长江科学院流域水环境与水生态研究进展及展望

李青云，汤显强，林 莉

(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010； 2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

流域水环境与水生态问题十分复杂，以水为载体的水循环、土壤流失、污染物和营养物的输送等都是在流域整体内完成的。这些物质的循环或输送对流域的资源、环境、生态都有很大的影响，因此需要从流域角度研究这些物质的输送过程，进而为流域水环境的规划、管理和治理提供科技支撑。

为了适应国家在流域水环境治理与水生态修复方面业已增长的科技需求和管理需求，长江科学院2010年创建了流域水环境研究所(以下简称“水环境所”)，重点从事流域尺度的水环境保护和水生态修复应用基础研究，开展相关技术产品研发和提供科技咨询服务。

根据水利行业和流域机构科研所的特点，确定了水环境所的研究定位：以流域为单元，研究不同尺度内水沙、污染物和营养物质的“产”、“汇”和“输”特征及其平衡条件；探求流域水环境和水生态自然演变的基本过程及规律；辨识人类活动及气候变化影响流域水环境和水生态的机制与效应；研发流域水污染治理、水生态保护与修复等关键技术，为流域水土资源可持续利用、水环境改善和水生态健康提供技术支撑。

水环境所成立10 a来，始终紧紧围绕生态文明建设、长江经济带绿色发展等国家战略，主动担当作为，服务治江大局，建成了功能齐全的水环境实验室和河湖生态修复技术试验场，培养了一支高素质的研究团队，开拓了水环境治理与保护的技术市场，在科研条件建设、科技创新、人才培养和学风建设等方面取得了较好成绩。迄今，共承担国家级和省部级项目100余项，包括国家自然科学基金项目25项、重点研发项目专题6项、其他省部级科研项目32项、人才类资助项目4项、中央级公益性科研院所基本科研业务费项目36项，承担世界银行技术援助项目、亚洲开发银行技术援助项目、中国-东盟海上合作基金项目等国际合作项目5项；发表论文120余篇，出版专(译)著18部；获国家授权专利60余项，软件著作权3项；主编水利团体标准1项；获得省部级科技奖励15项，国际发明展金奖2项，湖北省高价值专利大赛金奖1项；获得国家级和省部级人才荣誉称号15项。

2 科研条件及能力建设

10 a来，水环境所先后建成水环境及水生态实验室、流域水环境模拟平台、水污染防治及水生态修复技术研发平台以及河湖生态修复技术试验场等，同时成为“流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室”“湖北省水源地水质检测研发共享平台”的依托单位。

2.1 水环境及水生态实验检测平台

拥有水质、土壤、沉积物、水生生物、微生物、水文及河道地形等检测、鉴定和测量仪器设备90多台(套)，建成的水环境试验室，包括光谱分析室、色谱分析室、同位素分析室、无机试验室、有机试验室、生物分析室、微生物分析室等，迄今共有130余项检测参数(涉及地表水、生活饮用水、地下水、废水、土壤、沉积物、水生生物等)通过国家计量认证体系资质认定，检测指标已覆盖我国《地表水环境质量标准》规定的109项水质指标。

2.2 流域水环境模拟平台

拥有硬件条件包括：Multi-Processor高性能计算机群，云计算平台，污染物迁移及吸附降解模拟环形水槽、恒温循环水槽；引进国外先进的水环境数值模拟软件包括：三维环境流体生态模型EFDC Explorer，水文循环及非点源产输模型SWAT 2012，城市雨污水模型SWMM 5.0等，可开展自然和人为边界条件下流域水环境要素的输移过程模拟，包括地表水和地下水的水流、水质和泥沙输移过程模拟，流域水文和非点源污染物的传输过程模拟。

2.3 技术研发平台及中试试验场

建成了水、土污染治理与生态修复技术装置加工和产品性能测试的研发平台，配备有先进的计算机辅助工艺设计软件和三维立体快速成型机；建成的“长江科学院河湖生态修复技术试验场”包括水环境治理技术试验场、河流生境原位试验及水生态修复技术试验场、生态沟渠治理技术试验场、河流营养盐传输及调控技术试验场共4个试验场，可开展水生态环境修复治理、河湖生物栖息地重建、河流营养盐输送控制等机理研究与技术应用研究工作。

3 主要研究方向和特色成果

根据水环境所的研究定位规划了5个研究方向：

(1)流域水环境演变。全球气候变化条件下长江流域水环境演变规律；流域尺度的污染物和营养物质迁移转化规律及风险评估；水生生物栖息环境特征及演替趋势。

(2)流域水环境规划与管理。水资源保护管理机制与体制；水资源保护规划；流域水环境管理理论、制度和法律法规；水功能区管理及评价；河湖保护与管理。

(3)流域水环境治理及生态修复。流域尺度的面源污染防治；环境友好型水污染治理及生态修复；突发性水污染事件的应急处置；地下水水质监测及污染治理；重金属污染农田土壤修复；农村饮用水灭菌。

(4)流域开发的水生态环境影响。流域开发对水生态环境的累积影响；流域生态系统健康评价方法；河湖生态完整性保护对策；基于水生生物需求的环境流评估。

(5)流域水环境模拟与调控。流域水沙与物质输送过程模拟及调控；河湖水生态环境演变模拟；河湖纳污能力计算；面源污染负荷测算与模拟；水环境治理工程方案优选及效果评估。

水环境所成立10 a来，开展了多专业交叉研究，把基础研究与技术研发相结合，在研究手段上，重视将室内测试和现场(野外)观测相结合，数值模拟和物理模型相结合；在研究对象上，综合考虑流域水环境非生物要素和生物要素之间的相关关系，在流域尺度的污染物和营养物质迁移转化规律及风险评估、水生生物栖息环境特征及演替趋势、大型饮用水水源地水质监测和保护管理、涉水工程的生态环境影响机理和评价、流域水环境模拟和预测方面初步形成了研究特色等方面产出一批创新性的成果，并在富营养化水体治理、农村饮用水灭菌、污染土壤生态修复以及固废无害化处理和资源化利用等技术研发与应用方面做出了较好成绩。主要特色研究成果和创新技术成果简述如下。

3.1 特色研究成果

3.1.1 基于水沙过程的多面源营养物质输移机理与生态防治

针对多面源营养物质源、汇过程拦截削减的必要性以及残余营养物质汇聚造成藻类水华的生态调控需求，以水沙为载体，以营养物质迁移转化为主线，通过农业源、城郊源及水产养殖源等多源营养物质输移转化机理研究，研发了源头控制、过程削减的生态防治技术，提出了库湾水体富营养化末端治理的生态调控措施[1-3]。该项成果已成功应用于重大水利工程、重点饮用水水源地、典型城郊河湖及村镇地区，获得2015年大禹水利科学技术奖一等奖。

3.1.2 水沙调控下大型水库磷输送特征

水利工程建设运行后，受水量水位调控、泥沙拦截淤积和污染沉积释放等影响，天然水文节律被打乱，水、沙、污染物呈现选择性、非平衡性和不连续性输送，系统研究了水位调控和“蓄清排浑”下丹江口水库和三峡水库的磷输送行为，查明了水位调控下沉积物营养盐释放规律，揭示了三峡大坝拦截下悬浮泥沙与颗粒磷输移沉降特征[4-6]。

3.1.3 长江流域典型区域特殊污染物赋存特征及生态风险研究

围绕三峡水库、丹江口水库、洱海等国家重点湖库，以及长江源区等典型区域开展了特殊污染物的赋存特征及污染风险研究，探索了水库不同调度方式下的污染来源，开展了其对城市安全供水和流域水生态系统的健康风险评估；揭示了微塑料在水库中的赋存特征和分布规律及生态风险；揭示了长江源区典型河湖多环芳烃类、邻苯二甲酸酯类、重金属等的时空分布特征并进行了来源解析[7-10]，研究成果可为长江流域特殊污染物的风险管控提供科学依据和技术支撑。

3.1.4 长江源鱼类生物多样性及其栖息地形成机制

围绕长江源鱼类多样性和栖息地开展了系统性基础研究，取得创新成果包括：发现了关键鱼类——小头裸裂尻鱼的越冬场和产卵场，揭示了该鱼类栖息地形成机理，提出了长江源鱼类越冬场和产卵场的生态保护和修复措施[11-12]；实现了小头裸裂尻鱼的规模化人工繁殖，为研究长江源极端条件下水温、盐度等生态水文因子演替影响评估研究提供了丰富的受精卵、仔幼鱼等实验材料，同时有利于该鱼类的自然种群恢复和人工保种。

3.1.5 青藏高原河湖水环境变化特征研究

围绕高原河湖水环境演变、水化学特征演变、关键影响因子辨识等方面，通过近10 a的实地调查、现场监测、室内分析等工作，在高原河流生态环境效应识别与评价、水化学特征变化等方面取得了重要研究进展：系统揭示了长江源区主要河流水体理化性质与主要离子分布特征，揭示了长江源区主要河流水化学类型及其主要控制因子，探明了长江源区河流水体主要离子来源，评估了长江源区微量元素的富集程度和潜在健康风险；系统开展了青藏高原班公湖水化学特征研究，揭示了湖水理化性质的空间分布特征，辨识了湖水主要水化学类型，探明了湖水的主要控制因子，解析了湖水的主要离子来源[13]。

3.1.6 饮用水水源地水质监测分析和保护管理

从2013年开始，围绕丹江口水库水质监测和保护管理，开展了丹江口水库水质监测与水质安全保障对策研究，从2016年开始持续开展了丹江口库区重要断面和入库河流河口断面的水质监测和分析评价工作，提出了从政策制度、管理机制以及工程技术措施等方面建立水质安全保障体系[14]，提出了完善中线水源地水质保护法规的立法建议[15]，为中线水源地水环境保护和管理工作提供基础数据和对策建议，为实施科学调水和决策提供技术支撑。

3.1.7 农村水电生态环境影响与对策

针对农村水电发展存在的生态环境影响研究不足、管理技术支撑不够、监管基础薄弱等突出问题，对长江流域及西南诸河代表性河流典型区域不同类型小水电进行了近十年的综合调查、观测与分析、技术研发等工作，在农村水电的生态环境效应识别与评价、减脱水河道生态修复技术、农村水电绿色发展理念与强化监管措施等方面取得了重要研究进展[16-18]，为提高我国农村水电管理决策水平和指导实践提供了重大支撑，获得2020年大禹水利科学技术奖二等奖。

3.1.8 河湖水系连通的生态水文过程模拟和风险评价

围绕河湖水系连通与生态水文的研究方向，以大东湖水网连通、黄冈两湖十河连通等为例系统开展了河湖水系连通生态水文过程模拟和风险防控研究，研发了河湖水系连通的三维生态水文与水生态环境数值模拟技术[19-20]；建立了水系连通生态水文调控平台，比选提出了水系连通的生态水文调控对策；建立了水系连通工程的生态风险评价方法，并研发了风险预警和防控技术，用于减缓水系连通后可能发生的水污染事件、外来物种入侵等风险[21]，为河湖水系连通工程实施提供了科技支撑。

3.1.9 跨界河湖协同保护与联防联控机制

跨省界河湖协同保护与联防联控是河湖长制工作突出的痛点和短板，在世界银行技术援助项目“河湖长制下跨界河湖联防联控制度研究”、亚洲开发银行技术援助项目“支持推进河长制、促进长江经济带的水生态保护”及水利部发展研究中心项目“流域管理与河长制协同推进模式”支持下，水环境所在赤水河、东江、新安江、滦河和太湖等典型跨省界河湖，开展了调研和考察，制定了河长制下跨省界河流健康评估指标与报告卡；提出了基于跨省界断面监测评估的流域管理机构与省河长办协调机制；形成了覆盖监测、执法、标准、生态补偿等方面的跨省界河湖联防联控指导意见；编制了2项跨省河湖保护管理制度办法，起草了《水利部跨省河湖联防联控指导意见》建议稿。

3.2 主要创新技术成果

开展了水、土污染防治技术研发、集成和示范应用工作，积极推动科研成果转化，代表性技术介绍如下。

3.2.1 湖库富营养化水体移动式水质净化系统

围绕湖库富营养化治理存在的技术难题，针对湖库相对封闭、水体交换慢等特点，构建了可原位削减湖库富营养化水体氮磷和抑制藻类水华爆发的移动式水质净化系统，实现治理方式由传统的厂房式固定治理转变为原位式移动治理[22]，研制出移动式净化系统一代设备(以物理技术为主)和二代设备(以微生物技术为主)：①开发了基于微孔曝气-高性能吸附-微电流电解水处理单元协同作用的移动式水质净化系统一代设备，可对湖库富营养化水体氮、磷和藻类精准治理，电解、吸附与曝气具有协同处理作用，适用于重富营养化水体及藻华应急治理；②研发了以碳纤维微生物膜为核心技术的移动式水质净化系统二代设备，充分利用净化系统缓慢移动过程中碳纤维微生物膜的高效脱氮除磷作用，以及碳纤维表面微生物不断的生长代谢与更新换代，确保设备能够持续对湖库富营养化水体氮、磷等污染物进行净化处理，适用于富营养化水体常规治理。该项技术具有高适应性、可模块化组合、清洁能源驱动、全天候运行、无化学污染等特点，为解决湖泊、水库等缓流或封闭型水域的富营养化问题提供了有效手段。相关技术获得国家授权专利10项，核心技术获水利先进实用技术推广证书、2019年湖北省高价值专利大赛金奖、第四届伊斯坦布尔国际发明展金奖。先后在武汉市后官湖和丹江口水库支流剑河等水体进行了技术应用示范，效果良好。

3.2.2 微电流电解抑藻技术

基于蓝藻水华成因的“四阶段理论”，研发了针对浅水湖泊蓝藻治理的微电流电解抑藻技术。该技术采用微小电流，在藻类生长繁殖初期对其进行抑制，使其长势控制在一定范围和强度内，达到控制藻类生长、避免水华暴发的目的。结合文献调研和分析，确定了采用微电流电解技术抑制湖泊蓝藻生长，控制蓝藻“种源”复苏繁殖的最佳时机是蓝藻的对数生长前期，研究了微电流电解对藻类的持续抑制效能，掌握了微电流电解抑藻的最佳工艺参数；探明了以钌钛为电极的微电流电解抑藻技术原理[23]。“微电流电解抑藻技术”入选《2014年度水利先进实用技术重点推广指导目录》，并作为水利部科技推广项目在丹江口水库坝前库湾和入库支流剑河缓流河段进行了推广示范， 表现出良好的抑藻效果。

3.2.3 稻田镉污染土壤生态水利修复技术

围绕南方稻田土壤镉污染与稻米镉超标问题及其治理需求，针对中高浓度镉污染稻田土壤修复的关键技术难题，研发了氯化铁和氯化钙高效活化洗脱土壤镉[24]和电动导排孔隙水脱除土壤镉的成套技术与装置，优化集成了“活化洗脱释镉-电动导排脱镉-生态渠塘除镉-田间钝化残镉”相衔接的生态水利修复技术，充分利用农田水利设施，把农艺修复措施和生态修复技术有机结合，将污染农田土壤镉逐步洗脱、导排转移至生态渠塘进行处理，同时对土壤残留镉实施阻控，实现了土壤镉污染减量修复与稻米安全生产双重目标。该技术修复周期短，可在作物休耕期实施修复，不影响正常农作，不受季节影响；整个修复过程中所用的水可循环利用，节约水资源[25]。其中，“电动导排”核心技术不仅可用于治理镉污染稻田土壤，还可用于治理重金属污染的河湖底泥、各种污泥等[26-28]。该技术被列入《2019年度水利先进适用技术重点推广指导目录》，并在湖南、湖北等省份应用示范，污染修复稻田土壤总镉降幅超过30%，稻米镉含量达标。

3.2.4 农村分散式供水的微电流电解灭菌技术

针对农村分散式供水设施(如蓄水池、水窖等)长时间储水过程中易滋生细菌等问题，开发出一套基于微电流电解的消毒灭菌技术和产品。产品采用微小电流在电极上产生一系列活性物质，进而有效杀灭水体中细菌，达到消毒灭菌的目的，处理后菌落总数和粪大肠菌群数均能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中相关要求。2019年开展了南方贫困山区分散式饮用水源保护及示范工作，利用自主研发的农村分散式供水的微电流电解灭菌系统、小型除铁锰设备等农饮水保护技术在江西省宁都县农村地区开展了技术示范应用，效果良好，取得较好的社会效益。

3.2.5 选铜尾砂改性及资源化利用技术

针对选铜尾砂无害化排放及生态化利用的现实需求，研究提出了3个步骤的改性工艺流程：药剂浮选和旋流分级、碱处理改性以及氢氧化镧(La(OH)3)改性，以选铜尾砂为原材料制备出3种新型磷吸附功能材料，开展了利用功能材料降低天然水体磷浓度、防治富营养化的案例研究[29]。所研发的“JS高效除磷剂”入选《2019年度水利先进实用技术重点推广指导目录》；主编的中国水利学会团体标准《除磷剂选铜尾砂》(T/CHES 30—2019)已颁布实施。该技术成功将选铜尾砂改性，获得新型磷吸附功能材料，开创性地提出了处置选铜尾砂的新途径，为选铜尾砂资源化利用和生态化利用打下基础，为解决选铜尾砂处置这一制约经济社会发展的瓶颈问题提供科学依据和方法[30]。

4 结语与展望

水环境所经过10 a的发展，在学科规划、平台建设、科技创新、人才培养等方面均取得了一定成绩，为以后的可持续发展打下了良好基础。但目前水环境所在研究中还存在明显短板：一是研究中的“流域特色”不强，围绕长江大保护的需求，在治江体系性问题、流域综合管理等方面的宏观研究不足；二是在破解水生态环境治理难题的技术研发及达到实际应用的程度不够，已有一批技术面临中试困境和应用瓶颈，尚未产生出具有市场核心竞争力的技术。在下一步发展中，水环境所必须把打造自身核心竞争力与社会需求结合，坚守“基础(公益)科研是立所之本，技术应用是强所之路”的发展理念，实现可持续发展。

在“十四五”开局之年，根据新时代的要求和机遇，按照长江科学院“十四五”和中长期发展规划的要求，水环境所将聚焦长江大保护以及生态文明建设等国家战略和行业重大需求，面向流域生态环境保护与综合管理实践，辨识流域水生态环境演变及水工程生态环境效应，建立河湖健康保障理论与技术方法体系，突破流域水污染防治、水环境模拟与治理、水生态保护与修复等关键技术，为流域水生态环境安全提供科技支撑和智力支持。“十四五”期间的重点发展方向如下：

(1)基础研究重点方向：流域水环境与水生态演变特征及规律，水沙调控与洪水调度的水生态环境效应，江源生态水文过程与水生生物栖息地保护，农村水电站(群)生态水文效应及生态需水规律，河湖健康评估新技术新方法，新型环境污染物的健康胁迫机制与效应，流域面源-地表水环境耦合数学模型开发。

(2)应用研究重点方向：重大水工程生态环境效应评估，农村水电生态环境保护，重点河湖受损生境的生态修复技术，富营养化水体精细化修复与治理，流域水环境模拟与智慧调控，河湖内源污染控制与修复，新型环境污染物监测与溯源，河湖保护与治理信息化,河湖保护规划与流域管理制度,饮用水源地保护与突发水污染风险评估及应急处置，地下水保护与评估。

(3)技术研发和成果推广应用:围绕湖库水质监测及污染物溯源、湖库污染控制及应急处置、湖库水质提升、湖库智能管控四大方向，开展核心治理技术的攻关和关键工艺的研发与试验，技术与装备的系统集成与工程化应用，形成湖库水质安全管控技术体系和应用推广模式及产业技术标准。

展望“十四五”及中长期发展，水环境所将进一步发挥行业优势，以水利工程为纽带，耦合长江流域水、沙、污染物、水生生物等要素，在现场监测和原位观测基础上，把脉江源及重要水域水生态环境现状，使研究成果直接服务于长江流域经济社会发展；进一步研发环境治理新材料和污染水体治理与修复、水体富营养化防控、饮用水保护等新技术，并把技术应用于长江生态环境修复中；同时，针对新时期流域系统性与整体性保护的需求，开展流域水环境模拟与调控、流域水环境保护及信息化管理研究，更好地服务于长江流域综合管理。在新时期，水环境所将持续精心打造自己的品牌，形成核心技术竞争力，努力培养治江科技代言人，争取在长江大保护和生态文明建设中发挥更大的科技支撑作用。