河流生态修复中的若干问题研究

河流生态修复中的若干问题研究一、人类活动对河流生态的影响二、河流生态流量三、鱼道水力学问题四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响主要内容城市化下垫面变化产汇流用水量增加河流径流排污量增加水环境人口资产集中水利工程水电工程直接影响淹没 阻隔间接影响水沙 富营调节 养化冷水下泄浑水 气体过水库 饱和一、人类活动对河流生态的影响黄河调水调沙取得了举世瞩目的成就，实现连续20年不断流；下游主河槽最小平摊流量为4200m3/s。黄河下游河道冲刷情况（2002-2018）一、人类活动对河流生态的影响-5.416一、人类活动对河流生态的影响水库排沙运行对鱼类影响对黄河中游渔业生态敏感区和鱼类种群影响显著：中游鱼类平均资源量损失均在50%以上；种群多样性指数大幅降低；黄河南营段、圣天湖外滩“三场”功能基本丧失；对渔业生产造成巨大损失（朱国清等，2012）。采样段面调水调沙前调水调沙后资源减少比例/%实际捕捞量/kg平均资源量/kg·km2实际捕捞量/kg平均资源量/kg·km2关河口段-17.45372.650.8944.4088.09刘家畔段-210.51525.504.30215.2059.05圣天湖外滩-341.80570.004.5361.7389.17123水库排沙运行对鱼类影响一、人类活动对河流生态的影响对黄河下游渔业资源和鱼类种群影响显著：单网产量下降32.87%；河口渔获物品种由39种下降到21种（河南省水产研究院，2011）。水库排沙运行对鱼类影响一、人类活动对河流生态的影响下游河道水库排沙运行对鱼类影响清水下泄阶段的影响（约持续15天）库区 大坝泄水一、人类活动对河流生态的影响水库排沙运行对鱼类影响排沙阶段（约持续3-4天）一、人类活动对河流生态的影响含沙量大于80kg/m3时，溶解氧低于2mg/L2mg/l水库排沙运行对鱼类影响一、人类活动对河流生态的影响排沙前后鲤鱼肝脏总抗氧化能力的变化排沙前后鲤鱼肝脏CAT活性的变化排沙前后鲤鱼血清LD含量的变化排沙前后鲤鱼肝脏MDA含量的变化 排沙前后鲤鱼鳃丝ATP酶活性的变化 排沙前后鲤鱼肾脏总SOD活性的变化水库的排沙过程对黄河鲤鱼的一些生理功能造成了显著影响。水中溶解氧的下降导致急性缺氧，细胞组织增强了无氧呼吸，机体自由基氧化与抗氧化防御系统作用的动态平衡失调。急性缺氧应激是鱼类死亡的主要原因。水库排沙运行对鱼类影响一、人类活动对河流生态的影响高含沙水流过程：含沙量低于60

kg/m3时：排沙持续时间可以12h以上；含沙量高于80

kg/m3时：排沙持续时间控制在2h以内。水库排沙运行对鱼类影响一、人类活动对河流生态的影响楠溪江流域概况瓯江的第二大支流；流域面积2436km2，主流河长142km。流域位于亚热带季风气候区，多年平均径流总量28.6亿m³。二、河流生态流量水生生物保护目标楠溪江流域鱼类有60多种，其中洄游鱼类有香鱼、鳗鲡、花鳗鲡、河蟹、鲈鱼香鱼三场分布筛选香鱼作为水生态保护目标—“淡水鱼之王”二、河流生态流量水生态调查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（产卵期）pH、水温、浊度、DO、NH3-N、TP、TN、COD浮游植物浮游动物底栖动物二、河流生态流量月份坝址断面 溪口断面 鲤溪断面石柱断面Tennant法（很历时 湿 Tennant曲线 周 法（很历时曲线法湿 Tennant历时 湿 Tennant 历时 湿周法（很曲线周法（很曲线周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单位：m3/s生态流量分析楠溪江干流不同断面三种方法生态需水量比较二、河流生态流量基于生态保护目标生境需求的生态需水量的确定方法：生境参数指标：水深、流速、湿周、水面宽、过水断面的面积、水面面积、水温；生境形态指标：急流、缓流、浅滩及深潭。生境参数指标最大水深平均水深最低标准鱼类体长的2～3倍≥0.3m累计河段长度的百分比%9595平均流速≥0.3m/s95水面宽度≥30m95湿周率≥50%95过水断面面积≥30m295水面面积≥70%水温适宜鱼类生存、繁殖生境形态指标概念界定急流平均流速≥1m/s段数无较大变化，急流、较急流段累计河段长度减少较急流平均流速0.5～1m/s<20较缓流平均流速0.3～0.5m/s缓流平均流速≤0.3m/s深潭最大水深≥10m个数无较大变化浅滩河岸边坡≤10°，5m范围内水深≤0.5m生态流量分析二、河流生态流量干流河道呈现深槽与浅滩交替出现的特征05010020025030066687072747678NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15150Station

(m)Elevation

(m)LegendWSQ24GroundBank

Sta0501502004648

5052545658606264NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15100Station

(m)Elevation

(m)LegendWSQ31GroundBank

Sta溪口断面鲤溪断面0501001502002501015

2025303540NANWXSPlan:Plan01

2014-1-15Station

(m)Elevation

(m)LegendWS

Q55.4GroundBank

Sta石柱断面生境参数指标 生境形态指标急流较急流较缓流缓流深潭浅滩最大水深平均水深平均流速水面宽度湿周率过水断面面积水面面积水温生态流量分析生境指标参数的确定二、河流生态流量各断面生态流量月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月坝址低生态流量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鲤溪2.12.66.97.57.514.810.18.184.52.22石柱2.94.71113.313.822.31513.515.66.83.72.9坝址推荐生态流量333556556533溪口3.54.05.97.27.513.69.48.48.26.45.65.5鲤溪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生态流量分析二、河流生态流量二、河流生态流量香鱼育肥期的生态需水量计算方法香鱼三场分布香鱼育肥期的生态流量二、河流生态流量三、鱼道水力学问题研究第一阶段为从上世纪50年代末 第二阶段为从上世到80年代初，国内开始研究鱼 上世纪末，属于鱼道并相继建设了40多座鱼道， 期，个别工程通过但大多已停止运行或废弃。 流站来解决珍稀鱼题。纪80年代到

第三阶段为自21世纪以来，国道建设停滞

内又开始恢复了鱼道的研究与建设增殖放

建设，并作为水利水电工程环种的保护问

境影响评价中生态环境保护的重要评价指标。国内外研究现状我国鱼道建设经历了三个阶段国内外研究现状三、鱼道水力学问题研究日本长良川河口堰（闸）注：统计的数据只是左岸诱鱼水流式鱼道的过鱼数量美国哥伦比亚河及蛇河水利水电工程梯级工程鱼道溪流式鱼道

、诱鱼水流式鱼道、锁式鱼道（船闸式）30多年来，为改善哥伦比亚河及其支流蛇河的过鱼效果，共投入70亿美元。三、鱼道水力学问题研究国内外研究现状鱼类游泳能力我国鱼类游泳能力研究起步晚，在鱼种和体长范围等方面尚未形成系统的研究成果。国内现有鱼类游泳能力研究成果还难以满足我国鱼道水力学设计的需求。因此需对我国本土鱼种的游泳能力进行系统研究，逐步形成完备的鱼类游泳能力数据库，为我国鱼道水力学设计提供切实的设计依据。鱼类的游泳能力包括趋流特性和克流能力两个方面。趋流特性：以感应流速为指标。克流能力：持续游泳速度、临界游泳速度和爆发游泳速度三、鱼道水力学问题研究试验设计和方法本研究将以5-15cm的草鱼幼鱼为研究对象，利用自主研发的鱼类游泳行为试验装置对水温28℃左右条件下的草鱼幼鱼游泳能力和游泳行为进行系统研究三、鱼道水力学问题研究试验结果与分析1.草鱼幼鱼的临界游速临界游泳速度随着试验鱼体长的增加而增加，相对临界游泳速度随着试验鱼体长的增加而降低，基本都呈线性关系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临界游泳速度/(m/s)体长/cm草鱼幼鱼临界游泳速度与体长的关系6578910111213相对临界游泳速度/(BL/s)6 7 8 9 10

11

12

13

14体长/cm草鱼幼鱼相对临界游泳能力与体长的关系三、鱼道水力学问题研究2.草鱼幼鱼的摆尾频率与流速的关系通过试验录像分析，对草鱼幼鱼在不同流速下的尾鳍摆动频率做了统计草鱼幼鱼的游泳速度随着摆尾频率的增加而增加，基本呈线性关系，拟合关系式为：U

0.771TBF

0.015试验结果与分析三、鱼道水力学问题研究3.草鱼幼鱼的游泳行为流速约为试验鱼临界游速的45.6±2.3%自在的游动、逆流状态水流并未对鱼类的游泳产生胁迫0第一阶段第二阶段临界游速试验结果与分析流速约为试验鱼临界游速的82.8±3.2%；摆尾频率随着流速的增加而增加，且鱼体处于紧张状态，水流对鱼类的游泳产生了一定的阻碍作用流速已接近试验鱼的临界游速；试验鱼的尾鳍触及试验区下游拦网不再向前游动第三阶段流速约为试验鱼临界游速的95.9±1.8%；逆流后退的状态增多偶发性的逆流冲刺行为随着流速的增多，这种反复逆流后退和冲刺的行为变得频繁第四阶段四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响通过“概化”试验研究，即淹没条件下的柔性模型植物室内水槽试验，结合量纲分析理论，分析了柔性植物（包括植物高度、柔韧度、种植密度）对曼宁糙率的影响，并寻求含水生植物河道等效曼宁糙率系数的通用（或概化）表达式。四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响水

箱可调尾门150020002000200020002000消浪栅矩形量水堰38001380

1600 1000试验模型整体平面示意图（图中为模型尺寸，单位：mm）水

箱2000200020000.003消浪栅1500通气孔12003800接测压管13807305002306002000200020000试验模型整体立面示意图（图中为型尺寸，单位：mm）20m长矩形水槽，0.6m宽，底坡3‰。上水管阀门调节流量，尾门控制水深：流量40~100L/s，流速0.15~0.70m/s，水深0.20~0.50m。试验平台的建设四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响试验工况1.

设置0、142、198、269株/m2共四种植物生长密度（M0~M5)；针对每种植物生长密度设0.25、0.30、0.35、0.40、0.45m共五组控制水深（HC1~HC5），以5#水位站控制；每组水深调节0.04、0.06、0.08、0.10m3/s四级流量（Q1~Q4）。设计共80组试验工况四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响hv为植物倒伏后有效高度h为渠道控制水深hv/h为植物相对淹没高度nv为综合曼宁糙率系数规律1：综合曼宁糙率系数nv随植物相对淹没高度hv/h的增加而增加，体现了植物高度和整体阻水面积的阻力影响。H

C

1

0.30cmH

C

1

0.25cmH

C

1

0.35cmH

C

1

0.40cmH

C

1

0.45cm四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响规律2：提出了植物挺立度概念，来反映柔性植物的柔韧性。得出植物倒伏后的有效高度hv与水流的关系。计算值与实际值的比较四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响植物越密集，断面阻水面积越大，密度达一定程度时，植物阻水影响基本不再随植物密度增加而改变；相同密度的植物在流速较低时对水流阻力的影响更为显著规律3：综合曼宁糙率系数nv随着植物生长密度M的增加而增大，并且渐趋平稳，反映了种植密度对阻力的影响。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关系式1：相对曼宁糙率系数nV/n0与植物相对淹没高度

hv

/h

二者具有指数函数关系hv=0时，意味没有植物影响，

nV

=n0(hv/

h)nV

/n0与植物相对淹没高度hv

/h

二者具有指数函数

e 关系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