闸坝工程对河流生态系统影响机制分析

河流生态系统影响评价是闸坝工程运行管理工作的重要内容之一,本文在综述闸坝工程对河流生态系统的影响效应和闸坝控制型河流生态评价方法的基础上,建议运行闸坝工程的决策者通过采取优化河流生态系统的综合管理、连通河流上下游水系、恢复河岸缓冲带栖息地的适宜性、精确估算河流生态需水量等措施,最大限度地减轻对河流生态系统造成的负效应,不断提升河流生态系统的水体净化能力,最终达到满足流域生态文明建设中功能需求的目标。     

河流保护与生态修复

分析了堤防和水坝对河流造成的负面影响:切断了河流横向和纵向的生态联系,造成水文循环短路和绝缘,河流被台阶化、节点化,从而破坏了水滨生物栖息地和水生生态系统。从河流保护概念性范围出发,分析了河流在横向、纵向、垂向以及时间维度上的水文循环和生态联系。指出恢复河流生态系统的根本思想在于推动和恢复河流在空间和时间的4维尺度上的水文循环和生态联系,避免河流水文循环短路或绝缘。总结了国内外关于河流生态修复的措施,即在河流横向营造生物栖息地、湿地、林地、深潭和浅滩等,在河流纵向补偿流量和洪水过程,重建生物栖息地和水库消落带,闸坝处建造鱼道和鱼梯等。     

河流生态流量特征图及生态流量评价方法

以水电站大坝下游河道为研究对象,从分析天然日流量特征出发,基于月中值流量和月内典型特征流量绘制了河流生态流量特征图,作为水库下泄生态流量的确定依据。基于此河流生态流量特征图,建立了判断生态流量满足程度的7 d流量偏差率、7 d生态需水保证率、月均生态需水适宜度及基于此3个指标的生态需水综合指标,并给出了各指标的评价依据和评价方法。结果表明,河流生态流量特征图符合各时段河流天然流量的基本特征,可作为指导水库生态泄流的依据;所建立的生态流量评价方法能够反映实际下泄流量与天然流量的变化程度,可用于评价河流的生态流量满足程度。     

河流健康的概念及指标体系和评价方法

指出健康河流不但应当具有健康的生态系统,还应具有良好的社会服务功能;与生态河道和景观河道相比,健康河流兼有生态河道和景观河道的有益特征,具有更广泛的适用性;河流健康评价指标应当具备易于理解、便于定性或定量描述、便于监测、便于作为管理目标和拟定相应对策等特点。以此为依据,提出包括流量偏离率、水质综合污染指数、底栖大型无脊椎动物生物完整性指数、河流廊道连通性、河道稳定性、栖息地质量、缓冲带宽度、林草覆盖度、河流美景度和实际防洪能力等指标的河流健康评价指标体系及评价方法。     

河流生态健康评价中功能指标分析与计算

通过对包括生境多样性指标、河流水质指标、河口径流指标、森林覆盖率指标、地下水超采率和河流纵向连续性指标等河流生态功能指标进行分析,考虑各项指标在整体评价中的作用确定指标权重,并对各项评价指标进行标准化处理,建立了河流生态健康评价指标体系。据此,利用滦河流域有关成果调查和资料,对滦河河流生态功能进行评价,评价结果介于一般与较差之间。该评价方法考虑了多项影响河流生态功能的因素,因此评价结果能较好地反映河流生态功能,可为河流开发和管理提供参考依据。     

面向河流生态完整性的黄河下游生态需水过程研究

提供适宜的生态流量对维护河流健康和支撑人类社会发展具有重要意义。尽管栖息地模拟法物理机制清晰、应用广泛,但对生物群落考虑不足、生命节律信号缺失等问题长期存在。以维护河流土著生物群落完整性为目标,本文将天然水文情势作为参照系统,结合栖息地模拟与水文参照系统特征值,建立了一种面向河流生态完整性的生态需水过程评估方法,兼顾指示物种生存繁衍和土著生物群落基本生存。黄河下游利津断面评估结果显示:利津断面年最小生态需水量119亿m~3,适宜生态需水量130～137亿m~3,涨水期需提供1～2次持续时间不低于7 d、流量不低于1220 m~3/s的高流量脉冲。对比历史实测流量过程与本文生态需水成果,发现利津断面水量充足,但流量过程不满足生态需求。黄河需加强水库群调度,协调径流年际和年内分布,塑造适宜的生态流量过程,并适时塑造高流量脉冲。     

基于栖息地模型的新安江坝下生态流量研究

通过水力学模型与物理栖息地模型的耦合建立,揭示水文水力学与河流生物生命过程的响应关系,探索水生生物最佳生境所需的生态流量,为构建系统理论提供依据。基于物理栖息地模型,运用MIKE 21二维水力学模型模拟新安江坝下江段不同流量条件下的水深、流量分布,利用PHABSIM栖息地模型作出流量-WUA关系曲线,并得出虹鳟鱼适宜生态流量为160 m3/s,该值介于tennant评价标准极好与最佳之间,分析认为该计算结果更为合理,可为虹鳟鱼的保护和新安江水库的生态调度提供参考。     

向家坝蓄水前后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区物理完整性评价

采用流量过程变异程度、高流量频率、高流量历时偏差、岸坡稳定性、栖息地类型多样性、底质类型多样性、河岸植被覆盖度、垂向透水性等8项指标对向家坝蓄水前后长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区部分关键河段的物理完整性进行了评价研究。结果表明:赤水河的物理完整性远高于长江干流,长江干流的3个河段中江津段的物理完整性较高,其次是宜宾和合江。向家坝蓄水前后,高流量频率、高流量历时偏差、栖息地类型多样性、垂向透水性等4项指标差异较大。向家坝蓄水对保护区关键河段水文过程,特别是脉冲流量及其持续时间、底质中值粒径和水深、流速的分布等具有一定程度的影响。研究结果可为长江上游干支流物理完整性评价提供借鉴。     

基于PSR模型的刁口河流路生态完整性评价

采用PSR(压力—状态—响应)模型和生态系统完整性评价方法,结合刁口河流路生态系统特点,构建了刁口河流路生态完整性评价指标体系,用层次分析法并参考专家意见对指标进行权重分配;采用生态完整性评价方法,对指标进行标准化赋值,得到刁口河流路范围内的生态完整性指数。结果表明:该地区2009年的生态完整性指数为0.285,生态完整性处于较差状态;2012年生态完整性指数为0.458,处于一般状态。     

基于栖息地模拟的河道生态需水量多目标评价方法及其应用

本文提出基于栖息地模拟法的多目标评价法计算河道生态需水量,以加权可利用面积(WUA)最大和流量最小为目标,采用理想点法进行求解.该方法综合考虑了生态用水和经济用水,提供了一个栖息地保护和经济用水相协调的最优河流生态需水量.最后以鱼类作为指示物种,对新疆额尔齐斯河中游鱼类产卵期的河道生态需水量进行了计算.计算结果表明,其生态流量为78m3/s,占该河段多年平均流量的74%.该结果比直接采用栖息地模拟法计算的结果小,但该生态流量可以对河流栖息地提供足够的保护,且较好地协调了生态用水和经济用水的矛盾.     

北方缺水河流生境质量评价研究—以妫水河为例

北方地区由于缺水干旱、城市化进程发展和人为活动等影响导致河流生境退化严重,现有评价体系和方法不能很好地反映河流生境状况,基于此,构建了包括河流形态结构、水质水量、河岸带状况、景观环境、水生生物5个方面共13项指标的北方河流生境质量评价指标体系,确定了各指标的等级划分及生境质量综合指数计算方法。结合北京市延庆区妫水河生境调查结果,对流域内选取的妫水河干流及3条支流按照河流河段尺度分为缓坡型、山区型和城区型河段,并利用构建的评价体系和方法开展具体评价。结果表明:(1)研究区域13个样点的河流生境质量状况差异显著,约46.2%的样点河流生境质量处于好等级,约15.4%的样点为较好等级,约7.7%的样点为一般等级,约23.1%样点为较差等级,约7.7%的样点为最差等级。(2)缓坡型河段的生境质量明显优于山区型河段和城区型河段,其生境等级为"好",山区型和城区型河段的生境等级均为"较差",表明河流水量和人类负面干扰对河流生境影响较大。(3)该评价指标体系适合北方缺水干旱的特殊生境状况,其评价结果较为直观的反映了河流生境现状,兼备科学性和可操作性。     

长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用

考虑水生生物生境需求的物理栖息地模型被认为是评估河流流量变化对水生态系统影响的最可信的方法之一。本研究选取长江干流含有河漫滩的监利江段为实例,建立底栖动物各类群的物理栖息地模型,计算变化流量下栖息地适宜面积的时间序列,并据此进行生态流量决策。结果显示长江中游底栖动物最敏感的环境参数是流速,适宜范围为0～0.2 m/s;其次是水深,适宜范围为0～6 m。在考虑敏感环境参数的前提下,得出监利江段底栖动物的最佳生态流量为20 000 m3/s。三峡大坝蓄水后枯水期和平水期底栖动物适宜面积的低值部分减小,丰水期适宜面积增加。为了保护底栖动物栖息地,建议三峡大坝在防洪蓄水的同时能兼顾底栖动物的生态流量需求,调节枯水期和平水期的流量,让监利江段接近4000 m3/s,丰水期接近20 000 m3/s。在枯水年增大枯水期和平水期的流量,平水年增大枯水期的流量,丰水年减少丰水期的流量。本研究方法可以供长江其他河段目标物种的生态流量决策和生态修复方案设计参考。     

黑水河流域生态系统完整性评价

为评估黑水河流域受人为干扰的实际情况,依托流域范围内的基础地理、生物多样性、环境数据、其他威胁等调查资料,构建包含水文情势、水质、连通性、栖息地、生物群落5项关键属性的淡水生态系统完整性评价指标体系。通过变化范围法RVA、综合连通系数、栖息地比例相似PSI指数、入侵指标和捕捞指标等对黑水河流域生态系统完整性进行评价,黑水河流域水文情况属性现状为差、连通性属性现状为差、栖息地属性现状为差、生物群落属性现状为一般;河流水质现状较优,但黑水河支流存在一定富营养化风险,评估为一般。结果表明：流域生态系统完整性评价指标体系,应围绕淡水生态系统五大关键生态属性,并结合流域生态特征及生态现状来确定;RVA、综合连通系数、PSI 指数等的综合运用能够科学地确定指标阈值,进而正确进行流域生态完整性评价;受不同流域鱼类生态学习性差异等因素影响,还需通过长期监测不断完善评价理论和方法。     

Linking SVM based habitat model and evolutionary optimisation for managing environmental impacts of hydropower plants

The present study proposes a support vector machine (SVM)-based habitat model linked with evolutionary optimisation to balance the impacts of generating hydropower on the downstream river habitats. This method was applied in the Rajaei reservoir and Tajan River basin in Iran to mitigate the environmental impacts of hydropower plants. SVM model classified the habitat suitability at downstream river in which a sigmoid function considering different slopes was applied. The Nash–Sutcliffe efficiency coefficient as the evaluation index of the habitat model is 0.8, which implies the SVM model is robust to simulate physical habitats. Hydraulic simulation demonstrated that depth and velocity change from zero to 1.79 m and zero to 1.82 m/s, respectively. Most suitable river flow is 7 m³/s downstream of Rajaei reservoir. Five evolutionary algorithms were used to balance environmental impacts with generating hydropower. Finally, a fuzzy technique for order of preference by similarity to ideal solution (FTOPSIS) selected the best optimal solution in the Rajaei reservoir. Based on optimisation results, The simulated annealing (SA) algorithm was the best optimisation method to balance generating hydropower and downstream ecological impacts, in which average habitat suitability is more than 90% of average habitat suitability in the natural flow, while reliability of generating hydropower is 38%. Moreover, SA is able to minimise the average difference between habitat suitability in the optimal release and the natural flow properly. Using the proposed method is recommendable to mitigate the potential impacts of generating hydropower on the downstream river habitats.     

松花江流域主要干支流纵向连通性与鱼类生境

基于松花江流域拦河建筑物现状,采用阻隔系数法,评价主要干支流的纵向连通性。结果表明:松花江干流和嫩江纵向连通性指数分别为0.21和0.27,连通性评价等级为良,第二松花江连通性指数为0.62,连通性评价等级为中等。嫩江支流中连通性最好的是嫩江,成为冷水性鱼与嫩江尼尔基以下河段交流的唯一通道;而甘河、雅鲁河、绰尔河和讷谟儿河连通性评价等级为良,洮儿河、霍林河和乌裕尔河连通性评价等级为劣。第二松花江支流中伊通河和饮马河拦河坝众多,鱼类洄游受阻,连通性等级为劣。松花江干流支流牡丹江、拉林河受梯级水电站开发影响,其评价指数为劣;倭肯河、汤旺河受河流沿岸灌区渠首闸坝、水库及水电站建设影响,评价等级为差,这些支流目前濒危珍稀鱼类已绝迹,也极少见到冷水性鱼类。整个流域内未建设过鱼设施,对鱼类洄游和种群交流产生阻隔,提出了补建和新建过鱼设施,必要时开展增殖放流的措施。建议对没有预留生态流量的拦河建筑物进行改造或者利用现有设施泄放生态流量,对预留生态流量的调整水库调度方案保证其下泄流量满足不同时间、空间鱼类生存需求。     

河池市龙江河健康评估

河湖健康评估是评价河湖健康现状、诊断河湖健康问题、拟定河湖保护与修复策略的重要手段,对维护河湖生态健康、维持流域生态系统良性具有重要意义。本文对河池市最重要的河流之一——龙江河,从水文完整性、物理结构完整性、化学完整性、生物完整性、社会功能完整性5个方面,全面评估其健康状况。结果表明：河池市龙江河总体处于健康状况,评估赋分72.8分,但仍存在进一步改善的空间。主要问题包括：天然流量过程被改变;河岸带存在人工扰动情况,河道被重重阻隔;流域开发活动可能增多,水污染潜在风险仍然存在;河流生物状况不清,底栖环境状况不容乐观;河流管理保护状况与公众需求仍存在一定差距。     

黑河中游张掖城区段水生态治理方案研究

黑河为西北地区第二大内陆河,属"祁连山-河西走廊"水生态二级区。针对其河道基本生态需水不足、河湖面积萎缩、河流地貌及生境形态严重破坏、土地沙漠化加剧等问题,采用"Qp法"和"Tennant法"分析了河道最小生态基流和年内不同时期生态流量,确定了全年河道生态环境需水量,研究了黑河张掖市城区段水生态的治理实施方案,提出了适用于内陆河风沙危害严重区段的河(湖)水-生态河岸-滨岸带-防风固沙林带组成横向生态系统结构的治河模式和内陆河筑湖造境的生态治理模式。研究和实施效果表明:生态环境需水量的计算方法能够较好地适应黑河流域水文特征,提出的治河模式和筑湖造境治理方案对内陆河风沙危害区河道的水生态治理工程建设起到了示范效应,具有科学性和实用性,可为同类工程提供借鉴和参考。