长江科学院流域水环境和水生态研究回顾与展望

李青云，黄 茁，黄 薇，谭德宝，范北林

(长江科学院 a.流域水环境研究所;b.水资源综合利用研究所;c.空间信息技术应用研究所;d.河流研究所，武汉 430010)

1 概述

随着社会经济的快速发展以及水资源开发力度不断加大，我国正面临着水资源短缺、水环境恶化、水生态退化等问题。这些问题不仅直接影响人们的生活质量，更制约着流域社会经济和环境的可持续发展。因此，流域水资源开发和利用中要加强水资源保护，应进一步改善水环境和生态。

长江科学院以水利水电科学研究为主，为国家水利事业，长江流域治理、保护、开发以及水行政管理提供科技支撑。在围绕重大水利水电项目工程科研问题的同时，长江科学院也逐步关注并研究了与工程相关的生态环境问题。与此同时，逐步设置了与水环境、水生态相关的研究专业和机构。2002年前后，根据社会需求和专业发展的需要，成立了一批公益性研究所，如长江流域水旱灾情与生态环境动态监测研究所(后改名为空间信息技术应用研究所)、水资源综合利用研究所、水土保持研究所;2009年，根据新的形势和学科发展需要，经长江水利委员会批准，新组建了流域水环境研究所，该所按照科技创新的要求配置高端人才，专门从事流域水环境及生态相关领域的跨学科研究应用工作。

本文综合回顾了长江科学院相关专业所近10年来在水环境与生态水利方面的科研工作，并对流域水环境研究所的专业定位和研究方向进行介绍和展望。

2 研究回顾

2.1 健康长江研究

2.1.1 健康长江评价指标体系研究

当前河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害，恢复和维持一个健康的河流生态系统，已经成为近年来河流环境管理的重要目标。

河湖健康评价是20世纪90年代以来在西方发达国家兴起的流域综合管理的技术手段，是河湖生态系统管理的重要内容，对实现水资源综合管理和流域生态系统良性循环具有重要意义。为贯彻“维护健康长江，促进人水和谐”为基本宗旨的治江新理念，在水利部第一批公益性行业科研专项“健康长江指标体系的建立及其应用研究”(项目编号:200701010)资助下，长江科学院健康长江课题组，围绕“保障防洪安全、合理开发利用、维系优良生态、稳定河势河床”4大目标，针对长江水循环特点和水资源开发利用现状，以河流生态与环境自然评价指标为重点，初步建立了长江健康评价的指标体系及指标数据库;应用该套评价指标体系和评价标准，对长江的健康状况进行了全面评价及预测;开展了指标体系的应用保障制度研究。该项目首次对健康长江的内涵、评价指标体系的结构、评价标准等进行系统的理论研究;同时针对长江流域的资源、环境等特点，应用水利工程学、系统理论、生态学、统计学等多学科理论与方法，提出了采用多口径尺度评价河流健康的方法和标准。项目部分成果已应用到《长江流域综合规划》修编中，为长江开发、保护和管理提供了重要参考。

2.1.2 河流生态完整性评价

生态完整性评价是河湖健康评价的核心。生态完整性研究能够快捷准确地反映出水电工程建设对保护区生境影响的程度和趋势，客观的评价结果将有助于化解民众对于水电建设影响程度的担忧与质疑。

受中国长江三峡集团公司委托，长江科学院和中国科学院水生生物研究所合作进行了“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区生态完整性研究”，在保护区及其毗邻水域开展生境结构与环境条件调查，从历史与现状2个层面进行分析，全面评价目标区域的生态完整性。主要内容包括:建立水生生态系统完整性评价框架体系，结合长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区现状与监测数据，确定生态完整性评价的技术方法与有效指标，建立保护区水域生态完整性框架评价体系，利用上述建立的综合评价方法，通过蓄水前后的评价指标比较，结合重点保护对象种群现状，客观地评价保护区实际保护效果，并对保护区的适应性管理提供建议。

2.2 河流生态需水量及生态调度研究

生态系统对水的需求是近十几年最热门的研究内容之一。研究的热点已从河流生态基流(最小生态需水量)的单一指标，转向考虑满足生态全过程需求的生态水过程(水位过程和流量过程)。同时，旨在满足大坝下游关键水生生物生态水力学条件(如产卵要求等)的生态调度研究也受到广泛重视。

2.2.1 河流生态环境流量

在世界自然基金会(WWF)资助下，开展了中国河流生态环境流量的系统研究，从河流生态系统需求的角度，结合我国河流特点及其服务功能，对环境流量的定义和内涵进行了论述;结合我国河流的地带性分布、水文特征、河流所面临的生态环境问题和水资源管理现状，对我国河流进行了环境流量分区，并分区讨论了适合我国和长江流域河流特点的环境流量确定方法，以长江流域为典型案例，讨论了如何实现环境流量的管理。并于2011年6月份出版了《中国环境流研究与实践》一书，研究成果引起了社会的广泛关注。

此外，在“健康长江河道生态环境需水满足程度研究”项目中，对长江流域不同类型河流上河道生态环境需水量的计算方法进行了探讨;计算了代表性河道生态环境需水量与河道生态环境需水满足程度，并分析了人类活动的影响，根据计算结果，对长江流域各代表性河段的健康状况进行了评价。

2.2.2 水库生态调度研究

水库在为人类带来经济与社会效益的同时，也对河流生态系统产生了一定的胁迫。为减缓水库运行对河流生态环境的影响，开展生态调度已成为流域管理的一项重要内容。

在国家自然科学基金重大项目(30490235)、国家科技支撑项目(2006BAB05B02)的资助下，以河流生态需水理论为基础，初步提出了长江流域典型断面的生态流量过程，建立了考虑生态流量需求的梯级水库多目标优化调度模型，探讨了实施流域生态调度的相关管理体制与机制。结合三峡工程和长江中下游水生生态系统，特别是“四大家鱼”的生境需求，采用平面二维水流泥沙数学模型和生态调度的研究成果，预测了三峡工程运用初期，河段冲淤变化规律及其对河势、水位、流速流态等水沙环境的影响，研究了三峡工程的生态调度及对策措施;针对目前水库生态调度存在的问题和困难，研究认为建立科学合理的管理体制和机制是实施流域内水库生态调度管理的关键，并对建立长江流域梯级水库生态调度的管理体制和机制提出了建议。

2007年中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目“水库生态调度理论、方法和应用研究”，用河流水文变化评价的IHA指标和RVA方法评价和预测了金沙江下游、长江中游和汉江在水利工程运行前后的水文变化情况;初步建立了水库生态调度的优化模型，提出了求解方法;针对长江流域的典型水库，开展了生态调度的实例研究;研究提出了水库生态调度的总体目标、基本原则、实施步骤和管理机制。

2.3 水电开发与生态环境影响

目前，我国的水利水电建设在经历了以技术约束、资金约束和市场约束为主的时期后，正进入生态和环境约束占重要地位的时期。在水利工程建设中如何趋利弊害，改变以往的某些工程理念，改进工程的设计规划方法，使未来的水利工程不但能满足人的需求，也能兼顾生态系统健康与稳定，这些问题是摆在现代水利工作者面前的重要课题。目前，发达国家的科学家和工程师正在深入研究水文、水质等各种因子与水域生物群落及生境的相关关系，其中水利工程对生态环境系统的影响问题研究也成为其中的热点。长江科学院在这方面的研究工作主要集中于河流梯级开发及生态环境累积影响和不同时空间尺度涉水工程生态环境影响研究两方面。

2.3.1 河流梯级开发及生态环境累积影响

水利部现代水利科技创新项目专题“长江流域水资源开发利用对生态与环境的叠加累积效应研究”(2005－2007年)，从维系流域生态系统完整性、生物多样性的角度出发，研究了长江流域梯级水库建设和运行调度对水生物的阻隔作用、对长江水生物生境要素的累积叠加影响;分析了流域水资源开发利用对典型湿地生境及其生物的影响，对湿地生态系统结构与功能的影响，流域水资源开发利用对长江口生境要素及生物群落的叠加影响等。

2.3.2 不同时空尺度涉水工程生态环境影响研究

2007年中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目“千年时间尺度涉水工程生态环境影响回溯方法研究”，把具有千年时间尺度的古代涉水工程的生态环境演变过程看作是在千百年来的历史原型上的实验，对古代涉水工程的类型及其对生态环境影响特点进行研究;探讨了建立多角度、多学科交叉的生态环境评价研究平台的手段与方法。这些探索工作为进一步认识涉水工程对环境生态影响的规律以及生态环境的影响预测和对策制定，有较大的启发和参考价值。

水利部公益性行业科研专项经费项目(201101027)“农村水电生态环境影响评价及保护对策研究”，重点以我国西南地区的农村水电(5万kW以下)为例，进行农村水电开发的区域分布与发展趋势研究;分析农村水电站(群)生态环境的正负效应，研究了农村水电站生态环境效应评价指标体系和评价准则;研究了生态环境效应综合评价方法、模型和软件;研究提出农村水电站环保设计技术及方法，以及符合国情的农村水电站生态补偿措施。通过本项目研究，为开展农村水电生态环境影响评价提供科学方法，为农村水电环保设计提供应用技术，为制定农村水电站(群)生态环境补偿政策提供理论依据，为制定农村水电开发、运行和管理的行业标准打下基础。

2.3.3 水电开发对湿地生态的影响

随着三峡水利工程建成运行以及长江上游干流梯级水库的规划建设，水利工程对洞庭湖、翻阳湖湿地的叠加累积影响正逐步显露，其主要表现为泥沙对两湖湿地演化的影响，水文变化对两湖生物、生境的影响。

在现代水利科技创新项目(XDS2004－02－3)资助下，开展了“水利工程建设对洞庭湖及鄱阳湖湿地的影响研究”，项目主要论述了水利工程建设对两湖滩地、植被、越冬珍稀水鸟、鱼类的影响等。研究结果表明:对洞庭湖，长江干流水利工程减缓了湿地正向演化的速度，但却加重了湿地正向演化最终的萎缩程度;对鄱阳湖，长江干流水利工程破坏了现有的泥沙冲淤准动态平衡过程，大大加速了湿地正向演化的速度。

2.4 水域纳污能力计算与评价

长江中下游水功能区类型较多，面临的水环境和生态问题也较突出。为了客观、准确地对各水功能区水质、生态健康等方面做出评价，需要建立较为完善和可靠的评价指标体系，掌握不同水环境中污染物的迁移转化规律，对于水域纳污能力计算和评价，以及水污染控制和水环境治理具有重要意义。

其中H为X带宽矩阵,h为Y的带宽体(X,Y)的核密度估计,p0(x,y)为联合先验过程的期望概率密度函数.

在中央级公益性科研院所基本科研业务费资助下，开展了“水域纳污能力计算关键技术研究”，研究了多沙河流中污染物扩散、降解规律，识别和界定影响污染物扩散和降解的因子，典型河道污染物迁移模拟和水域纳污能力大小计算方法。通过试验方式和数值模拟方式建立污染物迁移、转化与各影响因子之间的量化关系，将扩散与降解研究的成果在数值模型中耦合，开展污染物迁移转化模拟，并根据研究区水质目标确定污染物排放量，为长江中下游开展更为准确的纳污能力计算提供新思路和新方法。

在水利部公益性行业科研专项项目“长江中下游干流纳污总量控制研究”资助下，开展了水功能区评价指标和评价方法研究。在对研究范围内省界缓冲区、饮用水源保护区等重点水功能区水质保护目标落实情况进行调查的基础上，根据流域水功能区划和现有水质监测点布设情况，以及区域生态环境特点，规范水功能区监测的制度、方法，研究提出水功能区评价指标和评价方法，建立水功能区评价指标体系。

2.5 水环境监测及突发性水污染应急事故

2.5.1 水环境监测技术

常规的水环境监测通常分为理化监测和生物监测2种。生物监测水质技术是利用水生物对水体有害物质的敏感性，通过对不同水生物在不同水质环境条件下相应的活动变化状况，测定或分析得出水质的定性评价结果，同时生物监测还可以反映多种有毒物质的综合作用。

在人力资源与社会保障部留学人员科技活动项目“藻探针的急性毒性特征响应机理研究”中，根据微藻对毒性物质的光合作用响应原理，应用国际先进技术手段，创新地提出了利用藻的光合作用响应辨析污染物的新思路，根据微藻对污染物质的生物反应特性，实验测量了重金属、有机物、农药等物质单一及联合作用对四尾栅藻叶绿素浓度、光能转化效率等的影响，重点研究了在30min之内污染物对藻体产生的急性毒性效应;结合长江某区域“水华”实地取样检测，进行了急性毒性分析技术在天然水体监测中的应用，该成果解决了目前尚难以掌握的水质综合毒性分析中污染快速识别问题，对于完善水环境监测网、提高水环境监测和预警能力具有较高的理论意义和应用价值。

2.5.2 突发性水污染应急响应

突发性水污染事故频发，已经引起全社会的高度重视，目前我国以流域尺度为对象的水污染事故应急管理信息系统的研究还较鲜见。

在科技部社会公益研究专项“三峡水库突发性水污染事件应急响应系统研究”项目中，运用“3S”技术、数据库技术、三位虚拟技术和网络通信等先进手段，按照突发性水污染事故应急管理体系的要求，运用水动力学及水污染数值模型及“3S”技术，研究实现基于三维虚拟环境的突发性水污染物扩散仿真技术，并构建突发性水污染应急响应系统，为保障三峡水库水质安全，最大程度地减少突发性水污染事件可能造成的危害提供先进可靠的技术支持。该研究的成果已在长江三峡库区万州段获得了实际应用。

2.6 水环境模拟和应用

长江科学院承担过长江水环境评价和保护、三峡水库水环境问题和数值模拟研究。主持的水利部“948”项目“基于OpenMI的综合流域水环境仿真模拟系统”，开展了水环境模拟、预警平台建设以及水环境健康评价指标体系的研究。开发了基于EFDC的调水调沙软件，使用EFDC软件开展了湘江、松花江等河流的突发性污染事故模拟研究工作，开展了三峡库区整体一维水、沙、污染物耦合模拟，以此为基础预测了三峡工程蓄水后水环境变化，在一维、二维以及三维水沙、水温、水质等方面的数学模型技术研究等方面积累了丰富的经验，对非点源模型SWAT的建模机理与应用也有较深入的研究基础。

2.7 农业面源污染监控与防治

农业面源污染主要指农业生产活动引起的各种污染物(沉淀物、营养物、农药、盐分和病菌等)以低浓度、大范围的形式对土壤和水圈的污染。与点源污染(集中排放污水)相比，面源污染具有发生随机性、污染物排放时间及途径不确定性、污染负荷时空差异性大等特点，防治比较困难。

在科技部社会公益研究专项(2005DIB4J061)、农业科技成果转化资金项目和2008年国土整治事业费等项目资助下，开展了村镇面源污染监测信息系统示范建设，利用全数字摄影测量、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等现代化高新技术构建了村镇面源污染监测信息系统，应用该系统可对村镇面源污染进行模拟和动态监测。利用生物浮岛技术开展了农业面源污染治理研究。还以长江流域为例，深入剖析了流域内主要面源污染物来源区特点，以及农业面源污染对流域水环境的影响;开展了面向流域可持续发展要求的流域水环境政策法规研究，对水环境保护立法、面源污染防治条例及配套政策和市场机制进行了研究;依据循环农业经济和生态农业的基本理念，讨论了适合于我国的可持续发展循环性生态农业发展模式。

2.8 其他研究工作

除上述研究范畴外，长江科学院还陆续开展了“跨流域调水对生态环境的影响及对策”，“城市化过程中的水环境问题研究综述”，“长江流域城市污水处理现状与节水效应浅析”，“水库温室气体排放问题”和“流域水环境保护政策与法规探讨”等研究。

3 流域水环境研究展望

众所周知，流域是一个整体，它由若干子流域组成，以水为载体的水循环、土壤流失、污染物和营养物的循环等都是在流域整体内完成的。这些物质的循环对流域的资源、环境、生态都有很大的影响。只有从流域角度，才能完整地研究这些物质的循环过程，进而对流域水环境的规划、管理和治理提供科技支撑。

鉴于上述认识，结合水利行业优势和单位特点，长江科学院流域水环境研究所的主要研究定位是:以流域为单元，研究各类物质产生的“源”和“汇”及其在流域内的循环过程和平衡条件，在此基础上，研究流域水环境的演变过程及规律，开发水环境与生态的治理和修复技术，为实现流域水资源的可持续利用提供技术支撑。

主要研究方向展望如下:

(1)流域水环境演变研究:从流域尺度上全面系统地研究、评价水环境特征和背景浓度，建立流域、区域水环境安全控制背景浓度或者基准，提出长江水环境安全阈值;研究流域尺度的氮磷循环规律;开展全球气候变化下长江流域环境演变问题。

(2)流域水环境规划与管理研究:根据现行流域与区域相结合的水资源保护机制体制的不足，及其对水资源保护事业发展的制约，从促进流域水资源保护发展和水资源可持续利用的角度，开展水资源保护管理机制体制相关研究，研究提出可以满足新形势的流域水环境管理理论、制度和法律法规等。

(3)水体纳污能力计算及流域水功能区水环境模拟技术:重点研究典型自然背景条件下河流纳污能力的计算方法;研究湖泊动态纳污能力计算中流速、降解系数等参数确定的理论方法;研究不同环境管理的要求和管理模式下，纳污能力计算中边界条件的合理取值方法和关键技术;研究复杂条件下水域纳污能力计算中动态因子的定量控制关系及模拟技术研究。

(4)流域水环境治理及生态修复技术:研究流域尺度的水生态保护与修复技术，重点研究面源污染综合防控工程技术和湖泊大面积受污水体的快速修复和应急处理技术;在面源污染综合防控工程技术研究中，重点进行生态清洁小流域建设技术体系集成研究。

(5)流域水电开发与生态环境影响评价理论和方法:生态效应的逐渐显现使水利工程的长期生态环境影响受到高度重视。拟着重对长江流域重点工程建设和运行中的生态环境影响跟踪监测与研究，客观揭示不同尺度水利工程生态环境影响的方式、程度及其变化规律。

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