1.2 研究现状及分析

水利工程的建设为供水、防洪和发电等促进人类社会经济发展的活动带来了正面影响，改善了局地的温度、湿度和区域小气候。但工程的建设因河流情势变化对坝下与河口水体生态环境产生潜在影响。由于阻断了河流的连续性，上下游的水动力特性的巨大变更使原有的河势、泥沙输移、河口形态、生物物种的生存空间等都随之发生变化，特别是大坝的阻隔作用对生物物种、珍稀迴游性鱼类产生了较大的影响^［1-3］。中国的水电工程建设高潮引起全世界的注目，同时也面临诸多来自国际国内对大规模人类活动影响及未知后果的担忧，大型河流系统受到大坝的影响而面临着更高的水资源安全（如灌溉）压力。2006年，R.Stone和H.Jia在《Sciences》上报告中国南水北调工程实施中所迫切需要研究的水安全与生态安全的许多风险和未知后果问题的激烈讨论^［7］。

近年来许多研究均将流量调节作为河流生态系统健康的关键要素之一^［8］，原因在于河川水流控制了影响水域生物栖息地的重要因素，诸如流速及水深等。河川径流的自然变化是维持水生生态系统最重要的驱动力之一，河川径流影响包括下列6项因素：食物、栖息地、水温、水质、流态、生物间的相互关系，这是影响河流生态系统最重要的因素。GWSP主席Vörösmarty（2004）认为：各种人为因素以直接或间接方式对全球水系统产生影响，这些因素包括：土地利用变化、河道工程措施、灌溉、耗水损失、水生栖息地的消失以及污染^［12］。大规模水利工程建设对陆地水系统与水安全影响，是全球水系统计划（GWSP，2005）重点研究的科学问题^［13］。

目前对水利工程与生态系统之间相互作用关系的评价体系还尚未完全建立起来，人们常忽视了水利工程在生态系统中的正面作用，水利工程在水量水质调度时促进了水生生物对物理环境的改善作用，使得生物在水体及边界的栖息和繁衍状况发生变化，大量微生物繁殖而加速了污水中有机质的分解，生态系统对水环境的改善通过水生动植物对水质的改善得到反映^［14］。水利工程调度是运用水利工程的蓄、泄和挡水等功能，对河道水流在时间、空间上按需要重新分配或调节江河湖泊水位，其目的在于保证水利工程安全，满足国民经济各部门对除害兴利、综合利用水资源的要求。随着人们对生态环境的重视和环境问题的日益严重，充分利用流域外部水环境容量，开展河道水质和生态环境改善的水资源调度工作，日益受到人们的重视。左其亭、夏军在新疆博斯腾湖流域、伊犁河流域、额尔齐斯河流域实际研究中，建立了陆面水量-水质-生态耦合系统模型^［15］，定量研究陆面水资源系统水量变化、水质变化以及它们之间的相互关系。程飞运用大系统递阶分析原理与方法^［16］，把生态工程概念引入了水利工程建设中。河流水资源利用需要考虑生态环境用水，并受生态环境用水的最大、最小用水量阈值约束^［17-18］。水利部在提出确保“三生”（生产、生活和生态）用水方针的同时，开展了黑河分水、新疆塔里木河调水、黑龙江扎龙湿地补水、黄河调水调沙试验、南四湖生态补水等实践^［19-22］。

方子云等人（1994）从环境水利的角度出发，在国内提出了水利工程改善环境调度的概念^［23］，并提出了三类调度情况：城市上游建有水库、水闸条件的河流，进行合理调度、综合利用，改善下游水质；靠近大江、大河、大湖的城市，从江、河、湖引水改善水质，这在南方地区可以普遍应用；湖泊可通过加强水体循环，改善水质，防止富营养化。钱正英、张光斗（2001）提出生态环境用水的概念^［24］，认为生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量。汪恕诚（2001）提出水资源承载能力和水环境承载能力的概念，随后全国水利系统兴起了两个能力的研究高潮，我国对改善河道水质，提高水体环境容量的研究文献也逐渐丰富起来^［25］。为防止水闸等水利工程的不合理启闭导致水资源调度引发水污染问题，水利部专门以水资源〔2001〕155号文的形式下发了《关于加强闸坝调度管理工作的通知》，明确提出通过水利工程的优化调度改善水环境，是我国“十五”期间的重要水资源保护任务，但这项工作的理论研究还不充分，在实践中存在许多问题，需要不断探索。

通过水利工程的优化调度来改善水环境是通过环境水动力学模拟来实现的，传统水力学主要是研究水流自身运动规律，而环境水动力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律，是传统水力学的一种发展，其内容涉及水文学、水力学、水化学、水生物学、生态学、湖沼学、海洋学和沉积学等，是一门综合性很强的交叉学科。美国环境与水资源研究所环境水力学技术委员会提出“环境水力学特别着重于将物理因素（水动力学、泥沙输移和地形条件）、化学因素（保守与非保守物质的传输、反应动力学和水质）和生物因素（生态学）作为一个系统来进行研究”^［26］。从与水污染有关的水力学问题来说，环境水力学主要研究地面及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律，建立其分析计算方法，确定物质浓度的时空分布及其应用。

水流-水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型发展；被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十个，模拟的变量由非生命物质如“三氧”（溶解氧、生物化学需氧及化学需氧）、“三氮”（氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮）等向细菌、藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物发展；应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展；计算的时空网格数几何增长；地理信息系统开始在水质模型中应用^［27］。国内外的水质模型很多，国外常用的水流-水质模型有美国环境保护局研制的QUAL2^［28］，WASP5^［29］及BASINS，美国陆军工程兵团研制的CE-QUAL-RI^［30］，CE-QUAL-RIV1^［31］，CE-QUAL-W2及WQRRS^［32］，美国地质调查局研制的GENSCN和MMS，丹麦水力研究所研制的MIKE11^［33］，MIKE21^［34］，MIKE3及MIKE SHE等。

GIS技术可把复杂多变的自然、社会变化以及变化过程以图形、图像的方式进行数字化处理。在其空间和属性库中输入河道基本数据、水文及污染源数据，利用其空间数据库采集、管理、操作和分析能力，可使水质监测与评价产生全新的面貌。通过水流-水质模型计算，可得出反映水域水流、水质变化特性的断面位置，并以逼真的图像显示水域水流水质变化的空间特征、统计特性和未来趋势等。上面提到的BASINS，GENSCN和MMS模型就是和GIS集成的，我国也正在开展这方面的工作^［35-37］。

目前国内外水利工程的优化调度改善水环境实践均为针对单一的河流或湖泊，而对复杂河流网络水系的研究尚处于探索阶段，河流网络系统的水动力学条件极其复杂，又由于各个河流、湖泊污染程度存在较大差异，在污染迁移过程中避免水体污染物质从高污染负荷水体向低污染负荷水体流动，应使水质较差的湖泊得以较大程度的冲污稀释，其水利工程改善水环境的机理也与单一河流湖泊有很大区别。

在洪水演进方面，一维非恒定流模型已相当成熟，目前已广泛应用于洪水波在河网中的流动计算。近年来，单一的二维非恒定流模型在大范围蓄滞洪区洪水演进的应用日益增多。但大型、复杂水系洪水演进的一、二维混合非恒定流模型尚不多见，仍在发展阶段。水库优化调度的研究始于20世纪中叶，是随着数学上最优化方法的发展而兴起的。但国内外的研究大多着眼于发电调度，且已达到较好的水平。近年来，陆续看到一些水量水质优化调度研究的报道，但无论就其规模和复杂性来说，均不能与淮河流域比拟。在泥沙输运和污染物模拟方面，理论分析、原型观测、物理模型及数值算法都已得到较大的发展，其中数值模拟的工程应用大多局限于局部河段或单一湖泊，水沙分配和污染物质的对流扩散、降解模拟的可靠性和精度也亟待提高。因此，根据大型复杂水系的结构特征、水沙和污水特点以及洪水演进机制，建立集洪水预报、水量水质调度分析于一体的整体模拟模型，进行干支流河网和湖泊水环境规划和水量水质联合调度的水量水质仿真，是当今各国竞相开展、尚待解决的重要课题。

淮河流域水库、湖泊、节制闸和分蓄洪区等水利工程比较完善，具备了利用洪水资源冲污、释污和净污的水利工程条件。以往的闸坝调度研究以防洪、航运及灌溉调度为主，主要采用依赖于实测资料和个体经验的定性或半定量的描述和推理，以及局部的水力数值模拟和缺乏细节的宏观水文概算。淮河干支流水量水质联合调度要充分利用淮河流域洪水资源，又要维持自然河川径流过程下的水域生态环境，其复杂性不仅体现在洪水演进和污染物对流扩散、降解的数值模拟复杂，而且还体现在众多水利设施之间的多目标联合调度（Multi-objective optimization model）及其调控模式的数值仿真，陈述彭（1998）提出将GIS地理空间表达方式与水质水量数值模拟相结合^［38］，建立将水库、闸坝、湖泊和淮河干支流河网有机地联系起来，实现可视化的水量水质联合优化调控模式。