李長(zhǎng)安,陳進(jìn),陳中原,王建,王超,范北林(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,武漢007;.長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢0010;.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,上海0006;.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南京10097;.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京10098)

長(zhǎng)江流域水環(huán)境問題研究之思考
——基于流域演化“山-河-湖-?；?dòng)理論”的認(rèn)識(shí)

李長(zhǎng)安1,2,陳進(jìn)2,陳中原3,王建4,王超5,范北林2
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,武漢430074;2.長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢430010;3.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,上海200062;4.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南京210097;5.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京210098)

長(zhǎng)江水環(huán)境保護(hù)是維持長(zhǎng)江健康生命的關(guān)鍵。針對(duì)由于水環(huán)境問題而引起的長(zhǎng)江“亞健康”現(xiàn)狀,從流域系統(tǒng)觀出發(fā),基于流域系統(tǒng)的演化“山-河-湖-?；?dòng)理論”,從多學(xué)科綜合研究的角度,提出了長(zhǎng)江水環(huán)境問題在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和目標(biāo)研究3個(gè)層次的研究思路,重點(diǎn)對(duì)人類活動(dòng)和全球變化作用下長(zhǎng)江流域山-河-湖-海相互作用及流域水環(huán)境演化規(guī)律、重大水環(huán)境問題的成因機(jī)理、流域水環(huán)境的承載能力及調(diào)控原理的研究?jī)?nèi)容和研究途徑進(jìn)行了論述。旨在引起人們對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境問題研究的關(guān)注,推動(dòng)長(zhǎng)江水環(huán)境問題研究的開展,為新時(shí)期的治江戰(zhàn)略制定服務(wù)。

長(zhǎng)江流域;水環(huán)境問題;流域環(huán)境系統(tǒng)

長(zhǎng)江是中華民族的母親河,保護(hù)好長(zhǎng)江是中華兒女的神圣責(zé)任。目前,在全球變化(全球變暖、海平面上升、青藏高原隆升等)和人類活動(dòng)(土地利用方式的轉(zhuǎn)變、大批水利工程興建、城市化加快等)的雙重作用下,長(zhǎng)江水環(huán)境正在發(fā)生著令人擔(dān)憂的變化,致使母親河進(jìn)入“亞健康”狀態(tài)。長(zhǎng)江水環(huán)境問題已經(jīng)引起有識(shí)之士的關(guān)注[1～14]。本文作者在提出的長(zhǎng)江流域“山-河-湖-?；?dòng)流域系統(tǒng)”概念的基礎(chǔ)上[15],基于流域環(huán)境系統(tǒng)的整體性、長(zhǎng)江水環(huán)境問題的復(fù)雜性等特點(diǎn),從多學(xué)科綜合研究的角度,對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境問題的研究思路和研究?jī)?nèi)容等提出了一些思考。

1 長(zhǎng)江流域水環(huán)境問題及研究概況

1.1 長(zhǎng)江流域水環(huán)境概況

長(zhǎng)江流域面積為180萬(wàn)km2,約占我國(guó)國(guó)土面積的18%,是我國(guó)第一、世界第三大河流。長(zhǎng)江流域占全國(guó)18.8%的國(guó)土面積,養(yǎng)育了全國(guó)約34%的人口,創(chuàng)造了約40%的國(guó)民生產(chǎn)總值(GDP)。同時(shí),長(zhǎng)江擁有得天獨(dú)厚的地緣優(yōu)勢(shì),跨南北,接?xùn)|西,成為東西部、南北方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的橋梁和紐帶。所擁有的水、土、生物、礦產(chǎn)等整體資源優(yōu)勢(shì)和雄厚的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ),不僅是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)軸心,而且其發(fā)展還將最終推動(dòng)整個(gè)亞太經(jīng)濟(jì)圈在21世紀(jì)的形成。

然而,隨著人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),長(zhǎng)江流域的人-地-水矛盾不斷加劇,水環(huán)境問題日趨突出,如不加緊保護(hù)措施的研究,將會(huì)影響到流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和水資源優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。目前,長(zhǎng)江流域最為突出的水環(huán)境問題表現(xiàn)在:

(1)上游植被覆蓋面積銳減,水土流失加劇。強(qiáng)烈的地殼隆升和不合理的人類活動(dòng),導(dǎo)致長(zhǎng)江上游地區(qū)山-河作用強(qiáng)烈,地表切割加重,植被覆蓋率降低,水土流失不斷加劇。長(zhǎng)江上游原始森林覆蓋率由1957年的22%銳減到1986年的10%,目前僅剩8%。據(jù)全國(guó)第二次水土流失遙感調(diào)查,長(zhǎng)江流域水土流失面積為63.74萬(wàn)km2,其中水蝕和風(fēng)蝕面積為53.08 km2,占流域總土地面積180萬(wàn)km2的30%,年均土壤侵蝕總量22億t。水土流失主要分布在上中游地區(qū),這一地區(qū)水土流失面積50余萬(wàn)km2,約占全流域水土流失面積的80%。近年來(lái),隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,長(zhǎng)江流域進(jìn)入了新一輪開發(fā)時(shí)期,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),從2001年到2006年,全流域?qū)徟拈_發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案超過4萬(wàn)個(gè)。一些資源開發(fā)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目缺乏必要的水土保持措施,隨意破壞地表植被,傾倒廢土棄渣,因而土壤侵蝕量是正常情況下的數(shù)十倍,甚至上百倍,造成了新的危害強(qiáng)度更大的水土流失。據(jù)統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)90年代以來(lái),流域每年新增人為水土流失面積超過1 200 km2,新增土壤侵蝕量近2億t[16]。水土流失的加劇不但毀壞耕地,降低土地生產(chǎn)力,而導(dǎo)致江河湖庫(kù)淤積,加劇洪澇災(zāi)害;同時(shí),還削弱了生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能,加重了流域生態(tài)災(zāi)害發(fā)生。

(2)中下游洪災(zāi)日趨頻繁,經(jīng)濟(jì)損失不斷加重。長(zhǎng)江洪災(zāi)自古乃中華民族的心腹大患。長(zhǎng)江中下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人-地-水矛盾突出,由于河-湖關(guān)系的變化,導(dǎo)致泥沙淤積嚴(yán)重,洪水位不斷上漲(近1 000年來(lái),荊江河段水位共抬升了13.4 m,其中近800年抬升了11.1 m,明清以來(lái)抬升了5 m。),從而洪災(zāi)日趨頻繁,損失不斷加重。據(jù)統(tǒng)計(jì),漢-清代的2 096年中,共發(fā)生洪災(zāi)214次,唐代18年1次,宋元6年1次,明清4年1次,20世紀(jì)2.5年1次; 1998年洪災(zāi)的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 600億元。

(3)河口地區(qū)咸水入侵日趨嚴(yán)重,已影響到三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。咸水入侵是河-海作用的集中體現(xiàn)。由于海平面上升,沿江用水量增加和枯季入海流量減少,導(dǎo)致咸水入侵增強(qiáng)。黃浦江是上海市工農(nóng)業(yè)用水的主要水源,沿江建有8個(gè)水廠。據(jù)1973年至1976年4年資料統(tǒng)計(jì),平均每天受咸(氯度＞100×10-6)天數(shù),吳淞水廠為65 d,閘北水廠為51 d。1979年,長(zhǎng)江干流鹽水一直影響到離口門120 km的常熟縣望虞河口,黃浦江幾乎所有水廠受到影響。從1978年10月至1979年5月的243 d中,各水廠受咸天數(shù)為:吳淞215 d、楊樹浦151 d、閔行73 d。崇明島被鹽水(Cl＞1 100×10-6)包圍長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月之久。鹽水入侵還使黃浦江的污染加重, 1978年黑臭天數(shù)長(zhǎng)達(dá)106 d。隨著海平面上升和南水北調(diào)等長(zhǎng)江調(diào)水工程的實(shí)施,河-海作用將進(jìn)一步復(fù)雜化,鹽水入侵不容忽視。

(4)流域水質(zhì)污染整體上不斷加劇,水環(huán)境功能不斷下降。據(jù)長(zhǎng)江流域水資源公報(bào),近10年來(lái)長(zhǎng)江流域水質(zhì)污染整體上有不斷加劇趨勢(shì)。1998年流域廢污水排放量為202.5億t(不包括火電直流冷卻水和坑排水,以下同),2000年達(dá)到了240億t左右,2004年達(dá)到了288.1億t,2005年廢污水排放量296.4億t,2006年上升到了305.4億t。按《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-88)的水質(zhì)評(píng)價(jià):長(zhǎng)江流域1998年在評(píng)價(jià)河長(zhǎng)25 137 km內(nèi),劣于Ⅴ類水河長(zhǎng)980 km,占3.9%,劣于Ⅲ類水河長(zhǎng)占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的18.9%;2000年在評(píng)價(jià)河長(zhǎng)30 312 km內(nèi),劣于Ⅴ類水河長(zhǎng)1 813 km,劣于Ⅲ類水河長(zhǎng)占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的23.9%;2004年評(píng)價(jià)河長(zhǎng)37 447 km,劣于Ⅴ類水河長(zhǎng)5 817 km,占15.5%,劣于Ⅲ類水河長(zhǎng)占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的27.5%;2006年在評(píng)價(jià)河長(zhǎng)38 679.9 km內(nèi),劣于Ⅴ類水河長(zhǎng)5 917.7 km,劣于Ⅲ類水河長(zhǎng)占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的23.9%。水質(zhì)污染已成為長(zhǎng)江水環(huán)境的主要問題。

1.2 長(zhǎng)江流域水環(huán)境研究概況

長(zhǎng)江流域嚴(yán)重的水環(huán)境問題早已為人所關(guān)注。從已有研究來(lái)看:局部研究的多,整體研究的少;單學(xué)科研究的多,多學(xué)科研究的少,特別是缺乏將流域作為一個(gè)“系統(tǒng)”的整體研究。流域是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng),同國(guó)際大河流域相比,長(zhǎng)江流域具有地質(zhì)環(huán)境最復(fù)雜、落差最大、能量流物質(zhì)流最強(qiáng)、季風(fēng)作用顯著、人口密度最高、人類活動(dòng)最強(qiáng)等特點(diǎn)[17,18]。長(zhǎng)江流域山、江、湖、海之間強(qiáng)烈而深刻的相互作用和彼此復(fù)雜的反饋機(jī)理,構(gòu)成了全球最為復(fù)雜的流域水環(huán)境系統(tǒng)。目前長(zhǎng)江流域嚴(yán)峻的水環(huán)境態(tài)勢(shì),正是由全球變化控制和人類活動(dòng)干預(yù)下,流域山、河、湖、海的相互作用所決定的。因此,只有組織跨學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān),通過對(duì)人類活動(dòng)和全球變化背景下流域山、河、湖、海互動(dòng)機(jī)理的系統(tǒng)認(rèn)識(shí),研究長(zhǎng)江流域水環(huán)境系統(tǒng)的形成、演化規(guī)律、影響和控制因素,查明水土流失、洪澇災(zāi)害、重點(diǎn)河段水體污染、咸水入侵等重大水環(huán)境問題的成因,確定水環(huán)境的承載力和閾值,才能遏止長(zhǎng)江流域水環(huán)境惡化的趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域水環(huán)境的優(yōu)化調(diào)控,以確保長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展。不僅如此,開展長(zhǎng)江流域水環(huán)境系統(tǒng)演變規(guī)律研究,對(duì)建立流域水環(huán)境科學(xué)的新理論和新體系也具有重要的意義。

2 長(zhǎng)江流域水環(huán)境研究設(shè)想

長(zhǎng)江流域是全球最復(fù)雜的流域系統(tǒng),水環(huán)境研究涉及的問題較多。我們認(rèn)為:全球變化背景下流域山-河-湖-?；?dòng)與水環(huán)境演化規(guī)律,人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境的影響機(jī)理,長(zhǎng)江流域水環(huán)境安全的閾值理論和評(píng)價(jià)方法是其中的三大關(guān)鍵科學(xué)問題。為了解決這些科學(xué)問題,必須從流域水環(huán)境系統(tǒng)的形成機(jī)制、演化規(guī)律、動(dòng)態(tài)過程、耦合關(guān)系等方面入手,以地球系統(tǒng)科學(xué)與環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)理論為指導(dǎo),以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)作支撐,從時(shí)間序列、空間結(jié)構(gòu)、時(shí)空耦合、人-地-水關(guān)系及其科學(xué)管理等全面展開研究。主要研究?jī)?nèi)容可歸納為流域水環(huán)境演化規(guī)律、重大水環(huán)境問題的成因機(jī)理、流域水環(huán)境的承載

能力及調(diào)控原理3個(gè)層次,其中第1層次屬基礎(chǔ)研

究,第2層次為專題研究,第3層次是目標(biāo)研究。

2.1 水環(huán)境的演化規(guī)律研究

2.1.1 人類活動(dòng)和全球變化作用下長(zhǎng)江流域山-河-湖-海互動(dòng)機(jī)理及水環(huán)境演化規(guī)律

山、河、湖、海是長(zhǎng)江流域水環(huán)境系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的主要組成部分(子系統(tǒng))[15]。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)以河流為核心,以水、沙過程為主線,著重研究山-河-湖-海的作用過程、互動(dòng)規(guī)律及水環(huán)境響應(yīng)機(jī)理。根據(jù)從“歷史”找規(guī)律,由“現(xiàn)狀”查成因,據(jù)“變化條件”預(yù)測(cè)未來(lái)的研究思路,主要開展以下研究:

(1)全球變化背景下長(zhǎng)江流域山-河-湖-海的互動(dòng)特點(diǎn)與水環(huán)境演化規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)記錄和歷史地理考古,研究長(zhǎng)江流域溫度(冷、暖)與降水量(干、濕)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系與耦合規(guī)律;西南季風(fēng)、東南季風(fēng)的活動(dòng)規(guī)律及對(duì)流域環(huán)境的影響;古厄爾尼諾的表現(xiàn)及特點(diǎn);末次冰盛期、全新世大暖期、小冰期等特征環(huán)境時(shí)期長(zhǎng)江流域山、河、湖、?？臻g格局及其相互關(guān)系;地面升降、海平面波動(dòng)、氣候變化引起的山-河-湖-海的相互關(guān)系的變化規(guī)律,揭示長(zhǎng)江水環(huán)境的自然演化特征與規(guī)律。

(2)人類活動(dòng)脅迫下的長(zhǎng)江流域山-河-湖-?；?dòng)與水環(huán)境響應(yīng)機(jī)理。重點(diǎn)是近1 000年來(lái)人類強(qiáng)烈作用下流域水環(huán)境的演化特征,具體包括:土地利用方式的改變(如:上游地區(qū)由林業(yè)、牧業(yè)向農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變,中游圍湖造田等)、重大人類工程活動(dòng)(如丹江口和葛洲壩等水庫(kù)工程、荊江大堤等堤防工程、裁彎取直等河道工程等)和工業(yè)化及城市化(如:下游農(nóng)業(yè)區(qū)向工業(yè)的轉(zhuǎn)變以及城市化的發(fā)展),對(duì)流域山-河-湖-?；?dòng)的影響及水環(huán)境響應(yīng)機(jī)理,如中游地區(qū)圍湖造田和荊江大堤的修筑對(duì)荊江與江漢湖群、洞庭湖關(guān)系的影響,水沙分布的變化,以及與“小水大災(zāi)”關(guān)系和響應(yīng)機(jī)理。

(3)根據(jù)近50年長(zhǎng)江流域水環(huán)境變化特性分析,對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)江中下游河湖地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲等典型地區(qū)的水環(huán)境的現(xiàn)狀、特征等進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查、分析和研究,以期對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境現(xiàn)狀和過去50年的演化有一科學(xué)而系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

降水是描寫流域環(huán)境最主要的物理量之一。首先,對(duì)50年以來(lái)長(zhǎng)江流域降水資料進(jìn)行多尺度分析,揭示不同尺度下,尤其是年代尺度下長(zhǎng)江流域降水變化的內(nèi)在規(guī)律和旱澇的周期結(jié)構(gòu);其次,對(duì)長(zhǎng)江流域江河湖泊的水文資料和地下水資料進(jìn)行多尺度分析,重點(diǎn)放在年代尺度上長(zhǎng)江流域江河湖泊水情變化的周期結(jié)構(gòu);第三,對(duì)近50年來(lái)的水污染資料進(jìn)行多尺度分析,揭示長(zhǎng)江流域水質(zhì)量、水環(huán)境變化的內(nèi)在規(guī)律和周期結(jié)構(gòu)。通過以上的多分辨分析來(lái)揭示:氣候變化對(duì)流域水環(huán)境系統(tǒng)的影響,人類作用如土地利用方式的改變、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和重大工程(水庫(kù)、大堤、圍湖造田)對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境的正、負(fù)影響,以及長(zhǎng)江流域水環(huán)境對(duì)人類行為的響應(yīng)。

(4)未來(lái)變化條件下長(zhǎng)江流域水環(huán)境演化趨勢(shì)。綜合以上研究,在充分考慮和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人類活動(dòng)(如西部大開發(fā)、三峽工程、南水北調(diào)等)和全球變化(全球增溫、海平面上升等)引發(fā)的山-河-湖-?；?dòng)及水環(huán)境效應(yīng)基礎(chǔ)上作了如下研究:①應(yīng)用層次分析理論,對(duì)長(zhǎng)江流域降水和江河湖泊的水環(huán)境(如水量和水質(zhì))進(jìn)行多尺度趨勢(shì)預(yù)測(cè),重點(diǎn)放在10年和50年尺度對(duì)旱澇趨勢(shì)、水量趨勢(shì)和水質(zhì)趨勢(shì)的預(yù)測(cè);②建立有關(guān)長(zhǎng)江流域不同地區(qū)的相空間模式,進(jìn)行預(yù)測(cè)研究,重點(diǎn)放在年尺度的預(yù)測(cè),并揭示流域水環(huán)境系統(tǒng)的相空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);③利用物理建模、資料擬合、數(shù)學(xué)反演等不同建模技術(shù)來(lái)建立長(zhǎng)江流域不同地區(qū)水環(huán)境演化的動(dòng)力學(xué)模式,并對(duì)長(zhǎng)江流域未來(lái)50年水環(huán)境的演化趨勢(shì)進(jìn)行不同尺度的模擬和預(yù)測(cè),重點(diǎn)放在敏感性試驗(yàn)、外力策動(dòng)、擾動(dòng)響應(yīng)和非線性特性分析。

2.1.2 長(zhǎng)江流域水沙輸移動(dòng)力學(xué)模擬

長(zhǎng)江流域山-江-湖-海的互動(dòng)對(duì)水環(huán)境的影響是通過水、沙輸移變化過程為紐帶來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,水沙輸移是水環(huán)境演化的動(dòng)力因子其主要研究途徑是,通過對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)資料的分析,輔以定量試驗(yàn),揭示影響長(zhǎng)江水環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)力因子;將水、沙輸移的變化規(guī)律和產(chǎn)、輸、積過程的地貌響應(yīng),作為水環(huán)境演變分析的依據(jù)。主要包括以下研究:

(1)長(zhǎng)江流域水文泥沙情勢(shì)及其時(shí)間空間的變異性。核心問題是基于長(zhǎng)江流域的地貌演化規(guī)律,通過大氣動(dòng)力學(xué)、水文學(xué)作用非線性關(guān)系研究,認(rèn)識(shí)長(zhǎng)江流域水文泥沙情勢(shì)受自然變化和人類活動(dòng)影響的空間格局變化特征和動(dòng)態(tài)過程變化規(guī)律,識(shí)別流域尺度水文變化的相似性和變異性,確定變化進(jìn)程中上中下游各區(qū)域的產(chǎn)沙、輸沙、沉積帶的特征和范圍。

(2)山-河作用控制下的水土流失及水沙產(chǎn)輸機(jī)理。一般來(lái)講,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)總是在加大地表的起伏,如形成山地,而以河流為主的地面流水總是趨于降低地表的起伏。構(gòu)造隆升形成山地,為河流提供了活力,活力增強(qiáng)的河流加大了侵蝕和搬運(yùn)的能力,反過來(lái)加快了山地的夷平;因此,山-河相互作用是控制水土流失的重要自然因素。需研究的問題有:構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地貌特征和地表物質(zhì)組成與泥沙侵蝕關(guān)系;水土流失與流域森林植被等生態(tài)條件的影響關(guān)系;輸沙量與侵蝕量之間的比率關(guān)系;不同區(qū)域的水沙產(chǎn)輸?shù)闹饕?qū)動(dòng)因子及影響因素;自然變化和流域上游水利水電工程興建等人類活動(dòng)對(duì)輸送到中游水沙變化的影響等。

(3)河-湖相互作用下的重點(diǎn)河段河水沙輸移規(guī)律。重點(diǎn)研究受人類活動(dòng)影響下的長(zhǎng)江中游水沙輸移規(guī)律,泥沙運(yùn)動(dòng)、土地利用對(duì)河道演變、過洪能力、湖泊及蓄滯洪區(qū)洪水調(diào)節(jié)能力影響的機(jī)理。具體研究荊江、洞庭湖地區(qū)的泥沙淤積與墾殖的關(guān)系,泥沙淤積部位的變遷與洪水位抬升的關(guān)系;江湖水沙關(guān)系和河床沖淤變化規(guī)律;長(zhǎng)江三峽工程等對(duì)長(zhǎng)江中游水沙關(guān)系及長(zhǎng)江中游防洪關(guān)系的調(diào)整與影響。

(4)河-海相互作用下入海水沙量變化研究。重點(diǎn)研究長(zhǎng)江三角洲地區(qū)河、海相互作用關(guān)系;潮波的運(yùn)動(dòng)形式,淡水與海水的相互作用與混合關(guān)系;淡水與海水相互作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律;攔門沙、三角港、三角洲及河床形態(tài)的演變過程;維持河口三角洲平衡的水沙作用關(guān)系,探求合理的入海水沙量。

(5)流域水沙輸移變化的系統(tǒng)分析。以流域?yàn)檎w,以流域水文信息、水文實(shí)驗(yàn)研究、流域上中下游分區(qū)水沙輸移研究為基礎(chǔ),重點(diǎn)研究產(chǎn)沙、輸移、沉積帶中的地貌演化過程,系統(tǒng)研究流域的水沙產(chǎn)、輸、積驅(qū)動(dòng)力因子,時(shí)空耦合效應(yīng),侵蝕-輸移-沉積規(guī)律,河流對(duì)流域的響應(yīng)及沖積河流的自動(dòng)調(diào)整規(guī)律,復(fù)雜響應(yīng)現(xiàn)象及臨界特征。

2.2 重大水環(huán)境問題研究

2.2.1 水土流失問題

由于流域地質(zhì)條件的差異,長(zhǎng)江流域的水土流失和泥沙特性有別于黃河流域[18]。黃河流域的水土流失研究非常深入,但很多成果不適合長(zhǎng)江流域。以下問題值得研究:

(1)水土流失的主導(dǎo)方式(泥沙的產(chǎn)出方式)。長(zhǎng)江流域河道泥沙的來(lái)源有2種途徑,一是坡面流水侵蝕,二是嚴(yán)重的山地災(zāi)害(如:崩塌、滑坡、泥石流等)。由于不同成因的水土流失有不同的治理方式,因此查明這一切是非常重要的。

(2)水土流失的主要地區(qū)(泥沙的產(chǎn)出地區(qū))。減少上游水庫(kù)和中游河湖淤積是水土流失治理的主要目的之一,而中游河道泥沙究竟來(lái)源于哪里,還尚不清楚。習(xí)慣上認(rèn)為河道泥沙來(lái)源于地表侵蝕最強(qiáng)的地區(qū),對(duì)于黃河來(lái)說這可能是對(duì)的,而對(duì)于長(zhǎng)江來(lái)說,則需要深入研究[17]。

(3)水土流失的主控因素。調(diào)研水土流失的主控因素,是自然的,還是人為的。若是自然的又是哪一種因素:地質(zhì)的(巖性、構(gòu)造)、地貌的(坡度、高度)、氣候的等;人為的又是哪一種方式:森林砍伐、開荒、拋荒、耕作方式等。通過研究為水土流失的防治對(duì)策提供依據(jù)。

2.2.2 洪水發(fā)生規(guī)律與“小水大災(zāi)”問題

長(zhǎng)江中下游的洪水災(zāi)害,是人類活動(dòng)與自然過程相互交織,多因素共同作用的結(jié)果,是上-中-下游互動(dòng),干流-支流互動(dòng),山-河-湖-海互動(dòng)的集中體現(xiàn)[15,17];因此,必須從全流域的角度、從系統(tǒng)的角度,從圈層相互作用的角度、研究洪水發(fā)生的原因及其機(jī)理、預(yù)測(cè)洪水變化的趨勢(shì),找出洪水調(diào)控的原理與對(duì)策。需著重研究:

(1)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制下的流域地表升降、地貌特征、泥沙分配與洪水的關(guān)系。這方面的研究雖有一些開展[18～26],但仍屬初步的、局部的、單學(xué)科的研究;尚需地質(zhì)與水利部門合作開展全流域的系統(tǒng)的深入研究。

(2)加強(qiáng)古洪水研究,延長(zhǎng)洪水記錄序列,從而更為準(zhǔn)確地掌握洪水發(fā)生的時(shí)空規(guī)律。

(3)在對(duì)長(zhǎng)江中下游洪水的時(shí)空分布特征與規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行洪水成災(zāi)的主控因子和敏感因子的試驗(yàn)與篩選,找出洪水成災(zāi)因子及主導(dǎo)因素。

(4)利用物理建模、資料擬合、數(shù)學(xué)反演等不同建模技術(shù),建立長(zhǎng)江洪水演化的動(dòng)力學(xué)模式,并對(duì)長(zhǎng)江中下游未來(lái)5,10,30,50年洪水發(fā)生的概率及演化趨勢(shì)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè),重點(diǎn)放在敏感性試驗(yàn)、外力策動(dòng)、擾動(dòng)響應(yīng)和非線性特性分析。

(5)調(diào)查研究江湖關(guān)系變化、泥沙含量變化、人類活動(dòng)(圍湖造地、圍濕造田、堤防工程、河道工程等)與“小水大災(zāi)”的關(guān)系。從根本上揭示“小水大災(zāi)”的成因,提出在不加高堤防的條件下防洪的措施與對(duì)策。

2.2.3 咸水入侵問題

長(zhǎng)江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口最密集的地區(qū),長(zhǎng)江水是這個(gè)地區(qū)最主要的水源?？墒怯捎谙趟娜肭?海水倒灌),使這個(gè)地區(qū)時(shí)常發(fā)生用水的困難,嚴(yán)重地威脅著這個(gè)地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民的生活。隨著三角洲地面下沉,海面上升,南水北調(diào)工程等區(qū)域調(diào)水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水增加等引起的入海流量的減少,咸水的入侵可能會(huì)進(jìn)一步加劇[27,28]。為此,應(yīng)該開展的主要研究?jī)?nèi)容包括:

(1)調(diào)查和研究長(zhǎng)江河口咸水入侵的時(shí)空變化規(guī)律(日變化、月變化、季節(jié)變化和年際變化),建立咸水入侵距離、不同河段氯離子濃度與潮位、徑流量之間的關(guān)系模式,建立用水保證率隨時(shí)間、徑流量變化的過程模式。

(2)借助現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和模型試驗(yàn)研究,研究長(zhǎng)江河口咸淡水交匯區(qū),不同密度水體的運(yùn)移和摻混下,以密度異重流為主要特征的垂向環(huán)流機(jī)理,揭示污染物及鹽分在交匯區(qū)的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

(3)研究跨流域調(diào)水、流域引水等對(duì)長(zhǎng)江口咸水入侵的影響,建立不同調(diào)水模式、不同調(diào)水量對(duì)咸水入侵距離與不同河段用水保證率影響的定量評(píng)估模式。

(4)分析未來(lái)海平面變化對(duì)長(zhǎng)江口咸水入侵的影響,估算不同的海平面上升幅度對(duì)咸水入侵距離、用水保證率的影響。

(5)加強(qiáng)長(zhǎng)江三角洲地面沉降的原因、機(jī)理和趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究,分析地面沉降的咸水入侵效益和對(duì)三角洲水環(huán)境的影響。

(6)在地面沉降、海面上升、入海流量減少分析和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)綜合作用下的咸水入侵及對(duì)河口地區(qū)水環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.4 重點(diǎn)河段污染問題

按理來(lái)說,長(zhǎng)江水資源豐富、水環(huán)境容量很大,不會(huì)發(fā)生水質(zhì)危機(jī),然而,近年來(lái)卻出現(xiàn)了一些沿江城市河段水質(zhì)惡化以及某些時(shí)段缺乏高質(zhì)量飲用水的現(xiàn)象。隨著流域人口的增加和工農(nóng)業(yè)排污量的增大,水質(zhì)性缺水將會(huì)成為抑制長(zhǎng)江中下游地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要水環(huán)境問題。應(yīng)重點(diǎn)研究主要城市江段水污染狀況及其成因。主要通過觀測(cè)、分析與模擬試驗(yàn),包括:①查明主要城市江段不同季節(jié)、不同水文條件下水環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律;②弄清主要城市江段水污染狀況及其成因,查明工業(yè)污染與農(nóng)業(yè)污染、點(diǎn)源污染與面源所占的比重;③污水進(jìn)入長(zhǎng)江后的擴(kuò)散過程與規(guī)律;④變化的條件下(變化的排污量、變化的徑流量、變化的河流基準(zhǔn)面等條件下)沿江主要城市江段的水質(zhì)變化趨勢(shì)。

2.3 水環(huán)境安全承載力和調(diào)控研究

2.3.1 水環(huán)境的承載能力研究

長(zhǎng)江流域水環(huán)境承載力是指流域自身水沙輸移形成的水資源,能夠支撐的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模,并保證水安全和維系良好水體水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)的能力。定量評(píng)價(jià)長(zhǎng)江流域水資源開發(fā)的極限潛力與水環(huán)境系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)影響的最大承受能力,研究流域水安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)、尺度與閾值,為國(guó)家最大限度開發(fā)長(zhǎng)江水資源提供科學(xué)基礎(chǔ)和依據(jù)。具體的研究?jī)?nèi)容包括:

(1)泥沙產(chǎn)、輸、積規(guī)律與合理的泥沙分配。流域泥沙含量與合理的分配是流域水環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)[29]。根據(jù)流域水沙運(yùn)移動(dòng)力學(xué)模擬的研究結(jié)果,分析整個(gè)流域的泥沙產(chǎn)、輸、積的規(guī)律[30～32],探討維持長(zhǎng)江水環(huán)境安全和生態(tài)環(huán)境平衡下,長(zhǎng)江流域江、河、湖、海合理的泥沙運(yùn)移分配,劃定合理的泥沙產(chǎn)、輸、積、懸的區(qū)域。

(2)主要城市江段水環(huán)境容量評(píng)價(jià)與最大納污量。通過水功能區(qū)劃,流域安全納污量的界定原理、計(jì)算理論和定量模式研究,確定主要城市江段(重慶、武漢、南京等)的最大安全納污量。

(3)防洪體系破壞概率評(píng)估與安全防洪流量。采用系統(tǒng)工程與可靠度理論相結(jié)合的方法,建立長(zhǎng)江中下游重要堤防破壞概率評(píng)估模型,根據(jù)長(zhǎng)江流域防洪體系和防洪工程規(guī)劃,研究長(zhǎng)江中下游干流不同江段的安全泄洪流量,探討變化條件下長(zhǎng)江流域防洪的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

(4)河口區(qū)水沙平衡動(dòng)態(tài)規(guī)律與最小入海流量。研究維持河口生態(tài)環(huán)境的基流;研究維持長(zhǎng)江口及近海水域水生生物生存和繁衍的最小淡水量;研究維持長(zhǎng)江下游沿岸地下水水位動(dòng)態(tài)平衡的江河補(bǔ)給規(guī)律;研究改善長(zhǎng)江水環(huán)境質(zhì)量的最小需水量。提出保證長(zhǎng)江下游水沙平衡和生態(tài)環(huán)境的最小流量,為南水北調(diào)和水利工程建設(shè)提供依據(jù)。

(5)流域水環(huán)境安全理論、評(píng)價(jià)方法與承載力綜合評(píng)判。在上述系列研究的基礎(chǔ)上,建立流域水環(huán)境承載力度量指標(biāo)體系,水環(huán)境承載力評(píng)估模型,典型江段徑流量、用水量與生態(tài)環(huán)境需水量的動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線。探討氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境承載力的影響及風(fēng)險(xiǎn)與不確定性。建立水的資源量、可利用量、生態(tài)環(huán)境需水量的統(tǒng)一評(píng)價(jià)模式,為水資源的合理配制、水環(huán)境保護(hù)和調(diào)控奠定理論基礎(chǔ)。

2.3.2 流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)和優(yōu)化調(diào)控原理

在查明長(zhǎng)江流域水環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,通過流域系統(tǒng)水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)估,水環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能區(qū)劃與制圖,重大人類活動(dòng)的水環(huán)境安全評(píng)價(jià),不同水資源利用方式的水環(huán)境模擬分析,水環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控與管理體系的建立,為保障水安全實(shí)行對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃和調(diào)整提供決策依據(jù)。具體開展以下研究:

(1)流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。查明長(zhǎng)江流域水資源、水環(huán)境現(xiàn)狀,研究長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系,實(shí)行對(duì)長(zhǎng)江流域系統(tǒng)水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)估,建立長(zhǎng)江流域水資源、水環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)流域水環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能區(qū)劃與制圖。研究流域水環(huán)境系統(tǒng)的區(qū)域結(jié)構(gòu)、功能、生態(tài)過程與空間分異規(guī)律,建立長(zhǎng)江流域水環(huán)境區(qū)劃指標(biāo)體系,編制長(zhǎng)江流域水環(huán)境區(qū)劃與評(píng)價(jià)圖。

(3)未來(lái)重大人類活動(dòng)的水環(huán)境安全評(píng)價(jià)。包括:西部大開發(fā)對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境影響評(píng)價(jià),重大水利工程(上游梯級(jí)水利工程、南水北調(diào)工程)對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境影響評(píng)價(jià),城市化對(duì)長(zhǎng)江流域水生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

(4)不同水資源利用方式的水環(huán)境模擬分析。重點(diǎn)研究流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響。通過對(duì)不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下水資源利用方式改變對(duì)水環(huán)境影響的模擬分析,為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃和調(diào)整提供依據(jù)。

(5)長(zhǎng)江流域水環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控體系。建立流域水資源、水環(huán)境決策支持系統(tǒng),探討流域不同級(jí)別水環(huán)境系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制與管理模式。重點(diǎn)研究流域水環(huán)境敏感區(qū)的水資源保護(hù)戰(zhàn)略,提出大河流域水環(huán)境、水資源管理模式與政策保障體系。

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(編輯:周曉雁)

Consideration on Research of Water Environment of Yangtze River Basin

LI Chang-an1,2,CHEN Jin2,CHEN Zhong-yuan3,WANG Jian4,WANG Chao5,FANG Bei-lin2
(1.China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China;3.East China Normal University,Shanghai 200062,China;4.Nanjing Normal University,Nanjing 210097,China;5.Hohai University,Nanjing 210098,China)

Water environment protection is a key to maintain the Yangtze River's exuberance.The research thought on the Yangtze River water environment at three stratifications,namely basic research,applied research and aim research,is represented on the basis of the sub-healthy situation of the Yangtze River,the view-point of multidisciplinary synthesis and the theory of mountain-river-lake-sea affiliation from the evolution of the river basin system.The emphases are to discuss about the research contents and approaches of some critical problems including the interactive mechanism of mountain-river-lake-sea,rule of the water environment evolution,formation of big water environment problems,carrying capacity and controlling elements of the water environment under the effect of human activities and global change.This article aim is to cause people's attention to the Yangtze River water environment to impulse the research and help constitute the stratagem of new-time river management.

Yangtze River Basin;water environment;river basin system

X143

A

1001-5485(2009)05-0011-07

2008-08-18;

2008-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40771213);湖北水利科技項(xiàng)目(HBSHLKJ2007Y005)

李長(zhǎng)安(1956-),男,河北武安人,博士,教授,主要從事第四紀(jì)地質(zhì)和流域資源環(huán)境研究,(電話)62162946(電子信箱)chanli@ cug.edu.cn。