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。     

澜沧江中游河段中国结鱼栖息地模拟

为了定量化评估和预测不同水库流量下泄情况对生物栖息地变化的影响,选取澜沧江特有的经济鱼类——中国结鱼作为指示物种,构建栖息地模型模拟其适宜的生境范围。根据成鱼生活习性和产卵行为等关键因子建立栖息地适宜度评价指标(HSI),通过耦合一维水动力模型和HSI建立中国结鱼栖息地模型。基于模型模拟结果,得到成鱼加权可用面积(WUA_d)和产卵加权可用面积(WUA_s),并运用Mann-Kendall测试分析漫湾大坝建设前后WUA_s和WUA_d的变化趋势。结果表明:漫湾大坝建设期和运行期WUA_s和WUA_d分别发生突变。对中国结鱼的产卵场(WUA_s)而言,大坝对最低和中等级别的栖息地有显著影响,对最优级别的栖息地影响较小;对中国结鱼的成鱼(WUA_d)而言,大坝降低了中等和最优的WUA_d。产卵所需的最佳流量(2 200～3 200 m~3/s)大于成鱼生存所要求的最佳流量(510～760 m~3/s),因此为了给不同时期的鱼类提供适宜的生境,应尽量保持流量的多样性。     

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。     

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。     

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。     

大坝对长江流域洄游鱼类的影响

大坝的隔离,使长江与通江湖泊的关系受到威胁,洄游性鱼类失去了原有丰富的栖息地,直接影响到一些江湖洄游性鱼类的生长与繁殖.根据对不同时期的渔获物组成、三口分流水量和分流比、中游及洞庭湖鱼苗产量、四大家鱼产量、四大家鱼在鱼类资源中的比例和监利四大家鱼鱼苗径流量的统计分析,得出了大坝对以四大家鱼为代表的江湖洄游性鱼类资源量的影响.结果表明,大坝对长江中下游鱼类物种组成和丰度有一定影响,优势物种趋于集中,大坝对水文规律的调节对鱼类的产卵量有一定不利影响,江湖关系的连通度决定着洄游性鱼类的生长与繁殖.为降低工程对生态的影响,水库的运行,特别是在产卵期应结合生态的需要,应进行优化调度.     

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。     

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。     

补偿中华鲟产卵场水动力环境的梯级水库联合生态调度研究

三峡—葛洲坝梯级水利枢纽工程的建设和运行阻隔了长江部分洄游鱼类的洄游通道,梯级水库的联合调度运行改变了坝下河道天然径流过程,对被迫在坝下形成新产卵场的珍稀水生物中华鲟的产卵繁殖产生一定影响。为有效保护中华鲟资源,在明确梯级水库调度运行与中华鲟产卵场产卵适合度相关性分析的基础上,提出优化三峡下泄流量和葛洲坝运行方式相结合的三峡—葛洲坝梯级水库生态调度方式,以补偿中华鲟产卵栖息所需的河流生境。通过以三峡水库的实际来流过程输入水库生态调度模型,得出中华鲟产卵期(每年10—12月)补偿其产卵栖息水环境的梯级水库联合生态调度方式。根据梯级水库生态调度与现有调度结果进行分析比较结果表明:梯级水库联合生态调度可在满足三峡水库常规调度目标的基础上同时满足中华鲟产卵所需的生态流量,配合葛洲坝电厂优化调度运行方式,可有效增加坝下中华鲟产卵场水动力环境产卵适合度,补偿梯级水库运行对中华鲟产卵生境造成的不利影响。     

长江中游四大家鱼发江生态水文因子分析及生态水文目标确定

基于长江中游四大家鱼发江量历次调查数据,采用宜昌站作为长江中游水文情势变化分析的控制站,基于其1900~2004年共105年的日径流资料,采用每年5~6月涨水过程数、总涨水日数、平均每次涨水过程日数等3项生态水文指标,分析了四大家鱼发江量与3项生态水文因子的变化关系,认为产卵场所处江段每年5~6月的总涨水日数是决定家鱼苗发江量多寡的一个重要环境因子。根据IHA方法,对宜昌站105年来的生态水文指标分析表明,长江宜昌站生态水文过程的改变并不明显,5~6月总涨水日数变化趋势不显著,显示长江中游影响四大家鱼苗发江量的生态流量过程改变不明显,与前人得出的葛洲坝枢纽修建后四大家鱼的产卵条件和卵苗江汛规律没有变化这一认识一致。但是,随着三峡水库的运行,下游河道的生态环境流量过程会有较大改变,本文建议三峡水库的调控以保障长江中游每年5~6月的总涨水日数维持在22.1±7.2范围内为生态水文目标,即可从生态环境流量过程方面补偿水利工程对中游四大家鱼鱼苗发江量的影响。     

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。     

Evaluation of fish habitat suitability using a coupled ecohydraulic model: Habitat model selection and prediction

The selection of an approach to evaluate habitat suitability for a specific fish or life stage has been a matter of concern in habitat quality modelling studies. This study has taken Jinshaia sinensis, a commercially valuable fish endemic to the Jinsha River, China, as the target fish species. One‐ and two‐dimensional hydrodynamic models were coupled and combined with fish habitat models for a middle reach of the Jinsha River. The resulting ecohydraulic model was used to predict the changes in hydrodynamics and spawning habitat suitability that resulted from the operation of an under‐construction reservoir downstream of the study area. The preference function (product, arithmetic mean, geometric mean, and minimum value) and fuzzy logic habitat evaluation methods were compared to predict the spawning habitat suitability of the fish. The model was validated using the numbers of spawning eggs, and the results show that both the arithmetic mean and fuzzy logic method can be used to predict spawning habitat suitability. The model predictions show that the hydrodynamics of the study area would be altered if the impoundment water level exceeded 969 m. During the spawning season, the spawning habitat suitability would increase from April to early June and has little change from early June to July under the impact of the reservoir impoundment. The optimal river discharge rate for fish spawning is ~3,500 m³/s, and this would not change after the reservoir begins operation. This research can benefit other regions that will be affected by planned dams by predicting the impacts of reservoir operation on fish habitat quality, and the results will help decision makers protect the health of rivers and the overall ecosystem.     

基于遗传规划法识别影响鱼类丰度的关键环境因子

以长江中上游四大家鱼为例,采用遗传规划法,从水文、水温、泥沙、气象等方面定义的15个环境因子中,识别出影响四大家鱼鱼苗丰度的关键环境因子,并分析了鱼苗丰度随关键环境因子的变化趋势。研究结果表明:自然条件下,涨水的持续时间和日均涨水率为影响鱼苗丰度的关键环境因子;鱼苗丰度与涨水持续时间之间存在非线性递增关系,且涨水持续时间在5~8d时,鱼苗丰度随之显著增加;日均涨水率低于2000(m3/s)/d时,鱼苗丰度与日均涨水率之间呈现近似线性递增关系,而日均涨水率高于2000(m3/s)/d时,由于监测数据较少,尚无法确定二者的关系。对比相关分析法、多元线性回归法和人工神经网络法,遗传规划法在识别与生物因子存在非线性关系的关键环境因子,并建立它们之间的量化关系方面具有显著优越性。