973项目申请书 - 图文

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973计划项目申请书

项目名称 : 长江中下游江湖关系演变及其对河流湖泊生

态环境影响与调控

申报单位 : 中国水利水电科学研究院

水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 长江水利委员会长江科学院 武汉大学

中国水产科学研究院长江水产研究所 清华大学 河海大学

中国科学院水生生物研究所

中国科学院生态环境研究中心 中国地质大学（武汉）

项目首席科学家 : 王浩

申报日期:2011-03-12 中华人民共和国科学技术部制

2011年3月

摘 要

江（河）湖关系综合调控是构建和谐人地关系的关键任务之一；系统识别江（河）湖关系的驱动机制、演变规律、生态与环境效应是当前资源环境领域基础研究的重大前沿和热点问题。长江流域（宜昌-大通段）是我国实施“中部崛起”战略及“健康长江”建设的关键地区。然而，在气候变化和区域水土资源开发的综合影响下，特别是在长江上游梯级水利/水电枢纽群和区域重大水利工程群（包括水库群和河道整治工程）的影响下，该区域江湖间水沙蓄泄过程及江湖关系发生了显著变化，区域干旱与洪涝呈频发和广发趋势，水生态退化态势严峻，水生动物物种多样性衰退严重、问题突出。“为什么要进行江湖关系调控”、“江湖关系是否可调控”、“如何进行江湖关系调控”是实践中亟待回答的三个核心问题。

本项目拟解决三个关键科学问题：江湖关系演变“自然-人工”二元驱动机制及演变规律、江湖关系演变的生态与环境效应及适应机制、江湖关系多维均衡调控机理及调控阈值。结合上述科学问题，本项目拟开展四项研究工作：①长江中下游江湖关系演变“自然-人工”二元驱动机理；②变化环境下长江中下游江湖关系演变规律及发展趋势预测；③长江中下游江湖关系演变的生态与环境效应及适应机制；④长江中下游和谐江湖关系多维均衡调控阈值与模式。

通过本项目的研究，将系统识别长江中下游流域江湖关系及演变驱动机制，揭示多时空尺度江湖关系的演变规律，预测江湖关系演变的发展趋势，客观评价江湖关系演变的生态与环境效应及适应性，明晰“自然-人工”二元驱动模式下江湖关系多维均衡调控机理，并提出调控模式。通过多学科交叉研究，引领水科学领域关键基础理论与技术的新发展，培养一支具有国际竞争力的科技人才队伍。

围绕上述研究内容，本项目拟设置6个课题：(1)长江中下游江湖关系驱动机制及自然演变规律；(2)重大水利工程对长江中下游江湖关系演变的影响机理；(3)长江中下游江湖系统物理与数学模型集成模拟及预测；(4)长江中下游江湖关系演变的生态响应与适应机制；(5)长江中下游江湖关系演变对河湖水环境的影响机制与效应；(6)长江中下游健康江湖关系多维均衡调控阈值与模式。

本项目将由中国水利水电科学研究院牵头，联合来自水利部、教育部、农业部和中科院长期从事水循环、泥沙、生态和环境等领域研究的10家科研院所共同承担；研究中将整合7个国家重点实验室和15个省部级实验室等优势科技资源，并依托长江流域水文泥沙、水生态、水环境3套原型观测站网和1.4km长的大比例尺整体物理模型予以完成；研究团队由活跃在学科前沿并取得突出科研业绩的中青年科技人员组成。

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项目申报总经费为3900万元。

II

一、立项依据

（一）国家重大需求

1、江（河）湖关系合理维系是资源环境领域研究的重大问题

江湖关系是江湖间以水沙交换和河床变化过程为关键的反馈作用关系，受到自然和人类活动特别是重大水利工程(群)的综合影响，并随着流域/区域水循环及伴生的水沙、水生态和水环境过程变化（以下简称“水循环多过程”）而发生演化；与此同时，江湖关系变化也影响到流域水循环多过程的演变。江湖关系变化具有显著的资源、生态和环境效应，维系着区(流)域的水安全、生态安全、环境安全、能源安全及航运安全等，影响到区(流)域整体经济社会的和谐发展。江湖关系的合理维系，是构建和谐人地关系的关键。

2011年中共中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》（简称“中央1号文件”）明确指出：“完善优化水资源战略配置格局，在保护生态前提下，尽快建设一批骨干水源工程和河湖水系连通工程，提高水资源调控水平和供水保障能力”。需要指出的是，江湖关系与水循环多过程演变之间具有多向反馈关系，其演变的驱动机制及所产生的生态与环境效应也极为复杂，是资源环境领域研究中的重大前沿和难点问题；然而，当前针对河湖水系连通主题的相关研究尚不能满足上述战略需求，亟待开展系统深入研究。

2、江湖关系系统识别是长江中下游水安全保障的科学基础

长江中下游地区江湖关系是我国乃至世界上江湖关系最为复杂地区之一。长江干流宜昌-大通段是长江中下游的非感潮河段，洞庭湖和鄱阳湖是典型的大型吞吐型湖泊和长江中下游的调洪及水源区；区内河网密集、湖库广布，在独特地理环境和气候水文格局综合作用下，形成了“江涨湖蓄、江退湖泄、江湖季节性涨落”的独特江湖关系（图1）。长江水沙条件与河床变化会导致通江湖泊的连锁反应，湖泊的变化又会再反馈于长江，两者之间的互动改变着江湖蓄泄能力、河湖生态系统的完整性与稳定性、水生生物多样性、湿地功能以及水资源的开发与保护。自1860年和1870年两次特大洪水相继冲开藕池、松滋两口，洞庭湖除接纳湘、资、沅、澧来水外，还调蓄和分泄荆江四口（其中调弦口1958年冬封堵）入湖的长江洪水，经湖区调蓄后在城陵矶注入长江，与长江形成了庞大的、复杂的河湖水网区，水流、泥沙冲淤变化、河道和湖盆演变复杂。鄱阳湖承纳赣江、抚河、信江、饶河、修水等五大水系以及博阳河等支流来水，经调蓄后由湖口注入长江，与长江相互顶托和相互影响，有“高水是湖，低水似河”、 “洪水一

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片，枯水一线”的自然特征。随着气候变化和人类活动的影响，长江中下游江湖关系呈现出新的演变特征，改变了长江中下游地区洪涝、干旱及水资源的时空格局，诱发了系列生态与环境问题。

图1 长江干流宜昌-大通段江湖及敏感生态区域分布图

（1）江湖关系演变转变为“自然-人工”二元驱动模式

近60年来，随着气候变化和人类活动影响的加剧，以自然一元驱动为主体特征的长江中下游江湖关系演变，逐渐演变成“自然-人工”二元驱动的演变模式，驱动机制及资源、环境与生态效应更为复杂。气候变化改变了区域降水及入江、入河、入湖水量及泥沙过程，进而影响到江湖之间的水沙交换过程及江湖关系的演变。人类活动深刻改变了长江干流来水来沙条件和湖泊流域水文泥沙动力特征，深刻影响到了长江中下游地区江湖关系的演变。随着三峡工程、葛洲坝工程等103座大型水库的建设与运行调度，长江上游的来水来沙条件发生了显著变化；调弦口建闸封堵、下荆江裁弯以及中下游堤防加固等河道整治工程的实施，改变了长江干流水沙的输移特性。随着湖泊流域内水利工程群的开发和区域水土保持工程的实施，入湖水量和泥沙过程及通量也发生了显著变化；与此同时，湖区围湖造田与退田还湖的相继实施，使得自然演变过程中以渐变为主体特征的湖盆演变过程在短时段内发生了突变，进而影响湖泊水体水动力特征及泥沙冲淤过程。

（2）江湖关系演变改变了长江中下游洪涝和干旱格局

随着上游地区特大梯级水利枢纽工程群的运行调度及湖区水利工程建设，特别是三峡工程运用后，长江中下游干流、湖泊的泥沙冲淤发生了显著变化，改变了行洪河道及蓄洪区特性，导致下游防洪格局发生变化。荆江南三口联通之一的调弦河自1958年堵坝建闸以来，河床一般淤高4～8m，上游进口段比堵坝时淤

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高近15m；长江与洞庭湖联通之一的藕池河急剧淤积萎缩。近60年来，沙市洪水位累计下降了约0.7m，而城陵矶洪水位累计升高了约1.8m，螺山洪峰流量累计增大了约7000m3/s等。1998年大水，在洪量不及1954年的情况下，长江中下游全面超1954年洪水位。与此同时，因洪水期入湖总体水量的减少和枯季出湖流量的加快，导致湖区枯水延长，水资源短缺。荆江三口五站平均断流时间由上世纪50年代的57.4d增加至2001～2006年的163.6d；2006～2008年10月份，洞庭湖七里山站水位平均降低0.77～1.42m，鄱阳湖湖口站水位平均降低了0.43～1.02m，并提前近1个月进入枯水期；与此同时，湖泊水位年内变幅增加，鄱阳湖和洞庭湖均增加了1～2m。

（3）江湖关系演变导致长江干流和两湖地区生态呈退化态势

随着湖泊水位的整体下降和年内变幅的增加，“洲滩－湖面”交替的时间节律发生变化，湖区湿地退化呈加剧趋势，并导致区域生物多样性的锐减。2000年与2006年相比，洞庭湖区越冬鸟类总数由30万只下降到3～4万只，濒危物种东方白鹳由802只下降到36只，白鹤在2004年基本消失，江豚的江、湖间迁移基本被隔断。与此同时，长江干流和两湖地区水生生态系统和生物资源也呈现出急剧退化趋势。较之1974年，2004年洞庭湖鱼种类数减少33.7%，洄游性鱼类总计减少47.1%；以鲤、鲫、青鱼、草鱼、鲢、鳙和鲇等为优势种的种群结构被以鲤、鲫为主的结构所替代，且82.4%的优势种为湖泊定居性鱼类；一大批原来为经济种类的鱼类濒临灭绝，“四大家鱼”野生种群也已沦为濒危物种；长江中游白鲟已近10年未见踪迹，江豚在1991～2006年内减少了50%，2006年仅存1200～1400头；被誉为长江“三鲜之首”的鲥鱼已绝迹，水中“大熊猫”的白鱀豚已功能性灭绝。此外，长江中下游湖区是血吸虫病扩散的重点区域，钉螺分布面积占长江中下游的90%以上；近年来湖区钉螺面积呈进一步扩大的态势，2000～2006年间，洞庭湖和鄱阳湖湖区钉螺面积分别增加了3.6%和14.7%，分别达到17.5万hm2和7.8万hm2。

（4）江湖关系演变促使长江流域江湖水环境发生变化

随着长江上游梯级水利工程群对长江干流来水的调节，湖区枯水期蓄水量减少，使得水体自净能力和环境容量大大降低，湖区水质呈现恶化趋势，部分地区水华爆发风险呈进一步增大趋势。洞庭湖已连续5年保持低水位，水位的降低导致湖内水环境容量减小，总氮、总磷污染加剧，2003年洞庭湖的营养盐状态已经处于中－富营养化水平；2008年，洞庭湖蓝藻爆发面积达到10km2；2009年，鄱阳湖I～III类水面比例为63.9%，全年水质类别为Ⅳ类、营养状况为中营养，

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2009年洞庭湖I～III类，全年水质类别为劣Ⅴ类，营养状况为轻度富营养化，荆南三河总体水质类别为IV～劣V类（2009年水资源公报）。

3、江湖关系综合调控是长江中下游战略发展的迫切需求

长江流域（宜昌-大通段）是我国实施“中部崛起”战略的关键地区，国家先后批复了《武汉城市圈资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验总体方案》、《湖南长株潭城市群综改方案》和《鄱阳湖生态经济区规划》等重大战略性规划；该区是我国的“鱼米之乡”，是农作物和淡水渔业的主产区，特别是水产种质资源以及珍稀水生物种的集中分布区，也是世界重要湿地、国家生态保护及“健康长江”建设的关键地区之一，分布有32个国家级自然保护区、41个省级保护区和24个市县级自然保护区，东洞庭湖和鄱阳湖被列入国际重要湿地名录；区内人口稠密，水文情势复杂，洪涝与干旱灾害呈广发和频发态势，一直是我国治水的重点和难点地区；与此同时，该区还是南水北调中线工程水源调节区和我国内河航运的关键区。2011年5月18日国务院常务会议讨论通过了《三峡后续工作规划》，核心工作是要妥善处理三峡工程蓄水后对长江中下游江湖关系演变带来的不利影响，实施科学调控措施。

鉴于长江宜昌-大通段江湖关系演变所产生的生态与环境影响，及其在建设“健康长江”和国家实施“中部崛起”战略中的重大地位和作用，江湖关系的演变及综合调控，也已受到政府部门、学术界和社会公众的高度重视。然而，当前尚未系统揭示长江中下游地区江湖关系的演变机理，针对气候变化和人类活动特别是重大水利工程影响下江湖关系演变的生态与环境效应评价也缺乏扎实的科学基础，导致相关研究成果之间存在较多分歧；如三峡工程运行调度对洞庭湖和鄱阳湖的影响、荆江南三口连结河流的萎缩成因均存在多方不同甚至是相左的意见；影响到区域重大水利工程布局、联合调度及区域整体资源、生态与环境战略的制定与实施。为此，亟需对长江宜昌-大通段江湖关系演变驱动机理进行系统识别，并在深入揭示江湖关系演变规律的基础上，就江湖关系演变所产生的生态与环境效应进行评估，对江湖关系进行科学调控。

（二）科学意义

1、通过多学科的交叉研究，系统识别自然和人类活动特别是重大水利工程群影响下江湖关系演变的驱动机理，夯实江湖关系演变规律识别及科学调控基础

江湖关系演变驱动机制的系统识别是客观识别江湖关系演变规律及进行江湖关系调控的关键。本项目将融合水文学、水资源学、泥沙科学、生态学、环境

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学、系统科学和复杂科学等多学科理论与技术的新进展，以“自然-人工”二元水循环多过程为主线，以江湖之间水沙冲淤过程为关键，以原型观测、数值模拟、物理模型和现代信息技术的集合研究为关键支撑，明晰流域水循环及伴生水沙过程、水生态过程与水环境过程间的多向反馈关系，系统识别江湖关系演变的驱动因子，科学揭示1860年以来江湖关系历史演变驱动机制和未来百年尺度江湖演变的驱动机制；并通过“整体识别—解耦分析—综合评价”的方式，客观评价自然和人类活动特别是重大水利工程群对江湖关系演变的驱动作用。纵观国内外相关研究，本项目是首次系统识别长江中下游江湖关系演变的驱动机理，将为江湖关系演变规律识别及均衡调控提供更为扎实的科学基础。

2、系统揭示江湖关系历史演变规律，并对百年尺度上江湖关系演变趋势进行具有物理机制的预测，为合理确立江湖关系调控阈值和模式提供科学依据

在江湖关系的综合调控阈值和调控模式的确立中，一方面要遵循自然规律，须明确江湖关系演变的自然演变规律及发展的阶段性特征；同时又要结合经济社会发展的需求变化，须识别自然和人类活动特别是重大水利工程群影响下的整体演变规律；进而为合理确立江湖关系的调控目标、调控重点和调控途径提供依据。本项目将在江湖关系演变驱动机制整体识别的基础上，明晰江湖关系的自然演变规律和“自然-人工”二元驱动下的江湖关系整体演变规律，并科学确立当前和未来百年尺度江湖关系的发展阶段及其特性。与此同时，本项目将以江湖关系演变的驱动机制为依据，以长序列高密度的原型观测、具有物理机制的分布式数值模拟、大比例尺整体物理模型和现代地理信息技术为支撑，通过“历史仿真”模拟，客观识别长江中下游流域江湖关系的历史演变规律和当前发展阶段；同时结合未来驱动因子及驱动机制的发展演变，对未来江湖关系的发展趋势进行具有物理机制的预测，为江湖关系整体调控方略及各阶段调控阈值与调控模式的合理确立提供科学依据。

3、明晰江湖关系演变的生态与环境效应与适应机制，为江湖关系多维均衡调控及构建和谐人地关系提供科学基础

江湖关系演变产生了显著的生态与环境影响及累积效应；与此同时，区域生态与环境对自然和人工变化下的江湖关系的适应性能力和特征具有极大差异。为此，在江湖关系调控中，要在充分遵循自然和人类活动影响下江湖间水沙交换过程和河床演变机理的同时，系统融合江湖关系演变的生态与环境效应及其适应机制。本项目将结合长江中下游江湖关系演变对区域水沙及水动力过程的影响，明晰江湖关系演变对长江干流、鄱阳湖和洞庭湖生态系统的响应与环境演变的影响

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机制；并结合区域生态与环境演变的驱动机制及主要生态与环境问题，解耦江湖关系演变对区域生态与环境影响，评价其累积效应，识别区域生态与环境对江湖关系演变的适应机制；与此同时，就未来江湖关系演变的生态与环境效应进行预测评价；进而为区域江湖关系多维均衡调控目标、阈值、模式的确立及构建和谐人地关系提供科学基础。

4、识别长江中下游流域江湖关系多维均衡调控阈值，并确立其调控模式，为发展区域综合整治范式及重大水利工程群布局与运行调度提供科学依据

随着气候变化和人类活动影响的深入，区域水循环多过程及江湖关系的演变特性发生变化，洪涝和干旱、水生态退化和水环境恶化等涉水问题在长江中下游流域呈现出“组发”、“频发”和“广发”态势；为此，需要革新传统基于单一问题的江湖关系调控及区域治理模式，进行多目标及常态与应急情景相结合的集合调控；其中，调控阈值的科学识别是其前提和基础，重大水利工程群的合理布局与优化调度是其关键任务。本项目将基于“自然-人工”二元驱动下水循环多过程的多向反馈机理及尺度效应，结合长江中下游江湖关系演变驱动机制、演变规律与发展阶段特性、生态与环境效应及常态与应急情景的集合调控要求，科学识别长江中下游流域江湖关系多维均衡调控阈值并构建调控模式，提出长江干流、湖泊流域及湖泊出口调控工程合理布局的整体方案和多目标联合调度模式。本项目将为发展江湖关系调控及区域综合整治范式提供科学依据。

（三）对解决国家重大战略需求和引领科技发展的预期贡献

1、解决国家重大战略需求方面的预期贡献

协调江湖关系是解决长江中下游一系列水生态和水环境问题的基本点，识别长江中下游江湖关系演变驱动模式、演变规律、生态与环境效应及调控阈值与模式，系统提出长江中下游江湖关系调控的关键科学依据，突破长江中下游综合治理中的关键基础科技“瓶颈”，直接为国家“中部崛起”和“健康长江”建设战略实施中江湖关系调控这一亟待解决的关键问题提供基础科学依据；并在此基础上，整体构建江（河）湖关系调控基础理论体系与技术范式，填补国家河湖连通工程建设战略实施中系统基础理论与技术体系的不足，为“中央1号文件”所部署的“河湖水系连通工程”建设任务提供科学基础。

2、在引领科技发展方面的预期贡献

以变化环境下水循环及伴生的水沙、水生态和水环境过程间多向反馈作用机理为核心，突破传统学科研究界限，融合水文学、水资源学、泥沙科学、生态学、

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环境学、系统科学和复杂科学等相关学科理论的新进展，在统一物理机制框架内，以原型观测、数值模拟、物理模型与现代地理信息技术的集合研究为关键支撑，进一步发展“自然-人工”二元水循环多过程理论与技术体系，构建江（河）湖系统多维均衡调控基础理论与技术体系，引领变化环境下水问题综合应对领域基础理论与技术的新发展。

二、国内外研究现状及发展趋势

（一）国内外研究进展

结合项目拟解决的关键科学问题及研究目标，从以下三方面对长江中下游江湖关系演变及其对河流湖泊生态环境影响与调控的理论、方法和关键技术的相关国内外研究进展进行述评。

1、江湖关系演变规律、驱动机制及其生态环境效应

（1）江湖关系演变规律及其驱动机制

湖泊类型直接影响江与湖的联系方式及影响程度，导致其研究模拟方式不尽相同。大型湖泊研究侧重于自身内部的水流运动规律，以风生流数值模拟为主；中小湖泊则侧重于水动力与湖泊治理等方面的研究。长江中下游江湖关系具有沿江大小湖泊众多、干流水量和沙量均较大和受上游大规模水利工程影响大的独特性（Chu Z. X. and Zhai S. K.，2003；Diann S. Kiesel et al., 2005; Zhang Q.，2009）。由于长江中下游江湖关系的独特性与重要性，江湖关系驱动机制及演变规律已有较多研究成果，具体如下：

从江湖关系的驱动机制来看，主要从海平面变化过程、泥沙溯源淤积和人类活动几方面开展相关研究。10000～6000年前期间，随着海平面上升，长江中下游水位上升并不断向上游传递，产生溯源淤积，驱动沿江江湖关系格局的形成和演变。海平面变化的研究成果为研究江湖关系变化提供了出口控制边界条件。部分学者以地质构造和海平面变化为切入点，研究洞庭湖和鄱阳湖等长江中下游湖泊演变的驱动机制（马振兴等，2004；杨达源等，2000；方金琪，1990；卞鸿翔，1994）。现代海平面趋于稳定时，泥沙的溯源淤积成为长江中下游江湖关系演变的主要驱动力（韩其为，1999；杨怀仁，1999）。

从现代江湖关系演变规律来看，主要从水沙动力学特性入手进行研究。洞庭湖江湖关系方面，从三口分流荆江的径流量入手，研究了江湖关系变化的两个阶段，涉及到五个方面：四口径流量变化、三口河道冲淤、荆江冲淤、洞庭湖淤积

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快慢和城汉段（城陵矶至武汉）的冲淤。只有在这个时(1860年以后)、空(枝城至武汉)尺度中进行研究，才能使长江中游有关洪水形势、河床冲淤等问题得到较正确的认识（韩其为，1999），在此基础上模拟探讨了江湖关系近几十年来的演变（方春明等，2004）。另外，随着人类活动的影响范围加大、程度不断增加，围垦逐渐成为湖泊形态和水情变化的人为影响因子。

（2）江湖关系演变的生态环境效应

江湖关系自然演变对吞吐型湖泊的影响，存在基于地球物理、化学、生物过程的内在规律（Aubyr F. B. et al.，2004；Balvanera P. et al，2001；Ilka Sch?nfelder, 2002；Gary Brierley, 2010）。一系列重大水利工程的建设，影响了长江的水沙特性。这种人为影响通过长江与吞吐型湖泊的水力联系而传导到吞吐型湖泊。

a生态效应

目前国内外对流域水沙过程与河道形态、生物栖息地、生物行为响应、生态结构及功能和生物多样性的变化等方面都开展了广泛而深入的研究。早期对河流多样性和完整性的研究多关注静态的河流环境，近些年来径流及河滨带动态变化造成的地貌多样性在相关研究中得到了充分重视。相应的河流生态系统评估体系也逐渐建立起来。由于水利工程群导致下游水沙过程改变以及相应河道形态调整，引发了河流生态系统一系列变化，现阶段对水沙演变引起的生态效应更侧重于水利工程引起的影响。

环境生态水流是维护江湖生态系统稳定的基础。极端不利的江湖关系将会导致湖泊生态系统物种消失以致湖泊生态系统难以恢复。江湖水位关系是影响江湖洄游性动物种类生活史的关键，这些动物在不利的江湖关系条件下将会逐渐消亡。河流生态水文过程是河流管理与区域生态与环境保护中的核心问题,河流廊道对区域生物种群结构与其空间格局十分重要；湖泊水文状况控制湖岸植被类型、群落结构、空间分布以及演化过程, 对沿湖分布的动物种群类型及其生活习性也起着决定性作用。

在重大水利工程主导的江湖关系变化的影响下，两湖区域生态环境退化严重（危起伟等，2007）。近年来，由于干旱、三峡工程蓄水和湘、资、沅、澧四水工程蓄水等，洞庭湖和鄱阳湖生态水文条件发生极大改变，造成湿地空间结构发生较大变化，湿地内的水体泥沙滩地减少，草滩地与芦苇滩地增加的趋势十分明显。随着洞庭湖区水位的上涨，栖息在湖洲中的东方田鼠大量内迁，严重威胁沿湖防洪大堤和农业生产。生态水文条件的变化导致湖泊鱼类产卵场和索饵场面积减少，伴随着其他人类活动的影响，导致鱼类呈现小型化和低龄化特征，鱼类资

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源严重衰退，珍稀水生动物濒危程度加剧。茹辉军等（2008）于2004～2005年间对洞庭湖鱼类物种多样性进行了调查，与1974年的调查结果相比（窦鸿身等，2000），鱼类物种种类数减少33.7%，且种上阶元数均少于以前；江湖洄游性鱼类减少47.1%，未发现河海洄游性鱼类；优势种类以鲤、鲫为主，且82.4%的优势种为湖泊定居性鱼类。20世纪80年代、90年代到2008年的近30年间，鄱阳湖大型底栖动物的密度在逐渐减少、特别是软体动物的密度大幅度下降，底栖动物的群落结构发生较大变化。水文情势的变化导致洲滩草地退化、水鸟栖息地消失，进而使得水鸟数量明显减少，部分濒危鸟类消失。在江豚分布最为集中的江西湖口约20 km长的八里江江段，1989年其数量约为260头，过去10年中年递减率约为7.3%（危起伟等，2007）。由于低水位的影响，江豚在江、湖之间的移动基本被阻隔。

b环境效应

在一系列现代重大水利工程建设之前，长江中游主要吞吐型湖泊洞庭湖和鄱阳湖面临着不同的水环境问题。洞庭湖主要面临湖泊淤积导致的环境容量减少、沿湖农业生产导致的面源污染和上游流域矿业生产导致的重金属污染风险。鄱阳湖面临着径流年内分布不均引起的环境容量波动问题和上游来水的污染物输入问题。一方面，重大水利工程的建设将大大改变吞吐型湖泊水环境的物质、能量输入，江湖演变导致的入湖水沙的构成与数量的变化，将改变赋存于入湖水与泥沙中的外源性污染物种类与数量，目前国内外研究大多停留在讨论总量变化的阶段，还需针对以上内容开展进一步研究(陈绍金，2004；卢宏玮等，2004；李景保等，2009；Cociasu et al.，1996；Jennerjahna et al.，2004；Lampert et al.，2002；李义天等，2009； Dai et al，2010；Aubry et al.，2004)；另一方面，重大水利工程的建设还将改变吞吐型湖泊水环境的一系列环境过程的规模和方向，改变水环境自身特性(Philips et al.，2004；Silva et al.，2005；Chu et al.，2008；Yang et al.，2002；Dai et al.，2005；Xu et al.，2009；Wang et al.，2009；褚忠信等，2007；徐晓君；Zeng et al.，2007)；第三，重大水利工程建设对吞吐型湖泊水环境的系统影响，还将改变吞吐型湖泊水环境的系统输出。

2、江湖关系研究关键支撑技术

长江中、下游江湖关系演变及其对河流湖泊生态系统的影响研究涉及水沙过程、水生态和水环境过程，各过程模拟模型是研究江湖关系的基础工具。

（1）水沙模拟模型

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a数学模型

早在“六五”期间，长江科学院等单位就已经建立了长江中下游干流河道一维水沙数学模型，主要用于葛洲坝、三峡水利枢纽工程坝下游泥沙问题研究；其研究成果在长江流域综合利用规划、长江中下游干流河道治理规划及整治工程实践中得到广泛应用。“十五”以来，长江科学院又建立了包括洞庭湖、鄱阳湖及支流汉江的长江中下游江湖联算一维水沙数学模型，并对三峡工程运行后长江中下游江湖冲淤变化进行了计算分析和预测，取得了初步研究成果。

中国水利水电科学研究院与武汉大学围绕江湖数学模型计算分析江湖冲淤变化及江湖关系变化开展了较多研究，王崇浩、秦文凯、方春明和李义天等（王崇浩等，1997；秦文凯，1997；方春明等，2007；李义天，2009）根据实测历史资料，先后采用河道三角洲淤积的平衡坡降法、荆江三口分流河道河网泥沙冲淤模型、长江干流宜昌至大通河段和荆江四口洪道的河网水沙数学模型，对荆南三口洪道的三角洲、长江干流宜昌至大通河段水沙过程演变及三峡工程运行后的江湖关系变化规律做了系统研究。

b物理模型

物理模型试验是运用河流动力学知识，根据水流和泥沙运动的力学相似原理，模拟与原型相似的边界条件和动力学条件，研究河流在天然情况下或在有水工建筑物的情况下水流结构、河床演变过程和工程方案效果的一种方法（钱宁，2003）。

从1875年法国学者法格（L.J.Fargue）开展加龙河河工模型试验到20世纪初欧洲水电事业的快速发展期间，河工模型试验逐渐成为解决水利工程问题的有效手段。1932年的黄河束窄堤距模型试验是针对我国流域最早的河工模型试验。1950年至20世纪80年代，长江委和国内其他院校先后研发了面向长江、黄河等流域的分洪工程、河段变态模型、河段正态模型、裁弯、放淤工程、库尾河段、水利工程坝区等基础模型与试验，还开展了防洪、航道整治、电站取水口模型洲滩利用、河道综合整治模型等综合模型。不同重率和不同粒径的模型沙的研制与应用，以及先进的模型测量仪器、控制设备、计算机自动化系统的大量应用，使得模型理论与实践得到了进一步的提高和发展，居于世界领先地位，保证了各项工程的顺利实施，促进了我国社会经济的可持续发展（余文畴等，2005；卢金友，2007）。值得注意的是，依托于2003年经国家计委批准立项的重大科研项目，长江科学院已组织兴建了约6万m2的模型试验大厅，是当今世界规模最大、手段最先进的实体模型，模型范围包括长江干流枝城至螺山河段（长约400km）及洞

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庭湖区，它的建成对研究长江中下游江湖关系演变以及长江防洪形势的变化具有十分重要的作用。

（2）水生态模拟模型

水生态模型重点是研究水生动植物生境的变化和生态系统结构的演变。因富营养化问题的日益突出，最初的水生态模型主要模拟硅藻和非硅藻两类藻类生物量变化，如TROPHY3D、CAEDYM、Bloom II和ECOLAB模型等(F.F. Hattermanna et al., 2006; Joachim Posta et al. , 2007)。后来水生态模型进一步发展到可以模拟多种藻类的浓度，如Delft3D-Eco、Mike3以及TeleMac。20世纪末期，随着高性能计算技术的普及，水生植物模型和鱼类模型开始迅速发展，这些模型大致分为两类：用于水生态健康评价的生境模型（也称作栖息地模型）和用于水生动植物变化的种群模型。水生态模型主要采用基于个体和元胞自动机方法，即空间显式模型。我国研究人员对长江四大家鱼产卵场的水动力学模拟及流场控制等方面开展了相关工作。近年来，围绕水利工程对河流水生态系统累积性效应定量评价问题，我国十分重视水生态模型的研究，开发了EcoRiver生态水力学模型系统，并应用于漓江水生态（岸边带植被和鱼类栖息地）演变及生态调度、雅砻江梯级水电开发生态影响定量评价及生态调度。

（3）水环境模拟模型

水环境模拟模型的形成和发展大致可分为以下几个发展阶段：20世纪20年代中期～70年代初期以一维稳态模型为主；20世纪70年代初期～80年代中期，开始出现了多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等模型研究；20世纪80年代中期至今，是水质模型研究的深化、完善与广泛应用的阶段，如二维非稳态EFDC模型等。目前国际上河湖水质模型已经发展的比较成熟，且商业化程度高，如DelWaq、MIKE3和TeleMac等(Anthony J. Kennedy，2005; Jennerjahna T. C., 2004; Müller B. et al., 2008; Simon R. Poulson, 2010; Wang Fei-er et al., 2010)。我国水环境模型的研究也发展较快，在典型河流水环境容量计算与应用理论、方法和实用技术研究等方面都取得了较系统的进展，出现了多目标综合评价模型、潮汐河网多组分动态水质模型、水体富营养化模型、水污染控制系统优化规划模型等定量计算方法，污染物研究对象也从一般耗氧有机物和重金属，扩展到氮、磷和油污染，并编制出水环境污染物总量控制实用系列化方法。

3、流域水循环综合调控理论与技术

大型水库群建设在防洪、灌溉、供水和发电等方面起重要作用的同时，其建

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设和运行对河流生态系统结构和功能产生多种影响，可以保证河流基本的生态需水量，维系河流生态平衡。水利工程调控还能够实现水沙合理配置，合理安排生活、生产、生态用水需求。为改善流域的水环境，恢复生态系统，近年来已加强了流域的综合管理，通过统一调度，使流域趋于恶化的生态系统得到了初步恢复。

从保障生态基流来看，范继辉和金勇等人（范继辉，2007；金勇，2009）基于河流生态流量和生态最小需水量等概念，相继建立了长江上游水库群联合调度模型，进行长江上游水库群优化，为我国流域生态调度的实现做出了巨大贡献。Cavallo A等（Czvallo A，2003）研究了各种水库生态调度模型，并在实际工程中得到应用。

从水沙调控来看，施勇、宫平和胡春宏等人（施勇，2008；宫平，2009；胡春宏，2006；彭杨，2004；陈建，2010）在一维及二维泥沙数学模型基础上，相继研发了面向长江防洪系统江湖水沙调控需求的河网水沙模型、江湖水沙调控数学模型。在国家自然科学基金创新研究群体基金项目“流域水循环模拟与调控”中，初步建立了以改善河道输水输沙能力和维持河道稳定为基础的流域水沙资源联合多目标优化配置理论，开发了流域水沙资源优化配置数学模型，并应用于黄河下游流域。

从水资源综合调控来看，美国、日本、印度等国家在修建水利水电工程与实施水利水电工程调度方案时，都对河流生态问题给予了足够重视，比如田纳西流域管理局对20个水库调度运行方式进行了优化调整。近年来，国内生态保护的呼声剧增，国内许多学者参与到水利水电工程的生态调度研究中，为发挥水资源的全属性功能，相继建立了水量水质统一调度模型、水库多目标生态调度、基于生态流量过程线的水库优化调度模型等（傅春，2000；邵东国，2000；董哲仁，2007；胡和平，2008；王浩等，2010）。

在国家“十一五”重大科技支撑课题“三峡及长江上游特大型梯级枢纽群联合调度技术”中，中国水利水电科学研究院构建了基于气陆耦合技术的长江宜昌以上流域多尺度、多过程耦合的分布式二元水循环模拟模型，分析了长江上游水资源演变规律；建立了涵盖100多座大中型水库的多目标水沙联合调度模型，研究了三峡以上梯级水库群蓄放水次序，并制订了上游梯级水库群多目标联合优化调度方案。

（二）存在问题

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1、江湖关系演变与调控的基础理论

纵观国内外相关研究进展，在以下三个方面需要进一步开展深入研究： （1）在江湖关系演变规律、驱动机制方面，现阶段的研究尚未对水循环多过程影响下的江湖水沙交换关系的驱动机理进行识别，也尚未揭示江湖关系演变条件下驱动力作用因子的内在联系，尤其是重大水利工程群对江湖关系的影响，以及各湖泊与长江干流联系度不同条件下的江湖关系识别方法和评价指标体系等方面的研究相对薄弱。

（2）在研究思路和手段方面，考虑单一自然驱动力形成的江湖关系演变较多，对人类活动驱动力影响下的江湖关系演变研究较少，尤其是自然与人类活动耦合驱动作用下的江湖关系演变研究更少；在江湖关系演变规律与预测研究中采用“趋势外推”较多，考虑江湖关系演变的驱动力和驱动机制的时空变化较少。

（3）在江湖关系演变的生态与环境效应方面，目前针对两湖流域的研究侧重于从湖泊的角度分析，对长江与洞庭湖、鄱阳湖之间的水力联系和水沙蓄泄关系开展综合研究较少；侧重于两湖流域内部的生态演变研究，而系统剖析气候变化和水利工程群作用下江湖关系演变对生态系统的多尺度影响机理与适应机制较少，尤其是缺乏江湖关系演变对区域生态连通性与完整性的定量化评价。大型江河中的水生动物物作为环境变化的重要指示生物，在过去有关生态与环境效应研究中缺少系统研究。

（4）在调控机理方面，当前主要是从区域综合发展的要求确立调控目标，并以单一目标调控居多，尚需结合江湖关系演变的阶段性特征识别、驱动机制及区域综合发展需求，合理确立调控目标，并识别调控阈值；结合水的多维属性特征，识别其调控机理，进行江湖关系的多维均衡调控。

2、江湖关系基础研究的支撑技术

今后，尚需在以下五个方面加强对江湖关系基础研究支撑技术的研发： （1）加强原型观测实验、物理模型、数值模拟和现代地理信息技术的集合研究，以充分发挥组合技术的整体优势，克服单项技术的不足。

（2）在数学模型研发方面，需结合水循环多过程及江湖间的多向反馈作用，进行统一物理机制下多过程、多尺度、多模型的集合研究。

（3）在物理模拟方面，需加强大比例尺整体模型的研发，克服以单一过程、局部区域为重点及小比例尺物理模拟的不足。

（4）加强数值模拟与物理模拟的相互校验与相互促进，结合江湖关系演变

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驱动机理识别、规律剖析和综合调控的总体需求，构建数值模拟与物理模拟的集成模拟系统，以克服“离线式”数值模拟与物理模拟的不足。

（5）选取重要的迁徙物种，比如江湖洄游性鱼类、江豚和迁徙鸟类等作为指示生物，研究江湖关系演变中这些迁徙物种的响应及适应机制。

（三）取得突破的可能性

随着水文水资源学、泥沙学、生态学、环境学、系统科学和复杂科学等相关学科的发展及交叉融合，特别是随着水循环多过程理论的日趋完善，在江湖关系机理识别、演变规律揭示及综合资源、生态、环境效应评价基础理论方面有望实现以下三个方面的突破：（1）突破传统学科理论研究框架，结合水循环多过程及江湖间多向反馈机理的系统识别，进一步明晰江湖关系的科学内涵，实现传统自然一元驱动模式向“自然-人工”二元驱动机制转变；（2）突破过程描述和“趋势外推”式的演变规律识别研究范式，进行基于驱动机制识别的演变规律揭示；（3）突破单一效应定性评价，进行江湖关系演变资源、生态与环境综合效应的定量评价。

随着相关支撑技术的发展，有望在以下四个方面实现技术突破与创新：（1）水沙、水生态与水环境单一过程的模拟向多过程的集成模拟转变；（2）水沙、水生态与水环境过程单一数值模型模拟向多数值模型的集合模拟转变；（3）局部区域重要过程的物理模型模拟向大比例尺的整体物理模型模拟转变；（4）数值与物理模型分离模拟向二者集成模拟转变。

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三、拟解决的关键科学问题及研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

“为什么要进行江湖关系调控”、“江湖关系是否可调控”、“如何进行江湖关系调控”是实践中进行江湖关系调控需要回答的三个核心问题。对于第一问题，一方面要明晰在气候变化和人类活动特别是重大水利工程的影响下，江湖关系固有演变特征是否发生了改变，这些改变导致了哪些些资源、生态与环境问题。另一方面，随着气候变化和人类活动影响的深入，江湖关系又将发生那些新的变化，还将导致或进一步加剧哪些生态与环境问题。对于第二个问题，需要识别江湖关系演变的驱动机制，对于自然营力作用下的江湖关系演变，人类只能是适应或是在一定程度上进行调控；而对于人类活动作用下的江湖关系演变，则需要进一步规范人类活动，且具有可调控性。对于第三个问题，就是要确立江湖关系调控的目标、重点及途径。围绕上述三个问题，确立本项目的拟解决的三个关键科学问题：分别是江湖关系演变 “自然-人工”二元驱动机制及演变规律、江湖关系演变的生态与环境效应及适应机制、江湖关系多维均衡调控机理及调控阈值。其中，第一、第二个关键科学问题为第一和第二个实践问题提供直接科学依据；第三个科学问题主要针对第三个实践问题进行深入研究。

关键科学问题之一：江湖关系演变 “自然-人工”二元驱动机制及演变规律 江湖关系是江湖间以水沙交换和河床变化过程为关键纽带的互为反馈作用关系，受到自然和人类活动特别是重大水利工程的双重作用。长江与通江湖泊的关系，在历史的长河中不断发展、变化，两者之间的能量流(水量、水位)、物质流(泥沙、污染物)、生物流（水生生物）不断地交换。地质时期的江湖关系演变是顺应自然条件而变，其动力因素主要是构造运动和气候变化。随着人类历史的发展，江湖关系演变逐步转变为受人类工程活动的影响和控制，在长江中下游形成高堤防、高水位的严峻防洪形势，是自然-人工系统相互作用的结果。近年来三峡工程等重大水利工程的建设，将对江湖之间的能量流、物质流和生物流交换产生巨大影响，人类活动的作用日益加剧。因此，揭示长江中下游地区江湖关系演变驱动机理需要以长江干流和湖泊这两类系统为研究对象，在对两类系统水循

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沙蓄泄能力，导致江湖关系的演变；与此同时，变化了的江湖关系又影响到江湖之间水沙交换过程及江湖泥沙冲淤变化，并产生显著的生态和环境效应，同时对生命体的影响也以物种的自然生命过程的改变而显现。为此，长江中下游江湖系统是具有多过程、多向反馈特性的复杂水循环巨系统，并在“自然-人工”二元驱动下发生动态耦合演变。此外，干旱、洪涝等极端事件在长江中下游地区呈现出多发、广发和群发的态势，长江中下游地区江湖关系演变的突变性和随机性呈增强趋势（图3）。

自然活常态过程动水循环过程自然水循环过程极值过程(洪涝、干旱等)伴生过程水沙过程水生态过程水环境过程自 然经 济社 会生 态环 境水的基本属性面向长江中下游和谐按江钮湖关系多维均衡调控社会水循环过程人类活动“自然-人工”二元驱动下水循环多过程演变按钮影响水沙蓄泄关系反馈供 水防 洪泥沙配置生态修复环境保护发 电七项调控对象江湖资源效应生态效应环境效应航 运 图3 项目研究学术思路框图

长江中下游和谐江湖关系维系的核心，就是以区域水循环多过程演变为主线，在常态和应急条件下对上述复杂系统进行多维均衡调控。而科学识别长江中下游地区江湖关系演变的驱动机制、演变规律，对江湖关系演变的生态与环境效应及适应机制进行客观评价，是明晰和谐江湖关系维持机理的关键科学基础，也是进行江湖关系多维均衡调控的依据。

（二）技术途径

本项目将在现代水文学、水资源学、泥沙学、生态学、环境学、系统科学、复杂科学等多学科理论与技术的指导下，以长序列高密度原型观测、大比例尺整体物理模拟、集合数值模拟与现代地理信息技术（包括RS、GIS、GPS、DSS等）为关键支撑，按照“机理识别-平台构建-规律揭示-效应评估-综合调控”的总体思路予以完成（图4）。

机理识别：（1）江湖关系内涵及概念驱动模式 从地球表层系统及人地关系

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演变的角度，明晰江（河）湖关系的基本内涵，并构建江（河）湖关系的表征指标体系；以“自然-人工”二元水循环多过程为主线，以江（河）湖间水沙蓄泄过程为关键，从理论上整体构建江（河）湖关系演变的二元驱动模式。（2）长江中下游流域江湖关系演变驱动模式 在区域长序列高密度水循环过程、水沙过程、水生态过程、水环境过程原型观测资料的基础上，识别长江中下游流域水循环多过程的要素过程及其多尺度时空耦合特征；结合区域气候变化、经济社会发展、水利开发的历史演变及发展阶段特征，从区（流）域尺度上识别长江中下游流域

高密度原型观测长江中下游江湖关系调控模式及综合对策综合调控评价指标体系多维均衡调控模型调 控 阈 值江湖关系演变对区域生态连通性与完整性的影响集合数值模拟效应评估长江干流水生生态系统、滨河湿地生态系统及水环境湖库水生生态系统、环湖湿地生态系统及尾闾河段河流廊道生态系统湖泊水体和入湖河流尾闾河段水质时空变化及湖泊富营养化多技术集合分析大比例尺整体物理模型现代地理信息技术规律揭示未来百年尺度江湖关系演变的发展趋势自然演变规律水利工程影响下的演变规律累积影响下的演变规律平台构建长江中下游地区江湖关系演变的集成分析模拟平台物理模型数值模拟现代地理信息技术机理识别水沙变化与江湖关系演变驱动机理对水环境影响机理对水生态的影响机理多维均衡调控机理大区域“自然-人工”二元水循环多过程江湖间水沙蓄泄过程 图4 项目总体技术路线图

江湖关系演变的自然与人工两类驱动因子及其构成；在对江湖关系各驱动力驱动模式剖析的基础上，构建长江中下游流域江湖关系演变的整体驱动模式。（3）驱动机理定量识别 通过数值模型和物理模型的集合分析，解耦各驱动因子的驱动贡献，定量识别长江中下游流域江湖关系演变机理。（4）生命体自然生命过程的改变是江湖关系演变及其影响的重要表现之一，观察和分析这些改变有助于识别江湖关系变化的驱动机制。

平台构建：（1）确立总体开发方案 系统剖析江湖关系演变驱动机制、演变规律和生态环境效应定量识别对模拟平台的总体需求，结合数值模拟和物理模拟

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的基本特征及优势，确立总体集成模拟方案。（2）集成数值模拟系统开发 在统一物理机制下，对长江中下游流域（宜昌-大通段）的水循环多过程进行物理概化，并明晰各要素过程的时空耦合关系，构建长江中下游流域江湖关系演变的分布式数值模拟模型；遴选3~5套适合长江流域水沙动力学特性的流域水沙数值模拟模型，统一构建长江中下游流域江湖关系演变的集合数值模拟系统；结合原型观测资料和物理模拟实验对模拟系统进行校验，并进行模拟系统的敏感性和参数的不确定性分析。（3）大比例尺整体物理模型优化 结合长江中下游流域水循环多过程动力学特性的时空分异，在对重点环节和敏感区域进行单项模拟实验的基础上，进一步优化长江中下游流域大比例尺整体物理模型。（4）集成分析模拟平台构建 将集成数值模型与大比例尺整体物理模型进行相互校验，构建江湖关系演变的集成分析模拟平台。（5）重要水生动物自然生命过程的观察及分析平台构建 在关键水域构建观察平台，观察重点水生生物自然生命过程的行为、迁移、分布及其生活史完成情况。

规律揭示：（1）自然演变规律揭示 结合区域地貌、气候气象、水沙过程及其它下垫面条件的地域分异特征及发展演变特征，通过原型观测信息的挖掘、整理和长序列历史仿真模拟，揭示长江中下游流域江湖关系的自然演变规律及发展阶段。（2）人为活动影响下的演变规律揭示 结合长江流域人类活动演变和重大水利工程群的开发及运行调度，通过多方案组合情境模拟，揭示人类活动影响下的江湖关系演变规律。（3）江湖洄游动物对不同江湖关系的响应及其适应。通过原位观测和室内试验等手段，研究或评估不同江湖关系条件下，江湖洄游动物的迁移和分布等行为响应及适应规律。（4）未来发展趋势预测 结合未来全球气候序列情景、研究区土地利用变化、生态功能区划和重大水利工程群布局及其运行调度方案，设置未来一百年的气候、水文和生态环境背景，通过改变关键输入参数和敏感变量，利用平台对区域江湖关系进行多尺度预测，即采用大尺度数值模型对研究区的水文、泥沙、生态与环境进行整体预报，并采用物理模型预测水沙、水生态与水环境多要素之间的作用机制；在此基础上，明晰未来江湖关系演变驱动因子及驱动机制的变化，剖析长江中下游流域未来百年尺度江湖关系演变的发展趋势。

效应评估：（1）水生态效应评价与适应机制识别 结合野外定点观测和遥感生态调查，从宏观尺度分析长江干流河道系统、湖泊水域、环湖湿地、入湖河流尾闾河段生态演变过程及时空格局变化；结合原型观测和历史仿真模拟，明晰“江面-滨河湿地”、“洲滩-湖面”动态变化关系，并剖析其对湿地生境和生物多样性

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的影响；分析湖泊、长江干流水动力学特征变化对水生生物多样性演变的影响；结合江湖间水沙交换和冲淤过程对上述动态演变关系的影响，整体评价江湖关系演变的水生态效应及发展趋势；在对典型水生生态系统和湿地生态-水文相互作用模拟实验的基础上，揭示水生态过程对江湖关系演变的适应机制。（2）水环境效应评价 在进行水动力学条件改变对典型污染物迁移转化影响模拟实验的基础上，结合入江入湖污染负荷、水体水质历史原型观测和江湖关系演变对长江干流、湖泊、入湖河流尾闾河段水动力学特性的影响，评价江湖关系演变的水环境效应，揭示其多尺度叠加影响与累积效应，并就江湖关系演变对水环境影响的发展趋势进行预测；结合湖泊富营养化机理模拟实验和湖泊富营养化特征，评价江湖关系演变对湖泊水体富营养化及其风险的影响。

综合调控：（1）调控指标体系构建与调控阈值识别 结合长江中下游流域江湖关系演变的阶段性特征识别、驱动机制及区域综合发展的实践需求，合理确立长江中下游江湖关系调控目标；在此基础上，构建江湖关系多目标综合评价指标体系；结合江湖关系演变驱动机制、演变规律、生态与环境效应评价及多方案情景分析模拟，确立常态和应急情景下江湖关系调控阈值。（2）江湖关系调控机理识别 结合水的自然、社会、经济、生态、环境等基本属性和江湖关系演变的驱动机理，明晰长江中下游江湖关系多维均衡调控的目标、重点和途径，系统识别江湖关系的调控机理。（3）江湖关系多维均衡调控模型 结合长江中下游流域水沙过程演变特征、江湖间水沙冲淤变化及生态与环境效应，构建区域水沙合理配置模型；以长江上中游重大水利工程群、两湖流域水库群及控制性闸坝工程为主要调控对象，构建长短嵌套、常规/应急调度相结合、具有动态适应功能的江湖系统重大水利工程群多维均衡调控模型。（4）提出综合调控模式 通过多情景组合方案的集合模拟，提出长江中下游江湖关系调控模式及综合对策措施。

（三）创新点与特色

（1）以“自然-人工”二元水循环多过程间多向反馈作用为主线，系统剖析江湖关系驱动机制及演变规律，突出重大水利工程群对江湖关系演变的影响机制识别研究

本项目将以“自然-人工”二元水循环多过程间多向反馈作用为主线，构建江（河）湖关系演变的理论驱动模式；结合原型观测和模拟实验，系统识别江湖关系演变的驱动机制，解耦评价各驱动因子的贡献；结合不同发展阶段上江湖关系演变驱动因子及驱动机制变化，客观揭示长江中下游流域江湖关系的自然演变

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规律和重大水利工程群影响下的演变规律。本项目将突破传统自然“一元”驱动研究范式的约束，并克服“趋势外推”式演变规律揭示的不足。

（2）融合江湖关系演变驱动机制、演变规律及生态与环境效应，系统识别江湖关系多维均衡调控机理

本项目充分结合水的自然、社会、经济、生态与环境等多维属性，在遵循江湖关系自然演变规律、发展阶段特征及区域社会经济发展实践需求的基础上，科学客观确立江湖关系调控目标与调控阈值，对江湖关系进行多维均衡调控；并重点突出长江与洞庭湖、鄱阳湖之间的水沙蓄泄关系研究；以突破传统针对江湖关系演变的单一效应评价及单一目标调控模式。其中，在江湖关系演变效应评价中，将系统剖析多尺度影响机理与适应机制，并对区域生态完整性进行定量化评价。

（3）以原型观测、物理模型、数值模拟与现代地理信息技术为关键支撑，充分发挥大比例尺整体物理模型及多技术手段集合研究优势

在本项目中，将以长序列高密度原型观测、大比例尺整体物理模型、集合数值模拟和现代地理信息技术为关键支撑，通过多技术手段的相互校验，构建长江中下游流域江湖关系演变集合分析平台，对长江中下游江湖关系进行具有统一物理机制的多过程、多尺度、多模型的集合研究。其中，通过关键环节和局部区域水沙过程模拟，并结合数值模拟分析，对大比例尺整体物理模型进行优化。本项目将从整体上克服传统研究中采用“单一技术、单一过程”研究范式的不足。

（四）可行性分析

1、创新目标明确，研究方案先进可行

本项目面向国家区域水资源安全和江湖生态环境安全的重大战略需求，紧密围绕长江中下游江湖关系的健康发展和多维均衡调控的实践需求，集中研究长江流域宜昌至大通段中洞庭湖、鄱阳湖等湖泊与长江干流之间的动态演变规律。 本研究在系统识别江湖关系演变驱动机制的基础上，揭示江湖关系的自然演变规律以及自然和人类活动的营力作用下的演变规律，综合评价其所产生的生态与环境效应，并剖析其适应性机制，提出面向长江中下游和谐江湖关系的多维均衡调控阈值与模式。项目研究目标集中、明确，方案先进可行。

2、前期工作基础扎实，研究经验丰富

项目各承担单位在我国水循环、水沙、水生态、水环境等过程研究方面具有国内领先水平。项目承担单位近五年承担的与江湖关系相关的国家级和国际项目达37项，国家重大科技支撑计划22项，国家自然科学基金12项，国际合作项目5项。在上述项目的支撑下，申报团队创立了“自然-人工”二元水循环理论，

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并开发了相关模型；与此同时，在水沙过程、水生态过程与水环境过程基础理论与方法体系方面也取得了大量原创性成果。当前，正结合洞庭湖与鄱阳湖湖泊出口地区水利工程调节的可行性研究，初步开展了长江中下游江湖关系相关研究。

3、研究队伍结构合理，创新优势明显

项目组推荐的首席科学家长期从事水文水资源研究，主持过国家重大科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、国家社会公益研究专项、国家西部行动计划等重大国家规划多项，并作为海河973项目首席科学家，验收结论为“优秀”，具有主持重大国家项目的经验，以及丰富的项目管理组织能力和协调能力。项目联合水利部、教育部、农业部、中科院等系统在江湖关系研究方面的优势团队，组成了一支年龄与专业结构合理、具有创新潜质的申报团队；申报团队中包括中国工程院院士1人、国家/省部级创新团队6个；参加人员均承担过国家级重大科研项目，在理论与技术方面取得突出成绩，为项目取得巨大创新突破和研究的顺利开展提供了坚实保障。

4、工作条件优越，软硬件支撑较全

项目承担单位拥有水循环模拟、水沙模拟、水生态模拟和水环境模拟等方面的7个国家重点实验室，15个省部级重点实验室/工程技术中心；拥有高密度的水循环、水生态与水环境原型观测网络，其中研究区内的水循环站网包括1011个监测断面和486个气象站，水环境监测网络含有943个水质监测断面/点，水生态监测网络包括22个野外定位监测台站。需要指出的是，项目承担单位还拥有国际上规模最大、手段最先进的长江中下游大比例尺整体江湖物理模型。上述支撑条件为本项目的顺利开展提供了较为优越的工作条件和科学实验设备。同时，在前期相关工作中，申报团队系统开发了10余套适合中国国情、达到国际先进/领先水平的水循环、水沙、水生态、水环境模型，并积累了研究区的大量第一手资料（详见本申报书“七、现有工作基础和条件”部分）。

六、课题设置

结合项目三大科学问题和四个方面的研究内容，本项目拟设定6个课题，分别为长江中下游江湖关系驱动机制及自然演变规律、重大水利工程群对长江中下游江湖关系演变影响机理、长江中下游江湖系统物理与数学集成模拟及预测、长江中下游江湖关系演变的生态响应与适应机制、长江中下游江湖关系演变对河湖水环境影响机制与效应及长江中下游健康江湖关系多维均衡调控阈值与模式。其

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中课题一与课题二将深入剖析长江中下游江湖关系演变驱动机理，并分别围绕自然演变规律和重大水利工程对江湖关系的影响进行剖析；课题三为整个项目研究提供核心分析工具，并对江湖关系的发展趋势进行预测；课题四和课题五将重点围绕江湖关系演变的生态与环境效应进行评价；课题六是在前五个课题研究的基础上，剖析江湖关系调控机理，识别调控阈值，提出调控模式（图5）。

图5 课题设置及逻辑关系

课题一：长江中下游江湖关系驱动机制及自然演变规律

研究目标：识别长江中下游地区江湖关系演变不同阶段的主要驱动力及演变特征，揭示各种驱动力综合作用下长江中下游地区江湖关系演变的水流泥沙动力传导机制，明晰江湖关系自然演变规律。

研究内容：结合1860年以来长江中下游江湖关系演变过程，研究水文、气象、人类活动等对江湖关系演变的驱动作用及演变特征；揭示各种驱动力综合作用下长江中下游地区江湖关系演变的水流泥沙动力传导机制，评估各驱动因子对江湖关系演变的驱动贡献；以长江与洞庭湖关系和长江与鄱阳湖关系为重点，研究江湖相互作用关系，明晰江湖关系自然演变规律。本课题的主要研究内容与逻辑关系如图6所示。

长江与鄱阳湖关系及自然演变规律长江与洞庭湖关系及自然演变规律江湖关系演变整体驱动水流泥沙动力传导机制长江中下游江湖关系演变不同阶段主要驱动力演变特征 29

图6 课题一研究内容逻辑关系图

（1）长江中下游江湖关系演变不同阶段的主要驱动力及演变特征 以长江中下游干流河道沿程淤积特征时空变化研究为主线，结合水文、气象等原型观测数据及历史文献档案资料整编分析，研究1860年以来长江中下游江湖关系演变不同阶段的主要驱动力及演变特征，探索长江中下游江湖关系演变的驱动模式和机制，重点研究长江中下游江湖关系演变的自然规律和趋势。

（2）长江中下游江湖关系演变整体驱动水流泥沙动力传导机制

分析长江中下游大小湖泊与长江干流存在的各种水沙联系形式、相互影响程度和反馈关系，建立江湖关系识别方法和相应的识别指标，评价主要湖泊江湖多向反馈作用的关联度，识别长江中下游江湖关系演变与水流泥沙动力驱动机制，研究江湖关系演变整体驱动水流泥沙动力传导机制，并对各因子的驱动贡献进行评估。

（3）长江与鄱阳湖关系及自然演变规律

分析鄱阳湖与长江干流水沙相互影响关系，理清江湖关系变化特性，研究鄱阳湖与长江、五河（赣江、抚河、信江、饶河、修河）之间水沙相互作用与响应关系，揭示鄱阳湖与长江、五河共同演变关系机理与相应关系。

（4）长江与洞庭湖关系及自然演变规律

分析洞庭湖与长江干流水沙相互影响关系，重点研究荆江三口分流河道河网形成机理，分析不同演变阶段决定分流分沙量的主要控制因素，三口分流分沙随江湖关系共同演变机理和规律，研究河网形态最终演变方向等。

承担单位： 中国水利水电科学研究院 河海大学

长江水利委员会长江科学院 课题负责人：曹文洪

课题骨干：方春明，唐立模，秦大庸，范北林 经费比例：16%

课题二：重大水利工程对长江中下游江湖关系演变的影响机理

研究目标：结合长江上游干流、鄱阳湖和洞庭湖水利/水电工程群运行调度及区域水循环多过程演变对长江干流和“两湖”水沙过程的影响，识别重大水利工程群（主要包括大型水库和河道整治工程）对江湖关系的影响机制、程度及水利工程群对江湖关系的累积影响机理；识别长江流域综合规划中重大水利工程对

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江湖关系的影响机制及累积影响机理。

研究内容：长江中下游江湖水沙关系演变的关键问题研究可分为4个层

次：(1) 历史水利工程对江湖水沙演变及其对江湖关系的影响机理；（2）长江中下游干流、湖泊及尾闾水利工程的江湖水沙变化对江湖蓄泄能力及其防洪影响的机理研究（3）以三峡水库为中心的上游水库群的水沙调控对江湖水沙演变及其江湖关系的影响机理；(4) 江湖水沙演变短期、长期效应及其对江湖关系的影响。本课题的主要研究内容与逻辑关系如图7所示。

江湖水沙演变短期、长期效应及其对江湖关系的影响以三峡水库为中心的上游水库群的水沙调控对江湖水沙演变及其江湖关系的影响机理长江中下游干流及湖泊工程的江湖水沙变化对江湖蓄泄能力变化的机理研究历史水利工程对江湖水沙演变及其对江湖关系的影响机理 图7 课题二研究内容逻辑关系图

1、历史水利工程对江湖水沙演变及其对江湖关系的影响机理；

通过近60年来长江中下游水沙资料的集成分析和现有成果规律性认识的归纳和总结，并通过对有关单位大量不同时空尺度、不同技术途径、不同精度的已有成果进行梳理、归纳、综合，剥离湖泊围垦、下荆江裁弯和河道挖沙等对荆江河道冲刷、三口分流分沙、洞庭湖河网区泥沙冲淤以及湖泊泥沙淤积和鄱阳湖出口沙洲演变的影响，提取有关事实来判断自然变率和人类扰动的相对重要性，形成现状江湖关系的演变图像和规律性认识，提出识别影响江湖关系自然演变的指标体系，确定其量化方法。并以此作为重大水利工程群对江湖水沙演变及其江湖关系变化的研究基础。

2、长江中下游干流及湖泊工程的江湖水沙变化对江湖蓄泄能力变化的机理研究

通过已有成果的总结，并结合本项目课题一的研究结果，综合提炼出江湖中小尺度的水利工程对江湖水沙变化及其江湖关系中主要控制站的水位流量关系、主要河段蓄泄能力变化，采用数学模型定量预测江湖水利工程与江湖关系之间的互动关系，揭示江湖工程对江湖水沙变化趋势与江湖蓄泄能力变化的响应机理与影响程度。

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3、以三峡水库为中心的上游水库群的水沙调控对江湖水沙演变及其江湖关系的影响机理

为了定量研究江湖水沙变化对江湖水沙演变的影响，采用数学模型，进行长江上游干支流控制性水库的水沙调度、三峡水库泥沙淤积及其长江中下游水沙演变系统仿真，定量模拟荆江-荆江三口洪道-洞庭湖-城陵矶-汉口河道之间水沙的互动和鄱阳湖出口沙洲的演变趋势，进而明晰荆江河道冲刷-四口分流分沙衰减-四口分流洪道萎缩-洞庭湖淤积-城汉河段冲淤变化和鄱阳湖出口官州、张家洲沙洲演变对入江水道断面的影响及其对江湖水情影响的内在机理。

4、江湖水沙演变短期、长期效应及其对江湖关系的影响

在上述重大水利工程群对江湖水沙演变及其对江湖关系影响的研究基础上，进一步研究江湖水沙变化对江湖关系影响的短期、长期效应及机理。在量化江湖水沙关系长期演变的基础上，揭示江湖水沙短期、长期演变对江湖蓄泄能力变化内在机制，预测重大规划水利工程对江湖水沙演变的短期、长期变化趋势及对江湖蓄泄关系的变化趋势，实现江湖水沙演变对江湖关系超长期影响的定量认识。

承担单位： 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 清华大学

中国水利水电科学研究院 中国科学院水生生物研究所 课题负责人： 施勇

课题骨干：邵学军，栾震宇，黄跃飞，蔡庆华 经费比例：16%

课题三：长江中下游江湖系统物理与数学模型集成模拟及预测

研究目标：以物理模型、数学模型与现代地理信息技术为关键支撑，构建长江中下游江湖系统集成模拟平台；利用江湖集成模拟平台研究揭示江湖演变及其关系变化对水沙变化条件（重大水利工程群影响）下的响应过程及机理，阐明水沙变化条件（重大水利工程群影响）下江湖水文情势的变化，评价自然和人类活动对江湖关系演变的驱动贡献，预测江湖关系演变趋势。

研究内容：充分利用以往研究成果并挖掘基础资料与数据的信息，以物理模型、数学模型与现代地理信息技术为关键支撑，研究江湖系统集合模拟中的关键技术，构建长江中下游江湖系统模拟平台；通过资料与理论分析、数学模型计算、物理模型试验等手段综合研究长江中下游江湖冲淤演变及其关系特征，模拟江湖冲淤演变及其关系变化过程；研究重大水利工程群影响下长江中下游江湖水文情

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势、干流河道与湖泊冲淤演变的响应过程及机理，以及对长江中下游洪水演进过程的影响；研究自然与人类活动对江湖冲淤演变及其关系变化的影响权重与江湖关系变化趋势（图8）。

图8 课题三研究内容逻辑关系图

（1）长江中下游江湖系统集成模拟关键技术与平台建设

充分利用和挖掘基础资料与数据的信息，利用现代地理信息技术，搭建长江中下游江湖系统的总体框架，研究原型观测资料、物理模型与数学模型集成模拟过程中的关键技术，结合长江中下游江湖冲淤演变及其关系变化的成果、后台数学模型及物理模型试验成果，研究构建长江中下游江湖系统的模拟平台。

（2）水沙变化条件下长江中下游江湖关系演变的响应过程及机理

以构建的长江中下游江湖系统模拟平台为基础，利用水槽试验研究数学与物理模型模拟中的关键技术问题与相关参数的确定方法，完善数学模型与物理模型的模拟技术。考虑长江上游干支流大型水库群建设运用后的三峡水库出库水沙条件，运用率定与验证的数学模型与物理模型，研究长江中下游干流河道、洞庭湖与鄱阳湖冲淤演变过程及机理，以及江湖水沙蓄泄变化、荆江三口分流道冲淤演变与分流分沙变化趋势等。

（3）水沙变化条件下长江中下游江湖系统水文情势变化研究

运用数学模型与物理模型综合研究不同时期不同水文条件下长江中下游江湖水文情势的变化，包括常态与极端水文条件下的水文情势变化，重点是典型洪水与枯水过程水流演进过程，进而分析水文情势变化对防洪、航运、供水等方面所带来的影响。

（4）自然和人类活动对江湖关系演变的驱动贡献评价

在课题一与课题二以及长江中下游江湖关系演变过程及机理研究的基础上，

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综合研究自然与人类活动对江湖冲淤演变及其关系变化的影响权重，并评价自然和人类活动对江湖关系演变的驱动贡献。

（5）江湖关系变化趋势研究

重点从长江中下游干流河道、洞庭湖、鄱阳湖的冲淤演变，干流河势变化，荆江三口分流分沙变化、江湖水沙蓄泄变化及水文情势变化等方面研究江湖关系变化趋势，研究江湖关系变化对中下游典型洪水年洪水演进过程的影响。

承担单位：长江水利委员会长江科学院

中国水利水电科学研究院 中国科学院水生生物研究所

课题负责人： 卢金友

课题骨干：姚仕明，董耀华，王崇浩，倪乐意 经费比例： 18%

课题四：长江中下游江湖关系演变的生态响应与适应机制

研究目标：阐明江湖关系演变过程中干流和通江湖泊湿地生态系统演替驱动机制，揭示生态水文及江湖连通性变化对湿地生态系统结构和功能的影响及适应机制，特别是对江湖洄游鱼类、江豚、涉禽和湿地植被的影响和适应机制，评估江湖关系演变背景下生态系统健康状况，并预测生态系统的演变趋势。

研究内容：江湖关系演变过程中湿地生态系统演替驱动机制及主要生态问题识别；重大水利工程群及江湖关系演变对湿地生态系统结构、功能和生态系统服务的影响机制；重大水利工程群及江湖连通性变化对江湖洄游鱼类、江豚、涉禽和湿地植被多样性的影响和适应机制；江湖关系演变背景下湿地生态系统的健康评价及发展趋势预测。本课题的主要研究内容及逻辑关系见图9。

图9 课题四研究内容及逻辑关系

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（1）江湖关系演变过程中湿地生态系统演替驱动机制及生态问题识别 分析长江中下游湿地生态系统类型、面积、空间格局、湿地植被、重要涉禽及其生境的历史和现状，阐明江湖水文泥沙等条件的变化如何影响湿地生态系统的范围、时空格局、质量及演替，明晰江湖关系演变对湿地生态系统带来的主要问题及其发展趋势。

（2）重大水利工程群及江湖关系演变对湿地生态系统结构、功能和生态系统服务的影响机制

研究湿地生态系统的主要物质与能量供给特征；湿地生境异质性（水文情势、地貌景观、湿地类型）与生态系统食物网复杂性的关系；研究江湖关系变化对生态系统结构食物网稳定性影响，阐明湿地生态系统关键驱动条件。

研究重大水利工程群及江湖关系演变导致的水环境、生态水文特征及江湖连通性的变化对江湖营养物交流、湿地生物栖息条件、生物生产力以及重要生态过程的影响机理，评估对湿地生态系统服务功能的影响。

（3）重大水利工程群影响下的江湖关系变化对江湖洄游鱼类、江豚生活史的影响和适应机制

研究重大水利工程影响下的江湖关系变化、生态水文变化对江湖洄游性鱼类、江豚的繁育、摄食、江湖间、洄游、栖息条件等生活史阶段的影响和适应机制；研究大型水利工程影响下的江湖生物多样性保护策略。

（4）重大水利工程群及江湖连通性变化对湿地植被和涉禽多样性的影响和适应机制

研究重大水利工程群影响下典型湿地植被和涉禽多样性演化机制，包括大型重要涉禽多样性时空变化，湿地植被的演变序列及主要驱动因子；湿地植被和涉禽多样性与水文情势的互作效应；湿地植被和涉禽对水文情势变化的适应能力及多样性保护策略。

（5）江湖关系演变背景下湿地生态系统的健康评价及发展趋势预测 建立重大水利工程群及江湖关系演变背景下鄱阳湖、洞庭湖湿地生态系统（尤其是尾闾滨河湿地）健康评价的指标体系，评价江湖生态系统的健康状态，预测江湖关系变化对湿地生态系统的累积效应和滞后效应，为和谐江湖关系多维均衡调控提供基础。

承担单位： 中国水产科学研究院长江水产研究所 中国地质大学（武汉） 中国水利水电科学研究院

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中国科学院水生生物研究所 课题负责人： 危起伟

课题骨干： 葛继稳，倪朝辉，王丁，王雨春 经费比例：15%

课题五：长江中下游江湖关系演变对河湖水环境影响机制与效应

研究目标：阐明江湖关系演变与河湖水环境演化的耦合机制，揭示江湖关系演变对河湖环境关键过程与环境特性的影响，研究江湖关系演变对河湖水环境风险的影响。

研究内容：江湖关系演变对河湖水质演变过程多尺度影响的作用机制研究；江湖关系演变对河湖富营养化过程影响的作用机制研究；江湖关系演变对“两湖”水环境风险的影响研究；江湖关系演变对河湖水环境演变整体影响效应研究（图10）。

图10 课题五内容之间的逻辑关系图

（1）江湖关系演变对河湖水质演变过程多尺度影响的作用机制研究 采用资料分析、原位监测、物理模型试验、数值模拟计算等方法，研究长江干流（宜昌至大通江段，重点研究典型城市江段）与两湖在不同时段（洪水期与枯水期）以及在水利工程典型调度方式下，水文条件对典型污染物环境化学关键过程的影响规律；研究湖泊水质物理净化和生物化学净化的机制与制约因素，并分析水利工程水沙调蓄对水源地、保护区及其他敏感区水质达标和水安全的影响效应。

（2）江湖关系演变对河湖富营养化过程影响的作用机制研究

采用资料分析、原位或室内模拟、生态动力学模型等方法，研究长江干流与

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湖泊泥沙条件变化对氮、磷、硅等营养盐迁移、转化及生物活性的影响机制；研究重大水利工程运用对湖泊水文、透明度、营养盐循环、生态动力等耦合过程的影响效应，重点研究湖泊营养盐迁移-转化-吸收机理和模式；研究“两湖”富营养化的触发机制。

（3）江湖关系演变对“两湖”水环境风险的影响研究

动态耦合水动力、泥沙、水温和环境化学过程，阐明江湖关系演变对“两湖”水环境演化的多尺度叠加影响与累积效应，研究江湖关系演变对“两湖”水环境的影响机制、影响强度和影响范围，分析现有污染物分布格局内江湖关系演变导致的短期、长期水环境风险，预测江湖关系演变对“两湖”富营养化演变的短期、长期影响效应以及敏感区域的水华暴发风险的影响。

（4）江湖关系演变对河湖水环境演变整体影响效应研究

通过资料分析、过程反演、空间信息分析、数值模拟计算等方法，研究河湖水环境演变的基本规律和主要趋势，分析重大水利工程运用对河湖水环境格局及其演变过程的整体影响；研究不同流域自然要素和社会经济发展模式下入湖污染物组成、规模、时空格局、负荷的变化规律，重点辨识重大水利工程对河湖污染源类型、入湖污染物通量的影响效应；研究河湖水环境承载力变化，重点分析重大水利工程对河湖水环境容量及其时空特征的影响，以及对河湖水环境安全的主要影响效应。

承担单位： 武汉大学

中国水利水电科学研究院

水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 课题负责人：谈广鸣

课题骨干：夏军强，张万顺，肖伟华，陈炼钢 经费比例：15%

课题六：长江中下游健康江湖关系多维均衡调控阈值与模式

研究目标：识别江湖关系多维均衡调控机理，确立江湖关系和谐评价指标体系及调控阈值，构建长江流域水沙资源统一配置模型与方法，建立江湖系统重大水利工程群多维均衡调控模型，提出长江中下游和谐江湖关系调控模式及效应评价。

研究内容：本课题是在前5个课题研究的基础上，从水沙的资源、经济、社会、生态和环境等五维基本属性以及防洪、生态修复、供水、泥沙配置、环境保

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