河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型

及其應用董哲仁（中國水利水電科學研究院）2008年4月北京

提綱引言1水文－生物－生態(tài)功能的河流連續(xù)體4-D模型2水文過程－生態(tài)過程耦合模型3河流系統(tǒng)空間異質(zhì)性－生物群落多樣性耦合模型4模型應用

1水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體4－D模型

1水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體4－D模型Vannote等人在1980年提出了河流連續(xù)體概念(RiverContinuumConcept,RCC)

從河流源頭到下游，河流系統(tǒng)內(nèi)的寬度、深度、流速、流量、水溫等物理變量具有連續(xù)變化特征把河流網(wǎng)絡看作是一個連續(xù)的整體系統(tǒng)，強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能與河流生境的適應性、整體性。1水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體4－D模型1水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體4－D模型Ward等學者將河流生態(tài)系統(tǒng)描述為四維系統(tǒng)，即具有縱向、橫向、豎向和時間尺度的生態(tài)系統(tǒng)（Wardetal，1989）時間坐標：既強調(diào)隨降雨、水文條件變化河流的可變性，也強調(diào)河流演變的動態(tài)性。1水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體4－D模型

河流水文-水力學因子三維連續(xù)性；營養(yǎng)物質(zhì)流和能量流空間連續(xù)性；生物群落結(jié)構(gòu)空間連續(xù)性；信息流空間連續(xù)性；水文、生物及河流生態(tài)系統(tǒng)演變和進化的動態(tài)特征

2水文過程與生態(tài)過程耦合模型2水文過程與生態(tài)過程耦合模型洪水脈沖概念－FPCJunk1989首次提出了洪水脈沖的概念(floodpulseconcept:FPC)

。他認為周期性的洪水脈沖是河流－洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動力。洪水脈沖的生態(tài)功能

信息流功能長江的四大家魚每年5~8月水溫升高到18℃以上時，如逢洪水，家魚便集中在重慶至江西彭澤的38處產(chǎn)卵場進行繁殖。家魚在漲水第一天開始產(chǎn)卵，如江水不再繼續(xù)上漲或漲幅很小，產(chǎn)卵活動即告終止。

自從

1956年開始的長期觀測表明，四大家魚在水位上漲時產(chǎn)卵形成高峰（據(jù)水工程生態(tài)研究所常劍波資料）3.河流空間異質(zhì)性－生物群落多樣性

耦合模型上中下游空間異質(zhì)性蜿蜒性橫斷面多樣性岸坡物質(zhì)的透水性和多孔性3

河流空間異質(zhì)性－生物群落多樣性

耦合模型上中下游的生境異質(zhì)性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流縱向的蜿蜒性，形成了急流與緩流交錯、深槽與淺灘相間的格局；河流的橫斷面形狀多樣性，表現(xiàn)為深槽與邊灘交錯；河床材料的透水性多孔性為生物提供了棲息所和產(chǎn)卵地，地下水補給。

3河流空間異質(zhì)性－生物群落多樣性耦合模型基于河流地貌學－河流生態(tài)學的原理河流空間異質(zhì)性與河流生物群落多樣性存在正相關(guān)關(guān)系。提高空間異質(zhì)性提高生物群落多樣性耦合模型是建立二者的相關(guān)關(guān)系，評估生態(tài)狀況，預測未來狀態(tài)狀況。4.河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型的應用a)對河流生態(tài)系統(tǒng)的雙重脅迫b)生態(tài)水工學的理論框架c)結(jié)構(gòu)功能應用舉例a)對河流生態(tài)系統(tǒng)的雙重脅迫在自然河流經(jīng)歷的數(shù)萬以至數(shù)百萬年的演變過程中，受到自然界和人類活動的雙重干擾，這種干擾或者壓力在生態(tài)學中稱為脅迫（stress）。水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫自然河流人工渠道化自然河流非連續(xù)化跨流域調(diào)水工程直線化裁彎取直河床斷面規(guī)則化護坡材料硬質(zhì)化筑壩引起順流方向非連續(xù)化筑堤引起河流側(cè)向非連續(xù)化調(diào)水區(qū)脅迫效應受水區(qū)脅迫效應運河沿線脅迫效應a)河流的人工渠道化b)河流的非連續(xù)化b)河流的非連續(xù)化－水文情勢變化水庫運行期服從于防洪和興利調(diào)度，自然河流的脈沖式水文周期變化趨于均一化生態(tài)學與相關(guān)學科交叉

什么是生態(tài)水利工程學？生態(tài)水利工程學（Eco-HydraulicEngineering）

作為水利工程學的一個新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理與技術(shù)方法的工程學。生態(tài)水利工程學的學科基礎(chǔ)和研究對象工程目的工程任務學科基礎(chǔ)傳統(tǒng)水利工程學對水資源開發(fā)利用對河流改造對水流控制工程力學水文學生態(tài)水利工程學兼顧生態(tài)系統(tǒng)健康兼顧生物棲息地建設增加生態(tài)學c)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型的應用舉例河流生態(tài)修復水庫生態(tài)調(diào)度水電梯級開發(fā)程度河流生態(tài)修復的技術(shù)工具－

景觀格局分析、生態(tài)水力學景觀格局分析：景觀格局－生態(tài)過程模型生態(tài)水力學：微生境評估RSGISGPSDEM應用技術(shù)工具1－

景觀格局分析空間景觀模式－綴塊、廊道、基底通過對于可視的地貌格局（RS...)的對比分析,獲得隱含的生物過程信息。技術(shù)工具2－生態(tài)水力學河段尺度的棲息地評估，建立水力學因子與標志性生物因子的相關(guān)關(guān)系，對于不同河流修復方案進行預測評估；對于河流樞紐建筑物的不同布局進行情景分析。b)兼顧生態(tài)的水庫多目標調(diào)度

水庫多目標生態(tài)調(diào)度方法是指在實現(xiàn)防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運等社會經(jīng)濟多種目標的同時，兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水庫調(diào)度方法。傳統(tǒng)水庫調(diào)度模式所存在的問題徑流調(diào)節(jié)低溫水下泄泄洪摻氣

清水下泄蓄水運行

洪水脈沖減弱影響魚類繁殖魚類氣泡病下游沖刷，地貌變化富營養(yǎng)化3.模擬自然水文情勢的水庫泄流方式

三門峽水庫泄流小浪底水庫泄流明確水文過程與生態(tài)過程的相關(guān)關(guān)系，制定合理的生態(tài)調(diào)度方案。選擇標志性物種，建立相應的數(shù)學模型。

掌握水庫建設前水文情勢，包括流量豐枯變化形態(tài)、季節(jié)性洪水峰谷形態(tài)、洪水來水時間和長短等因子對于魚類和其它生物的產(chǎn)卵、育肥、生長、洄游等生命過程的關(guān)系。

調(diào)查、掌握水庫建成后由于水文情勢變化產(chǎn)生的不利生態(tài)影響。

對于采取不同的水庫生態(tài)調(diào)度方式影響生態(tài)過程進行敏感度分析。

結(jié)語河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型是人們對于自然規(guī)律總結(jié)的嘗試，需要不斷地探索，并力求給出某種形式的數(shù)學表達。河