CN109615238A - 一种平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法，包括：(1)分析平原城市河网水环境生态现状及突出性生态问题，识别表征河流生态健康的指示物种及影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子；(2)通过室内胁迫实验及野外调查，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线；(3)建立平原城市河网水动力水质模型，并模拟得到城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，再结合指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立平原城市河网生境评价模型；(4)结合平原城市河网水力调控技术，根据平原城市河网生境评价模型，分析评价水力调控后的河流生境适宜度及河流生态健康状况。本发明对平原城市河流水环境深化改善以及生态健康修复具有重要的理论和实际指导意义。

Description

一种平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法

技术领域

本发明涉及水利技术领域，尤其涉及一种平原城市河网水力调控对河流生境影响评价方法。

背景技术

随着工业化及城市化进程的深入，世界各国的城市河流生态系统都受到了不同程度的干扰和损害，各地河流大多存在河流水质恶化、形态结构破坏、水文条件变化以及水生生境退化等种种问题。当前中国大中城市河流普遍存在不同程度的河道淤积、水文条件不佳、水质黑臭以及景观功能退化等问题。平原地区地势平坦，河网交错，水流量小、流速缓慢甚至滞流，不利于污染物的扩散和稀释，这使得平原地区城市河流污染尤为严重。近几十年来，中国在城市河流污染治理与保护上投入了大量的人力、物力和财力，但这些河流保护与管理措施往往沿用传统的规划治理观念和技术方法，大多停留在水污染控制和水利工程层面，对河流生态健康关注较少。因此，城市河流生态健康修复面临着更多理念和技术难题，是目前国内外研究的热点。

对可控的水动力条件以及水质条件进行改善提升，是平原城市河网生态修复的经济有效手段之一。水力调控措施通过水动力作用对河道水体进行稀释可以在短期内快速改善河道水质，提高河水的自净能力，特别是在对黑臭河流水质改善上有着显著的效果。然而，这些水力调控措施效果多以水动力或水质指标为调度依据，对城市流道生境的影响尚缺乏全面的分析和研究。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法，分析水动力水质联合提升后的生态环境的恢复潜力，可指导平原城市河流水环境深化改善以及河流生态健康修复。

技术方案：本发明所述的平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法包括：

(1)分析平原城市河网水环境生态现状及突出性生态问题，识别表征河流生态健康的指示物种及影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子；

(2)通过室内胁迫实验及野外调查，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线；

(3)建立平原城市河网水动力水质模型，并模拟得到平原城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，再结合指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立平原城市河网生境评价模型；

(4)对于城市河网水力调控技术，根据平原城市河网生境评价模型，分析评价水力调控后的河流生境适宜度及河流生态健康状况。

进一步的，步骤(1)具体包括：

(1-1)指示物种筛选：监测河流生态数据，并根据监测的生态数据与收集的基础资料，鉴别主要水域生态系统组成与生境，筛选出反映河流健康的关键指示物种；

(1-2)关键环境因子识别：开展研究区域水环境生态现状调查，分析平原城市河网的水环境生态现状及突出性问题，识别影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2-1)对于具有毒理效应的关键水环境因子的胁迫实验采用96h半静水水生生物急性毒性试验法，对于水动力因子的胁迫实验采用实验室水槽实验；

(2-2)获取不同关键环境因子的胁迫实验中指示物种的出现频率，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系。

进一步的，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，建立平原城市河网一维水动力水质模型，模拟城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，所述水动力水质模型具体如下：

水动力模型连续方程：

水动力模型运动方程：

水质模型：

式中：Q为流量，单位m³/s；A为断面面积，单位m²；H为水位，单位m；t表示时间，单位s；x表示水平方向；g为重力加速度，单位m/s²；B为河面总宽度，单位m；q为旁侧入流流量，单位m²/s；V_x为旁侧入流在水流方向上的流速分量，单位m/s；α为动量修正系数：v为流速，单位m/s，为断面平均流速，单位m/s；K为流量模数，C为谢才系数，单位m^1/2/s，；R为水力半径，单位m；C_m为水流输送的水质变量浓度，单位mg/L；D为扩散系数，单位m²/s，S为源/汇项浓度，单位为mg/L；(3-2)建立平原城市河网生境评价模型，所述平原城市河网生境评价模型根据平原城市河网一维水动力水质模型的模拟结果，利用指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线建立隶属度函数及规则库，然后进行模糊推理，解模糊化后得到河流生境适宜度的空间分布，进而得到河流生境与水动力水质的动态响应关系。

进一步的，步骤(4)具体包括：

结合城市河网闸泵工程、流速、水位、水量智能联合调度技术，根据河流生境与水动力水质的动态响应关系，分析不同水力调控情景下的平均栖息地适宜指数，评价水力调控后的河流生境适宜度及平原河网生态健康状况；其中：

平均栖息地适宜指数AHSI：

其中，A_i为对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，m²；HSI_i为计算单元i的栖息地适宜性指数；N为计算单元数量。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明通过建立指示物种对关键环境因子的响应关系，建立针对平原城市河流特点的生境评价模型，为平原城市河流生境修复提供有效工具。

(2)水力调控作为平原城市河流生境修复重要措施，调控效果多以水动力或水质感官指标为依据。本发明建立了河流生境对水环境变化的动态响应关系，可以更科学的进行城市河流水生态环境质量的评价，为平原河流水力调度模式优化及生境修复提供科学有效的技术手段。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是指示鱼类对关键环境因子的响应关系示意图；

图3是我国长三角某典型平原城市河网生境模拟结果意图；

图4是我国长三角某典型平原城市河网水力调控评价结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法，包括以下步骤：

(1)分析平原城市河网水环境生态现状及突出性生态问题，识别表征河流生态健康的指示物种及影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子。

该步骤具体包括：

(1-1)指示物种筛选：监测河流生态数据，并根据监测的生态数据与收集的基础资料，鉴别主要水域生态系统组成与生境，筛选出反映河流健康的关键指示物种。

河流生态数据主要包括浮游植物、底栖生物、鱼类等。本实施例选取长三角地区典型平原水网区域布设采样点，采样指标包括浮游植物、底栖生物、鱼类及基本环境参数，鉴别主要水域生态系统组成与生境特点，筛选反映河流健康的关键指示物种。鱼类对人为干扰的变化尤其是河流的水文及栖息环境改变极为敏感，在河流生态系统中担负着保持生态系统生产力，维持系统平衡与稳定，加速能量和物质流动的重要作用。结合生态监测数据及历史生态数据，选取松江鲈鱼为指示物种。

(1-2)关键环境因子识别：开展研究区域水环境生态现状调查，分析平原城市河网的水环境生态现状及突出性问题，识别影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子。

影响鱼类生长繁殖的关键生境因子主要包括流速、水深、底质及水质因子等。流速的变化能够影响水体中营养物质的浓度及溶解氧含量；水深是表征栖息地水力学特征重要指标之一；对城市河流鱼类分布影响相对显著的主要有溶解氧和氨氮，溶解氧浓度的变化与鱼类呼吸系统和循环系统密切相关，氨氮能够影响鱼类的生长、渗透压的平衡、代谢活动等，并能对鱼类造成一定的损伤。因此，本实施例选取流速、水深、溶氧和氨氮作为影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子。

(2)通过室内胁迫实验及野外调查，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线。

该步骤具体包括：

(2-1)对于具有毒理效应的关键水环境因子的胁迫实验采用96h半静水水生生物急性毒性试验法，对于水动力因子的胁迫实验采用实验室水槽实验；

(2-2)获取不同关键环境因子的胁迫实验中指示物种的出现频率，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系。

本实施例中，水质因子的胁迫实验采用96h半静水水生生物急性毒性试验法，每24h更换实验液。为了避免饵料成分的影响，实验前24h停止投喂饵料，实验期间不投饵，微充气，试验容器为容积为3.5L玻璃缸，每缸放10尾实验鱼。根据预实验以等对数间距法设置实验药物浓度，每个浓度组设3个平行组，并设对照。试验过程中，前8h连续观察实验鱼的中毒症状，定时观察每组鱼的活动状态以及存活与死亡情况，分别记录24、48、72、96h实验鱼的死亡数。死亡的判断标准为刺激鱼体5min无任何反应。水动力因子的胁迫实验通过观测目标鱼类的出现频率和关键环境因子，建立指示物种对水动力因子的定量响应关系，如图2所示。

(3)建立平原城市河网水动力水质模型，并模拟得到平原城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，再结合指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立平原城市河网生境评价模型。

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，建立平原城市河网一维水动力水质模型，模拟平原城市河网不同水力调控下河道水动力水质变化过程，所述水动力水质模型具体如下：

水动力模型连续方程：

水动力模型运动方程：

水质模型：

式中：Q为流量，单位m³/s；A为断面面积，单位m²；H为水位，单位m；t表示时间，单位s；x表示水平方向；g为重力加速度，单位m/s²；B为河面总宽度，单位m；q为旁侧入流流量，单位m²/s；V_x为旁侧入流在水流方向上的流速分量，单位m/s；α为动量修正系数：v为流速，单位m/s，为断面平均流速，单位m/s；K为流量模数，C为谢才系数，单位m^1/2/s；R为水力半径，单位m；C_m为水流输送的水质变量浓度，单位mg/L；D为扩散系数，单位m²/s，S为源/汇项浓度，单位为mg/L；

本实施例中选取我国长三角地区典型平原水网区域建立平原城市河网一维水动力水质模型，模型上游边界取为流量控制条件，下游边界取为水位控制条件或水位流量关系控制条件，调度数据采用原观期间计算范围内所有闸门的调度数据。率定验证后的一维水动力水质数学模型具有足够精度，可用于后续平原城市河网生境模型。

(3-2)建立平原城市河网生境评价模型，所述平原城市河网生境评价模型根据平原城市河网一维水动力水质模型的模拟结果，利用指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线建立隶属度函数及规则库，然后进行模糊推理，解模糊化后得到河流生境适宜度的空间分布，得到河流生境与水动力水质的动态响应关系。

实施例将指示鱼类对关键生境因子(流速、水深、溶氧及氨氮)定量响应关系及水动力及水质模型计算结果通过模糊原理，得到某一调度工况下平原城市生境适宜度的空间分布，如图3所示。

(4)结合平原城市河网水力调控技术，根据平原城市河网生境评价模型，分析评价水力调控后的河流生境适宜度及河流生态健康状况。

本步骤结合城市河网闸泵工程、流速、水位、水量智能联合调度技术，根据河流生境与水动力水质的动态响应关系，分析不同水力调控情景下的平均栖息地适宜指数，评价水力调控后的河流生境适宜度及平原河网生态健康状况；其中：

平均栖息地适宜指数AHSI：

其中，A_i为对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，m²；HSI_i为计算单元i的栖息地适宜性指数；N为计算单元数量。

本实施例调水过程结合了潮汐作用对水量影响。选取某次调水工况的水动力模拟数据和实测水质数据，计算城市河网加权栖息地面积，将其除以研究区域的总面积得出栖息地适宜指数，最终可以得出水力调控后的河流生境适宜度及平原河网生态健康状况，如图4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 (5)

1.一种平原城市河网水力调控对河流生境影响的评价方法，其特征在于该方法包括：

(1)分析平原城市河网水环境生态现状及突出性生态问题，识别表征河流生态健康的指示物种及影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子；

(2)通过室内胁迫实验及野外调查，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线；

(3)建立平原城市河网水动力水质模型，并模拟得到平原城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，再结合指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立平原城市河网生境评价模型；

(4)对于城市河网水力调控技术，根据平原城市河网生境评价模型，分析评价水力调控后的河流生境适宜度及河流生态健康状况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：

(1-1)指示物种筛选：监测河流生态数据，并根据监测的生态数据与收集的基础资料，鉴别主要水域生态系统组成与生境，筛选出反映河流健康的关键指示物种；

(1-2)关键环境因子识别：开展研究区域水环境生态现状调查，分析平原城市河网的水环境生态现状及突出性问题，识别影响平原城市河网生态健康的关键水环境因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：

(2-1)对于具有毒理效应的关键水环境因子的胁迫实验采用96h半静水水生生物急性毒性试验法，对于水动力因子的胁迫实验采用实验室水槽实验；

(2-2)获取不同关键环境因子的胁迫实验中指示物种的出现频率，建立指示物种对关键水环境因子的定量响应关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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，建立平原城市河网一维水动力水质模型，模拟城市河网不同水力调控模式下河道水动力水质变化过程，所述水动力水质模型具体如下：

水动力模型连续方程：

水动力模型运动方程：

水质模型：

式中：Q为流量，单位m³/s；A为断面面积，单位m²；H为水位，单位m；t表示时间，单位s；x表示水平方向；g为重力加速度，单位m/s²；B为河面总宽度，单位m；q为旁侧入流流量，单位m²/s；V_x为旁侧入流在水流方向上的流速分量，单位m/s；α为动量修正系数：v为流速，单位m/s，为断面平均流速，单位m/s；K为流量模数，C为谢才系数，单位m^1/2/s，；R为水力半径，单位m；C_m为水流输送的水质变量浓度，单位mg/L；D为扩散系数，单位m²/s，S为源/汇项浓度，单位为mg/L；

(3-2)建立平原城市河网生境评价模型，所述平原城市河网生境评价模型根据平原城市河网一维水动力水质模型的模拟结果，利用指示物种对关键水环境因子的定量响应关系曲线建立隶属度函数及规则库，然后进行模糊推理，解模糊化后得到河流生境适宜度的空间分布，进而得到河流生境与水动力水质的动态响应关系。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：

结合城市河网闸泵工程、流速、水位、水量智能联合调度技术，根据河流生境与水动力水质的动态响应关系，分析不同水力调控情景下的平均栖息地适宜指数，评价水力调控后的河流生境适宜度及平原河网生态健康状况；其中：

平均栖息地适宜指数AHSI：

其中，A_i为对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，m²；HSI_i为计算单元i的栖息地适宜性指数；N为计算单元数量。