基于生态—水文响应机制的大坝下游生态保护适应性管理研究

摘要

河流是人类生存与发展的基础，但随着水电开发进程、经济社会发展速度的不断加快，大坝下游河流廊道的生态环境问题日益凸显，维持河流廊道向好的结构与功能、实现人水和谐发展日益成为河流保护与管理的焦点性问题。坝下河流廊道类型多样化，涵盖河流生态系统、河流舸口湿地生态系统、近海岸域系统，鉴于生态系统自身的高度复杂性、高度不确定性及人类认知的局限性，提出基于生态-水文响应机制的大坝下游生态保护适应性管理模式，较传统管理模式在管理范式、管理体制、管理目标、管理手段方面均有了一定的突破，允许基于实际监测数据信息，针对各种理论、技术及措施进行论证和检验，且基于新的认知与数据信息调控反馈，修改、完善与提高原有的水库调度模式和生态环境保护方案，不仅为水电开发与生态环境保护的和谐发展提供了重要的技术支撑，同时也为国内大坝下游生态保护适应性管理提供了重要的借鉴作用。主要研究内容如下:
　　 1.系统的阐述了大坝下游生态保护适应性管理的理论基础
　　 理论基础包括可持续发展、生态系统生态学、“自然-人工”二元水循环理论。水文条件是河流廊道生态系统发生变化的最根本驱动力，由于高强度人类活动，提高了水资源开发利用程度，改变了江河湖泊关系和地下水的赋存环境，也改变了地表水与地下水的转化路径，形成了“取水-用水-耗水-排水”四大基本环节的人工侧支循环圈，导致天然水循环与人工侧支水循环此消彼长，伴随着流域水循环过程的变化生态因子也在发生相应的改变。因此，生态水文过程分析是大坝下游生态保护适应性管理的基础，从生态保护目标出发研究河道生态流量过程是管理核心，改善水库调度模式是管理保证。
　　 2.科学的提出了大坝下游生态保护适应性管理的概念及内涵
　　 本文提出了大坝下游生态保护适应性管理概念即“针对河流廊道的高度复杂性与不确定性、人类认知的局限性，以生态-水文响应机制研究为基础，秉持可持续性、适应性、反馈性、科学性、可操控性原财，遵循自然环境与经济社会协调发展的规律，以利益相关方共同参与协商与交流为前提，以水库工程影响范围内生态环境与经济社会良性发展为目标，以持续性监测、定量科学评估、调整反馈机制为手段，形成维持水库生态系统、下游河流生态系统、河流/河口湿地生态系统与近海岸域生态系统可持续健康发展的协调管理模式”。适应性管理作为创新型管理模式，突出“学习”与“适应”以实际数据信息作为支撑，实现动态化、弹性化与精准化管理。
　　 3.提出了适合于国情的大坝下游生态保护适应性管理理论与方法体系
　　 基于适应性管理“确定目标-构建方案-决策实施-监测-评价-调整”的闭合型管理程序构建了大坝下游生态保护适应性管理的“三维一体一评”方法（三维是指生态-水文响应机制的基础维、三大条件的约束维、生态系统结构与功能的调控维，一体是指长效生态监测体系，一评是指管理效果“适应度”评价）:(1)从水文全过程、鱼类栖息地与鸟类栖息地出发研究生态-水文响应关系，采用IHA生态流组分法、RVA法、景观格局分析法、水动力模型相结合的方法，研究确定基于敏感生态目标的生态-水文动力联系;(2)基于水库下游河流生态系统、河流/河口湿地生态系统、近海岸域生态系统的关键生态-水文过程及关键时期确定适应性管理目标;(3)以水资源可利用量、生态系统良性循环、经济社会向好发展三大条件作为约束制定适应性管理方案;(4)实施管理方案且基于长效生态监测体系开展监测，为管理有效性评估提供数据基础;(5)从资源与生态环境方面针对敏感生态要素的管理效果开展“适应度”评价;(6)以生态系统结构与功能作为调控准则，结合管理效果评估结果，提出调控与反馈。
　　 4.开展了基于生态-水文响应机制的大坝下游生态保护适应性管理的实践应用
　　 运用构建的基于生态-水文响应机制的大坝下游生态保护适应性理论与方法体系，应用于黄河小浪底水库下游河流廊道。主要应用成果如下:(1)从水文全过程分析了生态流组分的改变程度及产生的生态效应。小浪底水库运行后相较河道天然状态，花园口、高村、利津站的整体改变程度是0.85、0.73、0.77;相较龙羊峡、刘家峡与三门峡三库联合调度时期，整体改变程度是0.54、0.79、0.66。基于现行管理模式，减少了低流量特别是极端低流量的持续时间，基本可以保证低流量生态组分的生态学功能;高流量发生频率能够接近自然状态，持续时间增加，峰值流量减少，尚不能充分实现高流量组分的生态学功能;小洪水脉冲改善了下游输沙功能，但不能补给洪泛平原;漫滩洪水发生几率降低。(2)基于鱼类栖息地物理、化学与生物特征的变化分析，研究了鱼类生长、繁殖与水文要素间的联系。现行管理模式下，水库下游河道主槽过流能力增加到4000m3/s;河道水质基本能满足水功能区Ⅲ类水质要求;调水调沙对水生生物资源产生负面影响且生物量为年度内最低值，生物物种丰度及生物量呈现明显的季节性变化趋势。纵向时间尺度来看，鱼类资源量呈现持续衰减趋势（20世纪50、60年代鱼类资源量最为丰富），泥沙与水质要素制约鱼类的生长与繁殖但水文要素是最重要的约束条件;调水调沙期间的高含沙水流泥沙含量急剧增加、溶解氧急剧减少，两个种质资源保护区2010-2011年内鱼类捕获物种类减少，资源量分别减少42.9％-84.7％、47.0％-61.1％。综合分析来看稳定的河道自然径流量是鱼类（水生生物）生长与繁殖的生态需求。(3)基于鸟类栖息地鸟类的量变分析结果，从景观与水文驱动力方面分析联系。鸟类数量及种类多样性具有一定程度的增加，出现旅鸟停留繁殖的现象。基于景观分析，斑块破碎化程度增加，鸟类重要栖息地面积萎缩，自然湿地面积减少人工湿地面积增加;河流湿地花园口断面需要在7014m3/s以上才能发生漫滩补给鸟类栖息地，鉴于下游河道防洪安全现阶段主要依靠降水与地下水侧渗补给;由于闸首的控制河口湿地主要依靠人工补水，现状条件下年补水量远远不能满足三角洲所需水量3.5亿m3。(4)研究区现行管理模式综合评价得分2.3097，生态系统功能处于中等偏下，基于调整与反馈机制，结合关键生态-水文联系及关键时期提出适应性管理目标、制定了相应的生态-水文过程管理方案，花园口、高村与利津最小年生态径流总量分别是154.5亿m3、138.3亿m3、76.8亿m3，中等分别是215.7亿m3、182.1亿m3、94.6亿m3，适宜分别是265.7亿m3、219.9亿m3、115.6亿m3;调水调沙期间6月份花园口、高村、利津断面最小生态流量分别是1300m3/s、967 m3/s、798 m3/s，中等分别是1570 m3/s、1275 m3/s、1088 m3/s，适宜分别是1743 m3/s、1389 m3/s、1231m3/s;调水调沙期间7月份花园口、高村、利津断面最小生态流量分别是815m3/s、751m3/s、892m3/s，中等分别是984 m3/s、983 m3/s、1215m3/s，适宜分别是1093m3/s、1071m3/s、1376m3/s。与历史不同研究时段相比，适应性管理方案提出的下游生态流量过程，非汛期基本能恢复到1969-1987年状态，汛期考虑防洪最小、中等、适宜生态流量过程，分别能够达到1969-1987年生态流标准中的中、好、十分好;6-7月份汛前调水调沙与历史状态发生了很大变化，分别达到生态流标准中的最大、最佳状态;同时由于调水调沙期间水流变幅剧烈，需适度调整调水调沙洪峰的上升与回落速度，减缓对水生生物带来的冲击影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 适应性管理研究现状

1．2．1 适应性管理方式

1．2．2 国外适应性管理研究现状

1．2．3 国内适应性管理研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．4 主要创新点

1．5 小结

第2章 水库工程生态适应性管理理论及方法体系

2．1 水库工程生态适应性管理理论基础

2．1．1 可持续发展理论

2．1．2 生态系统生态学理论

2．1．3 “自然-人工”二元水循环

2．2 水库工程生态适应性管理内涵及构成

2．2．1 概念

2．2．2 内涵

2．2．3 构成

2．2．4 特征

2．3 水库工程生态适应性管理方法体系

2．3．1 基本原则

2．3．2 管理程序

2．3．3 管理概念模型

2．3．4 生态-水文响应机制研究

2．3．5 管理目标确定

2．3．6 管理方案制定

2．3．7 决策实施与监测

2．3．8 管理效果评价

2．3．9 管理过程调控与反馈

2．4 小结

第3章 小浪底水库下游生态系统特征

3．1 自然地理概况

3．1．1 研究区域

3．1．2 小浪底水利枢纽工程

3．2 小浪底水利枢纽工程调水调沙

3．2．1 拦沙初期运用调度规则

3．2．2 调水调沙模式及效果

3．3 研究区河流廊道生态系统

3．3．1 结构特征

3．3．2 生物特征

3．3．3 生态系统特征

3．4 小结

第4章 水库下游河流生态-水文过程分析

4．1 生态水文断面研究时段划分

4．2 河流生态-水文过程分析

4．2．1 花园口生态-水文断面

4．2．2 高村生态-水文断面

4．2．3 利津生态-水文断面

4．3 河流生态效应响应分析

4．4 小结

第5章 鱼类生境生态-水文响应分析

5．1 生境物理性特征

5．1．1 影响下游河床演变的重要水文要素分析

5．1．2 冲淤及过流能力变化

5．1．3 断面形态变化

5．2 生境化学特征

5．3 生境生物特征

5．3．1 浮游植物

5．3．2 浮游动物

5．3．3 鱼类

5．4 郑州黄河鲤种质资源保护区生态-水文响应分析

5．4．1 保护区概况

5．4．2 鱼类量变分析

5．4．3 鱼类制约要素分析

5．5 鲁豫交界种质资源保护区生态-水文响应分析

5．5．1 保护区概况

5．5．2 鱼类量变分析

5．5．3 鱼类制约要素分析

5．6 小结

第6章 鸟类栖息地生态-水文响应分析

6．1 河流湿地生态-水文响应过程分析

6．1．1 黄河下游河流湿地概况

6．1．2 鸟类量变分析

6．1．3 鸟类栖息地景观驱动力分析

6．1．4 景观格局动态演变趋势

6．1．5 生态-水文驱动力分析

6．2 河口湿地生态-水文响应过程分析

6．2．1 鸟类量变分析

6．2．2 鸟类栖息景观驱动力分析

6．2．3 生态补水分析

6．3 小结

第7章 水库下游生态适应性管理

7．1 现行管理模式效果评价

7．1．1 河流低限生态流量

7．1．2 其余指标

7．1．3 现行管理方案效果评价

7．2 现行管理模式调控与反馈

7．3 适应性管理目标确定

7．4 适应性管理方案生成

7．4．1 河道生态需水过程

7．4．2 鱼类产卵、生长需水过程

7．4．3 河口湿地人工补水量需求

7．4．4 入海水量

7．4．5 调水调沙生态流量需求

7．4．6 河道生态-水文流量过程结果

7．5 适应性管理方案效果评价

7．5．1 现行调度模式适配性分析

7．5．2 不同来水条件下适应性管理方案的满足程度分析

7．5．3 黄河下游生态可恢复程度分析

7．5．4 小浪底工程适应性管理调度建议

7．6 小结

第8章 结论及展望

8．1 结论

8．1．1 理论研究

8．1．2 应用研究

8．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的文章

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢