973项目申报书——重大水利工程影响下长江口环境与生态安全

项目名称：重大水利工程影响下长江口环境与生态安全首席科学家：王超河海大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部一、研究内容1、拟解决的关键科学问题(1)长江口水沙和污染物输移过程及其对水动力、水环境和地形地貌演变的驱动机制流域重大水利工程建设改变河口水沙和污染物的时空输移过程及输送量，而水沙和污染物输移过程及输送量的变化又是河口生态系统演变和环境灾害的关键驱动因子。重大水利工程影响下河口水沙和污染物分项变化过程，以及水沙和污染物在时空上的相互耦合，并与环境和生态系统相互作用，形成了河口复杂的动力过程。各种影响因子之间作用机理的差异以及水沙运动特性和污染物输移过程变化必将驱动河口水动力、水环境和地形地貌的演变，长期积累效应引起环境与生态系统演变。如果这种变异超过生态系统自调节能力，生态系统将发生灾变，甚至发生链发性、群发性的生态灾害。水沙组合条件和污染物浓度阈值是河口生态系统功能健康、稳定和安全的控制条件。本项目拟根据重大水利工程影响下河口水沙和污染物变化过程研究，探索河口水动力、水环境和地形地貌的演变规律及水沙和污染物变异对其演变过程的驱动机制。这是揭示流域重大水利工程影响下河口环境与生态系统演变过程和灾害成因及发展趋势并防患于未然的关键科学问题。(2)长江口环境与生态系统对变化条件的响应过程和适应机理人类活动以多种方式改变着河口环境与生态系统，重大水利工程建设对河口水量、水位、泥沙、污染物浓度和生物量产生直接影响，这种影响的长期效应必将导致河口环境条件发生变化，变化条件下生态系统必定随之响应，并不断演变以适应新的变化条件。当变化条件在生态系统自调节范围内，生态系统将发生稳态转换，逐渐适应变化条件；当变化条件超过生态系统安全阈值，河口生态系统将发生灾变，甚至发生生态灾难。特别是河口环境条件变化对生物资源开发利用将产生深远的影响。因此，认识和掌握环境与生态系统对变化条件的响应过程，揭示长江口环境与生态系统对变化条件的响应机理，是寻求科学保护生态系统安全、防止生态系统退化和灾变、制定合理的防治对策措施的基础性科学问题。(3)长江口环境与生态安全的评估方法及调控理论流域重大水利工程建设对河口水沙、污染物浓度和生物量产生直接影响，这些影响有些是可修复的，有些却是不可逆的。水沙组合的临界条件和污染物浓度阈值是河口系统功能健康、生态稳定、环境安全、生物资源可持续利用的重要控制条件。由于河口与流域系统紧密联系，流域水利工程建设必将对河口生态系统产生重要影响，这种影响程度和危害如何，必须要建立评判河口环境与生态系统的理论方法，提出河口环境与生态安全健康的指标体系，评估流域重大水利工程对河口环境与生态系统安全的影响程度。当影响超出生态系统承受能力，即导致生态退化或灾变时，必须调控流域重大水利工程建设和运行方案，将流域水利工程对河口的干扰和影响控制在合理的范围内，通过合理的调控措施来有效防治环境与生态灾害，甚至变害为利。这是流域水利工程建设中避免负面环境效应、保障生态系统安全、维持生物资源可持续发展的关键。以上三个关键科学问题对保障河口环境与生态系统健康安全、预测未来更多水利工程建设影响下河口环境与生态系统的变化趋势及调控防御生态灾变都是重要的理论基础。这三个科学问题既相互独立又紧密联系，前面两个的问题是后面问题的基本规律和响应机制，后面的问题又是前面问题的调控对策。三个科学问题共同形成重大水利工程对河口环境与生态安全影响的理论体系，对协调流域重大水利工程建设与河口环境与生态安全的关系、维持生态系统健康都具有重大的理论意义。2、主要研究内容围绕上述三个关键科学问题，拟开展下列三个方面的主要研究内容。第一方面：重大水利工程影响下长江口物理与化学效应通过海域动力及河口水文、泥沙、污染物和地貌过程的现场观测试验，以及相关历史资料收集和遥感信息与数学模拟的综合集成分析，探明对河口生态系统有重要影响的物理、化学过程变化特征，揭示重大水利工程影响下长江口水沙和污染物变化规律及其对长江口水动力、水环境和地形地貌演变的驱动机制，其中前者是变化规律研究，后者是驱动机制研究。它们是认识重大水利工程影响下河口环境与生态系统变化规律与驱动机制的基础性研究。(1)长江口海域水动力过程长江口海域水动力过程研究是河口环境与生态安全研究的基础和前提，只有掌握河口海域水动力过程，才能探明长江径流与海域水动力相互作用下的河口潮汐变化规律，为河口水、沙、污染物和地貌变化研究提供依据。1)长江口及其附近海域潮汐变化历史过程和趋势。分析长江口水文、水动力、泥沙和盐度的变化过程，研究各测站潮汐特征、变化情况以及原因，建立长江口及其附近海域三维潮汐预报模型，预测潮汐和水动力变化趋势。2)长江口及其附近海域三维斜压近岸流系预报模型。针对长江口及其附近海域水动力的变化趋势，建立三维斜压近岸流系预报模型，研究洪枯季长江径流不同流量遭遇闽浙上升流的时空分布规律。3)长江口及其附近海域波浪预报模型。建立波浪折射、绕射、反射数值预报模型，研究长江口及其附近海域由于波浪折射、绕射、反射所致的波高分布和波向变化情况，讨论径流及外海潮汐潮流对长江口及邻近海域波浪计算的影响。(2)重大水利工程影响下河口水沙和地貌变化过程针对长江流域重大水利工程快速发展的实际情况，开展重大水利工程影响下长江口水沙和地貌变化过程及水沙与地貌相互作用研究，是认识和掌握河口物理要素变化对生态系统结构和功能影响的重要内容。1)重大水利工程影响下长江口径流流量与潮位过程变化规律研究。分析研究长江三峡等梯级开发工程、跨区域或流域调水工程、引江济湖水质改善工程等对长江口流量和潮位过程变化的影响机制，探索潮汐过程变化对长江口咸淡水交汇带的影响机制。2)重大水利工程影响下长江口泥沙输移过程研究。分析研究长江三峡等梯级开发工程和南水北调等大型取水工程对长江口泥沙输移过程变化的影响机制，探索泥沙入海通量减少和不同水动力条件下泥沙沉浮区域的影响机制。3)长江口地貌变化过程及地貌与水沙互动机理研究。分析研究河口地貌变化过程，探索河口水沙条件变化和航道综合整治工程引起的地貌变化与影响机理，阐明局部地貌变化引起水流条件、冲淤部位、冲淤速率等变化过程。4)长江口咸淡水交汇区范围及盐度变化过程研究。通过长江口不同水动力条件下盐度和咸淡水交汇区范围观测资料分析，探索长江口咸淡水交汇区范围及盐度变化过程与影响机理。5)多因素作用下河口水沙和地貌特征变化趋势研究。在上述研究的基础上，综合分析流域重大水利工程和河口治理工程共同作用下河口水动力、水环境和地形地貌的演变趋势，探索河口潮汐过程、盐水入侵程度、滞流点位置及移动范围、含沙量分布的季节变化等特性。(3)重大水利工程影响下河口水环境变化过程与效应分析研究长江口水环境的历史演变过程，查明长江口典型污染物输移机理，建立重大水利工程影响下长江下游河口与汇流河流系统整体耦合的模拟模型，探索引水济湖水质改善工程对长江口污染物总量及对感潮江段的水质影响过程。1)长江口水环境现状调查与变化历史过程。研究长江口水环境宏观历史演变过程，揭示不同历史时期河口区水环境变化在沉积物中的响应机理，探索河口水环境对流域重大水利工程建设和运行的响应过程。2)长江口典型污染物迁移转化规律。研究流速、水深、潮位、盐度、泥沙沉积速率、生物种类和数量及其它水环境要素对河口区污染物输移转化过程的影响机制，阐明典型污染物在河口的输移、转化、累积规律。3)河口水环境过程演变及驱动机制。研究典型污染物（如氨氮、重金属、持久性污染物）在河口区的分配和演变过程，从内在机理和外源扰动方面探索不同时空尺度下河口区水环境演变过程的驱动机制。4)太湖“引江济太”工程对长江口水环境的影响机制。利用河海大学多年研究太湖流域河网和湖泊水环境演变和治理所获取的技术资料及经验成果，探索长江口与太湖流域河网和湖泊水污染的互动机制，建立“引江济太”工程影响区域的长江河口段、太湖流域河网和湖泊系统整体耦合模型，预测“引江济太”工程对河口环境的影响规律和污染物入海通量。第二方面：河口生态系统对变化条件的响应过程与机制分析长江流域水利工程建设的宏观历史阶段，研究不同历史时段的河口生态系统结构与功能状况及其演变过程，探讨河口生态系统复合稳定状态相关关系及稳定状态转换机制，揭示河口环境与生态系统对重大水利工程的响应规律和机理，以及对河口生物资源的影响过程。(1)河口生态系统结构和功能演变过程及影响机制不同历史时期长江口生态系统结构和功能如何，直接反映河口生态系统对自然过程和人类活动的响应和适应过程，对其进行研究有利于寻求变化条件对生态系统的作用过程。1)长江口生态系统结构与功能现状调查分析。通过收集长江口主要观测站点的水文、潮位、水环境、生物等长时间原位观测资料，并进行补充监测，掌握长江口生态系统结构与功能状况，了解不同水利工程建设时期河口生态系统结构与功能演变过程。2)长江口生态系统的结构、功能与演变过程。借助现场观测资料，研究长江口生态系统的结构、功能与演变过程，探索长江口生态系统的历史演变过程，揭示生态系统结构和功能演变的规律。3)长江口生态系统结构和功能的主控因素。研究影响长江口生态系统结构和功能的主控因素，探索水、沙、盐、污染物和生物等对生态系统结构和功能的影响机理，揭示主控因素对生态系统结构和功能的影响规律。(2)河口生态系统对重大水利工程的响应过程和机理揭示重大水利工程影响下河口生态系统的响应过程和规律，为预测变化条件下长江口生态系统结构和功能演变趋势提供理论依据。1)河口生态系统复合稳定状态及状态转换机制。分析河口生态系统复合稳定状态，探讨复合稳定状态的基本特征和稳定状态转换的驱动机制，重点揭示生态系统变化的规律。2)重大水利工程影响下河口生态系统的响应过程和机理。分析不同历史时期重大水利工程的建设和运行类型，查明生态系统变化的驱动因子，建立生态系统响应模型，模拟驱动因子变化的敏感性响应和机理，探讨驱动因子变化条件生态系统响应与适应过程，揭示重大水利工程影响下长江口生态系统的响应规律。3)重大水利工程影响下河口生态系统结构和功能演变趋势。应用生态系统响应模型，输入未来变化环境的可能因子，同时分析影响生态系统结构和功能演变的不确定性因素，以此预测未来20—50年长江流域重大水利工程影响下长江口生态系统结构和功能演变趋势。(3)河口生境条件改变对重要生物资源的影响研究长江河口生境改变对河口重要生物资源在群落结构、生理学、毒理学方面影响，阐述由于大型水利工程快速发展的影响，长江口生境条件改变对重要生物资源的影响途径、机理和效应。1)长江口重要生物资源现状与变化过程。通过长江河口重要生物资源现状调查和与历史资料对比分析，研究长江口重要生物资源的变化过程，探讨评估长江河口重要生物资源动态变化方法，掌握重要生物的群落结构特征及变动趋势，揭示影响重要生物资源的驱动机制。2)盐水入侵对河口重要水生生物资源的影响机制。研究长江径流改变条件下，盐水入侵风险对河口重要水生生物资源的影响过程，探讨盐度、温度等生态因子对典型生物的影响机制，评估盐水入侵对珍贵鱼类幼鱼种群的风险影响。3)河口污染风险对重要水生生物资源的影响过程。研究氨氮、重金属、持久性有机污染物等对河口水生生物的毒性效应，探讨河口水体氧亏对水生生物影响，寻求河口污染的生物监测方法，评价河口污染对重要水生生物的生态风险。4)地貌条件改变对典型底栖生物的影响机制。研究因重大水利工程建设导致河口地貌条件改变的生态效应，探讨泥沙粒径改变对底栖多毛类、贝类的影响过程，揭示底质冲淤变化对底床上生物群落结构的影响机理和演变规律。第三方面：河口环境与生态安全评价及调控理论与对策查明评判河口环境与生态安全的主控因子，建立生态系统健康的指标体系，提出维持河口环境与生态安全的临界水沙条件和污染物浓度阈值，建立包括物理、化学、生物等过程的维系河口环境与生态安全的重大水利工程联合调控模式。(1)河口环境与生态安全健康的评判因子和指标体系探明评判河口环境与生态安全的主要影响因子，建立长江口环境与生态安全健康的指标体系，确定影响河口环境