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）20082008年年4 4月月北京北京 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 模型应用正负反馈层级结构整体性空间与时间结构营养结构 河流生态系统结构原理生态系统功能物种流动能量流动物质循环信息流动自我调节生物生产水文过程与生态过程耦合模型空间异质性生物群落多样性耦合模型水文生物生态功能河流连续体 4-D 模型 河流生态系统结构 功能1 水文-生物-生态功能河流 连续体4D模型1 水文-生物-生态功能河流连续体4D模型nVannote等
2、人在1980年提出了河流连续体概念(River Continuum Concept,RCC)n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n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。1 1水文-生物-生态功能河流连续体4D模型1 水文-生物-生态功能河流连续体4D模型nWard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）n时间坐标时间坐标：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。1水文-生物-生态功能河流连续体4D
3、模型l 河流水文-水力学因子三维连续性；l 营养物质流和能量流空间连续性；l 生物群落结构空间连续性；l 信息流空间连续性；l 水文、生物及河流生态系统演变和进化的动态特征 2 水文过程与生态过程耦合模型2 水文过程与生态过程耦合模型水文循环的生态学意义营养物质的载体和介质造就了空间异质性的生境水域生物群落的信息流人类和生物群落的可再生资源水文过程与生态过程耦合模型环境流量模型洪水脉冲模型洪水脉冲概念FPCnJunk 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。洪水脉冲的生态功能 洪水脉冲的生态功能河流滩
4、区系统是有机物高效利用系统提高了河流漫滩系统的动态连通性洪水脉冲的信息流功能洪水脉冲提高了生物群落多样性信息流功能n长江的四大家鱼每年长江的四大家鱼每年5858月水温升高到月水温升高到1818以上时，以上时，如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的3838处处产卵场进行繁殖。产卵场进行繁殖。n家鱼在涨水第一天开始产卵，如江水不再继续上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。涨或涨幅很小，产卵活动即告终止。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）3.河流空间异质性生
5、物群落多样性 耦合模型n上中下游空间异质性n蜿蜒性n横断面多样性n岸坡物质的透水性和多孔性3 河流空间异质性生物群落多样性 耦合模型n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；n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；n河流的横断面形状多样性，表现为深槽与边滩交错；n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。平面图剖面图边滩深潭深潭深潭深潭浅滩浅滩浅滩浅滩3 河流空间异质性生物群落多样性耦合模型n基于河流地貌学河流生态学的原理n河流空间异质性与河流生物群落多样性存在正相关关系。n提高空间异质性 提高生物群落多样性n耦合模型是建立二者的相关关
6、系，评估生态状况，预测未来状态状况。4.河流生态系统结构功能模型的应用na)对河流生态系统的双重胁迫nb)生态水工学的理论框架nc)结构功能应用举例a)对河流生态系统的双重胁迫n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）。对自然河流生态系统的胁迫人类活动胁迫自然力胁迫气候变化地壳变化火山爆发地 震山体滑坡海洋侵蚀水利工程对河流生态系统的胁迫水利工程对河流生态系统胁迫自然河流人工渠道化自然河流非连续化跨流域调水工程直线化 裁弯取直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调水区
7、胁迫效应 受水区胁迫效应运河沿线胁迫效应a)河流的人工渠道化渠道化直线化断面规则化护坡硬质化b)河流的非连续化河流非连续化水 坝堤 防b)河流的非连续化水文情势变化n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生态学与相关学科交叉地貌学水力学水文学水利工程学生态水工学生态水文学生态水力学景观生态学婆；【生态学 什么是生态水利工程学？n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。生态水利工程学的学科基础和研究对象工程目
8、的工程任务学科基础传统水利工程学传统水利工程学对水资源开发利用对河流改造对水流控制工程力学水文学生态水利工程学生态水利工程学兼顾生态系统健康兼顾生物栖息地建设增加生态学c)河流生态系统结构功能模型的应用举例n河流生态修复n水库生态调度n水电梯级开发程度河流生态修复的技术工具 景观格局分析、生态水力学n景观格局分析：景观格局生态过程模型n生态水力学：微生境评估nRS GIS GPS DEM 应用技术工具 1 景观格局分析n空间景观模式缀块、廊道、基底n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。技术工具 2生态水力学n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
9、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。b)兼顾生态的水库多目标调度 水库多目标生水库多目标生态调度方法是指在态调度方法是指在实现防洪、发电、实现防洪、发电、供水、灌溉、航运供水、灌溉、航运等社会经济多种目等社会经济多种目标的同时，兼顾河标的同时，兼顾河流生态系统需求的流生态系统需求的水库调度方法水库调度方法。传统水库调度模式所存在的问题径流调节低温水下泄泄洪掺气 清水下泄蓄水运行 洪水脉冲减弱影响鱼类繁殖鱼类气泡病下游冲刷，地貌变化富营养化3.3.模拟自然水文情势的水库泄流方式模拟自然水文情势的水库泄流方式 三门峡水库泄流小浪底水库泄流明确水文过
10、程与生态过程的相关关系，制定合理的生态调度方案。选择标志性物种，建立相应的数学模型。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。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。结 语n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。n河流生态系统结构功能模型是生态水工学的理论基础。n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。人法地，地法天，天法道，道法自然。老子道德经庆祝中国水利水电科学研究院建院50周年19582008
