河流生态修复中的若干问题研究

溪口
1.7 2.2 5.4 5.9 6.2 11.3 8.1 7.1 5.9 3.9
鲤溪
2.1 2.6 6.9 7.5 7.5 14.8 10.1 8.1 8 4.5
石柱
2.9 4.7 11 13.3 13.8 22.3 15 13.5 15.6 6.8
坝址推荐生态流量 3 3 3 5 5 6 5 5 6
0.08、0.10m3/s四级流量
（Q设1~计Q共4）80。组试验工况
四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响
试验平台的建设
2000
2000
2000
水箱
可调尾门 消浪栅
2000
2000
1500
3800
矩形量水堰
Elevation (m) Elevation (m) Elevation (m)
二、河流生态流量
生态流量分析
各断面生态流量
月份
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
坝址低生态流量 1.2 1.2 2.5 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 2.5
二、河流生态流量
水生生物保护目标
楠溪江流域鱼类有60多种，其中洄游鱼类 有香鱼、鳗鲡、花鳗鲡、河蟹、鲈鱼
筛选香鱼作为水生态保护目标—“淡水鱼之王”
香鱼三场分布
二、河流生态流量
水生态调查
l 2013年11月1～2日（降河洄游期）； l 2016年5月26～27日（育肥期）； l 2016年10月20～21日（产卵期）
3
采样段面
关河口段-1 刘家畔段-2 圣天湖外滩-3
调水调沙前 实际捕捞量/kg 平均资源量/kg·km2
7.45
372.65
10.51
525.50
41.80
570.00
调水调沙后 实际捕捞量/kg 平均资源量/kg·km2
0.89
44.40
4.30
215.20
4.53
61.73
资源减少比例/%
88.09 59.05 89.17
二、河流生态流量
生态流量分析
基于生态保护目标生境需求的生态需水量的确定方法：
生境参数指标：水深、流速、湿周、水面宽、过水断面的面积、水面面积、水温； 生境形态指标：急流、缓流、浅滩及深潭。
生境参数指标 最大水深 平均水深 平均流速 水面宽度 湿周率
过水断面面积 水面面积 水温
生境形态指标 急流
较急流 较缓流
三、鱼道水力学问题研究
试验结果与分析
2.草鱼幼鱼的摆尾频率与流速的关系
通过试验录像分析，对草鱼幼鱼在不同流速下的尾鳍摆 动频率做了统计
草鱼幼鱼的游泳速度随着摆尾频 率的增加而增加，基本呈线性关 系，拟合关系式为：
U = 0.771TBF + 0.015
三、鱼道水力学问题研究
试验结果与分析
3.草鱼幼鱼的游泳行为
库区
大坝泄水
下游河道
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
排沙阶段（约持续3-4天）
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
2mg/l
含沙量大于80kg/m3时，溶解氧低于2mg/L
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
排沙前后鲤鱼肝脏总抗氧化能力的变化 排沙前后鲤鱼肝脏CAT活性的变化
3.7 2.9
3
3
5.6 5.5
6.0 5.8
7.5 6.7
二、河流生态流量
香鱼育肥期的生态需水量计算方法
香鱼三场分布
二、河流生态流量
香鱼育肥期的生态流量
三、鱼道水力学问题研究
国内外研究现状
日本长良川河口堰（闸）
溪流式鱼道 、诱鱼水流式鱼道、锁式 鱼道（船闸式）
注：统计的数据只是左岸诱鱼水流式鱼道的过鱼数量
美国哥伦比亚河及蛇河水利水电工程梯级工程鱼道 30多年来，为改善哥伦比亚河及其支流蛇河的过鱼效果，共投入70亿美元。
三、鱼道水力学问题研究
国内外研究现状
我国鱼道建设经历了三个阶段
第一阶段为从上世纪50年代末 到80年代初，国内开始研究鱼 道并相继建设了40多座鱼道，
但大多已停止运行或废弃。
第二阶段为从上世纪80年代到 上世纪末，属于鱼道建设停滞 期，个别工程通过建设增殖放 流站来解决珍稀鱼种的保护问
鲤溪断面
50
100
150
Station (m)
Legend
40
WS Q31
Ground
35
Bank Sta 30
25
20
15
10
200
0
NANWXS Plan: Plan 01 2014-1-15
石柱断面
Legend WS Q55.4
Ground Bank Sta
50
100
150
200
250
Station (m)
一、人类活动对河流生态的影响
城市化
下垫面 变化
产汇流
用水量 增加
河流径 流
排污量 增加
水环境
人口资 产集中
水利工 程
水电工程
直接影响
淹没 阻隔 水沙 富营 调节 养化
间接影响
冷水 浑水 气体过 下泄 水库 饱和
一、人类活动对河流生态的影响
黄河调水调沙取得了举世瞩目的成就，实现连续20年不断流； 下游主河槽最小平摊流量为4200m3/s。
9 8 7 6
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 体长/cm
草鱼幼鱼相对临界游泳能力与体长的关系
临界游泳速度随着试验鱼体长的增加而增加，相对临界游 泳速度随着试验鱼体长的增加而降低，基本都呈线性关系
Ucrit = 0.039BL + 0.489
U
¢
crit
=
-0.557BL
+ 14.545
pH、水温、浊度、 DO、NH3-N、TP、 TN、COD
浮游植物 浮游动物 底栖动物
二、河流生态流量
生态流量分析
月份
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
楠溪江干流不同断面三种方法生态需水量比较 单位：m3/s
坝址断面
溪口断面
鲤溪断面
Tennant 历时 湿 Tennant 历时曲 湿 Tennant 历时 湿
5
溪口
3.5 4.0 5.9 7.2 7.5 13.6 9.4 8.4 8.2 6.4
鲤溪
3.9 4.4 7.4 8.8 8.8 17.1 11.4 9.4 10.3 7.0
石柱
4.7 6.5 11.5 14.6 15.1 24.6 16.3 14.8 17.9 9.3
1.2 1.2
1.8 1.7
2.2 2
排沙前后鲤鱼血清LD含量的变化
排沙前后鲤鱼肝脏MDA含量的变化 排沙前后鲤鱼鳃丝ATP酶活性的变化 排沙前后鲤鱼肾脏总SOD活性的变化
水库的排沙过程对黄河鲤鱼的一些生理功能造成了显著影响。水中溶解氧的下降导 致急性缺氧，细胞组织增强了无氧呼吸，机体自由基氧化与抗氧化防御系统作用的 动态平衡失调。急性缺氧应激是鱼类死亡的主要原因。
NANWXS Plan: Plan 01 2014-1-15
78
76
74
溪口断面
Legend
64
WS Q24
62
Ground 60
Bank Sta
58
56 72
54
70
52
50 68
48
66
46
0
50
100
150
200
250
300
0
Station (m)
干流河道呈现深槽与浅滩交替出现的特征
NANWXS Plan: Plan 01 2014-1-15
题。
第三阶段为自21世纪以来，国 内又开始恢复了鱼道的研究与 建设，并作为水利水电工程环 境影响评价中生态环境保护的
重要评价指标。
三、鱼道水力学问题研究
国内外研究现状
鱼类游泳能力
我国鱼类游泳能力研究起步晚，在鱼种和体长范围等方面尚未形成系统的 研究成果。国内现有鱼类游泳能力研究成果还难以满足我国鱼道水力学设 计的需求。
三、鱼道水力学问题研究
试验结果与分析
临界游泳速度/(m/s) 相对临界游泳速度/(BL/s)
1.草鱼幼鱼的临界游速
1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65
5
6 7 8 9 10 11 12 13 14
体长/cm
草鱼幼鱼临界游泳速度与体长的关系
13 12 11 10
流速约为试验鱼临界游速的 45.6±2.3%
自在的游动、逆流状态 水流并未对鱼类的游泳产生胁迫
流速约为试验鱼临界游速的95.9±1.8%； 逆流后退的状态增多
偶发性的逆流冲刺行为随着流速的增多， 这种反复逆流后退和冲刺的行为变得频繁
0
第一阶段
第二阶段
第三阶段
第四阶段
临界 游速
流速约为试验鱼临界游速的82.8±3.2%； 摆尾频率随着流速的增加而增加，且鱼体 处于紧张状态，水流对鱼类的游泳产生了
累计河段长度的百分比% 95 95 95 95 95 95
段数无较大变化，急流、较急流段累计河段长度减少 <20
个数无较大变化
二、河流生态流量
生态流量分析
生境指标参数的确定
生境参数指标 生境形态指标
最大水深 平均水深 平均流速 水面宽度
湿周率 过水断面面积
水面面积 水温
急流 较急流 较缓流
缓流 深潭 浅滩
法（很 曲线 周 法（很
周 法（很 曲线 周
线法
好）
法 法 好）
法 好）
法法
3.3 0.55
7.2
1.06
9.3
1.41
3.3 1.31
7.2
2.29
9.3
2.68
3.3 3.37
7.2
6.29
9.3
7.79
5.5 3.77
12
5.92
15.5 7.53
5.5 3.49
12
5.95
15.5 7.26
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
对黄河下游渔业资源和鱼类种群影响显著：单网产量下降32.87%；河口渔获物品种 由39种下降到21种（河南省水产研究院，2011）。
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
清水下泄阶段的影响（约持续15天）
9.3
1.14
石柱断面
Tennant 历时 湿
法（很 曲线 周
好）
法法
16.6 2.22
16.6 4.76
16.6 11.83
27.7 13.4
27.7 13.62
27.7 27.7
26.56 13
14.21
27.7 11.93
27.7 16.04
16.6 5.58
16.6 3.07
16.6 2.09
因此需对我国本土鱼种的游泳能力进行系统研究，逐步形成完备的鱼类游 泳能力数据库，为我国鱼道水力学设计提供切实的设计依据。
鱼类的游泳能力包括趋流特性和克流能力两个方面。 趋流特性：以感应流速为指标。 克流能力：持续游泳速度、临界游泳速度和爆发游泳速度
三、鱼道水力学问题研究
试验设计和方法
本研究将以5-15cm的草鱼幼鱼为研究对象，利用自主研发的鱼类游泳行为试验装置对水温28℃左右条件下 的草鱼幼鱼游泳能力和游泳行为进行系统研究
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
高含沙水流过程：
含沙量低于60 kg/m3时：排沙持续时间可以12h以上； 含沙量高于80 kg/m3时：排沙持续时间控制在2h以内。
二、河流生态流量
楠溪江流域概况
瓯江的第二大支流；流域面积2436km2，主流河长142km。 流域位于亚热带季风气候区，多年平均径流总量28.6亿m³。
5.5 7.99
12
15.59
15.5 19.06
3
7
9
5.5 2.91
12
7.35
15.5 9.35
5.5 2.14
12
5.49
15.5
6.5
5.5
4.1
12
6.33
15.5 8.41
3.3 1.28
7.2
2.69
9.3
3.29
3.3 0.62
7.2
1.26
9.3
1.64
3.3 0.39
7.2
0.87
一定的阻碍作用
流速已接近试验鱼的临界游速； 试验鱼的尾鳍触及试验区下游
拦网不再向前游动
四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响
通过“概化”试验研究，即淹没条件下的柔性模型植物室内水槽试验，结 合量纲分析理论，分析了柔性植物（包括植物高度、柔韧度、种植密度） 对曼宁糙率的影响，并寻求含水生植物河道等效曼宁糙率系数的通用（或 概化）表达式。
黄河下游河道冲刷情况（2002-2018）
-5.416
一、人类活动对河流生态的影响
水库排沙运行对鱼类影响
对黄河中游渔业生态敏感区和
鱼类种群影响显著：中游鱼类
平均资源量损失均在50%以上；
1
种群多样性指数大幅降低；黄
2
河南营段、圣天湖外滩“三场”
功能基本丧失；对渔业生产造
成巨大损失（朱国清等，
2012）。
四、水生植物对河道曼宁糙率系数影响
试பைடு நூலகம்工况
1. 设置0、142、198、269株 /m2共四种植物生长密度
（M0~M5)；
2. 针对每种植物生长密度设0.25、 0.30 、 0.35 、 0.40 、 0.45m 共
五组控制水深（HC1~HC5），
以5#水位站控制； 3. 每组水深调节0.04、0.06、
缓流 深潭 浅滩
最低标准 鱼类体长的2～3倍
≥0.3m ≥0.3m/s ≥30m ≥50% ≥30m2 ≥70% 适宜鱼类生存、繁殖 概念界定 平均流速≥1 m/s 平均流速0.5～1 m/s 平均流速0.3～0.5 m/s 平均流速≤0.3 m/s 最大水深≥10m 河岸边坡≤10°， 5m范围内水深≤0.5m