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标题: 水生态与水环境学科的主要前沿研究及发展趋势 [打印本页]

作者: watersite 时间: 2007-12-20 23:44
标题: 水生态与水环境学科的主要前沿研究及发展趋势
水生态与水环境学科的主要前沿研究及发展趋势口廖文根石秋池彭静摘要如何保护水及相关生态系统，加强流域生态保护与修复，是新世纪水利面临的严峻挑战，迫切需要水利科技提供相关理论、方法和技术的支持。从应用基础、应用技术与方法，以及与可持续发展相关水利科技理论三个方面，介绍了与水利科技发展战略相关的水生态与水环境主要前沿研究，并对学科未来的发展趋势进行了总结。关键词水生态水环境前沿研究发展趋势　　一、应用基础前沿研究　　1．全球气候与生态系统变化　　近百年来全球气候与生态环境的重大变化，对人类的生存和社会经济的发展构成了严重的威胁，使全球气候与生态系统成为世界各国共同关注的研究主题。研究的重点包括大气化学、生物排放和海洋生物化学等方面的生物地球化学过程；陆地生态与气候的相互作用，主要研究植被在地球系统水循环中的作用和全球变化对陆地生态系统的影响；将海气耦合模式与陆地过程模式及环境系统中的化学过程、人类活动的影响作用进行综合考虑的地球系统综合分析和模拟；全球变化对农业、海岸带、能源等社会经济的影响。在水循环的生态环境效应方面，近年来国内给予了高度重视，具有代表性的“中国西部环境和生态科学研究计划(2003年)”将“西部环境系统的演化及未来趋势”“水循环过程与水资源可持续利用”“生态系统过程与调控”和“人类活动与环境”作为计划的4大研究主题，重点开展西北地区水分循环与气候变化(区域尺度)、植被与水分循环、西部资源开发中水资源利用战略与流域管理理论、沙漠节水与植被恢复的新方法和新技术、多重胁迫下典型生态系统(特别是西南地区)受损与重建机理、人类活动对地表环境和生态系统的影响及其控制原理与技术、土地利用/土地覆被变化环境效应的评估模型、城镇体系建设的资源承载力与环境经济效应等内容。　　2．污染物在不同水环境中的迁移转化规律　　掌握不同水环境中污染物的迁移转化规律，对于水污染控制和水环境治理具有重要意义。其中，高含沙河流和地下含水层是两种既十分重要又十分复杂的水环境，目前对这两种水环境中的污染物迁移转化机理尚缺乏足够了解。对于高含沙河流，有关泥沙对重金属的吸附解吸已有很多研究，而泥沙对营养性污染物和有机污染物吸附作用则是近些年来水生态与水环境基础研究的一个前沿热点，研究的重点内容包括泥沙对营养性污染物和有机污染物的吸附解吸机理、吸附态营养性污染物和有机污染物的降解过程、沉积泥沙中营养盐和有机污染物的释放机制、细颗粒环境泥沙的输运规律与数学描述等。对于地下含水层，污染物的迁移转化一直是重点前沿研究之一，其研究的难点主要包括非均匀与非饱和含水层中污染物迁移转化机理及数学描述，不同好氧与厌氧微生物对各种污染物质的生物降解作用，以及地表与地下生态系统的作用过程等。　　3．水体富营养化　　前沿研究的关键技术难点包括“水华”形成机理、底泥营养盐释放机制、富营养化的水动力条件、生物操纵技术与效应、藻毒素危害、生态修复技术、遥感监测技术应用等。由于不同水域，如水库与湖泊的富营养化成因不尽相同，因而富营养化的衡量标准也是目前的研究热点之一。此外，面污染源是水体富营养化的另外一个研究难题，其形成过程的量化与控制都是世界性的难题。　　4．生物多样性与水利工程长期生态学效应　　随着全球物种灭绝速度的加快，物种丧失可能带来的生态学后果备受人们关注，生物多样性与生态系统功能的关系成为当前生态学领域内的一个重大科学问题。当前研究的重点及前沿主要集中在：①长时间尺度上的物种多样性——生态系统功能关系，②非生物因素与多样性——生产力的交互关系，③营养级相互作用对于多样性——生态系统功能关系的影响，④物种共存机制在多样性——生态系统功能关系形成中的作用等方面。　　生态效应的逐渐显现使水利工程的长期生态环境影响受到高度重视。研究的前沿重点包括：①径流变化对水生生态系统及生物多样性的影响，②大坝拦截与调蓄对下游洪泛区生态系统及渔业生态系统的影响，③拦河筑坝导致生态系统扩大的次生环境效应，④流域梯级开发的累积效应，⑤减免水利工程对生态系统影响的措施，⑥失衡生态系统的修复与重建、水利工程对局地生态系统及其功能的长期影响等。其中涉及的难点是生态效应定量评估方法。　　5．河道生态需水量及关键生物生态水力学　　生态系统对水的需求是近十几年最热门的研究内容之一。研究的热点已从河流生态基流(最小生态需水量)的单一指标转向考虑满足生态全过程需求的生态水过程(水位过程和流量过程)。同时，旨在满足大坝下游关键水生生物生态水力学条件(如产卵要求等)的人造洪峰补偿措施研究也受到广泛重视；目前开展的水功能区划也逐渐地从单一水质指标向水质、水量和生态指标过渡。　　目前热点前沿研究包括关键生物物种产卵的生态水力学条件、水力学条件变化与关键生物种群数量的响应关系、生命体在水体中的输移与消长规律及其流场控制机理，受损水体的生态水力学条件修复等。此外，钉螺的生态水力学特性、钉螺在水中的迁移及扩散规律也是生态水力学研究的前沿课题，对于血吸虫病防治具有重要意义。　　6.河流生态系统健康与水利水电规划的生态环境影响评价　　河流作为一种重要的生态系统，其生态系统的健康越来越受到国际上的广泛重视。尽管生态学家至今尚未就河流生态系统健康的内涵达成共识，但是国外众多评价方法已经在实际中得到运用。目前国际上的研究前沿包括河道萎缩形成和演变机理、河流生态健康评价指标体系、河流生态健康评价的尺度效应等。在国内，河流生态系统健康方面的研究还刚起步，代表性研究——国家重点基础研究发展规划(973)项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”探索了黄河水资源可更新和可再生性维持问题，为更系统深入地开展黄河健康生命研究奠定了基础。　　水利水电规划环境影响评价与河流生态系统健康评价密切相关。在这两方面我国目前还缺乏系统的理论、技术、方法以及标准体系。未来我国水电工程规划的生态环境影响评价迫切需从末端单项评价转向源头评价、从微观发展为微观与宏观相结合、从局部发展到局部与整体相结合、从单个要素发展到系统的综合性评价。为此，河流生态系统健康理论、区域开发与规划的生态评价指标体系、区域生态补偿理论、生态服务功能评价方法、自然资源价值核算理论与方法，生态影响评价方法、累积生态影响评价方法以及水资源开发生态环境风险评价方法等成为水利水电规划环境影响评价理论中需重点研究的内容。　　7．高新技术应用及流域水环境模拟　　GIS、RS、DEM等高新技术的持续迅猛发展，使高新技术应用成为长盛不衰的前沿研究内容。目前相关的热点研究包括信息管理与决策支持系统、数字仿真与可视化、遥感生态监测、“虚拟数值模拟”等方面。另外，从流域整体出发，动态仿真模拟流域生态系统内各种物理、生物、化学过程及其相互作用成为水环境数值模拟研究的趋势。高新技术的发展，为这种系统、综合的仿真模拟研究奠定了基础。目前，面污染源过程，生命物质的生长死亡过程，水、沙、污染物及生物的相互作用，以及地表生态系统与地下生态系统的互动关系等的数学描述，是开展流域水环境系统仿真模拟研究的技术关键。　　二、应用技术与方法前沿研究　　1．水污染治理技术　　水污染问题的日趋严重，促使水污染治理技术研究在全球范围内不断深入。随着常规处理技术的不断完善，目前研究的重点逐渐转向微污染水处理、难降解物质处理等方面。前沿研究的内容包括低污染负荷废水脱氮除磷技术、藻毒素物质的分子调控降解技术、非点源污染控制技术、重点污染行业难降解有机工业废水污染防治高新技术、危险废物处理处置集成技术、特种废物以及污废水回收利用技术等方面。此外，污染地下水的治理与恢复技术、受污染水域的自然和人工修复方法也一直是国际前沿研究课题。　　2．失衡生态系统的修复技术　　自然水生生态系统的失衡主要受污染和自然径流过程的超常规变化两方面因素的影响。水生态修复技术是近年来全球共同关注的热点，在发达国家已得到较为成功的运用，但在我国尚处于试验研究阶段。目前的研究前沿包括健康河流(水域)的指示指标体系、水土资源合理利用、特殊气候条件下的生态修复技术(如生物种类、耐寒性、工艺结构、去除效率等)、富营养化水体的生态修复技术、湿地生态修复、物种引入的生态效应、修复工程的维护管理等。　　3．生态水利工程学的探索　　近年来，国内学者借鉴国际上生态工程的理论，探索发展新的交叉学科——“生态水利工程学”。传统的水利工程学需要吸收生态学的原理和方法，改善水利工程的规划和设计方法。对于已建工程，研究和开发受损水域生态修复的方法和技术。对于新建工程，研究和开发对于因工程建设造成对于河流生态系统胁迫所应采取的补偿工程措施、生物措施和管理措施。　　三、可持续发展相关理论前沿研究　　1．流域尺度的可持续发展　　水生态及环境系统以流域尺度为基本单元，可持续发展在协调水生态环境和经济系统关系时，必须以流域整体思想为指导。恢复和逐步改善流域水生态环境系统的生机，是谋求可持续发展的必由之路。　　2．水生态环境承载力　　将生态环境承载力作为可持续发展的支持理论，已经得到国内外研究者的普遍认可。水生态环境承载力的研究从概念、内涵探讨开始，逐渐转向定量化分析方法和建立评价模式。其中的难点之一是承载力指标体系的筛选及规范化。度量具有自然及社会双重属性的水环境系统承载经济压力的能力，需要从社会、环境、经济等不同方面的指标综合反映，指标的有效获取也依赖于各个系统的大量相关信息。　　3．水生态环境价值　　描述并分析水生态系统与经济系统的关系，使得生态及环境价值化研究成为当前水环境经济领域的最前沿课题。现代水利建设及保护需要从价值观的角度，计量水生态及环境的功能价值及保护效益，进而实际指导保护和管理的决策。水环境的价值化研究，集中在水环境价值的内涵、类型及量化指标和方法上，其中水环境的生态价值越来越受到关注。目前对水环境污染的经济损失已开展了相应的工作，积累了实际评价水域污染损失、支持水污染治理决策的经验。价值化的更全面、更深入的研究，将为水权、水价、排污权、水市场等水环境保护市场机制的形成奠定理论基础。　　4．流域的可持续管理　　流域尺度的可持续管理是恢复水生态环境健康活力、发挥其功能价值的关键，管理的战略调整应从目前的单要素分散管理转向以生态系统为对象的综合管理。在管理模式上，适应性的管理方式经过10多年的理论和初步实践探索，显示出良好的应用前景，其重要特色在于能不断利用信息的更新和科学技术的进步，动态调整决策，跟踪可持续发展的脉搏。　　此外，循环经济作为生态效率高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的经济生产模式，在全球范围受到广泛、高度的重视。　　四、发展趋势　　纵观近几十年的研究历史，水生态与水环境学科在理论、方法、层次、范围、技术等方面呈现以下发展趋势。　　1．理论——多学科交叉发展　　可持续发展理论成为研究水生态、水环境与经济发展关系的基础。与此同时，水文学、水动力学、水化学、环境水力学、水利工程学等传统科学与生态学、经济学等学科交叉发展。　　2．方法——多种水环境要素整合分析，全球、流域及区域系统研究　　由于水的流动与循环，水生态系统与水环境系统在不同时空尺度下进行能量、物质及生物体的循环交换并交互影响，现代水生态与水环境科学研究必须从系统的角度和时空的多尺度出发，研究水生态系统与水环境的整体行为、演化规律及其相互作用。　　　3．层次——研究向宏观与微观两极发展　　遥感、计算机等科学技术的飞速发展将促进水生态系统与水环境内在物理、化学、生物基本过程及其相互作用的研究，分子生态学等新兴学科分支在微观机理研究方面也将得到加强。与此同时，将水、土资源结合、从更宏观的角度研究人类所处的生态系统成为水生态与水环境学科未来发展趋势；在经典生态学的物种、种群、群落研究的基础上，现代生态学也更注重生态系统、景观与全球生态系的研究，从更宏观水平上对各生物类群的生产力、能量流动与物质循环开展研究。　　4．技术——多种技术有机集成、高新技术应用　　与水环境有关的水文、水动力、水化学、环境工程等专业理论与方法日趋成熟，分析技术在实际中得到广泛应用，积累了相当经验。水生态与水环境研究逐渐发展成将各专业技术有机集成，形成水生态与水环境综合分析技术系统，在技术应用中突出水生态、水环境与区域及流域经济活动的关系描述。与此同时，GIS、RS、DEM等高新技术的发展，在水环境领域中不断得到应用，极大地提高了信息丰度和分析效率，提高了研究成果的决策支持能力。　　5．研究基础——越来越依赖于长期连续观测资料的积累与分析　　未来水生态与水环境重大研究计划将更加注重与大型观测计划相配合。在全球和国家尺度上，有关地球环境资源变化的长期观测、监测与信息网络，如地球观测系统(EOS)、全球气候观测系统(GCOS)、全球海洋观测系统(GOOS)、全球陆地观测系统(GTOS)、全球数字地震台网等一系列全球性巨型观测系统以及众多地区性和国家性大型观测系统等将逐渐建立。　■ 参考文献： 1 李玉梁、李玲．环境水力学的研究进展与发展趋势．水资源保护，2002.1 2 李锦秀、廖文根．富营养化综合防治调控指标探讨．水资源保护，2002.2 3 张全国、张大勇．生物多样性与生态系统功能：最新的进展与动向．生物多样性，2003.5

作者: 许淳于 时间: 2007-12-21 14:40
好顶一下!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

作者: ymwatcher 时间: 2014-11-23 17:42
挺好的资料，收藏学习，提高业务水平，谢谢楼主了。。。

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