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| 內容簡介： |
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《闸坝影响下典型平原河网水文-水环境-水生态效应与优化调控》以江苏省常州市为例，系统研究平原河网地区在城市化进程中水文连通性的演变特征及其对生态环境的影响，涵盖水文连通性评价、水生态健康与承载力分析、河网结构与功能评估、水文调控措施及面源污染控制等内容。通过实地调研与模型模拟，揭示闸坝等水利设施对河网水文-水环境-水生态的复合效应，并提出一系列优化调控策略，旨在为平原河网地区的生态修复与可持续发展提供科学依据。《闸坝影响下典型平原河网水文-水环境-水生态效应与优化调控》得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，具有重要的理论与实践价值。
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目录序前言第1章绪论11.1背景11.2研究现状21.3实践意义61.4本书研究框架6第2章研究区概况82.1自然地理82.2气候特征92.3水文和水利特征92.4社会经济概况11第3章水生态健康与水生态承载力评价133.1典型水体水生态健康评价133.2水生态承载力评价30第4章河网结构与水文连通性评价454.1平原河网城市河网结构变化分析454.2水文连通性评价514.3基于稳定同位素的水文结构连通分析584.4河网水源贡献率分析674.5水文功能连通模型构建及评估74第5章水生态环境改善的水文调控985.1新孟河调水工程对常州市水环境影响985.2面向水环境改善的常州市水文连通调控分析111第6章城市水环境改善的产业结构调控模拟1436.1基于绿色发展的优化情景1436.2水环境容量时空动态模拟1456.3结果与讨论146第7章常州市典型小区面源污染风险识别与污染控制1567.1研究区概况1567.2降雨径流污染强度分析1577.3面源污染模型构建1667.4高污染区识别与调控措施188第8章平原河网水生态水环境改善的建议与对策2078.1优化水资源利用与长江水引水方案2078.2提升河网水文连通性2078.3加大农业面源污染控制力度2088.4城市面源控制2088.5强化生态修复与水生物保护2098.6加强环境监测与评价2098.7公众参与209参考文献210附录213
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第1章绪论 1.1背景 河流作为城市生态系统的重要组成部分，不仅承担着输送营养物质和提供生态栖息地的功能，还具有防洪、航运等关键的社会功能。在平原河网地区，河道密布、纵横交错，这些河流构成了区域生态环境的重要元素，并奠定了区域生态环境格局的基础。然而，随着人类社会经济的快速发展，运河、灌区、水库、闸坝、圩区等水利工程的广泛建设，对水系的水文要素和动力机制产生了强烈干扰。同时，城市化进程的推进，包括土地开发、工业扩张、人口集中等活动，通过侵占水面、填埋河道、渠化硬化、排放污染物等方式，改变了河流的面积、形状、等级和生态状况。因此，河网水系在人类活动的干预下逐渐趋向结构简化、主干化、割裂化，导致河网生态结构的内在联系萎缩，区域水文生态格局紊乱，进而降低了河网区域的水生态健康水平。河网水系结构和连通性的破坏，引发水系调蓄能力下降，洪涝风险增加，以及生态环境恶化加剧等一系列问题。因此，开展水系结构和水系连通变化研究是修复河网生态、提高区域防洪能力的重要基础工作。 太湖流域是我国经济*具活力的区域之一，太湖作为太湖流域的核心，在长江三角洲经济发展中扮演着不可替代的角色。同时，太湖作为中国五大淡水湖之一，是华东地区*重要的水资源宝库。它不仅滋养周边广袤的农田，保障农业灌溉，还为千万人口提供清洁的生活用水，是区域生态平衡与民生福祉的基石。太湖富营养化及其所导致的蓝藻暴发已经成为太湖主要水环境问题。党中央、国务院高度重视太湖治理工作，将太湖列为全国“三河三湖”治理重点，并上升为生态文明建设的标志性工程，为太湖治理提供了前所未有的历史机遇。 常州市位于太湖流域，地处长江大保护的重要位置，也是我国典型的平原河网地区。自20世纪80年代以来，随着城市化进程的加速，常州市的工业企业发展增速，闸坝等水利设施建设进入高峰期，城市工业废水的排放和河网连通受阻，导致城市水环境、水生态状况恶化。因此，选择常州市开展水文调控作用下的城市河网水文-水环境-水生态效应研究，对解决太湖水环境问题具有典型现实意义。同时，长江中下游平原河网密集，城市群众多，研究成果应用推广也将服务于长江经济带生态环境保护国家战略。 1.2研究现状 1.2.1水文连通性研究 平原河网地区具有比较单一的平原地形，以及相对一致的亚热带季风气候和水成、半水成土壤，水系也呈现出较大的相似性，如具有河网密布、水流缓慢、流向多变等特点。国外对河网水系变化的研究主要聚焦流域周边的土地利用变化或在城市化进程中典型河道河段的水文特征、河道空间变化。美国White Rock Creek流域的研究表明，城市化前后水文特征发生明显改变，增加了城市潜在的洪水及环境污染威胁。平原河网地区水流运动复杂，若水利工程的控制不合理，水系连通不畅，将影响河道自净能力，从而破坏城市水生境。一些学者研究发现，河流连通受阻会对栖息地生物的生存以及群落结构的抵抗力产生严重影响，削弱物种在不同生境间的迁移能力，降低生物多样性。 国内对城市区域河网变化的相关研究主要集中于河网稠密的长江三角洲、太湖流域以及珠江三角洲地区。21世纪以来，为了更有效地利用水资源，我国在河流中建设了大量的人工构筑物，如水库、闸坝、道桥等，这些人工构筑物对河流的连通性产生了巨大阻隔，导致河网水系发生剧烈变化，引发城市水环境问题，如末端河流消失、河网形态变化、河网调蓄能力下降和水生态环境质量恶化等。陈晓宏和陈永勤(2002)研究表明，珠江三角洲河网区水文情势发生了显著变异，剧烈的人类活动是直接原因，如围垦、桥梁、码头建设以及水闸的不合理调度等，导致水量集中，蓄滞洪能力下降，河道流量增加，洪涝威胁加剧。部分河段由于水文连通受阻，水环境恶化，水生态系统功能下降。 因此，河流连通性评价对河网水系健康改善具有重要意义。随着河流连通性研究的不断深入，河流连通性评估方法借鉴了图论、水文模型、河流健康研究等数学、物理、化学各学科的思想理论。国内外学者主要运用水文模型、景观连通度、图论和连通性函数等方法进行定量评估，且已经形成相对完善的技术方法体系。例如，李丽等(2017)建立了基于联系数的河湖连通评价模型，该模型主要利用改进的模糊层次分析法和集对分析法构造评价样本和等级之间的联系数分量，并对南渡江水系的连通性进行评估。Karim等(2012)利用MIKE 21构建了水动力学模型，并评估了湿地与河流之间的连通程度。高玉琴等(2018)运用改进的图论与水文模型方法构建了河网水系连通性评估方法，模拟结果符合研究区连通情况。那娜(2019)将图论与水文模型耦合，对河网水系进行连通性评价，结果表明该方法具有较强的可靠性和准确性。 1.2.2平原城市河网水文连通研究 城市河网一般是指流经城区的河道所构成的纵横交错的水系，水网中的河道包括自然与人工两种类型。城市河网与自然或近自然河流的最大差异为是否受到人类的较大影响，包括河床改造、围垦、河滨带的修建、人工引排水、闸坝构筑、废水排放等。 城市河网作为城市的重要组成部分，承担着多种功能，如生物栖息地功能、通道功能、调节功能、屏障功能、社会服务功能、景观功能等。但是，随着经济快速发展，城市化水平大幅提升，城市河网结构发生巨大改变。例如，高度城市化地区的河网结构趋于主干化、简单化，河网面积与密度大幅下降，以及高强度的引排水调控破坏了生物栖息环境等。平原地区地理环境特殊，因此城市化速度相对较快，且该区域的城市河网具备流速缓慢、流向多变、闸泵调控复杂等特点，使得平原城市河网的结构及功能更易遭到破坏。人类活动严重影响平原城市河网连通格局。为了定量评估城市河网水文连通状态，需要构建水文连通评估体系。现有的平原城市河网连通性评估方法主要通过水文学、地貌学等学科建立水文结构和功能连通评估模型。其中，平原城市河网结构连通评估方法主要基于图论及多指标评估体系分析河网的节点连接率、连通度、密度和发育系数等。但是以上结构连通评估均为宏观层面的水系连通研究，无法评估微观层面的河网连通性，难以识别复杂河网关键连通节点。平原城市河网功能连通评估方法主要基于水位波动差的纵向连通指数，但该指数无法表征人工调度对水文连通的动态影响。 综上，经济发展导致的河网结构连通变化使得城市河网功能的保障面临严峻挑战，且当前的平原城市河网水文连通评估方法难以准确识别复杂河网关键控制节点及表征水文连通功能变化。 1.2.3水文连通对水文-水环境-水生态的响应研究 河网连通受阻，导致水资源调配能力不足，洪涝灾害频发，干扰水系物质、能量及生物的迁移转化，从而造成一系列的安全、环境和生态问题。然而，水文水动力、水环境、水生态和水安全对连通性变化的响应规律机制尚不明确，难以对连通性变化下的社会、经济、环境、生态和安全的风险压力进行评估。因此，为了保障河网的防洪安全、环境生态等，国内外学者对水文连通性变化引发的水文-水环境-水生态效应进行研究分析。 研究表明，水文连通性对河网的水文水动力产生显著影响，包括水位季节性变化、水量排泄与补给关系、流量、流速及换水周期等。适度增加水文连通性有助于提高河网水系的流动性，从而加快水资源更新率，有助于污染物的降解。郑清等(2016)利用Delft3D模型模拟了大东湖水系网络的流场变化，结果表明连通后的水系流速是连通前的2倍。Yin等（2018）对城市渠化水系的连通性进行模拟，提出三种不同连通度情景，分析了不同情景下的流速及自净能力变化。Czuba等(2019)利用HEC-RAS模型对印第安纳州的河流网络的水流路径、河漫滩交换及停留时间进行模拟，发现随着连通性变低，洪水流量将增加，河漫滩最终被完全淹没。 维持良好的水文连通性对改善河网水动力条件，加快水量交换速度，强化污染物的稀释、扩散和降解作用具有积极作用。国内外学者对不同连通情景下的水质改善效果进行了大量研究，结果表明，适度地增加连通性能够有效地改善水系的水环境状况。Harvey等(2019)发现美国东北部河流除氮效率*高的是中间连通性，而不是*高或*低连通性，当连通性保持一定程度时可以平衡停留时间与活性沉积物的接触量，并最大限度地对溶解污染物进行活性处理，保护下游水质。胡如幻(2018)利用MIKE 11模型模拟了平原河网地区不同水系连通度情景下的水质状况，结果显示随着水文连接度等级升高，TN和TP浓度均降低，且TN降解效果更为显著，同时发现在河流的交汇点连通时，水质改善效果更佳。曹宇弛(2019)对资兴市湿地网络连通性进行研究，分析了4个连通性方案中的COD、SS、TN、TP变化，发现随着连通性的增强，不同连通性方案中水文水质效应变化明显，并且不同水体之间的水文水质效应变化趋势呈现一致性。Li等(2019)分析了鄱阳湖与湿地不同连通性条件下的水质情况，结果表明，水文连通性的增强导致季节性湖泊水质随之改善，水文连通性可能是控制季节性湖泊之间水质动态变化的关键因素。综上，适当地提升水文连通度水平可以强化河网内部污染物的稀释降解过程，从而对水质的改善产生积极影响。崔广柏等(2017)发现平原河网地区的水系连通性增强可以有效改善水环境和水生态质量，随着河道的连通性增强，河道水质平均改善率提升至30%～50%。林芷欣等(2018)对典型平原河网城市苏州市的水系结构进行深入研究，发现城市化的发展导致河网密度、支流发育系数、河网复杂度分别减少6.91%、7.34%、5.49%，且随着河网连通性的下降，平原河网的调蓄能力下降，河流生态功能受损。 河网水系因其不同空间内的物理、化学组成的异质性，为植物、藻类、底栖动物、鱼类和水禽等物种提供了适宜的栖息地。因此，水文连通性对水文水动力和水质造成的影响，最终都会反馈到生境格局、生物群落结构及多样性的变化上。大量研究结果表明，维持水文连通对各种水生生物的生存及物种多样性具有积极作用。连通性较好的河网有助于生物的觅食和繁殖活动，幼体的聚集程度、速率与水文连通结构的复杂性呈正相关，水文连通性越高，生物多样性越高。Kufel和Lesniczuk(2014)对不同河湖的水质进行分析发现，连通性较高的河湖叶绿素含量高于阻隔型，这是由于连通性湖泊中较快的水流运动有效抑制了藻类的沉积。Chi等(2016)研究河湖的连通性发现，中等连通条件下的底栖动物多样性*高，且不同连通条件下的优势种有所差别。Jiang等(2020)对连通性湖泊与不连通性湖泊的富营养化、物种丰度进行对比，结果发现连通性对鱼类群落和水质梯度响应显著。吕军等(2017)对松花江流域的主要支流的连通性进行评估，并分析各支流的鱼类生境情景，结果发现当闸坝、水库等影响连通性的设施大量建造时，部分鱼类出现绝迹，为满足鱼类的生存需求，应当适当调整水系的连通性。Okano等(2018)研究表明闸坝的建设降低了河网的连通性，进而对底栖动物多样性产生了负面影响。郭雨桐等(2019)利用碳氮稳定同位素分布特征与水文连通的关系，发现水文连通对水体悬浮颗粒物来源和植物的碳代谢生长可能存在影响。 综上，不同水文连通度使水文水动力条件发生变化，影响了生境面积、水系植被格局以及生物的动态迁移、觅食和繁殖，进而引发了生态系统的动态改变。因此，水文连通变化下的生态效应研究应重点考虑水文水动力、水环境和水生态之间的相互作用机制，全面系统地把握水文连通对生态的响应规律，从而为河网生态修复提供科学技术支撑。 1.2.4基于闸坝调控的生态修复与优化 随着经济的快速发展，人们对水资源的合理配置及其时空分布提出了更为严格的要求。为实现水资源的*优配置，大量的水利设施应运而生。这些设施在增加枯水期流量、削减洪峰、提高抗击自然灾害能力和优化水资源方面发挥了重要作用。然而，它们也降低了河网的连通性，导致河流中的水文水动力要素及污染物的生物化学转化过程发生改变。特别是在水闸附近，污染物在水体中的迁移转化过程愈发复杂，进而对水环境及水生态造成了破坏。 近年来，
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