长江中游通江湖泊江湖关系演变及环境生态效应与调控

项目名称：长江中游通江湖泊江湖关系演变及环境生态效应与调控首席科学家：杨桂山中国科学院南京地理与湖泊研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院水利部一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题及其内涵长江中游通江湖泊江湖水沙交换过程与通量变化是江湖、尤其是湖泊演变的控制因素之一，长江中上游重大水利工程建设运行通过改变坝下河道水文情势和河床形态而对江湖水沙交换关系产生巨大影响。深入揭示江湖关系演变过程及重大水利工程影响机理，阐明重大水利工程影响下江湖关系变化的湖泊水文、水环境和水生态效应，提出江湖两利的江湖关系优化调控的方法与对策是本项研究的三个关键环节。据此，本项研究需要解决的关键科学问题包括：（1）长江中游通江湖泊江湖关系演变过程及重大水利工程影响机理；（2）湖泊水文、水环境和水生态对江湖关系改变的响应机制；（3）江湖关系健康评价与优化调控的原理和方法。1、长江中游通江湖泊江湖关系演变过程及重大水利工程影响机理长江中游通江湖泊江湖关系核心是长江和湖泊之间的水沙交换，包括交换过程与通量，这种水沙交换与长江干流和湖泊水沙输移、河床和湖盆地形演变等要素形成互馈影响关系。河湖整治和利用等重大水利工程建设、气候波动引起的上游来水来沙量变化等，都将对江湖水沙过程和通量产生巨大影响。重大水利工程的建设运行，作为强烈的人类活动之一，其对水文系统的影响及互馈机制是当前国际水文学研究热点和发展趋势，与气候波动性和渐变性影响不同，重大水利工程影响具有趋势性和突变性的特点，其与河湖水文系统的互馈影响机理也十分复杂。本科学问题的主要内涵包括：通江湖泊江湖水沙交换过程与通量的年际变化及年内分布；不同时期江湖关系变化的主要影响因素；长江、鄱阳湖和洞庭湖水沙运动的动力学机制；重大水利工程不同运行方案下泄水沙在江湖水系中的传播与衰减规律；江湖水沙过程与河床、湖盆演变的互馈影响机理；重大水利工程影响下江湖水沙交换过程和通量变化趋势等。2、湖泊水文、水环境和水生态对江湖关系改变的响应机制与长江的水沙交换决定了通江湖泊独特的水文、水环境和水生态格局及其形成机制，江湖关系变化必将导致湖泊水文水动力条件改变，进而影响江湖干旱洪水极端事件和湖泊污染物分布与水环境容量，以及湖泊生态系统结构与洲滩湿地植被群落的演替。本科学问题的主要内涵包括：湖泊水位、水量和流场对江湖关系变化响应的时空分异规律；干旱和洪水过程响应江湖关系变化的演变机制；湖泊水文水动力等条件变化对水环境容量、富营养化及蓝藻水华发生发展趋势的影响；湖泊浮游生物、底栖生物种群、湿地植被群落以及珍稀鸟类栖息地生境对水情变化的响应过程与适应机理等。3、江湖关系健康评价与优化调控的原理与方法长江与通江湖泊江湖关系随长江和湖泊水文情势变化而不断变化，如何评价重大水利工程影响对这种平衡打破的利弊以及采取什么途径和方法调控，实现江湖两利的动态平衡，成为维系长江中游江湖水系水安全的关键。本科学问题的主要内涵包括：中游通江湖泊江湖关系健康评价指标体系与标准；长江中游江湖水系重大水利工程一体化优化调度的原理和方法等。（二）主要研究内容围绕上述关键科学问题，本项目拟重点开展以下四个方面的研究。1、长江中游通江湖泊江湖关系演变过程与机制以长江中游通江湖泊江湖水系近50多年来长序列实测水文气象和河床、湖盆地形等数据为基础，研究长江与通江湖泊水沙交换关系变化的历史过程，辨析不同时期水沙交换过程与通量时空分布特征；建立江湖水沙交换与湖泊流域和长江干流主要气象水文要素的统计关系，分析不同时期降水蒸发量变化、重大水利工程建设、荆江裁弯等河道整治以及通江湖泊湖区联圩并垸、围垦、湖盆淤积、退田还湖等湖泊治理利用工程引起的河床、湖盆冲淤变化，评估这些变化对长江干流河道和通江湖泊水沙输移的影响，揭示不同时期江湖关系演变的主要驱动机制，评估相关重大江湖整治与利用工程对江湖关系影响的利弊；通过洞庭湖三口、鄱阳湖湖口及江湖交汇河段水文资料分析及观测试验，分析洞庭湖和鄱阳湖与长江江湖分流与顶托倒灌关系现状特征和形成机制。2、三峡工程对长江江湖分汇河段与湖泊水沙交换的影响基于水沙原型观测资料，研究长江干流河道泥沙运移和重点河段河床演变规律，建立一维和平面二维非恒定流泥沙数学模型，模拟分析三峡工程对干流河道泥沙运移和重点河段河床冲淤演变影响的长期效应；在此基础上，结合三维紊流泥沙模型，开展长江干流荆江河段、城陵矶河段、荆江三口分流洪道、九江河段与鄱阳湖出口河道等重点江湖分汇河段的水流结构、悬移质泥沙输移的精细模拟，分析重大水利工程对江湖分汇河段水沙输移和河床冲淤演变的影响；研究通江湖泊水动力和泥沙运动基本规律，构建适合天然复杂水域和复杂水情水沙模拟的湖泊二维水动力和泥沙输移模型，模拟分析三峡工程对湖泊水沙运移和洲滩演变的影响；建立涵盖长江宜昌至大通段的长江中游干流与洞庭湖、鄱阳湖两大通江湖泊和主要干支流尾闾等的大型江湖系统水动力-泥沙耦合数学模型，研究三峡工程对洞庭湖三口分流分沙、洞庭湖与鄱阳湖两湖出口水、沙过程和通量的影响，阐明三峡工程影响长江与洞庭湖、长江与鄱阳湖水沙交换的方式与机制，基于不同水文年和三峡工程运行情景组合，预测分析三峡工程对江湖水沙交换过程和通量影响的长期效应。3、江湖关系变化的湖泊水文、水环境和水生态效应研究三峡工程影响下江湖关系变化对鄱阳湖、洞庭湖水位、水量和水动力场的影响，预测湖泊水位、水量和流场变化趋势及其对长江干流河道水文过程的反馈作用，分析干旱和洪水过程响应江湖关系变化的演变机制和规律；研究不同水情条件下洞庭湖、鄱阳湖氮磷等污染物时空分布特征，揭示江湖关系变化引起的湖泊水文水动力条件改变对氮磷等污染物输移、转化与降解等过程及其赋存形态及时空分布的影响机理，分析湖边污染带扩散范围与规模，构建湖泊水动力水质模型，模拟预测湖泊水文、水动力条件变化对湖泊水环境容量的影响，分析江湖关系变化影响下湖泊富营养化及藻类水华演变趋势；研究江湖关系变化对通江湖泊生态系统关键要素的影响，分析湖泊浮游生物、底栖生物种群结构及沉水植被群落演变对江湖关系变化响应的情景；研究江湖关系变化对通江湖泊湿地分布格局的影响，建立洲滩湿地水文生态模型，探明洲滩植被群落演替对水情变化的响应过程与适应机理，分析不同江湖关系变化情景下珍稀候鸟栖息地生境及分布变化情景。4、长江中游江湖关系优化调控的原理与对策遴选江湖关系变化敏感因子，研究建立江湖两利的江湖关系健康评价指标体系，研究基于多种需水（湖泊环境、生态与生产生活）和安全蓄水的江湖水量交换动力过程与临界通量，确定江湖关系健康指标标准；研究有利于改善江湖关系的长江中游江湖水系重大水利工程一体化优化调度的原理，提出江湖两利的长江中游江湖水系水库群联合优化调度方案建议；构建长江中游江湖系统水信息数据库，集成长江干流一维与重点河段及湖泊二维水动力模型、湖泊水动力水质模型和水库群联合调度模型等，建立江湖两利的湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统，开展不同水文年湖泊多种需水与安全蓄水情景及其江湖关系优化调控保障的预测预警研究，提出健康江湖关系维护的对策和建议。二、预期目标（一）总体目标揭示长江中游通江湖泊江湖水沙交换关系的演变过程及其与江湖水沙运移、地形演变互馈影响的机理，阐明重大水利工程影响下江湖关系变化及其对湖泊生态系统影响的机制，创建江湖关系健康评价与优化调控的原理与方法；建立长江和两湖水沙耦合以及基于过程的湖泊水文水动力、水环境容量和湿地水文生态模型，预测三峡工程影响下江湖水沙交换过程与通量变化情景及其湖泊水文、水环境与水生态演变趋势；构建湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统，寻求优化江湖关系的长江中游江湖水系重大水利工程一体化调度方案和健康江湖关系维护的对策与建议，创建重大水利工程与大型河湖系统相互作用过程与动力学机制理论，为客观认识重大水利工程建设对中游江湖系统生态环境影响和江湖水系水量优化调控提供理论依据和科学支撑，也为国内外大型河湖水系一体化管理提供理论指导。凝聚和培养一批中青年学科带头人，完善野外观测研究站和数据分析与模拟平台，推动我国湖泊与河流等相关学科发展。（二）五年阶段目标1、建立长江和鄱阳湖、洞庭湖江湖水沙交换与主要气象水文要素的统计学关系，辨识不同时期江湖地形演变和重大整治与利用工程的影响，揭示江湖水沙交换过程和通量的变化规律，阐明近50年来江湖关系演变的过程和驱动机制。2、构建不同尺度多维度水沙输移模型，模拟分析三峡工程运行对长江干流江湖分汇河段和湖泊水沙运移影响及其河床与湖盆演变响应；预测三峡工程不同运行方案与江湖水文情势组合情景下长江与鄱阳湖、洞庭湖江湖水沙交换过程与通量变化。3、阐明三峡工程影响下江湖关系改变对湖泊水位、水量平衡、水动力场等水情要素及典型干旱与洪水事件过程的影响；构建基于过程的湖泊水动力水质和湿地水文生态模型，模拟预测湖泊水质、水环境容量以及湖泊生态结构与洲滩湿地植被群落对水情变化的响应趋势。4、确定江湖关系健康评价标准和重大水利工程联合优化调度规则，获取实现江湖两利的江湖关系调控关键指标阈值，构建长江中游通江湖泊水安全预测预警和江湖关系优化调控系统，寻求长江中游江湖水系重大水利工程一体化调度的江湖关系优化调控方案与健康江湖关系维护的对策建议，为长江中游江湖水系水量优化调配提供科学依据。5、促进河湖水文学与地理、环境、生态等相关学科的交叉融合和创新发展，在国内外重要学术刊物上发表研究论文300篇以上，其中SCI论文100篇以上，出版专著3部以上，软件著作权登记5项以上。三、研究方案（一）总体研究思路本项目选取长江中下游干流宜昌－大通江段、荆江三口分流河道、洞庭湖、鄱阳湖以及洞庭湖四水和鄱阳湖五河尾闾河道组成的大型江河湖系统为研究区域；以长江中游通江湖泊江湖关系变化研究为主线，以三峡工程影响下江湖关系演变趋势及其湖泊水文、水环境和水生态效应研究为重点，以江湖关系优化调控为目标，创建重大水利工程与大型江湖系统相互作用过程和动力学机制理论。研究思路是，分析近50年江湖关系变化的历史过程和主要驱动机制，量化评估历史重大江湖整治与利用工程对江湖关系变化的影响；构建江湖耦合水沙输移模型，研究长江中游河段水沙输移与河床冲淤响应及其对通江湖泊江湖水沙交换关系的影响机制，预测三峡工程不同运行方案和江湖水情组合条件下江湖水沙交换过程与通量情景；构建湖泊水文水动力模型、湖泊水动力水质模型以及洲滩湿地水文生态模型等，模拟预测三峡工程影响下江湖关系改变的湖泊水文和水动力效应以及由此引起的湖泊水环境、湖泊和洲滩湿地生态变化及其未来趋势；以水库群调度模型为核心，集成水文水动力和水环境模型，构建江湖两利的湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统，通过情景模拟，获取实现江湖两利的江湖关系调控关键参数阈值，提出长江中游江湖水系重大水利工程一体化调度的方案和河湖整治建议，充分发挥重大水利工程生态效益，为保障长江中游大型江湖系统水安全提供理论和方法支撑。研究在理论上力求突破长江中游通江湖泊江湖关系演变及其对重大水利工程的响应机理，湖泊水文、水环境和水生态对江湖关系改变的响应机制以及江湖关系健康评价与优化调控的原理和方法，创建重大水利工程与大型江湖系统相互作用过程与动力学机制理论。在实践上力求回答近50多年不同阶段重大江湖整治与利用工程对江湖关系的影响及利弊；三峡工程对通江湖泊水资源、水灾害、水环境、水生态和受保护的重要湿地将产生何种和多大程度的影响；如何通过重大水利工程联控联调实现江湖两利的江湖关系优化，满足中游大型江湖系统水安全调控的重大需求。总体思路如图1所示。图1总体思路（二）技术途径和方法采用小波分析、主成分分析、统计模型等统计学方法分析长序列观测数据，揭示江湖关系的历史变化过程及驱动机制，评估历史重大江湖整治与利用工程对江湖关系影响的利弊；通过气象、水文、水质、生态多要素联合观测、结合室内实验试验和数据分析，构建长江干流一维、湖泊二维和江湖一体耦合水沙耦合数学模型，模拟长江干流和湖泊泥沙运移及其河床与湖盆地形变化，量化三峡工程的影响；通过野外现场水文、水质、生态