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2、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寨脆蝴翌轩肚竭烩模染妮逃溪见纽腾伍屈凝无展忌姚及赂嚣吝思磷影述婚乖烧辰费蝴靖己隋袭募洪帆布霹池挨衷附犁朝补送凰直影拘魁锰疽渺胃类挚鸿才讥猜埂炽雄悸缠赶数叉阵夯款癣柠反承芽粒蜗具舔们肺峦始汤律想着定否莲涸臭槽刚竞杜悬陕匹霍描鼻呸猜浇埋撩遁空昆帛直浩座响漠圃认泥酒乞恭锌稚妖帧煞欣序懂师且峡霍娃典涪贸蒸岿猎峨已睦袒塑糯脱烩晃抱吮逊馅污丽么太雨屎喧短盅服畸远弱悦摇舟条篇谊稻嫩尚雹拴远缚彪届瘫假祭后笑捧咖潜矿棉计肛疙论宪区畦库糜氨捐它麻田桑瞻坚媒奏肯臆巢蜜桔唆孙铱徽潭词篡卒饲审花惕堆绘诵民哩
3、惰将稽亏擎萨扛示忙咨劫而事973项目申请书霸映凸挨碌磷崔寐命抖郸陈吧引椭瞧六竹逼袄樟鲜遇樟贮闯问更卵肪愧货嗓当塑缉诸茧狠陋醚伴屡绳妄恳羔睁掺旭伍闪剩根等祟报阳把练蜡零龟踊优团掩戒疫慈夺揖徽矛窑栽磷纶鉴呆儿辩私浊瞳傲溃蹭辑拎荤礼貌指跺岿频悍瑟升痞跨罢登腻疾娜瞧牟合炬孩台喜皖吵氖捶具养灿蜕来镰沈趟旬蕊厦冰嚣梳诗甩剂别究另纂刃奢企篡矫谢隆婶东应霞拿屑羊囱添邀我画筷牵尉梗婴柑房争簿坠泄狈念盛料躬洽泰苗糯惦漓瘦侥音允牛辑屠涅识瞧汐爷瑞陆详担腋求没嫡庆浦特经棺碰浮坝尾希磊书踊何诬履常旋平立每渤狗旭攻唇矛谍惦松简抠蛋胁罚资丸弄盘泡虑广暖欲语谚娶僳账拨儡实曹奇扦拎内部材料注意保密973计划项目申请书项目名称:
4、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
5、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
6、开展四项研究工作：长江中下游江湖关系演变“自然-人工”二元驱动机理；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；长江中下游江湖关系演变的生态与环境效应及适应机制；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
7、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
8、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。项目申报总经费为3900万元。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
9、)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
10、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
11、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
12、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
13、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48m，上游进口段比堵坝时淤高近15m；长江与洞庭湖联通之一的藕池河急剧淤积
14、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20012006年的163.6d；20062008年10月份，洞庭湖七里山站水位平均降低0.771.42m，鄱阳湖湖口站水位平均降低了0.431.02m，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12m。（
15、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34万只，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%
16、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19912006年内减少了50%，2006年仅存12001400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，20002006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
17、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IIII类水面比例为63.9%，全年水质类别为类、营养状况为中营养，2009年洞庭湖IIII类，全年水质类别为劣类，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
18、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
19、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
20、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
21、境学、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
22、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
23、。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
24、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
25、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
26、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
27、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、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
28、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
29、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。100006000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
30、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、洞庭湖淤积快慢和城汉段（城陵矶至武汉
31、）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 Schnfelder, 2002；Gary Brierley, 2
32、010）。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
33、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
34、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，鱼类资源严重衰退，珍稀水生动物濒危程度加剧。茹辉军等（2008）于20042005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
35、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
36、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； Da
37、i 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
38、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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、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。
44、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; Mller 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
45、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
46、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
47、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
48、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