水库大坝在为全球社会经济发展起到重要支撑作用的同时,也对生态系统施加了巨大的干扰,是威胁河流生态系统完整性、多样性的最主要因素之一。恢复径流的天然情势是河流生态保护与修复的基本前提和最为有效的途径。如何基于最新的科学理论体系客观描述天然径流的基本特性,评估径流调节对水生态系统的影响,并提出更接近径流自然属性的生态流量方案,对于河流生态系统保护和水库经济运行都有着重大意义。鉴于此,本文以水库调节对天然径流特性及河流生态系统的影响为主要研究内容,分别开展水库调节对径流自组织临界特性、下游河流-洪泛区系统横向连通性及下游鱼类栖息地适宜性的影响研究,并在此基础上提出基于径流自组织临界特性的水库下游生态流量评估框架。本文的主要研究工作及成果包括:(1)引入自组织临界(Self-organized criticality,SOC)概念评估水库调节对天然径流特性的影响。生态系统的自组织特性是其结构和功能维持的关键,为诊断人类活动干扰提供了一种全新的视野。以国内具有代表性的五座大型水库为例,在整体分布分析的基础上,采用最大似然法、Kolmogorov-Smirnov检验及去趋势波动分析法,开展水库运行对径流SOC特性的影响研究,包括其幂律分布特性和长程相关性,并讨论相关物理含义及生态学意义。结果表明:随着水库调蓄压力的增加,天然径流的幂律尾部逐渐扭曲或截断,并向着正态分布和对数正态分布演变,厚尾特性逐渐消失、量级跨度被压缩;标度区间拐点延后、长程相关性增强、波动性减弱,且失去了天然情景下波动量在各时间尺度内的协同变化特性。上述变化均意味着水文多样性及水循环系统自组织能力的丧失,在河流生态保护与修复中应对径流的分布特性、波动特性给予更多关注。(2)以海南省万泉河流域牛路岭水库下游加积至河口段为对象,基于河道平面二维水动力模拟,开展径流调节对下游河流-洪泛区系统横向连通性的影响研究。不同水库调节情景及不同区间汇流工况下淹没量级、频率、波动等特性的分析结果表明,水库调节使得下游大范围的天然水力过渡区转变为淹没区或干燥区,其尖峰厚尾分布特性削弱,极大地降低了洪泛区与主河槽的横向水力联系;淹没范围的日波动程度显著降低、长程相关性增加,即淹没区与干燥区的交替周期变长;水库的运行方式(完全/不完全调节)及区间汇流对淹没情势的影响较大,控制水库规模或考虑适度泄洪的调度方式对于下游横向连通性的恢复具有重要意义。(3)构建起更具普适性的鱼类栖息地适宜性模型,并耦合二维水动力模型,开展径流调节对鱼类栖息地适宜性及产卵脉冲的影响研究。其中,目标物种为我国江河淡水鱼类的典型代表,包括洄游性鱼类(草鱼、鲢鱼、鳙鱼)和定居性鱼类(鲤鱼);针对鱼类整个生命周期(洄游、产卵、幼鱼、成鱼),选取流速、水深、水温作为主要环境因子构建目标物种适宜性标准;以栖息地适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)和栖息地可利用面积(Usable Area,UA)为特征指标,提出基于层次分析法的HSI计算方法,并结合HSI的等级划分进行UA计算。针对牛路岭水库下游加积至河口段的分析结果表明:水库运行对区域内鱼类洄游、成鱼阶段较为有利,但对产卵、幼鱼阶段较为不利;现有水库运行方案显著削减了鱼类产卵期的天然高流量脉冲及洪水事件,原有的大面积产卵适宜范围受到胁迫,年内整体的产卵可利用面积明显减少;加之对幼鱼生长较为有利的枯水流量发生频率减小显著,使得大范围的幼鱼适宜栖息地消失。(4)提出基于天然径流的自组织临界特性、枯水流量特性及发生时间特性的生态流量评估框架,并将其应用于牛路岭水库。该框架主要基于―3+3+3‖原则,即考虑三种流量组分(枯水流量、高流量脉冲、洪水)、三项径流量化指标(量级、频率、发生时间)及三种典型水平年(丰、平、枯);包括问题诊断、高流量脉冲及洪水事件恢复、枯水流量事件恢复、实施监测及反馈完善四大步骤。其中,高流量脉冲及洪水事件恢复基于径流的自组织临界特性,以拐点频率的减少量作为主要控制指标,依据天然幂尾模板拟定恢复方案;枯水流量的恢复以其年均发生频次作为主要优化指标;并强调对生态流量方案进行适应性管理。