在多点引水干扰下，用于多目标鱼类保护的水库生态流量优化框架

《Journal of Environmental Management》：A reservoir ecological flow optimization framework for multiobjective fish conservation under multipoint water diversion disturbances

大尺度调水工程通过多节点引水加剧水文格局破碎化，威胁下游鱼类栖息地。本研究构建三阶段整合框架：首先基于水文敏感性叠加生态敏感性识别关键栖息地；其次运用二维水动力模型与IFIM量化特有鱼类（鰤鱼、重口裂腹鱼、拟裂腹鱼）的种群特异性产卵期需水量，确定鰤鱼最优流量70 m3/s；最后开发HC-HF耦合模型协调上中下游流量冲突，使综合栖息地可用面积（WUA）提升22.8%，优化放水方案分别占多年平均流量的98%和31%。该框架为多节点调水区多物种保护提供可迁移的系统解决方案。

　　

胡代云|李福双|张凌雷|陈敏|赵阳|王宏伟

中国四川大学水资源与水电学院水力学与山区河流工程国家重点实验室，成都，610065

摘要

大规模调水工程可以缓解水资源短缺问题，但通常需要在多个地点进行引水，这会破坏水文状况并威胁下游鱼类的栖息地。为了减轻这些影响，我们开发了一个综合框架，用于分配和优化生态流量以实现多目标保护。首先，通过水文和生态敏感性的空间叠加分析来识别关键栖息地。然后，利用二维水动力模型与栖息地适宜性标准相结合的方法（即Instream Flow Incremental Methodology, IFIM），量化特定物种的流量需求。最后，引入了一种新的水文连通性-栖息地功能（Hydrological Connectivity-Habitat Function, HC-HF）耦合模型，以解决流量冲突并优化上下游栖息地的流量释放。该框架在中国南水北调工程的关键水源地——大渡河源头进行了验证，成功识别出了三种特有鱼类（Hucho bleekeri、Schizothorax davidi和Schizothorax prenanti）的关键产卵地。量化了这些鱼类在繁殖期的特定生态流量需求，其中H. bleekeri的最佳流量确定为70立方米/秒。应用HC-HF模型后，综合栖息地质量提高了22.8%，这一提升是通过加权可用面积（Weighted Useable Area, WUA）来衡量的。优化后的水库释放流量分别为47.0立方米/秒和6.4立方米/秒，分别占多年平均流量的98%和31%。本研究为受多点调水影响的复杂河流系统中的生态流量管理提供了一个稳健且可推广的框架，为实现人类水资源安全与生态系统保护目标提供了切实可行的途径。

引言

虽然大规模调水工程可以缓解水资源短缺问题，但往往会破坏河流生态系统，导致水文状况恶化。为了应对日益严重的水资源短缺问题，全球范围内实施了大规模的跨流域调水工程（Wang等人，2024年）。然而，这些工程通过改变自然水流模式，引发了严重的生态风险，包括栖息地破碎化（Wang等人，2025年；Ahmad等人，2025年；Bai等人，2025年）、鱼类生命周期中断（Visser等人，2025年）以及生物多样性丧失（Luo等人，2024年；Anderson等人，2018年）。这种改变对水生生态系统的完整性构成了重大威胁（Hermoso，2025年），而在多个地点进行引水的项目中，这些影响会进一步加剧（Xu等人，2024年）。

多点调水工程，如加利福尼亚州水资源项目（Chung和Helweg，1985年）以及非洲莱索托高地水资源项目（Mwangi，2007年），会产生复杂的水文扰动网络。与单一水坝不同，它们的影响是非线性的且具有累积性，并沿着河流连续体传播（Poff和Zimmerman，2010年），这使得系统范围内的效应预测变得复杂。这种破碎化使得保护工作更加困难，因为多个压力源使得广泛的河段变得水文敏感（Fuller等人，2015年）。当保护目标涉及具有不同生态习性的多种鱼类时，挑战更加严峻（Olden等人，2012年；Ru等人，2022年）。不同物种在关键生命阶段需要不同的水力条件（例如流速和水深）和时间信号（例如繁殖时机）（Bunn和Arthington，2002年；Zhang等人，2025年），从而导致了根本的生态权衡（Horne等人，2019年）。例如，为Schizothorax prenanti优化流量（需要较高的春季流量；Li等人，2023年）可能会损害Hucho bleekeri的栖息地（后者依赖于较低的流量条件）。空间上的水文压力与内在的生态权衡的结合，使得管理问题变得异常复杂，传统的单一水库或单一物种方法已经无法满足需求（Pahl-Wostl等人，2013年）。

已有大量研究致力于确定生态流量，提出了诸如Instream Flow Incremental Methodology (IFIM)（Ying和Li，2006年）和水动力-栖息地建模（例如Booker等人，2004年）等方法。然而，这些方法的应用主要局限于两种简单情景：（1）单一水库对一种或少数功能相似的物种产生影响（例如Zhang等人（2018年）关于吴东德大坝对Coreius guichenoti的影响；Yan等人（2024年）关于向家坝对C. guichenoti的影响）；或（2）串联水坝对单一鱼类群的影响，例如那些产生漂流卵的鱼类（例如Li等人（2022a）关于长江上的串联水库）。尽管这些研究为特定情境提供了重要见解，但它们在应对上述复杂挑战方面存在局限性。专为单一水库设计的方法无法捕捉多点调水的累积和非线性影响。同样，为单一物种或鱼类群优化的策略在应用于具有不同且相互冲突的生态需求的多种物种时也会失效，因为它们可能会在实现一个目标的同时严重损害另一个目标（例如我们在S. prenanti和H. bleekeri之间观察到的权衡）。因此，一个能够协调多点调水（涉及多个水库）和多目标保护（针对具有不同生态习性的多种物种）所引发的冲突的系统框架在文献中仍然缺失。这一空白需要回答两个关键问题：首先，在这种复杂且分散的压力下，如何识别关键的保护区域？其次，如何在实际操作中协调水库流量释放，以满足水文连通网络中的相互竞争的生态需求？

为了解决这一空白，本研究开发了一个综合的三阶段框架，用于在多点调水干扰下优化水库生态流量，以实现多目标鱼类保护。首先，该框架（I）通过整合水文和生态敏感性分析来识别和优先考虑关键栖息地，直接应对分散压力的挑战。然后，（II）使用物理栖息地模拟（IFIM）量化特定物种的生态流量需求。最后，（III）通过一种新的水文连通性-栖息地功能（HC-HF）耦合模型来解决多目标冲突，协调上下游栖息地的需求。我们在中国的南水北调工程西线（SNWD-WR）的大渡河源头验证了这一框架。这项工作为受多源调水和复杂生态目标影响的流域提供了可推广的协同保护解决方案，推动该领域从零散管理向系统级优化迈进。

研究区域：大渡河源头

本研究在中国南水北调工程的关键水源地——大渡河上游进行。研究区域包含一个典型的山区河流系统，计划在此建设三个水库（转大、火纳和克克）进行多点调水（图1），形成了复杂的水文扰动网络——这是测试我们提出的框架的理想环境。该河流网络由四个水文站监测：楚家、祖祖祖、巴卡姆和大金。

三种鱼类

多目标流量分配的三阶段框架概述

为了解决第1节中提到的多点调水造成的空间分散水文压力和多目标保护带来的内在生态权衡问题，我们开发了一个综合的三阶段框架。该框架旨在系统地（1）在复杂干扰中识别和优先考虑关键栖息地，（2）量化特定物种的生态流量需求，以及（3）通过一种新的耦合模型来解决冲突

第一阶段：关键栖息地的识别

在这一阶段，通过整合水文和生态敏感性分析来识别优先保护区域。基于流量恢复率确定水文敏感区域，而生态敏感区域则根据关键产卵地的空间分布来确定。它们的交集被定义为关键栖息地。进行这种空间叠加分析的战略理由有三个方面。首先，它提供了一种系统且透明的方法来

第一阶段的结果：关键产卵地的识别

在我们的框架的第一阶段，通过整合水文和生态敏感性分析，识别出受多点调水影响的关键鱼类栖息地。

该框架在应对多点调水和多目标挑战方面的有效性

所提出的三阶段框架有效地协调了多调水流域中的生态流量冲突，使综合栖息地质量提高了22.8%（图9）。这种系统方法能够应对现代河流管理中固有的系统复杂性，直接解决了之前提到的两个相互关联的挑战。

对于多点调水挑战（Xu等人，2024年），第一阶段提供了一种可复制的方法来应对分散的水文压力。通过量化流量

结论

本研究开发并验证了一个综合的三阶段框架，用于应对大规模调水工程的生态影响，特别关注多点调水和多物种保护冲突。该框架应用于南水北调工程的关键区域——大渡河源头，有效识别了关键产卵地，量化了特定物种的流量需求，并解决了上下游之间的冲突

CRediT作者贡献声明

胡代云：撰写——原始草案，数据整理。李福双：验证，方法论，调查。张凌雷：撰写——审阅与编辑，概念化。陈敏：撰写——审阅与编辑，软件开发。赵阳：资源获取，资金筹措。王宏伟：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3202402）、国家自然科学基金（52479067）以及四川自贡pu发展有限公司的科学研究计划（CZC-(2024) 035）的财政支持。