河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机制与模拟方法研究

The ecology-hydrology-hydraulics response mechanism in river fish spawning ground is lack of quantum, and coupling model ignores the dynamic relationship among fish spawning behavior, hydrological regime and flow condition. With the methods of significance test, spatial correlation analysis and classification tree regression model, this project identifies the important ecological hydraulic parameters in fish spawning ground, analyses the spatial distribution and differences of the parameters, and researches the quantitative relationship of fish spawning behavior index-hydraulic characteristics- hydraulic space characteristics. Then the response mechanism of hydrological characteristics, important hydraulic parameters and fish spawning behavior is revealed. Based on the ecology – hydrology - hydraulics relationship, the constructing method of distributed coupling model is proposed by coupling river hydrologic model, hydraulic model and ecological habitat model with GIS and distributed simulation technology. Finally, taking the Chinese sturgeon spawning ground under Gezhouba dam as study case, ecology-hydrology-hydraulics distributed coupling model is constructed to test and improve the theoretical results. The project actively explores the key scientific problems of ecology-hydrology-hydraulics response mechanism and model coupling in river fish spawning ground. This research has important theoretical and practical significance to guide the spawning restoration, fish protection and water conservancy project ecological scheduling.

针对当前河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机制缺乏定量化研究、耦合模型缺乏鱼类产卵行为与水文情势、水流条件动态关联性量化和分布式模拟方法等问题，本项目利用差异显著性检验、空间相关分析和分类回归树模型方法，识别河道鱼类产卵场重要生态水力参数，分析其空间分布和变异特征，研究鱼类产卵行为指标-水文要素特征-水力空间变异特征的定量关系，揭示水文要素特征、重要水力参数与鱼类产卵行为的响应机制；基于生态-水文-水力定量关系，采用GIS、分布式模拟技术，耦合河流水文模型、水动力模型、生态栖息地模型，提出基于鱼类产卵行为的生态-水文-水力分布式耦合模型构建方法；以中华鲟葛洲坝坝下产卵场为实例区，构建产卵场生态-水文-水力分布式耦合模型，以检验和完善理论成果。本项目积极探索河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机制与模型耦合关键科学问题，对指导产卵场修复、鱼类保护和水利工程生态调度具有重要的理论和实际意义。

河道水文情势、水流条件是鱼类产卵场生态系统的环境基础和关键驱动因素。然而人们在开展鱼类保护与河流生态恢复时，经常忽视了产卵场生境的三维空间异质性，以及缺乏从生态、水文、水力的系统动态角度展开多维探索，据此项目开展了河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机制与模拟方法研究。.主要工作和成果如下：.（1）阐述了河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机理，构建了不同尺度鱼类产卵场生态水文水力参数体系框架，明确了重要参数识别及空间分析方法，提出了立足三维空间信息的河道鱼类产卵场生态-水文-水力响应机制研究方法。.（2）建立了鱼类产卵繁殖重要水文水力参数的适宜度曲线方程，通过几何平均拟合得到产卵场综合适宜度方程；将水文模型的水位、流量输出值作为三维水动力模型的输入和边界条件，将三维水动力模型的水力输出、水文模型输入输出和生物栖息地综合适宜度方程一起，构建了河道鱼类产卵场生态-水文-水力分布式耦合模型。.（3）将响应关系和耦合模型建立方法应用到长江中华鲟葛洲坝坝下、历史金堆子和三块石三个产卵场中，并从产卵场内产卵受精区、播卵区、着卵孵化区3个功能分区角度展开研究。模型中采取水下航道地形和DEM数据相结合的地形处理方式，对中华鲟产卵场的产卵区和非产卵区，以及产卵场内3个功能区，进行样本点和区间检验分析，识别并选择流速、涡量、湍动能、湍动能耗散率这4个重要生态水力参数，分析4个参数在产卵受精区、播卵区、着卵孵化区的空间分布和变异特征，建立鱼类产卵行为指标与水文、水力要素的响应关系，确定4个参数的产卵场适宜度曲线，几何平均拟合成综合适宜度方程，将方程耦合水文模型、水力模型，形成生态-水文-水力分布式耦合模型；基于不同三峡水库来水、葛洲坝不同下泄方式设置18种工况，运用耦合模型模拟分析各个工况下中华鲟适宜度空间面积，提出葛洲坝坝下产卵场河段生态流量过程区间值和较优调度方式。