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。     

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。     

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。     

基于鱼类生境需求的生态流量过程研究

选用日涨水率和日落水率两个生态水文因子,构建裂腹鱼栖息地生态水文学特征指标。结果表明,产卵期日涨水率的适宜范围为0.005~0.015,日落水率的适宜范围为0.005~0.015;非产卵期(5~10月)日涨水率的适宜范围为0.01~0.05,日落水率的适宜范围为0.02~0.04。采用文献法和专家法得出裂腹鱼产卵期偏好水深范围为0.5~1.5 m、偏好流速范围为0.5~2.0 m/s。用不同方法计算了苏洼龙水电站坝下河段生态需水量,并结合金沙江上游天然河流的水文情势及裂腹鱼栖息地生态水文学特征,以生态水力学法的计算结果作为基流量,确定了苏洼龙水电站坝下河段的生态流量过程。     

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。     

考虑鱼类产卵场健康的生态需水核算 ——以西江东塔产卵场为例

产卵场是鱼类栖息地中敏感场所,具有特殊的水文水动力特征,对鱼类自然繁殖有重要的生态学意义。为有效缓解家鱼资源衰退趋势,开展针对四大家鱼自然繁殖的生态需水核算研究,保障家鱼繁殖的用水需求是一种有效的方法。首次以西江段东塔产卵场为研究区域、四大家鱼为目标物种,构建研究区水动力特征指标适宜性曲线,采用二维河流水动力学模型River2D,模拟不同流量下流速和水深等因素对鱼类产卵场的影响,建立流量与四大家鱼栖息地权重可用面积变化的关系,从而确定研究区生态需水量。研究结果表明:基于20种流量工况(1 000～20 000 m~3/s)模拟结果显示,东塔产卵场最大权重可用面积为101 935.48 m~2,适宜权重可用面积对应的生态需水量为10 277.54～12 546.61 m~3/s,该值可作为四大家鱼产卵期的生态需水峰值。基于历史月平均流量工况模拟结果显示,东塔产卵场1—12月可利用加权面积最小值对应的流量分别为:1 339.67、1 256.53、1 361.93、2 126.09、4 057.10、6 202.66、6 734.19、5 316.12、3 092.66、1 680.32、1 234.40、1 168.32 m~3/s,该系列值可作为维持东塔产卵场功能的最小生态需水量。利用维持四大家鱼产卵场健康确定河道生态需水量有利于鱼类种质资源的提高,在维持生物多样性乃至对整个生态系统具有重要的生态学意义。     

基于湿周法的河道最小生态需水量多目标评价模型

以湿周与流量关系为基础,建立了基于多目标评价方法的河道最小生态需水量估算模型,以湿周最大和河道流量最小作为栖息地保护和水资源开发利用的目标,采用理想点法求解,以增江下游麒麟咀站为例计算河道最小生态需水量,并将该模型的计算结果与斜率法和曲率法的计算结果进行了比较分析。结果表明:增江下游河道最小生态需水量阈值范围为20.8～26.3 m3/s,相应的平均流速范围为0.42～0.44 m/s;模型计算结果比传统的湿周法适用性更强,且能较好体现生态用水和经济用水的均衡发展。     

基于鱼类栖息地需求的雅鲁藏布江中游环境流量计算

针对水利工程影响下,河道下游天然水文情势改变造成鱼类产卵场面积减小和质量降低等潜在生态问题,通过数值模拟与统计建立拉萨裸裂尻鱼产卵期栖息地适宜度模型,采用栖息地模拟法计算了雅鲁藏布江中游藏木水电站坝下米林—尼洋河汇口处38.9 km河段的环境流量。结果表明:拉萨裸裂尻鱼产卵期适宜水深为0.7～1.0 m,适宜流速为0.4～0.6 m/s;研究河段内拉萨裸裂尻鱼产卵期环境流量为432 m~3/s。     

长江中下游河道生态流量研究

探讨了河道生态流量基本理论方法,针对长江中下游河道实际情况,选取宜昌站和汉口站作为控制性断面,采用改进河道湿周法计算长江中下游各河段最小生态流量,进一步根据鱼类产卵繁殖所需流速,估算了长江中下游各河段的适宜生态流量,并利用Tennant法对计算结果进行了分析评价。计算结果为,宜昌、汉口站断面的最小生态流量为2315m3/s3、124m3/s,分别占多年平均天然流量的16.7%、13.8%;宜昌、汉口站断面的适宜生态流量为8154.7m3/s1、6663m3/s,分别占多年平均天然流量的65.7%、73.6%。该研究结果为长江中下游的河流生态环境保护及水资源科学配置提供了参考。     

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。     

航道整治水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响——以荆江周天河段为例

以长江中游荆江周天河段航道整治工程为例,采用平面二维水动力数学模型,对工程修建后水流流态、水位和流速等水力因素变化进行计算分析,进而研究航道整治工程所导致的水文情势变化对河段内四大家鱼产卵场的影响。研究表明:工程实施后,产卵期水位变化约-0.01～0.01 m,流速变化约为-0.10～0.15 m/s,不会对产卵场水流流态造成大的影响;潜丁坝工程会导致局部流速以及附近河床冲淤的变化,但客观上起到了人工鱼礁的作用,为鱼类提供良好的庇护、栖息及觅食等环境,一定程度上有利于鱼卵的受精和正常孵化;工程水下沉排和抛石使得局部河床地形更为复杂,但对河床地形地貌影响范围和程度较小。     

鱼类产卵敏感期河流生态流速的分区分类阈值研究

敏感生态流量目标的合理制定是生态流量管理的重难点问题。针对目前敏感生态流量目标制定中存在的计算方法繁杂、关键参数缺乏等问题,本文以鱼类产卵期为重点,提出了分区分类河流敏感期生态流速和生态流量核算方法,制定了不同区域(东北、黄淮海、西南、长江中下游和东南沿海)、不同类型(按集水面积、山区河段和平原河段等划分)河流敏感期生态流速阈值。结果显示,全部分区分类推荐流速平均值为0.66 m/s,其中山区大站平均值为0.94 m/s、山区小站平均值为0.62 m/s、平原大站平均值为0.63 m/s、平原小站平均值为0.46 m/s。基于阈值核算了全国217个鱼类产卵生境保护河段的敏感期生态流量目标,并结合部分断面湿周法结果对阈值合理性与适应性进行了验证,验证结果表明相关阈值和方法适应于不同类型、不同规模河流,可为我国现阶段河流敏感生态流量管控提供参考。     

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.     

水库生态调度模型及其应用

为了减轻水利工程对河流生态系统造成的不利影响,针对汉江中下游的主要生态问题,结合不同时期生态因子和水文观测资料,分析计算了汉江的最小生态流量、适宜生态流量以及四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲过程。通过建立丹江口水库生态调度模型,选取典型代表年,对丹江口水库进行河流生态需水量和人造洪水调度。计算结果表明,丰水年和平水年能满足最小和适宜生态流量的需求,典型枯水年能满足最小生态流量,特枯年份无法满足适宜生态流量过程。分析了生态调度对水库发电效益产生的影响,丰水年影响甚微,平水年和枯水年的影响逐渐加大。通过水库的人造洪水调度可以满足四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲环境。实施水库的生态调度有益于人水和谐的可持续发展。     

航道整治对东流水道四大家鱼栖息地适宜度的影响

为探讨长江下游东流水道二期整治工程对河段内四大家鱼繁殖水流条件的影响,根据平面二维水流数学模型和四大家鱼适宜度曲线,建立了四大家鱼栖息地适宜度模型,并对东流水道不同时期的四大家鱼适宜度分布情况进行了数值模拟,初步评估了东流水道二期整治工程对四大家鱼适宜度的影响。结果表明:东流水道二期工程能增加四大家鱼产卵期理想的适宜性区域,有助于四大家鱼的产卵繁殖;对四大家鱼在生长期的影响因时期不同而有略有差异,在二期工程施工刚完成时不利于鱼群生长,但在施工完成较长一段时间后则有利于鱼群生长。建议在进行航道整治工程的整体布局和尺寸设计时考虑工程对目标鱼群栖息地适宜度的影响,使航道整治工程对目标鱼群栖息地适宜度的影响达到最小,甚至增加目标鱼群的理想适宜度和范围。     

汉江桥闸工程下游河段典型鱼种栖息地模拟研究

探究水利工程干扰下的鱼类生境变化特征是维护河流生态健康的基础性研究。以汉中平川段内汉江三桥桥闸下游10 km为研究河段,利用水文学法和栖息地模拟法计算了生态流量。建立了河段二维水动力学模型,选用宽鳍鱲为目标鱼种,依据其对水深和流速的适宜性曲线确定了流量变化下的生境面积,并采用生境质量分级分析了不同流量响应鱼类生境的变化特征。研究结果表明:两种方法计算出河流生态流量相近,分别为54.3和53.1m~3/s,最终适宜流量为47.8～54.3 m~3/s;在流量8.8～212.7 m~3/s时,相比中等和低质量生境,高质量生境面积随流量的波动更为显著,呈现先升后降的趋势,212.7 m~3/s以上流量的各级生境面积随流量变化较小;高质量生境多分布于两岸和冷水河交汇口,中等质量生境主要分布在河段下游;低质量生境位置相对不固定;研究成果可为桥闸运行和河流鱼类保护提供重要参考依据。