生态水力学

生态水力学参考书目：BairdAndrewJ，生态水文学，中国海洋出版社，2002李大美，生态水力学，北京科学出版社，2006陈兰荪，数学生态学模型与研究方法，北京科学出版社,1988授课人：严忠民教授、博导答疑地点：水电馆417第一章绪论研究目的与意义生态水力学的发展过程生态水力学的研究方法本课的主要内容1.1研究目的与意义20世纪60年代以来，由于工业的高度发展和人口的大量增加，带来许多全球性问题（例如人口问题，环境问题、资源问题和能源问题等），涉及到人类的生死存亡。人类居住环境的污染、自然资源的破坏与枯竭、城市化加快和资源开发规模的不断增长，迅速改变人类自身的生存环境，造成对人类未来生活的威胁。上述问题的控制和解决，都要以生态学原理为基础，而且与人类生存密切相关的许多环境问题成为生态学学科发展中的热点问题，因而引起社会上对生态学的兴趣与关心。现在不少国家都在提倡全民的生态意识，研究领域也日益扩大。渗透到地学、经济学以及农、林、水等各个部门。交通运输河流湖泊污染水利工程建设1.1研究目的与意义河流、湖泊和海洋是水生生物赖以生存的环境。任何自然和社会因素都有可能改变生态系统中的水流、水质及能量关系与栖息地结构等，进而影响到水生生物的生活与生存，导致河流生物群体组成改变，使水生态系统平衡发生偏差。当河流流速随流量的减少而减低时，悬浮固体物的沉淀将会增加，过多的悬浮物体，不仅降低水的利用价值，而且妨碍河流的通气和光合作用。河流流量的减少，对坡度平缓的河流将加长海水往内陆入侵的距离，增加河水盐度，造成土地盐碱化。河流输沙能力也会随着流量的减少而降低，减少下游泥沙的补充，加重下游河床的冲刷，造成海岸线内移及河口沙洲消失的现象。在过去的50多年里，生态学家已经研究了自然河流中的生物物种的状况以及人类活动在系统中的作用；河势的演变与水动力过程也受到水力学家的高度重视。然而，链接河流生态系统这两方面的研究成果却少见报道，其主要原因是生态学家缺少对水力学的关注，两个学科因行业限制缺乏足够的学术交流，导致一个学科的概念不被另一个学科所了解。因此，跨过学科界限，进行知识交流，形成新的学科研究方向势在必行。水的问题——量的问题——水工水力学质的问题——环境水力学生物的问题——生态水力学1.1研究目的与意义1.2生态水力学的发展过程早在上个世纪60~70年代，有预见的生物学家和水利学家开始共同关注水与生态之间的关系。1957年Odum在佛罗里达对一个大的源水系统内能量交换开展了研究，模拟了淡水与陆栖生物圈之间的能量交换。1961年Illies借助河流形态学开展生物进化的研究。1963年IlliesandBotoseanu描述了鱼类分布区。1975年Hawkes对河流生物分布带与分类进行了总结。80年代，进入一个河流生态学理论研究的时代，开始寻找连接生态学和水力学之间的结合点。但生态水力学的概念直至1994年首届国际生态水力学学术会议后才逐渐形成。1.2生态水力学的发展过程1994年8月挪威第一届国际生境水力学会议1996年6月加拿大第二届国际IAHR生境水力学会议1999年7月美国第三届国际生态水力学会议2002年3月南非河流系统环境流体会议暨第四届生态水力学会议2004年秋季西班牙第五届国际生态水力学会议2006年1月新西兰第六届国际生态水力学会议1.3生态水力学的研究方法生态水力学（Eco-hydraulics）是生态科学与水力学相互渗透的交叉学科。从科学上讲，生态水力学特别着重于将物理因素（水动力学、泥砂输移和地形条件）、化学因素（保守与非保守物质的传输、反应动力学和水质）和生物因素（生态学）作为一个系统来进行研究。广义地讲，生态水力学研究与生态有关的水力学问题。1.3生态水力学的研究方法生态水力学的研究涉及到水力学、河流动力学及水生态系统中物理、化学及生物过程。目前的研究方法大多可归结为两大类，一类是以大量现场测试数据或室内水槽试验数据为基础的统计分析方法。另一类是将水文学与水力学，形态动力学（morphodynamics），动植物栖息地品质（habitatquality）以及物种生长进化联系起来的混合模拟方法。1.4本课的主要内容生态水力学水生态系统河流生境与水力栖息地生态水动力耦合模型绪论工程应用实例第二章水生态系统水生态系统基本概念水生态系统分类与组成水生态系统中的物质循环和能量流动水生态系统平衡与受损水生态系统演替与修复水生生物生存和活动的影响因素2.1水生态系统基本概念生态（Eco—）一词源于希腊文oikos，其意为“住所”或“栖息地”。后发展成一门独立的学科Ecology。1895年，日本帝国大学首先将Ecology译为生态学，后经武汉大学张挺教授介绍到我国，一直沿用至今。早期生态是指一切生物的生存状态。但随着研究的深入，人们发现生态研究不能把生物从其特定的、形成物理系统的环境中分隔开来，因而提出生态系统概念。生态系统（Ecosystem）是在一定空间中共同栖居着的所有生物（生物群落）与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。什么是生态系统?根据上述的表述，对生态系统的理解：首先,“一定空间”表示生态系统的空间尺度（包括时间尺度）可以有大有小，视研究的对象而定。其次，维持生态系统稳定、持久、物种间协调共存的纽带主要是能量流动和物质循环。再次，生态系统是一个由生物和环境组成的整体，强调的是系统中各成员的相互作用，是地球表面上自然界的基本功能单位。2.1水生态系统基本概念生态系统可分为陆域生态系统和水域生态系统水生生物群落与其生存的水环境之间以及水生生物群落内不同种群生物之间不断进行着物质交换和能量流动，并处于相互作用和相互影响的动态平衡之中，构成了水生态系统（Aquaticecosystem）。2.2水生态系统组成与分类水生态系统的组成包括两大部分，四个基本成分。两大部分指生物部分和非生物部分，或称之为生命系统和环境系统。四个基本成分指生产者、消费者、分解者和非生物环境。2.2.1组成2.2.1.1生产者生产者是能以简单的无机物制造食物的自养生物，主要指有根的植物和浮游植物，其主要特点是利用太阳等能源，将简单的无机物合成为复杂有机物。在水生态系统中，生产者主要有水生植物、藻类和自氧细菌三大类。水生植物一般指水生高等维管束植物，按其生态类型可分为漂浮植物、沉水植物、挺水植物。藻类大多为单细胞生物，个体较小，代谢率高，繁殖速度快。水体藻类有九大类，典型的主要有蓝藻类和甲藻类。菖蒲苦草藻类芡实浮萍2.2.1.2消费者消费者是针对生产者而言，即它们不能从无机物质制造有机物质，而是直接或间接依赖于生产者制造的有机物质，因此属于异养生物。在水生态系统中，消费者主要是各类水生动物。它们包括原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物和脊椎动物。消费者按其营养方式上的不同又可分为：直接以植物体为营养的食草动物（称为一级消费者；以食草动物为食物的食肉动物称为二级消费者；以食肉动物为食物的大型食肉动物也称为三级消费者。2.2.1.3分解者分解者是异养生物，其作用是把动植物残体的复杂有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并释放出能量，其作用正与生产者相反。分解作用不是一类生物所能完成的，往往有一系列复杂的过程，不同阶段由不同生物去完成。这些生物主要由细菌、真菌和无脊椎动物组成。水体中的细菌和真菌主要来自四个方面，即水体中固有的微生物，来自土壤的微生物，来自生产和生活污水的微生物和来自空气的微生物。与水生态环境和人工污水处理关系密切的主要是真细菌、酵母菌和霉菌。酵母菌霉菌真菌2.2.1.4非生物环境非生物环境包括参加物质循环的无机元素和化合物（如C、N、CO2、O2、Ca、P、K），联系生物和非生物成分的有机物质（如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等）以及气候或其它物理条件（如温度、压力等）太阳能（光）、CO2N、P营养物质及无机物浮游植物浮游动物水生维管束植物（挺水、沉水、浮水）滤食性鱼类（鲢、鳙）草食性鱼类底层鱼类（鲴）底栖动物（螺、蚌）细菌、微生物碎屑水生态系统基本组成及营养关系示意图2.2.2水生态系统分类水生态系统有不同类型的划分。生态学中，常依据对水生生物分布、生长等起重要作用的主要生态因子如水温、盐度等进行科学地划分，这是开展水生态系统研究的基础。一般可分为淡水生态系统和海洋生态系统两大类型，前者又可分为湖泊生态系统、河流生态系统和淡水湿地生态系统；后者又可分为河口生态系统、滨海湿地生态系统、浅海生态系统和深海生态系统。水生态类型不同，生物群落的结构和功能就不同，因而对外界的干扰和抵抗力也不相同。水生态系统淡水生态系统海洋生态系统湖泊生态系统河流生态系统淡水湿地生态系统河口生态系统滨海湿地生态系统浅海生态系统深海生态系统2.3水生态系统的能流和物流水生态系统中的生物成员与非生物环境成分之间通过能流和物流而形成的高层次的生物组织是一个物种间、生物与环境间协调共生，能维持持续生存和相对稳定的系统。向生态系统寻找这些协调共生、持续生存和相对稳定的规律，将给人类科学保护生态环境以启示。2.3.1.物质循环生态系统中的物质循环，又称为生物地球化学循环，即生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其它生物重复利用，然后再归还于环境之中。生态系统中的物质元素可以持续循环水生态系统中的物质循环2.3.2.能量流动生态系统中的能量流动是生物与环境之间、生物与生物之间的能量传递和转化。能量是生态系统的动力，它有两种存在形式：动能和潜能。生态系统中的动能是生物及其环境之间以传导和对流的形式相互传递和转化的一种能量，包括热和辐射。生态系统中的潜能是蕴藏在光合产物化学键内处于静态的能量，它只能通过取食方式在生物之间传递和转化。各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，称为食物网。这种生物与环境之间、生物与生物之间的能量传递和转化过程，就是生态系统的能量流动过程。a.能量的流动是单一方向的，即按前进方向进行的，是不可逆的；b.食物链是能量流动的主渠道；c.输入生态系统的总能量是生产者固定的太阳能的总量；d.能量沿着营养级逐级传递，级级有散失，有遗弃。2.4水生态系统的平衡与受损生态平衡是指生态系统内部，生产者、消费者、分解者以及非生物环境之间，在一定的条件下保持着相互的相对稳定状态。生态平衡的特征体现在以下三个方面，即稳定性、整合性和自我调节性。生态系统失去平衡，意味着生态系统的结构、功能和关系遭到破坏，生态学上称之为损伤或受损。稳定性描述了一个生态系统在经历了暂时的破坏后恢复到平衡的能力。因为在一个生态系统内，有许多对立的力量在起作用，其净效果是：当一个生态系统被扰乱时，该系统通过对抗瓦解的调节机制而保持自己的生存。因此平衡不是完全静止的，而是暂时的、相对的动态平衡。整合性是指生态系统在其所处的地理条件下，发育最佳的一种状态，在正常环境条件下，生态系统能保持最佳操作点和维持良性平衡，表明该系统具有生态整合性。反之，当系统受到大的压力干扰时，系统永远偏离最佳操作点，结构和功能将表现出一系列的与受压力有关的伤害趋势，并灾难性地偏向一个不同的发展途径，这时系统将丧失生态整合性。自我调节性指当生态系统达到动态平衡的最稳定状态时，它能够自我调节和维持自己的正常功能，并能在很大程度上克服和消除外来的干扰，保持自身的稳定性。2亿只老鼠闹洞庭2.5水生态系统演替与修复在没有严重干扰的情况下,自然生态系统会定向地、有秩序地由一个阶段发展到另一个阶段,这称为生态内因演替。演替的结果,最终会出现一个相当稳定的生态系统状态。干扰常使生态系统受损并改变,称为外因演替。生态系统正常演替总是从低级向高级发展,而干扰使演替进程发生变化,严重时,如人类大规模活动,则使生态系统向相反方向演替,这称为逆序演替。生态修复就是使被干扰生态系统的逆序演替转向正常演替。2.6水生生物生存和活动的影响因素2.6.1水生