生态水力学在水利工程生态环境效应模拟调控中的应用
发表时间：2018-12-13T09:26:18.187Z 来源：《建筑模拟》2018年第27期作者：丁一桐[导读] 生态水力学是水力学、生物学以及生态学的交叉学科，其研究的重点主要包括水动力对水生态系统的作用机制以及水生态健康的水力调控技术。
丁一桐
华北水利水电大学河南省郑州市 450046摘要：生态水力学是水力学、生物学以及生态学的交叉学科，其研究的重点主要包括水动力对水生态系统的作用机制以及水生态健康的水力调控技术。
除此之外，水动力条件对物质生物地球化学过程的影响、生态系统中物种构成、生态功能效应、水生态系统演变对水力的影响等都属于生态水力学研究的内容。
本文将深入探讨生态水力学在水利工程生态环境效应模拟调控中的应用。
关键词：生态水力学；水利工程；生态环境效应；模拟调控
前言：近些年来，社会用水需求量的增加以及水污染的日益严重使得水利事业受到了较大的影响。
为了实现水资源的高效应用，我国加大了水利工程的建设力度，如水电工程、水库等。
而工程建设必然会对周边生态环境带来一定的影响，为了将负面影响控制到最低，有必要加强对生态水力学的研究，为工程生态环境效应模拟调控提供帮助。
1.生态水力学概述
生态水力学是20世纪90年代兴起的一门交叉性学科，致力于研究水动力学和水生生态系统动力学之间的相互作用[1]。
实际上，生态水力学是环境水力学的一个分支，其研究范围覆盖了生态流量、水环境、生境修复等多个方面。
目前，生态水力学领域每两年会召开一次国际性大会，且形成了专业的国际学术期刊。
结合生态水力学的发展来看，其研究内容大致可以概括为两个方面：其一，水文情势和水动力条件变化对水生态系统的影响。
例如，人类的水利工程建设活动会对自然河流的能量场、生物场等产生破坏，进而对生源要素在河流中的生物地球化学行为造成影响，最终结果就是河流生态系统的功能以及其中的物种构成会发生一定的变化[2]。
其二，生态系统演变对水力情势的影响，如河流岸边带植被格局的演变对河流水动力产生的影响等。
生态水力学进行上述两个方面研究的目的是为水利工程建设提供服务，使水工建筑物设计和建造中选择合适的技术，最大程度的避免建造活动对生态系统带来了的不利影响。
基于此，生态水力学的研究满足于生态水工的实际需求。
生态水力学在水利工程生态环境效应模拟调控中发挥着重要的作用，为了应对能源危机，世界各国都在加快进行能源开发的探索，我国现阶段的能源战略是大力发展水电。
原因在于我国水电储量丰富，拥有巨大的开发潜力。
目前，我国水电开发需要解决关键性问题主要包括两个方面，分别是移民和生态环境保护，而基于水电开发的生态环境效应和调控技术则是生态水力学研究的重要内容。
结合近些年国外水电开发生态环境研究方面的成果来看，该领域研究的重点包括三个方面：其一，水动力对生物的作用机制以及生态系统效应。
其二，工程运行对河流生态系统的净损益。
其三，工程生态优化设计和运行技术。
结合研究中遇到的难点来看，水电开发中生态水力学研究的关键点集中在响应机理、模拟方法、调控技术以及体系构建等方面[3]。
2.生态水力学在水利工程生态环境效应模拟调控中的应用研究 2.1生态水力学应用的基础在水利工程生态环境效应模拟调控中，水动力因子对生物的作用关系是生态水力学应用的基础，同时也是学科研究的基础，一般情况下，多采用实验室控制实验或是野外原位观测的方法开展研究活动[4]。
首先，通过植物对水分的斜坡实验获得植物对水文过程的相应。
例如，实验人员对在漓江某河段的野外植被进行了调查分析，选择了刺果酸模、水蓼以及益母草等三种当地分布较为广泛的草本植物作为研究对象。
根据实验结果来看，在条件较为适宜的情况下，植物生物量增加和斯蒂生长曲线相符合。
在淹水胁迫实验中，淹水时间若是超过30天，全淹组植株的死亡率达到50%。
淹水实验为70天时，植株全部死亡。
而半淹组植株在淹水50天后才出现少量的死亡。
此外，轻胁迫组和对照组植株在70天后才开始出现死亡现象，且死亡率极低。
如下图所示，反映了目标植物对淹没实验的一组典型相应曲线及有关参数。
图1 刺果酸模淹没胁迫曲线
图2 水蓼淹没胁迫曲线
其次，在研究水动力和鱼类作用关系时，由于传统实验方法无法满足实验要求，因此采用的新方法，即综合考虑实验生物的年龄、性别、体重以及体长等因素，构建生物活动空间和原型比尺模型，在此基础上结合野外声学标签观测，对实验结构进行验证。
例如，选取漓江光倒刺鲃作为实验对象，将从野外捕捞的光倒刺鲃送入到忒特定的环形水槽内驯养，为了保障其健康生长，在水槽内加装了供氧装置，每周换水一次，每日定量喂食，一个月后开始实验，实验项目包括静水实验和动水实验两部分，前者主要是观察鱼对河床底质的选择，后者则是探究水动力条件对鱼类行为的影响。
在实验中，要观察鱼在不同底质下驻留的时间，尤其是动水条件下鱼主要活动区域驻留时间，并进行流速测量，之后将驻留施加转化为可能性，再将可能性转化为适应性，这样就可以获得水环境因子和生物适应性之间的相应关系。
2.2生态水力学模型
生态水力学模数值模型是水利工程生态效应定量评价和调控技术研究的重要手段，可以为工程生态效应分析以及调控方案的优化提供帮助。
实际上，生态水力学模型反映的是水文动力模块和生态动力学模块以及两者之间时空耦合的过程。
其一，基于元胞自动机的岸边带植被演替模拟。
水利工程运行会对河流水位造成影响，例如水库运行会在库内形成较大的消落带，并在坝下河道形成更宽的岸边带，水位变化会对岸边带植被格局造成影响，为了保障生态系统稳定，就需要对岸边带以及消落带植被格局在水库调节作用下的演替情况进行模拟预测。
具体需要构建基于非结构元胞自动机植被模型，将其与二维水环境模型进行耦合，以此实现对全局变化下河流岸边带植被格局受到的影响进行模拟，同时通过水动力模块对水流因子进行模拟[5]。
植物动态则采用基于非结构网格的元胞自动机模式模拟，将模拟结果反馈到水动力模块中。
其二，基于个体的鱼类动态模型。
基于个体模式，和水动力模型进行耦合，重点研究水流条件变化下鱼类种群量及其分布情况受到的影响，形成耦合了二维水动力模块的鱼类动态模块以及基于个体的鱼类动态模块。
水动力模型和鱼类动态模型最好采用同一套网络，这样可以避免空间耦合问题，将注意力集中在时间过程的耦合。
在具体耦合过程中，水环境模型中输出的水环境因素模拟值会实时传递到鱼类动态模型。
其三，生物生境评价模型。
栖息地模型是评价水电开发运行生态环境效应和生态修复措施的重要方法，因为栖息地的状态在很大程度上反映了生态系统的健康状况。
传统的栖息地模型主要关注栖息地面积，对栖息地空间分布及其影响的考虑稍显不足。
对此，可以引入景观生态学概念，构建全新的栖息地空间评价方法，对有效栖息地斑块进行定义，明确栖息地连通性指数。
结语：综上所述，将生态水力学应用到水利工程生态环境效应模拟调控中能够明确工程运行对水域生态系统造成的影响，进而为水域生态环境调控提供可靠依据。
参考文献：
[1]姜翠玲,王俊. 我国生态水利研究进展[J]. 水利水电科技进展,2015,35(05):168-175.
[2]阿不都赛麦提·阿不都克力木. 生态水力学研究浅述[J]. 传奇.传记文学选刊(教学研究),2013(04):54-55.
[3]康绍忠,霍再林,李万红. 旱区农业高效用水及生态环境效应研究现状与展望[J]. 中国科学基金,2016,30(03):208-212.。