探索基于遥感的河流温度工具在改善哥伦比亚河水库管理方面的潜力，以促进鱼类资源的丰富

《Water Resources Research》：Exploring the Potential of Remote Sensing-Based River Temperature Tool for Improving Columbia River Reservoir Management Toward Fish Abundance Outcomes

水温对鱼类迁徙的影响及大坝管理优化研究。使用THORR工具分析汉福德河段水温与鱼类滞留关系，发现水温升高导致滞留比例下降，且大坝放水策略未能有效改善下游水温，揭示需平衡放水与温度管理。

　　河流生态系统中的水温状况对鱼类的生存和迁徙具有深远的影响。理解水温与鱼类数量之间的空间关系，需要对河流温度进行全面的时空分析。本研究通过使用“受控河流热历史”（Thermal History of Regulated Rivers, THORR）工具提供的多十年的河流水温估计，探讨了水温、鱼类数量以及迁徙模式之间的关系。我们展示了THORR工具及其相关分析在提升水库管理方面的重要性，特别是在促进鱼类数量增加方面。我们的评估基于“质量平衡”概念，分析了汉福德河段（Columbia River Hanford Reach）秋季鱼类迁徙期间进入和离开该河段的鱼类数量，以确定鱼类滞留情况。研究发现，随着水温的升高，离开河段的鱼类比例也随之增加。尽管根据THORR分析，鱼类在较高水温下迁徙速度加快，但上游以放水为主的水库操作并未导致下游水温下降，因此未能改善下游河段的鱼类生存环境。长期的多十年趋势显示，过去十年中，秋季水温已显著上升，超过了鱼类可承受的极限。这些发现强调了在水库管理中需要平衡放水与水温要求，以确保鱼类生存和迁徙的最优化条件。THORR工具不仅增强了我们对河流热动态的理解，还为开发可持续的水资源管理实践提供了宝贵资源，特别是在鱼类迁徙至关重要的受控河流中。

河流的热条件受多种因素影响，包括地形、大气状况、河床特性和水流等。自然变化可能会影响这些因素，但人类活动如城市化、农业和河流工程（如引水和建坝）则会加速这种变化。大坝的存在对河流热条件产生多方面的影响，例如物理上分割河流，导致热断层和鱼类迁徙障碍。此外，深水库可能会引发热分层现象，使下游在温暖季节出现降温，而在寒冷季节则可能出现短暂的升温。哥伦比亚河流域（Columbia River Basin, CRB）是受控河流的典型代表，拥有超过250座大坝。这些水库为灌溉和水力发电提供重要水源，占美国太平洋西北地区水力发电量的40%以上。然而，大坝改变了河流的自然条件，破坏了河流的热格局，进而影响鱼类的生存、繁殖、迁徙时间和分布。

为了解决物理障碍问题，一些大坝被拆除，例如埃尔斯瓦希（Elwha）和格莱恩斯峡谷（Glines Canyon）大坝，这些措施显著恢复了水生态系统，并带来了鲑鱼等鱼类的回归。尽管拆除大坝是有效的，但在某些情况下，由于大坝带来的经济和基础设施效益，拆除并非总是可行。另一种措施是建设鱼梯，如哥伦比亚河上的邦纳维尔（Bonneville）大坝和蛇河上的艾斯哈伯（Ice Harbor）大坝，以帮助鲑鱼等鱼类安全到达产卵地。然而，解决物理障碍只是问题的一个方面，调整河流的环境条件，如水温，同样在恢复或维持鱼类适宜栖息地方面具有重要作用。

在受控河流中，水流和水温是影响鱼类的关键环境参数。然而，在管理这些环境条件时，水流往往受到更多关注，部分原因是水温测量数据较少，且缺乏长期数据来支持对不同受控河流及其热影响的跨区域研究。为维持鱼类适宜的水温，一些水库采取了选择性放水策略，以满足鱼类迁徙所需的水流和温度条件。例如，俄勒冈州的Cougar大坝和加利福尼亚州的Shasta大坝都采用了类似的措施。在整个鲑鱼生命周期中，河流热条件及其他环境因素可能会产生即时或长期的影响。例如，幼鱼阶段的热条件可能会影响其成年后的行为和生存。

因此，要评估水库操作是否能够满足鱼类所需的水温条件，需要进行广泛的时空研究。然而，这类研究受到实地水温数据稀疏的限制。实地数据通常是点测量，无法代表整个河流段的平均情况。对于像哥伦比亚河这样跨越国际边界的河流，实地数据集可能难以获取或共享。这限制了我们对整个河流网络中水温的全面了解。此外，某些河流段可能因物理条件难以进入，获取实地数据存在困难。近年来，热红外（Thermal Infrared, TIR）传感器的发展为河流温度监测提供了更广泛的覆盖范围。这些传感器安装在飞机上，能够提供高分辨率的观测数据，并避免云层遮挡。然而，为了进行长期的时空研究，多次部署的成本可能成为限制因素。相比之下，卫星遥感技术能够提供更广泛的地理覆盖和长期历史数据，适合大规模、流域范围和长期研究。尽管卫星遥感具有这些优势，但云层遮挡和较低的空间分辨率可能会限制其在狭窄河流中对水温的评估能力。

为了克服这些限制，Darkwah等人（2024）开发了THORR工具，该工具基于Landsat卫星的热红外数据，能够生成全天候、连续的河流水温数据，适用于宽河段和窄河段。THORR的数据记录从1982年开始，即Landsat 4任务启动以来。结合实地水温数据，THORR的温度估计为水库和流域管理提供了重要的支持，有助于保护河流生态系统。虽然河流调控带来了灌溉、水力发电和防洪等好处，但大坝操作对上下游水温都有显著影响。THORR工具能够分析这些影响在河流纵向上的变化，这是以往仅依靠点状实地测量难以实现的。

THORR不仅能够生成长期的河流温度变化模式，还可能帮助我们理解过去水库操作和管理决策的影响。这些信息可以支持采用最佳的河流和水库管理实践，以及修改对河流生态系统有害的管理策略。鉴于水温对水生生物的重要性，进行全面的时空分析对于理解鱼类迁徙等生物过程至关重要。THORR能够填补多十年、流域范围和连续水温记录的空白，使我们首次能够评估鱼类种群与河流水温之间的时空动态关系。此外，THORR的设计使其在缺乏现有实地温度测量的区域也具备可访问性和可扩展性。然而，THORR也存在一些局限性。由于其温度估计是基于10公里的河段，因此可能不适合研究比10公里更小尺度的热过程。此外，卫星过境频率为每周一次，这限制了其对水温变化的实时响应能力。最后，我们认识到THORR的温度估计并不等同于深度平均的水温。

本研究旨在探索THORR这一数据驱动的遥感工具在跟踪河流温度以改善鱼类数量方面的作用。我们通过将广泛的鱼类数量数据映射到THORR定义的水温空间，探讨了THORR能够揭示的关键见解，这些见解可能对未来的水库管理策略具有重要价值。我们提出并回答了三个具体问题：（1）鱼类数量的变化与温度变化之间的关系有多强？（2）水温趋势与溯游鱼类的迁徙时间和速度之间是否存在历史关联？（3）这些温度趋势和鱼类动态如何与水库操作相关联？通过结合THORR提供的连续时空温度估计和鱼类数量数据，我们能够深入研究哥伦比亚河流域水库操作、水温和鲑鱼迁徙模式之间的复杂关系。本研究的主要目标是展示像THORR这样的工具在实际决策中的潜力。在这里，我们利用THORR的长期水温数据来理解河流和水库管理如何影响鱼类数量。

在方法部分，我们首先描述了研究区域，即哥伦比亚河流域。该流域位于美国太平洋西北地区，覆盖七个州和加拿大不列颠哥伦比亚省。哥伦比亚河全长约2000公里，发源于加拿大不列颠哥伦比亚省的库特奈山脉，向西北流经美国华盛顿州，最终流入太平洋。哥伦比亚河及其支流为太平洋鲑鱼和鳟鱼提供了丰富的栖息地。成年鲑鱼从太平洋迁徙进入流域河流产卵，而幼鱼在发育后则迁出进入海洋。从经济角度来看，哥伦比亚河流域在农业灌溉、水力发电、航运和休闲活动方面发挥着关键作用。

我们研究的区域集中在汉福德河段，该河段位于哥伦比亚河上，介于麦纳里（McNary）大坝和Priest Rapids大坝之间，是哥伦比亚河上最长的自由流动河段。 Yakima和Snake河在汉福德河段汇入哥伦比亚河，这里设有鱼类计数站，如Ice Harbor大坝和Prosser。THORR工具提供了从1982年开始的连续水温数据，能够帮助我们分析整个流域的温度变化趋势。为了研究鱼类数量与水温的关系，我们收集了汉福德河段在1985年8月至2023年12月期间的水温数据，并按周进行汇总。在分析中，我们根据可用的鱼类计数数据调整了水温数据的范围。

在结果部分，我们发现汉福德河段的水温在秋季迁徙季节开始时较高，与水位较高和放水量较大有关。尽管放水可能有助于下游降温，但实际操作并未达到预期效果，反而导致水温持续升高。这表明在某些情况下，以放水为主的水库操作可能并未有效改善下游鱼类的生存环境。此外，随着水温的升高，鱼类滞留比例下降，这表明水温对鱼类迁徙行为有显著影响。研究还发现，鱼类在水温较低时更倾向于滞留，而在水温较高时则更可能继续迁徙。这种趋势与实验室研究结果一致，即鱼类在较高水温下游泳速度加快，但超过一定阈值（如21°C）后，迁徙速度会下降，因为鱼类会寻找更冷的避难所。

在讨论部分，我们进一步探讨了这些发现的意义。气候变化是导致河流水温上升的重要因素，影响了水生生物的多样性，改变了捕食率，并对冷水鱼类如鲑鱼造成压力甚至威胁。然而，受控河流中的大坝放水策略可能有助于缓解这种升温趋势。在温暖季节，大型深水库的低层放水通常会通过热分层效应降低下游水温。然而，在汉福德河段的案例中，尽管放水量较大，但下游水温并未显著下降，这可能与放水方式有关。例如，Priest Rapids大坝在夏季放水时，超过39%的放水来自水库的上层，而这种放水方式并未有效降低下游水温。此外，大坝的鱼道设施在放水过程中减少了涡轮放水的比例，以帮助鱼类通过，但这种调整可能影响了下游水温的调节能力。

因此，我们需要考虑在温暖季节减少放水量的比例，以确保迁徙鱼类的适宜水温。对于以发电为主的水库，管理者可以采取多层放水和涡轮尾水混合等措施，使下游水温更接近自然状态。然而，在缺乏这些管理手段的情况下，管理者可以通过调整放水量比例来优化下游水温，同时满足其他水库需求。THORR提供的空间温度估计有助于管理者评估上游水库操作对下游水温的影响，从而制定更有效的管理策略。

此外，我们还发现，鱼类数量的变化与水温之间存在显著的负相关关系。在水温较低的时期，鱼类滞留比例较高，而在水温较高的情况下，滞留比例下降。这种趋势表明，水温是影响鱼类迁徙行为的关键因素。虽然我们的分析基于河流温度估计和质量控制的鱼类计数数据，但这些数据在更小的河段尺度上可能存在局限性。然而，在宏观尺度上，这些数据可以代表整个河段的现象，如迁徙模式。

本研究的结果强调了在水库管理中需要同时考虑放水和温度的重要性。随着水温的持续上升，特别是超过鱼类可承受的极限，可能对鲑鱼等冷水鱼类造成威胁。因此，未来的水资源管理应更加关注水温变化，以确保鱼类的生存和迁徙。THORR工具不仅在哥伦比亚河流域有应用价值，还可以推广到其他受控河流，用于评估气候变化对河流温度的影响，以及监测有害藻类等水生条件的变化。THORR的可扩展性和数据驱动特性使其成为流域尺度长期评估的重要工具。未来的研究可以进一步探讨THORR在更广泛的空间和时间尺度上的应用，以及如何与其他可扩展的放水工具结合，以更好地理解水库放水对未测量河流生态系统的影响。