高强度人类活动影响下珠江水库生态调度方法研究

Large-scale construction of reservoirs in China could change the structure of river ecosystem, and consequently change the requirement of environmental flows (e-flows). The present ecofriendly reservoir operation methods mainly focus on the rivers with natural or low alteration of flow regime. They usually restore the ‘historical’ flow regime rather than ‘natural’ flow regime to protect the river ecosystem in ecofriendly reservoir operation. However, the ‘historical’ flow regime cannot satisfy the requirement of ecosystem of an actual river, which has been greatly changed by human activities. This project focuses on the imbalance of river ecosystem requirement and flow regime. It uses the biotic community of ecosystem as the study unit and follows the thread of ‘succession characteristics analysis—e-flow requirement determination—operating rule development’. Firstly, we analyze the degree of the succession and the spatial and temple variations of biotic community. Then, based on the consideration of ecological succession induced by human activities, we construct a new e-flow method rooted in coordination of flow regime and evolution of biotic community under the impact of human activities. At last, targeting for the maintenance of the health and resilience of biotic community, new reservoir operating rules are developed to address the imbalance between flow regime and ecosystem requirement based on the established model. The project use the key reservoirs of the Pearl River as case study, and the final results could directly meet the actual need of our country.

我国大规模的水利工程建设会影响水生态系统结构，改变河流生态需水。现有水库生态调度方法主要面向于自然或人工化程度低的河流系统，以历史条件下的生态系统稳态为基准，未考虑高强度人类活动影响下生态系统需水规律改变的问题，不利于人类和生态需求协调。本项目选择生态系统中的生物群落为研究单元，针对水利工程开发造成的河流生态系统稳态转换、生态需水规律改变问题，以“演替规律分析—稳态需水计算—调度规则构建”为思路，分析河流生物群落时空变化规律及生态演替发展方向；考虑高强度人类活动诱导的生态演替，构建基于生态系统平衡稳态的生态需水计算方法，改进以往方法以历史稳态为基准的问题；以生态系统的平衡稳态和弹性恢复力的维持为调度目标，结合构建的水量-生态关系模型，分流量时期建立协调生态保护和经济发展的水库生态调度规则。本项目以高强度人类活动的珠江流域骨干水库为案例，项目成果可直接服务于我国实际需求。

我国大规模的水利工程建设会影响水生态系统结构，改变河流生态需水。现有水库生态调度方法主要面向于自然或人工化程度低的河流系统，以历史条件下的生态系统稳态为基准，未考虑高强度人类活动影响下生态系统需水规律改变的问题，不利于人类和生态需求协调。基于此，选取水生生物栖息地中敏感而重要的场所产卵场作为研究对象，以西江段典型产卵场——东塔和三角鲂为研究区，在历史资料及调查基础上，应用多普勒流速剖面测量、水动力模拟、流量情势分析、水质模拟、数理统计和数据挖掘等多种手段，开展产卵场的水动力、流量情势、及水质特征分析，在面向产卵场功能维持的基础上确定生态需水阈值，并开发有针对性的生态需水调控方案，为鱼类资源保护提供理论基础和技术支持。本研究主要结果如下：.（1）产卵场水动力模拟。使用River2D模型模拟产卵场在家鱼繁殖期间主要流量范围内的流场特征，分析流速、水深、傅汝德数三个水动力指标随流量的变化情况。在此基础上，针对流速、水深、傅汝德数三个水动力特征指标进行适宜性分析、构建适宜度曲线，并得出产卵场的适宜流速为0.99-1.33m/s、适宜水位为4-8m、适宜傅汝德数范围是0.171-0.191。.（2）产卵场流量情势改变程度分析。首先，对于指标层面的改变程度分析，本研究选取32项常用的生态水文指标来表征产卵场的流量情势；然后，利用Mann-Kendall方法对IHA进行趋势分析和突变检验；最后应用两种RVA对两个产卵场所在江段的总体水文情势改变程度进行计算。结果表明两个产卵场的指标改变程度都较高。.（3）面向产卵场功能维持的生态需水阈值计算。栖息地模拟法结果显示，东塔产卵场拐点流量为12500m3/s（WUA值为8.01km2），确定东塔场产卵适宜生态需水峰值为12500m3/s；三角鲂产卵场拐点流量为13700m3/s（WUA值为6.41km2），确定三角鲂产卵场适宜生态需水峰值为13700m3/s。.（4）面向产卵场功能维持的水库生态调度研究。基于分析得到的不同产卵场生态需水阈值，选取关键流量指标，设计三种不同的生态需水下泄情景。然后基于噪声遗传算法及水库调度图法对水库调度方案进行优化。不同流量情景、不同调度目标下的水库生态需水保证率对比结果显示，只有在情景1调度模式下，产卵场的生态需水保证率能超过90%。