張 遠(yuǎn), 夏 瑞*, 張孟衡, 景朝霞, 趙 茜, 范俊韜

1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室, 北京 100012 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院國際合作中心, 北京 100012 5.武漢大學(xué), 水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072

水利工程背景下河流水華暴發(fā)成因分析及模擬研究

張 遠(yuǎn)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(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室, 北京 100012 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院國際合作中心, 北京 100012 5.武漢大學(xué), 水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072

研究發(fā)現(xiàn)，河流水華暴發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)因素除受過量營養(yǎng)鹽攝入、氣候變化導(dǎo)致的氣溫上升和降雨等限制外，水文情勢(shì)的影響尤為顯著. 在高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下，水利工程開發(fā)導(dǎo)致的水文情勢(shì)改變是否為河流水華加劇的成因之一，是水與環(huán)境學(xué)科交叉研究亟待探索的一個(gè)重要應(yīng)用基礎(chǔ)問題. 通過對(duì)近10年來國內(nèi)外在水利工程背景下河流水華暴發(fā)成因研究進(jìn)展的綜述，辨識(shí)了河流水華發(fā)生的“水循環(huán)-水環(huán)境-水生態(tài)”相互作用關(guān)系；對(duì)考慮水文變化的河流水華預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、智能算法和水質(zhì)水量耦合機(jī)理模型等進(jìn)行了回顧和總結(jié)，并提出了基于水循環(huán)物理過程聯(lián)系的生物及生物地球化學(xué)過程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與管理人文過程等與河流水華發(fā)生相互作用與反饋的水系統(tǒng)論研究體系. 當(dāng)前我國水利工程調(diào)水影響區(qū)下的河流水華問題研究仍面臨著一些難點(diǎn)和挑戰(zhàn)：①過去關(guān)于水利工程調(diào)水對(duì)河流中下游水生態(tài)的影響研究多數(shù)是基于情景假設(shè)和規(guī)劃條件下的預(yù)斷，隨著近年來我國多個(gè)大型水利工程的正式實(shí)施運(yùn)行，當(dāng)前以實(shí)際工程調(diào)水為背景(如南水北調(diào)、引江濟(jì)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(diào)水影響區(qū)下的河流水華發(fā)生機(jī)理尚不明確，當(dāng)前多數(shù)藻類生長(zhǎng)模型并沒有將流域水循環(huán)過程影響納入考慮因素，對(duì)河流生態(tài)水文過程作用機(jī)理與耦合及定量關(guān)系分析方面的研究相對(duì)匱乏；③現(xiàn)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(tǒng)理論為導(dǎo)向的水生態(tài)系統(tǒng)與河流水文情勢(shì)共同作用機(jī)制的定量化研究.

水利工程; 河流; 變化環(huán)境; 水華; 成因分析; 水循環(huán)

水體富營養(yǎng)化已成為全球性重要的環(huán)境問題之一，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康帶來一系列不良影響[1- 2]. 水華是水體富營養(yǎng)化的極端情況，通常易于湖泊、水庫、水利工程上游回水區(qū)和下游流速較慢的干、支流暴發(fā)，一般來說國內(nèi)外在大型流動(dòng)水體中發(fā)生類似現(xiàn)象較為罕見[2- 4]；自20世紀(jì)七八十年代，在高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響下，國外一些河流也開始發(fā)現(xiàn)水華現(xiàn)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(fā)生類似于海洋赤潮的水華現(xiàn)象[5]，通常這些河流的水華以硅藻為主. 在我國，20世紀(jì)80年代后，由于人類活動(dòng)、城市化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，一些大型河流中下游水環(huán)境質(zhì)量逐步趨于惡化，接連發(fā)生嚴(yán)重水華事件，引起社會(huì)和政府的重要關(guān)注. 近年來河流水華現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，在我國流動(dòng)性較強(qiáng)的河流水體，如長(zhǎng)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(fā)了嚴(yán)重的水華現(xiàn)象[3]，其中漢江水華事件尤為嚴(yán)重. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1992年漢江流域首次發(fā)現(xiàn)水華現(xiàn)象以來，至今已暴發(fā)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(guān)水廠造成高達(dá)300多萬元的經(jīng)濟(jì)損失[6]，供水水質(zhì)惡化給沿河城市居民飲用水和生活帶來了諸多不便，嚴(yán)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(shì)的改變有可能進(jìn)一步加劇下游生態(tài)環(huán)境的惡化[4,7]，河流水環(huán)境污染和水生態(tài)問題日益突出，與人民群眾生活密切相關(guān)的水生態(tài)修復(fù)問題引起社會(huì)各界的強(qiáng)烈關(guān)注.

藻類水華是多種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果[8]，多數(shù)研究認(rèn)為導(dǎo)致河湖水華暴發(fā)的因素包括：①過量的營養(yǎng)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(dòng)性使得適宜水華發(fā)生的“最佳”組合條件較難出現(xiàn)，然而在氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)的雙重影響下，上游大型水利工程調(diào)水的正式實(shí)施運(yùn)行將可能導(dǎo)致中下游來水量減少，使河流中下游現(xiàn)有水文條件發(fā)生改變，從而間接減少了中下游干流的環(huán)境容量. 隨著河流沿岸人類排污的加劇，進(jìn)一步導(dǎo)致由于藻類瘋長(zhǎng)而引起的河流水華問題. 大型水利工程調(diào)水影響下，我國多個(gè)河流的中下游水環(huán)境和水生態(tài)安全將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[9- 10]. 研究變化環(huán)境下河流中下游水華發(fā)生的機(jī)理和水利工程調(diào)控將成為當(dāng)前國內(nèi)外氣候變化與水環(huán)境交叉學(xué)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(tài)環(huán)境可持續(xù)性水資源管理面對(duì)的重要應(yīng)用問題. 該文綜述了近年來國內(nèi)外河流水華成因的研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)和模擬方法等內(nèi)容，展望了未來發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵科學(xué)問題，以期為水利工程背景下河流水華的預(yù)防和治理提供參考.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

1.1 河流水華發(fā)生的影響因素

近年來，隨著全球河流水華問題日趨嚴(yán)重，國內(nèi)外學(xué)者在河流水華成因及作用機(jī)理上開展了一些研究. 對(duì)于湖泊水庫等水體，由于其緩慢的水流交換，加上氮、磷營養(yǎng)鹽，生化需氧量和微量元素濃度過量的攝入，是導(dǎo)致水體發(fā)生水華現(xiàn)象最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本條件[11]；然而，由于河流的水文環(huán)境和區(qū)域特殊性，水體中營養(yǎng)鹽與藻類生長(zhǎng)關(guān)系和機(jī)理更為復(fù)雜，河流水華的發(fā)生除營養(yǎng)鹽限制外，還受到水文情勢(shì)的影響[7]. 不同類型的藻類受河流環(huán)境改變和其他要素的影響，其生長(zhǎng)條件也不盡相同；在大型河流下游地區(qū)，濁度可能降低浮游植物的生產(chǎn)力；而在小型河道，浮游植物的生長(zhǎng)受河段特征和水文條件影響更為顯著[12]. Sterner等[13]通過對(duì)加拿大東部安大略(Ontario)境內(nèi)的31條河流研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)河流水流穩(wěn)定時(shí)藻類葉綠素a濃度與水體磷含量之間呈正相關(guān)；Junga等[14]研究韓國漢江河流下游硅藻水華的環(huán)境影響因素發(fā)現(xiàn)，富營養(yǎng)化河流中硅藻生長(zhǎng)主要受水溫以及硅酸鹽含量的限制，當(dāng)水溫(5～10 ℃)較低時(shí)硅藻含量達(dá)到峰值，導(dǎo)致水體中硅酸濃度降低，而其他營養(yǎng)鹽保持在富營養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽與藻類的葉綠素a濃度關(guān)系并不唯一，在不同水文情勢(shì)下呈現(xiàn)出不同的相關(guān)特性；吳光應(yīng)等[18]通過對(duì)三峽第一大支流大寧河水華暴發(fā)期間的氮、磷營養(yǎng)鹽等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，河流水華暴發(fā)期間的葉綠素a與水體中的氮、磷含量呈正相關(guān)，而總磷是其水華暴發(fā)的主要限制因子. 總的來說，營養(yǎng)鹽是河流藻類生長(zhǎng)甚至暴發(fā)水華的重要驅(qū)動(dòng)力和營養(yǎng)源，但并不是藻類生長(zhǎng)的唯一限制因子，尤其是在重度富營養(yǎng)化河流中水動(dòng)力學(xué)條件對(duì)水華的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用[19]；然而，由于河流水文環(huán)境的復(fù)雜性，截至目前河流水華發(fā)生過程中營養(yǎng)鹽的限制作用和機(jī)理關(guān)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(dòng)力條件，河流的流速、流量等水動(dòng)力條件通過直接和間接作用影響藻類的生長(zhǎng)、發(fā)展及空間分布[21]. 相關(guān)研究表明，不同于湖泊水華，河流流動(dòng)性較強(qiáng)，水華暴發(fā)時(shí)的河流水文狀況、水溫和降水等物理因素往往比營養(yǎng)鹽水平等更為重要[22]；王建慧[23]通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了不同流速條件下的藻類生長(zhǎng)影響試驗(yàn)，結(jié)果表明，在北京以藍(lán)藻為主要優(yōu)勢(shì)藻種的地區(qū)，當(dāng)水體流速在0.7 ms以下時(shí)藻類生長(zhǎng)不會(huì)受到抑制，根據(jù)研究結(jié)果在北京筒子河上安裝推流器來暴氣充氧，攪動(dòng)水體以增加流速，對(duì)抑制藻類的生長(zhǎng)以及水華的暴發(fā)起到了重要作用；Fornarelli等[24]通過長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)觀測(cè)，論證了硅藻細(xì)胞數(shù)量與上游水庫調(diào)水呈顯著相關(guān).等[25- 26]在Pampean河及Darling河的研究發(fā)現(xiàn)，緩慢的水體流動(dòng)可以促進(jìn)懸浮藻類的生長(zhǎng)，但過快的水體流動(dòng)則會(huì)通過抑制藻類的生長(zhǎng)有效阻止水華的形成，即影響水華發(fā)生的水文條件有一個(gè)區(qū)間閾值；LONG等[27]的研究認(rèn)為，0.04 ms是浮游藻類的最適宜生長(zhǎng)流速，Mitrovic等[26,28- 29]采用不同的研究手段驗(yàn)證了不同藻類生長(zhǎng)的最適宜流速各不相同；cs等[30]在歐洲D(zhuǎn)anube河的研究結(jié)果表明流量對(duì)水華的影響顯著，并指出硅藻生長(zhǎng)的適宜流量區(qū)間為100～400 m3s；盧大遠(yuǎn)等[31]研究了1992年春季在漢江下游暴發(fā)的水華事件的特征、成因等發(fā)現(xiàn)，除水中氮、磷補(bǔ)給因素外，水溫、pH、溶解氧等物理參數(shù)以及河道的流量、流速等水文參數(shù)都是水華暴發(fā)的重要影響因素，作者同時(shí)選取上述幾個(gè)參數(shù)作為水華指示因子，并提出了相應(yīng)的警戒值，其中流量最大值為500 m3s，流速應(yīng)小于0.8 ms；Simon等[32]在澳大利亞Hunter河4 a的水華研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)滿足水溫超過23 ℃、流量低于400 m3d時(shí)，以梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)和菱形藻屬(Nitzschiasp.)為優(yōu)勢(shì)藻類的水華事件持續(xù)時(shí)間超過12 d，冗余分析結(jié)果表明，水溫與兩種藻類生物量正相關(guān)，與流量呈負(fù)相關(guān). 因此，除了必要的營養(yǎng)條件外，河流的水動(dòng)力條件也是導(dǎo)致河流水華的重要因素，控制水動(dòng)力條件也是控制水華暴發(fā)的有效途徑.

1.2 大型水利工程對(duì)水華發(fā)生的影響

當(dāng)今全球水利工程建設(shè)的高速發(fā)展無疑是人類文明的重大進(jìn)步，尤其最近幾十年是我國水利大發(fā)展時(shí)期，三峽工程、南水北調(diào)工程等重大水利工程相繼建成運(yùn)行，對(duì)國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民群眾生活帶來了巨大效益和便利；但與此同時(shí)，水利工程的實(shí)施也不同程度地改變了其中下游流域和河道固有的生態(tài)格局，尤其是大型水利工程的建立對(duì)流動(dòng)性河流中浮游植物的生長(zhǎng)豐富度和群落結(jié)構(gòu)影響較為顯著[47]. 水利工程調(diào)水對(duì)河流水華的影響主要體現(xiàn)在水質(zhì)和水文格局兩個(gè)方面：①人類活動(dòng)干擾，包括工業(yè)城鎮(zhèn)污水的排放以及農(nóng)業(yè)污水的匯入等；②水利工程的實(shí)施和建設(shè)可能改變下游河流原有的自然形態(tài)，在河流創(chuàng)建了較大的“死水區(qū)”，形成類似湖泊和水庫的水體特征，從而導(dǎo)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(nèi)外專家學(xué)者圍繞大尺度流域水生態(tài)問題也開展了一些相關(guān)研究工作，Jeong等[51]通過研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)間顯著相關(guān)，Kim等[52]在后續(xù)研究中也證實(shí)了該現(xiàn)象；Lee等[53]通過 FLOW- 3D 水動(dòng)力模型識(shí)別了韓國松島市人造海水運(yùn)河水力特性對(duì)河流藻類生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，水華暴發(fā)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(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)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(shí)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(yǎng)鹽之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，雨季香溪河浮游植物含量與N、P、Si含量顯著負(fù)相關(guān)；鄧春光[55]研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)生水華，并鑒定了優(yōu)勢(shì)藻類為微囊藻和小球藻；陳求穩(wěn)[56]研究了水電開發(fā)工程對(duì)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響，闡述了人類活動(dòng)背景下水動(dòng)力對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制以及水生態(tài)健康的水利調(diào)控技術(shù)；竇明等[6]概述了漢江20世紀(jì)90年代以來發(fā)生的三次水華現(xiàn)象，從水質(zhì)條件、氣溫、水文情勢(shì)三個(gè)方面定性分析了南水北調(diào)中線工程調(diào)水對(duì)漢江水華發(fā)生的影響；李斌等[57]以長(zhǎng)江三峽庫區(qū)湖北段水華暴發(fā)為例，研究了長(zhǎng)江三峽庫區(qū)湖北段各支流水華發(fā)生情況，對(duì)水利工程影響區(qū)的水華發(fā)生的初步成因進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的對(duì)策和建議；劉德富等[58]研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)了分層異重流，改變了三峽水庫支流庫灣的水動(dòng)力條件，導(dǎo)致季節(jié)性水華暴發(fā)現(xiàn)象；王玲玲等[59]通過采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了三峽水庫香溪河庫灣水動(dòng)力過程，模擬了水庫不同調(diào)度方式下的庫灣葉綠素a濃度變化；龍?zhí)煊宓萚60]通過對(duì)嘉陵江重慶主城區(qū)的水華現(xiàn)狀研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域藻類質(zhì)量的凈增長(zhǎng)量與嘉陵江上游大壩來水和下泄流量有關(guān)，流量較大時(shí)河段藻類的生長(zhǎng)受到抑制；張家玉等[61]研究模擬得出，當(dāng)南水北調(diào)中線調(diào)水145×108m3時(shí)，漢江中下游干流的水環(huán)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(jī)理，通過應(yīng)用基于藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)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(shí)別了水文情勢(shì)與河流水華的影響；謝平等[63- 64]根據(jù)漢江水華發(fā)生的成因和關(guān)鍵因子的分析結(jié)果，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)漢江水華發(fā)生的概率進(jìn)行了定性分析，模擬了不同調(diào)水方案對(duì)漢江水華發(fā)生的概率，指出了南水北調(diào)中線工程對(duì)水華的影響主要體現(xiàn)在水文因子上；殷大聰?shù)萚65]對(duì)漢江水華硅藻生物學(xué)特性進(jìn)行了初步分析，從水流速度、光照強(qiáng)度和水體溫度三個(gè)方面研究了水華硅藻的生物學(xué)特性，初步闡明了漢江水華的主要驅(qū)動(dòng)因子；高洪生[66]以福建省九龍江北溪流域梯級(jí)電站建設(shè)后形成的電站庫區(qū)為研究對(duì)象，通過采樣調(diào)查分析評(píng)價(jià)研究區(qū)域水體的營養(yǎng)狀態(tài)，分析氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)與葉綠素a含量的關(guān)系，指出水體中的理化指標(biāo)與浮游植物組成和數(shù)量變化之間的顯著關(guān)系，為解決湖庫水體富營養(yǎng)化問題提供依據(jù).

綜上所述，河流水華受多種影響因素的共同作用并互相發(fā)生改變，是一個(gè)復(fù)雜的多關(guān)聯(lián)高階影響問題. 大型水利工程建設(shè)和實(shí)施影響背景下，上游工程蓄水、調(diào)水將可能引發(fā)下游不同程度的水文情勢(shì)變化，從而改變河段徑流過程，直接影響到水體降解系數(shù)、自凈能力、底泥吸附能力的變化；而降雨、蒸發(fā)量控制著地表徑流量，影響著洪澇干旱的發(fā)生頻率和量級(jí)，進(jìn)而影響水體內(nèi)污染物和營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程；氣溫變化直接控制水體中水溫、生態(tài)條件的變化，也影響水體的化學(xué)和生物特性，以上綜合導(dǎo)致的水環(huán)境指標(biāo)變化將進(jìn)一步影響河流中藻類的分布和生長(zhǎng)，加上人類排污產(chǎn)生的污染負(fù)荷，進(jìn)一步增加河流水生態(tài)環(huán)境退化風(fēng)險(xiǎn). 水利工程背景下的“水文-水環(huán)境-水生態(tài)”作用關(guān)系見圖1.

圖1 水利工程背景下的“水循環(huán)-水環(huán)境-水生態(tài)”作用關(guān)系Fig.1 Relationship among ‘water cycle-water environment-water ecosystem’under background of water project

1.3 對(duì)河流水華發(fā)生的模擬與預(yù)測(cè)

人們?cè)缙趯?duì)水體富營養(yǎng)化的研究區(qū)域多為湖泊和水庫，并形成了大量較為成熟的富營養(yǎng)化機(jī)理模型. 然而，近年來河流水華問題的顯現(xiàn)使得國內(nèi)外學(xué)者嘗試針對(duì)河流水華問題引入一些新的預(yù)測(cè)方法，并提出了適用于河流富營養(yǎng)化問題研究的水華模擬及預(yù)測(cè)模型，其主要包括基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)模型和基于水量水質(zhì)耦合的水華機(jī)理模型. 由于河流水華問題成因復(fù)雜，各影響因子間相互作用的內(nèi)部機(jī)制尚不明確，因此多數(shù)研究是基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的黑箱參數(shù)模型，這類模型從技術(shù)上可分為基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的數(shù)學(xué)參數(shù)模型和基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能算法兩大類. 如回歸模型被廣泛應(yīng)用于藻類動(dòng)力學(xué)模擬，Pinckney等[67]采用主成分分析識(shí)別浮游藻類含量與環(huán)境變量之間的關(guān)系，并在美國卡羅萊納州北部的富營養(yǎng)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(zhǎng)的時(shí)空分布規(guī)律，結(jié)果表明，控制河流富營養(yǎng)化的措施重點(diǎn)應(yīng)放在水華剛開始暴發(fā)的河段，而非在河口地區(qū)；Biggs等[68- 70]均曾利用回歸模型進(jìn)行藻類模擬及分析；王利利[71]采取嘉陵江水樣進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，分析流速、水溫、營養(yǎng)鹽等因素對(duì)藻類葉綠素a濃度的影響規(guī)律，并依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果建立了灰關(guān)聯(lián)定權(quán)組合藻類生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型；WANG等[72]從水動(dòng)力和營養(yǎng)鹽角度討論了三峽庫區(qū)大寧河的藻類濃度與水質(zhì)和水動(dòng)力因素間的相關(guān)關(guān)系，闡明了河流型硅藻水華在不同環(huán)境下的生理特征，并應(yīng)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(jié)果表明，該模型可用于大寧河藻類水華模擬和預(yù)測(cè)；Scharfe等[73]利用德國Elber河下游1997—2001年實(shí)測(cè)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(jié)果表明，盡管模型缺乏機(jī)理研究，但模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合度較高；ZHAO等[74]應(yīng)用拉格朗日法提出了一種類比模型預(yù)測(cè)短期藻類濃度，通過確定氣溫、硅酸鹽、光照強(qiáng)度、葉綠素a濃度等為影響因素的權(quán)重和模擬系數(shù)，預(yù)測(cè)了3 d的日尺度葉綠素a濃度，其他結(jié)果表明該多因素類比的方法對(duì)Elber河其他站點(diǎn)也同樣適用.

總的來說，一般統(tǒng)計(jì)學(xué)模型在處理河流水庫等復(fù)雜非線性生態(tài)系統(tǒng)特征變量時(shí)效果并不理想，一些學(xué)者引入了計(jì)算機(jī)智能算法來增加對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的了解. 如Maier等[75]通過應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，識(shí)別了澳大利亞Murray河水華暴發(fā)時(shí)藻類的生物量高峰；HOU等[76]通過建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)澳大利亞Darling河藍(lán)藻水華發(fā)生進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流量是影響水華暴發(fā)的關(guān)鍵因子；任宏洋等[77]通過建立三峽水庫水華BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，較好地預(yù)測(cè)了2005年三峽庫區(qū)河流的富營養(yǎng)化趨勢(shì)；劉載文等[78]利用改進(jìn)型的BP網(wǎng)絡(luò)，分析了河流水體中葉綠素含量、磷、氮磷比、電導(dǎo)率和水溫等5個(gè)環(huán)境變量之間的關(guān)系，構(gòu)建了北京市長(zhǎng)河水系短期水華預(yù)報(bào)模擬系統(tǒng)；Kim等[79]采用時(shí)間序列優(yōu)選遺傳算法(TSOGP)來預(yù)測(cè)河流藻類數(shù)量，根據(jù)韓國洛東江大壩下游河流水文及理化指標(biāo)，建立了河流硅藻水華模型；Sivapragasam等[80]基于GP算法建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了香港吐露港的水質(zhì)和藻類濃度；Kim等[81]首次將集合卡爾曼濾波(EnKF)數(shù)據(jù)分析技術(shù)引入河流水華預(yù)測(cè)模型，以韓國漢江為例，采用EnKF同化水質(zhì)變量，利用水文模型HSPF和河道流體動(dòng)力模型EFDC建立河道水華預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)同化可以明顯提高模型效率，均方根誤差(RMSE)和平均連續(xù)概率等級(jí)評(píng)分(CPRS)均大幅降低；易仲強(qiáng)[82]分別利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和支持向量機(jī)(SVM)原理建立了三峽水庫支流香溪河庫灣的富營養(yǎng)預(yù)測(cè)模型，為三峽支流回水區(qū)水華的預(yù)防和控制提供了依據(jù)；YANG等[83]為抑制漢江中下游硅藻水華，基于環(huán)境因素建立水華藻類種類組成的廣義相加模型(GAM)，并根據(jù)該模型預(yù)測(cè)結(jié)果提出了一種新的水庫沖刷策略；姚建玉[84]將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引入水華研究中，以三峽庫區(qū)支流香溪河為例建立了水華暴發(fā)數(shù)值模型，開辟了水華暴發(fā)機(jī)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(zhì)耦合的水華機(jī)理模型預(yù)測(cè)藻類生長(zhǎng)，主要是根據(jù)水體中水質(zhì)和水量狀態(tài)，考慮各影響因素對(duì)藻類生長(zhǎng)過程的作用機(jī)理，建立具有一定物理意義的河流藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型. 如Whitehead等[85]基于浮游植物生長(zhǎng)動(dòng)力及過程，在英國Thames河建立了基于過程的多目標(biāo)浮游植物種群預(yù)測(cè)模型，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合度較高；Kim等[86]利用HSPF模型模擬流域水質(zhì)，以及EFDC模型模擬了河道水動(dòng)力過程和水質(zhì)過程，并集合卡爾曼濾波(EnKF)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，三者結(jié)合建立了一個(gè)同時(shí)考慮流域和河道的二維藻類預(yù)測(cè)模型框架，并應(yīng)用在朝鮮半島西南地區(qū)的Youngsan河流域；Bussi等[87]基于藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)在英國泰晤士河建立了新的多目標(biāo)浮游藻類預(yù)測(cè)模型，同時(shí)預(yù)測(cè)幾種藻類含量；王紅萍等[62]引入連續(xù)生物反應(yīng)器原理，將Monod方程應(yīng)用到藻類生長(zhǎng)過程，建立了藻類濃度與水流函數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型；LI等[88]構(gòu)建了包含河流水動(dòng)力影響、營養(yǎng)鹽、藻類生態(tài)等綜合因素的香溪河庫灣三維非結(jié)構(gòu)化富營養(yǎng)化模型，模擬了藻類生物量的季節(jié)變化；諸葛亦斯等[89]應(yīng)用WASP模型模擬了香溪河庫灣的水華變化過程，初步識(shí)別了河流水華發(fā)生成因；WANG等[90]通過應(yīng)用FDC模型研究了藻類與營養(yǎng)關(guān)系的非線性動(dòng)力學(xué)過程，識(shí)別了香溪河兩種典型微囊藻生長(zhǎng)速率的變化過程，模擬了河道內(nèi)藻類總體變化趨勢(shì)和峰值；夏軍等[91- 92]通過應(yīng)用綜合水質(zhì)生態(tài)模型WASP4，構(gòu)建了適用于漢江水華問題的河流水動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型；龍?zhí)煊宓萚93]為研究水動(dòng)力條件對(duì)藻類生長(zhǎng)繁殖的影響，在重慶主城段構(gòu)建了二維非穩(wěn)態(tài)藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，通過提出新的流速影響函數(shù)改進(jìn)了藻類生長(zhǎng)率計(jì)算公式.

2 當(dāng)前研究難點(diǎn)和未來研究方向

2.1 當(dāng)前研究難點(diǎn)

總體來看，在變化環(huán)境下(包括人為影響和自然氣候變化雙重影響下)的水生態(tài)問題尤其是在河流水華暴發(fā)的問題研究上，近年來中外學(xué)者已經(jīng)做了一些相關(guān)研究工作，包括在大型流域的長(zhǎng)序列大尺度氣候變化背景下河流水華暴發(fā)的趨勢(shì)分析、大型水利工程對(duì)水華的影響以及營養(yǎng)鹽負(fù)荷對(duì)水華的影響等多個(gè)方面均有涉及. 然而，國外資源環(huán)境和人口壓力沒有中國所面臨的那樣嚴(yán)峻，國外水利建設(shè)和水利工程規(guī)模也遠(yuǎn)沒有中國南水北調(diào)工程和三峽工程巨大，其影響的尺度、后果與對(duì)策應(yīng)用基礎(chǔ)研究相對(duì)較少. 在不斷變化的環(huán)境下，當(dāng)前我國水利工程調(diào)水影響下的河流水華研究仍面臨著一些新的問題與挑戰(zhàn).

a) 過去關(guān)于水利工程對(duì)下游水生態(tài)的影響研究多是基于情景假設(shè)和規(guī)劃條件下的預(yù)斷，當(dāng)前以實(shí)際工程調(diào)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(diào)、三峽工程等)相繼正式投入實(shí)施，其影響區(qū)中下游河段實(shí)際水文情況勢(shì)必與預(yù)期有明顯差別.

b) 大型水利工程調(diào)水影響下的河流水華發(fā)生機(jī)理尚不明確，多數(shù)藻類生長(zhǎng)機(jī)理模型并沒有將流域水循環(huán)過程影響納入考慮范圍；尤其是河流水華模擬及預(yù)測(cè)方法，受研究區(qū)域環(huán)境影響因素復(fù)雜性和水生態(tài)數(shù)據(jù)等限制，多是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)模型方法，或是基于水質(zhì)水生態(tài)耦合的水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)河流生態(tài)水文過程作用機(jī)理與耦合及定量關(guān)系分析方面的研究相對(duì)匱乏.

c) 多數(shù)大型水利工程影響下的河流水華問題研究多是針對(duì)河流水文情勢(shì)變化對(duì)藻類生長(zhǎng)的單項(xiàng)影響研究，往往對(duì)于復(fù)雜變化環(huán)境下的河流水華暴發(fā)模擬與預(yù)測(cè)效果不佳；缺乏考慮以水系統(tǒng)論為導(dǎo)向，關(guān)聯(lián)河流水華發(fā)生條件中的水動(dòng)力過程(水量變化)、生物地球化學(xué)過程(氣候、水質(zhì)與水生態(tài)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(huán)境下的河流水生態(tài)影響關(guān)系問題是當(dāng)前水科學(xué)研究的核心和國際前沿[94]. 國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(IAHS)未來十年的水文科學(xué)計(jì)劃(PantaRhei，2013—2022)將重點(diǎn)探索高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下的社會(huì)水文學(xué)問題；未來地球科學(xué)計(jì)劃(Future Earth，2015—2024)強(qiáng)調(diào)自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)深度交叉. 在國際水科學(xué)領(lǐng)域，未來的發(fā)展方向也從傳統(tǒng)的工程水文和環(huán)境水文，逐步擴(kuò)展到生態(tài)水文及將水文、水環(huán)境、水生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切耦合、聯(lián)系的水系統(tǒng)科學(xué)(Water System Sciences)研究，如全球水系統(tǒng)(GWSP)、流域水系統(tǒng)(IGC)等. 在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系的高強(qiáng)度人類活動(dòng)和全球氣候變化雙重影響背景下，實(shí)際流域水循環(huán)過程已不完全是純自然的降水-徑流-蒸發(fā)以及地表水、地下水的轉(zhuǎn)化過程，而是與水循環(huán)過程中伴隨的坡面、河流、湖泊(水庫)多個(gè)環(huán)節(jié)的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化(水環(huán)境)過程密切聯(lián)系，與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中河流開發(fā)、水體調(diào)蓄和各行業(yè)部門取用水、跨流域調(diào)水以及農(nóng)業(yè)、生態(tài)耗用水過程和水管理政策的制約與作用緊密相聯(lián)[94]. 隨著全球變化和流域、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利工程影響下的河流水華問題更加復(fù)雜，不同于一般的湖庫富營養(yǎng)化問題，其不僅與水循環(huán)物理過程(水量及水沙變化)有關(guān)，而且與水循環(huán)聯(lián)系的生物及生物地球化學(xué)過程(水質(zhì)與水生態(tài))和社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與管理人文過程直接聯(lián)系；當(dāng)前，研究如何以水循環(huán)為紐帶，構(gòu)建由人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)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(guān)聯(lián)與反饋的水系統(tǒng)體系(見圖2)，將是未來解決河流水華問題研究的重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì). 如何以單一的河流生態(tài)水文過程為主要研究對(duì)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(tǒng)模型，重點(diǎn)研究人類活動(dòng)情景下“水文-水質(zhì)-水生態(tài)”三者之間的相互作用機(jī)制, 進(jìn)而科學(xué)地分析水利工程調(diào)水對(duì)水華發(fā)生的潛在影響，提出有效應(yīng)對(duì)水華發(fā)生的管理對(duì)策和水利優(yōu)化調(diào)度，仍是當(dāng)前水文學(xué)研究領(lǐng)域亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題.

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

3 結(jié)論與展望

在大型水利工程影響區(qū)開展與水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河流水華暴發(fā)的綜合模擬研究與歸因分析，不僅是優(yōu)化大型水利工程調(diào)度和適應(yīng)性措施的重要需求，也是落實(shí)我國生態(tài)文明建設(shè)水與生態(tài)學(xué)交叉研究的重要科學(xué)前沿問題. 以水循環(huán)為紐帶聯(lián)系的三大過程及其構(gòu)成的流域水系統(tǒng)調(diào)控問題的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，是破解我國復(fù)雜水環(huán)境和水生態(tài)問題的國家重大需求的關(guān)鍵與核心. 因此，在研究該問題的技術(shù)路線上，需要重點(diǎn)抓住:

a) 研究變化環(huán)境下的水文變化、人類活動(dòng)導(dǎo)致的營養(yǎng)鹽負(fù)荷變化、工程調(diào)水導(dǎo)致河流徑流變化所引起的水華問題的“檢測(cè)”、“作用”與“歸因”分析三個(gè)互聯(lián)的關(guān)鍵科學(xué)問題；針對(duì)研究區(qū)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(zhì)指標(biāo)濃度變化、污染負(fù)荷等同步檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以及藻類水華的主要營養(yǎng)源來源、種類及分布，污染負(fù)荷主要來源和變化，河流水文條件與水華的相關(guān)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(guān)鍵要素敏感性綜合識(shí)別，辨識(shí)水文情勢(shì)變化和水生態(tài)變化二者之間的作用關(guān)系和主要影響因素，檢測(cè)評(píng)價(jià)河流水華問題成因.

b) 開展從檢測(cè)、評(píng)價(jià)、水系統(tǒng)模型研究和歸因分析的科學(xué)研究方案，將水系統(tǒng)理論方法和水文物理方法相結(jié)合，識(shí)別水利工程背景下河流水華暴發(fā)的關(guān)鍵因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)制. 通過構(gòu)建水文水生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，以水文循環(huán)為紐帶，建立能反映水文條件變化、河道污染物來源辨識(shí)、藻類生長(zhǎng)-死亡作用機(jī)理過程相互作用的“水循環(huán)-水質(zhì)-水生態(tài)”水系統(tǒng)體系. 綜合分析研究河流水文情勢(shì)變化、河道水質(zhì)變化以及藻類生長(zhǎng)過程之間的關(guān)系，并定量分析各要素對(duì)河流水華發(fā)生的貢獻(xiàn).

c) 探索工程調(diào)水對(duì)其中下游河流水華發(fā)生的影響規(guī)律，從而為優(yōu)化水利調(diào)度和水科學(xué)管理提供科學(xué)技術(shù)支撐. 基于研發(fā)的定量描述復(fù)雜系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系的水系統(tǒng)耦合模型，圍繞工程調(diào)水導(dǎo)致的水文情勢(shì)變化，營養(yǎng)鹽負(fù)荷如何導(dǎo)致水華發(fā)生及其各自作用與貢獻(xiàn)機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問題，在分離污染負(fù)荷和人類活動(dòng)對(duì)河流水華的影響與貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，開展不同情境下工程調(diào)水對(duì)河流水華發(fā)生頻率與強(qiáng)度的增益作用評(píng)估，提出應(yīng)對(duì)變化環(huán)境影響下減低水華風(fēng)險(xiǎn)的水管理對(duì)策. 通過設(shè)計(jì)未來不同調(diào)水規(guī)模情景，對(duì)河流水華發(fā)生概率進(jìn)行情景分析和模擬，開展不同情境下工程調(diào)水對(duì)河流水華發(fā)生頻率與強(qiáng)度的增益作用評(píng)估，提出應(yīng)對(duì)變化環(huán)境影響下減低水華風(fēng)險(xiǎn)的水管理對(duì)策.

[1] KASPERSEN B S,CHRISTENSEN T B,FREDENSLUND A M,etal.Linking climate change mitigation and coastal eutrophication management through biogas technology:evidence from a new Danish bioenergy concept[J].Science of the Total Environment,2016,541:1124- 1131.

[2] 第三次氣候變化國家評(píng)估報(bào)告編寫委員會(huì).第三次氣候變化國家評(píng)估報(bào)告[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[3] XIA Rui,CHEN Zhi,ZHOU Yun.Impact assessment of climate change on algal blooms by a parametric modeling study in Han River[J].Journal of Resources and Ecology,2012,3(3):209- 219.

[4] XIA Jun,ZHANG Yongyong.Water security in north China and countermeasure to climate change and human activity[J].Physics and Chemistry of the Earth,Parts A/B/C,2008,33(5):359- 363.

[5] 楊強(qiáng),謝平,徐軍,等.河流型硅藻水華研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2011(S1):159- 165. YANG Qiang,XIE Ping,XU Jun,etal.Research advances of diatom bloom in rivers[J].Resources & Environment in the Yangtze Basin,2011(S1):159- 165.

[6] 竇明,謝平,夏軍,等.漢江水華問題研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(5):557- 561. DOU Ming,XIE Ping,XIA Jun,etal.Study on algal bloom in Hanjiang River[J].Advances in Water Science,2002,13(5):557- 561.

[7] WHITEHEAD P,WILBY R,BATTARBEE R,etal.A review of the potential impacts of climate change on surface water quality[J].Hydrological Sciences Journal,2009,54(1):101- 123.

[8] WETZEL R G.Limnology[M].Philadelphia:Saunders College Publishing,1983.

[9] 王成林,潘維玉,韓月琪,等.全球氣候變化對(duì)太湖藍(lán)藻水華發(fā)展演變的影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2010,30(6):822- 828. WANG Chenglin,PAN Weiyu,HAN Yueqi,etal.Effect of global climate change on cyanobacteria bloom in Taihu Lake[J].China Environmental Science,2010,30(6):822- 828.

[10] 蘇潔瓊,王烜,楊志峰.考慮氣候因子變化的湖泊富營養(yǎng)化模型研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(11):3197- 3206. SU Jieqiong,WANG Xuan,YANG Zhifeng.Lake eutrophication modeling in considering climatic factors change:a review[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23(11):3197- 3206.

[11] 陳永燦,俞茜,朱德軍,等.河流中浮游藻類生長(zhǎng)的可能影響因素研究進(jìn)展與展望[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2014,33(4):186- 195. CHEN Yongcan YU Qian,ZHU Dejun,etal.Possible influencing factors on phytoplankton growth and decay in rivers:review and perspective[J].Shuili Fadian Xuebao/journal of Hydroelectric Engineering,2014,33(4):186- 195.

[12] REYNOLDS C,DESCY J P.The production,biomass and structure of phytoplankton in large rivers[J].Large Rivers,1996:161- 187.

[13] STERNER R,KILHAM S,JOHNSON F,etal.Factors regulating phytoplankton and zooplankton biomass in temperate rivers[J].Limnol Oceanogr,1996,41(7):1572- 1577.

[14] JUNG S W,KWON O Y,LEE J H,etal.Effects of water temperature and silicate on the winter blooming diatom stephanodiscus hantzschii (Bacillariophyceae) growing in eutrophic conditions in the Lower Han River,South Korea[J].Journal of Freshwater Ecology,2009,24(2):219- 226.

[15] KISS K.Trophic level and eutrophication of the River Danube in Hungary[J].Internationale Vereinigung fur Theoretische und Angewandte Limnologie Verhandlungen,1994,25(3):1688- 1691.

[16] HILTON J,O′HARE M,BOWES M J,etal.How green is my river? a new paradigm of eutrophication in rivers[J].Science of the Total Environment,2006,365(1):66- 83.

[17] BOWES M,GOZZARD E,JOHNSON A,etal.Spatial and temporal changes in chlorophyll-a concentrations in the River Thames basin,UK:are phosphorus concentrations beginning to limit phytoplankton biomass?[J].Science of the Total Environment,2012,426:45- 55.

[18] 吳光應(yīng),劉曉靄.大寧河水體營養(yǎng)鹽狀況與水華爆發(fā)之間關(guān)系分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè),2009,25(4):98- 101. WU Guangying,LIU Xiaoxia.Analysis on the relationship between nutrients and water blooms in the Daning River[J].Environment al Monitoring in China,2009,25(4):98- 101.

[19] DUMITRAN G E.Chemical and biological modelling of water quality in rivers[J].Revista de Chimie,2010,61(2):192- 195.

[20] ALLAN J D,CASTILLO M M.Stream ecology:structure and function of running waters[M].Dordrecht:Springer Science & Business Media,2007:436.

[21] 梁培瑜,王烜,馬芳冰.水動(dòng)力條件對(duì)水體富營養(yǎng)化的影響[J].湖泊科學(xué),2013,25(4):455- 462. LIANG Peiyu,WANG Xuan,MA Fangbing.Effect of hydrodynamic conditions on water eutrophication:a review[J].Journal of Lake Sciences,2013,25(4):455- 462.

[22] REYNOLDS C,DESCY J P,PADIS K J.Are phytoplankton dynamics in rivers so different from those in shallow lakes?[M].Phytoplankton in Turbid Environments:Rivers and Shallow Lakes.Springer Netherlands,1994,100(1/2/3):1- 7.

[23] 王建慧.流速對(duì)藻類生長(zhǎng)影響試驗(yàn)及應(yīng)用研究[D].北京:清華大學(xué),2012.

[24] FORNARELLI R G S,ANTENUCCI J P.Input variable selection for ecological modeling in inter-basin water transfer management[M].19th International Congress on Modeling and Simulation-Sustaining Our Future:Understanding and Living with Uncertainty,Perth:Modelling and Simulation Society of Australia and New Zealand (MSSANZ),2011:4022- 4028.

[26] MITROVIC S M,HARDWICK L,DORANI F.Use of flow management to mitigate cyanobacterial blooms in the Lower Darling River,Australia[J].Journal of Plankton Research,2011,33(2):229- 241.

[27] LONG Tianyu,WU Lei,MENG Guohu,etal.Numerical simulation for impacts of hydrodynamic conditions on algae growth in Chongqing Section of Jialing River,China[J].Ecological Modelling,2011,222(1):112- 119.

[28] D′AMOURS O,SCHEIBLING R E.Effect of wave exposure on morphology,attachment strength and survival of the invasive green algaCodiumfragilessp.tomentosoides[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2007,351(1):129- 142.

[29] 王婷婷,朱偉,李林.不同溫度下水流對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響模擬[J].湖泊科學(xué),2010,22(4):563- 568. WANG Tingting,ZHU Wei,LI Lin.Simulation on the hydrodynamic effects ofMicrocystisaeruginosain different temperature conditions[J].Journal of Lake Sciences,2010,22(4):563- 568.

[31] 盧大遠(yuǎn),劉培剛,范天俞,等.漢江下游突發(fā)“水華”的調(diào)查研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2000,13(2):28- 31. LU Dayuan,LIU Peigang,Fan Tianyu,etal.The investigation of ′water bloom′ in the downstream of the Han River[J].Research of Environmentalences,2000,13(2):28- 31.

[32] MITROVIC S M,CHESSMAN B C,DAVIE A,etal.Development of blooms ofCyclotellameneghinianaandNitzschiaspp.(Bacillariophyceae) in a shallow river and estimation of effective suppression flows[J].Hydrobiologia,2008,596(1):173- 185.

[33] SCHINDLER D W,BAYLEY S E,PARKER B R,etal.The effects of climatic warming on the properties of boreal lakes and streams at the Experimental Lakes Area,northwestern Ontario[J].Limnology and Oceanography,1996,41:1004- 1017.

[34] GERTEN D,ADRIAN R.Climate-driven changes in spring plankton dynamics and the sensitivity of shallow polymictic lakes to the North Atlantic Oscillation[J].Limnology and Oceanography,2000,45(5):1058- 1066.

[35] PHLIPS E,CICHRA M,ALDRIDGE F,etal.Light availability and variations in phytoplankton standing crops in a nutrient-rich blackwater river[J].Limnology and Oceanography,2000,45(4):916- 929.

[36] S?BALLE D,THRELKELD S.Advection,phytoplankton biomass,and nutrient transformations in a rapidly flushed impoundment[J].Archiv fur Hydrobiologie Stuttgart,1985,105(2):187- 203.

[37] 李春青.漢江“水華”的影響因素分析與研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2007.

[38] HUBER V,ADRIAN R,GERTEN D.Phytoplankton response to climate warming modified by trophic state[J].Limnology and Oceanography,2008,53(1):1- 13.

[39] PHLIPS E J,HENDRICKSON J,QUINLAN E L,etal.Meteorological influences on algal bloom potential in a nutrient‐rich blackwater river[J].Freshwater Biology,2007,52(11):2141- 2155.

[40] 夏星輝,吳瓊,牟新利.全球氣候變化對(duì)地表水環(huán)境質(zhì)量影響研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2012,23(1):124- 133. XIA Xinghui,WU Qiong,MOU Xingli.Advances in impacts of climate change on surface water quality[J].Shuikexue Jinzhanadvances in Water Science,2012,23(1):124- 133.

[41] JIANG Xia,JIN Xiangcan,YAO Yang,etal.Effects of biological activity,light,temperature and oxygen on phosphorus release processes at the sediment and water interface of Taihu Lake,China[J].Water Research,2008,42(8):2251- 2259.

[42] LEWIS W M,HAMILTON S K,LASI M A,etal.Ecological determinism on the Orinoco floodplain A 15-year study of the Orinoco floodplain shows that this productive and biotically diverse ecosystem is functionally less complex than it appears.hydrographic and geomorphic controls induce a high degree of determinism in biogeochemical and biotic processes[J].Bio Science,2000,50(8):681- 692.

[43] GAMIER J,BILLEN G,COSTE M.Seasonal succession of diatoms and chlorophyceae in the drainage network of the Seine River:observation and modeling[J].Limnology and Oceanography,1995,40(4):750- 765.

[44] HA K,KIM H W,JOO G J.The phytoplankton succession in the lower part of hypertrophic Nakdong River (Mulgum),South Korea[J].Hydrobiologia,1998,369- 370:217- 227.

[45] 況琪軍,譚渝云,萬登榜,等.漢江中下游江段藻類現(xiàn)狀調(diào)查及“水華”成因分析[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2000,9(1):63- 70. KUANG Qijun,TAN Yuyun,WAN Dengbang,etal.On the phytoplankton in the middle and lower reaches of Hanjiang River and the prevention of water blooms[J].Resources & Enuironment in the Yangtza Basin,2000,9(1):63- 70.

[46] 郝秀平,夏軍,王蕊.氣候變化對(duì)地表水環(huán)境的影響研究與展望[J].水文,2010,30(1):67- 72. HAO Xiuping,XIA Jun,WANG Rui.Influence of climate change on surface water environment[J].Journal of China Hydrology,2010,30(1):67- 72.

[47] 龐燕飛,周解.紅水河巖灘建壩前后水質(zhì)因子的變化及浮游植物響應(yīng)[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2008,28(3):99- 102.

[48] LU G B,WANG J,WANG H J,etal.Impacts of human activities on the flow regime of the Hanjiang River[J].Research of Environmental Sciences,2009,15(1):12- 13.

[49] BAKER P D,BROOKES J D,BURCH M D,etal.Advection,growth and nutrient status of phytoplankton populations in the lower River Murray,South Australia[J].Regulated Rivers:Research & Management,2000,16(4):327- 344.

[50] LLORET J,MAR N A,MAR N-GUIRAO L.Is coastal lagoon eutrophication likely to be aggravated by global climate change?[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2008,78(2):403- 412.

[51] JEONG K S,KIM D K,JOO G J.Delayed influence of dam storage and discharge on the determination of seasonal proliferations ofMicrocystisaeruginosaandStephanodiscushantzschiiin a regulated river system of the lower Nakdong River (South Korea)[J].Water Research,2007,41(6):1269- 1279.

[52] KIM M C,JEONG K S,KANG D K,etal.Time lags between hydrological variables and phytoplankton biomass responses in a regulated river (the Nakdong River)[J].Journal of Ecology & Environment,2009,32(4):221- 227.

[53] LEE S O,KIM S,KIM M,etal.The effect of hydraulic characteristics on algal bloom in an artificial seawater canal:a case study in Songdo City,South Korea[J].Water,2014,6(2):399- 413.

[54] ZENG Hui,SONG Lirong,YU Zhigang,etal.Distribution of phytoplankton in the Three-Gorge Reservoir during rainy and dry seasons[J].Science of the Total Environment,2006,367(2):999- 1009.

[55] 鄧春光.三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化研究[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2007.

[56] 陳求穩(wěn).生態(tài)水力學(xué)及其在水利工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模擬調(diào)控中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2016,47(3):413- 423. CHEN Qiuwen.Discipline of ecohydraulics and the application to modeling and mitigating eco-environmental effects of hydraulic works[J].Journal of Hydraulic Engineering,2016,47(3):413- 423.

[57] 李斌,盧偉,閆海.長(zhǎng)江三峽庫區(qū)湖北段水華發(fā)生情況及成因分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012(S1):214- 216. LI Bin,LU Wei,YAN Hai.Yangtze River Three Gorges Reservoir area Hubei sections of water blooms context and causes analysis[J].Environmental Science & Technology,2012(S1):214- 216.

[58] 劉德富,楊正健,紀(jì)道斌,等.三峽水庫支流水華機(jī)理及其調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào),2016,47(3):443- 454. LIU Defu,YANG Zhengjian,JI Daobin,etal.A review on the mechanism and its controlling methods of the algal blooms in the tributaries of Three Gorges Reservoir[J].Journal of Hydraulic Engineering,2016,47(3):443- 454.

[59] 王玲玲,戴會(huì)超,蔡慶華.香溪河生態(tài)調(diào)度方案的數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(4):111- 114. WANG Lingling,DAI Huichao,CAI Qinghua.Numerical simulation of the ecological operation schedule in Xiangxi River[J].Journal of Huazhong University of Science & Technology,2009,37(4):111- 114.

[60] 龍?zhí)煊?劉臘美,郭蔚華,等.流量對(duì)三峽庫區(qū)嘉陵江重慶主城段藻類生長(zhǎng)的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(4):104- 108. LONG Tianyu,LIU Lamei,GUO Weihua,etal.Effect of runoff on algal growth in reach of Jialing River in city zone of Chongqing[J].Research of Environmental Sciences,2008,21(4):104- 108.

[61] 張家玉,羅莉,李春生,等.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游生態(tài)環(huán)境影響研究[J].環(huán)境科學(xué)技術(shù),2000(S1):1- 32. ZHANG Jiayu,LUO Li,LI Chunsheng,etal.The impact of South-to-North water diversion project on the ecological environment at downstream of Han Jiang River[J].Environmental Science & Technology,2000(S1):1- 32.

[62] 王紅萍,夏軍,謝平,等.漢江水華水文因素作用機(jī)理:基于藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2004,13(3):282- 285. WANG Hongping,XIA Jun,XIE Ping,etal.Mechanisms for hydrological factors causing algal blooms in Hanjiang River:Sased on kinetics of algae growth[J].Resources & Environment in the Yangtze Basin,2004,13(3):282- 285.

[63] 謝平,夏軍,竇明,等.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游水華的影響及對(duì)策研究:Ⅱ.漢江水華發(fā)生的概率分析與防治對(duì)策[J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(5):545- 549. XIE Ping,XIA Jun,DOU Ming,etal.Research into the effects of the middle route of China′ south-to-north water transfer project on water bloom in the middle-down stream of Hanjiang Riverand the countermeasures Part II:a probability analysis of the water bloom in Hanjiang River and prevention countermeasures[J].Journal of Natural Resources,2004,19(5):545- 549.

[64] 謝平,夏軍,竇明,等.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游水華的影響及對(duì)策研究:Ⅰ.漢江水華發(fā)生的關(guān)鍵因子分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(4):418- 423. XIE Ping,XIA Jun,DOU Ming,etal.Research into the effects of the middle route of China′ south-to-north water transfer project on water bloom in the middle-down stream of Hanjiang Riverand the countermeasures Part Ⅰ:an analysis of the key factors generating water bloom in Hanjiang Ri[J].Journal of Natural Resources,2004,19(4):418- 423.

[65] 殷大聰,黃薇,吳興華,等.漢江水華硅藻生物學(xué)特性初步研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2012,29(2):6- 10. YIN Dacong,HUANG Wei,WU Xinghua,etal.Preliminary study on biological characteristics of spring diatom bloom in the Hanjiang River[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2012,29(2):6- 10.

[66] 高洪生.湖庫化河流水體富營養(yǎng)化研究:以九龍江北溪為例[D].福州:福建師范大學(xué),2011.

[67] PINCKNEY J L,MILLIE D F,VINYARD B T,etal.Environmental controls of phytoplankton bloom dynamics in the Neuse River Estuary,North Carolina,USA[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,1997,54(11):2491- 2501.

[68] BIGGS B J.Eutrophication of streams and rivers:dissolved nutrient-chlorophyll relationships for benthic algae[J].Journal of the North American Benthological Society,2000,19(1):17- 31.

[69] LANE J Q,RAIMONDI P T,KUDELA R M.Development of a logistic regression model for the prediction of toxigenic Pseudo-nitzschia blooms in Monterey Bay,California[J].Marine Ecology Progress Series,2009,383:37- 51.

[70] KIRKWOOD A E,SHEA T,JACKSON L J,etal.Didymosphenia geminata in two Alberta headwater rivers:an emerging invasive species that challenges conventional views on algal bloom development[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,2007,64(12):1703- 1709.

[71] 王利利.水動(dòng)力條件下藻類生長(zhǎng)相關(guān)影響因素研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[72] WANG L P,ZHENG B H.Prediction of chlorophyll-a in the Daning River of Three Gorges Reservoir by principal component scores in multiple linear regression models[J].Water Science and Technology,2013,67(5):1150- 1158.

[73] SCHARFE M,CALLIES U,BL CKER G,etal.A simple Lagrangian model to simulate temporal variability of algae in the Elbe River[J].Ecological Modelling,2009,220(18):2173- 2186.

[74] ZHAO Xiaodong,ZHANG Hongjian,TAO Xiaolei.Predicting the short-time-scale variability of chlorophyll a in the Elbe River using a Lagrangian-based multi-criterion analog model[J].Ecological Modelling,2013,250:279- 286.

[75] MAIER H R,DANDY G C,BURCH M D.Use of artificial neural networks for modelling cyanobacteriaAnabaenaspp.in the River Murray,South Australia[J].Ecological Modelling,1998,105(2):257- 272.

[76] HOU Guoxiang,LI Hongbin,RECKNAGEL F,etal.Modeling phytoplankton dynamics in the River Darling (Australia) using the radial basis function neural network[J].Journal of Freshwater Ecology,2006,21(4):639- 647.

[77] 任宏洋,張代鈞,盧培利,等.基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的湖,庫富營養(yǎng)化模型研究[J].環(huán)境污染與防治,2005,27(5):371- 374. REN Hongyang,ZHANG Daijun,LU Peilu,etal.The entrophication model of the lakes and reservoirs based on the structured programming[J].Environmental Pollution & Control,2005,27(5):371- 374.

[78] 劉載文,楊斌,黃振芳,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的北京市水體水華短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007,43(28):243- 245. LIU Zaiwen,YANG Bin,HUANG Zhenfang,etal.Water bloom short time predicting system of Beijing based on neural network[J].Computer Engineering and Applications,2007,43(28):243- 245.

[79] KIM D K,JEONG K S,WHIGHAM P A,etal.Winter diatom blooms in a regulated river in South Korea:explanations based on evolutionary computation[J].Freshwater Biology,2007,52(10):2021- 2041.

[80] SIVAPRAGASAM C,MUTTIL N,MUTHUKUMAR S,etal.Prediction of algal blooms using genetic programming[J].Marine Pollution Bulletin,2010,60(10):1849- 1855.

[81] KIM K,PARK M,MIN J H,etal.Simulation of algal bloom dynamics in a river with the ensemble Kalman filter[J].Journal of Hydrology,2014,519:2810- 2821.

[82] 易仲強(qiáng).基于ANN和SVM的三峽水庫香溪河庫灣富營養(yǎng)化預(yù)測(cè)研究[D].宜昌:三峽大學(xué),2011.

[83] YANG Q,XIE P,SHEN H,etal.A novel flushing strategy for diatom bloom prevention in the lower-middle Hanjiang River[J].Water Research,2012,46(8):2525- 2534.

[84] 姚建玉.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的水華暴發(fā)數(shù)值模型研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[85] WHITEHEAD P G,BUSSI G,BOWES M J,etal.Dynamic modelling of multiple phytoplankton groups in rivers with an application to the Thames River system in the UK[J].Environmental Modelling & Software,2015,74:75- 91.

[86] KIM K,RYU I,MIN J,etal.Simulation of algal bloom dynamics in a river with the ensemble Kalman filter[J].Journal of Hydrology,2014,519(519):2810- 2821.

[87] BUSSI G,WHITEHEAD P,BOWES M,etal.Dynamic modelling of multiple phytoplankton groups in rivers with an application to the Thames river system in the UK[J].Environmental Modelling & Software,2015,74(C):75- 91.

[88] LI J,JIN Z W,YANG W J.Numerical modeling of the Xiangxi River algal bloom and sediment-related process in China[J].Ecological Informatics,2014,22:23- 35.

[89] 諸葛亦斯,歐陽麗,紀(jì)道,等.三峽水庫香溪河庫灣水華生消的數(shù)值模擬分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2009(5):18- 22. ZHUGE Yisi,OUYANG Li,JI Dao,etal.Numerical simulation of algal bloom in the Xiangxi River Bay at the Three Gorges Reservoir[J].China Rural Water & Hydropower,2009(5):18- 22.

[90] WANG Lan,CAI Qinghua,ZHANG Min,etal.Estimating in situ growth rate ofMicrocystisby FDC technique,with comparison of different sampling periods:a case study from Xiangxi Bay,Three Gorges Reservoir,China[J].Fresenius Environmental Bulletin,2010,19(8a):1576- 1581.

[91] 夏軍,張華.漢江富營養(yǎng)化動(dòng)態(tài)模型研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2001,23(1):20- 23. XIA Jun,ZHANG Hua.Dynamic model of eutrophication in Hanjiang River[J].Chongqing Environmental Science,2001,23(1):20- 23.

[92] 夏軍,竇明.水體富營養(yǎng)化綜合水質(zhì)模型及其應(yīng)用研究[J].上海環(huán)境科學(xué),2000,19(7):302- 304. XIA Jun,DOU Ming.Study on eutrophication synthetic water quality model and its application[J].Shanghai Environmental Sciences,2000,19(7):302- 304.

[93] 龍?zhí)煊?蒙國湖,吳磊,等.水動(dòng)力條件對(duì)嘉陵江重慶主城段藻類生長(zhǎng)影響的數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(7):1498- 1503. LONG Tianyu,MENG Guohu,WU Lei,etal.Numerical simulation for effects of hydrodynamic condition on algae growth in Chongqing reaches of Jialing River[J].Environmental Science,2010,31(7):1498- 1503.

[94] 夏軍.氣候變化對(duì)河湖水環(huán)境生態(tài)影響及其對(duì)策[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

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(xué)基金項(xiàng)目(41571050)

張遠(yuǎn)(1970-)，男，遼寧沈陽人，研究員，博士，主要從事河流生態(tài)學(xué)、流域生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究，zhangyuan@craes.org.cn.

*責(zé)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(tài)研究，xiarui@craes.org.cn

X522

1001- 6929(2017)08- 1163- 11

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.59

張遠(yuǎn),夏瑞,張孟衡,等.水利工程背景下河流水華暴發(fā)成因分析及模擬研究[J].環(huán)境科學(xué)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.