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文章信息
原文題目：Development of an ecohydraulics model for stream and river restoration
作者： B.N. Bockelmann, E.K. Fenrich, B. Lin, R.A.Falconer
第一作者單位: Hydroenvironmental Research Centre, Cardiff School of Engineering, Cardiff University, Queen’s Buildings, P.O. Box 925, Newport Road, Cardiff CF24 0YF, UK
期刊：Ecological Engineering
發表時間：April 2004
當前，關於天然河道形成和發展的信息少之又少，難以建立重現天然河道水動力情況和生態情況的模型。本研究基於對英國西威爾士一條河流河道曲折處數據的收集，建立了Depth Integrated velocity and Solute Transport (DIVAST)的二維有限模型，此模型考慮了水流速度，水深分布以及河床剪切力，模擬兩種無脊椎動物的棲息地分布。
水動力模型可以很好地表達水流在時空上的變化以及遷移過程。為了研究水流、水深、沉積作用和其他因素對生物棲息的影響，需要把生態因素和這些模型聯繫起來。這樣研究的基本假設是不同動植物的生存地具有不同的物理參數（在很多情況下，食物、水污染和捕食被捕食關係反而是不那麼重要的因素）。而水動力變量恰恰可以通過管道、海峽等的形態變化來人為控制，因而如果能在水動力和生態參數之間建立聯繫，則可以通過新建管道等方式最大化保護動植物生存地和生物多樣性。
圖1 河流重建的管道
研究表明，Froude常數和河床剪切力是其中最重要的水動力影響因素。剪切力會影響河床物質的沖刷與侵蝕，進而影響管道的形態以及生物的生存狀態。本研究採用的方法是利用重球法計算得到河床剪切力，進而利用PHABSIM和CASIMIR模型將生物和物理參數聯繫起來。
本研究選擇河底大型無脊椎動物作為生態指標，這是由於這些動物往往是在河流情況發生變化之後最快重新棲息下來的動物，是河流棲息地環境的重要指標。
圖2 研究區域兩種無脊椎動物豐度分布
同時，本研究採用了曲線格點（curvilinear grid）來計算水流深度，速度和剪切力的分布。這種方法相較於傳統的格點法，對於非線性的水平傳遞的動量方程描述更準確，也有更廣的適用性，可以用於狹窄的曲折小溪。利用這種方法可以將水流曲線上的一個區域轉化為簡單的矩形計算點，然後利用二維／一維有限模型進行水動力變量的模擬或計算（還可以減少計算量）。
圖3 研究區域等曲線格點圖
此模型可以用於預測棲息地，也可以為河道重建項目中生物棲息地的遷移規律提供建議。
本文的目的是建立河流的生態模型，但卻從河流的水動力模型出發，嘗試建立兩者之間的聯繫，從而將數據需求從原本難以收集的生態信息數據轉化為易於獲得的水動力數據。當然，尋找這兩者之間的聯繫並非易事，本研究在一個小區域進行了大量的數據收集和研究，使得模型具有較好的模擬效果，但此模型是否能夠推廣到其他區域，或是在推廣過程中又需要多大工作量的「地方特色「新研究也是需要進一步考慮的。但不可否認，本研究為建立河流重建生態模型做出了勇敢的嘗試。
參考文獻
Bockelmann B N, Fenrich E K, Lin B, et al. Development of an ecohydraulics model for stream and river restoration[J]. Ecological Engineering, 2004, 22(4):227-235.
