基于物理栖息地模拟的河道内生态流量研究

结合物理栖息地模拟模型的水力学与栖息地模型,以黄河干流兰州-石嘴山河段为研究样区及该河段的关键鱼种黄河鲤鱼为对象物种,以流速及水深二水力学因子进行研究,推求该研究样区兰州、安宁渡、下河沿、青铜峡和石嘴山五断面对象物种的流量与权重可使用面积的关系。通过对上述各断面1975-1985年汛前共11年生态、水文及断面资料的分析计算,归纳出研究断面汛前适合的生态流量分别为195、220、220、220、175 m3/s,计算结果在Tennant法界定的生态流量范围之内。

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,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。

基于物理栖息地模型的梯级水库优化调度研究

为实现梯级水库生态调度,利用物理栖息地模型给出水生生物良好生存所需的生态流量,并构建了梯级水库中长期优化调度模型。模型借助POA算法进行优化求解。将生态调度结果与常规调度结果进行对比分析,发现基于生态流量调度的梯级水库运行模式利于保护流域内典型特有生物。选取西南地区某流域为典型进行生态调度计算,结果表明:实施生态调度后适于鱼类A、B生存的栖息地面积有较大增加,实现梯级水库的社会效益最大化。

物理栖息地模型在中华鲟自然繁殖生态流量决策中的应用

以国家一级保护物种中华鲟(Acipenser sinensis)为研究对象,探讨三峡大坝和葛洲坝水利工程在不同流量调度措施下对中华鲟产卵栖息地的影响。通过考虑中华鲟生境需求特性建立了中华鲟产卵场的物理栖息地模型,根据模型得出的适宜栖息地面积变化来量化不同的流量调度措施对其产卵场质量的影响,然后利用实测的中华鲟产卵量和资源量数据来验证和评价物理栖息地模型的可靠性和实用性,从而进行合理的生态流量决策。结果发现,年平均适宜栖息地面积的变化曲线与中华鲟的产卵量和资源量变化曲线有着相同的变化趋势,从而推断适宜栖息地面积可以反映中华鲟产卵栖息地的质量;并通过不同流量工况的计算,进行最佳生态流量决策。利用该物理栖息地模型可以有效地量化流量改变对目标物种栖息地质量的影响,为中华鲟产卵栖息地的生态水利调度提供评估和决策的方法。

北京市凉水河物理栖息地完整性评价

针对城市河流强人为干扰特征,从横向完整性、纵向完整性和垂向完整性3个维度选择了10个评价指标,引入信息熵对传统的灰色聚类评价方法进行改进,构建城市河流物理完整性评价指标体系。利用该方法对北京市凉水河物理栖息地完整性开展了评价,结果表明在监测的21个采样点中评价结果为好、较好、一般和较差的比例分别为19.1%、23.8%、33.3%和23.8%,造成凉水河物理栖息地完整性较差的指标依次为生态流量满足率、纵向连通性指数和河流蜿蜒度。导致凉水河物理栖息地完整性较差的突出原因为生态流量满足率低、闸坝较多及土地利用不合理,其中闸坝出现的周期性与物理栖息地变差的周期性相一致。

长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用

考虑水生生物生境需求的物理栖息地模型被认为是评估河流流量变化对水生态系统影响的最可信的方法之一。本研究选取长江干流含有河漫滩的监利江段为实例,建立底栖动物各类群的物理栖息地模型,计算变化流量下栖息地适宜面积的时间序列,并据此进行生态流量决策。结果显示长江中游底栖动物最敏感的环境参数是流速,适宜范围为0~0.2 m/s;其次是水深,适宜范围为0~6 m。在考虑敏感环境参数的前提下,得出监利江段底栖动物的最佳生态流量为20000 m^3/s。三峡大坝蓄水后枯水期和平水期底栖动物适宜面积的低值部分减小,丰水期适宜面积增加。为了保护底栖动物栖息地,建议三峡大坝在防洪蓄水的同时能兼顾底栖动物的生态流量需求,调节枯水期和平水期的流量,让监利江段接近4000 m^3/s,丰水期接近20000 m^3/s。在枯水年增大枯水期和平水期的流量,平水年增大枯水期的流量,丰水年减少丰水期的流量。本研究方法可以供长江其他河段目标物种的生态流量决策和生态修复方案设计参考。

模糊逻辑在物理栖息模拟中的应用

为了克服已有物理栖息地模型仅能在具有较完善监测资料河流使用的局限性,介绍了一种应用模糊逻辑的物理栖息地模拟方法。该方法以河道平面二维流场模拟结果为基础,将鱼类学和生态学专家的知识经验融入物理栖息地模型中,运用模糊逻辑推理计算栖息地各单元适宜度,最后根据加权可用面积、高适宜度面积比例与流量的关系曲线确定生态需水量。运用该方法对葛洲坝坝下中华鲟产卵栖息地进行模拟。研究结果表明,中华鲟产卵期适宜生态需水量为10 000～17 000 m3/s。分析认为该方法对监测资料依赖程度低,使用专家知识经验能够弥补数据不足造成的不利影响,具有一定的可行性及实用性。该研究有助于监测资料不足的河流开展生态保护及河流管理工作,并且能够为模糊数学理论在水生态学中的应用提供参考。

白鹤滩水库回水支流的鱼类栖息地模拟评估

基于河道内流量增加法（IFIM），采用River2D对白鹤滩水库回水支流黑水河进行水动力模拟和鱼类栖息地模拟，根据加权可利用面积（彤蚴）分析蓄水前后鱼类适宜物理栖息地的数量变化和质量变化。结果显示：蓄水后，按蓄水水位不同，适宜栖息地总面积仅为自然状况下的0．8％～25．3％，且呈边缘化分布。根据水库调度运行方案，蓄水后春夏季节栖息地总量将高于秋冬季节，与蓄水前情况相反。

三峡水库枯水期补水调度对洞庭湖越冬白鹤(Grus leucogeranus)摄食栖息地的影响

摄食栖息地面积是反映越冬水鸟生存空间的直接指标,三峡水库运行后洞庭湖枯水期水文节律出现新的变化,给越冬水鸟摄食栖息地造成的影响尚不明确.为定量描述三峡水库枯水期不同出库流量对洞庭湖越冬水鸟摄食栖息地的影响,以洞庭湖典型的珍稀越冬水鸟——白鹤(Grus leucogeranus)为指示性候鸟,以白鹤摄食对栖息地水深需求作为关键生态因子,建立白鹤摄食对水深需求的栖息地适宜度模型.构建涵盖长江干流、三口河系、洞庭湖及其四水尾闾河段的江湖一体化耦合水动力模型,实现栖息地水动力分布特征的精确模拟.在此基础上耦合栖息地适宜度模型和水动力模型,建立了面向白鹤摄食对三峡水库出库流量需求的物理栖息地模型,量化不同出库流量对应的白鹤摄食栖息地加权可利用面积,定量分析水库运行对白鹤摄食栖息地面积的影响.结果表明:1月中旬三峡水库不同出库流量下洞庭湖白鹤潜在摄食栖息地面积保持稳定并随出库流量的增加呈增大趋势,维持在101.40~121.84 km^(2)之间,其中东洞庭湖摄食栖息地面积在7.49~9.86 km^(2)之间,南洞庭湖(含横岭湖)摄食栖息地面积在47.37~60.34 km^(2)之间,西洞庭湖摄食栖息地面积在46.54~51.64 km^(2)之间.不同湖区摄食栖息地面积随着三峡水库出库流量的增加均呈增大的趋势,说明三峡水库枯水期补水调度对于维持栖息地面积具有重要作用.较三峡水库运行前相比,白鹤摄食栖息地面积最大增加20.44 km^(2),对应的增幅为20.16%.成果明晰了三峡水库运行对洞庭湖白鹤摄食栖息地面积的影响规律,可为通过三峡水库补水调度改善洞庭湖越冬水鸟摄食栖息地生境提供理论基础.

基于AHP-模糊综合评价法的渭河河流健康评价

河流健康评估为河流可持续发展提供了依据,渭河作为黄河的一级支流,其生态健康对于黄河高质量发展具有重要意义。为全面评价渭河流域的健康状况,选取物理栖息地状况、水质状况及水生生物状况3个准则、11个指标,建立渭河生态健康评价标准,采用层次分析法(AHP)确定权重,结合最大隶属度原则对渭河流域进行多级模糊评价。结果表明,25个点位中有8个处于健康水平,13个处于亚健康水平,4个处于不健康水平,渭河综合健康评价结果为亚健康。渭河源头、宝鸡至西安段河流生态健康状况较好,天水至宝鸡段及下游河段生态健康较差,不健康的点主要集中在下游,表现出显著的空间差异。物理栖息地、水质及水生生物的评价结果分别为亚健康、健康、亚健康,物理栖息地与水生生物状况是影响河流生态系统健康的关键,主要受人为活动以及自然环境的影响。针对特定河段需要采取相应措施恢复生态健康。

基于RIVER2D的西藏扎拉水电站减水河段生态流量模拟研究

为了量化扎拉水电站减水河段内鱼类生长及繁殖所需的生态流量,以河道内的重点保护鱼类鮡科鱼类作为目标物种,采用水动力模型与栖息地模型耦合的RIVER2D模型,结合水深及流速两个影响鱼类生境的因子,推求各产卵区对应物种不同生命时期所需流量与可利用栖息地面积的关系曲线及分布图。结果表明:鮡科鱼类在4~9月的生长及繁殖期间适宜的生态流量范围为22.0~33.0 m^(3)/s。根据可利用栖息地二维分布图可知,鱼类有效栖息地集中分布在河道中心区域,流量增加后,有效栖息地由河道中间带状分布向河道两边延伸。研究成果可为鮡科鱼类的保护及电站生态调度提供参考。

基于改进River2D模型的呼兰河干流生态流量研究

为探究呼兰河干流生态流量并作为流域生态调度的依据。采用改进的River2D模型,将河道水动力模型和鱼类栖息地模型相耦合,模拟呼兰河干流七星鱼最适宜栖息地面积时所对应的河道流量范围。为了获得更好的栖息地模拟效果,将原有River2D模型中的河道基质偏好性替换为指示性物种对水质的偏好性,这样在进行河道基质变化范围较小和鱼类对水质偏好性较为明显的河流生态流量研究时,模拟的效果更好。基于改进的物理栖息地模块,运用River2D中的二维水动力模型模拟呼兰河干流不同流量工况下的流速、水深和适宜性栖息地分布情况,作流量-适宜性栖息地面积关系曲线,得到七星鱼枯水期、平水期和丰水期的适宜生态流量值分别为2.75、8.25和27.5 m^(3)/s,适宜生态流量范围是2.75~27.5 m^(3)/s。基于改进River2D模型得到的呼兰河干流七星鱼生态流量范围和Tennant法的评价范围相吻合,认为研究结果是合理的,能够为呼兰河干流七星鱼的保护和生态调度提供参考。

三峡水库补水调度对东洞庭湖典型沉水植物生境适宜性的影响

沉水植物是东洞庭湖水生态修复的重要物种,水深是影响沉水植物生长的关键因子之一。为定量描述三峡水库不同补水调度方式对东洞庭湖典型沉水植物生长生境的影响,以刺苦草(Vallisneria spinulosa)为目标物种,利用物理栖息地模型建立三峡水库补水调度期间不同出库流量与东洞庭湖刺苦草生长生境加权可利用面积(WUA)的关系。结果表明:刺苦草生长生境的适宜水深为0.2~1.8 m,最适宜水深为0.5~1.0 m;三峡水库实施补水调度后,东洞庭湖刺苦草生长生境的WUA整体呈现均匀上升趋势;三峡水库补水调度期间,出库流量为5 500~10 500 m^(3)/s时,刺苦草生长生境最适宜水深范围对应的WUA呈现先增后减趋势,在出库流量为9 500 m^(3)/s时WUA最大(74.46 km^(2)),可认为刺苦草生长最适宜出库流量为8 500~10 500 m^(3)/s。研究成果可为通过三峡水库生态调度进行东洞庭湖水生态环境恢复及保护提供参考。

三峡水库出库流量变化对洞庭湖定居性鱼类产卵生境的影响

为分析三峡水库消落期不同出库流量与洞庭湖定居性鱼类产卵生境加权可利用面积之间的关系,选取水深和流速作为定居性鱼类产卵生境的关键影响因子,建立生境适宜性曲线,基于物理栖息地模型定量评估鱼类产卵生境适宜性的空间变化特征,并量化鱼类产卵所需的适宜生态流量。结果表明:三峡水库消落期增加出库流量对洞庭湖的水位及流速有一定的提升作用,对东洞庭湖的影响明显,对南洞庭湖和西洞庭湖的影响较小;随着三峡水库出库流量的增加,湖区定居性鱼类产卵生境的加权可利用面积呈现先增大再减小的趋势,不同湖区的加权可利用面积变化趋势及对三峡水库出库流量的响应情况具有显著差异,东洞庭湖定居性鱼类产卵生境的加权可利用面积呈现逐渐上升的趋势,南洞庭湖加权可利用面积总体增长幅度不大,呈现双峰曲线,西洞庭湖加权可利用面积呈现先增大后减小的趋势;定居性鱼类产卵生境的适宜生态流量范围为18500~24500 m^(3)/s,最适宜生态流量为22500 m^(3)/s。

金沙江下游向家坝水库不同出库流量对四大家鱼生境面积影响的定量分析

金沙江下游河道是珍稀特有鱼类国家级自然保护区,适宜的流量是鱼类产卵繁殖的必要条件之一.为量化金沙江下游四大家鱼产卵繁殖所需的适宜生态流量,以向家坝水电站坝址至宜宾水文站(宜宾江段)为研究区域,以四大家鱼产卵期栖息地对水动力的需求作为主要生态因子,通过2012—2019年四大家鱼生境水动力实测资料建立其水动力适宜性曲线,构建基于非结构化不规则三角形网格的宜宾江段平面二维水动力模型,实现了家鱼栖息地水动力分布特征的精细模拟,采用物理栖息地模型(PHABSIM)对影响四大家鱼产卵的主要水动力条件(流速及水深)的需求进行分析,量化水库不同出库流量条件下对应的四大家鱼的栖息地加权可利用面积(WUA),建立了流量与栖息地加权可利用面积关系曲线,定量分析水库不同出库流量对四大家鱼产卵栖息地加权可利用面积的影响,据此进行适宜生态流量的选择.结果表明:金沙江下游宜宾江段四大家鱼产卵繁殖期的适宜流速为0.6~1.3 m/s,最佳流速为0.9~1.0 m/s,适宜水深为3.0~18.0 m,最佳水深为9.0~12.0 m;栖息地加权可利用面积随着水库出库流量的增加呈先增大再缓慢减小的趋势,当水库出库流量为3000 m^(3)/s时栖息地加权可利用面积达到最大,占研究河段总面积的24.26%,由此推定四大家鱼适宜生态流量为2000~4500 m^(3)/s,最佳生态流量为3000 m^(3)/s.研究显示,通过控制向家坝水库适宜出库流量,可有效保证宜宾江段四大家鱼栖息地面积,为通过金沙江下游梯级水库的生态调度、改善四大家鱼产卵场水动力条件提供了依据.

基于WUA的戛洒江一级水库生态调度研究

基于物理栖息地模型中的WUA提出了一种计算水库生态需水量的方法。通过水库生态调度的模拟,水库的目标物种生态需水量将能得到大大提高。采用遗传算法计算生态调度模型,结合戛洒江一级水库进行实例分析,并将生态调度结果与常规调度和常规优化调度的结果三者进行对比,结果表明,基于WUA的戛洒江一级水库生态调度模拟能够对流域的发电和生态提供有利保证。

Higher Species Diversity Occurs in More Fertile Habitats Without Fertilizer Disturbance in an Alpine Natural Grassland Community

Are there some relationships among species diversity and soil chemical properties of high altitude natural grasslands? Plant community composition and chemical properties of soil samples were compared to investigate the relationship between soil and species diversity, and the richness in Tibetan alpine grasslands. Results showed that species diversity was significantly positively related to soil organic matter(SOM), total nitrogen(TN),available nitrogen(AN), total phosphorus(TP),available phosphorus(AP), and available potassium(AK) in the high alpine grasslands. Margalef's species richness index was also significantly positively related to SOM, TN, AN, and TP. Most soil chemical properties showed significantly positive correlation with species diversity and Margalef's richness index.Our results suggested that higher plant species richness index and diversity occurred in more fertile soil habitats in high altitude natural grassland community. In practice, fertilization management for the restoration of degraded grassland should be conducted with reference to the nutrient levels ofnatural grassland without the additional artificial fertilizer and with higher species-diversity and richness index.

三峡水库提前蓄水对中华鲟产卵的影响

以葛洲坝至庙咀江段中华鲟主要产卵场为研究区域,采用结构有限体积法求解该江段的二维水动力学模型,模拟水库正常蓄水与提前蓄水方案下该区域的流场分布。在此基础上,综合考虑中华鲟产卵对流速、水深以及底质的喜好,采用物理栖息地模型计算不同流量序列下栖息地加权可用面积(Weighted Usable Area,WUA)的大小,并且得到WUA与流量的关系曲线。分析结果表明:三峡水库采用提前蓄水方案能够显著增加中华鲟产卵栖息地的WUA,减轻蓄水对中华鲟产卵的不利影响,并且得到中华鲟产卵的适宜流量范围为13000～19000m3/s。该研究结果为葛洲坝下游中华鲟的保护提供参考依据,同时也为三峡制定生态调度方案提供一种新的思路。