一种基于拆坝及局部微地貌人工干预的支流替代生境构造方法与流程

本发明涉及水利与环境工程，尤其涉及一种基于拆坝及局部微地貌人工干预的支流替代生境构造方法。

背景技术：

水利工程作为人类改造自然、利用自然的重要手段，在防洪、发电、航运以及流域调水等方面为人类社会进步做出了重要的贡献。然而，越来越多拦河坝的兴建也给区域生态环境带来了不同程度的影响，其中又以梯级水电站的建设对生态环境影响最为剧烈。随着全民环保意识的提升，水电开发过程中的生态环境保护问题已经逐渐成为人们关注的焦点，尤其是围绕着水电开发下的鱼类保护问题。鱼类作为水生生态系统中最高级的动物，因其重要性以及对河流系统变化反应的敏感性逐渐成为河流生态系统评价中的关键指示物种之一。大坝的建设阻断了洄游性鱼类通道，致使洄游性鱼类的繁殖规模及数量较建坝前显著下降，同时还影响上下游鱼类个体行为特性及种群间的基因交流，进而导致生物遗传多样性丧失。

为了减缓水电工程对鱼类等重要水生生物资源的影响，目前，人们实施的多种鱼类保护措施已经在不同程度上起到了积极的作用，包括修建过鱼设施、设立人工增殖放流基地、水库多目标生态调度、栖息地综合保护等。受到现阶段科学认识程度、技术水平、管理难度等因素的制约，这些工程措施还难以从根本上解决鱼类因生境破碎、破坏而面临的多样性丧失的问题。近些年来，支流生境替代保护作为水电开发中生态环境保护的一种新思路逐渐受到人们的高度关注，不过目前研究较少，且不能在实施前估量实施后的效果，导致实施困难。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于拆坝及局部微地貌人工干预的支流替代生境构造方法。

技术方案：本发明所述的基于拆坝及局部微地貌人工干预的支流替代生境构造方法包括：

(1)从目标干流的支流中，选择与目标干流鱼类群落结构特征和生境异质性最相似的支流，作为替代生境支流；

(2)构建替代生境支流的一维生态河貌模型，模拟拆坝后替代生境支流的河貌变化和生境质量变化，所述一维生态河貌模型通过耦合一维水动力模型、泥沙输移及河貌变化模型和鱼类栖息地模型得到；

(3)针对替代生境支流拆坝后生境质量低于预设阈值的局部河段，构建二维生态河貌演变模型，模拟实施不同局部生态改善措施后局部河段的河貌变化及生境质量变化；其中，所述二维生态河貌演变模型利用一维生态河貌模型的计算结果作为边界条件，通过耦合二维水动力模型、二维泥沙输移模型与鱼类栖息地模型得到；所述局部生态改善措施具体为：可以调整河床冲淤演变格局、改变局部流场和河道坡降、从而达到增强水域栖息地功能的水流控制结构措施；

(4)对选择的替代生境支流进行拆坝，并对局部河段按照模拟得到的生境质量改善最大的生态改善措施，对局部河段地貌进行改造。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2-1)根据拆坝后替代生境支流当前时刻的河貌，采用一维水动力模型计算替代生境支流当前时刻的水深和流速；

(2-2)根据当前时刻的水深和流速，采用泥沙输移及河貌变化模型计算替代生境支流当前时刻的底质组成和下一时刻的河床糙率和河道地形，并将河床糙率和河道地形作为下一时刻的河貌传递给一维水动力模型；

(2-3)根据当前时刻的水深、流速和底质组成，采用鱼类栖息地模型计算得到替代生境支流当前时刻的生境质量；

(2-4)重复步骤(2-1)到(2-3)，从而得到替代生境支流全局河貌变化和生境质量变化过程。

进一步的，步骤(3)中对实施每一局部生态改善措施后局部河段的河貌变化及生境质量变化的模拟方法包括：

(3-1)根据生态改善措施实施后局部河段当前时刻的河貌，采用二维水动力模型计算局部河段当前时刻的水动力条件；

(3-2)根据当前时刻的水动力条件，采用二维泥沙输移模型计算局部河段下一时刻的河床高程、河床糙率和河道地形，并将河床高程、河床糙率和河道地形作为下一时刻的河貌传递给二维水动力模型；

(3-3)根据当前时刻的水动力条件和河貌，采用鱼类栖息地模型计算得到局部河段当前时刻的生境质量；

(3-4)重复步骤(3-1)到(3-3)，从而得到实施当前局部生态改善措施后，局部河段的河貌变化及生境质量变化。

进一步的，所述局部生态改善措施包括在局部河段构建丁坝和构建深潭-浅滩结构。

进一步的，所述鱼类栖息地模型具体为适宜度曲线法得到的栖息地模型。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明可以在实施前模拟得到实施后的效果，且还对局部生境质量不理想河段进行了改善，使得替代支流的生境更适宜鱼类生存。

附图说明

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是中华金沙鳅产卵场生境因子适宜度曲线(a：水深；b：流速；c：底质类型)；

图3是一维生态河貌模型基本框架图；

图4是交替方向差分离散格式示意图；

图5是拆坝后河床冲淤计算的边界条件设置(a:水流边界；b：悬移质泥沙边界，year1～year10分别表示拆坝后不同年份)；

图6是老木河水坝拆除后原坝址上下游河道年际冲淤分布预测(图中虚线表示每一年河床冲淤的参考面；虚线上方的实线表示河床淤积；虚线下方的实线表示冲刷)；

图7老木河水坝拆除10年以后的河床累积变化预测；

图8是老木河水坝拆除后不同年份河床地貌格局(深潭、浅滩、平滩河段)分布预测；

图9是老木河水坝拆除后中华金沙鳅产卵场生境适宜度分布；

图10不同设计流量下河道水动力计算结果和金沙鳅产卵的水动力适宜度模拟结果；

图11是配置丁坝后不同年份的冲淤分布和河床底质中值粒径的变化趋势。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于拆坝及局部微地貌人工干预的支流替代生境构造方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、从目标干流的支流中，选择与目标干流鱼类群落结构特征和生境异质性最相似的支流，作为替代生境支流。

步骤二、构建替代生境支流的一维生态河貌模型，模拟拆坝后替代生境支流的河貌变化和生境质量变化。

其中，构建的一维生态河貌模型包括一维水动力模型、泥沙输移及河貌变化模型和鱼类栖息地模型，各模型具体介绍如下：

(1)一维水动力模型

一维水力模型的构建基于下述假设：①水体是不可压缩的、均匀的，即可以忽略密度的变化；②水流在垂直方向上加速度忽略不计，并且沿着垂直水流方向的压力变化可用水静力学方法计算。一维水动力数学模型的控制方程包括水流的连续性方程及动量方程，具体如下：

式中：x为沿着水流方向的空间坐标，m；t表示时间坐标，s；a表示过流面积，m²；q表示流量，m³/s；q表示单位长度的流入或者分出的流量，m²/s；α表示动量校准系数；g表示重力加速度，m/s²；h是水面高程，m；c表示谢才系数，m^1/2/s；r表示水力半径，m。β为修正系数，β的取值由froude数fr的大小来决定，当fr≤1时，水流为缓流，可以正常求解方程；当fr＞1时，水流转化为急流，动量方程忽略对流项的影响。

(2)泥沙输移及河貌变化模型

a、泥沙输移模型为：

qt^*＝udggr(u/u*)ⁿ

式中：sk为第k组泥沙组分的断面平均含沙量，kg/m³；ρ'为泥沙的干容重，n/m³；a0k为第k组泥沙组分导致的冲淤面积，m²，z0k为推移质和悬移质引起的总的河床变形量，m；qtk为第k组泥沙组分的单宽输沙率，kg/ms；db和eb分别是悬移质泥沙沉降和冲起的数量，kg/m²s。ls为不平衡输移调整长度，为第k组泥沙组分的饱和单宽平衡输沙率，kg/ms。n是非均匀泥沙组分的总数；d为泥沙组分的中值粒径，mm；u为断面平均流速,m/s；u*表示摩阻流速，m/s；ggr表示泥沙组分的无量纲输移参数，ggr的确定依赖于描述水流运动的无量纲运动参数fgr与描述泥沙运动的无量纲参数agr以及泥沙粒径的无量纲参数dgr：s是泥沙颗粒的相对密度，其计算公式可表示为：s＝(ρs-ρ)/ρ，ρs和ρ分别是泥沙密度与水的密度，kg/m³；cgr、n、m分别是和dgr相关的无量纲系数。且

dgr＝d[g(s-1)/v²]^1/3

在dgr>60的情况下，其取值如下：

n＝0

m＝1.5

cgr＝0.025

当1<dgr≤60，其计算的表达式如下：

n＝1.0-0.56logdgr

m＝9.66dgr+1.34

logcgr＝2.86logdgr-(logdgr)²-3.53

b、河貌变化模型为：

混合层厚度：

河床变形控制方程：

河床高程：

式中，em为混合层厚度，混合层的上边界为床面，下边界为不受水流波及的原始河床，dl为床沙中不动颗粒的最小粒径，mm；l为对应的颗粒组序数；n为颗粒组数目，ε为泥沙颗粒的孔隙率；pk为泥沙组分的百分比；zk为第k组泥沙冲淤造成的河床高程变化,m。

(3)水沙模型边界处理

溢流坝的溢流流量和上下游水位之间的关系可通过堰流公式计算：

淹没出流：

非淹没出流：

式中，m为溢流坝的过流系数；b为溢流坝的宽度，zs为坝顶高程；z11和z12分别是坝址上下游计算节点的水位高程，m。

(4)鱼类栖息地模型

鱼类栖息地通常指某种鱼类群体生存和繁衍的地域或环境类型。本发明选取流速，水深和底质类型(床沙中值粒径)作为决定栖息地适宜度的关键生境因子。鱼类栖息地模型采用了适宜度曲线法：

hsi＝(iwivis)^1/3

式中，hsi表示中华金沙鳅产卵场的栖息地适宜度指数，用于评价生境质量，iw，iv和is分别中华金沙鳅产卵行为对水深，流速和底质的适合度，环境因子的适合度指数在0～1之间，0表示对应条件完全不适合产卵，1表示最适的产卵条件。适合度指数的取值由适宜度曲线确定(图2)。

对于已经构建好的一维生态模型，进行拆坝后替代生境支流的河貌变化和生境质量变化的模拟方法如图3所示，具体包括：

(2-1)根据拆坝后替代生境支流当前时刻的河貌，采用一维水动力模型计算替代生境支流当前时刻的水深和流速；

(2-2)根据当前时刻的水深和流速，采用泥沙输移及河貌变化模型计算替代生境支流当前时刻的底质组成和下一时刻的河床糙率和河道地形，并将河床糙率和河道地形作为下一时刻的河貌传递给一维水动力模型；

(2-3)根据当前时刻的水深、流速和底质组成，采用鱼类栖息地模型计算得到替代生境支流当前时刻的生境质量；

(2-4)重复步骤(2-1)到(2-3)，从而得到替代生境支流全局河貌变化和生境质量变化过程。

步骤三、针对替代生境支流拆坝后生境质量低于预设阈值的局部河段，构建二维生态河貌演变模型，模拟实施不同局部生态改善措施后局部河段的河貌变化及生境质量变化。

其中，所述二维生态河貌演变模型利用一维生态河貌模型的计算结果作为边界条件，通过耦合二维水动力模型、二维泥沙输移模型与鱼类栖息地模型得到。具体如下：

(1)二维水动力模型

二维水动力模型是基于不可压缩流体、静水压强假定以及boussinesq假定条件下连续性方程和naiver-stokes方程，采用沿水深的二维平均模式，忽略动量方程中的垂向分量，具体为：

其中：

式中，z为水位，m；h为节点水深，m；u和v分别是在x和y轴方向上沿水深积分的水平流速，m/s；vt为紊动粘性系数(m²/s)；ρ0为水体密度，kg/m³；τbx和τby分别为沿着x和y方向的床底切应力，n/m²；f为柯氏力系数，1/s。mx和my分别是x和y方向的动量源汇项，m²/s；q'是单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水等因素引起的水量变化，m/s。

(2)二维泥沙输移模型

二维泥沙输移模型采用全沙模型进行泥沙输移以及河床演变的计算，泥沙输沙率的计算采用与一维模型相同的ackers-white模型，这里不再赘述。地形更新是基于泥沙冲淤和床面高程变化之间的平衡：

式中，zb为河床高程，m；qtx和qty分别是沿x方向和y方向的全沙输沙率，kg/(ms)。

由于河床变化的时间尺度通常比水动力变化的时间尺度高1～2个数量级，通过在地貌模型中引入地貌加速因子(morphologicalfactor,mf)来解决二者在时间尺度上的不均匀性。该方法通过将每个水动力时间步长内的河貌变化量乘以地貌加速因子，使水动力结果被线性扩展到地形更新的时间步长内：

δtmor＝mf×δthyd

式中，δtmor和δthyd分别是水动力计算的时间步长和河貌变化计算的时间步长，s，mf为地貌加速因子。

(3)鱼类栖息地模型与一维中的一致。

(4)一二维模型的耦合

一、二维模型的耦合的原理是：在模型的断面连接处，根据两种模型计算的水位、流量以及输沙率相等来实现的模型的耦合，水流从一维模型流向二维模型的情况下，由一维模型求解出连接断面的物理量作为二维模型的边界条件。具体耦合过程如下：

水位连接条件：z1＝z2

式中，z1和z2分别为一、维模型在断面连接处的水位值，m。

一维模型在连接断面的流量值按照连接处的水深值分配到二维模型的入流边界：

q1＝∫uξhξdξ

式中，q1为一维模型在断面连接处的流量值，m³/s；ξ为二维模型的法向坐标；uξ和hξ分别是断面连接处沿法向分布的流速和水深，m/s，m。

在构建好二维生态河貌演变模型后，步骤三会对实施每一局部生态改善措施后局部河段的河貌变化、水动力条件变化及生境质量的改善进行模拟，所述局部生态改善措施具体为：可以调整河床冲淤演变格局、改变局部流场和河道坡降、从而达到增强水域栖息地功能的水流控制结构措施，包括在局部河段构建丁坝和构建深潭-浅滩结构等。模拟的方法具体包括：

(3-1)根据生态改善措施实施后局部河段当前时刻的河貌，采用二维水动力模型计算局部河段当前时刻的水动力条件；

(3-2)根据当前时刻的水动力条件，采用二维泥沙输移模型计算局部河段下一时刻的河床高程、河床糙率和河道地形，并将河床高程、河床糙率和河道地形作为下一时刻的河貌传递给二维水动力模型；

(3-3)根据当前时刻的水动力条件和河貌，采用鱼类栖息地模型计算得到局部河段当前时刻的生境质量；

(3-4)重复步骤(3-1)到(3-3)，从而得到实施当前局部生态改善措施后，局部河段的河貌变化及生境质量变化。

其中，二维模型的数值计算格式采用了交替方向的隐式差分格式(alternatingdirectionimplicit,adi)，在水平面上采用交错网格，将对原偏微分方程组的求解转化为求解网格上离散点的变量值，u、v、z、h变量在网格中指定的位置进行计算(图4)。在时间上采用了显、隐格式交替进行计算。具体方法是把每一个时间步长等分成两个时间层，在前半个时间步采用隐式差分格式求解x轴方向上动量方程和连续性方程，得到时间层面上的u值和z值，然后在y方向上联立动量方程和连续性方程，采用显示差分格式求得时间层上的v值；依照前半部的离散方式，在后半个时间步对调求解顺序，首先在y方向上联解动量方程和连续性方程，用隐式差分格式求得(n+1)δt时间层上的v值和z值，然后采用显示差分求得(n+1)δt时间层上的u值。下列所示为adi差分格式：

其中

通过adi法对连续性方程和动量方程差分求解可以得到每一个计算时间步长的水动力场分布，并用于泥沙输移场和河床地形的更新，时间步长δt的选取内，相邻网格在同一方向上的长度比不应超过1.2。此外，时间步长δt的选取对模型稳定性和精度都有很大影响，时间步长过大可能会使计算不容易收敛，相反时间步长选取过小则会大大增加有效计算时间且放大离散误差，时间步长δt的确定由courant数确定：

式中，cf为courant数，当其小于时认为时间步长的选取满足adi算法精度要求；δx和δy分别是在x和y轴方向的最小网格尺度，m。

步骤四、对选择的替代生境支流进行拆坝，并对局部河段按照模拟得到的生境质量改善最大的生态改善措施，对局部河段地貌进行改造。

下面采用具体例子来说明。

该例中，选择中国金沙江下游作为目标干流，金沙江下游河流生境具有较高的空间异质性和时间动态变化特征，为不同鱼类的生境选择提供了适宜的场所。在金沙江下游“白鹤滩～乌东德”段各主要支流中，黑水河植被资源变化多样，河道呈“v”字型，曲折蜿蜒，形成了鱼类生境的多样性，白鹤滩水库建成蓄水后，原来急流的环境会逐渐过度到河道型水库环境，急流产卵的土著鱼类将会失去赖以生存的产卵场生境。因此，从鱼类群落结构特征及生境异质性来看，黑水河鱼类群落结构特征和生境异质性与金沙江干流最为相似，选择黑水河作为替代生境支流。选择中华金沙鳅作为目标鱼类。老木河水坝是黑水河下游四级电站中的最下一级，坝址处距离河口41.2km，建于1988年，基本无调蓄能力，因此对老木河水坝拆坝进行模拟。

采用一维生态河貌模型进行模拟，预测原坝址上下游河道在未来10年内的河貌变化以及生境质量(栖息地适宜度)变化情况，其中，第一年模拟的边界条件选用2018年12月～2019年12月的实测水沙序列，其余9年的边界条件选用2009年12月～2018年12月水文系列年的流量和沙量序列(图5)。河床冲淤变化模拟结果如图6所示，可以看出拆坝后河床冲淤变化分布具有显著的差异。在拆坝后第1年(year1)，由于库区淤沙的无控释放，上游河床迅速侵蚀下切，最大冲刷深度出现在坝体附近，并且随着时间推移，侵蚀裂点由坝体逐渐向上游发展；坝址下游河床受冲刷下泄泥沙的影响而出现显著抬高，淤积现象主要集中在坝址下游1.0km以内的河道，而且淤积深度沿水流方向降低。随着库区淤沙的持续冲刷，地形动力结构处于不断调整之中，上游河段出现了溯源侵蚀现象，并且侵蚀裂点向更上游发展的趋势，由此冲刷的沉积物在下游河床以沙垄和沙浪的形式向前推进，并不断拉伸加长。拆坝5年后(year5)，河床形态调整幅度减小，河道地形基本达到稳定。但是至拆坝后第7年(year7)，床面再一次出现了显著的起伏变化，原坝址上游库区河段发生强烈冲刷侵蚀，最大下切深度达到了2.26m，淤积现象主要出现在坝址下游12～13km处。从老木河水坝拆除10年后的河床累积变化来看(图7)，坝址上游河床变化主要以侵蚀下切为主，侵蚀现象主要集中在原库区段，库区上游河床未受到较大扰动。长远来看，拆坝后库区河床比降由拆坝前2.2‰增加至3.8‰，坝址上下游河床恢复自然连通，河流形态回归至建坝前的原始状态，提高洄游鱼类和溯河产卵鱼类种群的物种数量；其次，大坝的修建使原有连续的河流生态系统被分割成不联系的片段，导致群体之间出现遗传分化。此外，上游冲刷的沉积物主要淤积在下游3.0～8.0km的河道内，主要是由于河道断面拓宽、水流能量梯度降低导致输沙能力减弱。老木河水坝拆除后不同年份的河床地貌模拟结果表明(图8)，拆坝工程显著提高了研究河段的地貌格局多样性，部分河段出现了浅滩地貌，地形地貌的显著变化提高了水生生物栖息地多样性。

拆坝后的栖息地适宜度变化情况如图9所示，该模拟在中华金沙鳅产卵期50％的月平均流量下，基于拆坝后的地形条件对该物种产卵场的生境适宜度进行。由图可以看出，在老木河水坝拆除以前，只有16％的河段(3.0km)产卵条件较为适宜(hsi>0.8)，同时有接近42％的河段(7.5km)产卵场适宜度较差(hsi<0.4)；拆坝1年后，有45％的河段(8.1km)适合作为产卵场(hsi>0.8)，不适合产卵(hsi<0.4)的河段降至26％(4.7km)，产卵场质量得到了显著提升；拆坝后第5年至第10年，适合产卵(hsi>0.8)的河段由40％(7.2km)增加至68％(12.2km)，同时不适合产卵(hsi<0.4)的河段由13％(2.4km)降至9％(1.7km)。

总体而言，小型水坝导致的河流地貌改变会促进河道水流多样性，进而提高鱼类产卵场的适宜度指数。但是研究区域最下游5km河段生境质量并没有得到显著性改善，其主要原因是上游建坝以后，下游河道因遭受清水冲刷而出现了床质粗化现象，导致原有河床结构退化，而且老木河水坝的水库库容十分有限，拆坝以后侵蚀输送下来的推移质泥沙很难运动至此。因此，该区域河床形态以及水流结构均没有太大改变，需要有针对性地采取人工修复措施(构建丁坝、深潭-浅滩结构)来改造河床结构，丰富水流多样性，从而营造水生生物适宜的栖息环境，并采用二维模型对该区域河形以及鱼类栖息地的变化做进一步研究。

二维生态河貌演变模型的模型选择老木河水坝下游11km处的顺河村至大花地村附近的河段为研究对象，对该河段设计不同设计频率流量下中华金沙鳅产卵场栖息地适合度模拟，模拟结果见图10。根据图10可知，在设计频率为75％、50％和25％的产卵期月平均流量下，该河段为中华金沙鳅的产卵行为提供了良好的水深环境，但流速适合度(iv)整体较低，几乎所有生境单元的流速适宜度都在0.6以下；在10％的设计流量下，研究河段的流速适宜度有所提高，有接近20％的生境单元达到了较适宜的流速状态(iv>0.8),但此时部分区域水深过大，超出了适宜范围。对于his，在75％的设计流量下，所有生境单元的栖息地适合度指数(hsi)均在0.8以下，表明该河段水力生境较差，不适合中华金沙鳅产卵；在50％的设计流量下，除弯道右岸较短区域外，其他区域基本不适合产卵(hsi<0.4)，产卵场整体状况较差；在25％的设计流量下，有接近5％的生境单元产卵条件较为适宜(hsi>0.8)，主要集中在下游的弯道处；在10％的设计流量下，产卵场适合度明显提高，有超过34％的生境单元适合产卵，同时，可以发现弯道以上河段水深超过了适宜范围，导致产卵场栖息地质量较差。综上可知，在75％～25％的设计流量时，主要受流速限制，产卵场的整体适合度较差；当流量增加至10％时，产卵场的适合度虽然有所改善，但由于水深超过了适宜范围，适宜中华金沙鳅产卵的区域面积较小，会导致产卵行为相对集中，不利于产卵亲鱼的摄食和鱼卵的发育。因此，有必要采取有针对性的人工修复措施诱导河貌演变，增加水力学条件的多样性，创造多样化的栖息地，从而维持不同流量下产卵场生境质量的稳定性，为溯河到支流产卵的鱼类提供适宜的水流环境。

本例采用丁坝(spurdike)作为局部改善措施。丁坝是从河道岸边伸出、在河流平面上与河岸构成“丁字形”的河道整治结构物，在发挥束水攻沙与河道治理功能的同时也会造成水流方向与泥沙输移的改变。本例将丁坝沿河岸两侧交叉布置形成丁坝群，坝顶顶面高于河流水位或河岸顶面，坝体长度(l)与平滩河宽之比应保持在0.25～0.33之间丁坝顶端至河对岸的距离在70％～80％范围，即坝体长度不应超过河宽的30％，因此本文设计的丁坝长度为24m，为平均河宽的30％。坝体长度(l)和相邻坝体之间的错口距离(d)比值(d/l)不小于3.4，本例选择5，即生态丁坝错口距离为120m，为坝体长度的5倍。模拟结果见图11，根据图可以看出，丁坝有效改善了河床冲淤变化和河床底质组成。综上实验结果，可以看出本发明构造的替代支流生境可以满足干流鱼类生境质量需求。