基于三维鱼类栖息地耦合模型的生态流量决策研究

如何量化评估流量调度措施对河流生态系统的影响一直是水生态研究中的重点和难点问题。本研究以亟需保护的葛洲坝下游中华鲟产卵栖息地为研究对象，通过建立三维鱼类栖息地耦合模型来评估实时流量调度方案对鱼类栖息地的影响。本研究在栖息地法的基础上，建立鱼类生活史生境需求因子与栖息地环境因子的耦合关系，研究水力学条件发生变化情况下鱼类栖息地的生态响应，量化评估流量时空变化对鱼类栖息地质量的影响程度，提出加强和改善的栖息地流场控制对策。本研究的特色在于把栖息地法中的鱼类栖息地模型从二维模拟改进到三维模拟，在此基础上确定生态流量更贴近鱼类生境需求的实际情况；同时，用求解生态流量的动态过程来代替以往研究的固定范围，能够充分地发掘河流自身的生态调节潜能，更有利于指导实时的流量调度。其研究成果对揭示水流环境变化对水生物栖息地的影响机理具有重要意义，同时能为我国生态流量调度的实施提供一套科学的评估方法和决策技术

如何量化评估流量调度措施对河流生态系统的影响一直是水生态研究中的重点和难点问题。本研究以亟需保护的葛洲坝下游中华鲟产卵栖息地为研究对象，通过建立三维鱼类栖息地耦合模型来评估实时流量调度方案对鱼类栖息地的影响。本研究的主要结论有： (1) 中华鲟的亲鱼产卵、鲟卵散播、仔鱼存活阶段的水力选择特性与流量相关性较大，鲟卵孵化阶段对涡量的选择特性与地形相关性较大。(2) 2004年葛洲坝下游进行的河势调整工程造成中华鲟上产卵区面积减小，增大了中华鲟上产卵区的流场紊动程度；减小了下产卵区的流场紊动程度。影响了中华鲟产卵场水流结构随流量变化的相关关系，改变了中华鲟产卵期内水流变化的刺激作用。 (3) 采用RVA法分析了宜昌站1980-2012水文数据特征，发现三峡蓄水使宜昌站的含沙量大幅度减少，同期的含沙量较之蓄水前下降了1个数量级。年最小含沙量出现的时间推迟，年最大含沙量出现的时间提前。低含沙量个数和持续时间增加，高含沙量个数和持续时间减少。三峡蓄水造成了宜昌站7~11月份流量的减少，中华鲟产卵期10月份的流量较蓄水前平均减少了25%。 (4) 分析了葛洲坝坝下中华鲟产卵场近20年的水文资料和实测的产卵场地形和水力数据，得到了不同栖息地状况下的生态需水量范围。得出当流量入口为葛洲坝大江电厂和二江电厂时，产卵场适宜栖息地面积比其它几种入口工况的大；同流量下基于1999年地形得出的适宜栖息地面积远大于基于2003年地形得出的。(5)建立了中华鲟产卵场的三维水动力学模型，模拟底层、中层、表层各水层的水力参数的空间分布。各水层的WUA以及二维平均模拟下的WUA值都是在流量为10000 m3/s 时达到最大值，二维平均模拟的WUA大于三维模拟的，各水层的获得的流量与WUA关系曲线基本重合。可以通过本研究推算出各水层的中华鲟喜好的各水力参数范围。(6) 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，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，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。