、水环境、水生态系统之间的相互关系入手,考虑到各分区之间的水流、水质交替关系,建立了基于水生态分区的太子河流域水生态承载力大系统动力学仿真模型和量化模型。对其8个水生态分区的水生态承载力指标的年内变化情况进行模拟,并量化各分区12个月的水生态承载力值,最终确定各水生态分区的水生态承载力最小值出现的月份,为更好的实施流域可持续发展战略提供科学依据。     

潜流人工湿地系统水力设计原则及类型

水力学条件是潜流型人工湿地建立及维持最重要的决定因子,直接关系人工湿地污水处理系统中的流速、流态、停留时间以及与植物生长关系密切的水面线控制等水力因子的设计和确定。概括分析了潜流型人工湿地水力设计的原则和类型,提出了复合潜流人工湿地系统水力模型构建的方法,以及形成系统的水流条件控制方法的研究路线,以期为潜流人工湿地优化设计、优化运行及机理模型的建立提供理论基础。     

水力学模型实时校正研究进展

分析了水力学模型应用在洪水预报中遇到的主要难点,剖析了出现这些问题的原因,认为通过实时校正可以提高水力学模型预报洪水的精度.为此,对水力学模型实时校正方法的研究进展进行了较系统评述,并提出了进一步研究的建议.     

一维二维耦合模型研究水库运行对下游河道水环境的影响

水库运行造成的河道水流条件的改变给下游的水生态系统带来重要影响。耦合水动力过程及生态过程的生态水力学模型可以有效地定量评价这种影响。本研究以广西漓江为实例，建立了全河流一维和局部河段二维水环境模型。其中的一维模型分析全河段水环境变化趋势，二维模型分析关键区间水环境的特点，并为后续的生物栖息地模型奠定基础。模型分析了典型水文年中自然径流和青狮潭水库运行两种模式下下游河道关键水环境因子的变化。模拟结果表明水库运行在平水年的影响大于丰水年和枯水年，局部浅水区的变化大于深水区，年内枯水期(10-12月)的影响大于年均值，而且这些变化沿程逐渐减弱。该研究成果为下一步的生态模型提供了外部因子。     

基于个体模型模拟的鱼类对上游水库运行的生态响应分析

建立了一维全河流和二维局部河段的水环境模型,并与基于个体的鱼类模型耦合,从鱼类种群动态角度研究水库运行对下游河流水生态系统的作用。文中选取了漓江下游的一段复式河道,以优势种草鱼和鲫鱼为研究对象,模拟了自然条件和水库调节作用下河道的水环境条件,以及相应的鱼类生长和分布的变化。通过模拟结果的对比分析,发现如果仅考虑水库运行造成的下游水流变化的作用,枯水期水库向河道补水对草鱼有一定的正面影响,对鲫鱼有轻微的负面影响;而在4—5月,水库运行对两种鱼类都存在比较明显的负面影响。本文建立的模型方法可为河流优化管理及水库生态友好运行提供支持。     

3流4D连通性生态模型

为了改善河湖水系间的物理连通关系和水力关系,从理论上系统描述河湖水系连通性特征概况,回顾了连通性相关生态模型的发展沿革,分析了河流在三个几何维度上的连通性特征,并阐述了以水为载体的物质流、物种流和信息流在三维空间流动的生态影响。在此基础上,从生态系统的结构、功能和过程出发,提出了3流4D连通性生态模型及其参数和判据,用以系统、整体地概括描述河湖水系连通性的生态学机理。结果表明,3流4D连通性生态模型一方面可以通过建立参照系统和分级系统对河湖水系连通性现状进行评估;另一方面可以对连通的生态过程进行仿真模拟计算,对河湖水系连通性特征进行模拟和分析,促使河湖水体恢复天然的水文及其伴随过程节律及生态系统功能,提高水生态修复工程的科学性和可靠性,达到改善水生态系统整体性、保障生态系统服务功能的目的。     

Analysis of the effect of climate change on the Nakdong river stream flow using indicators of hydrological alteration

This study models the effect of climate change on runoff in southeast Korea using the TANK conceptual rainfall-runoff model. The results are assessed using the indicators of hydrological alteration (IHA) developed by U.S. Nature Conservancy. Future climate time series are obtained by scaling historical series, provided by four global climate models (GCMs, IPCC, 2007) and three greenhouse gas (GHG) emissions scenarios (IPCC, 2000), to reflect a maximum increase of 3.6 °C in the average surface air temperature and 33% in the annual precipitation. To this end, the spatio-temporal change factor method is used, which considers changes in the future mean seasonal rainfall and potential evapotranspiration as well as the daily rainfall distribution. In this study, the variance range for precipitation is from +3.55% to +33.44% compared to the present for years between 2071 and 2100. The variance range for the daily mean temperature is estimated between +1.59 °C and +3.58 °C. Although the simulation results from different GCMs and GHG emissions scenarios indicate different responses of the flows to the climate change, the majority of modeling results show that there will be more runoff in southeast Korea in the future. According to the analysis results, the predicted impacts of hydrological alteration caused by climate change on the aquatic ecosystem are as follows: 1) an increase in the availability of aquatic ecosystem habitats in Nakdong River in future summers and winters, 2) an increase in stress on the aquatic ecosystem due to extremely high stream flow, 3) an increase in the stress duration of flood events for the Nakdong River downstream and 4) an increase in aquatic ecosystem stress caused by rapid increases or decreases in stream flow.     

水生植物-生物膜体系的生态功能与互作机制研究进展

水生植物是水生态系统的重要组成部分,是生物膜的天然载体,水生植被的恢复有利于提高水体生物膜面积。与非生物介质相比,水生植物与微生物间存在附着互作机制,一方面水生植物能为微生物提供附着场所和营养物质,其产生的化感物质对附着微生物的种类和数量有影响;另一方面,附着微生物也会对水生植物生长产生促进或遏制作用。另外,指出水流和水质对水生植物及生物膜的形成、结构以及群落组成产生重要影响;水生植物和生物膜作为一个复杂互作体系,是水体生态系统的基本单位,相关植物表面-表面生物膜体系特征及其对水体中碳、氮等要素的转化及污染物的去除机制相关研究,将是今后水生态研究过程中的重点方向之一。     

干旱对河流水生态系统影响研究与展望

干旱等水文极端事件在全球范围内呈现广发频发态势,频繁发生的干旱对河流水生态系统影响显著。首先从干旱发生的区域、发生区域的水文特征、干旱的持续时间、低流量值的大小、干旱发生的时间、干旱发生的频率和旱涝急转速率7个方面阐述了不同的干旱特征对水生态系统的影响。讨论了干旱对河流水生生物栖息地的影响,河道水流速度变缓,水生生物栖息地的面积、深度减小,影响河流水生生物的多样性。从纵向尺度、横向尺度、垂向尺度3个方面分析了干旱事件对水生态系统物质流、能量流和信息流的影响,并对现阶段水文过程-水生态系统耦合模型的相关研究成果进行了总结。最后就今后的研究趋势和重点研究工作进行了展望。     

论水生态系统五大生态要素特征

水生态完整性是指水生态要素的完整性。各生态要素交互作用,形成了完整的结构和功能。生态要素各具特征,对整个水生态系统产生重要影响。水生态要素特征概括起来共有五项,即水文情势时空变异性;河湖地貌形态空间异质性;河湖水系三维连通性;适宜生物生存的水体物理化学特性范围以及食物网结构和生物多样性。河湖生态修复的任务是修复水文、地貌、水体化学物理性质和生物这些生态要素,部分恢复水生态要素的特征。     

基于SOA的云计算流域模拟模型集成架构的研究

针对现有流域模型集成系统接口不统一,系统与模型之间集成困难,缺乏通用性和可扩展性等问题,采用SOA与云计算技术,构建了一个开放的、可扩展的、可共享的水利模拟模型集成架构。在该架构中,借鉴SOA的设计思想,将云服务系统的各项业务分解为颗粒度不同的服务,各子功能封装为标准的web服务。采用SOA典型的模块性特征,将流域模拟模型的集成架构分为客户端、云服务平台、云计算应用程序接口层、模型管理服务层、云服务管理层、物理资源层,使得集成模型的各应用系统的服务来源于各层。该架构增强了水利专业模型平台的开放性、用户交互性以及平台的通用性。     

中国主要河湖水生态综合评价

河湖水生态综合评价是水资源保护规划工作的重要内容之一。本文从水文水资源、水环境、河湖生境形态、生物及栖息地状况等方面,构建了包含生态基流满足程度、水功能区水质达标率、湖库富营养化指数、纵向连通性、重要湿地保留率及鱼类生境等6个指标构成的河湖水生态综合评价体系。在此基础上,对全国673条河流、97座水库和100个湖泊湿地共计1006个规划河段和湖库的水生态状况进行了评价和分类,分析了我国各大流域河湖面临的水生态问题。研究成果对我国主要河湖水生态保护和修复工作的实践具有重要的指导意义。