CN117892980B - 一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置 - Google Patents
一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置。针对圆口铜鱼产卵繁殖所需的流水生境要求高、保障技术难度大的特点，本发明旨在针对因水库运行调度而具有一定时空规律性呈现的流水江段，开展流水生境适宜性评估和原型观测，分析漂程的完整性和孵化时长的符合性；在圆口铜鱼集中产卵时段，基于上游来流、水库运行水位，测算出满足孵化时长的库水位变动区间，制定面向库区的生态调度方案，营造出满足圆口铜鱼产卵繁殖的水力生境条件。
Description
技术领域
本发明涉及水库生态调度技术领域，具体涉及一种面向圆口铜鱼保护的生态调度方法。
背景技术
目前针对鱼类资源的保护方法包括栖息地保护、增殖放流、通过建设过鱼设施恢复河道连通性以及生态调度等。从各项措施的实施情况看，圆口铜鱼的繁育及规模化养殖技术尚处于技术攻关阶段；栖息地保护河段或支流较难满足圆口铜鱼完成生活史的苛刻条件；连通性恢复措施上游出口端一般位于近坝区的缓流水域，且诱鱼、集鱼、过坝、放流流程繁琐。鱼类产卵需要实施面向水库库区的生态调度，生态调度一般是面向坝下水域实施水文情势、水温等运行调度，营造适宜的水力生境，流水江段一般均分布于水库尾，并在水库低水位运行时向下游延伸。
因此，如何在受上下游水电梯级调蓄干扰的流水江段实施圆口铜鱼的保护，是当前需要解决的技术难题。
发明内容
针对圆口铜鱼产卵繁殖所需的流水生境要求高、保障技术难度大的特点。本发明旨在针对因水库运行调度而具有一定时空规律性呈现的流水江段，开展流水生境适宜性评估和原型观测，分析漂程的完整性和孵化时长的符合性；在圆口铜鱼集中产卵时段，基于上游来流、水库运行水位，测算出满足孵化时长的库水位变动区间，制定面向库区的生态调度方案，营造出满足圆口铜鱼产卵繁殖的水力生境条件。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其包括如下步骤：
步骤S1，确定圆口铜鱼产卵时间、孵化时长及其生产繁殖所需的水力特征参数取值范围；
步骤S2，基于现有水库调度运行方式，开展现场原型监测，基于监测结果，测算流水江段长度，估算在鱼卵自上而下的理论漂流时长，评估水力生境适宜性；
步骤S3，基于评估成果，构建数学模型，模拟分析水库运行期间，水库流水江段长度以及鱼卵在河段水体中的运移规律，基于上游不同来流和水库不同运行水位进行多工况组合，开展模拟计算，具体包括如下子步骤：
步骤S31，构建数学模型，包括水动力模型和鱼卵运动模型；
步骤S32，制定模拟计算工况M，即设置不同的上游入库流量和不同的水库运行水位，，其中/>为入库流量，/>为水库坝前水位，/>为工况编号，m个工况的个数；组合多种工况开展模拟计算，具体包括：
基于鱼卵运移模型计算结果，统计不同工况下鱼卵在水体中的连续漂流距离和时长，并构建漂流时长与连续漂流距离的函数关系，对于满足时长要求的工况，统计出计算单元的流速，形成数据集，将该流速与水动力模型结果对应，得出相应的计算工况，取计算工况外边界，得出生态调度约束条件；
步骤S4，制定生态调度方案：在圆口铜鱼集中产卵高峰时段，入库流量在步骤S3中确定的库水位变动区间，通过预泄的方式降低水位至区间，或通过提前存蓄的方式抬高水位至/>区间，/>表示水库最高运行水位，/>表示水库最低运行水位。
进一步的，水力特征参数包括圆口铜鱼产卵、孵化、形成平游能力过程需要的流速、水深、水温、湿周率、水面宽度。
进一步的，监测内容包括自水库库尾至库区流速监测、局部水域流场和地形监测。
进一步的，步骤S2的具体实现过程如下；
S21，水库库尾至库区流速监测，采用浮漂法搭载GPS进行监测，共设置左、中、右3条监测线；
S22，库区局部水域流场监测，监测方法如下：
流场测验是要测出河道各处流速流向的分布，首先根据需要在监测河段布置测验断面，测量前先用 GPS 联测测区的3个控制点，算出转换参数，以确定 GPS 跟踪坐标和河道地形图坐标的转换关系，最后在数据处理时将走航式声学多普勒流速剖面仪ADCP 测量流速、流向垂线坐标投影到河道地形图上；
S23，水下地形监测采用智能水文测验无人船实施监测，搭载ADCP和单波束测深仪；
S24，根据流水江段流速沿程分布情况以及上述流场测验结果，从流速、水深、湿周率、水面宽度方面，评估河段水力生境的适宜性，生境适宜度评价是通过求得圆口铜鱼水力生境参数不同范围内的适宜度指数，绘制圆口铜鱼的栖息地适宜度曲线，定量描述圆口铜鱼的生存质量。
进一步的，步骤S3中构建数学模型包括水动力模型和鱼卵运动模型，各模型的具体构建方式如下：
（1）水动力模型
1）连续性方程：
式中，u、v、w为x、y、z方向的流速分量，S为源项的流量；
2）动量方程：
x方向：
y方向：
z方向：
式中：x，y为水平坐标，z为垂向坐标；u、v、w分别为x，y，z方向的流速分量；t为时间；h为总水深；η为水面高程；g为重力加速度；ρ 0为水体参考密度；f为柯氏力参数；P a为当地大气压；s ij为辐射应力；v t为垂向紊动粘性系数；u s、v s为点源排入周围水域的速度；F u、F v为水平应力项，描述为：
式中A为水平涡粘系数；
水动力模型在水平方向上采用Smagorinsky紊流闭合模型，其中Smagorinsky公式如下：
式中：Δl为网格间距，C t为Smagorinsky系数；S ij为应变率：
垂向上涡粘系数v t选择k—ε双方程紊流模式计算，涡粘系数被设置为湍流动能k和耗散率ε的函数，其计算如下：
k方程：
ε方程：
式中：c μ为经验常数；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率；σ t为普朗特常数；σ k 、σ ε 、 c 1ε 、c 2ε 、c 3ε为经验常数；
（2）鱼卵运动模型
1）水平运动
在水流对流作用和紊动扩散的共同作用下，鱼卵在水体水平位置的变化采用随机游走法进行模拟；
其中，、/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒在 x-y 平面即水平面内的位置矢量；/>为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的水平速度矢量，从水动力模型计算结果中获取；/>为某随机矢量R在x-y 平面内的分量，R为由三个独立且具有零均值和单位方差的随机分量所构成的矢量；/>为鱼卵颗粒的水平紊动扩散系数，由水动力模型计算得出；
2）垂向运动
鱼卵的垂向运动受水流垂向流速、鱼卵沉降速度以及垂向紊动作用的影响，采用随机位移技术考虑垂向扩散系数梯度的影响，鱼卵垂向位置的变化由下式计算：
式中，和/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒的垂向位置坐标；t为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的沉降速度；/>为鱼卵颗粒的垂向紊动扩散系数；/>为随机矢量R 在z方向上的分量。
进一步的，步骤S32的具体实现方式如下；
S321，基于水动力模型，计算并统计不同工况下，流速大于某一阈值的江段长度，鱼类产卵场及相对适应水域流场，统计模型计算网格水平速度矢量，，/>-/>为工况/>-/>计算所得的模型计算网格水平速度矢量的集合；
S322，基于鱼卵运动模型，计算不同工况下，鱼卵连续漂流距离，剔除不满足连续漂流条件的工况；
S323，建立鱼卵连续漂流距离与连续漂流时长的函数关系如下：
式中：T为鱼卵漂流时长，单位为s；t为单位时长，单位为s；i为计算水域单元编号；n为计算水域单元总数；为鱼卵垂向位移占单位河长的比；
S324，基于步骤S323梳理出满足孵化时长的计算工况，提取满足鱼卵孵化时长要求时对应的各计算单元水平速度矢量，形成连续漂流过程中各计算单元水平速度矢量数据集，式中，/>；/>代表第1个工况计算结果中第i个计算单元的水平速度矢量，w为满足要求的工况，1≤w≤m；
S325，将数据集与S321中水动力计算结果/>对应，将与之一致的平面流速计算结果所对应的计算工况一一罗列，确定入库流量阈值区间/>和水库运行水位区间/>，其中/>表示最大入库流量，/>表示最小入库流量，/>表示水库最高运行水位，/>表示水库最低运行水位；
。
进一步的，步骤S4的具体实现方式如下；
S41，在圆口铜鱼集中产卵高峰时段，入库流量在区间时，则具备实施生态调度条件；
S42，入库流量满足条件后，在实施生态调度前，通过预泄的方式降低水位至区间，或通过提前存蓄的方式抬高水位至/>区间；
S43，基于步骤S2、S3的现场实测与模拟计算成果，选择沿程流速测验结果显示的流速骤降或相对较小区域、鱼类产卵场分布或适宜产卵水域以及凸岸水域实施跟踪监测，并实时反馈至水库调度，调整水库运行水位；或联合上游梯级水库，调整入库流量。
进一步的，生态调度持续时间大于圆口铜鱼产卵、孵化、平游完成生活史的时长。
本发明还提供一种针对圆口铜鱼的生态调度装置，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述方案所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法。
本发明的优点为在圆口铜鱼集中产卵时段，在平衡好生态调度与防洪、发电等功能发挥的前提下，通过生态调度的方式，在满足鱼类产卵孵化基本漂程的基础上，考虑鱼卵孵化时长的要求并予以足够的延长，进一步提升了圆口铜鱼完成生活史的条件与可能。
附图说明
图1为本发明实施例流程图；
图2为流场监测断面布置示意图，其中流速变化梯度大的位置按20m的间隔走航监测，流速变化梯度小的位置按50m的间隔走航监测；
图3为XXX库区江段流速测验成果图；
图4为XXX库区典型江段流场测验成果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
步骤S1，确定圆口铜鱼产卵时间、孵化时长及其生产繁殖所需的水力特征；
步骤S2，基于现有水库调度运行方式，开展现场原型观测，监测漂程的连续性，计算孵化时长的满足程度，评估水力生境适宜性；
步骤S3，基于监测评估成果，构建数学模型，分析在圆口铜鱼集中产卵时段5～7月，不同库水位条件下流水江段长度以及漂流孵化时长的变化，建立鱼卵连续漂流距离与漂流时长的函数关系，找寻同时满足漂程和孵化时长要求的库水位变动区间；
步骤S4，制定生态调度方案。
上述步骤S1中，目的在于基于已有的、成熟的研究成果，依托实际的早期资源调查成果，进一步明确圆口铜鱼产卵时间和孵化时长，并给出其产卵、孵化、形成平游能力过程需要的流速、水深、水温、湿周率、水面宽度等水力特征参数取值范围。
上述步骤S2中，在水库常规的调度运行期间，在鱼类集中产卵繁殖的5-7月，开展现场原型监测。监测内容包括自水库库尾至库区流速监测、部分水域流场和地形监测；基于监测结果，测算流水江段长度，估算在鱼卵自上而下的理论漂流时长，评估河段的水力生境适宜性。
上述步骤S2中，各项内容分述如下：
S21，水库库尾至库区流速监测，采用浮漂法搭载GPS进行监测，共设置左、中、右3条监测线，水面较宽处可适当加密。
S22，库区局部水域流场监测，监测方法表述如下：
流场测验是要测出河道各处流速流向的分布，可根据需要在监测河段布置测验断面，测量前先用 GPS 联测测区的3个控制点，算出转换参数，以确定 GPS 跟踪坐标和河道地形图坐标的转换关系，最后在数据处理时把 ADCP （走航式声学多普勒流速剖面仪）测量流速、流向垂线坐标投影到河道地形图上。本发明实施例拟采用图2所示的横渡法对监测水域进行测量，每条测线间距20m，采用无人船或者搭载动力船以左岸端点为起点，沿测线间距15-20米布设一个采集点，每个点采集30组数据。
监测水域选择沿程流速测验结果显示的流速骤降或相对较小区域、鱼类产卵场分布或适宜产卵水域以及凸岸水域。
S23，水下地形监测采用智能水文测验无人船实施监测，搭载ADCP和单波束测深仪；在部分水流较急或水域面积较宽水域，可搭载动力船实施监测。
S24，本发明所指流水江段为流速大于产漂流性卵鱼类受精卵顺水漂流孵化不至于下沉的临界流速的河段长度。该临界流速一般规定为0.2m/s。基于上述步骤，统计流速连续大于0.2m/s的河段长度，即为流水江段长度。
S25，根据流水江段流速沿程分布情况以及上述流场测验结果，从流速、水深、湿周率、水面宽度等方面，评估河段水力生境的适宜性。生境适宜度评价是通过求得圆口铜鱼水力生境参数不同范围内的适宜度指数，绘制圆口铜鱼的栖息地适宜度曲线，定量描述圆口铜鱼的生存质量。参照现有圆口铜鱼生境适宜度曲线，从水温、流速、水深等方面开展适宜性评估。
上述步骤S3中，目的在于通过构建数学模型，模拟分析水库在5-7月运行期间，水库流水江段长度以及鱼卵在河段水体中的运移规律。拟基于上游不同来流和水库不同运行水位进行多工况组合，开展模拟计算。基于鱼卵运移模型计算结果，统计不同工况下鱼卵在水体中的连续漂流距离和时长，并构建漂流时长与连续漂流距离的函数关系，对于满足时长要求的工况，统计出计算单元的流速，形成数据集，将该流速与水动力模型结果对应，得出相应的计算工况，取计算工况外边界，得出生态调度约束条件。具体步骤分数如下：
步骤S31，数学模型包括水动力模型和鱼卵运动模型，具体构建原理如下：
圆口铜鱼为产漂流性卵鱼类，鱼卵在水体中的迁移扩散，沿水流方向可达数十甚至数百公里，沿宽度方向也会达到几十米甚至数百米，沿深度方向也有几米甚至数十米的扩散范围。因此，考虑鱼卵迁移扩散的特征，本发明构建三维数值模型。
（1）水动力模型
1）连续性方程：
式中，u、v、w为x、y、z方向的流速分量，S为源项的流量。
2）动量方程：
x方向：
y方向：
z方向：
式中：x，y为水平坐标，z为垂向坐标；u、v、w分别为x，y，z方向的流速分量；t为时间；h为总水深；η为水面高程；g为重力加速度；ρ 0为水体参考密度；f为柯氏力参数；P a为当地大气压，取0.1Mpa；s ij为辐射应力；v t为垂向紊动粘性系数；u s、v s为点源排入周围水域的速度；F u、F v为水平应力项，可描述为:
式中A为水平涡粘系数。
模型在水平方向上采用Smagorinsky紊流闭合模型，其中Smagorinsky公式如下：
式中：Δl为网格间距，C t为Smagorinsky系数，取值在0.25～1.0之间；S ij为应变率：
模型垂向上涡粘系数v t有四种方式设定，其中包括无漩涡、定常涡粘值、对数定律公式、k—ε公式。本次研究选择k—ε双方程紊流模式计算涡粘系数，涡粘系数被设置为湍流动能k和耗散率ε的函数，其计算如下：
k方程：
ε方程：
式中：c μ为经验常数，取值为0.09；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率；σ t为普朗特常数；σ k 、σ ε 、c 1ε 、c 2ε 、c 3ε为经验常数，模型中分别取值为1.0、1.3、1.44、1.92、0。
（2）鱼卵运动模型
1）水平运动
在水流对流作用和紊动扩散的共同作用下，鱼卵在水体水平位置的变化可以采用随机游走法进行模拟。
其中，、/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒在 x-y 平面即水平面内的位置矢量；/>为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的水平速度矢量，从水动力模型计算结果中获取；/>为某随机矢量R在x-y 平面内的分量，R为由三个独立且具有零均值和单位方差的随机分量所构成的矢量；/>为鱼卵颗粒的水平紊动扩散系数，由水动力模型计算得出；
2）垂向运动
鱼卵在水体中维持悬浮状态至关重要。鱼卵的垂向运动受水流垂向流速、鱼卵沉降速度以及垂向紊动作用的影响，采用随机位移技术考虑垂向扩散系数梯度的影响，鱼卵垂向位置的变化可由下式计算：
式中，和/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒的垂向位置坐标（向上为正）；t为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的沉降速度；/>为鱼卵颗粒的垂向紊动扩散系数；/>为随机矢量R 在z方向上的分量。
步骤S32，制定模拟计算工况，即设置不同的上游入库流量和不同的水库运行水位，，其中/>为入库流量，单位为m3/s；为水库坝前水位，单位为m；/>为工况编号，共计m个工况。
组合多种工况开展模拟计算：
S321，基于水动力模型，计算并统计不同工况下，流速大于0.2m/s江段长度，鱼类产卵场及相对适应水域流场；统计模型计算网格水平速度矢量，，/>为工况/>计算所得的模型计算网格水平速度矢量的集合，其余符号意义与之相同。
S322，理论上河流流速＞0.2m/s满足鱼卵漂流的基本流速条件，但实际情况下是否满足圆口铜鱼卵的漂浮条件，需要进一步论证。因此本发明基于鱼卵运动模型，计算不同工况下，鱼卵连续漂流距离，剔除不满足连续漂流条件的工况。
S323，鱼卵运动模型的计算结果重在展示鱼卵在水体中连续漂流的距离，而漂流时间，则需要基于S321、S322计算结果进行测算。因此，建立鱼卵连续漂流距离与连续漂流时长的函数关系如下：
式中：T为鱼卵漂流时长，单位为s；t为单位时长，单位为s；i为计算水域单元编号；n为计算水域单元总数；为鱼卵垂向位移占单位河长的比；若/> 0.1，则近似取值为零，若0.1＜/>＜1，则按实际计算值取值；其余符号同前。
S324，基于步骤S323梳理出满足孵化时长的计算工况，提取满足鱼卵孵化时长要求时对应的各计算单元水平速度矢量，形成连续漂流过程中各计算单元水平速度矢量数据集，式中，/>，其他符号与之类似，表示对应工况编号计算所得的各计算单元水平速度矢量集合，/>代表第1个工况计算结果中第i个计算单元的水平速度矢量，w为满足要求的工况，1≤w≤m。
S325，将数据集与S321水动力计算结果/>对应，将与之一致的平面流速计算结果所对应的计算工况一一罗列，确定入库流量阈值区间/>和水库运行水位区间，其中/>表示最大入库流量，/>表示最小入库流量，/>表示水库最高运行水位，/>表示水库最低运行水位。
上述步骤S4中，基于步骤S324中确定的水位、流量成果，结合拟实施生态调度的流水江段上下游水库的工程任务，制定生态调度方案。
S41，在圆口铜鱼集中产卵高峰时段，入库流量在S324中确定的区间时，则具备实施生态调度条件。
S42，入库流量满足条件后，在实施生态调度前，通过预泄的方式降低水位至区间，或通过提前存蓄的方式抬高水位至/>区间。
S43，基于S2、S3步骤的现场实测与模拟计算成果，选择沿程流速测验结果显示的流速骤降或相对较小区域、鱼类产卵场分布或适宜产卵水域以及凸岸水域实施跟踪监测，并实时反馈至水库调度，调整水库运行水位；或联合上游梯级水库，调整入库流量。
S44，生态调度持续时间应大于圆口铜鱼产卵、孵化、平游等完成生活史的时长。
本发明实施例还提供一种针对圆口铜鱼的生态调度装置，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述方案所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法。
下面以XX江下游XXX水库XXX段为例，对圆口铜鱼的生态调度方案进行说明。
S1，收集资料，明确圆口铜鱼栖息生境适宜的水力参数。在XX江下游XXX水库XXX库段，圆口铜鱼鱼卵孵化时长约40～50小时，幼鱼栖息的最适水温范围为19.8～25.4 ℃, 最适水深为0.4～3.95 m, 最适流速为0.1～0.7 m/s。XXX水库正常蓄水位975m，死水位945m，汛限水位952m。水库自5月底、6月初开始逐步消落，至6月底消落至汛限水位952m，7月维持952m水位运行，8月上旬水库开始逐步蓄水，至8月底、9月初库水位逐步蓄至正常蓄水位975m，并尽量维持高水位运行至次年5月中下旬。
S2，基于现有水库调度运行方式，开展现场原型观测。沿程流速监测结果如图3所示。自XXX水库尾延伸至库区，近岸（距离岸边约50m）流速均大于0.2m/s的连续江段达到116km，流速达到1.3m/s的江段长度为93km。拟实施生态调度江段位于XXX库区，且河段流量均在900m3/s以上，江段平均水深均在3m以上。此外，基于XXX库区变动回水区局部水域流场测验成果，水库高水位运行期间，河道中泓流速达1.5m/s，岸边流速可达0.8m/s，详见图4，初评具备为圆口铜鱼提供产卵繁殖生境条件提供流水生境条件的江段。
S3，基于上述构建的模型，计算得到不同月份流水江段长度详见表1。圆口铜鱼集中产卵时段5～7月时段，在XXX水库按设计工况运行的情况下，流水江段长度可达89.5～118.5km。鱼卵运移模型计算结果显示，鱼卵漂流的速度略小于水流速度，但相差不大，基本与实测的流速相当。据统计鱼卵漂流时长在25～45小时，与圆口铜鱼产卵孵化时长要求略有差异，需要优化水库调度运行方式，实施面向库区的生态调度。
表1 XXX水库库区连续流水江段长度及鱼卵漂流时间统计
S4：基于上述计算结果，参照平水年6月的流量（4600m3/s）及水位（963m）按S324中确定的流水江段长度与孵化时长的函数关系，得到在6月中旬水库入库流量在4000-4800m3/s，库水位在960-965m区间，基本可满足漂流时长的要求；在6月下旬，水库入库流量在4500-5300 m3/s，库水位在958-962m区间，基本可满足漂流时长的要求。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换和变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，确定圆口铜鱼产卵时间、孵化时长及其生产繁殖所需的水力特征参数取值范围；
步骤S2，基于现有水库调度运行方式，开展现场原型监测，基于监测结果，测算流水江段长度，估算在鱼卵自上而下的理论漂流时长，评估水力生境适宜性；
步骤S3，基于评估成果，构建数学模型，模拟分析水库运行期间，水库流水江段长度以及鱼卵在河段水体中的运移规律，基于上游不同来流和水库不同运行水位进行多工况组合，开展模拟计算，具体包括如下子步骤：
步骤S31，构建数学模型，包括水动力模型和鱼卵运动模型；
步骤S32，制定模拟计算工况M，即设置不同的上游入库流量和不同的水库运行水位，，其中/>为入库流量，/>为水库坝前水位，/>为工况编号，m个工况的个数；组合多种工况开展模拟计算，具体包括：
基于鱼卵运移模型计算结果，统计不同工况下鱼卵在水体中的连续漂流距离和时长，并构建漂流时长与连续漂流距离的函数关系，对于满足时长要求的工况，统计出计算单元的流速，形成数据集，将该流速与水动力模型结果对应，得出相应的计算工况，取计算工况外边界，得出生态调度约束条件；
步骤S32的具体实现方式如下；
S321，基于水动力模型，计算并统计不同工况下，流速大于某一阈值的江段长度，鱼类产卵场及相对适应水域流场，统计模型计算网格水平速度矢量，，/>-为工况/>-/>计算所得的模型计算网格水平速度矢量的集合；
S322，基于鱼卵运动模型，计算不同工况下，鱼卵连续漂流距离，剔除不满足连续漂流条件的工况；
S323，建立鱼卵连续漂流距离与连续漂流时长的函数关系如下：
式中：T为鱼卵漂流时长，单位为s； t为单位时长，单位为s；i为计算水域单元编号；n为计算水域单元总数；为鱼卵垂向位移占单位河长的比，/>、/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒在 x-y 平面即水平面内的位置矢量；
S324，基于步骤S323梳理出满足孵化时长的计算工况，提取满足鱼卵孵化时长要求时对应的各计算单元水平速度矢量，形成连续漂流过程中各计算单元水平速度矢量数据集，式中，/>；/>代表第1个工况计算结果中第i个计算单元的水平速度矢量，w为满足要求的工况，1≤w≤m；
S325，将数据集与S321中水动力计算结果/>对应，将与之一致的平面流速计算结果所对应的计算工况一一罗列，确定入库流量阈值区间/>和水库运行水位区间，其中/>表示最大入库流量，/>表示最小入库流量，/>表示水库最高运行水位，/>表示水库最低运行水位；
步骤S4，制定生态调度方案：在圆口铜鱼集中产卵高峰时段，入库流量在步骤S3中确定的库水位变动区间，通过预泄的方式降低水位至区间，或通过提前存蓄的方式抬高水位至/>区间，/>表示水库最高运行水位，/>表示水库最低运行水位。
2.如权利要求1所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于：水力特征参数包括圆口铜鱼产卵、孵化、形成平游能力过程需要的流速、水深、水温、湿周率、水面宽度。
3.如权利要求1所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于：监测内容包括自水库库尾至库区流速监测、局部水域流场和地形监测。
4.如权利要求3所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于：步骤S2的具体实现过程如下；
S21，水库库尾至库区流速监测，采用浮漂法搭载GPS进行监测，共设置左、中、右3条监测线；
S22，库区局部水域流场监测，监测方法如下：
流场测验是要测出河道各处流速流向的分布，首先根据需要在监测河段布置测验断面，测量前先用 GPS 联测测区的3个控制点，算出转换参数，以确定 GPS 跟踪坐标和河道地形图坐标的转换关系，最后在数据处理时将走航式声学多普勒流速剖面仪ADCP 测量流速、流向垂线坐标投影到河道地形图上；
S23，水下地形监测采用智能水文测验无人船实施监测，搭载ADCP和单波束测深仪；
S24，根据流水江段流速沿程分布情况以及上述流场测验结果，从流速、水深、湿周率、水面宽度方面，评估河段水力生境的适宜性，生境适宜度评价是通过求得圆口铜鱼水力生境参数不同范围内的适宜度指数，绘制圆口铜鱼的栖息地适宜度曲线，定量描述圆口铜鱼的生存质量。
5.如权利要求1所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于：步骤S3中构建数学模型包括水动力模型和鱼卵运动模型，各模型的具体构建方式如下：
（1）水动力模型
1）连续性方程：
式中，u、v、w为x、y、z方向的流速分量，S为源项的流量；
2）动量方程：
x方向：
y方向：
z方向：
式中：x，y为水平坐标，z为垂向坐标；u、v、w分别为x，y，z方向的流速分量；t为时间；h为总水深；η为水面高程；g为重力加速度；ρ 0为水体参考密度；f为柯氏力参数；P a为当地大气压；s ij为辐射应力；v t为垂向紊动粘性系数；u s、v s为点源排入周围水域的速度；F u、F v为水平应力项，描述为：
式中A为水平涡粘系数；
水动力模型在水平方向上采用Smagorinsky紊流闭合模型，其中Smagorinsky公式如下：
式中：Δl为网格间距，C t为Smagorinsky系数；S ij为应变率：
垂向上涡粘系数v t选择k—ε双方程紊流模式计算，涡粘系数被设置为湍流动能k和耗散率ε的函数，其计算如下：
k方程：
ε方程：
式中：c μ为经验常数；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率；σ t为普朗特常数；σ k 、σ ε 、c 1ε 、 c 2ε 、c 3ε为经验常数；
（2）鱼卵运动模型
1）水平运动
在水流对流作用和紊动扩散的共同作用下，鱼卵在水体水平位置的变化采用随机游走法进行模拟；
其中，、/>分别为t和/>时刻鱼卵颗粒在 x-y 平面即水平面内的位置矢量；为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的水平速度矢量，从水动力模型计算结果中获取；为某随机矢量R在x-y 平面内的分量，R为由三个独立且具有零均值和单位方差的随机分量所构成的矢量；/>为鱼卵颗粒的水平紊动扩散系数，由水动力模型计算得出；
2）垂向运动
鱼卵的垂向运动受水流垂向流速、鱼卵沉降速度以及垂向紊动作用的影响，采用随机位移技术考虑垂向扩散系数梯度的影响，鱼卵垂向位置的变化由下式计算：
式中，和/>分别为 t和/>时刻鱼卵颗粒的垂向位置坐标；t为拉格朗日时间步长；/>为鱼卵颗粒的沉降速度；/>为鱼卵颗粒的垂向紊动扩散系数；/>为随机矢量R 在z方向上的分量。
6.如权利要求1所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于，步骤S4的具体实现方式如下；
S41，在圆口铜鱼集中产卵高峰时段，入库流量在区间时，则具备实施生态调度条件；
S42，入库流量满足条件后，在实施生态调度前，通过预泄的方式降低水位至区间，或通过提前存蓄的方式抬高水位至/>区间；
S43，基于步骤S2、S3的现场实测与模拟计算成果，选择沿程流速测验结果显示的流速骤降或相对较小区域、鱼类产卵场分布或适宜产卵水域以及凸岸水域实施跟踪监测，并实时反馈至水库调度，调整水库运行水位；或联合上游梯级水库，调整入库流量。
7.如权利要求1所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法，其特征在于：生态调度持续时间大于圆口铜鱼产卵、孵化、平游完成生活史的时长。
8.一种针对圆口铜鱼的生态调度装置，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至7中任一项权利要求所述的一种针对圆口铜鱼的生态调度方法。
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Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006284434A (ja) * | 2005-04-01 | 2006-10-19 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 流速観測システムおよび漂流ブイ |
| CN107273645A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-10-20 | 中国水利水电科学研究院 | 一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法 |
| CN109271694A (zh) * | 2018-09-06 | 2019-01-25 | 西安理工大学 | 基于鱼类个体动态模拟技术的栖息地识别方法 |
| CN109447848A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-08 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统 |
| CN109815608A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 湖北省水利水电规划勘测设计院 | 一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法 |
| CN109883405A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种推求江河产漂流性卵鱼类的产卵场位置的方法 |
| CN110135069A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备 |
| CN111802287A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-23 | 重庆交通大学 | 基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法 |
| AU2020103130A4 (en) * | 2020-10-30 | 2021-01-07 | Xi’an University of Technology | Habitat Identification Method Based on Fish Individual Dynamic Simulation Technology |
| WO2021129039A1 (zh) * | 2019-12-25 | 2021-07-01 | 华中科技大学 | 一种跨水库流域河道径流演算方法和系统 |
| CN113111956A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-13 | 东莞理工学院 | 一种精确定位鱼类产卵场位置的方法 |
| CN114819753A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-07-29 | 长江水利委员会水文局 | 一种促进鱼类产卵的梯级水库生态调度方法 |
| WO2022170901A1 (zh) * | 2021-09-23 | 2022-08-18 | 西安理工大学 | 一种鱼类偏好栖息地的确定方法及终端设备 |
| CN115034113A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-09 | 西安理工大学 | 一种鱼道休息池结构确定方法及系统 |
| CN116149187A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-23 | 长江水资源保护科学研究所 | 一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法 |
| CN116542459A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 四川大学 | 一种面向变动回水区鱼类产卵场生境重塑的生态调度方法 |
| CN116739206A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-09-12 | 中国水产科学研究院珠江水产研究所 | 一种基于河流地形因子评估鱼类栖息地适宜性方法 |
| CN117252121A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-19 | 中国水利水电科学研究院 | 一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法 |
-
2024
- 2024-03-14 CN CN202410291673.0A patent/CN117892980B/zh active Active
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006284434A (ja) * | 2005-04-01 | 2006-10-19 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 流速観測システムおよび漂流ブイ |
| CN107273645A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-10-20 | 中国水利水电科学研究院 | 一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法 |
| CN109271694A (zh) * | 2018-09-06 | 2019-01-25 | 西安理工大学 | 基于鱼类个体动态模拟技术的栖息地识别方法 |
| CN109447848A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-08 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 适用于产漂流性卵鱼类的梯级电站生态调度系统 |
| CN109815608A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 湖北省水利水电规划勘测设计院 | 一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法 |
| CN109883405A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种推求江河产漂流性卵鱼类的产卵场位置的方法 |
| CN110135069A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备 |
| WO2021129039A1 (zh) * | 2019-12-25 | 2021-07-01 | 华中科技大学 | 一种跨水库流域河道径流演算方法和系统 |
| CN111802287A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-23 | 重庆交通大学 | 基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法 |
| AU2020103130A4 (en) * | 2020-10-30 | 2021-01-07 | Xi’an University of Technology | Habitat Identification Method Based on Fish Individual Dynamic Simulation Technology |
| CN113111956A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-13 | 东莞理工学院 | 一种精确定位鱼类产卵场位置的方法 |
| WO2022170901A1 (zh) * | 2021-09-23 | 2022-08-18 | 西安理工大学 | 一种鱼类偏好栖息地的确定方法及终端设备 |
| CN114819753A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-07-29 | 长江水利委员会水文局 | 一种促进鱼类产卵的梯级水库生态调度方法 |
| CN115034113A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-09 | 西安理工大学 | 一种鱼道休息池结构确定方法及系统 |
| CN116149187A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-23 | 长江水资源保护科学研究所 | 一种用于水库库尾鱼类栖息地生境保护的生态调度方法 |
| CN116542459A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 四川大学 | 一种面向变动回水区鱼类产卵场生境重塑的生态调度方法 |
| CN116739206A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-09-12 | 中国水产科学研究院珠江水产研究所 | 一种基于河流地形因子评估鱼类栖息地适宜性方法 |
| CN117252121A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-19 | 中国水利水电科学研究院 | 一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| Inter-annual and inter-specific differences in the drift of fish eggs and yolksac larvae in the North Sea: A biophysical modeling approach;Peck, M.A.;《Scientia Marina》;20091026;1-14 * |
| Use of artificial eggs in studies of washout depth and drift distance for salmonid eggs;D. T. Crisp;《Springer》;19890731;第178卷;155–163 * |
| 基于Euler-Lagrange方法的漂流性鱼卵生态需水量数值研究;赵琴;李嘉;王锐;黄辉;;四川大学学报(工程科学版);20101120(06);1-8 * |
| 基于个体的东海鲐鱼生长初期生态模型的构建;李曰嵩;陈新军;杨红;;应用生态学报;20120615(06);1-5 * |
| 基于随机游动模型的北部湾水体动力特征解析;王丽娜;《中国优秀硕士论文电子期刊网基础科学辑》;20140831;1-108 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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