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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０２９１ － １１

基于 ＩＰＳＯ － ＢＰ神经网络的高含沙水体对鱼类影响预测方法

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李晓晨 ，白音包力皋 ，李向东 ，许凤冉 ，穆祥鹏 ，董志强 １
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司，青海 西宁 ８１０００１）
摘要：水库进行水力排沙时，高含沙水流过程可能会对鱼类等水生动物产生负面影响，其量化评估方法研究较为
薄弱。为了预测和评估水库排沙过程对下游鱼类的影响，本文利用黄河花斑裸鲤和鲤鱼在高含沙水体中生存特性
研究的实验数 据，综 合 考 虑 含 沙 量 和 粒 径、溶 解 氧、暴 露 时 间、水 温 等 因 子 对 鱼 类 生 存 的 影 响，建 立 了 基 于
ＩＰＳＯ － ＢＰ神经网络的高含沙水体对鱼类致死影响预测方法，对目标鱼类死亡率的预测误差小于 ６％。本文使用了
与 ＢＰ神经网络紧密耦合并引入动态参数和变异扰动的 ＩＰＳＯ算法，较 ＢＰ和 ＰＳＯ － ＢＰ神经网络预测能力更佳，相
比国内外已有的 ＳｔｒｅｓｓＩｎｄｅｘ（ＳＩ）、ＳｅｖｅｒｉｔｙｏｆＩｌｌＥｆｆｅｃｔ（ＳＥＶ）和多元拟合方法预测精度得到显著提升。分析表明，
本文提出的预测方法能够考虑高含沙水体中鱼类生存受多环境因子联合制约，且多因子之间存在复杂关联的情
况，可为评估高含沙水流过程对水生态的影响提供新的方法。
关键词：ＩＰＳＯ － ＢＰ神经网络；高含沙水流；鱼类；致死率；预测方法
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０５３３
中图分类号：ＴＶ１４５；ＴＰ１８３

１ 研究背景

水库进行水力排沙时，下游河道水体的含沙量和溶解氧短时间内剧烈波动，排沙形成的高含沙水
流过程会导致鱼类等水生动植物大量死亡 ［１］ 。目前国内对于水库排沙给下游河流生态环境带来的负面
影响重视程度仍然不足 ［２ － ３］ ，且缺乏相应量化和预测水生动物受影响程度的手段 ［４］ 。分析和预测高含
沙水流过程对鱼类的影响，对制定基于水生态保护的水库排沙方案有重要参考价值 ［５］ 。
高含沙水流过程对鱼类的影响取决于悬移质泥沙浓度（ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｅｄｉｍｅｎｔＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ＳＳＣ）及
其粒径、鱼类种类、暴露时间（ ＥｘｐｏｓｕｒｅＤｕｒａｔｉｏｎ，ＥＤ）等很多因素，为此，国内外学者通过室内水槽
实验和野外调查的方法进行了研究 ［６ － ７］ 。悬浮泥沙浓度较高会伤害鱼类的呼吸系统，泥沙会刺激口腔
和呼吸道上皮组织，引起鳃的损伤、堵塞和分泌黏液 ［８］ 。鳃的损伤会导致鱼类暂时性缺氧，在极端条
件下会引起鱼类死亡。此外，吸附在泥沙颗粒表面的有机质和还原性物质与水中溶解氧发生反应，导
致高含沙水体溶解氧含量快速下降，这也是鱼类死亡的原因之一 ［７］ 。不同河流的不同鱼种对泥沙的耐
受能力存在明显差异 ［９ － １０］ ，对于特定的水库实施排沙时应考虑流域内优势物种的耐受能力。
目前，评估高含沙水流过程对鱼类影响的方法主要有两种：一种是依据水库排沙可能的平均或最
高含沙量预估鱼类 死亡率。然而 以恒 定的 含沙 量阈 值 来判 别 鱼 类 受 影 响 程 度 显 然 存 在 很 多 不 确 定
性 ［９］ 。另一种是统计分析的方法，通过样本数据建立预测因子与目标因子的相关关系。ＮｅｗｃｏｍｂｅＣＰ
等 ［１１ － １２］ 先后基于水生动物的观察数据提出了 ＳｔｒｅｓｓＩｎｄｅｘ（ＳＩ）和 ＳｅｖｅｒｉｔｙｏｆＩｌｌＥｆｆｅｃｔ（ＳＥＶ）评估方法，

收稿日期：２０２２ － ０７ － ０７；网络首发日期：２０２３ － ０３ － ０３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０３０１．１５５９．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：青海省基础研究计划项目（２０２１ － ＺＪ － ７５９）
作者简介：李晓晨（ １９９５ － ），博士生，主要从事水力学及河流动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｉａｏｃｈｅｎｌｉ１９９５＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ
通讯作者：白音包力皋（１９７２ － ），博士，教授级高级工程师，主要从事生态水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｂａｉｙｉｎ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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