CN107464202B - 基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法，包含：(1)对研究区域采用层次分析方法筛选目标鱼类；(2)针对筛选出的目标鱼类，建立其产卵期、捕食期和越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线；(3)建立水动力水环境模型，并结合定量响应关系曲线，构建栖息地模型，并对栖息地空间特性进行评价；(4)对于产卵期，根据非线性响应关系，采用栖息地法推求对应月份的生态流量，对于捕食期和越冬期，采用水量平衡法推求，最终得出完整水文年生态流量过程。该发明可指导多闸坝平原河流生态修复及保护，对流域水资源规划及配置具有重要的理论与实践意义。

Description

基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法

技术领域

本发明涉及水利技术领域，尤其涉及一种多闸坝平原河流生态流量过程推求方法。

背景技术

河流是地球生命的支持系统，是物质传递和能量流动的重要通道。河流蕴藏着丰富的水资源和水能资源，拦河闸坝是人类开发利用河流资源的重要的方式之一。为了满足社会经济发展需要，人类在河流上修建了大量的闸坝工程。闸坝运行在带来巨大社会经济效益的同时，改变了河流原有的物质场和能量场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学行为，进而改变河流生态系统的物种组成、栖息地分布以及相应的生态功能。修复受损河流生态系统，对保障社会经济可持续发展具有重要意义，已经成为水资源开发利用中迫切需要解决的问题。生态流量是保证河流生态功能的最基本要素，也是近年来国际水利科学界广泛关注的热点，建立了包括水文学法、水力学法、栖息地法、综合法及组合分析法等生态流量推求方法。

在我国多闸坝平原河流，生态流量作为生态调度的重要依据还处于初步研究阶段，推求方法多采用水文法或水力学法，以生物生境需求为基础的多闸坝平原河流生态流量推求方法相对较少，尤其在对完整水文年内生态流量过程的推求尚缺乏较为完善的计算方法。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法，以缓解闸坝运行对下游鱼类栖息环境的影响，为水库的生态调度提供依据。

技术方案：本发明所述的基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法，包括：

(1)对研究区域开展鱼类资源现状调查，然后采用层次分析方法筛选目标鱼类；

(2)针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料收集，建立目标鱼类产卵期、捕食期和越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线；

(3)根据研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据建立水动力水环境模型，并结合目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线，建立面向鱼类生境的栖息地模型，并对栖息地模拟结果进行空间特性分析，分别得出目标鱼类产卵期、捕食期和越冬期栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系；

(4)对于产卵期的月份，根据产卵期目标鱼类栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，采用栖息地法推求对应月份的生态流量，对于捕食期和越冬期，采用水量平衡法推求对应月份的生态流量，从而得到多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。

进一步的，所述步骤(1)具体包括：

(1-1)鱼类资源现状调查：依据研究区域鱼类资源现状及历史资料，确定多闸坝平原河流生态流量计算备选鱼类，其中，鱼类资源现状调查包括调查鱼类的种群数量，测定鱼类群体的结构状况，掌握渔业利用情况，研究鱼类种群和数量变动规律；

(1-2)目标物种筛选：根据鱼类生物学特性制定筛选原则，对备选鱼类运用层次分析法构建判断矩阵，计算各备选种类的排序权值，筛选研究区域对生境要求具有代表性的目标鱼类。

进一步的，所述步骤(2)具体包括：

针对筛选出的目标鱼类，根据鱼类生活史将水文年内不同时段分为产卵期、捕食期及越冬期，选择流速、水深、温度及溶氧为目标鱼类关键生境因子，根据胁迫实验及文献资料得出目标鱼类产卵期、捕食期及越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线。

进一步的，所述步骤(3)具体包括：

(3-1)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，根据所述基础数据采用开源模型SELFE建立水动力水环境模型，并以实测资料进行验证；其中，水动力水环境模型的控制方程具体包括：

A、连续方程：

B、动量方程：

C、温度和盐度输运方程：

其中，(x,y)为笛卡尔坐标，单位为m；z为垂向坐标，向上为正，单位为m；t为时间，单位为s；η(x,y,t)为自由面水位，单位为m；h(x,y)为水深，单位为m；u(x,y,z,t)为水平速度，单位为m·s^-1；w为垂向对流速度，单位为m·s^-1；H_R为垂向坐标，单位为m；为潮汐势函数，单位为m；ρ(x,y,z,t)为水体的密度，默认取值为ρ₀＝1025kg/m³；P_A(x,y,t)为自由水面的大气压强，单位为N·m^-2；f为柯氏力因子，单位为s^-1；g为重力加速度，单位为m·s^-2；k为符号因子；α为有效地球弹性因子，约为0.69；S,T为水体的温度和盐度，盐度单位为psu，温度单位为℃；ν为垂直涡粘度，单位为m²·s^-1；κ为垂向扩散系数，单位为m²·s^-1；μ为水平涡粘度，单位为m²·s^-1；Q为太阳辐射吸收率，单位为W·m^-2；C_p为水的比热，单位为J·kg·K^-1；F_s、F_h为输运方程的水平扩散项；

(3-2)将目标鱼类不同生命阶段对关键生境因子的定量响应关系曲线和水动力水环境模型做为输入参数，采用软件CASIMIR建立面向鱼类生境的栖息地模型，并根据历史资料和现状调查数据，验证模型可靠性；

(3-3)根据面向鱼类生境的栖息地模型，通过栖息地空间特性分析得出栖息地空间特性评价指标加权栖息地面积与流量之间的非线性响应关系；其中，加权栖息地面积WUA计算公式如下：

式中，A_j表示研究区域划分出的网格计算单元j的面积，单位为m²；HSI_j表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；N表示网格计算单元数量，栖息地模型与水动力水环境模型采用同一套网格划分，网格计算单元具体为三角形。

进一步的，所述步骤(4)具体包括：

(4-1)生态流量计算的参照流量确定：选取研究区域人为扰动较少的时段各月的月平均径流量作为生态流量计算时对应月份的参照流量，并根据鱼类生物学特性将目标鱼类的产卵期、捕食期及越冬期与水文年的月份对应；

(4-2)多闸坝平原河流生态流量过程计算：对于产卵期所包括的月份，根据目标鱼类产卵期栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，查找到各月的参照流量对应的栖息地空间特性评价指标，作为对应月份的最优栖息地状态，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的70％作为对应月份的适宜栖息地状态，对应流量作为对应月份的适宜生态流量，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的50％作为对应月份的基本栖息地状态，对应流量作为对应月份的最小生态流量；对于捕食期和越冬期所包括的月份，采用水量平衡法计算各月的适宜生态流量和最小生态流量；

(4-3)获得各月份的参照流量、适宜生态流量和最小生态流量后，最终可得出多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)以往的相关研究多关注河道最小生态需水量，但单一的最小流量值并不能反映河流整体的生态环境需水情况。河流生态系统健康的维持需要多种水流条件来满足，河流生态环境需水在时间上应该是一个流量过程，即生态流量过程。本发明计算的生态流量过程比以往单一静态的生态流量更具生态价值。

(2)本发明以鱼类生活史与天然径流的季节变化为依据，分别考虑目标鱼类产卵期、捕食期及越冬期不同生境需求，构建了完整的多闸坝平原河流生态流量过程推求模式，推算的生态流量过程包含更多生态水文信息。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是栖息地空间特性变化特征与流量之间的非线性响应关系计算过程示意图；

图3是目标鱼类不同生命阶段栖息地空间特性变化特征与流量响应关系曲线示意图；

图4是某河流多年平均流量过程示意图；

图5是目标鱼类产卵期栖息地法求解生态流量示意图；

图6是某河流面向鱼类生境的生态流量过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法，包括以下步骤：

(1)对研究区域开展鱼类资源现状调查，然后采用层次分析方法筛选目标鱼类。

该步骤具体包括：

(1-1)鱼类资源现状调查：鱼类资源现状调查不仅要掌握鱼类的种群数量，还要测定鱼类群体的结构状况，掌握渔业利用情况，研究鱼类种群和数量变动规律，以判断资源现状及其变化趋势。依据研究区域鱼类资源现状及历史资料，确定多闸坝平原河流生态流量计算备选鱼类。

具体采集鱼类标本时，原则上要采集调查水域的全部种类。对于常见鱼类和经济鱼类，主要从当地的渔业捕捞中获得；对于非捕捞水体、非经济鱼类或者稀有和珍贵鱼类，则需要通过专门的采捕而获得；还可以通过当地水产市场、餐馆和休闲垂钓等途径补充采集。同时收集历史鱼类资源调查数据，最终选取渔获物中出现一定次数以上鱼类作为目标鱼类的备选对象。

(1-2)目标物种筛选：根据鱼类生物学特性制定筛选原则，对备选鱼类运用层次分析法构建判断矩阵，计算各备选种类的排序权值，筛选研究区域对生境要求具有代表性的目标物种。

对研究区域备选鱼类从产卵环境和摄食环境等方面进行筛选研究，运用层次分析法构建判断矩阵，计算各备选鱼类的排序权值，最后筛选研究区域对生境要求具有代表性的目标鱼类为鳊鱼。鳊鱼，淡水鱼种之一，是“长春鳊”“三角鲂”“团头鲂(注：即武昌鱼)”等的统称，鲤科，鳊亚科。鳊鱼是典型的草食性鱼类，其食物组成的季节变化基本与湖中水生植物的季节性盛衰相一致，位于营养级中层。同时，鳊鱼产卵时要求一定的流水环境，对生境要求相对较高。

(2)针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料收集，建立目标鱼类产卵期、捕食期和越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线。

针对筛选出的目标鱼类，根据鱼类生活史将水文年内不同时段分为产卵期、捕食期及越冬期，选择流速、水深、温度及溶氧为目标鱼类关键生境因子，根据胁迫实验及文献资料得出目标鱼类产卵期、捕食期及越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线。

例如，鳊鱼为目标鱼类时，其卵为漂浮性，水温21～25℃时，孵化时间约需40小时；当表层水温10℃左右时，鱼类都纷纷进入越冬场；当温度低于5℃或高于35℃时鳊鱼将死亡，由此可以得出不同生命阶段鳊鱼对温度的定量响应关系曲线。鳊鱼的最大匀加速游泳速度(Constant acceleration speed，Ucat)为0.6～0.8m/s，临界游泳速度(Criticalswimming speed，Ucrit)约为2m/s，由此可以得出不同生命阶段鳊鱼对流速的定量响应关系曲线。鳊鱼的溶氧耐受范围在4mg/L到12mg/L之间，可知不同生命阶段鳊鱼对溶氧的定量响应关系曲线。从而根据鳊鱼生活史及生物学特性，可以分别建立鳊鱼三个时期(产卵期、捕食期及越冬期)对关键生境因子(流速、水深、溶氧及温度)的定量响应曲线。

(3)根据研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据建立水动力水环境模型，并结合不同生命阶段目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线，建立面向鱼类生境的栖息地模型，并对栖息地模拟结果进行空间特性分析，分别得出目标鱼类不同生命阶段栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系。

如图2所示，步骤(3)具体包括：

(3-1)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，根据所述基础数据采用开源模型SELFE(Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite Element)建立水动力水环境模型，并以实测资料进行验证。

选取我国某多闸坝平原河流典型河段建立水动力水环境模型，为了使计算时段尽可能覆盖研究区域径流变化，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行典型年份推求，确定计算年份；计算河段上游采用流量，下游采用水位为边界条件，计算水动力水环境模型，并以实测资料进行验证。

(3-2)将目标鱼类不同生命阶段对关键生境因子的定量响应关系曲线和水动力水环境模型做为输入参数，采用软件CASIMIR建立面向鱼类生境的栖息地模型，并根据历史资料和现状调查数据，验证模型可靠性。

将目标鱼类不同生命阶段(产卵期、捕食期及越冬期)关键生境因子(流速、水深、温度及溶氧)定量响应关系及水动力及水环境模型计算结果输入栖息地模型CASIMIR中，得出某一流量下HSI(栖息地适宜性指数)在研究河段空间分布，将得出的HSI空间分布与研究河段调查的结果进行验证。

(3-3)根据面向鱼类生境的栖息地模型，通过栖息地空间特性分析得出栖息地空间特性评价指标加权栖息地面积与流量之间的非线性响应关系；其中，加权栖息地面积WUA计算公式如下：

式中，A_j表示研究区域划分出的网格计算单元j的面积，单位为m²；HSI_j表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；N表示网格计算单元数量，栖息地模型与水动力水环境模型采用同一套网格划分，网格计算单元具体为三角形，对研究区域进行网格划分的方式为现有技术，不作具体介绍。

将栖息地模拟结果带入WUA计算公式进行栖息地空间特性分析，然后设置不同流量，进行以上的步骤，则可以得出不同生命阶段栖息地空间特性评价指标WUA与流量之间的非线性响应关系，如图3所示。

(4)对于产卵期的月份，根据产卵期目标鱼类栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，采用栖息地法推求对应月份的生态流量，对于捕食期和越冬期，采用水量平衡法推求对应月份的生态流量，从而得到多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。

该步骤具体包括

(4-1)生态流量计算的参照流量确定：选取研究区域人为扰动较少的时段各月的月平均径流量作为生态流量计算时对应月份的参照流量，并根据鱼类生物学特性将目标鱼类的产卵期、捕食期及越冬期与水文年的月份对应；

(4-2)多闸坝平原河流生态流量过程计算：对于产卵期所包括的月份，根据目标鱼类产卵期栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，查找到各月的参照流量对应的栖息地空间特性评价指标，作为对应月份的最优栖息地状态，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的70％作为对应月份的适宜栖息地状态，对应流量作为对应月份的适宜生态流量，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的50％作为对应月份的基本栖息地状态，对应流量作为对应月份的最小生态流量；对于捕食期和越冬期所包括的月份，采用水量平衡法计算各月的适宜生态流量和最小生态流量；

其中，生态流量推求在一个水文年内分时段优先考虑鱼类的不同生长阶段的生境需求。每年的4月到6月优先考虑满足鱼类产卵场要求，7月至10月优先满足捕食场要求，11月至次年3优先考虑鱼类越冬场要求，如表1所示。根据多闸坝平原河流栖息地空间特性，产卵期采用栖息地法推求对应月份的生态流量，对于捕食期和越冬期，通过前面分析可知研究区域由于闸坝调控在目标鱼类捕食期和越冬期随着流量的增加栖息地空间分布特性指数变化并不大，因此，在捕食期和越冬期生态流量利用水量平衡法计算确定。水量平衡法为现有技术，不多做介绍，下面介绍栖息地法。

表1生态流量计算原则

例如，对于产卵期中的4月，通过图4可知4月的月平均径流量为Q_多年平均＝783m³/s，图3(a)和图5是产卵期空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，从中查找783m³/s对应的空间特性评价指标WUA值为W_最优，最适宜栖息地状态WUA值为W_适宜＝70％W_最优，其对应的的流量为最适宜流量Q_适宜，基本栖息地状态WUA值为W_基本＝50％W_最优，其对应的的流量为最适宜流量Q_最小，从而得到4月份的最适宜流量和最小流量，同理可以得到产卵期其他月份的流量。

(4-3)获得各月份的参照流量、适宜生态流量和最小生态流量后，最终可得出多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。最后结果如图6所示。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于鱼类生境需求的多闸坝平原河流生态流量过程推求方法，其特征在于该方法包括：

(1)对研究区域开展鱼类资源现状调查，然后采用层次分析方法筛选目标鱼类；

(2)针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料收集，建立目标鱼类产卵期、捕食期和越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线；

(3)根据研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据建立水动力水环境模型，并结合目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线，建立面向鱼类生境的栖息地模型，并对栖息地模拟结果进行空间特性分析，分别得出目标鱼类产卵期、捕食期和越冬期栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系；所述步骤(3)具体包括：

(3-1)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，根据所述基础数据采用开源模型SELFE建立水动力水环境模型，并以实测资料进行验证；其中，水动力水环境模型的控制方程具体包括：

A、连续方程：

B、动量方程：

C、温度和盐度输运方程：

其中，(x,y)为笛卡尔坐标，单位为m；z为垂向坐标，向上为正，单位为m；t为时间，单位为s；η(x,y,t)为自由面水位，单位为m；h(x,y)为水深，单位为m；u(x,y,z,t)为水平速度，单位为m·s^-1；w为垂向对流速度，单位为m·s^-1；H_R为垂向坐标，单位为m；为潮汐势函数，单位为m；ρ(x,y,z,t)为水体的密度，默认取值为ρ₀＝1025kg/m³；P_A(x,y,t)为自由水面的大气压强，单位为N·m^-2；f为柯氏力因子，单位为s^-1；g为重力加速度，单位为m·s^-2；k为符号因子；α为有效地球弹性因子，约为0.69；S,T为水体的温度和盐度，盐度单位为psu，温度单位为℃；ν为垂直涡粘度，单位为m²·s^-1；κ为垂向扩散系数，单位为m²·s^-1；μ为水平涡粘度，单位为m²·s^-1；Q为太阳辐射吸收率，单位为W·m^-2；C_p为水的比热，单位为J·kg·K^-1；F_s、F_h为输运方程的水平扩散项；

(3-2)将目标鱼类不同生命阶段对关键生境因子的定量响应关系曲线和水动力水环境模型做为输入参数，采用软件CASIMIR建立面向鱼类生境的栖息地模型，并根据历史资料和现状调查数据，验证模型可靠性；

(3-3)根据面向鱼类生境的栖息地模型，通过栖息地空间特性分析得出栖息地空间特性评价指标加权栖息地面积与流量之间的非线性响应关系；其中，加权栖息地面积WUA计算公式如下：

式中，A_j表示研究区域划分出的网格计算单元j的面积，单位为m²；HSI_j表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；N表示网格计算单元数量，栖息地模型与水动力水环境模型采用同一套网格划分，网格计算单元为三角形；

(4)对于产卵期的月份，根据产卵期目标鱼类栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，采用栖息地法推求对应月份的生态流量，对于捕食期和越冬期，采用水量平衡法推求对应月份的生态流量，从而得到多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。

2.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：

(1-1)鱼类资源现状调查：依据研究区域鱼类资源现状及历史资料，确定多闸坝平原河流生态流量计算备选鱼类，其中，鱼类资源现状调查包括调查鱼类的种群数量，测定鱼类群体的结构状况，掌握渔业利用情况，研究鱼类种群和数量变动规律；

(1-2)目标物种筛选：根据鱼类生物学特性制定筛选原则，对备选鱼类运用层次分析法构建判断矩阵，计算各备选种类的排序权值，筛选研究区域对生境要求具有代表性的目标鱼类。

3.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：

针对筛选出的目标鱼类，根据鱼类生活史将水文年内不同时段分为产卵期、捕食期及越冬期，选择流速、水深、温度及溶氧为目标鱼类关键生境因子，根据胁迫实验及文献资料得出目标鱼类产卵期、捕食期及越冬期对关键生境因子的定量响应关系曲线。

4.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：

(4-1)生态流量计算的参照流量确定：选取研究区域人为扰动较少的时段各月的月平均径流量作为生态流量计算时对应月份的参照流量，并根据鱼类生物学特性将目标鱼类的产卵期、捕食期及越冬期与水文年的月份对应；

(4-2)多闸坝平原河流生态流量过程计算：对于产卵期所包括的月份，根据目标鱼类产卵期栖息地空间特性评价指标与流量之间的非线性响应关系，查找各月的参照流量对应的栖息地空间特性评价指标，作为对应月份的最优栖息地状态，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的70％作为对应月份的适宜栖息地状态，对应流量作为对应月份的适宜生态流量，以最优栖息地状态的空间特性评价指标的50％作为对应月份的基本栖息地状态，对应流量作为对应月份的最小生态流量；对于捕食期和越冬期所包括的月份，采用水量平衡法计算各月的适宜生态流量和最小生态流量；

(4-3)获得各月份的参照流量、适宜生态流量和最小生态流量后，最终可得出多闸坝平原河流完整水文年生态流量过程。