耦合水文情势及鱼类繁殖的江垭水库生态调度需求研究

为了修复河流水文情势、维持河流生态系统健康,通过环境DNA采样、IHA水文指标变动分析和文献资料总结等方法,开展了江垭水库坝下水文情势及鱼类繁殖需求关系研究,提出了水库生态调度需求与建议。结果显示,2021年9月在溇水干支流综合调查获得鱼类55种,与20世纪90年代相比,流水性种类在干流江段显著减少了51.35%;按照生态调度优先等级评估原则,确定江垭水库生态调度的主要目标物种为产漂流性卵的银鲴(Xenocypris argentea)、银鮈(Squalidus argentatus)、贝氏䱗(Hemiculter bleekeri)和产粘沉性卵的鲤(Cyprinus carpio)、鲫(Carassius auratus);江垭建坝前后下游水文情势变化较大,发生高度改变且对鱼类洄游产卵及鱼卵发育有重要作用的水文指标包括年最大1日、3日平均流量指标、年出现高流量脉冲事件的次数和持续时间以及连续日流量上涨率。研究表明,以促进坝下不同产卵类型的鱼类繁殖为目标,生态调度需要一定的高流量脉冲次数和历时,还需要控制下游水位的日降幅,通过泄放合理的生态流量来维持下游鱼类的生物多样性。

生态调度控制汉江中游入侵沉水植物过度生长效果研究

针对汉江中游江段入侵沉水植物伊乐藻(Elodea nuttallii)过度生长的问题,以2019年调查监测为基础,采用生物量、分布面积、流速、流量等指标,于2020-2021年在汉江丹江口水库联合王甫洲水利枢纽开展了控制伊乐藻过度生长的生态调度试验并评估其生态效果。结果表明:(1)丹江口−王甫洲区间适宜入侵沉水植物伊乐藻生长的水域面积达16.8 km^(2),主要分布在坝前两岸浅水区、泄水闸上游洲滩、水岸新城、中洲岛、木排港、羊皮滩等区域;(2)生态调度的控制效果显著,伊乐藻生物量和分布面积呈逐年减少趋势,其年度峰值生物量变化与春季萌发期1-3月流量极值比(r=-0.997)和生长旺盛期4−8月平均流量(r=-0.963)的相关系数均大于0.9,与全年平均流量(r=-0.748)和4−8月平均水温(r=0.732)的相关系数大于0.7,流量(流速)和水温是影响伊乐藻生物量的关键因子;(3)根据王甫洲坝前漂浮伊乐藻日打捞量与入库流量统计,可以对伊乐藻成熟团聚体产生明显冲刷影响的王甫洲入库流量(即丹江口水库下泄流量)条件为不小于1500m^(3)/s;丹江口水库峰值流量为3500m^(3)/s的单次汛期调度过程,可减少研究区间内约40%的伊乐藻生物量。

控制汉江丹江口至王甫洲区间伊乐藻的生态调度及其效果评估

为科学有效控制汉江丹江口至王甫洲区间伊乐藻(Elodea nuttallii)过度生长繁殖,研究生态调度的实施效果,采用生物量调查法、分布面积统计法、数学模型模拟法等方法分析生态调度实施前后伊乐藻总生物量和分布面积的变化情况,并探讨对丹江口水库下泄流量的需求。结果表明,连续3年实施生态调度,伊乐藻总生物量由2019年的4.8万t减少至2022年的40.11 t,分布面积由11.60 km^(2)减少至0.23 km^(2),减幅均达到了95%以上;伊乐藻生物量占沉水植物总生物的比重从99.99%减少至17%,生态调度效果较好;春季生态调度应重点从增加流量极值比出发进行中度干扰,夏秋季生态调度重点从满足0.14 m/s临界流速出发进行大流速冲刷。研究结果明确了王甫洲水库伊乐藻的生态调度需求,为持续开展伊乐藻“灾害”防控提供了参考基础。

面向产漂流性卵鱼类的三峡水库生态调度效果评价

构建生态调度效果评估指标体系,评估三峡水库历年生态调度的效果并提出生态调度方案的优化建议,为三峡水库生态调度提供参考。从生态环境效益和社会经济效益2个维度出发,构建的面向产漂流性卵鱼类繁殖的水库生态调度效果评价体系包含目标层、准则层和6个一级指标、10个二级指标,提出了各指标的计算方法和赋分标准,并采用层次分析法根据指标相对重要度,计算了各指标的权重系数。2012-2022年三峡水库生态调度效果各年度存在明显差异,涨水持续时间、初始流量、流量日上涨率和洪峰流量、水温等水文水环境指标满足鱼类最适繁殖需求的生态调度,鱼类繁殖响应良好;开展2次生态调度年份的效果好于开展1次调度的年份。三峡水库生态调度尽可能控制在水温20℃以上起调,水库出流过程尽可能接近鱼类适宜的水文需求阈值区间,同时在水库运行条件合适的前提下,年内尽可能开展2次生态调度实践,泄放较大脉冲的洪峰过程,促进鱼类繁殖。

2023年三峡水库生态调度对四大家鱼生境面积的影响

为量化生态调度对四大家鱼生境面积的影响,2023年在三峡水库开展了针对葛洲坝下游四大家鱼自然繁殖的生态调度试验,以葛洲坝至枝江江段为研究区域,选择水位变幅、水深、流速、水温4个主要生境因子,建立了耦合平面二维水动力学模型和产卵栖息地适宜度曲线的四大家鱼产卵生境质量评估模型,实现了产卵综合适宜度指数时空分布的精细化模拟。结果显示,2023年三峡水库生态调度期间,约60%研究区域四大家鱼产卵综合适宜度指数呈现增加趋势,其产卵加权可利用面积占研究区域总面积比例由30.45%增加至约55%;适宜四大家鱼产卵区域(综合适宜度指数0.6~1.0)明显增加,占研究区域总面积比例由4.67%增加至约60%。研究表明,三峡水库生态调度显著改善了葛洲坝至枝江江段四大家鱼产卵的生境质量。

黄河上游茨哈峡至羊曲河段生态调度目标鱼类筛选

选择黄河上游茨哈峡至羊曲干支流河段内生态调度目标鱼类并明确其需求次序,可为生态调度方案的制订提供决策依据。采用2005-2006年、2011-2012年、2014-2017年、2022年茨哈峡至羊曲干支流河段渔获物调查结果,考虑不同鱼类繁殖活动对生态水文过程的需求以及数据可得性,选择反映鱼类生活史特征、地理分布特征、保护必要性、种质资源价值和资源量现状等信息的10个指标构建评价体系,采用聚类分析与非维度排序方法对茨哈峡至羊曲干支流河段分布的21种土著鱼类生态调度需求次序进行分组分析。结果显示,生态需求等级最高的有厚唇裸重唇鱼(Gymnodiptychus pachycheilus)、黄河高原鳅(Triplophysa pappenheimi)、黄河裸裂尻鱼(Schizopygopsis pylzovi)、拟鲇高原鳅(T. siluroides)、花斑裸鲤(Gymnocypris eckloni)、刺鮈(Acanthogobio guentheri)、骨唇黄河鱼(Chuanchia labiosa)、极边扁咽齿鱼(Platypharodon extremus)8种鱼,主要为适应缓流生境且均为砂砾产卵类型鱼类;根据评价体系综合结果分析,这8种鱼为茨哈峡至羊曲河段的主要生态调度目标鱼类,其他13种鱼作为该河段生态调度的兼顾对象。

考虑消落带碳排放的丹江口水库生态调度研究

在“双碳”目标下,水库消落带的碳排放导致碳汇属性受到争议。现有生态调度研究主要聚焦于河流生态需求,未将消落带碳排放纳入考虑,生态调度目标有待完善。本论文以丹江口水库与汉江中下游为研究对象,开展消落带碳排放模拟和水库生态调度模型构建两个方面研究。提出了基于消落带面积和碳排放强度季节差异的碳排放量计算方法,建立了考虑消落带碳排放的多目标优化调度模型,求解得到帕累托解集并推求优化调度图,根据调度目标之间的相关性明确了其协同竞争关系。研究结果表明:丹江口水库消落带面积与水位之间的相关性强,消落带落干区和退水区全年作为碳源,淹水区夏季作为碳源,冬季作为碳汇,年内的碳源效应和碳汇效应基本抵消。优化调度方案能够兼顾生态效益与社会经济效益,年均消落带碳排放量降低3.19%。年均碳排放量与年均发电量、鱼卵孵化适宜河段长度、营养状态破坏率呈竞争关系,与年均供水量、浮游植物密度呈协同关系,与水文变异度相关性较弱。本论文可丰富水库生态调度的内涵。

金沙江下游梯级水库人造洪峰生态调度综合效益影响分析

5~6月的人造洪峰生态调度是促进金沙江下游产漂流性卵鱼类繁殖的重要手段。为探究人造洪峰生态调度对梯级水库综合效益的影响,拟定了梯级水库不同开展时段的生态调度方案,以发电量、弃水量、供水保障率为评价指标,选取丰(25%)、平(50%)、枯(75%)典型来水对各方案进行效益分析。结果表明:典型来水条件下,向家坝在不同时段开展生态调度对梯级水库效益无明显影响,白鹤滩、乌东德分别在6月上旬、6月中旬开展生态调度时梯级水库效益最大。

面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度实践——以金沙江下游-三峡梯级水库为例

2011-2023年,金沙江下游-三峡梯级水库共开展了20次面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验,在取得良好试验成效的同时积累了大量的经验。为系统梳理多年来的生态调度试验成效及经验,详细介绍了金沙江下游-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验的原理、要点、监测评价方法,回顾了历年调度试验开展情况,总结了调度经验并对未来优化方向进行了展望。结果表明,金下-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验有效促进了长江干流产漂流性卵鱼类产卵繁殖,其中三峡水库促进坝下代表性产漂流性卵鱼类——四大家鱼自然产卵繁殖效果最为显著。截至2023年,长江中游四大家鱼累计总产卵规模达382.5亿粒。在多年生态调度和十年禁渔计划等工作的共同推动下,四大家鱼资源量基本接近20世纪80年代水平。然而,受气候变化、鱼类产卵及发育特性变化、产卵场变化等因素的影响,人造洪峰生态调度试验需要在调度过程优化、调度效果评价、调度效果提升等方面开展针对性地优化调整。相关结果可为变化环境下相似流域开展面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验提供参考。

一种改进的Vague集相似度量公式及其在生态调度评价中应用

长江防汛期间洪水影响其下游鱼类产卵、生存等鱼类生态平衡,需要合理科学制定长江电站临时日流量生态调度方案以满足特殊时期长江下游鱼类生态需求。采用模糊集相似度作为权衡电站调制效益的准则,以长江下游水电站—向家坝水电站为例,剖析其2013—2023年4-9月份的每日水流量数据,再根据线性插值方法构建流量阈值的Vague集隶属度函数,并创建一种相似度度量公式来评价各月份水文数据。应用所建相似度对4种水文数据方案进行评估,结果得到与每个月份相似度最高的方案。探究结果可以为电站临时生态调度方案的选择和评价提供参考。

统筹防洪灌溉和生态调度 塔里木河再次全线过流并抵尾闾台特玛湖

塔里木河既是我国干旱缺水的新疆地区生存和发展供水生命线,也是抵御沙漠侵蚀、保护绿洲的重要生态带,同时季节性洪水给沿线防洪保安带来严重威胁。7月下旬以来,受高温融雪和强降雨影响,塔里木河干流发生有实测资料以来最大洪水,轮台县英巴扎河段流量超警37 d、超保7 d,洪峰流量达1077 m^(3)/s,洪峰量级之大、高水位持续时间之长,多年来少有。国家防汛抗旱总指挥部副总指挥、水利部部长李国英多次会商部署塔里木河洪水防御和水资源利用工作,要求加强巡查防守,确保堤防不决口,统筹开展洪水资源化利用和生态调度,充分利用洪水灌溉胡杨林,确保大西海子以下河段不断流、洪水进入台特玛湖。水利部组织指导新疆维吾尔自治区水利厅和新疆生产建设兵团水利局密切监视每一场洪水过程,缜密开展塔里木河调度,最大程度防御洪水灾害、利用好水资源。

三峡工程蓄水及生态调度对下游水文情势的影响

本文以三峡水库下游宜昌水文站为研究对象,旨在分析三峡工程蓄水及生态调度对下游河流水文情势的影响,分别利用线性倾向估计法、曼肯-德尔(Mann-Kendall)法和水文改变指标(IHA)/变动范围法(RVA)分析法来对宜昌水文站进行趋势性分析以及情势变化程度分析,评价了长江中下游河段的水文情势改变程度。依据1882—2021年宜昌水文站的日流量数据,宜昌水文站在三峡水库蓄水及生态调度前后的整体水文改变程度分别属于中度改变与高度改变。

泰州引江河—里下河地区输水干线生态调度研究

项目研究了泰州引江河—里下河输水干线水量水质交互作用机制,分析了现状调度模式下引江河—里下河输水干线生态环境演变机理,提出了基于改善里下河腹部地区河湖生境的多目标生态调度优化方案。成果在泰州引江河和里下河湖泊湖荡的管理工作中进行了应用,为优化调度方案提供了技术支撑。

三峡水库十年生态调度(2011—2020年)期间下游沙市江段产漂流性卵鱼类自然繁殖变化

2011—2020年,三峡水库共开展了14次促进坝下江段四大家鱼自然繁殖的生态调度试验,于每年5—7月在长江中游沙市江段开展鱼类早期资源调查研究,旨在掌握生态调度实施以来产漂流性卵鱼类自然繁殖的响应变化,评估生态调度对长江中游鱼类自然繁殖的贡献。十年间共采集到鱼卵35种,其中典型产漂流性卵鱼类有25种,主要种类包括贝氏䱗(Hemiculter bleekeri)、鯿(Parabraims pekinensis)、银鮈(Squalidus argentatus)、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)、鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、翘嘴鲌(Culter alburnus)和花斑副沙鳅(Parabotia fasciata);鱼卵群落多样性指数H、均匀度指数E和稳定性指数ICV在年际间呈现先降低后升高的变化趋势,优势度指数D恰好相反,变化拐点出现在2017年,表明2017年以来群落多样性趋于增加,群落结构趋于稳定;产漂流性卵鱼类繁殖规模总体呈先减少后增加变化,有8个类群的繁殖规模逐年增加,鱼类繁殖高峰频次逐渐升高,大规模繁殖出现的时段逐渐延长,表明鱼类自然繁殖状况趋于稳定。结合生态调度期、非生态调度期鱼类日均产卵规模的比值得出,除了2016、2020年生态调度期间没有出现大规模繁殖以外,其它年份生态调度的实施对促进产漂流性卵鱼类繁殖起到了积极的作用。建议今后继续加大三峡水库生态调度力度,针对不同鱼类物种的需求设计更精细的生态调度方案,进一步提升生态调度对长江中游鱼类自然繁殖的贡献。

金沙江中游梨园水电站生态调度试验及效果分析

水电工程实施生态调度以充分满足重要水生生物繁殖期的生态需求,是当前贯彻落实长江大保护的一项重要举措。2020~2021年金沙江中游梨园水电站连续实施了促进长薄鳅、圆口铜鱼等特有鱼类自然繁殖的生态调度试验,通过在梨园坝下江段设点观测鱼类早期资源和水文环境要素,以掌握鱼类自然繁殖对生态调度的响应情况,初步评估生态调度的实施效果。研究结果表明:鱼卵密度与坝下水温、出库流量有积极的响应关系;生态调度期间监测到圆口铜鱼、长薄鳅、中华沙鳅等鱼类的产卵活动;水温、流量条件是两年生态调度效果差异的主要影响因素。基于研究结果,提出了梨园水库生态调度优化建议:在金沙江中游特有鱼类资源衰退、适宜生境萎缩的背景下,建议尽快启动梨园、阿海等梯级水电站的联合生态调度试验,延长流水江段长度,保障特有鱼类的繁衍栖息。

水库变动回水区鱼类产卵场生境重塑的生态调度目标研究

重建产卵场以保障重要鱼类自然繁殖是水库生态调度的主要目标之一。将产卵场生境修复盲区——变动回水区作为一个新的生境重塑区,整合二维水动力学模型和鱼类栖息地模型,建立入库流量-水位-鱼类有效栖息地面积的三元关系,确定了水库生境重塑目标区间。以岷江上游紫坪铺水库为例,对其变动回水区齐口裂腹鱼产卵场进行模拟,计算了182种流量水位组合工况下齐口裂腹鱼有效栖息地面积,确定紫坪铺水库变动回水区生境重塑目标区间,此区间的入库流量范围为114~652m3/s,水位范围为817~844m,从而调度水库水位实现变动回水区产卵场重塑目标。本研究确定的生境重塑目标区间,为水库变动回水区鱼类产卵场的功能修复提供了科学支持,并为水库生态效益最大化提供了新视角。

基于生物水文响应模型的刺激四大家鱼繁殖生态调度目标量化方法研究——以三峡水库为例

为了改善生态调度效果,提高生态调度实践成功率,采用医学领域适用性广、准确性高、直观性强的受试者工作特征曲线法(receiver operating characteristic,ROC),以三峡水库为例,提出了一套基于生物水文响应模型的刺激四大家鱼繁殖生态调度目标量化方法,包括涨水事件界定及生态水文指标选择、鱼类自然繁殖事件及有效繁殖响应界定、生物-水文响应模型构建与多指标判别优选等多个环节。运用三峡水库运行后2013—2019年(除2016年)6年47场次宜昌江段的涨水事件和24次四大家鱼有效繁殖响应的实际观测数据构建模型并量化三峡水库生态调度目标。结果表明:(1)依据初始流量Q_(0)、洪峰流量Q_(peak)、流量总增长量Q_(sum)和流量日增长率dQ这4个指标所建立的单指标生物-水文响应模型具有较好判别四大家鱼自然繁殖对水文条件是否响应的能力;(2)各评价指标Q_(0)、Q_(peak)、Q_(sum)、dQ的最佳阈值分别为14960 m^(3)/s、19610 m^(3)/s、4050 m^(3)/s及1405 m^(3)/(s·d);单指标模型性能排序为dQ>Q_(peak)>Q_(sum)>Q_(0);(3)依据dQ或Qpeak的指标组合方式建立的多指标生物-水文响应模型综合性能最佳。结果表明,ROC模型方法结果形式简单、预见性强,据此量化生态调度目标,可为其他流域、水库的鱼类繁殖响应判别和水库生态调度方案制定提供参考借鉴。

基于NSGA-Ⅱ算法的山区性中小流域水库群多目标生态调度研究

水库群的建成和投运改变河流天然水文情势,对河流生态健康造成了不利影响。以往水库群生态调度研究多针对大流域平原地区,而对山区性中小流域的研究较为少见。为探究山区性中小流域水库群生态流量保障与水资源利用之间的相关关系,以马金溪流域建成的2座中型水库和1座大型水库为研究对象,以下游文图水文站调度后流量与天然径流偏差最小(AAPFD)、水电站总发电量最大和供水缺水量最少为优化目标,构建马金溪流域水库群多目标生态调度模型,采用非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解,研究P=50%、75%以及95%等不同频率来水条件下生态、发电和供水目标间的关系。研究结果表明:①随着马金溪流域来水增加,下游文图水文站AAPFD减小,水电站群发电量增加,流域供水缺水量减少,生态、发电及供水目标会随之改善;②在不同频率来水条件下,生态、发电和供水目标间存在竞争关系,其中,发电和生态目标间的竞争关系较强,与供水目标的竞争关系较弱;③分别选择生态、发电和供水目标最优的典型非劣解集作为方案1~3,其中,方案1和2在生态、发电和供水目标计算值差异性较大,而方案3与方案1、2相比是一种偏向折中的方案。研究结果可为马金溪流域水库群生态调度决策提供参考依据。

基于改进RVA法的云龙水库流域生态调度研究

作为昆明市饮用水源地之一,云龙水库为满足昆明市的用水需求截蓄了大量径流来水,导致下游河道的生态用水难以得到满足,水文情势发生严重改变。探究在保障水库原有任务实现的情况下,如何通过水库调度降低其对下游河道原有水文情势的影响,减弱对生态环境的破坏。首先对RVA法进行改进,建立了基于改进RVA法的多目标生态调度模型;再使用NSGA-Ⅱ算法对模型求解,得到保障经济效益、社会用水需求和水文情势改变度最低的一组方案集,并使用Tennant法对推荐方案进行生态流量优度评价。结果表明,通过生态调度,各水库下泄流量基本满足生态基本用水需求,验证了模型的合理性。最后,针对水库现状提出了改善云龙水库供水与提高生态用水补偿能力的建议。

来流变化条件下溪洛渡水库生态调度期水温分层特性研究

为探明来流变化条件下溪洛渡水库生态调度时的水温垂向分布特性,运用水温现场监测和CE-QUAL-W2模型对水温进行数值模拟的研究方法,基于实测地形和水文等数据建立溪洛渡库区的立面二维水温模型,模拟了水库在2021年1月15日—4月30日的水温动态变化过程,重点分析了生态调度期(3—4月)库区的立面二维水温分布规律及不同泄水口高程对下泄水水温的影响。结果表明:溪洛渡水库坝前水温于3月中旬开始出现温差,3月下旬表底最大垂向温差为2.02℃,垂向温度梯度在0.10℃/m以内。4月上旬、下旬水库表底最大垂向温差分别为2.41和2.81℃,垂向温度梯度在0.15℃/m以内。通过比较无叠梁门、1层叠梁门两种泄水运行工况得出,当设置1层叠梁门稳定运行时水库的平均下泄水水温提高了0.13℃。本研究可为溪洛渡水库后续的水温生态调度试验提供科学依据。