CN116149187A - 一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其包括如下步骤：S1.基础资料收集：收集水库库尾河段的水域生态水力特征参数和库尾河段保护鱼类的生态习性；S2.建立库尾河段生境适宜性评价指标体系；S3.构建库尾河段水动力模型；S4.构建水文预报模型及预报方案；S5.制定生态调度方案。本发明优点为，以鱼类集中产卵期为研究时段，利用鱼类产卵对栖息生境的水力参数要求，构建生境适宜性评价指标体系，明确鱼类产卵的主要调度需求；通过主要控制断面和典型代表断面的水位流量关系，确定调度阈值，通过水文预报的方法，水库提前回蓄或预泄水量，使得水库运行水位位于调度阈值内，控制库尾河段水位变幅，成功解决了库尾河段生态调度的问题。
Description
技术领域
本发明属于水生态保护和生态水文学领域，涉及生态调度精准量化的制定方法，具体涉及一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法。
背景技术
生态调度是解决水库及下游的生态环境问题，实现人类所需要的生态环境目标而进行的水库调度。生态调度保护目标包括鱼类资源、水环境质量、河道外供水、景观、航运等，主要调度的要素包括水文情势、水温、溶解性气体饱和度等。近年来为减缓水电站建设运行对生态环境的不利影响，我国陆续开展了一系列生态调度运行实践，主要包括长江三峡水库生态调度、金沙江向家坝水电站生态调度和汉江中下游梯级枢纽联合生态调度(水文情势调度)，以及溪洛渡水库的生态调度(水温调度)。三峡水库生态调度试验与汉江中下游梯级联合生态调度，均是针对枢纽坝址下游河段，在鱼类产卵繁殖季节，通过加大下泄流量营造近似自然的洪水过程，为促进“四大家鱼”自然繁殖而实施的水文情势调度；向家坝水库则是通过营造人造洪峰，促进“四大家鱼”、铜鱼、吻鮈等产漂流性卵鱼类的自然繁殖。溪洛渡水库生态调度则是通过操作机组进水口叠梁门取上中层水，调节水库出库水温，促进坝下江段产粘沉性卵鱼类的产卵繁殖。
上述已实施的生态调度目标均是水利水电工程下游河段或流域的鱼类资源保护，且均由控制性水利工程实施调度。水库库尾河段，一般为水库变动回水区段，河流在大部分时段依然保持河流特征，具有一定的生态保护价值，因此，多数情况下，可作为鱼类栖息地进行保护。在水能资源开发利用程度较高的河段，如金沙江、雅砻江等，库尾河段受上游水利水电工程调蓄影响，尤其是具有发电功能的水利水电工程在进行日调峰的过程中，河段水位日内变幅大、变化频繁，产粘沉性卵鱼类在其繁殖季节，水位频繁涨落会导致受精卵和仔幼鱼的搁浅死亡，最终将导致鱼类资源量显著减少。因此，针对水电站库尾河段复杂水文条件，实施生态调度，对保护河段鱼类具有重要的意义。
水库库尾河段不仅受上游调蓄带来的非恒定流影响，还受下游水库回水顶托影响，要在特定的时段内保持库尾河段水位日变幅在一定范围内，又要兼顾水电站发电经济效益，需要统筹上下游水电梯级发电效益与鱼类资源保护窗口期，实施精准调度。
发明内容
本发明针对水库库尾河段存在的实际问题，提供一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法。围绕库尾河段水位稳定的需求，构建库区水动力模型，推求在特定来流情况下，坝前水位、水库回水长度、考虑水库回水顶托的典型断面水位流量关系；构建水文预报模型，基于上游水库在鱼类产卵时段一般调度规则和上游产汇流情况，开展水情预报，提前控制水库运行水位，控制库尾栖息地河段水位日变幅，以满足栖息地鱼类产卵繁殖要求。本方法提高了生态调度实施的精确度和可靠性，进一步加强了库尾河段作为鱼类栖息地保护生境的适宜性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其包括如下步骤：
S1.基础资料收集：收集水库库尾河段的水域生态水力特征参数和库尾河段保护鱼类的生态习性；
S2.建立库尾河段生境适宜性评价指标体系：筛选库尾河段重点保护鱼类及影响其产卵的主要因素；
S3.构建库尾河段水动力模型：计算不同来流、不同运行水位条件下，主要代表断面水位及其变化情况，绘制主要控制站点、断面水位流量关系曲线；
S4.构建水文预报模型及预报方案：基于包括研究区域水文站网梯级调度运行规则、流域分区及特征和水文气象在内的资料信息，以干支流控制性水库或水文站为边界，运用现有水文预报模型构建洪水预报方案，开展水文预报，预报水库水位；
S5.制定生态调度方案：依据水文预报结果和库尾河段水位流量关系，结合时段内库尾河段水位变幅控制的阈值范围要求，明确水库回蓄或预泄水量，并确定包括生态调度启动时间、启动流量、上游电站下泄流量阈值和生态调度持续时间在内的调度内容。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体选择。
具体的，S1中水域生态水力特征参数包括水位、流量、流速、水温和水质，具体对应的基础资料包括如下内容：水库入库控制水文站水位、流量资料以及河道断面资料；河段水温、水质监测数据；库尾河段梯级水电站调度运行规程或原则。
具体的，S2中筛选库尾河段重点保护鱼类的评估指标包括生活史特征、地理分布特征、资源量、保护必要性、建坝影响、经济价值和产卵类型。
具体的，S2中筛选出的影响库尾河段重点保护鱼类产卵的主要因素至少包括库尾河段水位日变幅数据。
具体的，S3中水动力模型以稳定非均匀流伯努利方程进行计算：
式中：Z2、Z1为上、下游断面的水位；V2、V1为上、下游断面的平均流速；α2、α1为计算段上下游断面的动能修正系数；hf为上、下游断面之间的沿程水头损失；hj为上、下游断面之间的局部水头损失；L为计算段上下游断面间距(m)；K为流量模数，
ξ为局部阻力系数，对于逐渐扩散段，取ξ＝-0.3～-0.5；对于急剧扩散段取ξ＝-0.5～-1.0，对于收缩段ξ＝0。
具体的，S4中运用的现有水文预报模型包括降雨径流模型、新安江模型、合成流量法、马斯京根河道演算法和水库调洪演算法中的一种或多种。
具体的，S4中在构建洪水预报方案的同时，采用短期1～3d的定量面雨量及4～7d的降雨过程，为水文预报提供更长的预见期，滚动开展水文预报工作，预报水库水位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用鱼类产卵繁殖与河流水力要素的相关性，构建生境适宜性评价指标体系；利用已有监测数据和数值模型，绘制重要控制断面和典型代表断面的水位流量关系，测算在鱼类集中产卵繁殖时段的水位变化区间；采用水文预报技术，提前预泄或回蓄水量，控制水库运行水位和库尾栖息地河段水位变幅，为水库生态调度提供精准的水位控制信息。
本发明以鱼类集中产卵期为研究时段，利用鱼类产卵对栖息生境的水力参数要求，构建生境适宜性评价指标体系，明确鱼类产卵的主要调度需求；通过点汇主要控制断面和典型代表断面的水位流量关系，确定调度阈值，通过水文预报的方法，提前回蓄或预泄水量，控制水库运行水位，控制库尾河段水位变幅，成功解决了库尾河段生态调度的问题。
附图说明
图1为本发明进行库尾鱼类栖息地河段生态调度的流程图；
图2为三堆子水文站2011年3月和4月份逐日水位变幅对比；
图3为三堆子断面天然/受水库调蓄影响时的水位流量关系；
图4为大沙坝断面天然/受水库调蓄影响时的水位流量关系。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，具体如图1所示，其包括如下步骤：
S1，收集金沙江攀枝花河段水文、水质、水温等基本参数，收集江段主要鱼类种类及习性，收集研究河段上下游水库调度运行资料，分析主要保护鱼类和鱼类习性。现状情况下，乌东德库尾江段受上游观音岩、金沙以及雅砻江桐子林电站非恒定流下泄影响。据统计，一般情况下，3-4月份河段日均流量1810m3/s，日内最小流量与最大流量间相差在199～1910m3/s之间。根据三堆子水文站实测数据，天然情况下，三堆子断面日变幅在0.12～3.43m。即在上游观音岩、金沙、桐子林等电站调节情况下，在枯水、平水时段三堆子断面日内最大水位变幅达3.43m，平均日变幅为1.72m，如图2所示。
S2，构建库尾河段生境适宜性分析指标体系，以水位、流速、流量、水温、水质、水深等与鱼类产卵繁殖相关的参数为指标，筛选影响乌东德库尾河段鱼类产卵的主要影响因素。
S2.1，构建重点保护目标鱼类筛选指标体系，乌东德库尾栖息地保护目标为充分发挥乌东德库尾的流水生境对长江上游特有鱼类的保护作用，并为库区喜缓流和静水生境但需流水刺激产卵的鱼类提供适宜的水生生境。通过乌东德库区江段分布鱼类的生活史特征、地理分布特征、资源量、保护必要性、建坝影响以及经济价值等指标进行综合筛选，确定重点保护鱼类为齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼和短须裂腹鱼等种裂腹鱼亚科鱼类，其集中产卵时段为3-4月(此即为研究时段)，乌东德库区支流龙川江、尘河、勐果河、鲹鱼河等均存在开发利用程度高、水质差、流量小甚至存在断流现象等问题，不具备作为替代生境的条件；而库尾攀枝花河段具有较复杂的流水生境，急缓流、滩涂潭交错分布。因此乌东德水电站环境影响报告书选择将库尾变动回水区江段作为齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼和短须裂腹鱼等长江上游特有鱼类的栖息地保护河段，并为库区喜缓流和静水生境但需流水刺激产卵的鱼类提供适宜的水生生境，在解决宏观水域选择的基础上，通过实地勘测，从生境适宜性、建设条件、管理维护、外部制约因素等方面综合考量，选择位于雅砻江汇口以下9km的大沙坝边滩作为重点保护鱼类的主要产卵场(大沙坝产卵场)。
S2.2，分析齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼和短须裂腹鱼等裂腹鱼类对于水位(水位变幅)、流速、流量、水温、水质、水深等水力参数的要求，构建生境适宜性评价指标体系，筛选出主要影响因素为流速和水位变幅。
S2.3，基于上述步骤筛选，确定齐口裂腹鱼(Schizothorax prenant i)、短须裂腹鱼(Schizothorax wangchiachi)、重口裂腹鱼(Schizothorax davidi)等鱼类在产卵期对产卵水域日内水位变幅不超过1.5m，流速宜在1.5m/s～2.5m/s(韩仕清，李永，梁瑞峰等，基于鱼类产卵场水力学与生态水文特征的生态流量过程研究[J].水电能源科学，2016，34(6)：9-13.),裂腹鱼成鱼繁殖所需的生境条件如下表所示：
S3，构建库区水动力模型，计算乌东德水电站不同来流、不同运行水位条件下，主要代表断面水位及其变化情况，绘制主要控制站点、断面水位流量关系曲线。
按稳定非均匀流伯努利方程进行计算：
式中：Z2、Z1为上、下游断面的水位；V2、V1为上、下游断面的平均流速；α2、α1为计算段上下游断面的动能修正系数；hf为上、下游断面之间的沿程水头损失；hj为上、下游断面之间的局部水头损失；L为计算段上下游断面间距(m)；K为流量模数，
ξ为局部阻力系数，对于逐渐扩散段，取ξ＝-0.3～-0.5；对于急剧扩散段取ξ＝-0.5～-1.0，对于收缩段ξ＝0。
根据计算，乌东德水电站低水位运行与高水位运行时，三堆子水文站断面水位流量关系如图3所示，大沙坝断面水位流量关系如图4所示。
根据乌东德水电站运行调度规则，裂腹鱼类产卵时段(3-4月份)，库水位基本维持在973-975m运行。据三堆子水文站实测流量统计，3-4月份该河段流量在940～3710m3/s之间。乌东德坝前水位自973.0m起，按0.5m为步长递增至975m，乌东德水电站不同水位条件下库尾河段水深、流速统计如下表所示：
据上表统计可知，3月至4月上旬，上游来流一般均小于2500m3/s，当库水位在974.0m以下此时乌东德水库回水不涉及大沙坝产卵场所在河段。因此，库水位在974.0m以下运行时，通过水库调蓄无法改变河段栖息地水力生境条件。即水库高水位运行时，水库回水影响到研究河段，导致河段水位壅高，有利于缓解上游非恒定流下泄导致的水位剧烈变化。
S4，利用现有水文气象预报技术手段，准确、及时、长预见期的水文气象预报不仅是实时预报调度的基础和技术支撑，也是约束乌东德水库库水位运行指标的关键因素。收集攀枝花、桐子林水文站实测流量数据，收集观音岩、金沙、桐子林以及乌东德等水电站电网调度方案，结合流域分区及特征、水文气象等资料，以金沙、桐子林坝址为上边界，三堆子水文站为下边界，依托传统的马斯京根演算法与水动力学模型结合的预报方案，采用短期1～3d的定量面雨量及4～7d的降雨过程，为水文预报提供更长的预见期，滚动开展水文预报工作，控制水库运行水位，以确保在鱼类集中产卵繁殖时段，库尾栖息地保护江段水位在上游调蓄影响下，依然满足鱼类产卵繁殖的要求。
S5，依据水文预报结果、库尾河段水位流量关系，明确水库回蓄或预泄水量，以保证库尾河段水位变幅控制在规定的阈值范围内，制定生态调度方案，包括：
(1)在水体水温达到偏爱水温阈值后，明确生态调度启动时间、启动流量；
(2)上游电站下泄流量阈值；
(3)下游水库运行水位；
(4)生态调度持续时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.基础资料收集：收集水库库尾河段的水域生态水力特征参数和库尾河段保护鱼类的生态习性；
S2.建立库尾河段生境适宜性评价指标体系：筛选库尾河段重点保护鱼类及影响其产卵的主要因素；
S3.构建库尾河段水动力模型：计算不同上游来流、水库不同运行水位条件下，主要代表断面水位及其变化情况，绘制主要控制站点、断面水位流量关系曲线；
S4.构建水文预报模型及预报方案：基于包括研究区域水文站网、梯级调度运行规则、流域分区及特征和水文气象在内的资料信息，以干支流控制性水库或水文站为边界，运用现有水文预报模型构建洪水预报方案，开展水文预报，预报水库水位；
S5.制定生态调度方案：依据水文预报结果和库尾河段水位流量关系，结合时段内库尾河段水位变幅控制的阈值范围要求，明确水库回蓄或预泄水量，并确定包括生态调度启动时间、启动流量、上游电站下泄流量阈值和生态调度持续时间在内的调度内容。
2.根据权利要求1所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S1中水域生态水力特征参数包括水位、流量、流速、水温和水质，具体对应的基础资料包括如下内容：水库入库控制水文站水位、流量资料以及河道断面资料；河段水温、水质监测数据；河段梯级水电站调度运行规程或原则。
3.根据权利要求1所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S2中筛选库尾河段重点保护鱼类的评估指标包括生活史特征、地理分布特征、资源量、保护必要性、建坝影响、经济价值和产卵类型。
4.根据权利要求1所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S2中筛选出的影响库尾河段重点保护鱼类产卵的主要因素至少包括库尾河段水位日变幅数据。
5.根据权利要求1所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S3中水动力模型以稳定非均匀流伯努利方程进行计算：
式中：Z2、Z1为上、下游断面的水位；V2、V1为上、下游断面的平均流速；α2、α1为计算段上下游断面的动能修正系数；hf为上、下游断面之间的沿程水头损失；hj为上、下游断面之间的局部水头损失；L为计算段上下游断面间距(m)；K为流量模数，
ξ为局部阻力系数，对于逐渐扩散段，取ξ＝-0.3～-0.5；对于急剧扩散段取ξ＝-0.5～-1.0，对于收缩段ξ＝0。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S4中运用的现有水文预报模型包括降雨径流模型、新安江模型、合成流量法、马斯京根河道演算法和水库调洪演算法中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法，其特征在于，S4中在构建洪水预报方案的同时，采用短期1～3d的定量面雨量及4～7d的降雨过程，为水文预报提供更长的预见期，滚动开展水文预报工作，预报水库水位。
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