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河流生态系统结构功能模型 及其应用

河流生态系统结构功能模型 及其应用. 董哲仁 （中国水利水电科学研究院） 2008 年 4 月 北京. 提 纲. 引言 1 水文－生物－生态功能的河流连续体 4-D 模型 2 水文过程－生态过程耦合模型 3 河流系统空间异质性－生物群落多样性耦合模型 4 模型应用. 1 水文 - 生物 - 生态功能河流 连续体 4 － D 模型. 1 水文 - 生物 - 生态功能河流连续体 4 － D 模型. Vannote 等人在 1980 年提出了河流连续体概念 (River Continuum Concept, RCC)

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河流生态系统结构功能模型 及其应用

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Presentation Transcript

  1. 河流生态系统结构功能模型及其应用 董哲仁 （中国水利水电科学研究院） 2008年4月 北京

  2. 提 纲 引言 1 水文－生物－生态功能的河流连续体 4-D 模型 2 水文过程－生态过程耦合模型 3 河流系统空间异质性－生物群落多样性耦合模型 4 模型应用

  3. 1 水文-生物-生态功能河流 连续体4－D模型

  4. 1 水文-生物-生态功能河流连续体4－D模型 • Vannote等人在1980年提出了河流连续体概念(River Continuum Concept, RCC) • 从河流源头到下游，河流系统内的宽度、深度、流速、流量、水温等物理变量具有连续变化特征 • 把河流网络看作是一个连续的整体系统，强调河流生态系统的结构与功能与河流生境的适应性、整体性。

  5. 1水文-生物-生态功能河流连续体4－D模型

  6. 1 水文-生物-生态功能河流连续体4－D模型 • Ward等学者将河流生态系统描述为四维系统，即具有纵向、横向、竖向和时间尺度的生态系统（Ward et al，1989） • 时间坐标：既强调随降雨、水文条件变化河流的可变性，也强调河流演变的动态性。

  7. 1水文-生物-生态功能河流连续体4－D模型 • 河流水文-水力学因子三维连续性； • 营养物质流和能量流空间连续性； • 生物群落结构空间连续性； • 信息流空间连续性； • 水文、生物及河流生态系统演变和进化的动态特征

  8. 2 水文过程与生态过程耦合模型

  9. 2 水文过程与生态过程耦合模型

  10. 洪水脉冲概念－FPC • Junk 1989首次提出了洪水脉冲的概念( flood pulse concept: FPC)。他认为周期性的洪水脉冲是河流－洪泛滩区系统的驱动力。

  11. 洪水脉冲的生态功能

  12. 信息流功能 • 长江的四大家鱼每年5~8月水温升高到18℃以上时，如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处产卵场进行繁殖。 • 家鱼在涨水第一天开始产卵，如江水不再继续上涨或涨幅很小，产卵活动即告终止。

  13. 自从 1956年开始的长期观测表明，四大家鱼在水位上涨时产卵形成高峰 （据水工程生态研究所 常剑波资料）

  14. 3. 河流空间异质性－生物群落多样性 耦合模型 • 上中下游空间异质性 • 蜿蜒性 • 横断面多样性 • 岸坡物质的透水性和多孔性

  15. 3 河流空间异质性－生物群落多样性 耦合模型 • 上中下游的生境异质性，造就了丰富的流域生境多样化条件； • 河流纵向的蜿蜒性，形成了急流与缓流交错、深槽与浅滩相间的格局； • 河流的横断面形状多样性，表现为深槽与边滩交错； • 河床材料的透水性多孔性为生物提供了栖息所和产卵地，地下水补给。

  16. 3 河流空间异质性－生物群落多样性耦合模型 • 基于河流地貌学－河流生态学的原理 • 河流空间异质性与河流生物群落多样性存在正相关关系。 • 提高空间异质性 提高生物群落多样性 • 耦合模型是建立二者的相关关系，评估生态状况，预测未来状态状况。

  17. 4. 河流生态系统结构功能模型的应用 • a) 对河流生态系统的双重胁迫 • b) 生态水工学的理论框架 • c) 结构功能应用举例

  18. a)对河流生态系统的双重胁迫 • 在自然河流经历的数万以至数百万年的演变过程中，受到自然界和人类活动的双重干扰，这种干扰或者压力在生态学中称为胁迫（stress）。

  19. 水利工程对河流 生态系统胁迫 跨流域 调水工程 自然河流 人工渠道化 自然河流 非连续化 河床断面规则化 护坡材料硬质化 筑坝引起顺流方向非连续化 筑堤引起河流侧向非连续化 受水区胁迫效应 运河沿线胁迫效应 直线化 裁弯取直 调水区胁迫效应 水利工程对河流生态系统的胁迫

  20. a) 河流的人工渠道化

  21. b) 河流的非连续化

  22. b) 河流的非连续化－水文情势变化 • 水库运行期服从于防洪和兴利调度，自然河流的脉冲式水文周期变化趋于均一化

  23. 生态学与相关学科交叉

  24. 什么是生态水利工程学？ • 生态水利工程学（Eco-Hydraulic Engineering） 作为水利工程学的一个新的分支，是研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。

  25. 生态水利工程学的学科基础和研究对象

  26. c) 河流生态系统结构功能模型的应用举例 • 河流生态修复 • 水库生态调度 • 水电梯级开发程度

  27. 河流生态修复的技术工具－ 景观格局分析、生态水力学 • 景观格局分析：景观格局－生态过程模型 • 生态水力学：微生境评估 • RS GIS GPS DEM 应用

  28. 技术工具 1－ 景观格局分析 • 空间景观模式－缀块、廊道、基底 • 通过对于可视的地貌格局（RS...)的对比分析,获得隐含的生物过程信息。

  29. 技术工具 2－生态水力学 • 河段尺度的栖息地评估，建立水力学因子与标志性生物因子的相关关系，对于不同河流修复方案进行预测评估；对于河流枢纽建筑物的不同布局进行情景分析。

  30. b)兼顾生态的水库多目标调度 水库多目标生态调度方法是指在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济多种目标的同时，兼顾河流生态系统需求的水库调度方法。

  31. 径流调节 洪水脉冲减弱 低温水下泄 影响鱼类繁殖 泄洪掺气 鱼类气泡病 清水下泄 下游冲刷，地貌变化 富营养化 蓄水运行 传统水库调度模式所存在的问题

  32. 3.模拟自然水文情势的水库泄流方式 选择标志性物种，建立相应的数学模型。 调查、掌握水库建成后由于水文情势变化产生的不利生态影响。 对于采取不同的水库生态调度方式影响生态过程进行敏感度分析。 明确水文过程与生 态过程的相关关系， 制定合理的生态 调度方案。 小浪底水库泄流 掌握水库建设前水文情势，包括流量丰枯变化形态、季节性洪水峰谷形态、洪水来水时间和长短等因子对于鱼类和其它生物的产卵、育肥、生长、洄游等生命过程的关系。 三门峡水库泄流

  33. 结 语 • 河流生态系统结构功能模型是人们对于自然规律总结的尝试，需要不断地探索，并力求给出某种形式的数学表达。 • 河流生态系统结构功能模型是生态水工学的理论基础。 • 生态水工学是一个新兴的交叉学科，需要跨学科合作，才能发展完善。

  34. 人法地，地法天， 天法道，道法自然。 －老子《道德经》

  35. 庆祝中国水利水电科学研究院 建院50周年 1958－2008

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