水利工程背景下河流水華暴發成因分析及模擬研究

張 遠, 夏 瑞*, 張孟衡, 景朝霞, 趙 茜, 范俊韜

1.北京師范大學水科學研究院, 北京 100875 2.中國環境科學研究院流域水生態保護技術研究室, 北京 100012 3.中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 4.中國環境科學研究院國際合作中心, 北京 100012 5.武漢大學, 水資源與水利水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072

水利工程背景下河流水華暴發成因分析及模擬研究

張 遠1,2,3, 夏 瑞1,2,3*, 張孟衡4, 景朝霞5, 趙 茜1,2, 范俊韜1,2,3

1.北京師范大學水科學研究院, 北京 100875 2.中國環境科學研究院流域水生態保護技術研究室, 北京 100012 3.中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 4.中國環境科學研究院國際合作中心, 北京 100012 5.武漢大學, 水資源與水利水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072

研究發現，河流水華暴發的主要驅動因素除受過量營養鹽攝入、氣候變化導致的氣溫上升和降雨等限制外，水文情勢的影響尤為顯著. 在高強度人類活動影響下，水利工程開發導致的水文情勢改變是否為河流水華加劇的成因之一，是水與環境學科交叉研究亟待探索的一個重要應用基礎問題. 通過對近10年來國內外在水利工程背景下河流水華暴發成因研究進展的綜述，辨識了河流水華發生的“水循環-水環境-水生態”相互作用關系；對考慮水文變化的河流水華預測統計學模型、智能算法和水質水量耦合機理模型等進行了回顧和總結，并提出了基于水循環物理過程聯系的生物及生物地球化學過程、社會經濟用水與管理人文過程等與河流水華發生相互作用與反饋的水系統論研究體系. 當前我國水利工程調水影響區下的河流水華問題研究仍面臨著一些難點和挑戰：①過去關于水利工程調水對河流中下游水生態的影響研究多數是基于情景假設和規劃條件下的預斷，隨著近年來我國多個大型水利工程的正式實施運行，當前以實際工程調水為背景(如南水北調、引江濟漢工程等)開展水華模擬的研究成果仍然十分有限；②水利工程調水影響區下的河流水華發生機理尚不明確，當前多數藻類生長模型并沒有將流域水循環過程影響納入考慮因素，對河流生態水文過程作用機理與耦合及定量關系分析方面的研究相對匱乏；③現階段水利工程背景下的河流水華問題研究多停留在定性分析和宏觀定量階段，缺乏基于以水系統理論為導向的水生態系統與河流水文情勢共同作用機制的定量化研究.

水利工程; 河流; 變化環境; 水華; 成因分析; 水循環

水體富營養化已成為全球性重要的環境問題之一，對生態系統和人類健康帶來一系列不良影響[1- 2]. 水華是水體富營養化的極端情況，通常易于湖泊、水庫、水利工程上游回水區和下游流速較慢的干、支流暴發，一般來說國內外在大型流動水體中發生類似現象較為罕見[2- 4]；自20世紀七八十年代，在高強度人類活動的影響下，國外一些河流也開始發現水華現象，如澳大利亞的Hunter河和Murray河、韓國的Nakdong河、匈牙利的Danube河等接連發生類似于海洋赤潮的水華現象[5]，通常這些河流的水華以硅藻為主. 在我國，20世紀80年代后，由于人類活動、城市化和社會經濟的迅速發展，一些大型河流中下游水環境質量逐步趨于惡化，接連發生嚴重水華事件，引起社會和政府的重要關注. 近年來河流水華現象進一步加劇，在我國流動性較強的河流水體，如長江最大的支流漢江，三峽水庫支流香溪河、大寧河、神女溪、龍河等多條支流多次暴發了嚴重的水華現象[3]，其中漢江水華事件尤為嚴重. 據統計，自1992年漢江流域首次發現水華現象以來，至今已暴發了13次不同程度的水華事件，僅1998年一年的漢江水華事件就給武漢宗關水廠造成高達300多萬元的經濟損失[6]，供水水質惡化給沿河城市居民飲用水和生活帶來了諸多不便，嚴重威脅了人體健康. 在全球氣候變暖的背景下，上游水文情勢的改變有可能進一步加劇下游生態環境的惡化[4,7]，河流水環境污染和水生態問題日益突出，與人民群眾生活密切相關的水生態修復問題引起社會各界的強烈關注.

藻類水華是多種環境因子綜合作用的結果[8]，多數研究認為導致河湖水華暴發的因素包括：①過量的營養鹽(如水體中的氮、磷濃度)的攝入；②緩慢的水流條件；③適宜的水溫和光照[7- 10]. 通常情況下，河流本身的自凈能力和流動性使得適宜水華發生的“最佳”組合條件較難出現，然而在氣候變化和高強度人類活動的雙重影響下，上游大型水利工程調水的正式實施運行將可能導致中下游來水量減少，使河流中下游現有水文條件發生改變，從而間接減少了中下游干流的環境容量. 隨著河流沿岸人類排污的加劇，進一步導致由于藻類瘋長而引起的河流水華問題. 大型水利工程調水影響下，我國多個河流的中下游水環境和水生態安全將面臨嚴峻的挑戰[9- 10]. 研究變化環境下河流中下游水華發生的機理和水利工程調控將成為當前國內外氣候變化與水環境交叉學科面臨的重要問題，也是我國水利工程維系河流中下游生態環境可持續性水資源管理面對的重要應用問題. 該文綜述了近年來國內外河流水華成因的研究現狀、發展動態和模擬方法等內容，展望了未來發展趨勢和關鍵科學問題，以期為水利工程背景下河流水華的預防和治理提供參考.

1 國內外研究現狀及發展動態分析

1.1 河流水華發生的影響因素

近年來，隨著全球河流水華問題日趨嚴重，國內外學者在河流水華成因及作用機理上開展了一些研究. 對于湖泊水庫等水體，由于其緩慢的水流交換，加上氮、磷營養鹽，生化需氧量和微量元素濃度過量的攝入，是導致水體發生水華現象最重要的物質基礎和基本條件[11]；然而，由于河流的水文環境和區域特殊性，水體中營養鹽與藻類生長關系和機理更為復雜，河流水華的發生除營養鹽限制外，還受到水文情勢的影響[7]. 不同類型的藻類受河流環境改變和其他要素的影響，其生長條件也不盡相同；在大型河流下游地區，濁度可能降低浮游植物的生產力；而在小型河道，浮游植物的生長受河段特征和水文條件影響更為顯著[12]. Sterner等[13]通過對加拿大東部安大略(Ontario)境內的31條河流研究發現，當河流水流穩定時藻類葉綠素a濃度與水體磷含量之間呈正相關；Junga等[14]研究韓國漢江河流下游硅藻水華的環境影響因素發現，富營養化河流中硅藻生長主要受水溫以及硅酸鹽含量的限制，當水溫(5～10 ℃)較低時硅藻含量達到峰值，導致水體中硅酸濃度降低，而其他營養鹽保持在富營養化水平；而Kiss等[15- 17]通過分析匈牙利Danube河以及澳大利亞Kennet河水華事件發現，水體中的氮、磷等營養鹽與藻類的葉綠素a濃度關系并不唯一，在不同水文情勢下呈現出不同的相關特性；吳光應等[18]通過對三峽第一大支流大寧河水華暴發期間的氮、磷營養鹽等指標進行相關性分析顯示，河流水華暴發期間的葉綠素a與水體中的氮、磷含量呈正相關，而總磷是其水華暴發的主要限制因子. 總的來說，營養鹽是河流藻類生長甚至暴發水華的重要驅動力和營養源，但并不是藻類生長的唯一限制因子，尤其是在重度富營養化河流中水動力學條件對水華的發生起著至關重要的作用[19]；然而，由于河流水文環境的復雜性，截至目前河流水華發生過程中營養鹽的限制作用和機理關系尚無明確的量化研究[20].

河流與湖泊最顯著的差別在于水動力條件，河流的流速、流量等水動力條件通過直接和間接作用影響藻類的生長、發展及空間分布[21]. 相關研究表明，不同于湖泊水華，河流流動性較強，水華暴發時的河流水文狀況、水溫和降水等物理因素往往比營養鹽水平等更為重要[22]；王建慧[23]通過室內試驗模擬了不同流速條件下的藻類生長影響試驗，結果表明，在北京以藍藻為主要優勢藻種的地區，當水體流速在0.7 ms以下時藻類生長不會受到抑制，根據研究結果在北京筒子河上安裝推流器來暴氣充氧，攪動水體以增加流速，對抑制藻類的生長以及水華的暴發起到了重要作用；Fornarelli等[24]通過長序列數據觀測，論證了硅藻細胞數量與上游水庫調水呈顯著相關.等[25- 26]在Pampean河及Darling河的研究發現，緩慢的水體流動可以促進懸浮藻類的生長，但過快的水體流動則會通過抑制藻類的生長有效阻止水華的形成，即影響水華發生的水文條件有一個區間閾值；LONG等[27]的研究認為，0.04 ms是浮游藻類的最適宜生長流速，Mitrovic等[26,28- 29]采用不同的研究手段驗證了不同藻類生長的最適宜流速各不相同；cs等[30]在歐洲Danube河的研究結果表明流量對水華的影響顯著，并指出硅藻生長的適宜流量區間為100～400 m3s；盧大遠等[31]研究了1992年春季在漢江下游暴發的水華事件的特征、成因等發現，除水中氮、磷補給因素外，水溫、pH、溶解氧等物理參數以及河道的流量、流速等水文參數都是水華暴發的重要影響因素，作者同時選取上述幾個參數作為水華指示因子，并提出了相應的警戒值，其中流量最大值為500 m3s，流速應小于0.8 ms；Simon等[32]在澳大利亞Hunter河4 a的水華研究發現，當同時滿足水溫超過23 ℃、流量低于400 m3d時，以梅尼小環藻(Cyclotellameneghiniana)和菱形藻屬(Nitzschiasp.)為優勢藻類的水華事件持續時間超過12 d，冗余分析結果表明，水溫與兩種藻類生物量正相關，與流量呈負相關. 因此，除了必要的營養條件外，河流的水動力條件也是導致河流水華的重要因素，控制水動力條件也是控制水華暴發的有效途徑.

1.2 大型水利工程對水華發生的影響

當今全球水利工程建設的高速發展無疑是人類文明的重大進步，尤其最近幾十年是我國水利大發展時期，三峽工程、南水北調工程等重大水利工程相繼建成運行，對國家社會經濟和人民群眾生活帶來了巨大效益和便利；但與此同時，水利工程的實施也不同程度地改變了其中下游流域和河道固有的生態格局，尤其是大型水利工程的建立對流動性河流中浮游植物的生長豐富度和群落結構影響較為顯著[47]. 水利工程調水對河流水華的影響主要體現在水質和水文格局兩個方面：①人類活動干擾，包括工業城鎮污水的排放以及農業污水的匯入等；②水利工程的實施和建設可能改變下游河流原有的自然形態，在河流創建了較大的“死水區”，形成類似湖泊和水庫的水體特征，從而導致河流水體自凈能力減弱[44,48- 50]. 近年來在大型水利工程背景下，國內外專家學者圍繞大尺度流域水生態問題也開展了一些相關研究工作，Jeong等[51]通過研究發現，韓國洛東江上游大壩泄水量和降水量與韓式冠盤藻(Stephanodiscushantzschii)和銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)在水體中的滯留時間顯著相關，Kim等[52]在后續研究中也證實了該現象；Lee等[53]通過 FLOW- 3D 水動力模型識別了韓國松島市人造海水運河水力特性對河流藻類生長的影響，結果表明，水華暴發的位置受滯水面積和垂向流速的影響；ZENG等[54]為探索三峽大壩對水生生態系統的影響，分析了三峽水庫的浮游植物組成、豐富度以及水華藻類的時間分布，并分別研究了水庫支流香溪河及水庫主河道在旱季和雨季期間水體中葉綠素a與溶解性營養鹽之間的相關關系，結果表明，雨季香溪河浮游植物含量與N、P、Si含量顯著負相關；鄧春光[55]研究發現，在三峽水利工程的影響下，三峽水庫支流大寧河自2003年開始發生水華，并鑒定了優勢藻類為微囊藻和小球藻；陳求穩[56]研究了水電開發工程對生態環境效應的影響，闡述了人類活動背景下水動力對水生態系統的作用機制以及水生態健康的水利調控技術；竇明等[6]概述了漢江20世紀90年代以來發生的三次水華現象，從水質條件、氣溫、水文情勢三個方面定性分析了南水北調中線工程調水對漢江水華發生的影響；李斌等[57]以長江三峽庫區湖北段水華暴發為例，研究了長江三峽庫區湖北段各支流水華發生情況，對水利工程影響區的水華發生的初步成因進行了探討，并提出了相應的對策和建議；劉德富等[58]研究發現，三峽水庫蓄水后，在干支流溫度差以及水體密度差的作用下，大寧河、香溪河等支流庫灣出現了分層異重流，改變了三峽水庫支流庫灣的水動力條件，導致季節性水華暴發現象；王玲玲等[59]通過采用數值模擬方法預測了三峽水庫香溪河庫灣水動力過程，模擬了水庫不同調度方式下的庫灣葉綠素a濃度變化；龍天渝等[60]通過對嘉陵江重慶主城區的水華現狀研究發現，研究區域藻類質量的凈增長量與嘉陵江上游大壩來水和下泄流量有關，流量較大時河段藻類的生長受到抑制；張家玉等[61]研究模擬得出，當南水北調中線調水145×108m3時，漢江中下游干流的水環境容量損失率為32.37%；王紅萍等[62]探討了漢江水華水文因素作用機理，通過應用基于藻類生長動力學模型研究，得出影響漢江水華的水文因素包括流量、流速和水面比降，初步識別了水文情勢與河流水華的影響；謝平等[63- 64]根據漢江水華發生的成因和關鍵因子的分析結果，應用水動力學模型對漢江水華發生的概率進行了定性分析，模擬了不同調水方案對漢江水華發生的概率，指出了南水北調中線工程對水華的影響主要體現在水文因子上；殷大聰等[65]對漢江水華硅藻生物學特性進行了初步分析，從水流速度、光照強度和水體溫度三個方面研究了水華硅藻的生物學特性，初步闡明了漢江水華的主要驅動因子；高洪生[66]以福建省九龍江北溪流域梯級電站建設后形成的電站庫區為研究對象，通過采樣調查分析評價研究區域水體的營養狀態，分析氮、磷等營養物質與葉綠素a含量的關系，指出水體中的理化指標與浮游植物組成和數量變化之間的顯著關系，為解決湖庫水體富營養化問題提供依據.

綜上所述，河流水華受多種影響因素的共同作用并互相發生改變，是一個復雜的多關聯高階影響問題. 大型水利工程建設和實施影響背景下，上游工程蓄水、調水將可能引發下游不同程度的水文情勢變化，從而改變河段徑流過程，直接影響到水體降解系數、自凈能力、底泥吸附能力的變化；而降雨、蒸發量控制著地表徑流量，影響著洪澇干旱的發生頻率和量級，進而影響水體內污染物和營養鹽的遷移轉化過程；氣溫變化直接控制水體中水溫、生態條件的變化，也影響水體的化學和生物特性，以上綜合導致的水環境指標變化將進一步影響河流中藻類的分布和生長，加上人類排污產生的污染負荷，進一步增加河流水生態環境退化風險. 水利工程背景下的“水文-水環境-水生態”作用關系見圖1.

圖1 水利工程背景下的“水循環-水環境-水生態”作用關系Fig.1 Relationship among ‘water cycle-water environment-water ecosystem’under background of water project

1.3 對河流水華發生的模擬與預測

人們早期對水體富營養化的研究區域多為湖泊和水庫，并形成了大量較為成熟的富營養化機理模型. 然而，近年來河流水華問題的顯現使得國內外學者嘗試針對河流水華問題引入一些新的預測方法，并提出了適用于河流富營養化問題研究的水華模擬及預測模型，其主要包括基于數據驅動的參數模型和基于水量水質耦合的水華機理模型. 由于河流水華問題成因復雜，各影響因子間相互作用的內部機制尚不明確，因此多數研究是基于大量監測數據的黑箱參數模型，這類模型從技術上可分為基于統計學原理的數學參數模型和基于計算機技術的智能算法兩大類. 如回歸模型被廣泛應用于藻類動力學模擬，Pinckney等[67]采用主成分分析識別浮游藻類含量與環境變量之間的關系，并在美國卡羅萊納州北部的富營養化河流——Neuse河建立了回歸模型模擬藻類濃度以及浮游植物生長的時空分布規律，結果表明，控制河流富營養化的措施重點應放在水華剛開始暴發的河段，而非在河口地區；Biggs等[68- 70]均曾利用回歸模型進行藻類模擬及分析；王利利[71]采取嘉陵江水樣進行室內模擬實驗，分析流速、水溫、營養鹽等因素對藻類葉綠素a濃度的影響規律，并依據灰色關聯度分析結果建立了灰關聯定權組合藻類生長數學模型；WANG等[72]從水動力和營養鹽角度討論了三峽庫區大寧河的藻類濃度與水質和水動力因素間的相關關系，闡明了河流型硅藻水華在不同環境下的生理特征，并應用多元線性回歸模型中主成分得分建立了主成分回歸模型，結果表明，該模型可用于大寧河藻類水華模擬和預測；Scharfe等[73]利用德國Elber河下游1997—2001年實測日尺度的藻類葉綠素a濃度以及流量、總輻射、水溫、硅酸鹽，建立了拉格朗日模型，結果表明，盡管模型缺乏機理研究，但模擬結果與實測值吻合度較高；ZHAO等[74]應用拉格朗日法提出了一種類比模型預測短期藻類濃度，通過確定氣溫、硅酸鹽、光照強度、葉綠素a濃度等為影響因素的權重和模擬系數，預測了3 d的日尺度葉綠素a濃度，其他結果表明該多因素類比的方法對Elber河其他站點也同樣適用.

總的來說，一般統計學模型在處理河流水庫等復雜非線性生態系統特征變量時效果并不理想，一些學者引入了計算機智能算法來增加對復雜系統的了解. 如Maier等[75]通過應用BP神經網絡方法，識別了澳大利亞Murray河水華暴發時藻類的生物量高峰；HOU等[76]通過建立RBF神經網絡對澳大利亞Darling河藍藻水華發生進行了研究，結果表明流量是影響水華暴發的關鍵因子；任宏洋等[77]通過建立三峽水庫水華BP神經網絡預測模型，較好地預測了2005年三峽庫區河流的富營養化趨勢；劉載文等[78]利用改進型的BP網絡，分析了河流水體中葉綠素含量、磷、氮磷比、電導率和水溫等5個環境變量之間的關系，構建了北京市長河水系短期水華預報模擬系統；Kim等[79]采用時間序列優選遺傳算法(TSOGP)來預測河流藻類數量，根據韓國洛東江大壩下游河流水文及理化指標，建立了河流硅藻水華模型；Sivapragasam等[80]基于GP算法建立數學模型預測了香港吐露港的水質和藻類濃度；Kim等[81]首次將集合卡爾曼濾波(EnKF)數據分析技術引入河流水華預測模型，以韓國漢江為例，采用EnKF同化水質變量，利用水文模型HSPF和河道流體動力模型EFDC建立河道水華預測模型，結果表明，數據同化可以明顯提高模型效率，均方根誤差(RMSE)和平均連續概率等級評分(CPRS)均大幅降低；易仲強[82]分別利用人工神經網絡(ANN)和支持向量機(SVM)原理建立了三峽水庫支流香溪河庫灣的富營養預測模型，為三峽支流回水區水華的預防和控制提供了依據；YANG等[83]為抑制漢江中下游硅藻水華，基于環境因素建立水華藻類種類組成的廣義相加模型(GAM)，并根據該模型預測結果提出了一種新的水庫沖刷策略；姚建玉[84]將復雜網絡理論引入水華研究中，以三峽庫區支流香溪河為例建立了水華暴發數值模型，開辟了水華暴發機制研究的新方向.

此外，近年來一些研究人員也嘗試建立了基于水量水質耦合的水華機理模型預測藻類生長，主要是根據水體中水質和水量狀態，考慮各影響因素對藻類生長過程的作用機理，建立具有一定物理意義的河流藻類生長動力學模型. 如Whitehead等[85]基于浮游植物生長動力及過程，在英國Thames河建立了基于過程的多目標浮游植物種群預測模型，模擬結果與實測值擬合度較高；Kim等[86]利用HSPF模型模擬流域水質，以及EFDC模型模擬了河道水動力過程和水質過程，并集合卡爾曼濾波(EnKF)進行數據同化，三者結合建立了一個同時考慮流域和河道的二維藻類預測模型框架，并應用在朝鮮半島西南地區的Youngsan河流域；Bussi等[87]基于藻類生長動力學在英國泰晤士河建立了新的多目標浮游藻類預測模型，同時預測幾種藻類含量；王紅萍等[62]引入連續生物反應器原理，將Monod方程應用到藻類生長過程，建立了藻類濃度與水流函數之間的數學模型；LI等[88]構建了包含河流水動力影響、營養鹽、藻類生態等綜合因素的香溪河庫灣三維非結構化富營養化模型，模擬了藻類生物量的季節變化；諸葛亦斯等[89]應用WASP模型模擬了香溪河庫灣的水華變化過程，初步識別了河流水華發生成因；WANG等[90]通過應用FDC模型研究了藻類與營養關系的非線性動力學過程，識別了香溪河兩種典型微囊藻生長速率的變化過程，模擬了河道內藻類總體變化趨勢和峰值；夏軍等[91- 92]通過應用綜合水質生態模型WASP4，構建了適用于漢江水華問題的河流水動力學預測模型；龍天渝等[93]為研究水動力條件對藻類生長繁殖的影響，在重慶主城段構建了二維非穩態藻類生長動力學模型，通過提出新的流速影響函數改進了藻類生長率計算公式.

2 當前研究難點和未來研究方向

2.1 當前研究難點

總體來看，在變化環境下(包括人為影響和自然氣候變化雙重影響下)的水生態問題尤其是在河流水華暴發的問題研究上，近年來中外學者已經做了一些相關研究工作，包括在大型流域的長序列大尺度氣候變化背景下河流水華暴發的趨勢分析、大型水利工程對水華的影響以及營養鹽負荷對水華的影響等多個方面均有涉及. 然而，國外資源環境和人口壓力沒有中國所面臨的那樣嚴峻，國外水利建設和水利工程規模也遠沒有中國南水北調工程和三峽工程巨大，其影響的尺度、后果與對策應用基礎研究相對較少. 在不斷變化的環境下，當前我國水利工程調水影響下的河流水華研究仍面臨著一些新的問題與挑戰.

a) 過去關于水利工程對下游水生態的影響研究多是基于情景假設和規劃條件下的預斷，當前以實際工程調水為背景開展水華模擬的研究成果仍然十分有限. 然而隨著近年來我國大型水利工程(如南水北調、三峽工程等)相繼正式投入實施，其影響區中下游河段實際水文情況勢必與預期有明顯差別.

b) 大型水利工程調水影響下的河流水華發生機理尚不明確，多數藻類生長機理模型并沒有將流域水循環過程影響納入考慮范圍；尤其是河流水華模擬及預測方法，受研究區域環境影響因素復雜性和水生態數據等限制，多是基于數據驅動的參數模型方法，或是基于水質水生態耦合的水生態動力學模型，對河流生態水文過程作用機理與耦合及定量關系分析方面的研究相對匱乏.

c) 多數大型水利工程影響下的河流水華問題研究多是針對河流水文情勢變化對藻類生長的單項影響研究，往往對于復雜變化環境下的河流水華暴發模擬與預測效果不佳；缺乏考慮以水系統論為導向，關聯河流水華發生條件中的水動力過程(水量變化)、生物地球化學過程(氣候、水質與水生態變化)和人文過程(水利工程、用水、排污)等多要素相互作用與反饋的綜合體系.

2.2 未來研究方向

變化環境下的河流水生態影響關系問題是當前水科學研究的核心和國際前沿[94]. 國際水文科學協會(IAHS)未來十年的水文科學計劃(PantaRhei，2013—2022)將重點探索高強度人類活動影響下的社會水文學問題；未來地球科學計劃(Future Earth，2015—2024)強調自然科學與社會科學深度交叉. 在國際水科學領域，未來的發展方向也從傳統的工程水文和環境水文，逐步擴展到生態水文及將水文、水環境、水生態與社會經濟發展密切耦合、聯系的水系統科學(Water System Sciences)研究，如全球水系統(GWSP)、流域水系統(IGC)等. 在區域社會經濟發展聯系的高強度人類活動和全球氣候變化雙重影響背景下，實際流域水循環過程已不完全是純自然的降水-徑流-蒸發以及地表水、地下水的轉化過程，而是與水循環過程中伴隨的坡面、河流、湖泊(水庫)多個環節的物質遷移轉化(水環境)過程密切聯系，與區域經濟社會發展中河流開發、水體調蓄和各行業部門取用水、跨流域調水以及農業、生態耗用水過程和水管理政策的制約與作用緊密相聯[94]. 隨著全球變化和流域、社會經濟的發展，水利工程影響下的河流水華問題更加復雜，不同于一般的湖庫富營養化問題，其不僅與水循環物理過程(水量及水沙變化)有關，而且與水循環聯系的生物及生物地球化學過程(水質與水生態)和社會經濟用水與管理人文過程直接聯系；當前，研究如何以水循環為紐帶，構建由人類經濟社會發展和流域的三大過程相互作用的多尺度、多過程和多要素相關聯與反饋的水系統體系(見圖2)，將是未來解決河流水華問題研究的重點和發展趨勢. 如何以單一的河流生態水文過程為主要研究對象，通過建立流域水利工程背景下的多要素耦合河流水系統模型，重點研究人類活動情景下“水文-水質-水生態”三者之間的相互作用機制, 進而科學地分析水利工程調水對水華發生的潛在影響，提出有效應對水華發生的管理對策和水利優化調度，仍是當前水文學研究領域亟待解決的重點和難點問題.

圖2 基于水循環為紐帶的河流水系統體系Fig.2 Water systems approach based on water cycle

3 結論與展望

在大型水利工程影響區開展與水系統相關聯的河流水華暴發的綜合模擬研究與歸因分析，不僅是優化大型水利工程調度和適應性措施的重要需求，也是落實我國生態文明建設水與生態學交叉研究的重要科學前沿問題. 以水循環為紐帶聯系的三大過程及其構成的流域水系統調控問題的基礎與應用基礎研究，是破解我國復雜水環境和水生態問題的國家重大需求的關鍵與核心. 因此，在研究該問題的技術路線上，需要重點抓住:

a) 研究變化環境下的水文變化、人類活動導致的營養鹽負荷變化、工程調水導致河流徑流變化所引起的水華問題的“檢測”、“作用”與“歸因”分析三個互聯的關鍵科學問題；針對研究區域氣候因子、水文過程、葉綠素濃度、藻類密度、水庫下泄流量、不同水質指標濃度變化、污染負荷等同步檢測數據進行關聯分析，以及藻類水華的主要營養源來源、種類及分布，污染負荷主要來源和變化，河流水文條件與水華的相關性分析，以及分析可能引起的各種次生問題，水華與河段、空間分布等關鍵要素敏感性綜合識別，辨識水文情勢變化和水生態變化二者之間的作用關系和主要影響因素，檢測評價河流水華問題成因.

b) 開展從檢測、評價、水系統模型研究和歸因分析的科學研究方案，將水系統理論方法和水文物理方法相結合，識別水利工程背景下河流水華暴發的關鍵因素和驅動機制. 通過構建水文水生態系統耦合模型，以水文循環為紐帶，建立能反映水文條件變化、河道污染物來源辨識、藻類生長-死亡作用機理過程相互作用的“水循環-水質-水生態”水系統體系. 綜合分析研究河流水文情勢變化、河道水質變化以及藻類生長過程之間的關系，并定量分析各要素對河流水華發生的貢獻.

c) 探索工程調水對其中下游河流水華發生的影響規律，從而為優化水利調度和水科學管理提供科學技術支撐. 基于研發的定量描述復雜系統互動關系的水系統耦合模型，圍繞工程調水導致的水文情勢變化，營養鹽負荷如何導致水華發生及其各自作用與貢獻機理的關鍵科學問題，在分離污染負荷和人類活動對河流水華的影響與貢獻的基礎上，開展不同情境下工程調水對河流水華發生頻率與強度的增益作用評估，提出應對變化環境影響下減低水華風險的水管理對策. 通過設計未來不同調水規模情景，對河流水華發生概率進行情景分析和模擬，開展不同情境下工程調水對河流水華發生頻率與強度的增益作用評估，提出應對變化環境影響下減低水華風險的水管理對策.

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Research Progress on Cause Analysis and Modeling of River Algal Blooms under Background of Mega Water Projects

ZHANG Yuan2,3, XIA Rui1,2,3*, ZHANG Mengheng4, JING Zhaoxia5, ZHAO Qian1,2, FAN Juntao1,2,3

1.College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2.Laboratory of Riverine Ecological Conservation and Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 4.International Cooperation Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 5.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Besides excessive input of nutrients, temperature increase and rainfall, change of hydrological regime is regarded as a key driving factor that may cause river algal blooms. However, there is a considerable uncertainty on whether the change of hydrological regime caused by water projects aggravates water blooms in the downstream of river systems. This review collects the existing international and domestic literature from the last ten years in regards to river algal blooms under the background of mega water projects, proposes a relationship among ‘hydrology-water quality-water ecology’, and proposes future research directions on river water blooms under the impact of water projects. The present study is expected to give theoretical support to address sustainability strategies on regulation of water resources projects. There are still some difficulties and challenges in dealing with river algal blooms under impacts of water projects: (1) The previous researches are mainly based on planned conditions of water transfer projects, so river algal bloom simulations in the actual water transfer conditions are still very limited. (2) The mechanisms of river algal blooms are still not clear, so most current algae models have not considered the effect of water cycle. (3) Most researches on river algae are basically only at qualitative stage; there is lack of quantitative analysis between water ecosystem and water cycle according to water system theory.

water project; river; changing environment; algal bloom; cause analysis; water cycle

2017-03-31

2017-05-18

國家自然科學基金項目(41571050)

張遠(1970-)，男，遼寧沈陽人，研究員，博士，主要從事河流生態學、流域生態保護技術研究，zhangyuan@craes.org.cn.

*責任作者，夏瑞(1982-)，男，湖北武漢人，助理研究員，博士研究生，主要從事流域水文水生態研究，xiarui@craes.org.cn

X522

1001- 6929(2017)08- 1163- 11

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.59

張遠,夏瑞,張孟衡,等.水利工程背景下河流水華暴發成因分析及模擬研究[J].環境科學研究,2017,30(8):1163- 1173.

ZHANG Yuan,XIA Rui,ZHANG Mengheng,etal.Research progress on cause analysis and modeling of river algal blooms under background of mega water projects [J].Research of Environmental Sciences,2017,30(8):1163- 1173.