【摘要】：水庫大壩在為全球社會經濟發(fā)展起到重要支撐作用的同時,也對生態(tài)系統(tǒng)施加了巨大的干擾,是威脅河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、多樣性的最主要因素之一。恢復徑流的天然情勢是河流生態(tài)保護與修復的基本前提和最為有效的途徑。如何基于最新的科學理論體系客觀描述天然徑流的基本特性,評估徑流調節(jié)對水生態(tài)系統(tǒng)的影響,并提出更接近徑流自然屬性的生態(tài)流量方案,對于河流生態(tài)系統(tǒng)保護和水庫經濟運行都有著重大意義。鑒于此,本文以水庫調節(jié)對天然徑流特性及河流生態(tài)系統(tǒng)的影響為主要研究內容,分別開展水庫調節(jié)對徑流自組織臨界特性、下游河流-洪泛區(qū)系統(tǒng)橫向連通性及下游魚類棲息地適宜性的影響研究,并在此基礎上提出基于徑流自組織臨界特性的水庫下游生態(tài)流量評估框架。本文的主要研究工作及成果包括:(1)引入自組織臨界(Self-organized criticality,SOC)概念評估水庫調節(jié)對天然徑流特性的影響。生態(tài)系統(tǒng)的自組織特性是其結構和功能維持的關鍵,為診斷人類活動干擾提供了一種全新的視野。以國內具有代表性的五座大型水庫為例,在整體分布分析的基礎上,采用最大似然法、Kolmogorov-Smirnov檢驗及去趨勢波動分析法,開展水庫運行對徑流SOC特性的影響研究,包括其冪律分布特性和長程相關性,并討論相關物理含義及生態(tài)學意義。結果表明:隨著水庫調蓄壓力的增加,天然徑流的冪律尾部逐漸扭曲或截斷,并向著正態(tài)分布和對數正態(tài)分布演變,厚尾特性逐漸消失、量級跨度被壓縮;標度區(qū)間拐點延后、長程相關性增強、波動性減弱,且失去了天然情景下波動量在各時間尺度內的協(xié)同變化特性。上述變化均意味著水文多樣性及水循環(huán)系統(tǒng)自組織能力的喪失,在河流生態(tài)保護與修復中應對徑流的分布特性、波動特性給予更多關注。(2)以海南省萬泉河流域牛路嶺水庫下游加積至河口段為對象,基于河道平面二維水動力模擬,開展徑流調節(jié)對下游河流-洪泛區(qū)系統(tǒng)橫向連通性的影響研究。不同水庫調節(jié)情景及不同區(qū)間匯流工況下淹沒量級、頻率、波動等特性的分析結果表明,水庫調節(jié)使得下游大范圍的天然水力過渡區(qū)轉變?yōu)檠蜎]區(qū)或干燥區(qū),其尖峰厚尾分布特性削弱,極大地降低了洪泛區(qū)與主河槽的橫向水力聯(lián)系;淹沒范圍的日波動程度顯著降低、長程相關性增加,即淹沒區(qū)與干燥區(qū)的交替周期變長;水庫的運行方式(完全/不完全調節(jié))及區(qū)間匯流對淹沒情勢的影響較大,控制水庫規(guī)�；蚩紤]適度泄洪的調度方式對于下游橫向連通性的恢復具有重要意義。(3)構建起更具普適性的魚類棲息地適宜性模型,并耦合二維水動力模型,開展徑流調節(jié)對魚類棲息地適宜性及產卵脈沖的影響研究。其中,目標物種為我國江河淡水魚類的典型代表,包括洄游性魚類(草魚、鰱魚、鳙魚)和定居性魚類(鯉魚);針對魚類整個生命周期(洄游、產卵、幼魚、成魚),選取流速、水深、水溫作為主要環(huán)境因子構建目標物種適宜性標準;以棲息地適宜性指數(Habitat Suitability Index,HSI)和棲息地可利用面積(Usable Area,UA)為特征指標,提出基于層次分析法的HSI計算方法,并結合HSI的等級劃分進行UA計算。針對牛路嶺水庫下游加積至河口段的分析結果表明:水庫運行對區(qū)域內魚類洄游、成魚階段較為有利,但對產卵、幼魚階段較為不利;現(xiàn)有水庫運行方案顯著削減了魚類產卵期的天然高流量脈沖及洪水事件,原有的大面積產卵適宜范圍受到脅迫,年內整體的產卵可利用面積明顯減少;加之對幼魚生長較為有利的枯水流量發(fā)生頻率減小顯著,使得大范圍的幼魚適宜棲息地消失。(4)提出基于天然徑流的自組織臨界特性、枯水流量特性及發(fā)生時間特性的生態(tài)流量評估框架,并將其應用于牛路嶺水庫。該框架主要基于 3+3+3‖原則,即考慮三種流量組分(枯水流量、高流量脈沖、洪水)、三項徑流量化指標(量級、頻率、發(fā)生時間)及三種典型水平年(豐、平、枯);包括問題診斷、高流量脈沖及洪水事件恢復、枯水流量事件恢復、實施監(jiān)測及反饋完善四大步驟。其中,高流量脈沖及洪水事件恢復基于徑流的自組織臨界特性,以拐點頻率的減少量作為主要控制指標,依據天然冪尾模板擬定恢復方案;枯水流量的恢復以其年均發(fā)生頻次作為主要優(yōu)化指標;并強調對生態(tài)流量方案進行適應性管理。
【圖文】：

棲息地適宜性模型構建及水庫影響分析的整體思路

加權可利用面積法求解示意圖
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TV697.1;X171.1
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本文編號：2694065