一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法

摘要

本发明涉及一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法，包括：分析香鱼育肥期的育肥场栖息地功能特点；分析着生藻类特点；分析影响香鱼饵料因素；非洪水期水流流速和需水量计算；洪水期香鱼育肥场水流流速和需水量计算。现行的生态需水量计算中缺乏关联生物实际生存和生长所需的环境需求问题的分析。本发明选择濒危物种香鱼作为生态保护目标，首先分析其育肥期的育肥场栖息地功能特点，进一步分析为满足这种栖息地功能所需的水流条件，最后提出适合香鱼在育肥期的生存和生长所需的生态需水量计算方法。本发明通过生态需水量的计算，修复和改善濒危鱼类栖息地环境和功能，丰富和发展生态需水量计算评估方法，为生物多样性保护与水资源调度管理提供科学依据。

权利要求

1.一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法，其特征在于，包括：分析香鱼育肥期的育肥场栖息地功能特点的步骤：分析香鱼育肥期的各个生物过程的食性；香鱼为洄游鱼类，生长期分为育肥期、产卵期、越冬期和洄游期；香鱼育肥期的食性特点是以着生藻类为饵料来源；

分析着生藻类特点的步骤：藻类基于其生境，分为悬浮于水体的浮游藻类和着生于各种基质的着生藻类；着生藻类根据其生长基质又分为生于植物表面的附植藻类、着生于石块的附石藻类、附着于沉积物表面的藻类和附着于动物表面的藻类几种；香鱼的食性是刮食附着于卵石上的新鲜的硅藻类；

分析影响香鱼饵料因素的步骤：根据影响香鱼进食新鲜的着生藻类的特点，分析香鱼育肥场水流对香鱼饵料的影响；影响香鱼饵料的水流流速和需水量须达到如下两个指标：非洪水期的河溪中：水流流速和需水量须足以达到将死亡的硅藻类从卵石表面冲走，保证卵石表面硅藻类的重新生长；

洪水期：水流的流速和水量足以带走水中的泥沙，避免泥沙沉降覆盖卵石表面的新鲜硅藻类；

非洪水期水流流速和需水量计算的步骤：根据公式计算香鱼育肥场的断面平均流速和生态需水量Q：其中： 为临界摩阻流速、κ为Karman常数、h为水深、 为有效糙率高、B为河道宽度；

洪水期香鱼育肥场水流流速和需水量计算的步骤：洪水期的泥沙考虑两种情况，一种是无粘滞性泥沙，另一种是有粘滞性泥沙；

无粘滞性泥沙根据以下公式计算：

有粘滞性泥沙根据以下公式计算：

其中：θm为临界起动条件下的Shields参数、ρs为泥沙颗粒密度、ρ为水体密度、d为泥沙颗粒直径、g为重量加速度、S为沉积含沙量、Sm为泥沙沉积稳定后的含沙量、Uc1为泥沙起动对应的河道断面平均流速。

说明书

一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法，是一种生态保护的水文计算方法，是一种基于鱼类保护目标生命周期水流条件的香鱼育肥期的生态需水量计算方法。

背景技术

[0002] 水生态需水满足是河流生态系统稳定和生物多样性保护的前提。国内外开展河流生态需水量研究已有60多年的历史，已提出的方法超过200种。大致分为四类：。我国水利水电行业也颁布了《河湖生态需水评估导则》（试行）（SL/Z479-2010）和《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》（环评函[2006]4号）技术标准，规定首先采用水文学法中的Tennant法、流量历时曲线法以及水力学法中的湿周法分析计算生态需水量，在此基础上，结合河道保护物种生境需求及水文径流特征综合分析确定河道生态需水量。众所周知，水生态系统和河流水文情势之间关系非常复杂，上述Tennant法、流量历时曲线法以及湿周法等多种河流生态需水量的分析方法缺乏针对具体保护物种的生态习性和水流条件需求耦合的分析，会对计算结果的准确性产生影响。这种计算偏差直接影响河流水资源调控，即影响水资源的生产、生活和生态用水分配，也影响生态保护的效果。

发明内容

[0003] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法。所述的方法以濒危物种之一的洄游鱼类香鱼的生命周期中的育肥期为研究对象，从满足鱼类育肥的栖息地功能的水流条件出发，提出结合鱼类生存和生长所需的生态需水量的相对精确计算方法。

[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法，包括：

[0005] 分析香鱼育肥期的育肥场栖息地功能特点的步骤：分析香鱼育肥期的生育过程和各个生物过程的食性；香鱼为洄游鱼类，生长期分为育肥期、产卵期、越冬期和洄游期；香鱼育肥期的食性特点是以着生藻类为饵料来源；

[0006] 分析着生藻类特点的步骤：藻类基于其生境，可以分为悬浮于水体的浮游藻类和着生于各种基质的着生藻类；着生藻类根据其生长基质又可分为生于植物表面的附植藻类、着生于石块的附石藻类、附着于沉积物表面的藻类和附着于动物表面的藻类几种；香鱼的食性是刮食附着于卵石上的新鲜的硅藻类；

[0007] 分析影响香鱼进食因素的步骤：根据影响香鱼进食新鲜的着生藻类的特点，分析香鱼育肥场水流对香鱼育肥的影响；影响香鱼育肥的水流流速和需水量须达到如下两个指标：

[0008] 非洪水期的河溪中：水流流速和需水量须足以达到将死亡的着生藻类从卵石表面冲走，保证卵石表面硅藻类的重新生长；

[0009] 洪水期：水流的流速和水量足以带走水中的泥沙，避免泥沙沉降覆盖卵石表面的新鲜着生硅藻类；

[0010] 非洪水期水流流速和需水量计算的步骤：根据公式计算香鱼育肥场的断面平均流速 和生态需水量Q：

[0011]

[0012]

[0013] 其中： 为临界摩阻流速、κ为Karman常数、h为水深、 为有效糙率高、B为河道宽度；

[0014] 洪水期香鱼育肥场水流流速和需水量计算的步骤：洪水期的泥沙考虑两种情况，一种是无粘滞性泥沙，另一种是有粘滞性泥沙；

[0015] 无粘滞性泥沙根据以下公式计算：

[0016]

[0017]

[0018] 有粘滞性泥沙根据以下公式计算：

[0019]

[0020]

[0021] 其中：θm为临界起动条件下的Shields参数、ρs为泥沙颗粒密度、ρ为水体密度、d为泥沙颗粒直径、g为重量加速度、S为沉积含沙量、Sm为泥沙沉积稳定后的含沙量、Uc1为泥沙起动对应的河道平均流速。

[0022] 本发明产生的有益效果是：现行的生态需水量计算中缺乏关联生物实际生存和生长所需的环境需求问题的分析。本发明选择濒危物种香鱼作为生态保护目标，首先分析其育肥期的育肥场栖息地功能特点，进一步分析为满足这种栖息地功能所需的水流条件，最后提出适合香鱼在育肥期的生存和生长所需的生态需水量计算方法。本发明通过生态需水量的计算，修复和改善濒危鱼类栖息地环境和功能，丰富和发展生态需水量计算评估方法，为生物多样性保护与水资源调度管理提供科学依据。本发明所述方法改进现有生态需水量的方法，计算结果更加合理准确，目标物种得到有效保护。合理协调生产、生活和生态用水之间的关系，提高水资源利用效果和效益。对于濒危物种及生物多样性的保护具有较好的参考价值。补充和发展现有的生态需水量计算的行业技术规范。

附图说明

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0024] 图1是香鱼不同生命周期栖息地示意图；

[0025] 图2是本发明的实施例一所述方法的过程示意图。

具体实施方式

[0026] 实施例：

[0027] 本实施例是一种香鱼育肥期的生态需水量计算方法。

[0028] 本实施例的基本思路是：鱼类不同生命周期的各个环节对生态环境的要求是不同的，对生态需水量的要求也是不同的。现有的生态需水量的计算方法主要通过河流水文过程及其水力学参数来确定的，缺乏具体需要保护的生物的生命过程特点及实际生存和生长所需的生态环境分析。为此，本实施例选择濒危洄游鱼类-香鱼作为研究对象，将其生命过程分解成产卵、育肥、越冬和洄游等若干生命周期，分析育肥期对生长环境的具体需求，进而计算鱼类育肥期的生存和生长所需的生态需水量，见图1。

[0029] 本实施例所述方法的具体步骤如下，过程如图2所示：

[0030] 一、分析香鱼育肥期的育肥场栖息地功能特点的步骤：分析香鱼育肥期的生育过程和各个生物过程的食性；香鱼为洄游鱼类，生长期分为育肥期、产卵期、越冬期和洄游期，香鱼育肥期的食性特点是以着生藻类为饵料来源。

[0031] 一般每年3～5月，当河水水温逐渐上升到10℃～15℃时，在河口海岸附近越冬的香鱼幼鱼（体长2～3cm）便进入河口上溯洄游至位于河流中上游育肥场；6～8月份，香鱼在河流中上游育肥场育肥成长，此时大的个体长达20cm；9～10月份，香鱼从育肥场向下游至产卵场产卵；11～12月份，香鱼孵化后的仔鱼从产卵场向下游降河洄游至位于河口及海岸的越冬场；1～2月份，香鱼幼鱼在位于河口及海岸的越冬场越冬成长（体长2～3cm）。香鱼三场分布及鱼类洄游情况如图1。

[0032] 香鱼在仔鱼孵出4～5天后开始摄食，幼鱼阶段在河口海岸附近的越冬场摄食枝角类和桡足类及其他小甲壳类等为主，为动物食性。随着个体发育，每年3～5月沿河上溯洄游至育肥场的游进过程中，摄食器官发生演变，摄食目标逐步改为低等藻类。在香鱼育肥场以河床卵石上的着生藻类为食。因此，对于香鱼的育肥期而言，育肥场的着生藻类的生长的好坏决定着香鱼生长的好坏。

[0033] 二、分析着生藻类特点的步骤：藻类基于其生境，可以分为悬浮于水体的浮游藻类和着生于各种基质的着生藻类；着生藻类根据其生长基质又可分为生于植物表面的附植藻类、着生于石块的附石藻类、附着于沉积物表面的藻类和附着于动物表面的藻类几种，香鱼的食性是刮食附着于卵石上的新鲜的硅藻类。

[0034] 藻类是通过光合作用将氮、磷等营养盐转化为有机物质的最低级的水生植物。基于其生境，藻类可以分为悬浮于水体的浮游藻类和着生于各种基质的着生藻类。其中着生藻类是附着在河床卵石、岩石、底泥和水中植物上硅藻、蓝藻、绿藻等藻类的总称，根据其生长基质又可分为生于植物表面的附植藻类(epiphyton)、着生于石块的附石藻类(epilithon)、附着于沉积物表面的藻类(epipelion)和附着于动物表面的藻类(epizoon)几种。着生藻类一般分布在河流浅滩流速较快的区域的砾石上，是底栖动物和鱼类的重要饵料来源。

[0035] 三、分析影响香鱼饵料因素的步骤：根据影响香鱼进食新鲜的藻类的特点，分析香鱼育肥场水流对香鱼进食的影响；影响香鱼进食的水流流速和需水量须达到如下两个指标：

[0036] 非洪水期的河溪中：水流流速和需水量须足以达到将死亡的着生藻类从卵石表面冲走，保证卵石表面硅藻类的重新生长。

[0037] 在河溪中附着生长的藻类以硅藻为主，种类占所有藻类的80%以上。而硅藻在食物链中属于生产者，位于食物链底端。硅藻生命周期较短，一般为5-7天，固着性强。香鱼主要刮食附着于卵石上的新鲜的硅藻类，如果死去的硅藻不及时冲走，则新的硅藻无法生长，着生藻类的构成也会由以硅藻为主演变为以蓝绿藻为主，影响香鱼的食物来源。

[0038] 洪水期：水流的流速和水量足以带走水中的泥沙，避免泥沙沉降覆盖卵石表面的新鲜硅藻类。

[0039] 发生洪水时，水流带来大量泥沙，当洪水过后水流流速降低，则大量细颗粒泥沙淤积在河床底质上，覆盖着生藻类，也会影响着生藻类的生长和香鱼的刮食。

[0040] 上述两种情况，均影响香鱼育肥场的栖息地功能，进而影响香鱼的育肥生长。为此，均需要一定的水流，使得死去的着生藻类腐屑的脱落更新或冲刷淤积于底质上的泥沙，形成较洁净的卵石表面，为新的着生硅藻的生长提供环境。

[0041] 四、非洪水期水流流速和需水量计算的步骤：根据公式计算香鱼育肥场的平均水流流速Uc和生态需水量Q：

[0042]

[0043]

[0044] 着生藻类腐屑的脱落更新所需水流所产生拖拽力τc应大于死去的着生藻类腐屑的黏结力τz，见公式（1）。公式中，水流所产生的临界拖拽力，或称为水流的临界床面切应力，τc用公式（2）计算，式中ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水深，J为水力坡降，u*c为临界摩阻流速。着生藻类腐屑的黏结力τz可以通过现场调查或实验确定。可利用窦国仁提出的阻力公式（3）计算与临界摩阻流速对应的河道断面平均流速Uc，式中ks为有效糙率高，κ为Karman常数，B为河道宽度。最后用公式（4）计算香鱼产卵场的生态需水量Q。

[0045]                         （1）

[0046]                （2）

[0047]            （3）

[0048]                   (4)

[0049] 五、洪水期香鱼育肥场水流流速和需水量计算的步骤：洪水期的泥沙考虑两种情况，一种是无粘滞性泥沙，另一种是有粘滞性泥沙。

[0050] 无粘滞性泥沙根据以下公式计算：

[0051]

[0052]

[0053] 有粘滞性泥沙根据以下公式计算：

[0054]

[0055]

[0056] 其中：θm为临界起动条件下的Shields参数、ρs为泥沙颗粒密度、ρ为水体密度、d为泥沙颗粒直径、g为重量加速度、S为沉积含沙量、Sm为泥沙沉积稳定后的含沙量、Uc1为泥沙起动对应的河道断面平均流速。

[0057] 冲刷淤积在河床卵石表面的细颗粒泥沙需要考虑两种情况。第一种情况按无黏性泥沙启动流速考虑，即淤积在河床卵石表面上的细颗粒泥沙是无黏性，或未与着生藻类形成黏性状态时，只考虑泥沙颗粒起动所需的水流垂线平均流速 与临界摩阻流速 之间关系。可以利用韩其为提出的公式（5）计算，式中h为水深，为泥沙颗粒粒径。而临界摩阻流速 与临界切应力 之间的关系为式（6），式中 为水的密度。从而可以计算得到产卵场的生态需水量Q，见公式（7），式中B为河道宽度。

[0058]                   (5)

[0059]                         (6)

[0060]                    (7)

[0061] 第二种情况按有黏性泥沙颗粒考虑，即一般细颗粒泥沙具有黏性，或者无黏性细颗粒泥沙淤积在生长于河床卵石表面的着生藻类上面时，容易形成黏性。具有黏性的泥沙颗粒起动时，往往不是单颗粒的，大多数情况下是多颗粒泥沙成团起动。此时，除了考虑水流拖拽力和上举力大于泥沙颗粒的有效重力外，还要考虑颗粒间的黏结力作用。因此，可以采用杨美卿黏性细泥沙的临界起动公式计算，见公式（8）和公式（9）。式中， 为临界切应力，  为临界起动条件下的Shields参数,  为泥沙颗粒密度， 为水体密度， 为泥沙颗粒直径， 为沉积含沙量,  为泥沙沉积稳定后的含沙量,  为泥沙起动对应的河道断面平均流速,  为Karman常数， 为有效糙率高（提出该概念的作者命名的专用名词）， 为水深。从而可以计算得到产卵场的生态需水量Q，见公式（10），式中B为河道宽度。

[0062]                    （8）

[0063]         （9）

[0064]                                       (10)

[0065] 依据能够满足上述三种情况的水流条件，可计算香鱼育肥场所需的生态需水量。

[0066] 上述方法即可以用于香鱼，也能够应用在其他以藻类为食物的其他鱼类。

[0067] 最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如鱼的种类、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。