4. 河流生态系统结构功能模型的应用
a) 对河流生态系统的双重胁迫 b) 生态水工学的理论框架 c) 结构功能应用举例

a)对河流生态系统的双重胁迫

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）。
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。
结 语
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。 河流生态系统结构功能模型是生态水工学 的理论基础。 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。
景观格局分析：景观格局－生态过程模型 生态水力学：微生境评估 RS GIS GPS DEM 应用

技术工具 1－ 景观格局分析
空间景观模式－缀块、廊道、基底 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

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。
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Month.date 4.30
5.10
5.20
5.30
6.10
6.20
6.30
3. 河流空间异质性－生物群落多样性 耦合模型
上中下游空间异质性 蜿蜒性 横来自面多样性 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

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； 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；
1水文-生物-生态功能河流连续体4－D
模型
1 水文-生物-生态功能河流连续体4－D 模型
Ward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） 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。


Water Level (m)
46
Yidu
Spawning records
45
44
Jianli
43 31
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）
Guangji
42 30 23
41 29 22
40 28 21
27 20
26 19
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营养物质的 载体和介质
人类和生物群落 的可再生资源
造就了空间 异质性的生境
水域生物群落 的信息流
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－FPC

Junk 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。
边滩 浅滩 深潭
深潭 浅滩
平面图

浅滩
深潭
浅滩
深潭

河流的横断面形状多样性，表现为 深槽与边滩交错；
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。
剖面图

3 河流空间异质性－生物群落多样
性耦合模型
基于河流地貌学－河流生态学的原理 河流空间异质性与河流生物群落多样性存 在正相关关系。 提高空间异质性 提高生物群落多样性 耦合模型是建立二者的相关关系，评估生 态状况，预测未来状态状况。

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 1958－2008
工程目的 工程任务 学科基础
对水资源开 对河流改造 工程力学 传统水利工程学 发利用 对水流控制 水文学
兼顾生态系 兼顾生物栖 增加 生态水利工程学 统健康 息地建设 生态学
c) 河流生态系统结构功能模型的应用举例
河流生态修复
水库生态调度
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
洪水脉冲的生态功能
洪水脉冲的生态功能
河流－滩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

长江的四大家鱼每年5~8月水温升高到18℃以上时， 如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处 产卵场进行繁殖。
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。
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
非筑 连坝 续引 化起 顺 流 方 向
1水文-生物-生态功能河流连续体4－D模 型
河流水文-水力学因子三维连续性； 营养物质流和能量流空间连续性； 生物群落结构空间连续性； 信息流空间连续性； 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
富营养化
3.模拟自然水文情势的水库泄流方式
选择标志性物种，建立相应的数学模型。
小浪底水库泄流
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。
明确水文过程与生 态过程的相关关系， 制定合理的生态 调度方案。
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。
三门峡水库泄流
建库后多年日平均流量 2000 建库前多年日平均流量
流量(m3/s)
1500 1000 500 0 1 20 39 58 77 96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 343 362 天数
生态学与相关学科交叉
水利工程学
生态水工学
地貌学
景观 生态 学
非筑 连堤 续引 化起 河 流 侧 向
调 水 区 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

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
整体性
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
1 水文-生物-生态功能河流 连续体4－D模型
1 水文-生物-生态功能河流连续体4－D 模型


Vannote等人在1980年提出了河流连续体概念 (River Continuum Concept, RCC) 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 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。
b)兼顾生态的水库多目标调度
水库多目标生 态调度方法是指在 实现防洪、发电、 供水、灌溉、航运 等社会经济多种目 标的同时，兼顾河 流生态系统需求的 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
婆；；【
生态学
生态水文学
生态 水力 学
水力学
水文学
什么是生态水利工程学？
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
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）
2008年4月 北京
提 纲
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引言 水文－生物－生态功能的河流连续体 4-D 模型 水文过程－生态过程耦合模型 河流系统空间异质性－生物群落多样 性耦合模型 模型应用
正负反馈
营养结构 河流生态系统 结构原理
层级结构
空间与时间 结构