水库生态调度模型及其应用研究

水利工程建设在促进社会经济发展的同时也给河流生态系统带来了一些负面影响，为了减轻水利工程对水生态系统造成的不利影响，结合中国的实际情况本文建立了在考虑水库原有功能的基础上，兼顾河流生态需求的水库生态调度模型。计算了河流最小生态流量、适宜生态流量和生态洪水。本文将建立的生态调度模型应用于南水北调中线工程的水源区丹江口水库，采用逐步优化算法求解生态调度模型，分析计算生态目标的加入对水库原有功能的影响。研究通过水库调度满足河流适宜生态流量，尽量不低于最小生态流量的调度方式；探讨通过水库调度模拟“人造洪水”，为鱼类的繁殖和生长创造适宜的水力条件。计算结果表明，丰水年在满足生态流量的情况下，对水库原有功能影响不大，然而平水年和枯水年在考虑生态需求时，对水库原有功能将产生一定程度的影响。因此需要在生态环境和经济效益之间均衡利用水资源，通过水库的生态调度保持河流天然适宜的径流过程，维护河流生态系统健康及水资源的可持续利用。 关键字:水库生态调度;河流生态需水量;生态洪水     

基于四大家鱼栖息地模拟的汉江下游生态流量研究

梯级水库运行显著改变了河流自然水文情势,对河流水生态系统产生不利影响。选择四大家鱼作为汉江下游的指示物种,考虑四大家鱼对栖息地流速和水深的喜好性,构建了产卵期和生长期适宜度指数曲线,采用River 2D水动力模型,模拟了不同流量下四大家鱼适宜栖息地状况的变化,提出维持四大家鱼产卵期与生长期需求的生态流量及高流量脉冲。结果表明：汉江下游四大家鱼产卵期最小和适宜生态流量分别为1 310,3 520 m³/s,每年提供至少2次持续时间不低于3 d、流量不低于1 310 m³/s的高流量脉冲,以刺激四大家鱼自然产卵,增加产卵规模;生长期最小和适宜生态流量分别为441,1 520 m³/s。与Tennant法和实际生态监测对比,River 2D水动力模型计算结果较为合理可靠。但与历史实测流量过程比较,产卵期生态流量满足率不高,需择机实施汉江中下游梯级水利枢纽联合生态调度,提高生态流量满足程度。     

农村水电生态调度模型及仿真研究

以发电量最大为优化调度目标,同时按照生态调度要求设置最小下泄流量作为发电引用流量的约束条件,建立了农村水电生态调度模型.利用电站丰水年、平水年和枯水年的典型径流,采用文化进化算法求解数学模型,进行优化调度仿真,仿真结果说明,单一地追求发电量最大的数学模型有下游断流的危险,而在模型的约束条件中限制发电引用流量,能够满足生态调度要求.无论是枯水年、平水年还是丰水年,优化调度保证了水库均实现相似的水位曲线,且不存在弃水的现象.     

兼顾下游生态流量的溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期联合优化调度研究

金沙江下游为珍稀特有鱼类国家级自然保护区,鱼类自然繁殖生长需要适宜的生态流量。为探究金沙江下游已建成的溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期的适宜生态流量改变度与梯级水库发电量间的关系,采用RVA法量化下游河道适宜生态流量,建立以调度期内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梯级水库群多目标优化调度模型,并用NSGA-Ⅱ算法(非支配排序遗传算法)对模型进行求解。以典型丰水年、平水年、枯水年溪洛渡的入库流量进行优化调度计算,结果表明:在满足约束条件下,丰水年发电量最大增加0.7%,而对应的适宜生态流量改变度增大20.82%;而以生态为目标时,可通过发电量损耗0.48%来减少28.06%的适宜生态流量改变度。平水年发电量较常规调度相比最大可增加1.28%,此时适宜生态流量改变度增大13.87%;而以生态为目标时,适宜生态流量改变度减小22.53%,但发电量损耗0.62%。枯水年发电量较常规调度相比最大可增加1.89%,此时适宜生态流量改变度增大4.96%,而以生态为目标时,适宜生态流量改变度减少13.7%,但发电量损耗0.35%。研究成果可为金沙江下游溪洛渡-向家坝梯级水库生态调度方案的制订提供参考。     

隔河岩水库发电运行调度方式的研究

根据隔河岩水库特性和来水特点,确定水库发电调度原则,并研制了水库运行调度图;通过平水年、枯水年、丰水年的水库调节计算,提出了平水年、枯水年、丰水年的水库运行调度方式。     

关于北江下游河道保证流量的探讨

北江下游石角站河道防洪安全保证流量为18 800 m3/s,在防洪调度方面不宜超越;以飞来峡站控制,枯水期北江下游维持航运、发电、供水、河流生态等功能相应保证流量为160~340 m3/s,建议利用飞来峡水库调节后飞来峡站最小流量:平水年为220~300 m3/s,枯水年为190~250 m3/s,特枯水年为170~220 m3/s;河流动力保证流量为860~9 400 m3/s,要重视小洪水敝泄调度。     

水库调度对大坝下游河道生态径流的影响

采用逐月频率计算法,分别计算水库修建前后河道生态径流,并对其变化情况进行比较,确定水库调度是否符合河道生态径流的要求。根据襄阳站水文资料对丹江口水库的调度进行分析,结果表明:丹江口水库目前的调度方式对汉江流域生态系统的影响比较大,提出了减小丹江口水库调度对汉江生态系统影响的措施:为减少这种影响,应以建坝前的最大、最小和适宜生态径流过程为准,对现有的调度规程进行适当修改,使以后运行的最小生态径流不小于建坝前的最小生态径流,最大生态径流不大于建坝前的最大生态径流过程,减小水库对生态系统的影响。     

耦合水文情势及鱼类需求的生态调度研究

针对丰满水库下游鱼类多样性减少的问题,在满足最小生态流量需求的基础上,开展了营造适宜鱼类的水文情势研究。通过筛选改变度大且适宜鱼类的水文情势指标构建生态完整度函数,将此作为生态目标建立水库多目标优化调度模型。调度结果表明,所建立的生态调度模型在满足发电、供水和最小生态需水量的基础上,可将生态完整度至少提高48%,其中,涨水率、高流量脉冲数指标隶属度分别增加了0.112、0.261,且涨水率指标在枯水年改善程度好,高流量脉冲数指标在枯水年改善程度大、丰水年改善程度小。本文所建立的模型显著提高了适宜鱼类水文情势的生态完整度,可为有鱼类修复任务的流域提供参考。     

面向四大家鱼繁殖需求的水库生态调控模拟研究

分析了长江水系四大家鱼资源繁殖的水文和水动力适宜条件需求,围绕上游控制性水库优化调控过程开展了针对性数学模型研究,提出一种有利于改善四大家鱼产卵环境的水库生态调度过程。所建模型初步量化了面向四大家鱼繁殖需求的动态调度过程,利用上游水库的调蓄功能,采用"先蓄后泄"的调度方式形成人工涨水过程,在不明显影响发电量的前提下,有利于达到刺激四大家鱼进行产卵的目的。     

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,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;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;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;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。     

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。     

基于物理栖息地模拟的长江中游生态流量研究

利用Delft3D水力学模型和栖息地模型组成物理栖息地模拟模型，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推求研究区域内不同流量下四大家鱼四个产卵场的栖息地面积。研究结果表明：长江中游四大家鱼4—6月份产卵期间的最小生态流量为4570m3/s，适宜生态流量范围为12000~15500m3/s。计算结果在传统水文学法界定的生态流量范围之内，而且比传统水文学法的计算结果更加合理，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。     

THE RELATIONSHIP BETWEEN THERMAL REGIME ALTERATION AND SPAWNING DELAY OF THE FOUR MAJOR CHINESE CARPS IN THE YANGTZE RIVER BELOW THE THREE GORGES DAM

Large dams often alter flow and thermal regimes downstream, resulting in fish spawning delays and larval abundance declines. Accurate prediction of the delayed spawning period under changed thermal regime is critical for selecting a correct timing to modify dam operation and to release the environmental flow needed to enhance fish spawning. We used correlation analysis to investigate the relationship between thermal regime alteration and spawning delay of the four major Chinese carps (FMCC) below the Three Gorges Dam in the Yangtze River, China, using a 13‐year ecological data series (1997–2009). Eighteen variables were defined to quantify thermal regime and related to two variables representing spawning timing. Our results demonstrate that the start of FMCC spawning has been delayed from early May to middle June since the Three Gorges Dam initiated operation in 2003. Water temperature declines of 2 °C–4 °C in March, April and May (a critical period for gonad development) were the principal reason for the observed spawning delay. The variable most associated with spawning timing was the arrival date of the cumulative temperature needed for gonad development from stages IV to V (D_DegDayIV–V), which describes the long‐term impacts of the timing, magnitude and duration of thermal regime upon gonad development. Only the cumulative temperature for gonad development and the minimum temperature for FMCC spawning (18 °C) are both satisfied, the occurrence of suitable flow conditions, that is, flow increase or flash flood, would produce a successful spawning event. Consequently, we suggest that the experimental flow increase process of the Three Gorges Reservoir aimed at enhancing FMCC spawning should initiate after 15 June when the requisite thermal regime can be met. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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和可持续发展问题，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获得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。通过比较相同入库流量下生态调度和现行调度的水库综合效益，得出在中华鲟产卵期，优化中华鲟产卵生境的生态调度在仅损失0.15%发电量的同时使坝下中华鲟产卵场产卵适合度增加39%，使中华鲟获得更适宜的水动力环境，增加产卵概率，有效保护中华鲟资源。     

供水水库多目标生态调度研究

根据我国北方地区径流特征及供水水库调度的实际需求,构建了供水水库多目标生态调度模型。模型将下游生态需水过程分为最小生态需水及适宜生态需水两个等级,要求枯水期水库放水过程能够满足河流最小生态需水要求,确保下游生态不退化;丰水期放水过程贴近适宜生态需水过程,为下游提供良好生境。基于该模型,采用自适应遗传算法,对承德双峰寺水库生态调度问题进行了优化求解,结果表明该模型能够对北方供水水库生态调度决策提供支持。     

基于干旱河道生态修复的岳城水库生态调度

根据干旱风沙河道生态修复目标,结合水库的防洪、兴利、生态调度,建立了多目标水库生态调度模型,研究漳河岳城水库的生态调度。结果表明:枯水年岳城水库向下游河道生态供水0.277×10~8m~3,平水年岳城水库向下游河道生态供水0.327×10~8m~3,丰水年可以满足下游生态需水量2.66×10~8m~3。     

三峡梯级水电工程生态调度准则框架研究

在分析梯级水电工程生态调度准则内涵的基础上,综合考虑不同水文情势条件下,长江中下游社会经济和生态环境目标之间以及多种生态环境保护目标之间的相互协调原则,提出了三峡梯级水电工程生态调度准则研究框架。包括:针对生态环境的刚性需求——最小环境流量的常规生态调度准则;针对生态环境的柔性需求——特定生物的繁殖期需求以及生态环境敏感区的脆弱期需求的相机生态调度准则。研究结论将为三峡梯级水电工程生态调度运行准则提供理论支持,并为梯级枢纽生态补偿进一步研究奠定基础。     

长江中游水文情势变化及对鱼类的影响分析

为分析三峡水库蓄水后长江中游河道水文情势变化情况及其对鱼类产卵繁殖的影响,采用水文变化指标体系和变动范围法,对宜昌站水文情势变化进行了定量分析,得出了变化程度较为剧烈的水文参数。通过对照典型鱼类的历史产卵量与历史流量过程,归纳了典型鱼类四大家鱼的生态水文需求,得出了影响鱼类产卵繁殖的主要水文参数。提出了水文情势变化影响鱼类产卵繁殖过程的概念性模型。在分析的基础上,揭示了长江中游水文情势变化对鱼类产卵繁殖的影响。