鱼类产卵行为与生态水文指标响应关系研究——以长江四大家鱼为例

四大家鱼作为我国重要淡水经济鱼类,近年来产卵规模大幅衰减,水文条件作为影响家鱼自然繁殖的重要因素,确定四大家鱼产卵行为与生态水文指标的关系对保护四大家鱼早期资源具有重要意义。以长江中游宜昌段为研究区域,采用ROC曲线、分类回归树、Logistic回归等方法将生态水文指标对家鱼产卵刺激划分为“无效、低效、高效”多分类问题,分析家鱼产卵行为与生态水文指标间的响应关系,并对比研究不同方法间的性能与优缺点。结果显示,ROC曲线判别准确率、预测准确率、模型鲁棒性均最优,是判定生态水文指标对四大家鱼产卵规模影响的最优方法;当流量日增量大于1370 m^(3)/s且两次洪峰间隔时间大于7.5 d时可以引起四大家鱼高效产卵响应。辨识出高效刺激家鱼产卵的生态水文指标及其阈值,对生态调度的优化改进具有重要的现实意义。

金沙江下游中华金沙鳅自然繁殖的生态水文需求研究

开展中华金沙鳅的生态需求研究,在此基础上制定有针对性的生态调度方案,为国内外水利水电工程的生态调度提供参考与借鉴。2017-2019年5-7月在金沙江下游巧家断面进行鱼类早期资源调查,分析中华金沙鳅卵苗径流量与同期水温、流量日上涨量、涨水持续时间等生态水文指标之间的响应关系,掌握刺激中华金沙鳅自然繁殖的生态水文指标和水温阈值,在此基础上提出乌东德水电站生态调度运行要求。结果表明:巧家江段中华金沙鳅产卵高峰期为5月下旬至6月中下旬,产卵高峰期起始水温不低于19.0℃;对应的洪峰过程流量日上涨量平均为358 m^(3)/s,涨水持续天数平均为5 d,洪峰过程2~3 d后开始大规模产卵;偏相关分析表明中华金沙鳅卵苗径流量与起始水位呈负相关关系,与水位日上涨量、涨水持续时间呈正相关关系,推荐人造洪峰的起始(3-7月)流量为1160 m^(3)/s,此时对应的乌东德水文站水位为791.1 m。加大流量日增长率以及增加涨水持续时间,可有效促进中华金沙鳅产卵繁殖。

基于ERHIs法的雅鲁藏布江流域水文情势变化研究

为探究变化环境下雅鲁藏布江流域环境流量组分与水文情势变化情况,采用改进后生态最相关水文指标ERHIs(The most Ecologically Relevant Hydrologic Indicators)、RVA(Range of Variability Approach)法定量分析了1965—2018年间不同阶段不同环境组分下的雅鲁藏布江流域内水文情势的变化情况,并结合5种突变检验方法对指标进行验证。结果表明,通过EasyDHM插补数据是可行的,参数优化后的Nash系数最大为0.97,最小为0.67,均在合理范围内,在缺资料地区运用较好。针对雅鲁藏布江2个断面强变异指标改变度计算结果均表明雅江中下游地区的水文改变度为高度改变。在指标选取方面,生态水文改变过程的指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)参数之间的相关性较高,指标间的冗余问题十分突出。ERHIs指标具有一定的合理性,不仅有效缓解了IHA的冗余性问题,还有利于抓住最关键的生态水文变量,对生态水文研究、流域水资源管理和生态保护都具有重要的参考价值和借鉴意义,为短缺水文资料地区的生态评估提供参考。

太子河流域大型水库建设对生态水文指标的影响

水库的建设既是对当地生态水文环境的改善,又是保障当地农业、工业生产安全,促进社会经济发展的必要举措。文章采用数字滤波递归法、时段分析法以及IHA软件、AQUAPAK软件建立基流量、暴雨径流、断流等生态水文指标,选取本溪水文站、辽阳水文站、小林子水文站1955-2007年的水文观测数据,分析汤河、葠窝、观音阁水库建设对本溪河段、辽阳河段、小林子河段的生态水文指标的影响。结果表明:太子河流域大型水库建设进一步减少了河流汛期基流量,增加了汛前基流,减少了汛期洪水发生次数;增加了辽阳河段断流频次。可见,太子河流域大型水库建设对河流水文情势和生态系统的改善带来了显著效果,可为河流生态修复以及水库水量调度提供依据。

城市化的生态水文指标体系模拟及生态水文效应研究

对城市化的生态水文效应进行研究,以及相关生态水文指标体系进行科学模拟,在指导区域河流保护及生态修复实践方面意义重大。以辽宁省铁岭市为主要研究对象,考虑研究区河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面具有重要作用,故在对现有相关生态水文指标体系相关特征进行模拟、分析基础上,科学构建了以径流历史曲线、洪峰流量频率超出曲线为代表的区域生态水文指标体系。分析过程中,基于SWMM模型对该研究区不同城市化程度下的降雨径流和生态水文指标体系进行模拟,最终对铁岭市生态水文效应进行了客观分析研究。

基于突变检验的黄河上游生态水文变异分析

黄河上游梯级水库在发挥防洪减灾、发电、灌溉等作用的同时,使黄河上游河段生态水文特征发生了较大变化,给黄河生态环境健康带来了一定的负面影响。以黄河上游代表站点兰州站为例,使用TFPW-MK突变检验法和秩和检验法分析其水文序列的变异点位置,采用水文指标改变法(IHA)分析变异前后水文生态指标的变异范围。结果表明:兰州站水文序列在1985年发生了变异,且水文变异程度较高,各项生态指标不同程度发生了改变,造成了水文生态条件的恶化。其主要原因是人类活动的影响。

长江中游四大家鱼产卵场的生态水文特性分析

青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼是长江流域重要的经济鱼类，但近几年其资源量急剧下降，大量水利工程的修建及河道整治是导致其资源量下降的重要原因之一。为了保护四大家鱼种质资源，确定四大家鱼产卵、繁殖同水文情势的关系，为大型水利工程的生态调度提供依据，研究选取长江中游四大家鱼产卵期的9项相关生态水文指标，分析其在四大家鱼产卵场及非产卵场之间的差异。分析结果表明，所选取的9项生态水文指标在产卵场断面和非产卵场断面没有显著差异，它们只是刺激四大家鱼产卵的必要条件，而非充分条件。同时，选取葛洲坝下典型产卵场江口断面，对比分析该断面在三峡工程正式运行前后四大家鱼产卵期内生态水文情势的变化。结果表明，所选取的9项生态水文指标大多无明显差异，个别指标因三峡蓄水略有变化，但由于三峡蓄水后时间序列较短，且2004～2006年长江来水情况较为特殊，因而目前尚无法定量化三峡工程的修建对下游四大家鱼产卵场的影响。

基于生态水文阈值调控的内陆干旱区水资源多维均衡配置研究

针对内陆干旱区城市发展和生态环境保护的强烈互斥性,在整体识别内陆干旱区水循环与生态演变耦合作用机理上,构建基于生态水文阈值调控的水资源多维均衡配置模型。模型分3个层次:以流域为单元的水资源系统耗水总量和地下水采补平衡;以行政分区为单元的经济社会系统水量平衡和水土平衡;以河道关键控制断面和灌区为单元的生态环境系统水生态平衡和水盐平衡,并给出相应的多重循环迭代算法。将该模型方法应用于我国内陆干旱区——塔里木河流域,结果显示:在平枯水平年通过累计新增节水灌溉面积85.1万hm^2,累计退减基本农田外灌溉面积41.5万hm^2,累计退减国民经济用水量为75亿m^3,可实现该地区水资源-经济社会-生态环境复合系统的有序良性演化和高效均衡发展,验证了该方法的可行性。

基于鱼类栖息地生态水文特征的生态流量过程研究

针对我国目前生态需水研究难以反映河流自然生态水文信息和保护对象需水过程的问题,以岷江上游干流典型电站——姜射坝水电站为例,以齐口裂腹鱼为主要保护对象,结合河道内流量增量法、目标河段天然径流过程和目标物种栖息地生态水文特征,获得了姜射坝水电站闸址下游河道生态流量过程,尽量保留了涨落水变化和流量脉冲过程对齐口裂腹鱼产卵活动的水文信号刺激,有助于恢复河流生态系统的多样性。

基于PCA-RF的抚河下游生态最相关水文指标优选及演变分析

水文改变指标(IHA)能够较为全面的描述河流水文情势,但数量众多的指标之间存在一定的信息重叠问题,限制了其在水文与水生态领域的广泛应用。基于抚河下游李家渡水文站1953~2018年逐日径流数据,采用主成分分析法(PCA)初选出生态最相关指标(ERHIs),结合不同标签下指标的随机森林(RF)重要性评分,进一步优选出最为关键的ERHIs,并对其演变情况及影响因素进行了重点分析。抚河下游水文气象变异点为1962、1984和2002年,据此将研究期划分为基准期和影响期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ;基于PCA法初选出了8个ERHIs,并利用RF重要性评分对其进一步优选出最小30日平均流量、1月平均流量、4月平均流量3个关键ERHIs;在3个影响期内,抚河下游关键ERHIs的整体水文改变度分别为31%、24%和50%;其中,最小30日平均流量在各影响期均呈现中高度改变,并在影响期Ⅰ和影响期Ⅲ内分别经历两次下降,这可能与流域内水利工程项目的数量和规模不断扩大有关;在80年代洪门水库建设运行后,汛期内的4月平均流量得到有效削减,而枯水期内的1月平均流量则有小幅提升;21世纪后,受气候变化以及城镇化进程影响,抚河下游关键ERHIs呈下降趋势。经过PCA-RF筛选后,抚河下游IHA体系得到了极大地简化,有助于把握其中的关键指标,对流域生态修复及水资源优化配置工作具有重要参考价值和借鉴意义。

变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因研究

采用生态最相关水文指标(ERHIs)评估渭河流域生态水文情势改变程度,通过主成分分析法筛选出7个指标作为渭河流域的ERHIs,并基于可变下渗容量模型的“观测模拟”对比分析法对渭河流域生态水文情势演变进行定量归因。结果表明:咸阳水文站和华县水文站径流序列呈显著下降趋势,1990年是径流序列的突变点;咸阳站和华县站实测ERHIs综合改变度为41%和34%,模型模拟的两站ERHIs综合改变度均为18%;气候变化和人类活动导致渭河流域水文情势发生改变,两者对咸阳站ERHIs综合改变度的贡献率分别为44%和56%,对华县站的贡献率分别为53%和47%。

三峡水库生态调度试验对四大家鱼产卵的影响分析

2011年以来,三峡水库持续开展了促进长江中游四大家鱼产卵的生态调度试验.采用鱼类早期资源调查方法研究了三峡水库生态调度实施以来四大家鱼自然繁殖、水文环境要素的年际变化特征,采用系统重构方法分析了四大家鱼自然繁殖的关键生态水文要素,提出了宜昌江段涨水过程的生态调度优化条件.结果表明:①2012-2018年三峡水库共开展了11次生态调度试验,生态调度使得宜昌江段持续涨水时间范围为2~9 d,水位日均涨幅范围为0. 43~1. 83 m,流量日均增幅范围为1 080~5 800m^3/s,起始水温范围为17. 5~23. 5℃.②沙市江段监测到四大家鱼鱼卵时的水温分布范围为19. 2~25. 5℃、平均值为22. 5℃,流量分布范围为11 000~33 600 m^3/s、平均值为16 890 m^3/s;水温平均值在各年份间没有显著性差异,流量平均值在各年份间有显著性差异.③沙市江段四大家鱼鱼卵组成以草鱼和鲢为主,二者年均产卵量约占总产卵量的85%,青鱼和鳙年均产卵量约占总产卵量的15%.除2016年外,生态调度期间四大家鱼的产卵量占监测期间四大家鱼总产卵量的比例较大,变动范围为31. 90%~66. 58%.生态调度期间,四大家鱼自然繁殖性能普遍好于非生态调度时期,表现为产卵持续时间更长、产卵场范围更广、单次洪峰的产卵规模更大,证实了实施生态调度的有效性.④持续涨水天数、初始水位和产卵时序是影响2012-2018年宜昌至沙市江段四大家鱼产卵量的重要生态水文参数.⑤为增加宜昌至沙市江段四大家鱼产卵量,宜昌江段需满足的水文条件为断面初始流量达14 000 m3~/s,持续涨水4 d以上,水位日涨幅平均大于0. 5 m,流量日增幅平均大于2 000 m^3/s,与前一次洪峰的间隔时间在5 d以上.研究显示,三峡水库连续实施生态调度对近年来长江中游四大家鱼的种群恢复起到了一定的作用,未来应将建模和监测手段整合到生态调度试验中以分析长期的生态响应,并建立一套科学的生态调度效果评价体系来评价流量调节对四大家鱼产卵活动的影响.

三峡水库生态调度对长江中游宜昌江段四大家鱼自然繁殖影响分析

于2014~2020年5~7月在长江中游宜昌江段开展鱼类早期资源监测,并对监测期间的四大家鱼自然繁殖状况与生态水文指标进行了相关性分析,评估生态调度实施效果,识别影响四大家鱼自然繁殖的关键生态水文指标。结果显示:(1)2014~2020年各年间宜昌江段四大家鱼鱼卵径流量为1.76~86.11亿粒,总体呈上升变化,共出现16次四大家鱼繁殖高峰,主要集中在5月下旬至6月下旬出现;四大家鱼鱼卵组成以鲢(61.12%)和草鱼(30.77%)为主,鳙和青鱼比例分别为3.45%和4.64%;鲢和草鱼繁殖盛期持续较长,青鱼和鳙相对较晚。(2)2014~2020年三峡水库共开展的11次生态调度中,有9次出现对应的四大家鱼繁殖高峰,除2020年外,生态调度期间鱼卵径流量占监测期间总卵量的比例变化范围为20.15%~78.35%,生态调度期间家鱼单日鱼卵径流量均高于非生态调度期间,证实生态调度的实施可促进四大家鱼自然繁殖。(3)各年四大家鱼繁殖期间鱼卵逐日密度和流量呈显著正相关(R=0.72~0.97,p<0.05),各繁殖高峰期鱼卵径流量占总卵量比例与流量增长率呈显著正相关(R=0.802,p<0.01),表明宜昌江段涨水过程可有效地刺激四大家鱼的自然繁殖活动。(4)宜昌江段适宜四大家鱼繁殖的流量范围为10000~25000 m;/s,适宜四大家鱼繁殖的水温范围为21.0℃~23.8℃。在此流量温度范围内实施生态调度,保持出库流量日增长率维持在2000 m^(3)/s·d以上,涨水时间维持在4 d时,有利于宜昌江段四大家鱼繁殖活动。