鱼类行为生态水力学模型研究现状与发展趋势

水利工程运行与鱼类资源保护如何协同发展,是我国水电开发与水生态环境保护需要重点开展的研究,其中基于鱼类行为学、生态水力学及计算机科学等多学科交叉融合的鱼类行为生态水力学模型为水电开发背景下鱼类行为响应及其生境质量演变提供了研究技术及评估新方法。鱼类运动模型的基本原理为以水动力环境为基础,通过融合鱼类行为规律实现鱼类运动过程的模拟。本研究系统调研和梳理总结了近20年来国内外鱼类行为生态水力学模型的相关研究,重点聚焦模型如何准确构建及合理运用。首先介绍了模型的基本结构及主要组成要素,重点阐述了不同生境尺度中鱼类行为规则设置时考虑的因素,包括过鱼设施微生境、坝区水环境及河流生态系统;然后详细剖析了鱼类运动模型科学构建及运用过程中的难点,包括鱼类行为规则的复杂多样性、行为模型与水动力模型的融合以及模型的有效和合理运用;最后从人工智能算法、多尺度与多维度信息融合以及模型对生境要素的预测运用3个方面对未来运动模型研究进行展望,为开展符合我国坝情、水情及鱼情的鱼类行为生态水力学模型研究工作提供一定的科学依据。

汉江中下游藻华暴发特征及生态流量阈值

基于2015~2019年汉江中下游水文,水环境和水生态数据,采用主成分分析与冗余分析识别了河流藻华暴发防控的关键因子,拟合得到其调控阈值,然后,使用断面通量法和流速抑制法推求了抑制河流藻类水华暴发的生态流量.结果表明:汉江中下游藻类水华主要发生在枯水期,枯水期藻类优势种群为硅藻,小环藻为优势种,丰水期绿藻门和硅藻门是优势种群,小球藻为优势种.流速是影响汉江藻类生长的主控因子,当流速超过0.462m/s时,流速继续增大将抑制藻类生长.汉江中下游枯水期控制藻类水华的生态流量:沙洋断面流量为890m^(3)/s,潜江断面流量为918m^(3)/s,仙桃断面流量为953m^(3)/s,汉川断面流量为1075m^(3)/s.

近十年青海湖水生态系统生产总值变化及其影响因素

受气候变化和人类活动影响,湖泊水生态系统及其服务功能发生改变,研究湖泊水生态系统生产总值动态变化及其影响因素,对于维护湖泊健康生命、实现湖泊功能永续利用具有重要意义。选择位于气候敏感区和生态脆弱区的青海湖作为研究对象,根据青海湖水生态系统特征及当前保护状况,筛选调节服务及文化服务2类8个评估指标,构建湖泊水生态系统生产总值指标体系,核算2010—2020年青海湖水生态系统生产总值,分析其变化趋势及主要影响因素。结果表明,2010—2020年青海湖水生态系统生产总值总体呈波动上升趋势,变化范围为6903.47亿~7848.55亿元;调节服务是青海湖水生态系统主要的服务类型,占比高达91%。近十年,气候调节和水质净化价值有所减少,其他服务功能价值均呈增加趋势。水源涵养价值增加最多,增长760.70亿元;气候调节价值下降最多,减少658.59亿元。偏最小二乘回归分析表明,水温、水位是影响青海湖水生态系统生产总值的主要因素。气候变化影响下,水温升高引起初级生产力增加及鱼类数量增长,同时近年来水体矿化度下降有利于水生生物生长,提高了固碳释氧和物种保育价值。水位与水面面积增加引起水源涵养、洪水调蓄价值增长;蒸发量减少导致气候调节价值下降。人类合理开发利用与保护作用下,物种保育、休闲旅游和科研教育价值均得到了显著提升。本研究量化了青海湖水生态系统对人类的贡献,为变化环境下退化水生态系统修复、生态保护措施效果定量评价提供了科学依据。建议定期核算青海湖水生态系统生产总值,跟踪评估气候变化与人类活动共同影响下青海湖水生态系统变化,对维持青藏高原东北部生态安全具有重要作用。

典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI)3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

基于模糊隶属度分布函数的博斯腾湖景观适宜水位确定

采用层次分析法识别博斯腾湖景观关键点,基于湖泊特征水位分析,构建了景观关键点水位和景观适宜度的模糊隶属度分布函数,计算了不同季节博斯腾湖景观适宜水位范围。结果表明:湖泊水质、年旅游业收益是识别博斯腾湖景观关键点的主要因素;博斯腾湖最佳景观水位为1046.70 m,低警戒水位为1045.00 m,高警戒水位为1047.90 m,低、高破坏边缘水位分别为1045.40 m和1047.40 m;不同季节博斯腾湖景观适宜水位存在差异,春季和秋季景观适宜水位范围为1045.90~1047.16 m,夏季为1046.00~1047.00 m,冬季为1045.85~1047.25 m。

基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素

蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于20152020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。

长江下游宁镇段江豚物理生境评价

长江江豚是中国长江中下游特有物种,近两次长江淡水豚生态考察中其种群数量出现止跌回升,但仍处于极度濒危状态。为进一步稳固江豚种群数量增长态势,维持优良生境成为开展后续相关保护措施的基础。然而,长江下游水文条件复杂,航道整治、岸线开发利用、十年禁渔等工程和管理措施可能对江豚生境造成影响。因此,开展长江下游江豚调查和生境评估具有重要意义。通过船只调查结合环境DNA监测,明晰了长江宁镇段江豚的种群分布、活动特征及主要活动区域的环境特征;综合水深、流速、岸线和饵料多种关键生境因子,构建了长江下游南京-镇江段江豚物理生境模型,模拟分析了江豚生境适宜度。结果表明,船只调查和环境DNA监测结果均显示出研究区域内江豚主要分布在南京保护区,非保护区次之,镇江保护区较少。其中江豚序列丰度在绿水湾公园点位最高,占比7.77%;基因拷贝数在烈山点位最多,达22.56拷贝数/mL。观察到江豚出现频率和丰度较高的点位均在模型中显示出较适宜的生境,耦合多种关键生境因子的模型可以较好的模拟江豚生境适宜性。总体来说,南京江段生境适宜度较高,范围较大。最后,针对南京下游深水航道工程下江豚生境保护,建议在后续航道整治工程中充分采用生态措施,以支撑长江大保护和长江经济带国家战略协同发展。

汉江中下游水质时空特征及环境流量确定

近年来,汉江中下游水质问题频发,且河道内环境流量尚未明确,严重威胁沿岸用水安全。为探明汉江中下游水质时空分布特征和河道环境流量,收集调研了2015—2019年汉江中下游黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、潜江、仙桃和汉川等7个控制断面的pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷5项水质指标,基于水质单因子评价方法分析了水质时空变化特征。通过建立一维水动力-水质模型,构建了基于保障各控制断面水质的环境流量计算方法;根据不同水源的输入,计算了汉江中下游河道环境流量,并提出了保障方案。结果表明,汉江中下游丰水期氨氮和枯水期总磷在皇庄以下断面均未达到Ⅱ类水标准,氨氮沿程变化不明显,总磷从上游至下游逐渐升高。环境流量保障需结合引江济汉补水工程和丹江口下泄流量,丰水期和枯水期当引调长江水分别为500 m^(3)/s和350 m^(3)/s时,还需丹江口水库分别下泄214 m^(3)/s和315 m^(3)/s才能满足河道内的环境流量。研究为汉江中下游水质安全保障和合理分配丹江口水资源提供了参考。

水电工程水生态环境效应评价方法与调控措施

围绕水电工程的水生态环境问题,重点梳理了水库运行下关键生源要素生物地球化学循环的变化及其水生态效应、底栖动物生境和鱼类生境以及鱼类洄游通道的影响、水生态环境保护工程与非工程措施等方面的研究进展,剖析了当前科学研究和工程应用中存在的难题,从理论、方法与技术角度阐明了出现这些难题的原因。提出了水电开发水生态环境保护未来需要重点开展的研究:长期系统性观测,揭示库内生源要素的滞留-转化-输送过程与机制及水生态环境累积效应;水库调控导致的鱼类性腺发育有效积温和产卵临界水温节律变化以及两者对鱼类种群繁衍的联合作用。最后特别指出当前针对鱼类保护的部分强制性措施存在的问题,并提出了高坝多环境因子调控的生态调度和支流生境替代等鱼类保护技术以及保护效果量化评价新方法。

基于个体模型模拟的鱼类对上游水库运行的生态响应分析

建立了一维全河流和二维局部河段的水环境模型,并与基于个体的鱼类模型耦合,从鱼类种群动态角度研究水库运行对下游河流水生态系统的作用。文中选取了漓江下游的一段复式河道,以优势种草鱼和鲫鱼为研究对象,模拟了自然条件和水库调节作用下河道的水环境条件,以及相应的鱼类生长和分布的变化。通过模拟结果的对比分析,发现如果仅考虑水库运行造成的下游水流变化的作用,枯水期水库向河道补水对草鱼有一定的正面影响,对鲫鱼有轻微的负面影响;而在4—5月,水库运行对两种鱼类都存在比较明显的负面影响。本文建立的模型方法可为河流优化管理及水库生态友好运行提供支持。

流域生态学及模型系统

流域生态学是一门复杂的交叉学科,主要研究流域自然、社会和经济之间的动态关系。虽然流域生态学的发展较晚,尚处于初期阶段,但却有重要的研究意义和应用前景。分析了目前国内外流域生态学研究的现状和存在的问题,然后结合在荷兰参与流域生态研究的经验探讨流域生态学研究的一些思路和框架;重点论述了如何应用现代计算科学和信息技术建立流域生态学研究的定量方法和模型系统,最后给出了荷兰Veluwe湖和莱茵河下游的流域生态研究及模型实例。

北京市供水管网的老化漏失规律模型研究

供水管网漏失的监测难度大,维护费用高。为了有效减少管网漏失率,需要研发管网漏失模型,从而制定合理的监测模式和维护方案。针对管网老化过程,分析了其与管网漏失率的关系,应用决策树方法开发了包含管龄和管径两个因素在内的漏失规律模型。以北京市为例,对主城区19年间(1987年—2005年)由供水管网老化造成的漏失数据进行分析。结果表明,老化漏失管道的管龄服从Weibull分布,管龄为20年左右的管道更易产生漏失。利用建立的漏失规律模型,通过ArcGIS预测了2008年北京市区供水管网的老化漏失分布情况,其结果将用于漏失监测仪的优化布置。

水库运行对下游岸边带植被和鱼类的影响

本研究选取了漓江下游的一段复式河道为例,建立了一维全河流和二维局部河段的水环境模型,并与基于元胞自动机的岸边带植被模型和基于个体的鱼类模型耦合,从岸边带植被变化和鱼类种群动态角度研究水库运行对河流水生态系统的作用。研究以优势种植物水蓼、刺果酸模和益母草为对象,模拟了自然条件和水库调节作用下三种植物空间格局的演变,并选取草鱼和鲫鱼为研究对象,研究水库运行对鱼类生长和分布的影响。通过模拟结果的对比分析,发现水库运行有利于益母草的生长与扩张,而不利于水蓼的生长,水位波动对水蓼生长以及维持岸边植物多样性有正面作用。此外,假设仅考虑水库运行造成的下游水流变化的作用,枯水期水库向河道补水对草鱼有一定的正面影响,对鲫鱼有轻微的负面影响;而在在4-5月,水库运行对两种鱼类都存在比较明显的负面影响。本文建立的模型方法可为河流优化管理及水库生态友好运行提供支持。

生态水力学耦合模型及其应用

生态水力学是研究水动力学和水生态系统动力学之间相互作用的一门新兴的交叉学科。它一方面研究水力条件的改变对水生态系统平衡以及生物多样性的影响,另一方面研究水生态系统的演变对水力情势的反作用。生态水力学模型是探讨这些复杂过程的有力工具,甚至可以用来评价生态恢复方案的效率。本文论述了生态水力学的研究目的和范围,并从三个方面阐述了建立耦合生态水力学模型的思路和方法,包括模型模式融合、模型方法集成和时空尺度耦合。模型在莱茵河下游生态栖息地评价和荷兰Veluwe湖沉水植物竞争性生长模拟等实例中的应用表明耦合生态水力学模型有很好的应用前景。

应用遗传编程分析管网漏失监测信号

针对北京市供水管网漏失声学监测系统存在大量误报的问题,进行了现场信号衰减试验,并建立了信号在管道中传播的衰减模型;收集了报漏数据和实际漏失排查结果,采用遗传编程,开发了漏失监测信号判别模型,为辅助漏失排查提供了支持,提高了用户对管网漏失监测系统的使用效率。

软计算在生态模型中的应用

由于生态系统的高度复杂性和非线性以及空间数据采集技术的快速发展,近年来越来越多的软计算方法开始应用到生态模拟中来。软计算是个非常广泛的领域,在模式上主要包括元胞自动机、基于个体和盒式模式等;在方法上代表性的有人工神经网络、模糊数学、遗传算法、混沌理论等。重点介绍元胞自动机和规律方法在生态模型中的应用,具体实例包括种群动态模拟、水华预警和生境栖息地模拟。

我国湿地保护立法的科学支撑

中国是湿地资源最丰富的国家之一,保护及合理利用湿地,无论是对中国经济、社会可持续发展,还是对全球自然生态平衡,都具有特殊重要意义．中国自加入《湿地公约》之后,在湿地资源保护和管理方面已经作出了卓有成效的努力,但限于中国社会发展区域不平衡,人均土地费源紧缺等诸方面因素影响,还存在许多对湿地资源保护不利的现象,尚需通过国家法律予以调整和规范．中国目前还没有湿地资源管理专门立法,虽现行环境资源管理相关法律法规,已为湿地管理法律体系构筑起基本框架,但是我们的湿地保护在管理制度、资源投入、技术措施等诸多领域还有许多问题需要解决,湿地资源保护面临的形势相当严峻,有些地区已经影响到正常的社会生活．中国的湿地立法、研究需要加强,为此,我们约请有关学者撰文探讨．

应用生物完整性指数评价我国河流的生态健康

河流生态健康评价是开展流域水生态健康评估和管理的重要技术基础,生物完整性是评估流域生态完整性的重要构成指标.基于生物群落特征参数的多参数指数(MMI)和预测模型的样点物种组成观测值与期望值比值的O/E指数(O,观测值;E,期望值),是应用最广泛的评价生物完整性的两个重要指数;美国和欧盟等都已建立完善的基于生物完整性指数评价水生态健康的国家和地方规范.本文综述了MMI和O/E指数的基本概念和构建方法,比较了两者的共同点和优缺点;回顾了两者的发展简史和国内外的应用现状,分析了目前我国对MMI和O/E指数研究与应用的现状和不足,并提出了国内未来研究和应用MMI与O/E指数的建议.

太湖流域上游平原河网区水质空间差异与季节变化特征

在太湖流域上游的宜溧—洮滆水系主要河道设置67个监测点,分别于2014年1月(冬季)、4月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)进行水质监测,采用多元统计方法分析了水质的空间差异性和季节性变化,并利用水质标识指数法对水环境质量进行评价.结果表明,宜溧—洮滆水系污染程度较严重,总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(CODMn)浓度年均值分别为4.93、0.26和7.63 mg/L;单因素多元方差分析和聚类分析显示污染物浓度具有显著时空差异性,时间上冬、春季污染程度较高而夏、秋季较低,空间上无锡和常州氮、磷污染较为严重,宜兴和溧阳市有机污染程度较高;水质标识评价结果显示流域内水质基本为IV类或V类,其中TN、TP及CODMn是关键污染指标.

鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的评估方法

鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的量化对鱼道设计有重要理论和实际价值,其基础是鱼类游泳能力的测定。首先对鱼类游泳能力的研究方法进行了概述总结,指出了鱼类游泳能力经典测试方法存在测定流场与自然情况相差较大的不足;分析了关键要素如鱼类行为特征、生理耗能规律及水力特性对鱼类通过水流速度障碍能力的影响;提出了分析鱼类游泳行为和能力与特征流场的关系,探讨鱼类通过水流障碍行为规律和生理疲劳恢复特征,通过研究仿自然流态下的鱼类自由游泳行为、水力计算及生理耗能的关系,构建多因素鱼类游泳能力关系式,定量评价鱼类通过鱼道内水流速度障碍的发展方向。