美国不同流域水电调控与自然河流的亚日流量变异区域对比及其生态启示

本综述系统比较了美国东南部与太平洋西北部流域水电调控（hydropeaking与run-of-river模式）与自然河流的亚日流量变异（SDFV），揭示了区域特异性水文特征对鱼类生态的多维度影响（如栖息地改变、种群动态与繁殖干扰），为水电柔性运营的生态风险评估提供科学依据。

　　

Section snippets

Hydrologic region selection

我们选择南大西洋-墨西哥湾流域（HUC03）和太平洋西北流域（HUC17）作为研究区域，原因如下：首先，两地均拥有大量以hydropeaking和run-of-river模式运行的水电设施，且两种模式在各自区域内的分布相对均衡；其次，两个区域内的美国地质调查局（USGS）水文监测站覆盖了受调控与自然河流系统，且数据时间跨度广、质量高；最后，两地地理与水文特征的显著差异为研究区域特异性影响提供了理想对比基础。

Principal component analysis

经主成分分析（PCA）旋转后，两个区域的受调控与自然河流系统均显示出与不同主成分的显著关联，其中第一和第三主成分解释了数据中最高的变异性（图3）。第一主成分反映了每日稳定流量相位和上坡流量相位（upramping phases）的数量以及各类型流量相位的持续时间，用于描述流量 regime 的时序与持续特征。HUC17区域的hydropeaking与run-of-river系统与此成分高度相关，表现为每日频繁出现的短时流量相位和较长的上坡时间占比；而HUC03区域的受调控系统则与高流量变异系数（CV）和高流量比值（仅hydropeaking）密切相关。

Discussion

本次针对两个水文区域内受调控与自然系统的SDFV对比分析揭示了三大核心发现：第一，水电对流量条件的影響存在区域差异性——HUC03受调控系统表现为延长的每日上坡流量相位和高流量变异系数与比值，而HUC17受调控系统则以每日频繁的短时流量相位和大量上坡时间占比为特征；第二，run-of-river系统虽较hydropeaking更接近自然流量模式，但仍与自然系统存在显著差异；第三，季节性变化在自然系统中表现最为强烈，而hydropeaking系统则在干旱季节表现出最高的SDFV强度。这些发现强调，水电运营的生态影响需结合区域水文背景与物种特异性响应进行综合评估。

Conclusion

量化不同水文区域内受调控与自然系统的亚日流量变异（SDFV），有助于从生态与经济相关的时间尺度理解水电生产如何改变流量模式。我们首次在美国开展了针对水电调控与自然河流的SDFV区域对比，揭示了水电对流量 regime 的区域特异性影响模式，这些模式对于理解与缓解全国范围内鱼类群落、物种及不同年龄群体的潜在影响具有重要指导意义。