问题描述

梯级大坝是大型河流开发的重要方式，在服务于人类社会经济发展的同时对生态环境产生不可忽视的影响。随着梯级大坝工程数量的增加和布局的变化，对河流水文水利特性、水生—陆生生境及水/陆生生物等多要素产生的影响愈加复杂和深远，具有“累积效应”，影响河流生态健康。统筹社会经济—生态环境—水资源多维目标优化梯级水库调度运用方式是减缓生态环境累积效应的有效途径。当前，需要破解梯级大坝影响下河流生态系统长期演变趋势及累积效应的形成机制和传导路径，创新多目标协同的适应性调控方法，提出减缓生态环境累积效应的适应性调控策略和方案。这对维持河流健康生命和社会经济—生态环境协调发展具有重要的科学价值，同时对河流水资源调度和管理、提高梯级开发的综合效益等具有重要的实践意义。

问题背景

大型河流开发通常以梯级方式展开。梯级开发具有灌溉、发电、防洪、供水、养殖、航运、旅游等多种功能，服务人类社会经济发展，同时梯级开发也在不同程度上改变了河流水文情势，影响陆地水文循环，进而对水生-陆生生态系统产生深刻的影响。相较于单个工程，梯级开发随着水工程数量的增多和布局的调整，对生态环境的影响日趋复杂，产生的生态效应往往具有累积性、潜在性、连锁性等特点。当前，大型河流梯级水库开发格局基本形成，即将进入由建设到管理运行的后坝工时代，随着梯级规模逐渐增大，综合利用要求日趋复杂，以及重大国家战略对于生态保护要求的不断提高，梯级开发运行的生态累积效应逐步深化，单库和梯级、河段与整体、河流与陆地之间的相互制约和冲突关系逐渐加剧。探索梯级多目标适应性调控机制和方法，重塑适宜的生态水文过程，减缓生态时空“累积效应”，是实现流域可持续发展、提升河流生态健康水平的基础。如何明确水文过程与关键指标的响应关系，科学认识水/陆生生态系统演变规律，明晰梯级开发影响下的生态环境多要素复合累积效应；综合区域社会经济—水资源—生态发展特征和协同演变规律，针对生态环境变化影响优化梯级开发及运行方式减缓累积效应，提升综合效益，实现社会—生态协同发展，仍然是亟待解决的前沿科学问题。

最新进展（截止问题发布年度）

河流生态系统是一个复合的系统，河流水体内生物要素与非生物要素共同构成了相互作用、相互制约的河流水生态系统。梯级开发对河流生态系统的影响主要集中在非生物因素（如河道结构和河流能量、物质输送通道等）和生物要素（如河流生态结构和功能变化）的影响。当前梯级开发及运行方式对河流非生物要素的影响主要针对水文、泥沙、水文、水质等单一要素，且多为定性评价，对环境要素之间的相互影响和耦合作用研究不深入且缺乏定量研究方法；对生物要素的影响主要针对种群类型、结构、数量等要素，多基于单次或短期监测，缺乏对各要素之间的关联关系的深入研究且难以揭示梯级水库开发及运行对河流生态系统结构和功能影响的长期演替规律。

累积效应主要用于反映当一种活动影响将过去、现在以及将来可预见的活动影响叠加时，因累积效应对环境造成的影响。梯级开发主要通过改变河流生态系统的水动力条件、河流光照条件、影响输送条件等，从而导致系统内生物、非生物要素重新配置，其生态环境累积效应往往是由环境扰动的空间和时间拥挤产生，具体表现为加和、协同和拮抗三方面作用的交替和关联过程。显著区别于单一水库带来的要素纵向梯度变化，梯级大坝影响下的河流水文水动力条件、分层—混合格局、生物—非生物要素时空分布更具有复杂性和不确定性，往往具有三维结构特征，即横向、纵向和垂向三个方向。当前针对河流生态系统的研究多采用定性方法，定量评价薄弱，累积影响的作用方式、传导路径等不明晰。

适应性调控的核心是通过不同目标的统筹来实现生态环境效应的减缓，梯级水库群的协同调控使减缓累积效应、提高多目标综合效益直接且有效的方式。针对日益凸显的河流生态环境累积效应问题，水库群适应性调控逐渐形成了以河流梯级开发区间河流生态系统修复为主要目标，以“径流调节—优化的水库群调度方案”为主线的调控模式。梯级开发往往承担多种功能，功能之间存在协同—竞争关系，为实现多目标协同，提升综合效益，适应新时期社会经济和生态环境要求，水库群联合调度问题逐步向多尺度、多目标、多层次方向发展，然而，融合累积效应减缓和多目标协同的调控理论和调度方式还有待进一步完善。

针对上述进展和存在问题，未来研究在以下三个方面存在挑战：（1）梯级开发影响下的河流生态系统长期演变规律；（2）生态环境多要素之间定量关系、复合作用以及累积效应的形成机制和传导路径；（3）面向社会经济—生态环境—水资源多目标协同发展的适应性调控机制和调控方法。

重要意义

揭示梯级水库群的累积效应，创新适应性调控方法，提出减少生态环境影响、提高综合效益的适应性调控策略和方案，可直接服务于黄河、长江等重要河流的水资源调度与管理的实践，推动南水北调西线调水工程等重要水工程的论证，助力推进黄河流域生态保护和高质量发展、长江经济带发展等国家重大战略，可为河流健康生命维护和流域经济社会、生态环境、水资源协调发展提供理论和方支撑，具有重要的科学价值。