一种面向鱼类生境保护的河流生态流量过程推求方法与流程

本发明涉及水利技术领域，尤其涉及一种面向鱼类生境保护的河流生态流量过程推求方法。

背景技术：

世界上50％的可利用水资源已被人类开发，到2025年可能会增加至70％。拦河闸坝是人类开发利用河流水资源的重要方式之一。目前，我国过闸流量1m³/s以上的水闸有268476座，已建库容10万m³以上的水库高达98002座。闸坝建设人为改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学行为(生源要素输送通量、赋存形态、组成比例等)，改变河流生态系统的物种构成、栖息地分布以及相应的生态功能，进而造成河流生态系统退化。随着闸坝建成后生态累积效应日益凸显，如何减缓闸坝运行对河流生态环境的负面效应已经成为水资源开发利用中迫切需要解决的问题。

生态流量是保证河流生态功能的最基本要素，是实现河流生态友好调度及水资源可持续开发利用的基础。但是生态流量作为生态修复的重要手段还处于初步研究阶段，推求方法多采用水文法或水力学法，以河流生态系统需求为基础的生态流量推求方法相对较少，尤其在完整水文年内生态流量过程的推求尚缺乏较为完善的计算方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种面向鱼类生境需求的河流生态流量过程推求方法，为水库面向生态友好调度提供约束条件，并为流域水资源分配及管理提供切实可靠的依据。

技术方案：本发明所述的面向鱼类生境需求的河流生态流量过程推求方法，包括：

(1)对研究区域鱼类资源现状进行调查，确定生态流量推求的目标鱼类；

(2)筛选关键水环境因子，并利用胁迫实验建立目标鱼类不同生命阶段与关键水环境因子间的响应关系；

(3)根据研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据建立水动力水环境模型，并结合目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立鱼类栖息地模型；

(4)建立鱼类栖息地评价体系，对鱼类栖息地模型的模拟结果进行评价，并构建评价指标与流量的动态响应关系；

(5)确定平原河流生态流量计算的参照体系，并依照该参照体系，综合考虑鱼类不同生命阶段的生境需求及天然径流的季节变化，推求河流完整水文年生态流量过程。

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，确定河流生态流量推求备选鱼类，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)目标鱼类筛选：分析鱼类生物学特性，筛选对水环境要求具有代表性的鱼类作为目标鱼类。

进一步的，所述步骤(2)具体包括：

(2-1)关键水环境因子筛选：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的关键水环境因子；

(2-2)响应关系曲线建立：将鱼类生命阶段分为为产卵期、捕食期及越冬期，利用胁迫实验建立目标鱼类不同生命阶段对关键水环境因子的定量响应关系。

进一步的，所述步骤(3)具体包括：

(3-1)水动力水环境模型建立：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，建立的水动力水环境模型的控制方程为：

式中，qa为流量，单位m³/s；t表示时间，单位为s；h为水位，单位m；h为水深，单位m，u,v为x,y方向上的速度，单位m/s；p为大气压强，单位n/m²；ρ0为水体密度，值为1025kg/m³；ν为水平粘性系数，单位m²/s；f为科氏力系数；τx,τy为底部剪应力，单位n/m；c为物质浓度，单位kg/m³；dx,dy为x,y方向扩散系数，单位m²/s；s为源汇项；fr(c,t)为反应项；

(3-2)鱼类栖息地模型建立：将目标鱼类不同生命阶段对关键水环境因子的响应关系和水动力水环境模型做为输入参数，采用模糊数学原理建立鱼类栖息地模型。

进一步的，所述步骤(4)具体包括：

(4-1)鱼类栖息地评价体系建立：采用水力栖息地适应性指数ihhs和栖息地连通性指数hci作为鱼类栖息地的评价指标；其中：

水力栖息地适应性指数ihhs的计算公式为：

式中，ai表示对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，单位为m²；hsii为网格计算单元i的栖息地适应性指数，n为网格计算单元数量。

栖息地连通指数hci的计算公式为：式中，ai表示对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，单位为m²；hsii为网格计算单元i的栖息地适应性指数，n为网格计算单元数量。

栖息地连通指数hci的计算公式为：

其式中，m为连通性系数；mdpi为斑块i与其他斑块间最短距离，单位为m；，定义为适应性大于一定阈值(hsi≥hsicut)且面积大于一定阈值(p≥pcut)的栖息地斑块为有效斑块pe，单位m²，ne为有效斑块个数，n为网格计算单元数量；

(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动态响应曲线。

(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动态响应曲线。

进一步的，所述步骤(5)具体包括：

(5-1)参照体系及鱼类生境需求确定：构建流量与ihhs和hci的三维曲面，并选择三维曲面中的最优点相应的栖息地面积作为参照体系，并根据鱼类生物学特性将目标鱼类的产卵期、捕食期及越冬期与水文年的月份对应，且在一个水文年份中，产卵期优先考虑产卵场的需求，其次考虑索饵场；越冬期同时考虑越冬场及索饵场需求；其他时段考率满足鱼类基本生存条件的需求；

(5-2)河流生态流量过程计算：首先计算参照体系下的有效栖息地面积，使用有效栖息地面积恢复比例为指标，确定鱼类栖息地恢复的目标，其次采用建立的栖息地模型反算不同恢复目标对应的流量，并进行栖息地评价，从中选择合适的流量值，最后根据时间尺度和鱼类生活史，确定完整水文年内的流量过程。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)针对以往生态流量采用单一流量的不足，提出加入季节性变化及鱼类生活史影响因素，确定河流生态流量过程，比以往单一静态的生态流量更具生态价值。

(2)本发明提供的生态流量过程推求方法具有普适性，可以用于河道内其他生物的生态流量推求，将各典型物种的生态流量过程进行集合运算，生成包络线即可视为河流生物的综合生态流量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是目标鱼类对关键环境因子的定量响应关系示意图；

图3是某河流鱼类栖息地模拟结果与历史资料验证示意图；

图4是某河流鱼类栖息地评价指数--流量动态响应关系示意图；

图5是某河流流量—连续性—适应性曲面示意图；

图6是某河流面向鱼类生境保护的生态流量过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的面向河流生境保护的生态流量过程推求方法，包括以下步骤：

(1)对研究区域鱼类资源现状进行调查，确定生态流量推求的目标鱼类。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，确定河流生态流量推求备选鱼类，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)目标鱼类筛选：分析鱼类生物学特性，筛选对水环境要求具有代表性的鱼类作为目标鱼类。分析组成鱼群个体的年龄、体长、体重、摄食营养、繁殖、洄游分布规律等指标，依据鱼类生物学特性了解鱼类与水环境因子间的响应关系，筛选目标物种。

鱼类资源调查原则上要采集调查水域的全部种类。在每个采集点使用撒网、刺网、地笼等工具捕捞小型鱼类，并联系当地渔民出河捕捞；收集周围农贸市场中当地渔民捕获的野杂鱼类；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。同时收集历史鱼类资源调查数据，最终结合鱼类生物学特性，筛选确定目标鱼类。通过以上方法，本实施例选择光倒刺鲃作为目标鱼类。

(2)筛选关键水环境因子，并利用胁迫实验建立目标鱼类不同生命阶段与关键水环境因子间的响应关系。具体包括：

(2-1)目标鱼类生物学特性研究：了解目标鱼类生命周期及生长规律，调查其产卵场、越冬场及幼鱼育肥场的水域分布位置、面积范围大小、洄游规律等，记录上述场所的水位、水深、温度、透明度、含氧量、流速及底质等环境条件，筛选关键水环境因子，为初步建立环境因子与目标鱼类的响应关系及栖息地模型验证提供数据支持。

确定目标种类后，针对光倒刺鲃的生物习性及产卵场和越冬场进行了调查，光倒刺鲃是一种重要的名优经济鱼类，一般栖息于底质多乱石而水流较湍急的江河中的中下层，其生长环境要求水质清新，最适生长温度为18～28℃。光倒刺鲃性成熟年龄为2.5～3年，每年4～5月间在水流缓慢、水草较多处产粘性卵。调查显示研究区段存在三个传统的光倒刺鲃产卵场。结合目标鱼类的生物特性及调查数据，选取溶氧、水温、流速及水深作为栖息地模型的关键环境因子。

(2-2)响应关系曲线建立：目标鱼类对关键水环境因子的定量响应关系的建立通过实验室水槽实验获得。实验通过观测目标鱼类的出现频率和关键环境因子，建立目标鱼类不同生命阶段对环境因子的定量响应关系。

确定研究物种及生理生态参数大概范围后，为进一步确定物种与水环境因子间的响应关系，在实验室中进行鱼类生长实验及相关环境因子胁迫。实验根据光倒刺鲃生活史分别建立其不同生命阶段(产卵期、捕食期及越冬期)对关键生境因子(溶氧、水温、流速、水深)的定量响应曲线(图2)。

(3)根据研究区域的水文、水质、地形及气象基础数据建立水动力水环境模型，并结合目标鱼类对关键生境因子的定量响应关系曲线，采用模糊数学原理建立鱼类栖息地模型。具体包括：

(3-1)水动力水环境模型建立：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，建立的水动力水环境模型的控制方程为：

式中，qa为流量，单位m³/s；t表示时间，单位为s；h为水位，单位m；h为水深，单位m，u,v为x,y方向上的速度，单位m/s；p为大气压强，单位n/m²；ρ0为水体密度，值为1025kg/m³；ν为水平粘性系数，单位m²/s；f为科氏力系数；τx,τy为底部剪应力，单位n/m；c为物质浓度，单位kg/m³；dx,dy为x,y方向扩散系数，单位m²/s；s为源汇项；fr(c,t)为反应项；

(3-2)鱼类栖息地模型建立：将目标鱼类不同生命阶段对关键水环境因子的响应关系和水动力水环境模型做为输入参数，采用模糊数学原理建立鱼类栖息地模型。鱼类栖息地模型基本框架采用模糊数学方法建立，具体步骤包括：输入因子的模糊化；模糊规则库的生成；模糊推理过程；解模糊化。

例如，选取我国西南部某河流典型河段建立水动力水环境模型。计算河段上游入口以日均流量作为边界条件，下游出口以日均水位作为控制条件，溶解氧和温度也以日均浓度作为输入条件，并以实测资料进行验证。基于模糊数学原理，将目标鱼类不同生命阶段(产卵期、捕食期及越冬期)对关键生境因子(流速、水深、温度及溶氧)定量响应关系及水动力水环境模型计算结果输入栖息地模型模拟不同流量下鱼类栖息地状况，并采用调查数据进行验证(图3)。

(4)建立鱼类栖息地评价体系，对鱼类栖息地模型的模拟结果进行评价，并构建评价指标与流量的动态响应关系。具体包括：

(4-1)鱼类栖息地评价体系建立：采用水力栖息地适应性指数ihhs和栖息地连通性指数hci作为鱼类栖息地的评价指标；其中：

水力栖息地适应性指数ihhs的计算公式为：

式中，ai表示对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，单位为m²；hsii为网格计算单元i的栖息地适应性指数，n为网格计算单元数量。

栖息地连通指数hci的计算公式为：式中，ai表示对研究区域划分出的网格计算单元i的面积，单位为m²；hsii为网格计算单元i的栖息地适应性指数，n为网格计算单元数量。

栖息地连通指数hci的计算公式为：

其式中，m为连通性系数；mdpi为斑块i与其他斑块间最短距离，单位为m；，定义为适应性大于一定阈值(hsi≥hsicut)且面积大于一定阈值(p≥pcut)的栖息地斑块为有效斑块pe，单位m²，ne为有效斑块个数，n为网格计算单元数量；

(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动态响应曲线。

即根据栖息地模拟结果计算研究区域水力栖息地适应性指数和连通性指数，得到水力栖息地适应性指数--流量关系图和栖息地连通性指数—流量指数关系图(图4)，作为栖息地评价指标与流量的动态响应关系，定量评价径流变化对鱼类栖息地的影响。

(5)确定平原河流生态流量计算的参照体系，并依照该参照体系，综合考虑鱼类不同生命阶段的生境需求及天然径流的季节变化，推求河流完整水文年生态流量过程。具体包括：

(5-1)参照体系及鱼类生境需求确定：构建流量与ihhs和hci的三维曲面，并选择三维曲面中的最优点相应的栖息地面积作为参照体系，并根据鱼类生物学特性将目标鱼类的产卵期、捕食期及越冬期与水文年的月份对应，且在一个水文年份中，产卵期优先考虑产卵场的需求，其次考虑索饵场；越冬期同时考虑越冬场及索饵场需求；其他时段考率满足鱼类基本生存条件的需求。

如图5所示，利用流量与ihhs和hci的三维曲面，选择最优点作为参考标准，得出以月为单位的生态流量过程。为确定鱼类生态流量过程，在一个水文年内分时段优先考虑鱼类的不同生长阶段的生境需求。每年的4月到6月优先考虑满足鱼类产卵场要求，7月至10月优先满足鱼类捕食场要求，11月至次年3优先考虑鱼类越冬场要求(表1)。

表1生态流量计算原则

(5-2)河流生态流量过程计算：首先计算参照体系下的有效栖息地面积，使用有效栖息地面积恢复比例为指标，确定鱼类栖息地恢复的目标，其次采用建立的栖息地模型反算不同恢复目标对应的流量(可能非单一)，并进行栖息地(水力栖息地适应性指数、连通指数)评价，从中选择合适的流量值，最后根据时间尺度和鱼类生活史，确定完整水文年内的流量过程。

确定河道鱼类栖息地保护的参照体系，计算参照条件下的有效栖息地面积。根据研究区域不同的栖息地恢复目标，分别计算栖息地为最优情况的50～60％，60～80％及80～100％三种情况的生态流量区间，最终得出研究河段生态流量过程(图6)。

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。