汉江下游水华暴发的多影响要素识别与成因机制研究

Han River is an important water source of the middle route of South to North Water Transfer Project, it becomes an international and domestic concern since water blooms have been frequently occurred in recent years. There is a considerable uncertainty about whether the change of hydrological regime and other factors will aggravate the water bloom in the downstream of Han River. This study aims to identify how does the water bloom occurred, by changing of hydrological regime and nutrient load under impact of water project by developing a hydrology and water ecology simulation system with an independence knowledge property. Research is conducted in the downstream of Han River with following three aspects: (1) to understand the driving mechanism and causes of water bloom in Han River under changing environment based on data analysis; (2) to develop an “hydrology-water quality- water ecology” coupling model under background of multi-effects; (3) to propose countermeasures on how to minimize the risk of river water bloom by scenario analysis. The goal of this study is to develop a system theory method for river bloom simulation, which is expected to give theoretical supports to address sustainability strategies on river ecologic conservation.

汉江是南水北调中线工程的重要水源地，其下游频繁发生的河流水华问题成为国内外关注的焦点。如何揭示多要素影响下的汉江水华暴发成因，既是国家重大战略需求，也是水文与生态交叉学科的国际前沿和热点。本文针对大型河流水华暴发的多影响要素特征与成因识别的关键科学问题，重点开展三个方面的研究：（1）通过对长序列实测数据的系统分析，开展汉江河流型水华暴发的特征检测，定量化识别可能导致汉江水华暴发的关键影响要素的贡献率，探索了水文过程变化对汉江水华暴发的驱动机制；（2）面向汉江水华多要素复杂问题，通过耦合流域分布式水文模型、水动力水质模型、以及基于汉江水华暴发关键水文要素影响规律识别后改进的富营养化模型，建立具有物理机制的新一代汉江水华综合模型，为揭示河流水华暴发的内在规律提供科学的分析工具；（3）开展变化环境下的情景模拟与分析，探索导致汉江下游水华发生的多要素组合效应与响应规律。本研究的创新重在发展多要素影响下河流水华的特征检测与成因识别理论方法，目的是探索如何减少汉江水华、保护河流水生态的多学科交叉与综合研究的系统方法与实践，旨在为汉江上游水利工程调度提供应用基础的科学支撑。

汉江是长江经济带中游的重要组成部分，也是我国南水北调中线工程的主要水源地和影响区。然而，近几十年汉江下游频繁暴发的水华事件对沿岸居民尤其是武汉市的饮用水安全造成了严重危害，并引起了国内外的广泛关注。在大型水利工程影响区开展与流域水文、水质和水生态过程相互关联的河流水华问题研究，揭示复杂河流水文条件下的汉江水华暴发成因，既是国家重大需求，也是水文与生态交叉学科的前沿和热点。本文基于大量国内外相关文献检索和现场实测数据分析，重点围绕多要素影响下河流水华暴发的“检测”、“归因”和“响应”三个互联的关键科学问题，开展了以下创新性研究：（1）基于大数据分析检测了可能导致汉江下游水华暴发的多影响要素变化特征，分离并定量解析了关键因素及其贡献，为揭示河流水华暴发成因提供重要依据；（2）辨识了不同水华发生时期的汉江和长江水位变化差异，首次发现当春季汉江和长江水位变化均呈现“平稳态势”时汉江下游容易暴发水华现象这一自然规律，并进一步提出综合水位变化率与藻类密度变化率之间的非线性函数关系，为后续改进适用于河流复杂水文条件下的汉江水华综合模型建立基础；（3）紧密围绕流域水文循环过程（DTVGM）、河道水动力水质过程（MIKE11）和藻类生态过程（WASP-Eutro）三大要素的相互作用机制，构建了多要素汉江水华综合模型；基于情景模拟探索了河流型水华暴发的多影响要素组合效应与响应规律，预估在未来可能发生的多种不利情景组合下的水华暴发概率，提出了在有限的水量下通过提升汉江下游水位波动抑制水华暴发的调控手段，为管理部门优化调度和决策的制定提供了科学工具。本研究旨在探索如何减少汉江水华暴发、保护河流水生态环境的多学科交叉与综合研究的理论方法和实践，为揭示河流型水华暴发的成因、以及优化上游大型水利工程调度等管理决策提供应用基础的科学支撑。