河流生態(tài)修復(fù)中的若干問題研究

河流生態(tài)修復(fù)中的若干問題研究一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響二、河流生態(tài)流量三、魚道水力學(xué)問題四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響主要內(nèi)容城市化下墊面變化產(chǎn)匯流用水量增加河流徑流排污量增加水環(huán)境人口資產(chǎn)集中水利工程水電工程直接影響淹沒 阻隔間接影響水沙 富營調(diào)節(jié) 養(yǎng)化冷水下泄渾水 氣體過水庫 飽和一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響黃河調(diào)水調(diào)沙取得了舉世矚目的成就，實(shí)現(xiàn)連續(xù)20年不斷流；下游主河槽最小平攤流量為4200m3/s。黃河下游河道沖刷情況（2002-2018）一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響-5.416一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響水庫排沙運(yùn)行對魚類影響對黃河中游漁業(yè)生態(tài)敏感區(qū)和魚類種群影響顯著：中游魚類平均資源量損失均在50%以上；種群多樣性指數(shù)大幅降低；黃河南營段、圣天湖外灘“三場”功能基本喪失；對漁業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失（朱國清等，2012）。采樣段面調(diào)水調(diào)沙前調(diào)水調(diào)沙后資源減少比例/%實(shí)際捕撈量/kg平均資源量/kg·km2實(shí)際捕撈量/kg平均資源量/kg·km2關(guān)河口段-17.45372.650.8944.4088.09劉家畔段-210.51525.504.30215.2059.05圣天湖外灘-341.80570.004.5361.7389.17123水庫排沙運(yùn)行對魚類影響一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響對黃河下游漁業(yè)資源和魚類種群影響顯著：單網(wǎng)產(chǎn)量下降32.87%；河口漁獲物品種由39種下降到21種（河南省水產(chǎn)研究院，2011）。水庫排沙運(yùn)行對魚類影響一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響下游河道水庫排沙運(yùn)行對魚類影響清水下泄階段的影響（約持續(xù)15天）庫區(qū) 大壩泄水一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響水庫排沙運(yùn)行對魚類影響排沙階段（約持續(xù)3-4天）一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響含沙量大于80kg/m3時(shí)，溶解氧低于2mg/L2mg/l水庫排沙運(yùn)行對魚類影響一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響排沙前后鯉魚肝臟總抗氧化能力的變化排沙前后鯉魚肝臟CAT活性的變化排沙前后鯉魚血清LD含量的變化排沙前后鯉魚肝臟MDA含量的變化 排沙前后鯉魚鰓絲ATP酶活性的變化 排沙前后鯉魚腎臟總SOD活性的變化水庫的排沙過程對黃河鯉魚的一些生理功能造成了顯著影響。水中溶解氧的下降導(dǎo)致急性缺氧，細(xì)胞組織增強(qiáng)了無氧呼吸，機(jī)體自由基氧化與抗氧化防御系統(tǒng)作用的動(dòng)態(tài)平衡失調(diào)。急性缺氧應(yīng)激是魚類死亡的主要原因。水庫排沙運(yùn)行對魚類影響一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響高含沙水流過程：含沙量低于60

kg/m3時(shí)：排沙持續(xù)時(shí)間可以12h以上；含沙量高于80

kg/m3時(shí)：排沙持續(xù)時(shí)間控制在2h以內(nèi)。水庫排沙運(yùn)行對魚類影響一、人類活動(dòng)對河流生態(tài)的影響楠溪江流域概況甌江的第二大支流；流域面積2436km2，主流河長142km。流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均徑流總量28.6億m3。二、河流生態(tài)流量水生生物保護(hù)目標(biāo)楠溪江流域魚類有60多種，其中洄游魚類有香魚、鰻鱺、花鰻鱺、河蟹、鱸魚香魚三場分布篩選香魚作為水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)—“淡水魚之王”二、河流生態(tài)流量水生態(tài)調(diào)查2013年11月1～2日（降河洄游期）；2016年5月26～27日（育肥期）；2016年10月20～21日（產(chǎn)卵期）pH、水溫、濁度、DO、NH3-N、TP、TN、COD浮游植物浮游動(dòng)物底棲動(dòng)物二、河流生態(tài)流量月份壩址斷面 溪口斷面 鯉溪斷面石柱斷面Tennant法（很歷時(shí) 濕 Tennant曲線 周 法（很歷時(shí)曲線法濕 Tennant歷時(shí) 濕 Tennant 歷時(shí) 濕周法（很曲線周法（很曲線周37913好）法法好）法好）法法好）法法13.30.557.21.069.31.4116.62.2223.31.317.22.299.32.6816.64.7633.33.377.26.299.37.7916.611.8345.53.77125.9215.57.5327.713.455.53.49125.9515.57.2627.713.6265.57.991215.5915.519.0627.726.5675.52.91127.3515.59.3527.714.2185.52.14125.4915.56.527.711.9395.54.1126.3315.58.4127.716.04103.31.287.22.699.33.2916.65.58113.30.627.21.269.31.6416.63.07123.30.397.20.879.31.1416.62.09單位：m3/s生態(tài)流量分析楠溪江干流不同斷面三種方法生態(tài)需水量比較二、河流生態(tài)流量基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)生境需求的生態(tài)需水量的確定方法：生境參數(shù)指標(biāo)：水深、流速、濕周、水面寬、過水?dāng)嗝娴拿娣e、水面面積、水溫；生境形態(tài)指標(biāo)：急流、緩流、淺灘及深潭。生境參數(shù)指標(biāo)最大水深平均水深最低標(biāo)準(zhǔn)魚類體長的2～3倍≥0.3m累計(jì)河段長度的百分比%9595平均流速≥0.3m/s95水面寬度≥30m95濕周率≥50%95過水?dāng)嗝婷娣e≥30m295水面面積≥70%水溫適宜魚類生存、繁殖生境形態(tài)指標(biāo)概念界定急流平均流速≥1m/s段數(shù)無較大變化，急流、較急流段累計(jì)河段長度減少較急流平均流速0.5～1m/s<20較緩流平均流速0.3～0.5m/s緩流平均流速≤0.3m/s深潭最大水深≥10m個(gè)數(shù)無較大變化淺灘河岸邊坡≤10°，5m范圍內(nèi)水深≤0.5m生態(tài)流量分析二、河流生態(tài)流量干流河道呈現(xiàn)深槽與淺灘交替出現(xiàn)的特征05010020025030066687072747678NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15150Station

(m)Elevation

(m)LegendWSQ24GroundBank

Sta0501502004648

5052545658606264NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15100Station

(m)Elevation

(m)LegendWSQ31GroundBank

Sta溪口斷面鯉溪斷面0501001502002501015

2025303540NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15Station

(m)Elevation

(m)LegendWS

Q55.4GroundBank

Sta石柱斷面生境參數(shù)指標(biāo) 生境形態(tài)指標(biāo)急流較急流較緩流緩流深潭淺灘最大水深平均水深平均流速水面寬度濕周率過水?dāng)嗝婷娣e水面面積水溫生態(tài)流量分析生境指標(biāo)參數(shù)的確定二、河流生態(tài)流量各斷面生態(tài)流量月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月壩址低生態(tài)流量1.21.22.53.73.73.73.73.73.72.51.21.2溪口1.72.25.45.96.211.38.17.15.93.91.81.7鯉溪2.12.66.97.57.514.810.18.184.52.22石柱2.94.71113.313.822.31513.515.66.83.72.9壩址推薦生態(tài)流量333556556533溪口3.54.05.97.27.513.69.48.48.26.45.65.5鯉溪3.94.47.48.88.817.111.49.410.37.06.05.8石柱4.76.511.514.615.124.616.314.817.99.37.56.7生態(tài)流量分析二、河流生態(tài)流量二、河流生態(tài)流量香魚育肥期的生態(tài)需水量計(jì)算方法香魚三場分布香魚育肥期的生態(tài)流量二、河流生態(tài)流量三、魚道水力學(xué)問題研究第一階段為從上世紀(jì)50年代末 第二階段為從上世到80年代初，國內(nèi)開始研究魚 上世紀(jì)末，屬于魚道并相繼建設(shè)了40多座魚道， 期，個(gè)別工程通過但大多已停止運(yùn)行或廢棄。 流站來解決珍稀魚題。紀(jì)80年代到

第三階段為自21世紀(jì)以來，國道建設(shè)停滯

內(nèi)又開始恢復(fù)了魚道的研究與建設(shè)增殖放

建設(shè)，并作為水利水電工程環(huán)種的保護(hù)問

境影響評價(jià)中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要評價(jià)指標(biāo)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國魚道建設(shè)經(jīng)歷了三個(gè)階段國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、魚道水力學(xué)問題研究日本長良川河口堰（閘）注：統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)只是左岸誘魚水流式魚道的過魚數(shù)量美國哥倫比亞河及蛇河水利水電工程梯級工程魚道溪流式魚道

、誘魚水流式魚道、鎖式魚道（船閘式）30多年來，為改善哥倫比亞河及其支流蛇河的過魚效果，共投入70億美元。三、魚道水力學(xué)問題研究國內(nèi)外研究現(xiàn)狀魚類游泳能力我國魚類游泳能力研究起步晚，在魚種和體長范圍等方面尚未形成系統(tǒng)的研究成果。國內(nèi)現(xiàn)有魚類游泳能力研究成果還難以滿足我國魚道水力學(xué)設(shè)計(jì)的需求。因此需對我國本土魚種的游泳能力進(jìn)行系統(tǒng)研究，逐步形成完備的魚類游泳能力數(shù)據(jù)庫，為我國魚道水力學(xué)設(shè)計(jì)提供切實(shí)的設(shè)計(jì)依據(jù)。魚類的游泳能力包括趨流特性和克流能力兩個(gè)方面。趨流特性：以感應(yīng)流速為指標(biāo)?？肆髂芰Γ撼掷m(xù)游泳速度、臨界游泳速度和爆發(fā)游泳速度三、魚道水力學(xué)問題研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法本研究將以5-15cm的草魚幼魚為研究對象，利用自主研發(fā)的魚類游泳行為試驗(yàn)裝置對水溫28℃左右條件下的草魚幼魚游泳能力和游泳行為進(jìn)行系統(tǒng)研究三、魚道水力學(xué)問題研究試驗(yàn)結(jié)果與分析1.草魚幼魚的臨界游速臨界游泳速度隨著試驗(yàn)魚體長的增加而增加，相對臨界游泳速度隨著試驗(yàn)魚體長的增加而降低，基本都呈線性關(guān)系Ucrit

0.039BL

0.489Ucrit

0.557BL

14.5456 7 8 9 10

11

1213

140.6550.700.750.800.850.900.951.001.05臨界游泳速度/(m/s)體長/cm草魚幼魚臨界游泳速度與體長的關(guān)系6578910111213相對臨界游泳速度/(BL/s)6 7 8 9 10

11

12

13

14體長/cm草魚幼魚相對臨界游泳能力與體長的關(guān)系三、魚道水力學(xué)問題研究2.草魚幼魚的擺尾頻率與流速的關(guān)系通過試驗(yàn)錄像分析，對草魚幼魚在不同流速下的尾鰭擺動(dòng)頻率做了統(tǒng)計(jì)草魚幼魚的游泳速度隨著擺尾頻率的增加而增加，基本呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為：U

0.771TBF

0.015試驗(yàn)結(jié)果與分析三、魚道水力學(xué)問題研究3.草魚幼魚的游泳行為流速約為試驗(yàn)魚臨界游速的45.6±2.3%自在的游動(dòng)、逆流狀態(tài)水流并未對魚類的游泳產(chǎn)生脅迫0第一階段第二階段臨界游速試驗(yàn)結(jié)果與分析流速約為試驗(yàn)魚臨界游速的82.8±3.2%；擺尾頻率隨著流速的增加而增加，且魚體處于緊張狀態(tài)，水流對魚類的游泳產(chǎn)生了一定的阻礙作用流速已接近試驗(yàn)魚的臨界游速；試驗(yàn)魚的尾鰭觸及試驗(yàn)區(qū)下游攔網(wǎng)不再向前游動(dòng)第三階段流速約為試驗(yàn)魚臨界游速的95.9±1.8%；逆流后退的狀態(tài)增多偶發(fā)性的逆流沖刺行為隨著流速的增多，這種反復(fù)逆流后退和沖刺的行為變得頻繁第四階段四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響通過“概化”試驗(yàn)研究，即淹沒條件下的柔性模型植物室內(nèi)水槽試驗(yàn)，結(jié)合量綱分析理論，分析了柔性植物（包括植物高度、柔韌度、種植密度）對曼寧糙率的影響，并尋求含水生植物河道等效曼寧糙率系數(shù)的通用（或概化）表達(dá)式。四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響水

箱可調(diào)尾門150020002000200020002000消浪柵矩形量水堰38001380

1600 1000試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w平面示意圖（圖中為模型尺寸，單位：mm）水

箱2000200020000.003消浪柵1500通氣孔12003800接測壓管13807305002306002000200020000試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w立面示意圖（圖中為型尺寸，單位：mm）20m長矩形水槽，0.6m寬，底坡3‰。上水管閥門調(diào)節(jié)流量，尾門控制水深：流量40~100L/s，流速0.15~0.70m/s，水深0.20~0.50m。試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響試驗(yàn)工況1.

設(shè)置0、142、198、269株/m2共四種植物生長密度（M0~M5)；針對每種植物生長密度設(shè)0.25、0.30、0.35、0.40、0.45m共五組控制水深（HC1~HC5），以5#水位站控制；每組水深調(diào)節(jié)0.04、0.06、0.08、0.10m3/s四級流量（Q1~Q4）。設(shè)計(jì)共80組試驗(yàn)工況四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響hv為植物倒伏后有效高度h為渠道控制水深hv/h為植物相對淹沒高度nv為綜合曼寧糙率系數(shù)規(guī)律1：綜合曼寧糙率系數(shù)nv隨植物相對淹沒高度hv/h的增加而增加，體現(xiàn)了植物高度和整體阻水面積的阻力影響。H

C

1

0.30cmH

C

1

0.25cmH

C

1

0.35cmH

C

1

0.40cmH

C

1

0.45cm四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響規(guī)律2：提出了植物挺立度概念，來反映柔性植物的柔韌性。得出植物倒伏后的有效高度hv與水流的關(guān)系。計(jì)算值與實(shí)際值的比較四、水生植物對河道曼寧糙率系數(shù)影響植物越密集，斷面阻水面積越大，密度達(dá)一定程度時(shí)，植物阻水影響基本不再隨植物密度增加而改變；相同密度的植物在流速較低時(shí)對水流阻力的影響更為顯著規(guī)律3：綜合曼寧糙率系數(shù)nv隨著植物生長密度M的增加而增大，并且漸趨平穩(wěn)，反映了種植密度對阻力的影響。H

C

1

0.25cmH

C

1

0.30cmH

C

1

0.35cmH

C

1

0.40cmH

C

1

0.45cm010020030000.010.020.03nVM

(株/m2)Q=0.04m3/sQ=0.06m3/sQ=0.08m3/sQ=0.1m3/s010020030000.010.020.030.04 0.04nVM

(株/m2)Q=0.04m3/sQ=0.06m3/sQ=0.08m3/sQ=0.1m3/s100200300000.010.020.030.04nVM

(株/m2)3Q=0.04m3/sQ=0.06m/sQ=0.08m3/sQ=0.1m3/s100200300000.010.020.030.04nVM

(株/m2)Q=0.04m3/sQ=0.06m3/sQ=0.08m3/sQ=0.1m3/s010020030000.010.020.030.04nVM

(株/m2)3

3Q=0.04m/sQ=0.06m3/sQ=0.08m/sQ=0.1m3/s關(guān)系式1：相對曼寧糙率系數(shù)nV/n0與植物相對淹沒高度

hv

/h

二者具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系hv=0時(shí)，意味沒有植物影響，

nV

=n0(hv/

h)nV

/n0與植物相對淹沒高度hv

/h

二者具有指數(shù)函數(shù)

e 關(guān)系1.11.21.31.4011.02.03.04.05.06.00nnV

1

1

4.245

e

hv

/

h

1

1

N

142

R2

0.983n

/nV 0ev(h

/h)1.11.21.31.401.5

11.02.03.04.05.06.00nnV

2

1

4.610

e

hv

/

h

1

2

N

198

R2

0.990n

/nV 0e

v(h

/h)11.11.21.31.41.51.5

01.02.03.0