简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】国家自然科学基金委员会重大项目课题

【课题编号】环010108

【课题起止时间】2004年1月～2008年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院，四川大学

中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉大学

【主要完成人】廖文根、李  翀、危起伟、李  嘉、杜  强、彭期冬、李大美、邓  云、杨德国、谭红武　

立项背景

迄今为止，我国已经兴建了8.6万余座水库，这些水利工程在防洪、供水、发电、灌溉、航运等方面发挥着巨大的、不可替代的作用，有力地保障了流域经济社会的发展和社会的安定。然而，大型水利工程建设也将对生物资源及其生存环境带来不利影响。水利工程对河流最直接的影响是对径流过程的改变，如：库区水位升高、流速减缓；水库温度分层，下泄水温较天然情况降低；受水库调节、电站调荷的影响，下游河道洪水涨落过程发生变化，局部水域水流结构显著改变等。这些变化对库区、坝下及河口的水生生物、特别是某些珍稀鱼类和经济鱼类的产卵、繁殖、栖息地等可能带来潜在不利影响。目前，我国流域一些重要生物资源已经开始出现更替、衰退甚至绝迹，如黄河刀鲚正在消失，河口对虾、小黄鱼、带鱼产卵场所处于严重衰退之中；长江中华鲟数量逐渐减少，白鳍豚、白鲟濒危，鲥鱼资源基本消失等。因而，随着社会的发展和科技的进步，人们在关注水利工程经济效益的同时，已开始重视工程建设对水域千万年演替形成的生态环境的影响，并迫切要求在水利工程规划、建设和运行管理中最大程度地减免不利的生态环境影响。

长江流域是我国最大的生态系统，其生物资源也最为丰富。以三峡水利枢纽为代表的大型水利工程建设，水库调度必然会引起流域生物资源所需的生态水文学、生态水力学条件的变化，进而对生物资源产生一系列影响。如三峡大坝建成后，三峡水库淹没区的干、支流江段的水文条件与建库前截然不同，目前生活在这些江段的鱼类，如一些适应激流生态环境的鱼类，绝大部分种类在建库后将无法在同一地点生存或完成生活史；在5～6月的四大家鱼繁殖期间，由于水库处于低水位运行，库水大部分将通过水轮机下泄，使长江中游江段的涨水过程变为洪峰低平、涨幅较小、历时增长，而水库深孔和电厂取水口的出流水温又较低，这些与天然水文、水力学过程不同的变化，也将对四大家鱼的产卵繁殖产生影响。三峡大坝建成后，中华鲟的繁殖季节现存唯一的中华鲟产卵场江段河道流量将平均减少41％，这将进一步威胁中华鲟的自然繁殖。由于长江流域对我国经济社会发展具有举足轻重的作用，而长江流域的生物多样性和生态系统的完整性又是流域经济社会可持续发展重要保障，因此，大型水利工程对重要生物资源的长期生态学效应是我国国民经济和社会发展中一个迫切需要研究的基础性科学问题，而水利工程引起的重要生物的水文、水动力环境变化更是这一科学问题中首先需要系统深入研究课题。

本课题以长江流域为研究对象，通过水文学、水力学、生物学等多学科的交叉融合，重点研究长江干流三峡水库和葛洲坝电站等大型水利工程引起的重要生物的水文、水动力环境变化，进而为深入研究大型水利工程对重要经济生物资源的影响机制、为制定减缓不利生态环境影响的补偿措施和水利水电运行调度方案提供基础和科学依据。

详细科学技术内容

以长江流域为研究对象，以水库淹没区、大坝下游和河口等敏感区为典型研究区域，重点研究三峡水库和葛洲坝电站等大型水利工程引起的长江干流重要生物的水文、水动力环境变化，并以三峡水库的调节对中华鲟产卵场的影响为实例进行生态水力学研究。具体研究内容包括。

（1）三峡工程对长江流域生态水文学特征的影响

结合长江流域生态系统重要生物资源的特性，开展长江流域历史水文要素的时空变化规律研究；

以水库淹没区、大坝下游区和河口区等典型区域为重点，结合生物资源的繁殖、消长规律，研究三峡水库运行后流域水文要素，如径流年内分配、洪峰流量和水位涨落过程、水位与流量年内过程等的变化。

（2）三峡库区水温结构及其对下游江段沿程水温的影响

针对三峡库区，建立立面二维水温数学模型，通过理论分析、观测资料对比和数值模拟计算相结合的手段，以坝前水域为重点，研究三峡水库库区的水温垂向分布结构。

建立坝下河道一维水温数学模型，通过数值模拟计算的手段，研究下游河道下泄水温的年内变化及水库下游水温沿程分布变化，对比分析建库前后坝上、坝下水域水温时空分布特性的变化。

针对关键物种的产卵期，研究三峡水库不同泄水方式（如表孔泄水、中孔泄水、底孔泄水及其组合）对水库下游水域产卵水温的影响。

（3）三峡工程对中华鲟产卵场生态水力学条件的影响

以葛洲坝坝下中华鲟产卵场为研究对象，进行中华鲟产卵活动与相应的水文、水力学条件历史数据的收集和比较分析，寻找出影响中华鲟产卵的相关因子，排除非相关因子。

在中华鲟产卵季节，运用超声波追踪、江底采卵及食卵鱼解剖手段，对葛洲坝下游中华鲟的自然繁殖状况进行监测。

建立葛洲坝下中华鲟产卵场的流场模拟模型和中华鲟产卵场的理论模型和产卵效果预测模型；通过数学模型手段和监测资料分析，研究产卵场的生态水力学条件及三峡工程不同运行方式对产卵场水动力结构的影响。

（4）大型水利工程对水生生物栖息环境的影响

基于重要水生生物栖息地结构和功能的历史资料调研分析结果，分析不同物种栖息环境的时空演变特征，进行流域水生生物栖息地的分类分区。

针对库区、坝下江段及河口等重要水生生物栖息地，尤其是长江中下游四大家鱼典型产卵场，开展重要生境要素，如水文与水动力条件、泥沙、水温、水质等的变化趋势分析，并在此基础上综合研究三峡水利工程对水生生物栖息环境的影响。

发明及创新点

本研究工作主要取得以下创新点：

（1）河流管理生态水文目标及其量化

首次在国内提出了系统的河流水文生态影响评估指标体系，研究河流管理的生态水文目标及其量化分析方法，评价了葛洲坝工程、三峡工程水利工程对河流生态水文特征的影响。

（2）大型水库水温及过饱和气体变化规律

首次对三峡水库下泄水温情况以及下泄水体的溶解气体过饱和现象进行了系统研究。对下泄水温的变化及影响范围，气体过饱和的程度和影响范围进行了全面的研究分析。

（3）四大家鱼自然繁殖的生态水文、水力学机制

采用野外观测与数值模拟相结合的方法，研究四大家鱼自然繁殖期的生态水文、水力学条件，对三峡工程对四大家鱼自然繁殖的生态水文及水力学影响进行了初步分析，建立四大家鱼自然繁殖的生态水文、水力学机制。

（4）中华鲟自然繁殖的生态水力学机制

首次运用多种最新方法，对中华鲟及其产卵行为进行了调查；采用野外观测与数值模拟相结合的方法，研究中华鲟自然繁殖期的生态水文、生态水力学条件，对三峡工程对中华鲟产卵的生态水文及水力学影响进行了初步分析，建立中华鲟自然繁殖的生态水力学机制。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

目前，生态水文学与生态水力学是流域生态系统研究的一个跨学科前沿热点。国外发达国家在这方面已经开展了大量的研究。从1982 年IFIM（The Instream Flow Incremental Methodology）理论提出之后，水库下泄流量与鱼类生息环境关系的研究和评估方法逐渐展开，其核心评估模型PHABSIM（The Physical Habitat Simulation Model）在西方先进国家得以广泛应用。G. Mathias Kondolf， N. Tamai等先后研究了水库兴建后下泄流量的改变和对鱼类栖息场的影响，提出了生态流量的概念，并发展了考虑生态流量要求的水库调度运行模型。1997年，以流域生态学家A.H. Arthington博士为首的澳大利亚科学家，针对大坝建设改变河流原来水流机制和流量导致生态灾变现象，建立了生态流相关的理论和研究方法，为世界河流生态水流研究奠定了基础。此后，研究生态因子由原来的单变量发展到多变量，由简单模拟发展到动态仿真，形成了一整套完善的DRIFT（Downstream Response to Imposed Flow Transformation）研究方法和理论模型（Arthington, A.H, et. al., 2002）。此外，出于流域水生生物资源保护的人造洪峰研究（A.哈尔比，瑞典）也受到广泛重视。

在国内，尽管长期以来在水文学、水力学和生物学领域分别各自开展了大量的研究，但是将流域物理过程与生物过程结合、动态反映物理与生物过程相互作用和响应机制的研究尚还刚刚起步。对生物的种群和数量以及行为等对水文动态变化的响应、水温和涨水过程等外界刺激因素对产漂流性鱼类产卵的影响，开展的研究尚不多见。

成果应用情况及社会经济效益

本研究属于应用基础理论研究，本研究提出的一些生态水文学和生态水力学的指标和机制，对于评价大型水利工程的生态环境影响及其相应的生态调度、生态修复等工作具有较强的理论指导价值，对缓解水利工程的生态环境影响会起到较大作用，从而产生巨大的社会和经济效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

目前国内水利工程的调度一般以防洪、发电、航运、供水等目标为先，而生态目标尚未提到较高的位置，如何在考虑上述优先目标的同时，兼顾生态的需求进行调度，目前大多数水利工程还没有较为明确的计划和行动，因此本研究的转化、推广还需要一个逐步推进和深入的过程，一方面是人们环保生态意识的增强，另一方面是水文预报、水库调度等技术的进步，使得生态调度成为可能。

目前国内的生态修复工作还在以水质改善为主要目标的阶段，而对于考虑生物需求的生态修复工作，如栖息地修复等，尚未见相关工作开展的报道。本研究在这方面的应用也有待相关工作的开展，随着社会经济的发展，环境生态问题日趋严峻，这方面的工作也将会得到大力的发展和应用。

　 四大家鱼产卵场（左图）与非产卵场地形（右图）对比