長江科學院流域水環境和水生態研究回顧與展望

李青云，黃 茁，黃 薇，譚德寶，范北林

(長江科學院 a.流域水環境研究所;b.水資源綜合利用研究所;c.空間信息技術應用研究所;d.河流研究所，武漢 430010)

1 概述

隨著社會經濟的快速發展以及水資源開發力度不斷加大，我國正面臨著水資源短缺、水環境惡化、水生態退化等問題。這些問題不僅直接影響人們的生活質量，更制約著流域社會經濟和環境的可持續發展。因此，流域水資源開發和利用中要加強水資源保護，應進一步改善水環境和生態。

長江科學院以水利水電科學研究為主，為國家水利事業，長江流域治理、保護、開發以及水行政管理提供科技支撐。在圍繞重大水利水電項目工程科研問題的同時，長江科學院也逐步關注并研究了與工程相關的生態環境問題。與此同時，逐步設置了與水環境、水生態相關的研究專業和機構。2002年前后，根據社會需求和專業發展的需要，成立了一批公益性研究所，如長江流域水旱災情與生態環境動態監測研究所(后改名為空間信息技術應用研究所)、水資源綜合利用研究所、水土保持研究所;2009年，根據新的形勢和學科發展需要，經長江水利委員會批準，新組建了流域水環境研究所，該所按照科技創新的要求配置高端人才，專門從事流域水環境及生態相關領域的跨學科研究應用工作。

本文綜合回顧了長江科學院相關專業所近10年來在水環境與生態水利方面的科研工作，并對流域水環境研究所的專業定位和研究方向進行介紹和展望。

2 研究回顧

2.1 健康長江研究

2.1.1 健康長江評價指標體系研究

當前河流生態系統不斷受到人類活動的干擾和損害，恢復和維持一個健康的河流生態系統，已經成為近年來河流環境管理的重要目標。

河湖健康評價是20世紀90年代以來在西方發達國家興起的流域綜合管理的技術手段，是河湖生態系統管理的重要內容，對實現水資源綜合管理和流域生態系統良性循環具有重要意義。為貫徹“維護健康長江，促進人水和諧”為基本宗旨的治江新理念，在水利部第一批公益性行業科研專項“健康長江指標體系的建立及其應用研究”(項目編號:200701010)資助下，長江科學院健康長江課題組，圍繞“保障防洪安全、合理開發利用、維系優良生態、穩定河勢河床”4大目標，針對長江水循環特點和水資源開發利用現狀，以河流生態與環境自然評價指標為重點，初步建立了長江健康評價的指標體系及指標數據庫;應用該套評價指標體系和評價標準，對長江的健康狀況進行了全面評價及預測;開展了指標體系的應用保障制度研究。該項目首次對健康長江的內涵、評價指標體系的結構、評價標準等進行系統的理論研究;同時針對長江流域的資源、環境等特點，應用水利工程學、系統理論、生態學、統計學等多學科理論與方法，提出了采用多口徑尺度評價河流健康的方法和標準。項目部分成果已應用到《長江流域綜合規劃》修編中，為長江開發、保護和管理提供了重要參考。

2.1.2 河流生態完整性評價

生態完整性評價是河湖健康評價的核心。生態完整性研究能夠快捷準確地反映出水電工程建設對保護區生境影響的程度和趨勢，客觀的評價結果將有助于化解民眾對于水電建設影響程度的擔憂與質疑。

受中國長江三峽集團公司委托，長江科學院和中國科學院水生生物研究所合作進行了“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區生態完整性研究”，在保護區及其毗鄰水域開展生境結構與環境條件調查，從歷史與現狀2個層面進行分析，全面評價目標區域的生態完整性。主要內容包括:建立水生生態系統完整性評價框架體系，結合長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區現狀與監測數據，確定生態完整性評價的技術方法與有效指標，建立保護區水域生態完整性框架評價體系，利用上述建立的綜合評價方法，通過蓄水前后的評價指標比較，結合重點保護對象種群現狀，客觀地評價保護區實際保護效果，并對保護區的適應性管理提供建議。

2.2 河流生態需水量及生態調度研究

生態系統對水的需求是近十幾年最熱門的研究內容之一。研究的熱點已從河流生態基流(最小生態需水量)的單一指標，轉向考慮滿足生態全過程需求的生態水過程(水位過程和流量過程)。同時，旨在滿足大壩下游關鍵水生生物生態水力學條件(如產卵要求等)的生態調度研究也受到廣泛重視。

2.2.1 河流生態環境流量

在世界自然基金會(WWF)資助下，開展了中國河流生態環境流量的系統研究，從河流生態系統需求的角度，結合我國河流特點及其服務功能，對環境流量的定義和內涵進行了論述;結合我國河流的地帶性分布、水文特征、河流所面臨的生態環境問題和水資源管理現狀，對我國河流進行了環境流量分區，并分區討論了適合我國和長江流域河流特點的環境流量確定方法，以長江流域為典型案例，討論了如何實現環境流量的管理。并于2011年6月份出版了《中國環境流研究與實踐》一書，研究成果引起了社會的廣泛關注。

此外，在“健康長江河道生態環境需水滿足程度研究”項目中，對長江流域不同類型河流上河道生態環境需水量的計算方法進行了探討;計算了代表性河道生態環境需水量與河道生態環境需水滿足程度，并分析了人類活動的影響，根據計算結果，對長江流域各代表性河段的健康狀況進行了評價。

2.2.2 水庫生態調度研究

水庫在為人類帶來經濟與社會效益的同時，也對河流生態系統產生了一定的脅迫。為減緩水庫運行對河流生態環境的影響，開展生態調度已成為流域管理的一項重要內容。

在國家自然科學基金重大項目(30490235)、國家科技支撐項目(2006BAB05B02)的資助下，以河流生態需水理論為基礎，初步提出了長江流域典型斷面的生態流量過程，建立了考慮生態流量需求的梯級水庫多目標優化調度模型，探討了實施流域生態調度的相關管理體制與機制。結合三峽工程和長江中下游水生生態系統，特別是“四大家魚”的生境需求，采用平面二維水流泥沙數學模型和生態調度的研究成果，預測了三峽工程運用初期，河段沖淤變化規律及其對河勢、水位、流速流態等水沙環境的影響，研究了三峽工程的生態調度及對策措施;針對目前水庫生態調度存在的問題和困難，研究認為建立科學合理的管理體制和機制是實施流域內水庫生態調度管理的關鍵，并對建立長江流域梯級水庫生態調度的管理體制和機制提出了建議。

2007年中央級公益性科研院所基本科研業務費資助項目“水庫生態調度理論、方法和應用研究”，用河流水文變化評價的IHA指標和RVA方法評價和預測了金沙江下游、長江中游和漢江在水利工程運行前后的水文變化情況;初步建立了水庫生態調度的優化模型，提出了求解方法;針對長江流域的典型水庫，開展了生態調度的實例研究;研究提出了水庫生態調度的總體目標、基本原則、實施步驟和管理機制。

2.3 水電開發與生態環境影響

目前，我國的水利水電建設在經歷了以技術約束、資金約束和市場約束為主的時期后，正進入生態和環境約束占重要地位的時期。在水利工程建設中如何趨利弊害，改變以往的某些工程理念，改進工程的設計規劃方法，使未來的水利工程不但能滿足人的需求，也能兼顧生態系統健康與穩定，這些問題是擺在現代水利工作者面前的重要課題。目前，發達國家的科學家和工程師正在深入研究水文、水質等各種因子與水域生物群落及生境的相關關系，其中水利工程對生態環境系統的影響問題研究也成為其中的熱點。長江科學院在這方面的研究工作主要集中于河流梯級開發及生態環境累積影響和不同時空間尺度涉水工程生態環境影響研究兩方面。

2.3.1 河流梯級開發及生態環境累積影響

水利部現代水利科技創新項目專題“長江流域水資源開發利用對生態與環境的疊加累積效應研究”(2005－2007年)，從維系流域生態系統完整性、生物多樣性的角度出發，研究了長江流域梯級水庫建設和運行調度對水生物的阻隔作用、對長江水生物生境要素的累積疊加影響;分析了流域水資源開發利用對典型濕地生境及其生物的影響，對濕地生態系統結構與功能的影響，流域水資源開發利用對長江口生境要素及生物群落的疊加影響等。

2.3.2 不同時空尺度涉水工程生態環境影響研究

2007年中央級公益性科研院所基本科研業務費資助項目“千年時間尺度涉水工程生態環境影響回溯方法研究”，把具有千年時間尺度的古代涉水工程的生態環境演變過程看作是在千百年來的歷史原型上的實驗，對古代涉水工程的類型及其對生態環境影響特點進行研究;探討了建立多角度、多學科交叉的生態環境評價研究平臺的手段與方法。這些探索工作為進一步認識涉水工程對環境生態影響的規律以及生態環境的影響預測和對策制定，有較大的啟發和參考價值。

水利部公益性行業科研專項經費項目(201101027)“農村水電生態環境影響評價及保護對策研究”，重點以我國西南地區的農村水電(5萬kW以下)為例，進行農村水電開發的區域分布與發展趨勢研究;分析農村水電站(群)生態環境的正負效應，研究了農村水電站生態環境效應評價指標體系和評價準則;研究了生態環境效應綜合評價方法、模型和軟件;研究提出農村水電站環保設計技術及方法，以及符合國情的農村水電站生態補償措施。通過本項目研究，為開展農村水電生態環境影響評價提供科學方法，為農村水電環保設計提供應用技術，為制定農村水電站(群)生態環境補償政策提供理論依據，為制定農村水電開發、運行和管理的行業標準打下基礎。

2.3.3 水電開發對濕地生態的影響

隨著三峽水利工程建成運行以及長江上游干流梯級水庫的規劃建設，水利工程對洞庭湖、翻陽湖濕地的疊加累積影響正逐步顯露，其主要表現為泥沙對兩湖濕地演化的影響，水文變化對兩湖生物、生境的影響。

在現代水利科技創新項目(XDS2004－02－3)資助下，開展了“水利工程建設對洞庭湖及鄱陽湖濕地的影響研究”，項目主要論述了水利工程建設對兩湖灘地、植被、越冬珍稀水鳥、魚類的影響等。研究結果表明:對洞庭湖，長江干流水利工程減緩了濕地正向演化的速度，但卻加重了濕地正向演化最終的萎縮程度;對鄱陽湖，長江干流水利工程破壞了現有的泥沙沖淤準動態平衡過程，大大加速了濕地正向演化的速度。

2.4 水域納污能力計算與評價

長江中下游水功能區類型較多，面臨的水環境和生態問題也較突出。為了客觀、準確地對各水功能區水質、生態健康等方面做出評價，需要建立較為完善和可靠的評價指標體系，掌握不同水環境中污染物的遷移轉化規律，對于水域納污能力計算和評價，以及水污染控制和水環境治理具有重要意義。

其中H為X帶寬矩陣,h為Y的帶寬體(X,Y)的核密度估計,p0(x,y)為聯合先驗過程的期望概率密度函數.

在中央級公益性科研院所基本科研業務費資助下，開展了“水域納污能力計算關鍵技術研究”，研究了多沙河流中污染物擴散、降解規律，識別和界定影響污染物擴散和降解的因子，典型河道污染物遷移模擬和水域納污能力大小計算方法。通過試驗方式和數值模擬方式建立污染物遷移、轉化與各影響因子之間的量化關系，將擴散與降解研究的成果在數值模型中耦合，開展污染物遷移轉化模擬，并根據研究區水質目標確定污染物排放量，為長江中下游開展更為準確的納污能力計算提供新思路和新方法。

在水利部公益性行業科研專項項目“長江中下游干流納污總量控制研究”資助下，開展了水功能區評價指標和評價方法研究。在對研究范圍內省界緩沖區、飲用水源保護區等重點水功能區水質保護目標落實情況進行調查的基礎上，根據流域水功能區劃和現有水質監測點布設情況，以及區域生態環境特點，規范水功能區監測的制度、方法，研究提出水功能區評價指標和評價方法，建立水功能區評價指標體系。

2.5 水環境監測及突發性水污染應急事故

2.5.1 水環境監測技術

常規的水環境監測通常分為理化監測和生物監測2種。生物監測水質技術是利用水生物對水體有害物質的敏感性，通過對不同水生物在不同水質環境條件下相應的活動變化狀況，測定或分析得出水質的定性評價結果，同時生物監測還可以反映多種有毒物質的綜合作用。

在人力資源與社會保障部留學人員科技活動項目“藻探針的急性毒性特征響應機理研究”中，根據微藻對毒性物質的光合作用響應原理，應用國際先進技術手段，創新地提出了利用藻的光合作用響應辨析污染物的新思路，根據微藻對污染物質的生物反應特性，實驗測量了重金屬、有機物、農藥等物質單一及聯合作用對四尾柵藻葉綠素濃度、光能轉化效率等的影響，重點研究了在30min之內污染物對藻體產生的急性毒性效應;結合長江某區域“水華”實地取樣檢測，進行了急性毒性分析技術在天然水體監測中的應用，該成果解決了目前尚難以掌握的水質綜合毒性分析中污染快速識別問題，對于完善水環境監測網、提高水環境監測和預警能力具有較高的理論意義和應用價值。

2.5.2 突發性水污染應急響應

突發性水污染事故頻發，已經引起全社會的高度重視，目前我國以流域尺度為對象的水污染事故應急管理信息系統的研究還較鮮見。

在科技部社會公益研究專項“三峽水庫突發性水污染事件應急響應系統研究”項目中，運用“3S”技術、數據庫技術、三位虛擬技術和網絡通信等先進手段，按照突發性水污染事故應急管理體系的要求，運用水動力學及水污染數值模型及“3S”技術，研究實現基于三維虛擬環境的突發性水污染物擴散仿真技術，并構建突發性水污染應急響應系統，為保障三峽水庫水質安全，最大程度地減少突發性水污染事件可能造成的危害提供先進可靠的技術支持。該研究的成果已在長江三峽庫區萬州段獲得了實際應用。

2.6 水環境模擬和應用

長江科學院承擔過長江水環境評價和保護、三峽水庫水環境問題和數值模擬研究。主持的水利部“948”項目“基于OpenMI的綜合流域水環境仿真模擬系統”，開展了水環境模擬、預警平臺建設以及水環境健康評價指標體系的研究。開發了基于EFDC的調水調沙軟件，使用EFDC軟件開展了湘江、松花江等河流的突發性污染事故模擬研究工作，開展了三峽庫區整體一維水、沙、污染物耦合模擬，以此為基礎預測了三峽工程蓄水后水環境變化，在一維、二維以及三維水沙、水溫、水質等方面的數學模型技術研究等方面積累了豐富的經驗，對非點源模型SWAT的建模機理與應用也有較深入的研究基礎。

2.7 農業面源污染監控與防治

農業面源污染主要指農業生產活動引起的各種污染物(沉淀物、營養物、農藥、鹽分和病菌等)以低濃度、大范圍的形式對土壤和水圈的污染。與點源污染(集中排放污水)相比，面源污染具有發生隨機性、污染物排放時間及途徑不確定性、污染負荷時空差異性大等特點，防治比較困難。

在科技部社會公益研究專項(2005DIB4J061)、農業科技成果轉化資金項目和2008年國土整治事業費等項目資助下，開展了村鎮面源污染監測信息系統示范建設，利用全數字攝影測量、遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)等現代化高新技術構建了村鎮面源污染監測信息系統，應用該系統可對村鎮面源污染進行模擬和動態監測。利用生物浮島技術開展了農業面源污染治理研究。還以長江流域為例，深入剖析了流域內主要面源污染物來源區特點，以及農業面源污染對流域水環境的影響;開展了面向流域可持續發展要求的流域水環境政策法規研究，對水環境保護立法、面源污染防治條例及配套政策和市場機制進行了研究;依據循環農業經濟和生態農業的基本理念，討論了適合于我國的可持續發展循環性生態農業發展模式。

2.8 其他研究工作

除上述研究范疇外，長江科學院還陸續開展了“跨流域調水對生態環境的影響及對策”，“城市化過程中的水環境問題研究綜述”，“長江流域城市污水處理現狀與節水效應淺析”，“水庫溫室氣體排放問題”和“流域水環境保護政策與法規探討”等研究。

3 流域水環境研究展望

眾所周知，流域是一個整體，它由若干子流域組成，以水為載體的水循環、土壤流失、污染物和營養物的循環等都是在流域整體內完成的。這些物質的循環對流域的資源、環境、生態都有很大的影響。只有從流域角度，才能完整地研究這些物質的循環過程，進而對流域水環境的規劃、管理和治理提供科技支撐。

鑒于上述認識，結合水利行業優勢和單位特點，長江科學院流域水環境研究所的主要研究定位是:以流域為單元，研究各類物質產生的“源”和“匯”及其在流域內的循環過程和平衡條件，在此基礎上，研究流域水環境的演變過程及規律，開發水環境與生態的治理和修復技術，為實現流域水資源的可持續利用提供技術支撐。

主要研究方向展望如下:

(1)流域水環境演變研究:從流域尺度上全面系統地研究、評價水環境特征和背景濃度，建立流域、區域水環境安全控制背景濃度或者基準，提出長江水環境安全閾值;研究流域尺度的氮磷循環規律;開展全球氣候變化下長江流域環境演變問題。

(2)流域水環境規劃與管理研究:根據現行流域與區域相結合的水資源保護機制體制的不足，及其對水資源保護事業發展的制約，從促進流域水資源保護發展和水資源可持續利用的角度，開展水資源保護管理機制體制相關研究，研究提出可以滿足新形勢的流域水環境管理理論、制度和法律法規等。

(3)水體納污能力計算及流域水功能區水環境模擬技術:重點研究典型自然背景條件下河流納污能力的計算方法;研究湖泊動態納污能力計算中流速、降解系數等參數確定的理論方法;研究不同環境管理的要求和管理模式下，納污能力計算中邊界條件的合理取值方法和關鍵技術;研究復雜條件下水域納污能力計算中動態因子的定量控制關系及模擬技術研究。

(4)流域水環境治理及生態修復技術:研究流域尺度的水生態保護與修復技術，重點研究面源污染綜合防控工程技術和湖泊大面積受污水體的快速修復和應急處理技術;在面源污染綜合防控工程技術研究中，重點進行生態清潔小流域建設技術體系集成研究。

(5)流域水電開發與生態環境影響評價理論和方法:生態效應的逐漸顯現使水利工程的長期生態環境影響受到高度重視。擬著重對長江流域重點工程建設和運行中的生態環境影響跟蹤監測與研究，客觀揭示不同尺度水利工程生態環境影響的方式、程度及其變化規律。

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