中华鲟产卵栖息地与流量关系的数值模拟研究

长江葛洲坝和三峡水利枢纽兴建后,中华鲟无法洄游到金沙江产卵栖息地,其繁殖受到较大影响。实地调查发现,中华鲟在葛洲坝下游建立了两个新的产卵繁殖地。为了研究适于中华鲟产卵繁殖的水深、流速、底质等条件,利用中华鲟繁殖期上下游水文站的实测水文和河道地形资料建立了河道水力模拟模型,并利用所建立的模型分析了中华鲟产卵地的水力条件,确定了产卵繁殖地水力条件与上游水利工程下泄流量之间的量化关系。中华鲟的产卵繁殖时间正好与三峡工程汛末蓄水时间一致,因此,研究成果为三峡水库蓄水和中华鲟的保护提供了科学依据。     

中华鲟物种保护研究

中华鲟(Acipenser sinensis Gray,1835)是一种大型溯河洄游鱼类,国家一级重点保护野生动物,目前仅在长江繁殖,是长江的旗舰保护物种。参考近年国内外相关的研究成果,对中华鲟在长江的生长繁育状态进行了研究,发现近年来,进入长江繁殖的中华鲟亲鱼仅百尾左右,2013~2015年连续3 a未在葛洲坝下游中华鲟产卵场监测到中华鲟的自然繁殖,中华鲟面临新的生存危机。为了有效地保护中华鲟,近20 a来,国内许多学者在中华鲟自然繁殖的水文需求与栖息地特征研究、自然繁殖监测、全人工繁殖与苗种培育、增殖放流与放流效果评价、分子生态学研究等方面开展了大量工作,基本突破了中华鲟物种保护的瓶颈。通过对目前中华鲟保护的研究成果分析,指出了今后中华鲟物种保护的重点研究方向。     

鱼类产卵场水力生境指标体系初步研究

鱼类产卵场是鱼类栖息地中重要且敏感的场所,其独特的水力特性对鱼类繁殖过程具有重要的生态学意义。构建鱼类产卵场水力生境指标体系是准确、全面描述鱼类产卵场水力特性的基础。本文从流体力学的角度出发,将鱼类产卵场水力特性分为几何形态特征、水体运动学特征及水体动力学特征三个层面;结合各指标对鱼类产卵的生态学意义,提出包括水深、流速、流速梯度、涡量及动能梯度的指标层。以长江上游特有鱼类齐口裂腹鱼产卵场为例,进一步验证了各水力学指标的代表性,结果表明,齐口裂腹鱼产卵河段各水力学指标分布规律与非产卵河段有显著差异。在此基础上,构建了鱼类产卵场水力生境指标体系。     

中华鲟产卵栖息地的生态需水量

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,通过Tennant法计算得到了不同栖息地状况下的生态需水量范围,其最佳范围为7 800～13000m3/s.随后采用IFIM法,同时考虑中华鲟对栖息地流速、水深、底质的喜好性,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...     

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。     

河流栖息地适合度曲线与分级评价标准研究

河流栖息地具有多尺度、多等级、斑块化分布和动态变化等重要特征,常通过揭示栖息地质量的关键环境因子适合度来开展河流栖息地质量评价。本文基于国内外多种溪流型鱼类栖息地环境的流速、水深范围与偏好的流速、水深、水温研究成果,结合中国浙江省瓯江干流河段的自然环境特征和多样性的水生物学特点,选取喜缓流水型鱼类-唇䱻作为指示性物种,研究了河流栖息地关键环境因子:水深、流速、水温与水质适合度曲线,采用优、良、中、差分级评价方法,以流速、水深、水温和水质类别作为主要的判据因子,确定了河流栖息地评估的分级标准,为河流栖息地质量评价和生态适应性管理提供了科学依据。     

三峡水库变动回水区蓄水期鱼群空间分布及生境特征

三峡水库蓄水后变动回水区水动力条件和泥沙运动发生了显著变化,鱼类栖息地也受到了不同程度的影响。为了掌握三峡变动回水区朝天门至涪陵河段蓄水期鱼类栖息地现状,研究采用Bisonics DT-X科学回声鱼测仪对朝天门至涪陵河段进行了鱼群空间分布及生境特征监测。结果表明:蓄水期该河段水环境因子空间分布变化不显著,表明水环境因子不是影响该河段鱼群分布的主要原因;水深与流速在该河段变化较大,是影响鱼类栖息的关键因子;监测到8个大型鱼群平均密度为(64.6±13.5) ind/(10³ m³),鱼类平均体长为(16.8±4.6 )cm,以中小型鱼为主;回水沱、深潭及分汊河道是鱼类喜居河段,是鱼类重要栖息地。研究结果可为三峡水库变动回水区鱼类保护和栖息地修复提供科学依据。     

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。     

从野外监测看中华鲟自然繁殖

中华鲟生在长江,长在大海。金沙江得天独厚的底质和水流条件是中华鲟理想产卵场。葛洲坝的修建阻隔了中华鲟洄游到上游产卵场的通道。1982年中华鲟在葛洲坝下找到了新的产卵场自然繁殖,三峡大坝蓄水后这个产卵场的状况如何呢?近三年调查结果表明,三峡大坝蓄水后中华鲟在葛洲坝坝下水域仍能够进行自然繁殖。     

基于物理栖息地模拟的长江中游生态流量研究

将Delft3D水力学模型和栖息地模型组成物理栖息地模拟模型以研究鱼类的生态环境。以长江中游宜昌至枝江河段为研究区域,以长江的重要经济鱼类四大家鱼为目标物种,结合流速及水深两个栖息地限制因子计算研究区域内不同流量下四大家鱼4个产卵场的栖息地面积,得到了流量与栖息地面积关系曲线。分析该曲线,结果表明：长江中游四大家鱼4—6月份产卵期间的最小生态流量为4 570m3/s,适宜生态流量范围为12 000~15 500m3/s。计算结果在传统水文学法界定的生态流量范围之内,分析认为该计算结果更加合理,可为四大家鱼的保护和三峡及葛洲坝工程的生态调度提供参考建议。     

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。     

Hydrodynamic Characteristics of Chinese Sturgeon Spawning Ground in Yangtze River

Since the construction of the Gezhouba Dam on the Yangtze River in 1981, it has been found that the Chinese Sturgeon, Acipensor sinensis, performs natural propagation annually in a narrow reach downstream close to the Gezhouba Dam site. This might allow one to better investigate the river hydrodynamic conditions of the Chinese Sturgeon spawning ground. In this article, spatial Kinetic Energy Gradient （KEG） and absolute value of vorticity were computed along the river sections from measured data. The relation between Spawn Density per Unit Area （SDUA） and vorticity strength and between SDUA and KEG were worked out. The Results showed that the vorticity and KEG were both effective parameters for describing the hydrodynamic characteristics of Chinese Sturgeon spawning ground. The Chinese Sturgeons prefer to spawn in the river sections where the value of vorticity strength is larger than 0.4 s^-1 and KEG is larger than 0.029 Jkg^-1m^-1.     

CALCULATION OF FLOW FIELD AND ANALYSIS OF SPAWNING SITES FOR CHINESE STURGEON IN THE DOWNSTREAM OF GEZHOUBA DAM

The Chinese sturgeon (Acipenser Sinensis) is one of the unique and important fishery resources in China. Since the construction of the Gezhouba Dam, the traditional migration route of the sturgeon has been blocked; consequently, the length of natural spawning sites is reduced from 800 km in the past to less than 5 km at present. As an endangered species, the Chinese sturgeon has become one of the most conserved aquatic species. In this article, the flow field of its spawning states in the downstream of Gezhouba Dam was simulated and analyzed using N-S equations and k ? ε turbulence model. Volume Of Fluid (VOF) method with the Finite Volume Method (FVM) was used to simulate the water-air two-phase flow to examine the computed area. On the basis of the ecological-hydraulic characteristics of Chinese sturgeon, the features of the flow field were investigated to provide theoretical support for the proper management of the Three Gorges Reservoir.     

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。     

Applying instream flow incremental method for the spawning habitat protection of Chinese sturgeon (Acipenser sinensis)

The Chinese sturgeon, Acipenser sinensis, is an anadromous species that spawns in the Yangtze River and Pearl River of China. Its population has declined dramatically since the construction of the Gezhouba Dam (GD) in 1981 and then with the impoundment of the Three Gorges Dam (TGD) upstream of the GD in 2003. This paper presents a quantitative method based on the instream flow incremental method to explore the relationship between the fish spawning habitat and the operations of the GD and TGD, aiming to find a solution for conservation of the species. A two‐dimensional hydrodynamic model was built with the River2D to simulate the hydraulic behaviour of the stream below the GD. Habitat suitability index was determined by the biological data of the fish collected in the field. The two parts were then integrated through a geographical information system developed via ArcGIS to outline the fish habitat area variation with flows. The decision support system is applied to set up a habitat time series for validating the assumption that more habitats have the potential to support more fish. The fish habitat results for alternative instream flow schemes are then compared with one another for defining the optimal flow requirements and evaluating effects of reservoir operation alternatives in order to improve the operation management for the GD and TGD projects. The results show that the optimal flow for spawning of the fish is about 7000–13000 m³/s and the optimal inlets combination is where the inflow comes from two power plants. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

上游水库水温情势变化对中华鲟产卵江段水温的影响

针对三峡水库蓄水运行后中华鲟自然产卵期逐渐推迟的问题,对影响中华鲟繁殖关键要素水温的因素开展研究。基于三峡大坝及葛洲坝上下游典型断面的水温及气温实测资料,分析了三峡水库蓄水后10年(2003—2012年)的水温变化情势和影响葛洲坝下游中华鲟产卵江段特定时段水温的原因。结果表明:三峡水库蓄水后库区在10月水温高于蓄水前,对下游中华鲟产卵江段水温产生直接影响;局地气温变化与水温情势变化密切相关,是引起中华鲟产卵江段水温上升的根本原因,对水温上升的贡献度约为61%。     

三峡大坝至葛洲坝两坝间河段通航水流条件

采用水流数学模型对三峡大坝至葛洲坝两坝间河段的通航水流条件进行研究,结果表明,枯水期日调节条件下两坝间河段的水面比降和流速变化均不影响本河段万吨级船队的航行条件。洪水期间大流量条件下两坝间航道水流条件十分复杂,在葛洲坝坝前水位为66.00 m、流量大于30 000 m3/s时,两坝间的水流条件不能满足现状条件下万吨级船队的通航;随着流量的增加,通航卡口段也随之增加,主要位于水田角、喜滩上下、石牌、偏脑等局部河段。研究成果可为两坝间航线选择与航道治理提供参考。