河流生境修复的生态水力调控理论与技术

本书围绕河流生境修复中的水动力学问题，以水生植被、漂浮植被和典型鱼类等水生生物为研究对象，系统阐述水生植被影响下的水流结构和物质输运规律、缓滞河段藻类繁殖与暴发的水动力机制、典型流场中的鱼类游泳行为特性及水动力-水质-水生物耦合数值模拟技术等的基础理论研究成果。在此基础上，介绍这些理论在生态修复工程中的应用，包括洲滩植被化守护、鱼类生境保护与修复、生态调节坝“调度控藻”等。本书旨在推动生态水力学研究的发展，使读者可以了解并掌握生态水力学领域的相关理论和方法，也可以让他们学习到一些实用的生境修复技术。本书可供水利、环保等部门的工作人员及水动力学、环境水力学和生态学等相关专业的科研人员、研究生参考阅读。

第1章 河流生境修复的生态水力学基础理论1
1.1 水生植被影响下的河流水动力特性2
1.1.1 水生植被的阻水特性2
1.1.2 漂浮植被作用下的明渠紊流特征8
1.1.3 柔性淹没植被对河道洪水波演进的影响13
1.2 水生植被影响下的物质输运规律16
1.2.1 植被斑与弯道对明渠生态河道离散系数的影响16
1.2.2 考虑离散和生态降解的三区湿地污染物输移21
1.2.3 风作用下的典型双层湿地流特性和污染物分散指标29
1.2.4 漂浮植被河道的纵向离散系数39
1.3 缓滞河段藻类繁殖与暴发的水动力机制43
1.3.1 水动力条件在水华中的作用43
1.3.2 小江藻类生长原位试验44
1.4 典型流场中鱼类游泳行为特性研究57
1.4.1 研究对象与研究方法58
1.4.2 突扩明渠边界层分离再附着流动中的鱼类游泳行为特性61
第2章 水动力-水质-水生物耦合的数值模拟技术75
2.1 求解守恒形式的圣维南方程的一维水动力学模型76
2.1.1 控制方程76
2.1.2 静水压力项计算79
2.1.3 底坡源项离散80
2.1.4 摩阻源项离散80
2.2 采用自适应网格的浅水方程Well-balanced数学模型81
2.2.1 二维水流水质控制方程和离散方法82
2.2.2 自适应网格模型96
2.2.3 自适应方法在二维水流模型中的应用100
2.3 基于格子Boltzmann方法的植被河道水流模型104
2.3.1 控制方程104
2.3.2 格子Boltzmann方法的理论及实现104
2.3.3 模型的验证和应用116
第3章 河流洲滩的植被化守护技术131
3.1 洲滩的植被化守护技术的思路132
3.1.1 植物对河道的影响132
3.1.2 新水沙条件对洲滩发育及植物徙居的影响133
3.1.3 洲滩的植被化守护技术思路的提出134
3.2 植被选种与培育138
3.2.1 植被选育思路138
3.2.2 工程河段适生植被调研140
3.2.3 植被化守护技术中的植被选择140
3.2.4 植被培育方案146
3.2.5 小结151
3.3 土壤基质固定152
3.3.1 临时防冲结构试验设计152
3.3.2 临时防冲结构设计及试验优化156
3.3.3 小结164
3.4 技术应用164
3.4.1 工程施工情况164
3.4.2 植被生长情况166
3.4.3 适用条件分析169
第4章 鱼类生境的保护与修复技术171
4.1 仿自然鱼道空间水力多样化调控技术172
4.1.1 仿自然鱼道结构布置172
4.1.2 仿自然鱼道三维紊流数学模型174
4.1.3 仿自然鱼道水力多样化调控效果分析176
4.2 三峡水库-葛洲坝水库运行对中华鲟产卵场的影响与水力调控优化技术187
4.2.1 中华鲟产卵场水动力指标188
4.2.2 中华鲟产卵场三维水流数学模型190
4.2.3 三峡水库-葛洲坝水库运行前后中华鲟自然繁殖情况调查与分析193
4.2.4 三峡水库-葛洲坝水库运行对中华鲟产卵场水文水流条件的影响分析208
4.2.5 改善中华鲟产卵场水文水流条件的水力调控优化措施221
4.3 基于模糊逻辑的鱼类物理栖息地模拟技术221
4.3.1 PHABSIM模型222
4.3.2 模糊逻辑理论222
4.3.3 基于模糊逻辑的中华鲟产卵栖息地模拟224
第5章 生态调节坝调度技术231
5.1 小江回水区水华形成机制与“调度控藻”对策232
5.1.1 小江回水区水华现象232
5.1.2 小江回水区水华形成机制232
5.1.3 小江回水区“调度控藻”的基本对策分析235
5.2 生态动力学模型236
5.2.1 建模范围236
5.2.2 水动力学模型237
5.2.3 藻类生长动力学模型239
5.2.4 模型参数的率定和验证239
5.3 小江水位调节坝调度方案242
5.3.1 三峡水库调度运行对小江回水区的影响242
5.3.2 调节坝可调节性分析245
5.3.3 调度方案效果评估249
参考文献256