闸控河流水文生态效应分析与调控

来源：赛杰奥

通过修建闸坝的方式进行河流水资源的开发利用，对于支撑经济社会发展具有重要的意义。闸坝的建设运行对保障生产生活用水起到了重要作用，与此同时，对河流自然状态的改变也引发了一系列水资源及生态环境问题。

随着河流综合开发与联合调度工作的不断开展和深入完善，人们对于河流水环境问题发生的机理和闸坝作用规律的科学认识逐步提高，针对闸坝建设对河流生态系统的影响，研究水文过程中的各种机理与规律，进行科学的闸坝水量–水质–水生态综合调控，对于协调水资源开发利用和河流生态系统保护之间所存在的矛盾，不断改善和修复受损的河流水生态，保障河流水环境和区域水安全具有重要意义。

郑州大学水科学研究团队自2009 年以来，选取以多闸坝为特色的淮河水系沙颍河流域作为研究示范区，针对人类高强度活动影响下的河流水资源和水环境问题，基于现场调查和实验观测，深入开展了理论研究和技术应用，积累了丰富的基础资料，取得了一系列研究成果。针对沙颍河区域水资源和水环境问题的研究方面，其先后承担并完成了国家重大水专项专题、国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金、水利部重大项目专题等多个项目。自2012 年开始，本研究团队在沙颍河流域持续开展水生态调查实验（每年度两次），在沙颍河干流槐店闸开展闸坝调度现场实验（每年度一次），为河流水资源和水环境研究积累资料，保障和推动相关科研工作的持续开展。《闸控河流水文生态效应分析与调控》（左其亭等著. 北京：科学出版社，2019.9）一书是研究团队对沙颍河研究系列成果的系统总结，聚集了所有参与者的智慧，是集体智慧的结晶。

主要内容概括如下。 

（1）多闸坝河流水文生态环境效应量化及评估研究

基于收集的长序列水文资料及在研究区沙颍河流域2012～2016 年开展的水生态环境调查实验，深入探索与分析研究区水量、水质、水生态特征，并采用客观、适宜的评价方法，对研究区水体富营养化、水体污染程度、水生态健康状况进行科学、可靠的评估，分析闸坝建设对河流生态系统的影响。 

（2）闸控河流水量–水质–水生态相互作用机理分析

从定性的角度，依据迁移–转化理论、能量流动与物质循环理论、生态效应理论，对闸控河流水量–水质、水质–水生态、水量–水生态两两作用分析深入到水量–水质–水生态三者相互作用分析。以研究区水生态环境调查实验数据为基础，以闸控河流水量–水质–水生态相互作用机理为支撑，识别影响水生态环境特征的关键因子，构建闸控河流水量–水质–水生态相互作用的量化方程与模型。

（3）闸控河流水量–水质–水生态模型研究

结合在淮河及沙颍河流域开展的水污染联防实践，在沙颍河槐店闸开展闸坝调控试验，构建闸坝作用下的水动力–水质模型，分析闸坝对河流水质、水量的作用；提出闸坝防污调控的概念和内涵，并构建“兼顾兴利、防洪、防污需要”、基于模拟–优化的闸坝防污调控模型，采用多目标遗传算法和模糊优选方法对模型进行求解，研究闸坝优化调控方案；提出闸坝防污限制水位的概念和内涵，构建闸坝防污限制水位模型，并应用该模型开展多场景模拟，分析单一闸坝和闸坝群对河流水质、水量的作用。 

（4）闸坝河流水生态健康和谐调控模型体系构建

基于开展的流域水生态调查实验，结合对水体理化指标和生态指标时空分布特征的分析，优选出适合于闸控河流的水质生态学评价方法；提出闸控河流水生态健康的概念及内涵，识别出影响河流水生态健康程度的关键因子，从而构建闸控河流水生态健康评价指标体系，提出水生态健康综合指数评价方法；基于和谐论理论，以改善河流水生态健康程度为目标，构建“面向水生态健康程度最大化、考虑闸坝作用能力约束和水质–水量–水生态互动关系”的闸控河流水生态健康和谐调控模型。 

（5）闸控河流水量–水质–水生态综合调控保障体系

基于闸坝条件下的生态水文效应分析，考虑水资源优化配置需求，构建基于生态水文响应机制的闸控河流生态需水调控方法体系框架，构建考虑自然水流情势的闸坝生态调度多目标模型；以典型闸坝调控实验为基础，分析短期调控与长期调控对河流水量–水质–水生态造成的影响，采用已构建的闸控河流水量–水质–水生态相互作用量化模型，演算闸坝调控影响的演变特征，并构建闸坝生态调控模型，对典型闸坝进行优化调控。

本书得到国家自然科学基金（51709238、U1803241、51779230）和郑州市水资源与水环境重点实验室的经费支持。由左其亭、梁士奎、陈豪、李冬锋、刘静、罗增良撰写。本书对于提高闸控河流水安全保障能力和水资源保护与水生态系统健康水平有着重要的参考价值。可供研究和关心河流水文、水资源与水生态的各专业人士参考，也可供从事水资源、水生态、水利工程、地理科学、资源环境及有关专业的科技工作者和管理人员参考。