CN107563610A - 一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法 - Google Patents
一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，该方法首先对研究区域鱼类资源现状进行调查，筛选目标鱼类；针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料，建立目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线；收集研究区域水文及地形等基础资料建立水动力水环境模型，结合目标鱼类对关键生境因子的响应曲线构建面向鱼类生境的栖息地模型；引入景观生态学的理论与方法对面向鱼类生境的栖息地模拟结果进行空间特性评价，定量分析闸坝运行对鱼类栖息地空间特性的影响。该发明可指导多闸坝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
技术领域
本发明涉及水利技术领域，尤其涉及一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法。
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。
鱼类是水生态系统的重要指示性生物，鱼类栖息地是鱼类赖以生存的环境。自20世纪70年代起，闸坝运行对鱼类栖息地影响的研究一直备受关注，并且成为河流健康评价中重要部分。由于鱼类栖息地状况很难直接测得，因此，通过建立栖息地适宜性评价模型对河流栖息地进行空间特性评价是一种有效的方法。传统方法多是采用的有效加权面积为栖息地空间特性评价的指标来反应闸坝运行对鱼类栖息地的影响，但是其准确性不够。针对以上问题，本发明引入栖息地破碎性及连通性指标，提供一种更加有效的鱼类栖息地空间特性的量化分析方法。
发明内容
发明目的：本发明提供一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，通过栖息地空间特性评价有效反映闸坝运行对下游河道鱼类栖息地的影响，为鱼类栖息地保护与恢复提供依据。
技术方案：本发明所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，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进一步筛选目标鱼类；
(2)针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料，建立目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线；
(3)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，建立水动力水环境模型，结合目标鱼类对关键生境因子的响应曲线构建面向鱼类生境的栖息地模型；
(4)引入景观生态学的理论与方法对栖息地模型的模拟结果进行空间特性评价，定量分析闸坝运行对鱼类栖息地空间特性的影响。
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，根据鱼类生物学特性选择流速、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)面向鱼类生境的栖息地模型构建：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，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；HR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；PA(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；Cp为水的比热，单位为J·kg·K-1；Fs、Fh为输运方程的水平扩散项。
(3-2)将目标鱼类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。
进一步的，所述步骤(3-2)具体包括：
(3-2-1)输入因子采用水动力水环境模型的模拟结果，使用软件CASIMIR利用目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线建立隶属度函数，采用专家经验法建立规则库，然后进行模糊推理，解模糊化后得到栖息地适宜度的空间分布，即栖息地模型；其中，模糊推理采用Mandani极大极小运算法，解模糊化采用重心法；
(3-2-2)根据历史资料和现状调查数据，验证栖息地模型可靠性。
进一步的，所述步骤(4)具体包括：
(4-1)根据栖息地模型的模拟结果，对栖息地空间特性进行评价，评价指标包括其栖息地适宜指数、栖息地破碎性指数和连通性指数，各评价指标的计算公式如下：
栖息地适宜指数AHSI：
式中，aj表示研究区域划分网格计算单元j的面积，单位为m2，WUA表示加权栖息地面积，N表示划分出的网格计算单元的个数，HSIj表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；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；
栖息地破碎性指数HFI：
式中，面积大于设定阈值的栖息地斑块为有效栖息地斑块，研究区域的有效斑块个数定义为ne，有效斑块的面积定义为pe，单位为m2；
栖息地连通性指数HCI：
式中，K为连通性系数；NNDi为斑块i与其他斑块的最短距离，单位为m；
(4-2)将流量设置为不同值，重复步骤(1)-(4)，从而得到目标鱼类栖息地评价指标与流量的非线性关系曲线，根据非线性关系曲线得到闸坝运行后流量改变对下游栖息地空间特性的影响。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)与以往的采用加权可利用面积为栖息地评价指标不同，本发明采用破碎性及连通性指数更准确的反映了鱼类生境状况，可为鱼类栖息地的保护与修复提供支持。
(2)本发明以鱼类生物学特性为基础，以模糊数学为基础建立的栖息地适宜性评价模型可以综合考虑多个环境变量与目标物种的关系，同时还可以很好地应用生物专家的经验。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的流程示意图；
图2是某河流水动力水环境模型计算网格划分示意图；
图3是某河流栖息地模拟结果与实际产卵场位置对比示意图；
图4是某河流目标鱼类产卵期栖息地空间特性与流量响应关系曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，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：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。
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，根据鱼类生物学特性选择流速、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对关键生境因子的定量响应曲线。
鳊鱼卵为漂浮性，水温21～25℃时，孵化时间约需40小时；当温度低于5℃或高于35℃时鳊鱼将死亡。目标鱼类鳊鱼的最大匀加速游泳速度(Constant accelerationspeed，Ucat)为0.6～0.8m/s，临界游泳速度(Critical swimming speed，Ucrit)约为2m/s。鳊鱼的溶氧耐受范围在4mg/L到12mg/L之间。以鳊鱼产卵期为例，选取流速、水深、温度及溶氧为目标鱼类关键环境因子，根据胁迫实验及文献资料得出鳊鱼产卵期对关键生境因子的定量响应曲线。
(3)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，建立水动力水环境模型，结合目标鱼类对关键生境因子的响应曲线构建面向鱼类生境的栖息地模型。
步骤(3)具体包括：
(3-1)面向鱼类生境的栖息地模型构建：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-LagrangianFinite Element)建立水动力水环境模型，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；HR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；PA(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；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；Cp为水的比热，单位为J·kg·K-1；Fs、Fh为输运方程的水平扩散项。
(3-2)将目标鱼类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。
本实施例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，模型网格剖分采用平面非结构三角网格，平均边长为50m，如图2所示。栖息地模型输入条件主要分为三部分，以三角网格为网格基本计算单元，水动力水环境模型的模拟结果，利用目标物种的响应曲线建立的隶属度函数以及依据专家经验法建立的模糊规则库，然后运行栖息地模型进行模糊推理，解模糊化后得出某一流量下目标鱼类产卵期HSI在研究河段空间分布。根据调查可知，诱发鳊鱼产卵的自然条件是一定的流速和复杂的流态。水流紊乱、流速、流向多变易于形成泡漩水的河段是鳊鱼产卵的良好场所。河面宽窄相间，河床地形复杂，干流与支流的交汇处，闸坝桥梁的下游，都具有形成泡漩水的条件。在研究区域，鳊鱼产卵调查数据显示有4处产卵场。栖息地模拟结果显示相对应位置栖息地适宜性较高，验证结果表明栖息地模拟结果具有可靠性，如图3所示。
(4)引入景观生态学的理论与方法对栖息地模拟结果进行空间特性评价，定量分析多闸坝平原河流闸坝运行对鱼类栖息地空间特性的影响。具体包括：
(4-1)根据栖息地模型的模拟结果，对栖息地空间特性进行评价，评价指标包括其栖息地适宜指数、栖息地破碎性指数和连通性指数，各评价指标的计算公式如下：
栖息地适宜指数AHSI：
式中，aj表示研究区域划分网格计算单元j的面积，单位为m2，WUA表示加权栖息地面积，N表示划分出的网格计算单元的个数，HSIj表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；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；
栖息地破碎性指数HFI：
式中，面积大于设定阈值的栖息地斑块(p≥pcut)为有效栖息地斑块，研究区域的有效斑块个数定义为ne，有效斑块的面积定义为pe，单位为m2；
栖息地连通性指数HCI：
式中，K为连通性系数；NNDi为斑块i与其他斑块的最短距离，单位为m；
(4-2)将流量设置为不同值，重复步骤(1)-(4)，从而得到目标鱼类栖息地评价指标与流量的非线性关系曲线，根据非线性关系曲线得到闸坝运行后流量改变对下游栖息地空间特性评价指标的影响。
目标鱼类栖息地评价指标与流量的非线性关系曲线如图4所示。本实施例计算河段在目标鱼类产卵期栖息地的破碎性性指数及连通性指数随着流量增加呈先增大后减小的趋势，变化范围分别为5×104m2～2×105m2和0.1～0.4，下游栖息地状态最佳对应的流量为1500m3/s。根据目标鱼类产卵期栖息地评价指标与流量的非线性相应关系可以分析闸坝运行后径流条件改变对下游栖息地破碎性及连通性的影响，进而推求下游河道生态流量值，为水库生态调度提供依据，为鱼类栖息地保护与恢复提供依据。
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 (6)
1.一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，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进一步筛选目标鱼类；
(2)针对筛选出的目标鱼类，通过室内胁迫实验及历史资料，建立目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线；
(3)收集研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据，建立水动力水环境模型，结合目标鱼类对关键生境因子的响应曲线构建面向鱼类生境的栖息地模型；
(4)引入景观生态学的理论与方法对栖息地模型的模拟结果进行空间特性评价，定量分析闸坝运行对鱼类栖息地空间特性的影响。
2.根据权1所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，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1所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：
针对筛选出的目标鱼类，根据鱼类生物学特性选择流速、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对关键生境因子的定量响应关系曲线。
4.根据权1所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：
(3-1)面向鱼类生境的栖息地模型构建：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，其中，水动力水环境模型的控制方程具体包括：
A、连续方程：
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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；HR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；PA(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；Cp为水的比热，单位为J·kg·K-1；Fs、Fh为输运方程的水平扩散项。
(3-2)将目标鱼类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。
5.根据权4所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，其特征在于：所述步骤(3-2)具体包括：
(3-2-1)输入因子采用水动力水环境模型的模拟结果，使用软件CASIMIR利用目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线建立隶属度函数，采用专家经验法建立规则库，然后进行模糊推理，解模糊化后得到栖息地适宜度的空间分布，即栖息地模型；其中，模糊推理采用Mandani极大极小运算法，解模糊化采用重心法；
(3-2-2)根据历史资料和现状调查数据，验证栖息地模型可靠性。
6.根据权1所述的闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：
(4-1)根据栖息地模型的模拟结果，对栖息地空间特性进行评价，评价指标包括其栖息地适宜指数、栖息地破碎性指数和连通性指数，各评价指标的计算公式如下：
栖息地适宜指数AHSI：
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</mrow>
</mrow>
式中，aj表示研究区域划分网格计算单元j的面积，单位为m2，WUA表示加权栖息地面积，N表示划分出的网格计算单元的个数，HSIj表示网格计算单元j的栖息地适宜性指数；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；
栖息地破碎性指数HFI：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mi>F</mi>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
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</msub>
</mfrac>
</mrow>
式中，面积大于设定阈值的栖息地斑块为有效栖息地斑块，研究区域的有效斑块个数定义为ne，有效斑块的面积定义为pe，单位为m2；
栖息地连通性指数HCI：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mi>C</mi>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mi>K</mi>
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<mi>e</mi>
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<msub>
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</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，K为连通性系数；NNDi为斑块i与其他斑块的最短距离，单位为m；
(4-2)将流量设置为不同值，重复步骤(1)-(4)，从而得到目标鱼类栖息地评价指标与流量的非线性关系曲线，根据非线性关系曲线得到闸坝运行后流量改变对下游栖息地空间特性的影响。
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