基于水生生物栖息地模拟的橡胶坝调度研究

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橡胶坝在我国应用十分广泛,近年来橡胶坝调度研究成为热点问题。现有研究集中在防洪兴利方面,忽略了橡胶坝的生态效益。保障河流生物多样性,维持河流生态健康是贯彻落实党的十九大“人与自然和谐共生”理念的重要要求。橡胶坝作为城市河道内应用广泛的建筑物,能否通过合理调度改善河流生境质量水平,发挥生态效益是亟待解决的问题。栖息地模拟法在评估河流生境质量中有明显优势,本文基于模糊逻辑理论与水动力模型方法,以河流基础数据和水生生物信息为基础,改进水生生物栖息地模拟法,提出基于模糊逻辑的多物种栖息地适宜度模型,与水动力模型耦合,以河流整体生境质量水平为导向优选橡胶坝调度方案,对发挥橡胶坝的生态效益,改善河流生境质量有重要意义。以浉河信阳市区段为例开展河道内橡胶坝调度研究,有利于指导研究河段内橡胶坝的调度工作。主要工作和成果如下:(1)建立了研究河段的二维水动力模型。基于河网地形数据、水工建筑物数据以及水文信息等,通过划分网格、概化建筑物、确定模型边界,构建了浉河信阳市区段Mike 21 FM二维水动力模型,使用2020年两个时间段内相对稳定的水位信息分别对模型参数进行率定和验证,水位最大绝对误差为0.07 m,说明河道模型精度良好,能够模拟研究河段各种情景下的水动力要素空间分布,为后续栖息地分析和橡胶坝调度研究提供依据。(2)提出了多物种栖息地适宜度模型。针对栖息地模拟中单一指示物种不能模拟生物群落里不同物种对生境要素的不同需求,难以体现河流整体栖息地质量水平的问题,基于模糊逻辑理论、生物信息和相关原则,选定多个指示物种,通过模糊逻辑法推求单物种栖息地适宜度指数,并以单物种栖息地适宜度指数作为输入模糊集,制定相关模糊规则,推求多物种综合栖息地适宜度指数,构建多物种栖息地适宜度模型。应用于浉河信阳市区段,构建了研究河段的双物种栖息地适宜度模型,模拟结果体现出鲫鱼和水生昆虫对生境要素的不同需求。在此基础上推算研究河段适宜生态流量,双物种模型结果为160~260 m3/s,相较于单一使用鲫鱼为指示物种的160~280 m3/s区间更短,验证了模型的可行性和合理性。(3)以河流整体生境质量水平为导向优选橡胶坝调度方案。基于橡胶坝泄流特性和运行规则拟定调度方案集,耦合多物种栖息地适宜度模型与Mike 21FM水动力模型进行河流整体栖息地质量评价,计算河流整体可利用栖息地面积作为表征河流生境质量水平的性能指标。确定约束条件,以河流整体可利用栖息地面积最大为目标函数建立橡胶坝调度方案最优化数学模型,代入不同调度方案模拟结果,优选最佳方案。应用于浉河信阳市区段,结果表明最优调度方案能够提高研究河段至少10%以上的栖息地质量水平,验证了利用橡胶坝改善河流生境的可行性和有效性。
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