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

起止年限： 依托部门： 生态效应与调控

杨桂山 中国科学院南京地理与湖泊研

究所

2012.1-2016.8 中国科学院 水利部

首席科学家：

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。

江湖水系重大工程一体化调度与健康江湖关系维护对策 长江中游 水安全 历史变化过程 及驱动机制 江湖水系水安全与优化调控系统江湖关系健康评价指标与标准 通江湖泊江湖关系 (水沙交换：过程与通量)江湖水沙交换相互作用机理 三峡工程蓄水 运行影响 江湖水文水动力效应： 水位、水量、流场； 极端干旱和洪水事件 氮磷过程、水环境容量、富营养化、 蓝藻水华湖泊水环境效应： 浮游生物、底栖生物、沉水植被；洲滩植被、候鸟栖息地生境湖泊水生态效应： 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、生态多要素同步联合观测，分析过程间相互作用关系及机理，构建江湖系统水文水动力模型、湖泊水动力水质模型以及洲滩湿地水文生态模型等，模拟分析江湖关系变化的湖泊水文水动力效应及其对湖泊水环境和水生态的影响；通过建立江湖两利的江湖关系健康评价指标体系和重大水利工程一体化调度模型，集成水文水动力、水环境模型等，构建湖泊水安全预测预警和江湖关系优化调控系统，通过情景模拟，提出以江湖水系水安全为目标的江湖水系重大水利工程一体化优化调度方案和健康江湖关系维护对策建议。拟采用的技术途径和方法见图2。

基础数据与背景资料 河道与湖盆水下地形 气象水文数据 泥沙通量数据 湖泊围垦、退田还湖 水利工程实况调度 水生生物、生态数据 分析方法与模拟模型江湖关系演变 过程与机制 重大水利工程 对江湖关系的影响 江湖关系变化的水文、水环境和水生态效应 小波分析、主成分分析和统计模型 干流一维水沙模型 湖泊二维水沙模型 三维紊流泥沙模型 江湖一体水沙模型 湖泊水文水动力模型 湖泊水质模型 湖泊富营养化模型 洲滩水文生态模型 野外观测与室内模拟实验 江湖分汇河段原型水沙观测 湖泊水文水动力观测 湖泊水质监测与原位试验 湖泊水生生物量与结构观测 典型洲滩剖面与生物样方观测 江湖典型汇流区物理模型试验 水生植物对水位梯度响应实验 湖泊生态水文响应模型江湖关系优化调控 原理与对策 水库群联合调度模型 湖水位与来水量关系模型情景预测 水库群联合调度 出入湖水量调控 图2 技术路线 技术途径和方法各主要环节分述如下。 1、研究区域的选取

长江中游江、河、湖水系交织，形成了水力和生态联系错综复杂的大型江湖系统。汇聚流域四水、五河来水来沙且自然通江的洞庭湖和鄱阳湖，与长江形成复杂的水沙交换关系，影响着长江中下游河道和湖泊地貌演变与水文水动力条件变化，进而影响湖泊水环境与水生态。本项目研究拟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；选取长江干流重点河段、江湖分流和汇合河段和洞庭湖、鄱阳湖作为水文、水动力和泥沙运移的重点研究区；选择两湖典型湖区和洲滩湿地作为水环境和水生态效应重点研究区。

2、主要技术途径

1）江湖关系的演变过程与机制研究

根据历史地形图和遥感等资料，厘清不同时期的江湖水系格局；采用长江上中游和两湖流域主要控制站点的历史水文、气象资料，分析江湖水情的现状特征及历史变化过程，说明江湖水情的相互作用关系；针对引起江湖关系变化的重要事件，选择适当的水文指标表征其影响程度和影响过程，分析自然和人为因素驱

动下的江湖关系变化的过程与驱动机制；根据不同时期河道湖泊地形地貌资料，结合洲滩沉积物分析，阐明河湖地貌形态的时空变化规律；采用泥沙观测数据，计算不同区段的沙量平衡，分析长江中游江湖地貌演变规律；在上述工作的基础上，分析三口及江湖汇流口河势变化，采用江湖交互区域水文站点水沙观测资料，结合水沙通量观测试验，分析江湖水沙交换的特性及变化过程与变化机理。

2）三峡工程对江湖分汇河段水沙运动和交换的影响研究

针对研究区，获取原型水动力和泥沙资料，结合物理模型试验，研究长江中游干流、通江湖泊和江湖分流和交汇河段的水动力和泥沙输移特征，获取水动力和泥沙运动的关键过程参数；构建江、湖及交汇区水动力和泥沙输移模型，研究三峡工程不同调度方式对长江干流河床演变、江湖交汇河段蓄泄关系和湖泊泥沙冲淤变化的影响；考虑到长江中游江湖交互作用强烈，江、湖分块模拟的模型方法不能体现江湖之间的互动关系，为此，采用江湖一体的耦合模型方法，在已有的江湖一维、二维耦合水动力模型研究基础上，结合水沙作用机理研究，突破非均匀沙不平衡输沙、河网水沙分流等计算难题，构建长江中下游宜昌至大通段江湖一体的一维、二维耦合的水动力和泥沙数学模型。针对典型水文年，计算三峡工程不同调度方式对荆江三口分流、洞庭湖与长江交汇口、鄱阳湖与长江交汇口的水沙交换通量的定量影响，并采用典型水沙系列资料预测三峡工程对江湖水沙交换的长期影响。

3）江湖关系变化的湖泊水文、水环境水生态效应研究

在水文方面，采用历史资料和现场监测资料，运用水文统计和数值模拟相结合的方法，研究江湖关系改变下的各种水文水动力效应（三口分流比、湖泊冲淤、蓄泄能力、江湖洪水组合效应、风涌水、定振波等）；分析确定江湖水沙交换通量变化对荆江段、城汉河段以及湖口-大通江段主要控制站点的安全下泄流量；从江湖关系变化等角度探讨鄱阳湖和洞庭湖湖区近年干旱频发的原因、干旱发生时间和分布特征，还原计算典型江湖洪水事件的关键水文变量和影响范围，定量区分江湖关系变化对极端水文事件影响的强度。

在水环境方面，以受江湖关系变化影响较大的湖泊入湖河口、重要湖区以及出湖湖口区等为重点区域，通过野外观测、试验和采样分析，建立湖泊污染物输移与分布格局与水文水动力因素之间的关系，分析江湖关系变化引起的水文水动力条件改变对出入湖污染物在湖泊内部输移的影响。在湖泊水环境容量影响机理

研究基础上，建立鄱阳湖和洞庭湖二维水动力水质耦合模型，分析预测江湖关系变化的水环境效应。针对水文、水动力、透明度、溶解氧以及氮磷生物有效性等受江湖关系变化影响较大的水体环境因子变化，研究其对藻类水华形成的影响机理，建立富营养化模型，研究和预测湖泊蓝藻水华发生的风险，确定水华发生的风险区和影响时段。

在水域生态方面，通过对通江湖泊浮游生物、底栖生物与沉水植被样品采集分析与典型区的定位监测，定量研究浮游生物与底栖生物种群结构及优势类群、沉水植被分布对变化水文情势的响应，揭示江湖关系变化对湖泊水域生态系统的影响。

在湖泊洲滩湿地生态方面，以洞庭湖与鄱阳湖典型湖区为重点研究区域，采用定位观测、控制实验与定量遥感解译相结合的方法，获取通江湖泊典型湿地水文、土壤、植被等地表过程关键参数，探明水文过程与植被群落及立地条件的相互关系，构建通江湖泊洲滩水文生态耦合模型，进而阐明湖泊水情动态对湿地生态系统生物地球化学循环过程与湿地植被格局的影响，揭示洲滩植被群落分布与种群演变对水情变化的响应与机制；选择候鸟保护区主要湿地类型，研究珍稀候鸟栖息地生境要素特征，探讨江湖关系变化对候鸟栖息地生境和候鸟分布的影响。

4）长江中游江湖关系优化调控的原理与对策

综合考虑长江中游江湖系统水安全和区域发展的要求，遴选江湖关系变化敏感因子，构建江湖关系健康评价指标体系，在机理研究基础上，结合野外观测、试验研究，界定湖泊环境需水、生态需水、生产生活需水和安全蓄水的临界水文水动力条件及其与江湖水沙交换的关系，明确健康评价标准；分析江湖关系对长江干流及湖泊流域重大水利工程建设、湖区调蓄水量变化等的响应机制，为江湖关系直接、间接和优化调控提供理论依据。以此为指导，建立以保障两湖水安全和维护江湖关系健康为目标的重大水利工程联合调度模型，研究长江中游江湖水系（长江干流及两湖入湖河道）重大水利工程一体化联合优化调度管理和健康江湖关系维护的对策建议。

3、具体方案

1）基础数据与资料收集

系统收集与研究内容相关的历史资料，包括近60年来流域气象资料和长江中游主要水文控制站点的水文（泥沙）资料序列；不同代表时期长江干流河道、洞庭湖和鄱阳湖的水下地形；不同代表时期河道主要大断面资料；不同代表时期的地形图资料；覆盖研究区不同时期的航片、遥感影像资料；主要监测断面的水质历史监测数据；不同年代有关洞庭湖和鄱阳湖等湖泊物理、生物、生态方面科学研究调查和观测资料等。对数据进行初步的分析加工，并电子化、规范化。基于地理信息系统建立地理、气象、水文、水动力、水质、生物与生态资料数据库，以形成长江中游江湖关系研究的基础数据集。

2）野外观测

重点区域原型水沙观测。选择荆江段和对江湖关系影响较大的分汇河段（洞庭湖湖口、鄱阳湖湖口交汇河段），在典型时段（汛末蓄水期、汛前腾空期和洪水期），采用声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒点式流速仪等先进测流仪器和国家水利行业水文测验标准规范建议的方法获取不同位置断面（垂向）流速（或三维流速）和含沙量、河床冲淤数量和部位、床沙级配组成等数据，为研究重大工程影响下的干流河床演变机理以及江湖分流、汇合河道的江湖蓄泄关系提供基础。在湖泊泥沙冲淤变化原型观测方面，重点关注泥沙冲淤变化活跃的洲滩。在洞庭湖和鄱阳湖不同植被覆盖的典型洲滩内于不同典型时段开展密集的水动力、泥沙输移过程观测，分析不同位置沉积物粒径组成及泥沙沉积速率等参数，阐明重大工程影响下的湖泊水沙运动规律。

湖泊风涌水、定振波及其叠加效应观测。根据湖泊水文、气象条件及湖盆结构，在洞庭湖和鄱阳湖内合理布设安装压力式水位自动监测仪。保证获取定振波长范围内主要波动特征，以及不同气象条件下湖泊风涌水吹程及其水位变幅。研究湖泊风涌水、定震波现象，揭示其对湖泊水位变化的叠加效应。

典型洲滩剖面定位观测。依托鄱阳湖湿地观测研究站、洞庭湖湿地生态系统研究站两个野外台站，根据洞庭湖和鄱阳湖的水文、地貌特征，在两湖典型洲滩湿地各建立3个湿地水文、生态的综合定位观测断面，开展水文、湿地生态要素的长期野外定位动态监测，获取湿地气象、水文、土壤、植被等综合要素数据，开展湿地水文、植被对水文的响应与反馈研究。

水质现场监测和原位试验。在不同时段（汛末蓄水期、汛前腾空期和洪水期）、以入湖河流尾闾区、湖体以及湖口区等关键节点的物理、化学参数以及污染物浓

度和形态等为监测内容，摸清影响通江湖泊污染物浓度和分布的关键因子，以及不同江湖关系条件对污染物浓度场和污染形态的控制机制。通过原位模拟，获取受江湖关系变化影响较大的入湖河流、尾闾区、湖体以及湖口区等为重点研究区域，在江湖关系变化条件下的河湖界面、沉积物-水界面以及湖河界面氮磷等污染物输移转化特征及生物有效性变化。利用原位培养、原位剖面测定等技术，定量揭示江湖关系对湖泊界面的污染物输移规律的影响。

沉积物浅钻分析。获取湖泊关键水力节点沉积物短尺度沉积物（<1m）,利用Pb、Cs同位素定年，建立年代学坐标。分析沉降速率；分析沉积物粒度分布、污染物组成和形态，与年代学坐标协同分析其不同水文周期及不同水情下，颗粒物沉降速率的差异，沉降特征的变化，污染物沉降埋藏以及形态的变化与水动力之间的关系。通过沉积物氮、氧同位素分析，确立污染物在不同历史时期水文周期情况下的来源及贡献。

水域生态系统定位观测。通过定期采样分析与定位观测，研究洞庭湖与鄱阳湖典型湖区水体浮游生物和底栖生物的生物量、群落结构及时空分布动态；结合历史资料对比分析，探明江湖关系改变后水文情势变化对两湖水体理化性质与底质环境的影响，结合多元统计分析等定量辨识江湖关系改变对浮游生物与底栖生物优势类群结构与数量的影响；利用长期定位观测，结合实地调查与定量遥感，探明典型湖区沉水植被时空变化规律，结合江湖关系改变后典型湖区水体养分及透明度等理化指标的长期定位观测与分析，探讨江湖关系变化对沉水植被分布与演变的影响分量与驱动机制。

植被样方调查。选择通江湖泊代表性洲滩湿地，采用随机样方和固定样线法，布设3-5个平行观测断面，洲滩植被生长发育期（春草期与秋草期），采用样方（1m×lm）和样线法相结合的方式，每旬沿观测断面调查各典型植被群落物种构成与数量，以及每种植物的高度与盖度，观测优质种垂向分布范围；获取各典型植物种的综合优势度比与群落物种多样性指数，结合洲滩水文变化特征，探讨鄱阳湖典型洲滩植被群落分布格局与演变对洲滩水文情势的响应。利用便携式温度计、pH计、土壤标准盐分计以及氧化还原仪等，现场测定各断面典型植被群落根层温度、pH、电导率与氧化还原电位；采集各断面典型植被群落根层土壤，分析土壤养分状况、微生物与酶活性，结合植被群落调查结果，探讨植被群落演变与土壤环境要素等立地条件的相互关系。

候鸟栖息地生境调查。根据候鸟栖息与觅食偏好，选择洞庭湖与鄱阳湖候鸟自然保护保护区核心区设立候鸟栖息地生境定期观测与调查样带，观测栖息地水位、流速、透明度、溶解氧等各主要理化指标，获取不同栖息地类型湿生与沉水植被构成与生物量、优势种高度与盖度，以及根茎与根芽重量与密度及发育情况；调查大型底栖生物（螺、蚌、蚬等）数量与生物量及其季节动态特征。结合水体理化性质分析，探明候鸟栖息地初级生产力以及生物物种结构与数量变化趋势，辨析水文情势变化对候鸟栖息地生境的影响。

3）室内模拟实验

江湖典型汇流区物理模型试验。利用水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院的大型试验基地，建立长江与洞庭湖交汇河段的物理模型试验系统，物理模型范围为长江为城陵矶河段，模拟天然长江河段约115km，洞庭湖15km，选择模型比尺为平面比尺1:400，垂直比尺1:80，模型平面占地110m×110m，模型类型为定床、动床全沙模型。采用该物理模型开展大型江湖汇流口水沙过程的模拟实验，阐明交汇河段的水沙相互作用过程特征、主要影响因子与机制；阐明汇流区局部水动力、泥沙输移特征变化对汇流区河床演变、江湖宏观水文特征改变的定量影响关系。

水生植被对水流结构和泥沙输移影响的室内水槽实验。选择湖泊典型的大型水生植物类型，基于水文水资源与水利工程国家重点实验室的驱动式循环流动水槽和三维高频粒子图像测速系统，搭建植被对水流结构和泥沙输移影响的室内水槽实验平台。实验平台的水槽采用变频调速电机驱动，实现实验段流速水流流速在 0.05m/s‐2.0m/s 内无级变化。实验段采用浮法玻璃、槽体采用不锈钢制造，实验段长度约 2000mm，实验段截面为 250mm×250mm。最新的三维高频粒子图像测速系统测速，其流速 量范围为 0.02～500.00m/s，具备连续捕获 1000 帧的高分辨率（2048×2048pixels）图像的能力。并且本系统最高采样频率可达 500 赫兹，可以精确的捕捉水流的紊动特性。应用该平台开展室内模拟实验研究，探讨水-沙-植被相互作用和反馈机制；为阐明重大水利工程对湖泊水动力、泥沙冲淤变化的影响提供支撑。

水文节律控制洲滩植物培养小区试验。拟选择芦苇、蓠蒿、灰化薹草与虉草等4种湖泊洲滩典型湿地植物，在蚌湖等洲滩采集各植物种群表层0-30cm原状土层，在中国科学院鄱阳湖湿地综合研究站野外试验场开展种群培养小区试验。

试验基于鄱阳湖洲滩多年平均来水与退水周期，模拟调控湖泊水文节律变化，观测植物种群数量、植株高度与盖度，记录各小区优势种萌发期、花期与落果期，分析种群生长与演变态势。测定各典型植被种群不同处理根层土壤水分、电导率、pH与氧化还原电位，养分含量与形态、微生物生物量与结构以及5种土壤酶活性，分析不同水文节律对湿地土壤环境要素的影响。同时，开展不同典型植物淹水控制试验，观测记录植物各项生理生态指标，结合不同淹水节律小区试验成果，分析其对水情变化的响应与适应机制，为更好地研究江湖关系变化对湿地生态系统的影响提供基础。

4）模型及平台

采用基于物理规律的动力学模型方法，是开展大型江湖耦合系统研究重要手段之一。针对问题的研究需求，本项目构建了多尺度多维度水动力、泥沙输移、水质和生态模型，并集成开发长江中游通江湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统。各模型技术要点与用途见表1。

表1 模型类型与技术用途

模型

用途

长江宜昌-大通干流江段

一维泥沙数学模

型

用于重大水利工程对长江干流水情和河床演变的长期效应分析；获取重大工程影响下长江干流河床冲淤总量的沿程分布的影响 长江荆江段或宜昌至大通江段

用于重大水利工程对长江干流河床演变的中短期影响分析，尤其是重点河段河床冲淤平面分布与河势变化的预测预报

二维泥沙数学模

型

洞庭湖和鄱阳湖

用于研究通江湖泊冲淤演变时空变化规律，分析重大水利工程对冲淤演变的影响

技术要点

自主开发的模型 非恒定流不平衡输沙

模拟要素

水位、流量、悬沙浓度；河

关键参数确定（非均匀沙挟沙能、

段冲淤总量。

床沙交换和动床阻力等） 改进自主开发的二维水沙数学模型

非恒定流不平衡输沙 横向输沙和河岸变形

关键参数确定（长江干流河道水流挟沙能力、恢复饱和系数和动床阻力等）

基于自主开发的二维非结构网格水动力学模型构建 泥沙输移及底床变形 水陆动边界处理

关键参数确定（洲滩湿地植被影响下的水流阻力、水流挟沙能力和恢复饱和系数等）

自主开发的三维紊流泥沙数学模型

水位、流速、悬沙浓度；河床冲淤的平面分布。

水位、流速、悬沙浓度；挟沙能力，河床冲淤的平面分布。

三维紊流泥沙数

学模型

江湖分汇河段

用于江湖相互作用的动力学机理研究

水位、流速、悬沙浓度；河床变形的三维分布。

整个研究区域，长江干流宜昌至大通、三口分流河道，洞庭湖、鄱阳湖、四水、汉江和五河尾闾段

江湖一体水沙数

学模型

用于重大水利工程对江、湖水情的影响研究；确定重大工程引起水沙变异对长江中游江湖水沙交换的短期影响以及长期作用下的水沙效应。

洞庭湖和鄱阳湖

二维水动力模型

用于江湖关系改变对湖泊流场结构的影响研究 洞庭湖和鄱阳湖

二维水动力与水质耦合模型

用于江湖关系改变对湖泊水质的影响研究，预测江湖关系极端改变条件下水环境容量和富营养化的可能趋势 洞庭湖和鄱阳湖

湿地水文生态耦

合模型

用于江湖关系改变对洲滩湿地的影响研究，预测江湖关系极端改变条件下通江湖泊湿地植被演变趋势与方向

长江上游、四水、五河流域和汉江等支流重要水库群

用于长江干流及两湖流域重大水利工程一体化联合优化调度 长江中游大型河湖系统及干支流重要水库群

用于湖泊水安全预测预警和江湖关系优化调控决策

基于自主开发的长江与洞庭湖和鄱阳湖耦合模型构建，江湖一体的水沙数学模型 河网汊点分水分沙模式 多维度模型耦合机制 高性能计算技术

长江干流和河道：水位、流量、悬沙浓度和冲淤总量沿程分布；洞庭湖和鄱阳湖：水位，流速，悬沙浓度和泥沙冲淤平面分布。水位、流速、湖泊水量等

基于自主开发的二维水动力模型构建

关注风生流、定振波分析 基于自主开发的二维水动力学模型构建 水质输移算法

多水质参数的耦合作用以及降解系数 洲滩水循环 湖泊水动力 植被对水文的响应

水位、流速、COD、氨氮、TN、TP等水质指标

水位、叶面积指数、植被生物量

多目标联合调度模式

两湖水安全和维护江湖关系健康目标确定 多模块无缝集成 数据库技术 GIS技术 多目标决策方法

各类综合要素；调度决策方案等 各控制站水位、流量过程

水库群联合调度

模型

湖泊水安全预测预警与江湖关系优化调控系统

（三）创新点

1、首次开展重大水利工程影响下江湖关系变化及其湖泊水文、水环境、水生态效应的系统综合研究，创建重大水利工程与大型江湖系统相互作用的过程与动力学机制理论。

2、实现大型江湖系统多尺度多维度和多过程的水文、泥沙与污染物输移耦合系统模拟，突破大型江湖分汇河段水沙动床物理模型相似理论难题。

3、创建江湖两利的江湖关系健康评价与江湖关系优化调控原理和方法。 （四）与国内外同类研究相比的特色

1、重大水利工程影响研究的系统性与综合性

国内外针对大型水利工程影响的研究尽管已开展很多，但已有研究大多针对某个具体过程，比如河道水沙运移过程、河岸带生态过程等，事实上大型水利工程的影响是多层次的、多方位的，对水文过程、河床演变、河岸带地形地貌、生物多样性、局地气候等都有一定的影响。本项目以长江中游江湖系统为研究对象，围绕举世瞩目的三峡工程的建设运行带来的一系列影响，以多学科交叉，从水文水动力、水环境和湖泊湿地生态等系统深入地开展机理研究，在国内外都具有显著的代表性。

2、大尺度复杂河湖系统分析与模拟方法的先进性

本项目涉及气象、水文、生态、水环境等大量原始观测数据，如何从观测数据中挖掘信息，建立变量与变量或过程与过程之间的相互作用关系为本项目重要内容之一。已有的研究大多为水库淤积和坝下河段冲刷，而针对大型江湖分汇河段水沙交换过程的模拟仍是空白，本项目拟采用多种统计分析方法（如主成分分析法、通用统计模型等）建立变量间的关系，分离不同因子的影响程度；并通过大型江湖分汇河段水沙动床物理模型试验，力求突破物理模型试验相似律理论难题，结合不同尺度的过程模型（如江湖一体水沙耦合数学模型，湖泊水动力水质耦合模型、洲滩湿地水文生态模型等）进行定量模拟分析，这些分析和模拟方法的联合使用可望在不同尺度上揭示机理，解释现象，具有明显的先进性。

3、高水位变幅下湖泊水环境过程与湿地水文生态过程研究的独特性 研究高水位变幅下湖泊水文水动力条件与湖泊污染物迁移转化和降解的关系，辨识影响湖泊污染物行为的关键因子，构建湖泊水动力水质模型，模拟分析湖泊水环境容量对不同江湖关系变化情景下湖泊水文水动力条件变化的响应；通过洞庭湖和鄱阳湖典型洲滩水文、植被、土壤等关键要素的定位综合观测，研究干湿交替剧烈变化的典型洲滩湿地水文过程、地球化学过程和生态过程，揭示它们之间的相互作用机理，探明水文情势剧烈变化下湿地生态系统关键要素与生态过程的响应特征，构建湖泊湿地水文生态模型，阐明高水位变幅下通江湖泊湿地分布格局与演变规律，在国内外同类研究中具有显著的特色。 （五）取得重大突破的可行性分析

1、基础数据和研究积累丰厚

20世纪50年代以来，国家针对长江流域及通江湖泊的水文、泥沙和水环

境等进行了连续观测，开展了大量基础调查与研究工作，为本项目提供了雄厚基础。在水、沙输移变化的致灾机理、长江口综合整治、长江流域水环境综合治理、水生态系统保护与修复、通江湖泊水环境灾害成因及防治等方面取得了显著成绩。本项目承担单位及主要学术骨干大多参与了这些研究，为项目取得重大理论突破奠定了坚实的基础。

在江湖关系变化和湖泊生态系统结构与功能相关研究方面，形成了丰富的长江中下游江湖关系相关基础数据集，包括地形数据（长江干流、四口入湖水系、四水尾闾河道、鄱阳湖、洞庭湖），水文数据（主要站点的历史整编数据，2002-2008年报讯数据，长江流域258个站点的气象数据），和长江中游湖泊水质调查数据集，鄱阳湖站水质季度监测资料和鄱阳湖近两年植被调查数据等。较为系统地开展了洞庭湖水系、湖体水文和地貌演变监测研究；跟踪研究了三峡工程建设初期长江中游江湖关系与鄱阳湖和洞庭湖湖泊水位、湿地分布等变化；针对长江流域及通江湖泊的水文、水动力过程特征，研制出通用的江湖耦合水动力学模型（CHAM），适用于江湖交互关系分析以及中游具有复杂断面河道的水力计算，可自动计算水流的漫滩和露滩过程，河道断流等，为本项目的顺利实施提供了基本技术保障。

在长江河道水文与泥沙研究方面，掌握了不同时期长江中游地区的河道、湖泊水库淤积情况的第一手资料，积累了丰富、系统的降水、水位、流量、泥沙、水质、河道地形、水土保持等原型观测资料。利用丰富的观测数据和资料，利用原型观测资料以及三峡水库蓄水运用后的河道与水沙实测资料，分析了现状条件下的江湖输沙、干流河道重点河段河床冲淤以及荆江三口分流分沙关系变化及其主导影响因素；开展了三峡工程来水来沙条件、长江上游水库群对三峡工程拦沙作用、嘉陵江流域水土保持对长江三峡工程来沙量影响、近50年来长江上游干支流来水来沙变化、长江中下游江湖洪水孕灾环境与致灾机理、江湖洪水模拟与调度及决策支持系统等研究，在处理复杂江湖水沙模拟和防洪系统分析方面形成了坚实的理论和技术储备。

在湖泊水环境与湿地生态研究方面，系统开展了鄱阳湖和洞庭湖水环境与生态安全调查及评估研究；开展了通江湖泊主要水环境指标的定点监测、湿地分布与植被群落结构调查和湿地生态与水文过程的响应关系研究，分析了三峡工程对通江湖泊水质和水库水环境的影响，特别是在湖泊水动力与水质耦合关系、湖泊

富营养化发生发展、湿地生态水文过程研究等方面具有不可替代的优势。

在河湖健康与水库群联合调度研究方面，开展了湖泊和河流生态系统健康评价研究，并与江苏省湖泊主管部门定期发布江苏省省管湖泊健康评价白皮书，建立了水环境构成要素健康诊断方法。在水库群联合优化调度、水电工程水流精细模拟方面有着坚实基础，拥有各类重大水利工程规划、论证、设计和施工及运行调度系统相关资料。

2、研究方法和手段先进

参与项目申请的单位共建有2个国家重点实验室和3个野外生态系统观测台站，分别是：湖泊与环境国家重点实验室，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，中国科学院鄱阳湖湖泊湿地观测研究站，中国科学院洞庭湖湖泊湿地生态系统研究站，三峡工程生态与环境监测系统洞庭湖江湖生态监测重点站。各国家重点实验室和野外研究台站之间互通开放，各项研究工作可以方便就近开展，提高效率，节约时间和经费。

二个国家重点实验室均为项目研究涉及学科领域的核心或唯一国家重点实验室，主要学科方向与本项目研究的主要内容高度一致，将为项目研究需要的各项室内试验和技术分析提供强有力的支持，其中，湖泊与环境国家重点实验室将承担大部分江湖关系变化对河湖水文与极端水文事件的影响、江湖关系变化对湖泊生态影响方面的相关研究；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室将承担大部分江湖关系改变对洲滩湿地植被群落演替的影响及以长江中上游水库群联合调度为核心的江湖关系优化调控研究。

三个野外观测台站直接布局于鄱阳湖和洞庭湖，将为大量的野外原位实验和监测提供优越的服务平台。鄱阳湖湖泊湿地观测研究站重点开展鄱阳湖水质、湿地生态常年连续监测和调查研究工作，在本项目中将提供鄱阳湖及其湖区相关基础数据，支撑鄱阳湖野外原位和采样实验，控制模拟试验等。洞庭湖湖泊湿地生态系统研究站主要围绕洞庭湖湿地保护、恢复、重建与流域可持续发展问题，以湿地生态系统定位观测为基础，探讨平原湖区湿地生态系统结构、过程和功能及其演变的驱动机制，揭示湿地生态系统退化及生物灾害爆发机理，在本项目中将提供相关基础数据，支撑洞庭湖野外原位和采样实验，控制模拟试验等。洞庭湖江湖生态监测重点站以三峡工程运行对洞庭湖江湖关系和湖泊生态变化监测研

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