初期蓄水期支流湾水热连通性框架及其生态调度窗口识别

《Ecological Indicators》：A hydrothermal connectivity framework for identifying ecological operation windows in a tributary bay during early impoundment

　　

摘要

初期蓄水期在支流湾内创造了高度非平稳的水热条件，使得宽泛的季节性生态调度过于粗糙，难以有效支持鱼类洄游。然而，将水热动力学转化为具有生态可解释性的洄游可达性和调度时机的基于指标的方法仍然有限。为此，本研究开发了一个水热洄游连通性框架，用于识别白鹤滩水库支流湾黑水湾的洄游窗口和生态调度窗口。采用多元变点检测方法将初期蓄水期划分为不同的水热状态，并利用经过实测水位和垂向温度剖面校准与验证的CE-QUAL-W2模型重建了回水入侵、环流和热分层过程。将物种特定的热力与水力需求转化为相应的洄游支持廊道状态，包括热力廊道、流速廊道和复合廊道。为表征廊道性能，研究人员量化了发生时机、持续性、连续性和破碎化程度，并进一步利用复合连通性和廊道破碎化指标评价了廊道质量。结果表明，初期蓄水期被划分为五个水热特征各异的状态。回水入侵长度变化范围约为22～30 km，受水位波动、干流与支流流量比以及热诱导密度结构的共同控制。复合廊道连通性具有高度瞬时性：首次贯通性复合廊道出现于3月2日，但仅持续1天，而第二次短暂贯通事件发生于5月16日。此外，基于指标的廊道质量分析进一步确定3月2日至9日为低破碎化区间，构成主要生态调度窗口的核心时段，5月中旬存在一个较弱的次级窗口。这些发现表明，支流湾的生态调度应超越宽泛的繁殖季节时间表，以反映物种特定和过程依赖的连通性动态。所提出的框架为将水热变率转化为新蓄水支流湾系统中与调度相关的时机提供了基础。

**论文解读：初期蓄水期支流湾水热连通性框架与生态调度窗口识别**

**一、研究背景与科学问题**

大型水库的建设在提供水力发电、防洪和供水等功能的同时，也需维持水生态系统功能，尤其是对鱼类繁殖和种群维持至关重要的洄游过程。然而，水库蓄水会改变水流情势、热力结构和环境线索，往往在调控条件下削弱洄游可达性。实践中，针对鱼类繁殖或洄游的生态调度通常在大尺度季节时段内实施，但在新蓄水系统中，环境条件变化迅速，有利的洄游条件可能仅在短时间内出现，这种基于固定日历的季节性调度方案可能过于粗糙，难以有效捕捉有利的洄游窗口。

这一问题在干流筑坝形成的支流湾中尤为突出。这些区域作为河流—水库过渡带，具有强烈的纵向和垂向梯度、动态的回水入侵以及快速重组的热力结构。对于洄游鱼类而言，此类系统中的连通性不仅取决于几何开放性，还取决于适宜水力与热力条件的时空共现。当流速线索过弱、水温不适宜或水力与热力适宜性不重叠时，洄游通道可能在物理上保持开放，但功能上却不可达。支流湾内的交换过程、密度驱动入侵和分层变化可能进一步使洄游支持条件呈现间歇性和破碎化特征。这种基于过程的连通性丧失比物理阻碍更为隐蔽，因此连通性应被视为动态的生态属性而非静态的结构特征。

现有对支流湾的研究主要集中于水热结构、富营养化和水质等方面，而鱼类洄游研究则侧重于静态栖息地适宜性或宽泛的季节性调控。因此，初期蓄水期非平稳的水热过程很少被转化为基于指标的洄游可达性和调度时机评估，这限制了对有利洄游条件何时出现、持续多久以及是否足够连续以支持生态调度的识别能力。为填补这一空白，研究人员以白鹤滩水库支流湾黑水湾为研究区，开发了水热连通性评估框架。

**二、主要技术方法**

本研究综合运用了多项关键技术方法。首先，采用多元变点检测算法（Binary Segmentation，BinSeg）对初期蓄水期进行水热状态划分，基于水位、干流—支流流量比、日水位变化量及干流—支流温差构成的四维日尺度特征向量，结合误差平方和与平均轮廓系数确定最优分段方案。其次，应用CE-QUAL-W2二维横向平均水动力—热力模型，模拟研究区的水动力和热力条件，模型计算域离散为162×201个矩形单元，边界条件包括上下游水文数据、气象数据等，并利用实测水位和垂向温度剖面进行校准与验证，水位模拟的平均绝对误差为1.29 m，垂向温度模拟的平均绝对误差为0.33～1.14 ℃。再次，将物种特定洄游需求转化为廊道状态分类标准，采用阈值法界定热力廊道（水温15～18 ℃）和流速廊道（流速≥0.03 m/s），两者重叠区域定义为复合廊道。最后，构建了连通性指标体系，包括发生时机（OT）、廊道持续性（CP）、廊道连续性（CC）和廊道破碎化（CF）四个核心指标。样本数据来源方面，水位和垂向温度数据来自黑水湾四个监测点位（S01–S04）的实测，采用AML-6 RT多参数仪器于2022年5月和11月测量；气象数据来自巧家县国家基本气象站；水文边界数据来自水文站、上海勘测设计研究院（SIDRI）及中国长江三峡集团（CTG）。

**三、研究结果**

**3.1 初期蓄水期水热转变状态**

根据SSE和S的综合评价，2022年初期蓄水期被划分为五个水热特征各异的状态。状态I以轻微负值且变化较小的日水位变化量、低而稳定的流量比和持续为正的温差为特征，反映暖干流影响下的中等消落期。状态II表现出最大的水位变化量、流量比和温差变率，指示春季持续消落期间最强的水热不稳定性。状态III中日水位变化量在零附近窄幅波动，流量比显著升高且变率降低，对应强干流强迫下的稳定低水位运行。状态IV呈现强烈正值且离散度较小的日水位变化量，同时流量比和温差中等偏高，代表暖干流回水入侵驱动的快速蓄水期。状态V维持接近零但微弱波动的日水位变化量，流量比和温差保持较高且相对稳定，表明暖干流主导的持续高水位运行。

**3.2 黑水湾回水入侵与水热响应特征**

2022年黑水湾回水入侵呈现显著的状态依赖性变化，入侵长度约为22～30 km。状态I和III期间，汇流区流量以正值为主，表明支流主导的下游流向和相对较弱的回水入侵，入侵长度保持短而稳定。状态II期间，汇流区流量频繁正负交替，反映支流流出与干流入侵之间的不稳定切换。状态IV期间汇流区流量以负值为主，入侵长度快速扩展，表明蓄水期间干流的强烈逆向入侵。状态V期间入侵长度达到年最大值。水位变化量是入侵动态的主要控制因素，流量比则对汇流区交换强度提供额外控制。水热结构重组方面，状态I中暖干流水主要通过中下层入侵，形成相对稳定的逆时针环流；状态II是全年最动态的时期，快速表层增温和强化的干流入侵急剧加强并 destabilized 分层；状态III在高温环境下分层相对稳定，交换转向中上层间层流或表层流；状态IV和V中入侵层位再次调整，维持暖表层—冷底层结构。

**3.3 洄游支持廊道状态与连通性模式**

黑水湾的日尺度洄游支持廊道状态呈现明显的年内变化。状态I期间以热力廊道为主，但有效复合廊道稀缺，因为流速阈值很少满足。状态II期间热力、流速和复合廊道共存，复合廊道间歇性扩展但分布通常呈斑块状和不稳定。状态III期间无廊道状态或孤立流速廊道占主导，因为强分层和表层增温使水温频繁超过洄游阈值，热力条件成为主要限制因素。状态IV和V期间复合廊道主要出现在距汇流口22～30 km的上游河段。2022年洄游窗口稀少且主要集中于3月至5月。发生时机为3月2日，但相应的廊道持续性仅为1天，表明初期蓄水期黑水湾的洄游窗口高度不稳定。5月16日出现第二次短暂洄游窗口，持续性同样仅为1天。

**3.4 生态调度窗口识别**

基于廊道连续性和廊道破碎化的综合分析，1月至2月廊道质量总体较差。3月廊道质量开始改善，廊道连续性从3月1日的21.26%升至3月2日的100%，并保持58%以上至3月13日；廊道破碎化在3月2日至9日期间降至零，构成主要生态调度窗口的低破碎化核心时段。3月14日后廊道连续性快速下降，破碎化急剧上升。5月中旬出现第二个较弱的生态调度窗口，5月16日廊道连续性短暂达100%，但前后时段破碎化普遍偏高，表明廊道一致性差、稳定性低。6月中旬至9月下旬，复合廊道缺失，生态调度窗口消失。10月至12月廊道连续性略有恢复但总体低于10%。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，早期3月被确定为主要生态调度窗口，因其展现最高的廊道连续性和最低的破碎化。3月2日至9日的核心时段为维持水热重叠和低破碎化提供了最有利条件，但需注意该时段并非持续贯通的洄游窗口，3月2日的贯通性复合廊道仅持续1天。此期间水库调度应优先保障水热稳定性，尽量减少日均水位的大幅波动并限制干流—支流交换强度的剧烈变化。5月16日的洄游窗口应视为次级和机会性调度时段，管理应侧重针对性监测和短期维护。6月中旬至9月下旬，针对该鱼种的洄游导向调度难以产生实质性生态效益，管理资源应转向水质保护、热分层监测和藻华风险防控。研究还指出，框架评估的是潜在水热功能连通性而非实际洄游成功率，声学遥测观测提供了定性支持。方法论局限性方面，CE-QUAL-W2作为横向平均模型无法解析横向次生环流和近岸三维流动结构，且缺乏流速剖面实测数据，模拟流场未经直接验证。

研究结论可归纳为：（1）黑水湾蓄水过程呈现五个水热特征各异的转变状态，回水入侵与交换受水位波动、流量比和热诱导密度结构共同控制；（2）黑水湾水热结构呈现清晰的状态依赖性重组，热分层是支流湾水热动态的主导控制因素；（3）洄游支持连通性呈现强瞬时性和状态依赖性，全年大部分时间连通性弱或破碎化；（4）框架区分了洄游窗口与更宽泛的生态调度窗口，3月2日至9日被确定为主要生态调度窗口的低破碎化核心时段，此类时段应作为适应性管理窗口而非固定运行规则。总体而言，该研究推动支流湾管理从静态栖息地评估转向水热控制的连通性窗口动态识别，为其他新蓄水支流湾系统提供了可迁移的方法框架。