水库型流域水质安全评估与预警技术研究

1 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 科学需求分析 1. 探索水库水环境安全问题是国际热点研究领域 水库是人类为创造蓄水条件而在河道上建坝或堤堰而建造的人工水体，是一种在人类干扰下的生态系统类型。虽然水库的水文现象与天然湖泊较为相似，但其发展和生态系统的演替受人类塑造的严重影响，因而具有独特的水动力学特征和季节调节方式，与河流、湖泊等类型水体的生态系统特征仍有很大差异（Straskraba et al.，1993）。 2008年，Science刊登文章，认为“大型筑坝蓄水工程可能对流域生态过程产生深远影响”，并“孕育着极其重要的科学问题”。国内相关学者在21世纪也开始将水库视为一类独立而特殊的生态系统，关注其特征、演变规律和管理手段（王丽婧和郑丙辉，2010；林秋奇和韩博平，2001）。事实上，大型水库形成与演化的时间异质性和水库水动力条件的空间异质性，使得传统湖沼学理论无法适应于水库生态系统研究，更使得如何认识、判断和保障水库型流域水环境安全问题成为一大挑战。与此同时，水库湖沼学（reservoir limnology）在20世纪90年代应运而生，近年来其相关研究成果增长极为迅速，水库生态系统相关理论及实践探索成为国际研究热点领域之一，而在我国，围绕三峡水库等大型水库水环境安全的相关研究更是研究的热点。 2. 保障水库水环境安全是国家和区域持续发展的战略需求 我国水资源时空分布不均匀，水库众多，总库容在20×108m3以上的水库有40多个。大型水库供水及水库建设带来的养殖、防洪、航运、发电等功能在国民经济发展中具有重要作用。然而，自20世纪70年代以来，随着我国社会经济的迅速发展，水库水体长期处于人类高强度开发利用的胁迫与压力之下。据统计，我国57.7%的国控重点湖（库）已经是Ⅳ～劣Ⅴ类水质，53.8%的国控重点湖（库）已经富营养化。水库水环境遭受了不同程度的污染与破坏，水生态服务功能受到了不同程度的损害，水生态灾害时有发生，流域持续发展的需求难以维系，流域水环境安全形势不容乐观。 3. 现有成果支撑不足，水库水质安全评估和预警技术研发需求迫切 针对水环境安全的严峻形势，我国水环境保护工作从“水环境常规管理”向“水环境风险管理”转变。水环境安全评估与预警正是水环境风险管理的重要环节，其具有先觉性、预见性，能够为流域持续发展提供科技支撑。“十一五”期间依托国家水专项，虽然开展了水环境监控预警方面的大量实践探索，但大多数成果都集中在“突发性风险”方面，而非“累积性风险”方面，部分成果也无法有效适用于“水库”这一特殊的人工干扰水体，整体上，水库型流域风险防范和预警能力仍然薄弱，水库型流域水质安全评估与预警技术的研发需求迫切。因此，着眼于水库型水体生态系统特征，深入开展水库型流域水质安全评估与预警研究十分重要和必要。 4. 示范区“三峡水库”广受关注且具代表性，水库生态系统演变趋势尚不明晰，开展水质安全评估与预警是水库保护的实际需求 三峡水库是我国的特大型水库，总库容393×108 m3，具有防洪、发电、航运等多项功能，综合效益显著。2003年三峡水库蓄水运行后，水库与原来的河流相比在水动力学特征上发生明显的变化。调查显示，蓄水运行以来，干流水体水质保持稳定；支流受水动力条件变化的影响，水质有所恶化，富营养化及水华问题突出（2003～2009年三峡库区“水华”共发生80余次）；水库水生态安全总体处于“一般安全”状态，但社会经济发展对流域生态系统已然产生直接干扰（中国环境科学研究院，2009）。由于三峡水库成库时间短，生态系统尚不稳定，需要对此类大型新生型水库实施以“预防”为主的水环境风险管理，充分保障水库水利工程的可持续利用与流域可持续发展（中国环境科学研究院，2010）。对此，以三峡水库为典型区，深入开展水质安全评估与预警技术的探索和实践，不仅在技术层面具有代表性和示范性，更在实际需求层面具有重要的现实意义和应用价值。 1.1.2 主要科学问题 目前，我国流域水环境风险管理支撑技术体系的研发尚处于起步阶段，流域水质安全评估和预警工作尚无成熟经验可以借鉴。水库水生态系统的复杂性、人工干扰等特征，更给这项研究增添了难度。对人工调蓄的大型河流型水库而言，如何从流域大尺度角度评估水质安全，并对流域开发等压力对水质的影响作出预测、预警等，都有待深入分析和科学解答。 1. 如何识别水库型流域水质安全保障的压力源 无论是流域水质安全评估还是预警，均有其所要保护的受体、所要防范的源（即压力源或风险源）。然而，由于水生态系统的类型或者技术适应的对象不同，如湖泊、水库、河流、河口等不同水域，其所关注和识别的压力源、所有待建立的压力源分析方法也有差异。前面已述及，水库生态系统具有其特殊性。那么，对于常态条件下的累积性水环境风险，水库需要关注哪几种压力源？水库受到的人工干扰压力是否需要突出体现？面向水库这类水体，不同的压力源需要侧重和关注哪些影响？对不同的压力源而言，如何去选择合适的评估终点和指标，构建定量的分析方法，从而定量化地识别和评估这些压力？ 2. 如何科学评估水库型流域的水质安全 以水库的水环境质量为受体，水库水质的稳定和改善是水质安全评估与预警的终极目标。对于大型水库这类以过境水为主体、高坝、深水的水体，如何选择目标水体/敏感对象？如何筛选其水质指标？大型水库干流、支流水体生境差异较大，评估和判定的标准、风险或预警的级别如何划分？为适应不同尺度的管理决策需求（长期/短期，单项/综合），如何建立科学有效的方法，以判定水库水质安全的状态？ 3. 如何有效实现水库型流域水质安全的预测、预警 一般而言，实现定量化的水质预测、预警均需借助数学模型等方法。但数学模型也有多种选择、应用和集成方式。对于累积性水环境风险，水库型流域水质安全预警到底选择哪些模型来实施？面向诸多压力源，在水库人为调度的背景下，模型如何构建和考虑，才能有效实现社会经济-土地利用-负荷排放-水动力水质的模拟？模拟系统的时效性、准确性、可靠性如何控制？面向实际应用的过程中，不同时间尺度的管理决策需求，除了基于压力-响应的机理模拟以外，有无其他的方式来辅助实现快速预测、预警？ 1.2 国内外相关研究进展 1.2.1 水库生态学 由于水库湖沼学学科发展相对于传统的湖沼学、河流学较为滞后（萨莫伊洛夫和李恒，1958；湖泊及流域学科发展战略研究秘书组，2002），其作为现代湖沼学一个相对独立的学科在20世纪90年代才正式出现（林秋奇和韩博平，2001），在一定程度上阻碍了水库生态安全（reservoir ecological security）问题的针对性分析与管理方法的探索。 现代水库生态系统研究和主要结论来自研究自然湖泊稀少和水资源较为紧张地区的湖沼学者。捷克学者在这一领域开展的工作较早，也*为系统，Hrbacek领导的研究所在20世纪60年代对布拉格供水水库斯拉皮水库的生态学开展了系统研究，为水库生态学理论的形成奠定了基础，斯拉皮水库生态系统的长期研究也为水库生态学理论发展提供了系统的数据（Ulmann，1998；Hrbacek，1984）。20世纪80年代后，水库生态学受到世界各地学者和有关组织的重视，特别是美国和西欧水质工程有关学者，亚洲（中国、印度）的学者侧重于水库渔业的研究，以水库为对象的生态学研究经费和研究论文数量有了飞速发展。1987年**届国际水库湖沼学和水质管理大会的召开反映了人们对水库生态学研究重要性的认识。**本水库湖沼学著作于1990年由美国学者Thornton等编写出版，国际理论与应用湖沼学会主席Wetzel教授在1990年为该书写了结论性的*后一章，这标志着水库湖沼学作为现代湖沼学一个相对独立的学科出现，水库生态学也迎来了一个新的发展阶段。 当前国际上水库生态学的研究主要关注两个方面：一是，将水库作为一种特殊水体类型，研究如何丰富经典的生态学和湖沼学（Tundisi and Straskraba，1999）；二是，以水库特点为基础，研究水库生态管理存在的问题（韩博平，2010；Cech et al.，2007；Seda et al.，2007）等。例如，Duncan（1990）研究了伦敦水库的水库生态管理和生物操作技术；Salencon和Thebault（1996）以法国中营养水库为例研究了水库生态系统管理的模拟模型；Vorosmarty等（1997）分析了世界范围内水库对径流的储存及演化特征；Hamilton和Schladow（1997）研究了湖泊水库水质预测模型；Brierley和Harper（1999）研究了深水水库管理的生态学原则；Tufford和McKellar（1999）对南卡罗莱纳州大型水库的水动力时空特征和水质模型技术进行了研究；Nilsson和Berggren（2000）研究了水库库岸带（消落带）的变化特征；Kennedy（2001）探讨了建立水库营养盐基准的问题。 我国也是较早开展水库湖沼学研究的国家之一。中国科学院刘建康等（1955）发表了我国水库生态学研究的**篇论文，揭开了我国水库生态学/水库湖沼学研究的序幕。我国水库生态学大致分为3个阶段，分别为1955～1975年的起步阶段、1976～2000年以水库渔业生产为目标的研究阶段、2001年至今以水库水质管理为目标的研究阶段（韩博平，2010）。 **阶段，以刘建康、伍献文、苏联学者波鲁茨基、曹文宣为代表的学者陆续开展了淮河山谷水库、三峡水库（规划中）、丹江口水库（规划中）、偏窗子水库（规划中）的水生生物调查（波鲁茨基等，1959a，1959b；曹文宣，1959；刘建康等，1955）。 第二阶段，水库生态学研究有了较大的发展，许多学者开始研究我国不同地区不同水库浮游生物与渔产量的关系。例如，何志辉和李永函（1983）、王卫民和苏加勋（1994）、胡传林和董方勇（1993）、熊邦喜等（1994）、李德尚等（1994）、牛运光（1990）开展了大量水库渔业养殖方面的研究，并逐步向水库生态保护拓展。 第三阶段，自2001年以来，由于人类社会经济发展的长期累积的影响，水库富营养化等环境问题日益凸显，水库环境管理需求突出，侧重于水库生态环境保护的学术论文及相关研究纷纷出现。1998年，三峡水库的开工建设更是进一步推动了水库生态学领域的全面发展。国内有关科研院所和高校的学者围绕长江流域、珠江流域等大中型水库开展了大量研究，发表了大量的水库研究论文，水库生态学取得重要的进展，研究方向主要为水库生态学原理在水质管理方面的应用、水库水动力学过程对不同水平上生态学过程作用的机理等。 其中，林秋奇和韩博平（2001）、韩博平（2010）等有关学者开展了水库生态系统特征及水质管理的综合性探讨，胡韧等（2002）、林秋奇等（2003）、赵帅营和韩博平（2007）、李秋华和韩博平（2007）等围绕水库浮游生物组成与分布特征开展了大量研究；张远等（2005，2006）、郑丙辉等（2008，2009）、张雷等（2009）、曹承进等（2009）有关学者围绕水库营养状态特征和评价标准、人类活动对水库水环境影响等方面开展了大量研究，唐涛等（2004）、况琪军等（2005）、蔡庆华和胡征宇（2006）、胡征宇和蔡庆华（2006）、周广杰等（2006a，2006b）、姜加虎和黄群（1997）、黄文钰等（1998）、张运林等（2006）、吴挺峰等（2009）开展了大量水库藻类水华发生机理、富营养化模型及控制对策研究；王雨春等（2002）、朱俊等（2006）、何天容等（2008）、喻元秀等（2009）、郭建阳等（2010）有关学者以水库为研究对象，开展了碳、氮、汞等元素的水体分布特征和地球化学循环过程研究；胡传林等（2005）、