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。

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。

基于四大家鱼产卵需求的汉江中下游生态流量研究

针对汉江中下游梯级电站开发后水文节律变化造成四大家鱼栖息地生境质量降低的问题,分别通过几种常用水文学法和栖息地模型计算了汉江中下游河道最小生态流量和四大家鱼产卵适宜生态流量,并在最小生态流量的基础上,结合四大家鱼产卵适宜生态流量以及生态水文特征在5-8月进行了脉冲设计,综合确定满足四大家鱼产卵需求的生态流量过程。结果表明,Lyon法和7Q10法最适宜汉江中下游最小生态流量的计算,流量为294~863 m^(3)/s;通过栖息地模型计算,彭市和仙桃江段四大家鱼产卵适宜生态流量为1233~3950 m^(3)/s;流量日涨幅在139.1~534.8 m^(3)/s,持续5 d的涨水过程可为四大家鱼产卵提供良好的条件。该研究从四大家鱼产卵需求的角度考虑,为汉江中下游梯级电站的生态调度提供科学参考。

氨氮胁迫下鲢幼鱼下行洄游通道质量研究

为定量揭示氨氮浓度对鱼类栖息地质量的影响,以淮河干流鲁台子至窑河闸段为研究区域,选择典型土著洄游鱼类鲢作为目标物种,耦合研究区域内平面二维水动力水质模型构建了含有氨氮指标的鲢幼鱼下行洄游通道栖息地模型。假定入流边界氨氮浓度满足地表水Ⅲ类水质标准(1.0 mg·L^(-1)),选取栖息地面积、栖息地斑块数和栖息地连通性指数三个景观生态学特征指标,定量评估了高、中、低三组代表性流量下氨氮对鲢幼鱼下行洄游通道质量的影响。结果表明:与不考虑氨氮指标情况下的洄游通道质量相比,(1)鲢幼鱼下行洄游通道适宜生境面积分别下降1.6%、6.7%和3.4%,氨氮对洄游通道适宜生境面积的影响较小。(2)鲢幼鱼下行洄游通道斑块数分别增加4.5%、28.7%和3.6%,在原本具有较高破碎度的情况下氨氮影响最大,二者存在一定程度的正相关和协同效应。(3)鲢幼鱼下洄游通道连通性分别降低54.3%、34.6%和24.8%,连通性下降幅度与入流边界流量成反比。研究结果可为鱼类栖息地指标体系构建和基于水质需求的生态流量调度提供依据。

水分和温度交互作用下城市景观水体湖滨带沉积物CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O排放研究

为模拟极端天气条件下关键的环境因子对城市景观水体湖滨带温室气体(GHGs)排放的影响,本研究以GHGs高排放样地-南京星甸湿地公园为研究对象,采集湖滨带表层沉积物进行室内培养,探讨在不同水分和温度条件下沉积物GHGs累计排放量和理化性质的变化差异。研究发现:①长期高温会抑制土壤呼吸,30℃淹水处理组在培养前期的GHGs排放速率是培养后期的1.6~4.1倍,这是由于随着培养时间的增长环境内DOC含量和C/N下降,有限碳含量不足以维持现有微生物生存需求,大量微生物死亡,不利于GHGs的排放;②在适宜温度内,水分增加和温度升高都会促进城市景观水体湖滨带沉积物GHGs的排放,这是由于淹水和增温都有利于沉积物中的厌氧微生物的繁殖与代谢,加速了有机质(DOM)-类富里酸的分解,CO_(2)和CH_(4)作为微生物分解DOM的副产物也增加了排放总量,此外,增温有利于影响硝化-反硝化过程的生物酶的活性,N_(2)O的排放总量也有所增加。结果表明:未来应该高度关注不同环境条件下外源溶解性碳输入对景观水体温室气体排放的影响,为准确评估城市景观水体对全球碳排放的贡献并制定减排政策提供重要理论依据。

拟建鄱阳湖水利枢纽对湖区水环境容量的影响

采用水动力水质模型模拟了鄱阳湖在极端退水年(2016年)和一般退水年(2017年)两种退水工况下拟建鄱阳湖水利枢纽建设前后的水动力水质过程,并构建湖区水环境容量模型评估了鄱阳湖拟建水利枢纽对湖区水质和水环境容量的影响。模拟结果表明:枢纽建设运行能显著增加鄱阳湖的水体体积,每月最大可增加77%;在退水初期主要降低湖泊中部的TP质量浓度,在极端退水年的退水后期会导致闸上TP质量浓度升高,在一般退水年则会导致闸上TP质量浓度降低,但对COD_(Mn)和NH_(3)-N质量浓度空间分布无明显影响;在极端退水年,枢纽建设运行会导致COD_(Mn)、NH_(3)-N和TP质量浓度增大,而在一般退水年则会导致TP的质量浓度降低;枢纽建设运行能显著提升COD_(Mn)和NH_(3)-N的水环境容量,在一般退水年会增大TP的水环境容量,但在极端退水年TP的水环境容量可能降低。

基于三种湍流模型的竖缝式鱼道水力特性研究

为研究不同湍流模型对竖缝式鱼道数值模拟的适用性和准确度,采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型及分离涡(DES)模型3种湍流模型对某竖缝式鱼道进行数值模拟,并对比分析了模拟的竖缝式鱼道流态特征、流速及湍动能等水力指标值与实测数据。结果表明,3种模型均可较为准确地解析鱼道池室流态特性,其中DES模型最能反映竖缝式鱼道的流态、流速分布;综合模拟成本后,RNGκ-ε模型在湍动能模拟方面较其他两个瞬时模型具有优势。因此,鱼道数值模拟在不追求较高精度流场特征的要求下,应优先选用RNGκ-ε模型。研究结果可为今后数值模拟在鱼道工程的应用提供参考。

鲢幼鱼对氨氮胁迫的行为响应特征研究

为了深入揭示城市水体中氨氮胁迫对鱼类生存和栖息地的影响,有必要针对特定鱼类对氨氮胁迫的行为响应进行探究。选择对氨氮较为敏感的重要经济鱼类鲢作为目标物种,通过氨氮急性毒性预实验确定氨氮浓度范围,设计“静水多室”实验装置,开展鲢幼鱼对氨氮胁迫的行为响应实验。鲢幼鱼体长(5±1)cm;实验条件为水温(25±1)℃,pH 7.9±0.1,溶解氧>9.0 mg/L,电导率约400μS/cm。结果表明,鲢幼鱼对氨氮的96 h半致死浓度为16.8 mg/L。鲢幼鱼行为响应实验中,氨氮浓度为0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L单元中的鲢幼鱼平均分布率分别为44.4%、13.9%、4.9%、13.2%、13.2%和10.4%,相应的鲢幼鱼平均回避率分别为-58.0%、-48.1%、68.9%、20.8%、33.3%和37.5%。鲢幼鱼对氨氮胁迫的回避阈值小于1.0 mg/L(相对应的非离子氨浓度小于0.05 mg/L)。当氨氮浓度超过1.0 mg/L后,鲢幼鱼回避率呈现先下降再上升的变化趋势。鲢幼鱼能够探测到水体中的氨氮产生回避行为响应,其表现类型为“低浓度吸引、高浓度回避”。此外,氨氮浓度过高会导致鲢幼鱼的应激反应能力降低。研究结果可为进一步探讨氨氮胁迫对鲢幼鱼生存活动的影响提供依据。

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。

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。

基于芦苇生长过程中水位和盐度约束条件的博斯腾湖生态水位

受气候变化和人类活动的双重影响,近年来博斯腾湖水位波动较大,对博斯腾湖芦苇生长及芦苇资源造成显著影响。基于博斯腾湖长序列水文水环境历史数据和遥感数据,分析水位—盐度—芦苇面积之间的关系;结合芦苇生长状况,量化了芦苇不同生长阶段的适宜水位、盐度阈值区间。结果显示:芦苇萌芽期最适宜水深为0 m,盐度非约束条件;芦苇生长期和抽穗期适宜水深为0.3~0.6 m,适宜盐度为1.39~1.52 g/L。综合芦苇不同生长阶段水位及盐度阈值,提出了基于芦苇生长对水位和盐度条件需求的博斯腾湖生态水位:5—6月份为1 046.0~1 046.3 m,7—10月份为1 046.5~1 046.8 m。研究对于保障博斯腾湖芦苇生态功能及经济效益具有重要意义,可为干旱地区水资源高效利用提供科学参考。

水位变化下长江下游围垦集约养殖鱼塘消落带温室气体排放影响机制:以南京地区为例

为了研究水位变化对淡水养殖鱼塘消落带沉积物温室气体(GHGs)排放的影响,结合前期野外观测数据,选取南京市温室气体高排放的养殖鱼塘消落带沉积物为研究对象,通过室内微宇宙培养实验,设置高水位、低水位、先高后低和先低后高4个不同水位的处理组,并结合气相色谱法、紫外-可见光光谱法和三维荧光光谱技术(3D-EEMs)等方法探讨其影响机制。结果表明:静态高水位组的CH_(4)累积排放量是静态低水位组的3.46倍,静态低水位组的CO_(2)累积排放量是静态高水位组的1.21倍,静态低水位组的N_(2)O表现为持续吸收。动态组中,水位上升和下降均促进了CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O的排放,其中水位上升组的CO_(2)和CH_(4)累积排放量分别是静态低水位组的1.15倍和2.53倍,水位下降组CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O累积排放量分别是静态高水位组的1.25、1.08倍和2.84倍。研究表明:水位变化差异和变化影响下的消落带沉积物溶解性有机质对温室气体的产生和排放起到了关键作用。CO_(2)排放与可溶性有机碳浓度相关性最高。CH_(4)排放与C/N呈显著负相关关系,同时与溶解性有机质定性光谱指数[腐殖化指数(HIX)和SUVA254(254 nm波长处的紫外吸光度与总有机碳的比例)]有显著相关关系。N_(2)O的排放主要受水位变化引起的硝化与反硝化作用的影响。

湿地垂向水文连通及其生态环境效应研究综述

湿地垂向水文连通在维持湿地物质循环、能量流动和信息传递等方面具有重要意义。然而,受气候变化和人类活动的影响,湿地垂向水文连通过程发生显著改变,并带来一系列生态环境退化的风险。基于国内外关于湿地垂向水文连通及其生态环境效应的相关研究,将湿地垂向水文连通分为非饱和流-补给型、饱和流-补给型、饱和流-排泄型和饱和流-贯穿型4种作用模式;湿地垂向水文连通的主要影响因素包括地形地貌、水文地质条件、气候变化和人类活动等;将直接测量法与间接法相结合可以更好地开展湿地垂向水文连通的定量研究;垂向水文连通主要对湿地营养物质传输与转化、湿地植被分布与演替以及水生生物的生存与繁殖等产生重要影响。基于对当前湿地垂向水文连通研究进展与研究热点的综合分析,建议未来加强湿地多尺度垂向水文连通模式对变化环境的响应机制、湿地垂向水文-水质-水生态多要素耦合模拟模型的研发和湿地垂向水文连通-物质连通-生物连通一体化耦合3个重点方向的研究。

京杭运河苏北段秋冬季浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系

分析浮游植物群落结构和环境因子的关系,评估河流的水生态状况,为京杭运河苏北段的水生态环境保护提供参考。2020年10月(秋季)和2021年1月(冬季),对京杭运河苏北段布设的16个采样点开展了系统的水环境和浮游植物调查,根据Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和浮游植物细胞丰度进行了水质及水体营养状态的评价,利用Pearson相关性分析浮游植物与环境因子的关系。结果显示:京杭运河苏北段秋冬季共采集到浮游植物8门101种,其中秋季7门52种、冬季5门63种,秋冬季均是以绿藻门和硅藻门为主,2个门类的种类数在秋冬季浮游植物种类总数的占比分别达到了73%和82%;秋季浮游植物细胞丰度均值为49.1×10^(4)个/L,生物量均值为0.344 mg/L,冬季浮游植物细胞丰度均值为15.0×10^(4)个/L,生物量均值为0.193 mg/L;秋冬季浮游植物优势种主要以硅藻门(Bacillariophyta)和绿藻门(Chlorophyta)为主;秋季浮游植物的多样性评价结果优于冬季,秋冬季水体营养状态均为中营养型,相关性分析表明氮对京杭运河苏北段浮游植物群落结构的影响大于磷;行船引起的水体扰动也是造成浮游植物群落差异的重要因素。

鄱阳湖水利枢纽工程建设对草鱼江湖洄游潜在的影响

鄱阳湖是长江四大家鱼索饵、育肥的重要场所,近年来鄱阳湖出现了枯水季水位严重降低、枯水期延长、湿地面积缩小的现象。为解决鄱阳湖水资源、水文、水生态等问题,建议在鄱阳湖入江水道兴建控制闸水利枢纽。然而,拟建的水利枢纽工程将打破鄱阳湖与长江的天然连通性,可能会对四大鱼类洄游过程产生影响。通过构建二维和三维水动力模型,分析鄱阳湖水利枢纽建设后入江水道与枢纽洄游通道的水动力学特征,结合实验和文献获得的草鱼幼鱼和成鱼游泳能力参数,阐明了枢纽建设对草鱼洄游的影响。结果表明:在设计调度模式下,草鱼幼鱼入湖期间,湖口段适宜通过天数达到83.74%以上,说明湖口及入江水道的水动力条件对洄游的影响较小,同时,枢纽工程处在过鱼高峰期仍能保持较高的过闸效率;草鱼成鱼出湖期间,丰、平水年闸前水动力条件对洄游的影响较小,仅在枯水年闸前流速几乎静止,草鱼适宜出湖天数偏低。在该调度模式下,水利枢纽建设运行后鄱阳湖整体水动力条件能够满足草鱼洄游需求。目前设计的鱼道在高、低水位时期均出现局部流速过大的现象,不满足过鱼条件。从四大家鱼江湖洄游的角度为鄱阳湖水利枢纽工程设计和运行提供科学参考。

淡水环境中抗生素抗性基因的来源、归趋和风险

近年来淡水体中抗生素耐药菌及抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的广泛分布和快速传播已成为全球性的环境健康热点问题,国内外学者围绕淡水环境中ARGs的主要来源、多介质分布、转移机制及ARGs与微生物群落的互作机制开展了一系列研究。本文综述了医疗废水、污水处理厂尾水和养殖废水作为淡水环境中ARGs主要来源的关键作用,分析了国内外淡水环境中ARGs多介质分布和归趋特征,阐明了淡水环境中ARGs传播扩散途径和归趋影响因子,归纳了ARGs风险形成机制与评价方法,提出了未来关于淡水环境中ARGs的研究热点和趋势,以期为ARGs环境与健康风险管控提供参考。目前关于ARGs产生过程与归趋特性的认识仍相对局限,ARGs在水生食物链中动态归趋特征、传播扩散过程和暴露风险形成机制的相关研究亟待加强,淡水环境ARGs生态健康风险的系统评估方法也需尽快建立。

基于水质达标的派河生态流量分析

为促进流域水资源与社会发展相协调,分析了流域水环境现状,通过对比国内外生态流量研究现状,选择了模型计算方法,开展了基于NH 3 N和TP两种污染物指标的生态流量分析。

鄱阳湖水利枢纽工程鱼道结构型式对 池室水流结构的影响

文章采用RNG k-ε模型与VOF方法对鄱阳湖水利枢纽工程鱼道下游入口仿自然段的水力特性进行模拟计算,并探讨了鱼道结构型式对池室水流结构的影响。结果表明,小幅度增加隔板长度不能有效增加回流区的面积,还会使主流迹线变得更加曲折;小幅度减小隔板长度会使得主流区流速明显增加,沿程流速衰减效果变差,但有利于改善回流区流态。此外,池室竖缝出口方向对水流流态也会产生较大的影响。

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。