“西南河流源區(qū)徑流變化和適應(yīng)性利用”重大研究計(jì)劃進(jìn)展綜述

胡春宏，鄭春苗，王光謙，張建云，王 超，姚檀棟，王焰新，賴(lài)明勇，倪廣恒，王雨春，張 弛，田富強(qiáng)

(1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2. 南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；3. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；4. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；5. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；6. 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；7. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；8. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；9. 大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的耦合影響下，全球水循環(huán)發(fā)生了顯著變化，引發(fā)資源環(huán)境等一系列問(wèn)題。近半個(gè)世紀(jì)中國(guó)地表水資源總量呈減少趨勢(shì)、旱澇事件趨多趨強(qiáng)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的水資源保障面臨很大挑戰(zhàn)。作為中華水塔和亞洲水塔，西南河流源區(qū)的徑流影響到下游14億人口的供水，也是中國(guó)和周邊地區(qū)的重要生態(tài)屏障，同時(shí)地處地球第三極，積雪豐富，冰川和凍土發(fā)育，水文過(guò)程復(fù)雜，開(kāi)展西南河流源區(qū)徑流變化和適應(yīng)性利用研究具有重要的實(shí)踐意義和科學(xué)價(jià)值。為厘清氣候變化下的西南河流源區(qū)水文水環(huán)境變化規(guī)律并開(kāi)展適應(yīng)性利用，為國(guó)家重大需求提供科學(xué)支撐，培養(yǎng)水文水資源和水環(huán)境研究的中青年領(lǐng)軍人才，推動(dòng)中國(guó)水利、地學(xué)、管理學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展，國(guó)家自然科學(xué)基金委于2015年啟動(dòng)了“西南河流源區(qū)徑流變化和適應(yīng)性利用”重大研究計(jì)劃(以下簡(jiǎn)稱(chēng)重大研究計(jì)劃)，是中國(guó)在青藏高原區(qū)域組織實(shí)施的聚焦水科學(xué)領(lǐng)域的首批國(guó)家級(jí)研究計(jì)劃，在相關(guān)領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展。

1 重大研究計(jì)劃總體情況

1.1 立項(xiàng)背景

西南河流源區(qū)是亞洲水塔，是長(zhǎng)江、黃河、怒江、瀾滄江、雅魯藏布江等亞洲主要大河的發(fā)源地，水量供給下游14億人口[1]。西南河流源區(qū)也是中國(guó)水資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)，怒江、瀾滄江和雅魯藏布江干支流每年的出境水量約為5 000億m3，接近中國(guó)6 000億m3的年總用水量[2]。由于該區(qū)域?qū)夂蜃兓憫?yīng)敏感，水資源量未來(lái)演變趨勢(shì)不明[3]，在中國(guó)水資源供需日益緊張的形勢(shì)下，厘清氣候變化下源區(qū)徑流的變化規(guī)律是戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)水資源合理開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)，是國(guó)家“十四五規(guī)劃”確定的雅魯藏布江下游水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要科學(xué)依據(jù)，對(duì)中國(guó)長(zhǎng)期的水安全保障具有戰(zhàn)略意義。

西南河流源區(qū)也是中國(guó)的水電能源基地，西南水電占全國(guó)可開(kāi)發(fā)量的68%，水電是中國(guó)最大的清潔能源，西南水電的開(kāi)發(fā)利用對(duì)中國(guó)能源安全和節(jié)能減排均有重要意義[4]，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。根據(jù)國(guó)家能源規(guī)劃，西南河流源區(qū)水能開(kāi)發(fā)將在今后10～30 a進(jìn)入新的高潮期。中國(guó)水能開(kāi)發(fā)在經(jīng)歷了以技術(shù)約束、資金約束和市場(chǎng)約束為主的發(fā)展期后，已進(jìn)入以生態(tài)環(huán)境約束為主的時(shí)期。西南河流源區(qū)多樣的河流生境涵養(yǎng)了多樣的生物物種，科學(xué)評(píng)估徑流變化下河流環(huán)境質(zhì)量的演變對(duì)水電站的科學(xué)規(guī)劃和合理調(diào)度具有重大意義。同時(shí)，在跨越國(guó)境的瀾滄江、雅魯藏布江等國(guó)際河流上則需要從外交層面上考慮水電的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度，開(kāi)展水文、水環(huán)境變化和徑流適應(yīng)性利用研究，從科技方面支撐中國(guó)“瀾湄合作機(jī)制”等周邊外交和“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施。

西南河流源區(qū)地處地球第三極，其徑流變化和適應(yīng)性利用是國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。該地區(qū)氣候嚴(yán)寒，水的多態(tài)相變導(dǎo)致水文過(guò)程復(fù)雜、對(duì)氣候變化響應(yīng)復(fù)雜；同時(shí)，青藏高原的快速隆升導(dǎo)致生物地球化學(xué)物質(zhì)的循環(huán)變異十分強(qiáng)烈，這對(duì)全球物質(zhì)循環(huán)的影響非常顯著；另外，該區(qū)域包含較多國(guó)際河流，徑流開(kāi)發(fā)利用涉及跨境影響。因此，該區(qū)域水文、水環(huán)境和水資源問(wèn)題受到國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近些年來(lái)Nature和Science等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的水文水資源類(lèi)文章有較高比例聚焦該區(qū)域，但受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論方法的限制，研究結(jié)果相互間矛盾較多。中國(guó)在該區(qū)域開(kāi)展相關(guān)研究具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但中國(guó)學(xué)者在國(guó)際學(xué)術(shù)界的聲音仍不多、不強(qiáng)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

徑流演變是氣候變化和流域下墊面變化綜合作用的結(jié)果。來(lái)源于不同水源的徑流對(duì)于氣候變化的響應(yīng)特點(diǎn)不同，導(dǎo)致氣候變化下的徑流演變極為復(fù)雜，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，且不同研究的結(jié)果差異較大，亟待不斷深入。如對(duì)于西南河流源區(qū)水儲(chǔ)量的問(wèn)題，Yao等[5]根據(jù)典型冰川數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)近20 a源區(qū)水儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，這與先前Jacob等[6]根據(jù)GRACE衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)所得到的水儲(chǔ)量增加的結(jié)論完全相反。又如，關(guān)于西南河流源區(qū)徑流演變趨勢(shì)的預(yù)估也存在顯著差異，如Lutz等[3]解析近20 a來(lái)雅魯藏布江奴下站以上流域的融冰徑流比例高達(dá)16%，而Wang等[7]的解析結(jié)果僅為3.8%。要獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，可能的突破途徑是通過(guò)耦合多源數(shù)據(jù)和方法解析徑流水源組成，通過(guò)歷史徑流系列識(shí)別未來(lái)百年徑流的周期和隨機(jī)性，通過(guò)氣候變化和下墊面的協(xié)同演化提高氣候變化影響下的預(yù)測(cè)精度。

大中型水庫(kù)既具有水體溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽分層等湖沼學(xué)特點(diǎn)[8]，又具有底層泄水和反季節(jié)蓄水等人為調(diào)控的特點(diǎn)，水庫(kù)的梯級(jí)建設(shè)更增加了問(wèn)題的復(fù)雜性，顯著改變了相關(guān)物質(zhì)在河流水環(huán)境中的遷移特征。生源物質(zhì)在水庫(kù)群的多級(jí)利用以及再生循環(huán)表現(xiàn)出高度非線性累積變化[9]。中國(guó)水電環(huán)境保護(hù)管理始于20世紀(jì)80年代初，大型水庫(kù)在流域水文過(guò)程和生態(tài)過(guò)程中的重要作用已得到廣泛認(rèn)同，但是目前關(guān)于水庫(kù)“新生”生態(tài)系統(tǒng)的湖沼學(xué)理論研究依然十分有限，尤其缺乏對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群累積效應(yīng)方面的研究，當(dāng)前相關(guān)研究的理論基礎(chǔ)還主要基于傳統(tǒng)的“河流連續(xù)體概念”和“洪水脈動(dòng)概念”，亟需進(jìn)行突破，建立適用于新生人工湖泊體系的新概念和新方法[10]。

20世紀(jì)以來(lái)，以大壩水庫(kù)為基礎(chǔ)支撐的徑流利用經(jīng)歷了從單庫(kù)到流域、從單目標(biāo)到多目標(biāo)、從單一自然到自然-社會(huì)耦合的過(guò)程。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法在水資源問(wèn)題的廣泛成功應(yīng)用使得研究延伸至多庫(kù)、多目標(biāo)調(diào)度問(wèn)題，方法上主要是改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃以降維。計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能算法的發(fā)展使得系統(tǒng)仿真模擬與快速優(yōu)化計(jì)算成為可能，同時(shí)不確定性分析的研究增多，流域管理研究應(yīng)運(yùn)而生[11]。流域管理不僅關(guān)注徑流利用的自然物理過(guò)程，還涉及經(jīng)濟(jì)博弈和政策制定。然而隨著系統(tǒng)規(guī)模發(fā)生了數(shù)量級(jí)的增加、人與自然相互作用的增強(qiáng)、徑流不確定性和極端氣象水文事件頻率增加，用水模式和資源分配方法極大地不同于過(guò)去，需要新的系統(tǒng)模型、系統(tǒng)方法以實(shí)現(xiàn)智能化、適應(yīng)性徑流利用。目前多智能體、自適應(yīng)方法是研究熱點(diǎn)[12]，各種耦合關(guān)系是國(guó)際前沿的活躍方向，研究目標(biāo)在于更好地模擬、處理自然-社會(huì)耦合系統(tǒng)，以優(yōu)化配置有限資源，適應(yīng)不斷變化的氣候條件和日益復(fù)雜的多利益主體用水需求。同時(shí)，智能監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算平臺(tái)及移動(dòng)通信設(shè)備等技術(shù)為水文預(yù)測(cè)和水資源管理提供了新的研究思路和手段[13]。當(dāng)前的研究趨勢(shì)是從系統(tǒng)多維時(shí)空尺度揭示供水-發(fā)電-環(huán)境間的互饋關(guān)系，研究自然和社會(huì)對(duì)多利益主體的交互影響，提高變化環(huán)境下徑流利用的科學(xué)認(rèn)知以支撐徑流規(guī)模利用，為水資源適應(yīng)性利用提供新的理論和方法基礎(chǔ)。

1.3 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

重大研究計(jì)劃聚焦西南河流源區(qū)的徑流變化及其適應(yīng)性利用開(kāi)展研究，包括長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江的源區(qū)，并著重在瀾滄江和雅魯藏布江2條國(guó)際河流進(jìn)行集成。擬解決以下3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：

第一，不同水源的徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。不同徑流成分對(duì)氣候變化的響應(yīng)特性不同，為更好預(yù)測(cè)氣候變化下西南河流源區(qū)的徑流演變，需要對(duì)徑流成分進(jìn)行解析，并揭示不同水源的徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。重點(diǎn)開(kāi)展以下關(guān)鍵問(wèn)題的研究：建立多種示蹤物質(zhì)的徑流成分解析能譜，識(shí)別解析能力強(qiáng)的示蹤物質(zhì)，建立基于多示蹤元素組合的徑流成分解析理論，揭示氣候和下墊面協(xié)同變化的徑流效應(yīng)，探究流域水文系統(tǒng)演化的速率及遵循的原理。

第二，徑流變化下生源物質(zhì)循環(huán)的變異規(guī)律。徑流變化下河流泥沙通量和生源物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出多要素、多過(guò)程、高度不確定性的復(fù)雜特征，需要突破經(jīng)典連續(xù)河流理論或單一水庫(kù)模擬分析方法，以揭示梯級(jí)水庫(kù)強(qiáng)烈擾動(dòng)下的河流生源物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。重點(diǎn)開(kāi)展以下關(guān)鍵問(wèn)題的研究：揭示河流-水庫(kù)復(fù)合系統(tǒng)生源物質(zhì)“源/匯”及通量變異的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，構(gòu)建梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流多要素、多過(guò)程、多尺度耦合的非線性生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，提出梯級(jí)河流環(huán)境質(zhì)量變化累積效應(yīng)及風(fēng)險(xiǎn)閾值的定量表征方法。

第三，基于多目標(biāo)互饋的徑流適應(yīng)性利用。氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展加劇了用水矛盾，凸顯了更廣泛的競(jìng)爭(zhēng)性用水需求，需要建立徑流適應(yīng)性利用的理論和方法。重點(diǎn)開(kāi)展以下關(guān)鍵問(wèn)題的研究：揭示供水-發(fā)電-環(huán)境協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，揭示復(fù)雜水資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演進(jìn)機(jī)理，識(shí)別復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及徑流適應(yīng)性利用安全閾值，提出基于多利益主體協(xié)同的徑流適應(yīng)性利用對(duì)策。

1.4 組織管理

重大研究計(jì)劃自2015年10月正式發(fā)布指南、接收申請(qǐng)，截至2020年12月總計(jì)收到申請(qǐng)書(shū)共計(jì)522份。經(jīng)專(zhuān)家通訊評(píng)審和會(huì)議評(píng)審，資助項(xiàng)目共計(jì)88項(xiàng)，其中，培育項(xiàng)目44項(xiàng)，重點(diǎn)支持項(xiàng)目35項(xiàng)，集成項(xiàng)目5項(xiàng)，戰(zhàn)略研究項(xiàng)目4項(xiàng)。申請(qǐng)項(xiàng)目涉及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部、地球科學(xué)部、管理科學(xué)部、化學(xué)科學(xué)部、生命科學(xué)部和信息科學(xué)部等6個(gè)學(xué)部。

指導(dǎo)專(zhuān)家組和管理工作組嚴(yán)格按照國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大研究計(jì)劃管理的有關(guān)規(guī)定和辦法實(shí)施重大研究計(jì)劃。在實(shí)施過(guò)程中，遵循“有限目標(biāo)、穩(wěn)定支持、集成升華、跨越發(fā)展”的基本原則，通過(guò)指導(dǎo)專(zhuān)家組和管理工作組的有效協(xié)同來(lái)實(shí)施管理。在組織和管理工作方面主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

(1) 開(kāi)展野外考察和當(dāng)?shù)卣{(diào)研，致力于解決國(guó)家重大需求。針對(duì)研究區(qū)域資料缺乏和前期研究基礎(chǔ)薄弱的特點(diǎn)，指導(dǎo)專(zhuān)家組和管理工作組對(duì)接當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)，每年組織1次研究區(qū)域的野外考察，并引導(dǎo)試驗(yàn)觀測(cè)、數(shù)據(jù)集成和水庫(kù)調(diào)度等類(lèi)型項(xiàng)目與當(dāng)?shù)貙?shí)踐單位進(jìn)行合作，加強(qiáng)了項(xiàng)目的試驗(yàn)觀測(cè)工作基礎(chǔ)，并增強(qiáng)了項(xiàng)目研究與實(shí)際工作的結(jié)合。通過(guò)野外考察及與當(dāng)?shù)貑挝坏暮献鳎鲞M(jìn)了重大研究計(jì)劃人員對(duì)區(qū)域的深入認(rèn)知，對(duì)西南河流源區(qū)在水電消納、跨境河流涉外管理以及堰塞湖應(yīng)急除險(xiǎn)等方面的重大需求有了深刻理解，進(jìn)而指導(dǎo)天空地一體化監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建和理論研究的落地應(yīng)用，有效推動(dòng)了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、科研工作與區(qū)域重大需求的結(jié)合。

(2) “走出去”與“引進(jìn)來(lái)”結(jié)合，多渠道加強(qiáng)國(guó)際交流與合作。重大研究計(jì)劃的研究區(qū)域和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是國(guó)際研究熱點(diǎn)，有必要加強(qiáng)國(guó)際交流和合作，確保重大研究計(jì)劃成果的前沿性。為此，專(zhuān)家組通過(guò)多種措施推動(dòng)實(shí)質(zhì)性國(guó)際合作，組織2次針對(duì)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿的交流與考察活動(dòng)，赴北美、北歐就水資源管理、寒區(qū)水文水生態(tài)機(jī)理等問(wèn)題開(kāi)展調(diào)研研討，特邀多位國(guó)際知名學(xué)者參與年度學(xué)術(shù)交流會(huì)和戰(zhàn)略項(xiàng)目研討會(huì)，持續(xù)在國(guó)際會(huì)議上組織重大研究計(jì)劃的專(zhuān)場(chǎng)會(huì)議，在歐洲地理聯(lián)合會(huì)的水文雜志HydrologyandEarthSystemSciences組織專(zhuān)輯，全面介紹重大研究計(jì)劃的重要進(jìn)展，提升國(guó)際影響。

(3) 及早啟動(dòng)集成布局的戰(zhàn)略研究，做好頂層設(shè)計(jì)。為更好開(kāi)展重大研究計(jì)劃后期的集成升華，指導(dǎo)專(zhuān)家組緊密?chē)@重大研究計(jì)劃的總體目標(biāo)和核心科學(xué)問(wèn)題，及早開(kāi)展集成思路的戰(zhàn)略研究。同時(shí)，根據(jù)重大研究計(jì)劃所取得的重要進(jìn)展及國(guó)際調(diào)研獲得的最新發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)家重大需求不斷完善重大研究計(jì)劃的頂層設(shè)計(jì)和集成思路，將關(guān)于集成的頂層設(shè)計(jì)反映在項(xiàng)目的立項(xiàng)和研究任務(wù)布局中，確保重大研究計(jì)劃集中資源解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，服務(wù)國(guó)家重大需求。

2 進(jìn)展一：西南河流源區(qū)天空地一體化監(jiān)測(cè)體系

西南河流源區(qū)氣象水文地面觀測(cè)站點(diǎn)稀疏、空間分布不均衡、監(jiān)測(cè)不連續(xù)、資料系列短，嚴(yán)重制約了水文水資源及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐。重大研究計(jì)劃構(gòu)建了西南河流源區(qū)氣象水文要素天空地一體化監(jiān)測(cè)體系，提升了西南河流源區(qū)的監(jiān)測(cè)能力。在此基礎(chǔ)上，廣泛收集并融合同化多源數(shù)據(jù)，建立了西南河流源區(qū)數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，初步揭示了近幾十年來(lái)西南河流源區(qū)冰川、湖泊、儲(chǔ)水量、徑流以及空中水資源變化的時(shí)空特征。

2.1 西南河流源區(qū)天空地一體化監(jiān)測(cè)體系

西南河流源區(qū)位于青藏高原，地勢(shì)高亢、山高谷深、交通不便，大氣條件具有低氣溫、低含氧量、低氣壓和強(qiáng)紫外線等“三低一強(qiáng)”的特點(diǎn)，地面條件具有比降陡、易滑坡、易侵蝕等特點(diǎn)，導(dǎo)致常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備在高原寒區(qū)不適用、地面監(jiān)測(cè)站建設(shè)和運(yùn)維保障難度大等問(wèn)題。重大研究計(jì)劃研發(fā)了高原寒區(qū)地面監(jiān)測(cè)系列新設(shè)備，提出了高原寒區(qū)河道流量遙感監(jiān)測(cè)新技術(shù)，構(gòu)建了空中水資源天空地一體化監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)系統(tǒng)，為空中水資源的定量監(jiān)測(cè)、作業(yè)調(diào)度及作業(yè)效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.1 高原寒區(qū)地面監(jiān)測(cè)系列新設(shè)備

在新設(shè)備方面，劉九夫、劉宏偉等課題組研發(fā)了全天候高精度自動(dòng)降水觀測(cè)裝置，解決了雨雪無(wú)法兼顧、計(jì)量誤差受雨強(qiáng)影響大等問(wèn)題，將單層翻斗雨量設(shè)備在高原寒區(qū)的計(jì)量誤差由±4%～±8%降低到±2%范圍內(nèi)，精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[14-19]。劉九夫課題組還研發(fā)了雷達(dá)水位計(jì)，改進(jìn)了壓力水位計(jì)，通過(guò)研發(fā)干擾物排除算法、濾波算法、超聲波清洗等技術(shù)，提升其在高原寒區(qū)的適應(yīng)性。劉九夫、王雨春等課題組研發(fā)了適用于高原寒區(qū)的流量、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)新型成套設(shè)備，發(fā)展了大尺度視頻流速場(chǎng)測(cè)量LSPIV新技術(shù)，測(cè)流誤差為±10%(中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：CN106908218A、CN106768155A、CN105447883A等)。陳求穩(wěn)課題組自主研發(fā)了300 m級(jí)深大水庫(kù)的采樣監(jiān)測(cè)設(shè)備，在高原深大水庫(kù)水體垂向分層精確采樣的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵理化參數(shù)同步監(jiān)測(cè)和無(wú)擾動(dòng)沉積物柱芯采集，取得了10余項(xiàng)中國(guó)和美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利[20-21](中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：CN108827687A、CN110398397A等；國(guó)際專(zhuān)利號(hào)：US16297454)。劉九夫、劉宏偉等課題組針對(duì)高原寒區(qū)供電困難、公共通信覆蓋不足、冰凍條件下無(wú)法監(jiān)測(cè)等難題，研發(fā)了風(fēng)光聯(lián)合供電裝置，建立了物聯(lián)網(wǎng)-公網(wǎng)-北斗相結(jié)合的通訊方式，設(shè)計(jì)實(shí)施了設(shè)備紫外線防護(hù)方案，開(kāi)展融雪雨量計(jì)電加熱系統(tǒng)試驗(yàn)，改進(jìn)加熱方法實(shí)現(xiàn)降水全天候監(jiān)測(cè)，有效提高了監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電、通信和防護(hù)水平(中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：CN207730910U)。上述設(shè)備的研發(fā)可提升高原寒區(qū)全天候監(jiān)測(cè)能力，降低水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)專(zhuān)業(yè)人員的依賴(lài)程度和運(yùn)維難度，促進(jìn)西南河流源區(qū)水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的優(yōu)化和完善。

2.1.2 高原寒區(qū)河道流量遙感監(jiān)測(cè)新技術(shù)

龍笛課題組基于光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星進(jìn)行河寬信息提取，解決了300 m級(jí)窄河道距離改正的難題，相比國(guó)際上主要針對(duì)1 000 m級(jí)大河的水位監(jiān)測(cè)方法有較大突破；通過(guò)對(duì)對(duì)流層、電離層等各種影響因素進(jìn)行物理改正，提出了新的波形重定方法TIC[22]，實(shí)現(xiàn)高山區(qū)窄河道水位反演(圖1)，提出了多個(gè)徑流計(jì)算公式，在高山區(qū)窄河道徑流遙感反演方法方面取得了重要進(jìn)展[23-24]，為實(shí)現(xiàn)空基或天基的水位流量監(jiān)測(cè)提供了可能的技術(shù)方法。

圖1 基于衛(wèi)星雷達(dá)的高山區(qū)河流水位反演Fig.1 River water level retrieving algorithm in high mountainous areas based on satellite radar

2.1.3 空中水資源天空地一體化監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)系統(tǒng)

在空中水資源監(jiān)測(cè)方面，構(gòu)建了多種頻段互補(bǔ)、多掃描模式協(xié)同的地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了云雨特征參數(shù)、云雨時(shí)空分布特征、晴雨轉(zhuǎn)換過(guò)程的連續(xù)、快速、大范圍監(jiān)測(cè)；研發(fā)了無(wú)人機(jī)及氣球智能協(xié)同控制技術(shù)、智能取樣及水汽探測(cè)技術(shù)與設(shè)備，與地基雷達(dá)及天基衛(wèi)星監(jiān)測(cè)手段互補(bǔ)，完成西南源區(qū)難抵達(dá)區(qū)域的取樣及監(jiān)測(cè)任務(wù)；基于多系列云雨監(jiān)測(cè)雷達(dá)地基監(jiān)測(cè)體系、智能無(wú)人機(jī)及氣球空基監(jiān)測(cè)體系、現(xiàn)有風(fēng)云系列衛(wèi)星及資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，構(gòu)建了空中水資源天空地一體化精細(xì)監(jiān)測(cè)體系，為空中水資源的定量監(jiān)測(cè)、作業(yè)調(diào)度及作業(yè)效果評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支撐。

鐘德鈺課題組在空中水資源評(píng)估研究方面，建立了空中水資源形成、遷移和轉(zhuǎn)化理論，提出了空中水資源的資源量評(píng)估、源解析和轉(zhuǎn)化率分析等方法，形成了系統(tǒng)的空中水資源開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估方法[25-27]。裘鈞課題組在空中水資源開(kāi)發(fā)技術(shù)方面，研發(fā)了脈沖式低頻強(qiáng)聲增雨雪技術(shù)及設(shè)備(中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：CN109740173A、CN109740174A、CN108600908A、CN211550160U、CN211525349U等)，采用雙金屬無(wú)油軸承技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓氣體密封/發(fā)射雙狀態(tài)瞬時(shí)切換，低頻聲壓上限為160 dB，低頻強(qiáng)聲發(fā)射能力國(guó)際領(lǐng)先。在聲波增雨空中水資源開(kāi)發(fā)技術(shù)機(jī)理方面，陳驥課題組通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了聲波對(duì)云霧沉降的促進(jìn)效應(yīng)、聲波對(duì)云霧粒徑的調(diào)制作用，基于力學(xué)模型揭示了聲波作用下云滴運(yùn)動(dòng)及碰并的動(dòng)力學(xué)機(jī)制[28-31]。在林芝、德令哈、青海大學(xué)、玉珠峰、都蘭、達(dá)日等聲波增雨雪外場(chǎng)試驗(yàn)基地開(kāi)展了新型空中水資源開(kāi)發(fā)利用核心技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。目前累計(jì)開(kāi)展試驗(yàn)200余場(chǎng)，累計(jì)參與2 500余人次，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的云層雷達(dá)回波強(qiáng)度、含水量、云滴平均粒徑和地面雨強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)，完成了新型增雨雪裝置的可靠性及有效性驗(yàn)證任務(wù)，揭示了聲波對(duì)云物理參數(shù)的影響模式[32]、聲波對(duì)小流域降水時(shí)空分布特性的影響特征[33]，初步形成了西南河流源區(qū)空地耦合空中水資源開(kāi)發(fā)原理驗(yàn)證試驗(yàn)體系。

2.2 西南河流源區(qū)數(shù)據(jù)集

在監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上系統(tǒng)收集各項(xiàng)目數(shù)據(jù)，通過(guò)質(zhì)量評(píng)估、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)整編等流程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，形成了成套數(shù)據(jù)產(chǎn)品，揭示了西南河流源區(qū)多項(xiàng)水文要素的變化規(guī)律，并建立了西南河流源區(qū)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

2.2.1 青藏高原地面和空中水文要素?cái)?shù)據(jù)集

多源衛(wèi)星、地面監(jiān)測(cè)和再分析數(shù)據(jù)等不同來(lái)源的數(shù)據(jù)在時(shí)間空間分辨率、監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確性上都存在較大差異，也存在數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題。重大研究計(jì)劃建立了包括偏差修正模型、特征融合、成分替換融合等的時(shí)-空-譜一體化和天空地跨尺度數(shù)據(jù)融合方法，提出了點(diǎn)面結(jié)合、多要素關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與加工技術(shù)方案，研發(fā)了時(shí)空重建、數(shù)據(jù)融合、深度學(xué)習(xí)等方法，構(gòu)建了青藏高原地面和空中水文要素?cái)?shù)據(jù)集。目前，數(shù)據(jù)集涵蓋了降水、蒸散發(fā)、河湖水位、徑流、冰川質(zhì)量、雪水當(dāng)量、湖泊水儲(chǔ)量、總水儲(chǔ)量以及干支流關(guān)鍵斷面水環(huán)境數(shù)據(jù)[34-36]。特別是，傅旭東、陳峰等課題組通過(guò)樹(shù)輪以及古洪水沉積分析，反演重建了近3 500 a雅魯藏布江降水序列、過(guò)去512 a怒江年徑流量序列和過(guò)去472 a拉薩河月徑流量序列[37-38]。這些數(shù)據(jù)集為揭示西南河流源區(qū)水循環(huán)時(shí)空演變及其預(yù)測(cè)提供了重要的基礎(chǔ)。

2.2.2 西南河流源區(qū)水文要素的分布和變化規(guī)律

龍笛、王磊、盛煜等課題組揭示了西南河流源區(qū)多種水文要素的變化規(guī)律。近數(shù)十年來(lái)青藏高原冰川和凍土退化顯著，1976—2013年雅魯藏布江流域冰川面積減少747.58 km2(減幅為-8.30%)，1990—2013年黃河源區(qū)湯岔瑪平原多年凍土面積減少近60%[34-35]。20世紀(jì)60年代到2015年青藏高原湖泊面積和蓄水呈增加趨勢(shì)，52個(gè)大型湖泊2000—2017年累積增加蓄水983億m3；重力衛(wèi)星GRACE監(jiān)測(cè)的陸地儲(chǔ)水量變化明顯，雅魯藏布江流域的陸地水儲(chǔ)量顯著減少[36]。鐘德鈺課題組的研究表明，青藏高原多年平均空中水資源量為120.75億m3/d，年徑流可增加潛力為4.26%(171億m3/a)，其中，雅魯藏布江平均空中水資源量為18.32億m3/d，年徑流可增加潛力為4.11%(45億m3/a)，瀾滄江平均空中水資源量為5.01億m3/d，年徑流可增加潛力為6.32%(14億m3/a)[25-27]。

3 進(jìn)展二：高原寒區(qū)徑流變化機(jī)理

針對(duì)重大研究計(jì)劃第1個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題“不同水源的徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理”，創(chuàng)新了高原寒區(qū)徑流水源組成的多元綜合解析方法，揭示了高原寒區(qū)不同水源徑流的形成機(jī)理及氣候變化驅(qū)動(dòng)下流域下墊面與水文系統(tǒng)的協(xié)同變化機(jī)理，創(chuàng)建了綜合冰雪、凍土等下墊面要素和示蹤過(guò)程的同位素水文模型，揭示了雅魯藏布江徑流變化的歷史規(guī)律和未來(lái)趨勢(shì)。

3.1 高原寒區(qū)徑流的多元綜合水源解析方法

示蹤元素是水源解析的重要工具，傳統(tǒng)水源解析方法依賴(lài)于單一的氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行示蹤，難以充分識(shí)別不同水源之間的差異，不適用于水源多樣、路徑復(fù)雜的高原寒區(qū)。重大研究計(jì)劃構(gòu)建了多元示蹤圖譜和多元綜合解析方法，揭示了雅魯藏布江徑流的水源組成。

3.1.1 多元示蹤圖譜和多元綜合解析方法

利用不同同位素具有來(lái)源和地球化學(xué)行為差異的特點(diǎn)，可以更加準(zhǔn)確地對(duì)降水-融冰徑流、地表-地下水交互等多種主導(dǎo)徑流過(guò)程進(jìn)行解析。嚴(yán)登華、孔彥龍、李宗省等課題組利用氫氧穩(wěn)定同位素δ2H、δ18O在那曲、明勇河、長(zhǎng)江源等多個(gè)流域開(kāi)展研究，表明氫氧穩(wěn)定同位素具有良好的解析冰雪融水、凍土層上水等徑流端元的性能[39-41]；徐志方課題組發(fā)現(xiàn)了次生碳酸鹽形成對(duì)河流δ26Mg同位素的重要影響，完善了應(yīng)用δ26Mg同位素指示不同流域水體物質(zhì)源遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的證據(jù)鏈，提出了C-Mg同位素聯(lián)用反映環(huán)境變化下風(fēng)化輸入及其對(duì)水體物質(zhì)來(lái)源和遷移轉(zhuǎn)化影響的解析方法[42]；陳喜課題組綜合利用氫氧同位素和對(duì)地下水具有較強(qiáng)解析能力的示蹤元素222Rn，解析了雅魯藏布江中游地表徑流中地下水的貢獻(xiàn)，提出青藏高原大型南北向張性活動(dòng)斷裂構(gòu)成了地下水深循環(huán)及向河流排泄的導(dǎo)水通道，為青藏高原地下水通過(guò)大型張性活動(dòng)斷裂向大河排泄提供了同位素證據(jù)[43]；匡星星課題組探索了228Ra、11B等多種非傳統(tǒng)同位素在不同環(huán)境中地下水解析中的應(yīng)用[44-45]，并采用222Rn和18O相結(jié)合的方法對(duì)冰前湖的湖底地下水排泄和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入進(jìn)行定量評(píng)估，揭示了湖底地下水排泄量在向湖泊輸送溶解無(wú)機(jī)氮方面具有重要作用[46]。

3.1.2 雅魯藏布江徑流的水源組成

水文模型和基于示蹤元素的端元混合模型是水源解析的2類(lèi)方法，由于模型的異參同效性和端元同位素的空間變異性，2類(lèi)方法在高寒區(qū)大尺度流域均具有很強(qiáng)的不確定性。田富強(qiáng)課題組提出了耦合同位素示蹤和分布式水文模型的水源解析方法，揭示過(guò)去15 a間(2001—2015年)雅魯藏布江徑流的多年平均水源組成為：降雨徑流占比78%，融雪徑流占比16%，融冰徑流占比6%；利用積雪面積及深度數(shù)據(jù)計(jì)算得到年均融雪水當(dāng)量約為70.9 mm[47]，與解析得到的年均融雪徑流深70.6 mm非常接近；構(gòu)建了雅魯藏布江流域的冰川消融模型，得到雅魯藏布江流域的年均冰川物質(zhì)平衡為-0.542 m，與Hugonnet等[48]發(fā)布的數(shù)據(jù)集估算的結(jié)果-0.546 m較為接近，表明了水源解析結(jié)果的合理性。

3.2 高原寒區(qū)徑流形成和變化機(jī)理

下墊面條件決定了流域的水文功能，是影響徑流變化的重要因素，傳統(tǒng)的徑流變化研究多獨(dú)立考慮氣候變化和下墊面條件，亟需揭示下墊面和水文系統(tǒng)協(xié)同變化的機(jī)理。同時(shí)，下墊面因素中冰雪是影響高原寒區(qū)徑流變化的重要因素，且對(duì)氣候變化敏感，傳統(tǒng)的冰雪消融模擬方法以溫度為變量，具有參數(shù)依賴(lài)率定、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算精度低等缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)典型冰川及下墊面的集中觀測(cè)，創(chuàng)建了基于焓的冰雪物質(zhì)能量平衡模型，建立了凍土消融及凍土區(qū)地下水過(guò)程模擬方法，發(fā)展了氣候驅(qū)動(dòng)下的土壤協(xié)同變化理論，揭示了高原寒區(qū)徑流形成和變化機(jī)理。

3.2.1 高原寒區(qū)不同水源徑流的形成機(jī)理

準(zhǔn)確認(rèn)知冰雪及凍土消融機(jī)理對(duì)于徑流模擬與預(yù)測(cè)具有重要的意義。李宗省課題組的研究成果顯示，高原寒區(qū)水體存在多相態(tài)加速轉(zhuǎn)換的特征，在顯著的升溫趨勢(shì)下，冰雪消融劇烈，多年凍土地下冰加速融化，對(duì)徑流總量及組成產(chǎn)生重要影響[49]。冰雪消融機(jī)理方面，對(duì)典型冰川表面消融量及其能量組分空間分布特征的分析表明，冰川表面反照率對(duì)消融具有至關(guān)重要的作用，對(duì)反照率的模擬直接影響對(duì)冰雪消融及水文效應(yīng)過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)。楊威課題組基于對(duì)不同典型區(qū)大量冰川的觀測(cè)，構(gòu)建了分布式冰雪消融模型，提出了基于云量糾正的冰雪表面長(zhǎng)短波輻射空間計(jì)算方案，發(fā)展了基于積雪老化和雨雪分隔的表面反照率參數(shù)化方案，較好地捕捉了冰川表面積雪演化的空間變化過(guò)程，較好解決了以往度日模型冰雪消融參數(shù)難以確定的問(wèn)題，提高了計(jì)算精度[50-51]。

在凍土消融機(jī)理方面，凍土消融不僅會(huì)形成直接的融水徑流，還會(huì)通過(guò)改變水流路徑而對(duì)徑流產(chǎn)生影響。王根緒課題組基于對(duì)凍融區(qū)凍土層上水的觀測(cè)，揭示了凍土對(duì)徑流形成的影響和作用機(jī)制：凍土層之上的地下水及徑流過(guò)程與活動(dòng)層的地溫高度相關(guān)，且溫度對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的影響存在閾值效應(yīng)，閾值大小受凍結(jié)過(guò)程、地形與生態(tài)因素等的控制而存在時(shí)空變化。據(jù)此建立了多年凍土區(qū)蒸散發(fā)、土壤入滲和地下水運(yùn)動(dòng)的模擬方法，開(kāi)發(fā)了凍土流域變?cè)串a(chǎn)流模型，識(shí)別了凍土融化條件下地下水路徑的變化趨勢(shì)，增強(qiáng)了對(duì)不同凍融季節(jié)產(chǎn)流過(guò)程的識(shí)別能力[52-54]。

3.2.2 氣候變化驅(qū)動(dòng)下流域下墊面與水文系統(tǒng)的協(xié)同變化機(jī)理

氣候變化驅(qū)動(dòng)下流域關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)與水文系統(tǒng)的協(xié)同變化是徑流變化機(jī)理研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。徐宗學(xué)課題組的成果顯示，近60 a來(lái)雅魯藏布江流域植被及土壤含水量變化顯著，然而植被及水分的變化是表象，水文循環(huán)變化的深層次原因在于土壤結(jié)構(gòu)及水力特性的變化，后者直接影響流域?qū)涤甑男畛帜芰55]。劉金濤課題組從地貌演化原理出發(fā)，基于地貌演化動(dòng)力學(xué)模型和地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定的有關(guān)假說(shuō)導(dǎo)出了土壤厚度演化的非穩(wěn)態(tài)解析解，建立了土壤演化生成速率等地球化學(xué)參數(shù)確定的數(shù)學(xué)物理方法，并將所建立的土壤厚度演化模型應(yīng)用于高原寒區(qū)典型小流域揭示其土壤特性的演變規(guī)律，推導(dǎo)了表征山坡地貌結(jié)構(gòu)特征(地形、土壤厚度等)與徑流響應(yīng)特征值(如流域蓄水容量)之間關(guān)系的解析函數(shù)，有助于水文模型關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測(cè)[56-57]。

3.3 雅魯藏布江徑流變化的歷史規(guī)律與未來(lái)趨勢(shì)

徑流變化的歷史規(guī)律和未來(lái)趨勢(shì)與生源物質(zhì)的變異性高度相關(guān)，是徑流適應(yīng)性利用的重要輸入條件。徑流的年際變化具有多年尺度的周期特征，對(duì)其變化規(guī)律的分析需要基于長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)。同時(shí)，流域水文模型是理解和預(yù)測(cè)徑流過(guò)程的必要工具，傳統(tǒng)的水文模型未考慮流域下墊面的動(dòng)態(tài)特征，且對(duì)高原寒區(qū)的關(guān)鍵過(guò)程刻畫(huà)不足。重大研究計(jì)劃重構(gòu)了萬(wàn)年尺度的古洪水，創(chuàng)建了耦合冰雪凍土消融、下墊面變化以及同位素示蹤等過(guò)程的同位素水文模型，揭示了雅魯藏布江徑流變化的歷史規(guī)律和未來(lái)趨勢(shì)。

3.3.1 適用于高原寒區(qū)的分布式同位素水文模型

田富強(qiáng)課題組基于對(duì)徑流形成和變化機(jī)理的認(rèn)知，將水文模型與冰川凍土消融模型和同位素示蹤模型耦合，創(chuàng)建了適用于高原寒區(qū)的分布式同位素水文模型；模型基于多源遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、率定和驗(yàn)證，可以對(duì)融雪徑流、融冰徑流和總徑流進(jìn)行有效模擬，并利用多元示蹤數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行約束，降低了模型的異參同效性和徑流模擬的不確定性，為大尺度高原寒區(qū)流域徑流過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)提供了新工具[47，58]?？镄切钦n題組在雅魯藏布江及其典型子流域拉薩河建立了三維地下水?dāng)?shù)值模型，模擬了區(qū)域地下水流場(chǎng)、地下水補(bǔ)給排泄規(guī)律以及氣候變化影響下的未來(lái)趨勢(shì)[59-60]；在長(zhǎng)江源區(qū)冬克瑪?shù)妆饔蚪⒘巳S冰川-地下水?dāng)?shù)值模型，模擬了冰下融水對(duì)地下水的下滲補(bǔ)給并預(yù)測(cè)其未來(lái)變化趨勢(shì)[61]。

3.3.2 源區(qū)主要河流徑流變化的歷史規(guī)律

重建了雅魯藏布江流域的古洪水過(guò)程。傅旭東課題組通過(guò)對(duì)格嘎古堰塞湖2個(gè)沉積剖面的多指標(biāo)分析，確認(rèn)了其至少發(fā)生過(guò)4次潰決洪水。其中，果若剖面厚28.5 m，3個(gè)砂層指示了3次潰決事件；玉松剖面厚8.75 m，指示了1次潰決事件，估計(jì)每次潰決洪水規(guī)模約50萬(wàn)m3/s。完成雅魯藏布江加查—米林河段典型礫石和砂洲洪水沉積、洪水滯流沉積序列采樣工作，利用光釋光測(cè)年技術(shù)(OSL)基于石英顆粒的釋光特性分析構(gòu)建了雅魯藏布江干流高能古洪水的年代框架(圖2)，識(shí)別了至少存在2次潰決洪水事件，分別發(fā)生于12.14～11.05 ka和5.26～3.20 ka。

圖2 雅魯藏布江干流潰決古洪水的年代框架Fig.2 Chronological sequence of outburst paleo-flood in the mainstream of Yarlung-Tsangpo River

揭示了源區(qū)主要河流的歷史徑流變化。徐宗學(xué)課題組分析了雅魯藏布江過(guò)去60 a(1956—2015年)的徑流變化特征：雅魯藏布江年徑流量呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在20世紀(jì)90年代初，即年徑流量在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前以2.715 mm/a的速率呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)，且徑流年內(nèi)分配規(guī)律呈“坦化現(xiàn)象”，即徑流量最大值出現(xiàn)時(shí)間推遲且年內(nèi)分配更加均勻，降水變化是徑流變化的主導(dǎo)因素[62-63]?？婑Y遠(yuǎn)課題組分析了三江源地區(qū)過(guò)去30 a的徑流變化特征，該地區(qū)除黃河源軍功站徑流呈減小趨勢(shì)外，在長(zhǎng)江源、瀾滄江源和黃河源吉邁站均呈增加趨勢(shì)，氣候變化是影響徑流變化的主要因素，其中在瀾滄江源和長(zhǎng)江源1980—2012年間的徑流增加過(guò)程中，氣候變化的定量貢獻(xiàn)分別超過(guò)90%和88%[64]。

3.3.3 源區(qū)主要河流的未來(lái)徑流變化趨勢(shì)

田富強(qiáng)課題組基于耦合冰雪過(guò)程的水文模型以及第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃(CMIP6)，分析了不同升溫背景下青藏高原7條主要河流(黃河、長(zhǎng)江、瀾滄江、薩爾溫江、雅魯藏布江、恒河和印度河)的徑流響應(yīng)。結(jié)果表明：未來(lái)氣溫上升1.5 ℃、2.0 ℃和3.0 ℃分別發(fā)生在2030 s、2050 s和2070 s，在不同增溫水平下，青藏高原主要河流徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有非單調(diào)性，除印度河以外，其他河流的徑流量在1.5 ℃和2.0 ℃升溫水平下變化不顯著(變化率為-2.6%～2.2%)，黃河、長(zhǎng)江、雅魯藏布江和恒河徑流量預(yù)計(jì)在3.0 ℃升溫水平下將增加8.7%～11.3%，對(duì)印度河來(lái)說(shuō)不同的升溫水平下徑流預(yù)計(jì)增加11.4%～34.3%。組分分析顯示降水量增加是黃河、長(zhǎng)江、雅魯藏布江和恒河徑流增加的主要原因，冰川融化是印度河徑流增加的主要原因[65]。

4 進(jìn)展三：河流全物質(zhì)通量理論

聚焦重大研究計(jì)劃第2個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題“徑流變化下生源物質(zhì)循環(huán)的變異規(guī)律”，首次提出了河流全物質(zhì)通量概念，建立了全要素監(jiān)測(cè)-檢測(cè)方法體系，揭示了高原河流生源物質(zhì)循環(huán)及生物響應(yīng)規(guī)律，量化了瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行的環(huán)境累積效應(yīng)。

4.1 河流全物質(zhì)通量理論

水沙及其負(fù)載的無(wú)機(jī)元素、天然有機(jī)物、新型有機(jī)污染物、微生物、藻類(lèi)、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等構(gòu)成了河流物質(zhì)譜系。在流域尺度上，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究多圍繞河流主要物質(zhì)與常規(guī)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、分析測(cè)試、物質(zhì)間相互作用等方面的科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)。由于河流系統(tǒng)中多種共存物質(zhì)密切相關(guān)，單一物質(zhì)要素難以反映復(fù)雜的時(shí)空分布、相互作用及生物響應(yīng)，因而有必要從河流物質(zhì)具有普遍聯(lián)系的認(rèn)識(shí)出發(fā)，建立河流全要素同步監(jiān)測(cè)-檢測(cè)體系，開(kāi)展河流物質(zhì)的時(shí)空分布規(guī)律、物質(zhì)之間的相互作用機(jī)理研究，通過(guò)全息地認(rèn)識(shí)河流達(dá)到科學(xué)地保護(hù)河流、長(zhǎng)久地利用河流的目的。

4.1.1 河流全物質(zhì)通量概念

以水-沙作為載體的非生物(生源物質(zhì)、無(wú)機(jī)元素、有機(jī)物等)與生物(微生物、藻類(lèi)、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等)的全譜系通量過(guò)程的整合研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)高原河流物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其相互作用機(jī)制具有重要意義。水沙是河流物質(zhì)的重要組成部分，是河流物質(zhì)與能量輸運(yùn)轉(zhuǎn)化的重要載體，從根本上決定了河流水沙介質(zhì)中物質(zhì)的賦存形態(tài)。水沙變化將會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的生源物質(zhì)、無(wú)機(jī)元素、新型有機(jī)污染物等非生物物質(zhì)狀態(tài)的變化。在各類(lèi)河流物質(zhì)中，營(yíng)養(yǎng)元素是關(guān)鍵的生源物質(zhì)，傳統(tǒng)上的八大離子及Fe、Al、Cu、Zn等常量與微量元素是河流水化學(xué)的重要組成部分。一方面，在氣候和下墊面變化及人類(lèi)活動(dòng)等的共同影響下，能夠伴隨徑流運(yùn)動(dòng)為河流生物群落多樣性及河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供物質(zhì)條件；另一方面，魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物、浮游植物和浮游微生物等生物組成是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的直觀體現(xiàn)，也能夠在一定程度上反映生境變化的影響。因此，基于河流全物質(zhì)通量概念考慮各類(lèi)物質(zhì)的合理時(shí)空配置與調(diào)控是實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)管理的重要基礎(chǔ)。

4.1.2 河流全物質(zhì)通量監(jiān)測(cè)-檢測(cè)方法

河流全物質(zhì)通量研究要求各類(lèi)物質(zhì)的監(jiān)測(cè)必須在時(shí)空上相互匹配。倪晉仁課題組近年來(lái)結(jié)合試點(diǎn)監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了大系統(tǒng)、全要素同步監(jiān)測(cè)-檢測(cè)體系，探索了河流水體、懸浮物、沉積物、溫室氣體、底棲動(dòng)物采樣方法，構(gòu)建了無(wú)機(jī)元素、新型有機(jī)物(如抗生素、全氟化合物、PAHs等)、同位素的分析測(cè)試方法，以及微生物高通量測(cè)序方法、底棲動(dòng)物快速分類(lèi)鑒定方法以及相關(guān)生信統(tǒng)計(jì)分析方法等。例如，在河流藻類(lèi)研究方面，傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定方法難以對(duì)尺寸較小的超微藻、納藻、微藻等準(zhǔn)確識(shí)別，受主觀因素影響大。倪晉仁課題組采用高通量測(cè)序方法，建立了硅藻分子生物分析檢測(cè)方法，找到了硅藻分子生物鑒定所需的通用引物和最佳PCR條件。與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定方法相比，分子生物學(xué)的高通量測(cè)序方法找回了漏計(jì)的97.5% Chao1豐富度，為精確分析大河硅藻群落結(jié)構(gòu)及生源物質(zhì)響應(yīng)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)[66]。

4.2 生源物質(zhì)循環(huán)及生物響應(yīng)規(guī)律

生源物質(zhì)的濃度分布、組成及賦存形態(tài)受地表徑流、大氣沉降及人類(lèi)活動(dòng)等多方面的影響，生源物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程與微生物、藻類(lèi)及底棲動(dòng)物的活動(dòng)密不可分。借助高通量測(cè)序技術(shù)及顯微觀察技術(shù)獲得的生物圖譜，能夠深入研究高原河流微生物與底棲動(dòng)物的特殊性及生物反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于探討高原河流生源物質(zhì)循環(huán)的作用過(guò)程及其對(duì)水環(huán)境演化的影響具有重要的意義。

4.2.1 生源物質(zhì)來(lái)源解析

4.2.2 微生物-生源物質(zhì)相互作用機(jī)制

生源物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化與生物作用聯(lián)系密切。倪晉仁課題組基于微生物高通量數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制了完整的大河浮游與底棲細(xì)菌群落時(shí)空分布圖譜，包括2 124個(gè)和563個(gè)持續(xù)的細(xì)菌OTUs(分類(lèi)操作單元)，隸屬于13個(gè)細(xì)菌門(mén)[69]?；趫D譜揭示了高原、山地、丘陵、盆地和平原地區(qū)的優(yōu)勢(shì)種群，探討了河流氮轉(zhuǎn)化的新途徑，通過(guò)組裝一步硝化菌基因組，發(fā)現(xiàn)了過(guò)去未曾報(bào)道的新菌，構(gòu)建了河流硝化菌菌群系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并證實(shí)硝化菌在高原、山地和丘陵環(huán)境中具有偏好性[70]。夏星輝課題組發(fā)現(xiàn)高海拔河流是甲烷釋放的熱點(diǎn)地區(qū)，其甲烷冒泡速率為11.9 mmol/(m2·d)，是全球平均值的7倍，相當(dāng)于CO2釋放速率的20%，其釋放速率與海拔、氣壓、河流級(jí)別、SOC(沉積物有機(jī)碳)含量等密切相關(guān)[71]。他們還發(fā)現(xiàn)源區(qū)氮循環(huán)微生物(AOA(氨氧化古菌)與AOB(氨氧化細(xì)菌))的群落結(jié)構(gòu)具有明顯高海拔河流特征，冷適應(yīng)物種在AOB群落中比重較大(34%～50%)，上覆水體中厭氧氨氧化細(xì)菌幾乎全部以泥沙結(jié)合態(tài)的形式存在，懸浮泥沙促進(jìn)了耦合硝化反硝化和厭氧氨氧化作用，突破了以往研究認(rèn)為脫氮作用只發(fā)生在沉積相的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)[72-73]。此外，張寶剛課題組研究了瀾滄江小灣水庫(kù)硫元素的生物地球化學(xué)過(guò)程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；李軼課題組解析了長(zhǎng)江源區(qū)河流底質(zhì)氮循環(huán)關(guān)鍵微生物對(duì)氮轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制；陳娟課題組研究了瀾滄江硅形態(tài)及硅藻、硅細(xì)菌的相互作用；呂喜璽課題組研究了黃河源區(qū)河流碳輸移過(guò)程。這些研究都闡明了細(xì)菌作為關(guān)鍵分解者對(duì)生源物質(zhì)循環(huán)的貢獻(xiàn)[74-76]。

4.2.3 硅藻-生源物質(zhì)響應(yīng)機(jī)制

王佳文等基于硅藻高通量數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制了大河浮游與底棲硅藻群落時(shí)空分布圖譜，揭示了河流光合有效輻射(PAR)、河流坡度、營(yíng)養(yǎng)水平等關(guān)鍵要素對(duì)硅藻群落時(shí)空格局影響的機(jī)制[66]。例如，不同的浮游和底棲硅藻物種，適合在不同光強(qiáng)條件下生存：Caloneis、Cymbella、Fistulifera和Fragilaria屬更喜歡極高的光強(qiáng)；Papiliocellulus屬更喜歡中等光強(qiáng)；而Conticribra和Cyclotella喜歡較弱的光強(qiáng)。此外，在不同PAR條件下，生物標(biāo)志物在空間上經(jīng)歷了從優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)型硅藻物種向浮游型硅藻物種群落的顯著演替；硅藻的光合作用和新陳代謝過(guò)程離不開(kāi)生源物質(zhì)的參與，研究發(fā)現(xiàn)浮游硅藻Shannon多樣性與TN/TP有很好的相關(guān)性，解釋了硅藻作為生源物質(zhì)初級(jí)生產(chǎn)者的貢獻(xiàn)。陳娟課題組發(fā)現(xiàn)瀾滄江硅藻物種多樣性在自然河段與梯級(jí)水庫(kù)河段差異顯著，擴(kuò)散限制是浮游硅藻和底棲硅藻地理分布的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子，彌補(bǔ)了大型河流硅藻地理生態(tài)分布的認(rèn)知不足[77]。

4.3 梯級(jí)水庫(kù)的環(huán)境累積效應(yīng)

生源物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)涉及到水、沉積物、大氣等不同的介質(zhì)，梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)改變了水深、流速、底質(zhì)類(lèi)型與懸浮物含量，使河流“湖庫(kù)化”，進(jìn)而影響了生物的生存環(huán)境和生源物質(zhì)的轉(zhuǎn)化條件。傳統(tǒng)梯級(jí)水庫(kù)累積效應(yīng)的研究多關(guān)注特定物質(zhì)的形態(tài)及含量，基于全物質(zhì)通量理論的研究則綜合考慮了生源物質(zhì)含量與形態(tài)、生物群落結(jié)構(gòu)、沉積物組成等的耦合關(guān)系，并對(duì)比了自然河段、梯級(jí)水庫(kù)河段及下游河段生源物質(zhì)的特征差異，為面向生源物質(zhì)健康循環(huán)的水庫(kù)調(diào)度技術(shù)提供了參考。

4.3.1 梯級(jí)水庫(kù)對(duì)生源物質(zhì)的攔截效應(yīng)

陳求穩(wěn)、王雨春、劉德富等課題組揭示了梯級(jí)水庫(kù)對(duì)生源物質(zhì)的攔截效應(yīng)，體現(xiàn)在：較大程度攔截了入庫(kù)的顆粒態(tài)有機(jī)碳、顆粒態(tài)磷和氮，對(duì)總氮和總磷的截留率達(dá)到20%～95%[78]。但是，水庫(kù)強(qiáng)化了碳、氮、磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化，尤其加強(qiáng)了沉積物有機(jī)氮、磷向生物可利用氮、磷的轉(zhuǎn)化以及泥沙礦物成分的結(jié)構(gòu)。

4.3.2 梯級(jí)水庫(kù)對(duì)微生物群落的抑制效應(yīng)

陳求穩(wěn)、王沛芳、劉德富、周孝德等課題組基于微生物高通量數(shù)據(jù)庫(kù)揭示了自然河段與梯級(jí)水庫(kù)河段中微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著差異性，自然河段比水庫(kù)河段有更多的浮游細(xì)菌種類(lèi)，且群落多樣性豐富，微生物生態(tài)系統(tǒng)更穩(wěn)定，而水庫(kù)河段比自然河段具有更穩(wěn)定的沉積物微生物生態(tài)系統(tǒng)[79-82]。河流尺度上，沿程水溫梯度是導(dǎo)致細(xì)菌群落空間差異的關(guān)鍵因子；水庫(kù)尺度上，由于異重流的作用，庫(kù)內(nèi)浮游細(xì)菌的垂直分布無(wú)明顯分層[79]。此外，李軼課題組分別從縱向(河流區(qū)—過(guò)渡區(qū)—湖相區(qū))和垂向(湖上層—變溫層—深水層)綜述了河流—水庫(kù)系統(tǒng)中的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程及關(guān)鍵影響因素，提出了多營(yíng)養(yǎng)級(jí)微生物及其相互作用在氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中的直接(如同化、反硝化)和間接(如捕食、排泄、生物擾動(dòng))作用[83]。

4.3.3 梯級(jí)水庫(kù)累積效應(yīng)的生態(tài)響應(yīng)

梯級(jí)水庫(kù)對(duì)沉積物組成影響顯著且差異化明顯。例如，劉德富課題組發(fā)現(xiàn)瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)對(duì)白云石、黃鐵礦有顯著的攔截作用，且出境斷面無(wú)恢復(fù)，但其他礦物成分均恢復(fù)到接近自然河道水平[84]；水庫(kù)沉積有機(jī)質(zhì)與沿程礦物質(zhì)的聯(lián)合作用促進(jìn)了沉積物磷-鐵耦合循環(huán)，導(dǎo)致沉積物磷主要形態(tài)從鈣磷向生物有效磷 (Fe-P和Org-P)轉(zhuǎn)變(沉積物活性磷是自然河道的2～4倍)，梯級(jí)水庫(kù)內(nèi)磷呈現(xiàn)“滯留—活化—輸送”機(jī)制，在溫度梯度的共同作用下，藻類(lèi)呈現(xiàn)硅藻—綠藻—藍(lán)綠藻的演替，指出梯級(jí)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[85-87]。

4.3.4 梯級(jí)水庫(kù)累積效應(yīng)對(duì)河流溫室氣體減排的作用機(jī)制

陳求穩(wěn)課題組發(fā)現(xiàn)瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)促進(jìn)了溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的排放，然而其釋放通量顯著低于世界其他水庫(kù)水平。首級(jí)水庫(kù)是CH4和CO2的釋放熱點(diǎn)(比下游庫(kù)區(qū)分別高13.1倍、1.7倍)，且CH4/CO2比值最高，具有較高的增溫潛能[20]；N2O釋放通量沿水流方向呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，該遞增并非由于梯級(jí)水庫(kù)所致，而是由于沿程人類(lèi)活動(dòng)加劇導(dǎo)致氮素輸入增加以及沿程水溫上升共同作用所致[21]。梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行增強(qiáng)了潛流帶與水庫(kù)之間側(cè)向潛流交換，在潛流路徑上產(chǎn)生了氧化還原梯度，調(diào)控了產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌等功能微生物群落結(jié)構(gòu)，洲灘邊緣在抑制甲烷產(chǎn)生的同時(shí)促進(jìn)了甲烷消耗，降低了甲烷溫室氣體釋放通量，實(shí)現(xiàn)了水陸交錯(cuò)帶甲烷的自削減[88]，且高CH4釋放區(qū)僅占洲灘總面積的0.2%[89]。同時(shí)，大壩的建設(shè)與運(yùn)行改變了碳酸鹽平衡，促進(jìn)光化學(xué)合成以及CO2的消耗，顯著降低溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的排放通量和入海通量[20，90]，該結(jié)果揭示了以發(fā)電為首要目標(biāo)的水庫(kù)同時(shí)具備脫碳、脫氮和溫室氣體自削減等正面環(huán)境效應(yīng)。

5 進(jìn)展四：梯級(jí)水庫(kù)適應(yīng)性利用技術(shù)

聚焦重大研究計(jì)劃第3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題“基于多目標(biāo)互饋的徑流適應(yīng)性利用”，發(fā)展了多目標(biāo)互饋系統(tǒng)理論，從水量、水能、水質(zhì)3個(gè)方面創(chuàng)新了梯級(jí)水庫(kù)適應(yīng)性利用技術(shù)，為西南水電消納、瀾滄江-湄公河水資源合作等重大需求提供了理論和技術(shù)支撐。

5.1 水-風(fēng)-光等清潔能源聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

根據(jù)國(guó)家宏觀規(guī)劃，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是國(guó)家能源戰(zhàn)略的核心。目前，中國(guó)清潔能源裝機(jī)比例占35%，但消費(fèi)比例僅占12%，如何增加清潔能源消納是關(guān)鍵。以云南省為例，小水電、風(fēng)、電、光電等間歇性電源較多，傳統(tǒng)的調(diào)控方式下，風(fēng)電、光電、水電等清潔能源各自參與電網(wǎng)調(diào)度，缺乏能源系統(tǒng)的整體性優(yōu)化，發(fā)電過(guò)程不穩(wěn)定；特別是小水電，由于其調(diào)節(jié)能力較差，在汛期集中發(fā)電，擠占送電通道，影響其他清潔能源消納。重大研究計(jì)劃突破了傳統(tǒng)調(diào)度方式的邊界，開(kāi)展跨區(qū)域、多元電力大系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度，充分利用調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的梯級(jí)水電站群與其他能源進(jìn)行互補(bǔ)，有效解決清潔能源消納難題。

5.1.1 水-風(fēng)-光多種清潔能源互補(bǔ)調(diào)度技術(shù)

覃暉課題組基于高斯混合回歸、變分貝葉斯深度學(xué)習(xí)等模型，提出了徑流、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速的預(yù)測(cè)方法[91-92]。暢建霞課題組提出了一種將模擬和優(yōu)化模型相結(jié)合的方法，建立了考慮梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的最優(yōu)自適應(yīng)調(diào)度規(guī)則[93]。陳曉宏課題組評(píng)估了西南梯級(jí)水電基地在未來(lái)氣候變化下的發(fā)電潛力和可持續(xù)性的變化[94]。以上研究對(duì)水-風(fēng)-光不同能源特點(diǎn)進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)能源的未來(lái)變化趨勢(shì)，為西南源區(qū)開(kāi)展能源互補(bǔ)調(diào)度研究提供了有力支撐。在此基礎(chǔ)上，楊洪明課題組基于西南河流源區(qū)水-風(fēng)-光數(shù)據(jù)以及云南、西藏電網(wǎng)數(shù)據(jù)，借助高級(jí)量測(cè)體系(AMI)數(shù)據(jù)分析方法，確定了流域水-風(fēng)-光發(fā)電資源在不同時(shí)間尺度下斷面來(lái)水量、風(fēng)速、光照等因素的累積概率分布，并基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，確定適合水-風(fēng)-光互補(bǔ)開(kāi)發(fā)的區(qū)域以及可再生能源的最大消納量[95-96]。進(jìn)一步考慮水-風(fēng)-光-荷的時(shí)空耦合、水電機(jī)組調(diào)控能力以及并網(wǎng)接入特性，以風(fēng)光最大消納、水庫(kù)棄水量最小為目標(biāo)，提出了水-風(fēng)-光-荷互補(bǔ)的電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型[97]。程春田課題組在大水電與其他清潔能源互補(bǔ)調(diào)度方面，針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納困難的現(xiàn)狀，提出了基于廠網(wǎng)協(xié)調(diào)機(jī)制的風(fēng)電-抽水蓄能跨區(qū)域打捆送電模式及聯(lián)合調(diào)度策略，能夠有效抑制風(fēng)電的出力波動(dòng)，顯著提高風(fēng)電-抽蓄電站聯(lián)合體的發(fā)電收益[98]；針對(duì)云南電網(wǎng)小水電消納問(wèn)題[99]，提出大、小水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，充分利用調(diào)節(jié)能力較大的水電站在非汛期增發(fā)電量對(duì)小水電進(jìn)行補(bǔ)償，增加小水電消納量[100]。彭勇課題組針對(duì)水電站“窩電棄能”的問(wèn)題，建立了水電站的制氫調(diào)度圖和制氫規(guī)模、水電站發(fā)電制氫雙目標(biāo)2階段協(xié)調(diào)控制優(yōu)化對(duì)沖模型，提出通過(guò)利用水電制氫儲(chǔ)能的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)水電消納。

5.1.2 水-風(fēng)-光復(fù)雜電力系統(tǒng)降維求解技術(shù)

在水電系統(tǒng)的優(yōu)化求解方面，武新宇課題組針對(duì)多個(gè)局部最優(yōu)解限制水庫(kù)調(diào)度求解精度的問(wèn)題，提出了梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度的多點(diǎn)尋優(yōu)隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，有效規(guī)避了多個(gè)局部最優(yōu)解造成的決策曲面突變問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省了計(jì)算時(shí)間[101]。覃暉課題組還提出一種基于區(qū)域搜索策略的進(jìn)化算法來(lái)處理不同類(lèi)型的基準(zhǔn)問(wèn)題，在不喪失收斂性的前提下提高種群的多樣性，以解決電力系統(tǒng)多目標(biāo)調(diào)度的區(qū)域搜索問(wèn)題[102]。同時(shí)，周建中、覃暉課題組提出了考慮參數(shù)和徑流不確定性的貝葉斯深度學(xué)習(xí)方法，綜合考慮當(dāng)前水庫(kù)運(yùn)行情況與未來(lái)徑流變化，提取了多目標(biāo)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度規(guī)則[103]。

將風(fēng)、光納入考慮后構(gòu)建水-風(fēng)-光聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，由于涉及范圍廣、涵蓋電站多，且風(fēng)、光出力具有較大不確定性，水-風(fēng)-光聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)高維的隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題，降維求解是關(guān)鍵問(wèn)題。程春田課題組針對(duì)水電系統(tǒng)，從工程實(shí)際出發(fā)，提出了精簡(jiǎn)優(yōu)化可行域以縮減優(yōu)化求解范圍的方法(圖3)，采用時(shí)間維廣度優(yōu)先迭代搜索的優(yōu)化思路，并在搜索中根據(jù)調(diào)度問(wèn)題的時(shí)間尺度、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能、調(diào)度要求的特點(diǎn)降低參與計(jì)算的電站數(shù)目，并提出正交狀態(tài)保留策略以減少優(yōu)化迭代過(guò)程中的決策變量和狀態(tài)數(shù)目，將優(yōu)化空間進(jìn)一步大幅度縮減[104]，通過(guò)多種優(yōu)化技術(shù)組合應(yīng)用，能夠大幅削減傳統(tǒng)算法的內(nèi)存占用與尋優(yōu)空間，使系統(tǒng)時(shí)空計(jì)算復(fù)雜度從指數(shù)級(jí)簡(jiǎn)化到二次和線性級(jí)，切實(shí)保證超大規(guī)模水電系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題的高效求解[105]。

圖3 精簡(jiǎn)優(yōu)化可行域以縮減優(yōu)化求解范圍的方法示意Fig.3 Schematic diagram of the optimization method to reduce solution space

5.1.3 面向電力市場(chǎng)的水電中長(zhǎng)期交易與競(jìng)價(jià)技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)清潔能源消納的同時(shí)，如何保障各電力系統(tǒng)(水、風(fēng)、光)的利益平衡與共享是聯(lián)合調(diào)度的另一難點(diǎn)，亟需市場(chǎng)調(diào)節(jié)手段。云南電力市場(chǎng)化改革經(jīng)過(guò)近幾年持續(xù)建設(shè)和完善，已經(jīng)形成了“中長(zhǎng)期交易為主，日前交易為輔”的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在此背景下，電網(wǎng)公司如何設(shè)計(jì)合理的競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策、水電企業(yè)如何參與競(jìng)價(jià)交易是關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)此，楊洪明課題組以全流域梯級(jí)水電站參與現(xiàn)貨市場(chǎng)以及跨區(qū)域合約市場(chǎng)交易綜合效益最大為目標(biāo)，考慮交易價(jià)格波動(dòng)和跨區(qū)域交易阻塞的不確定性，構(gòu)建中長(zhǎng)期交易月度決策模型，設(shè)計(jì)了兼顧水利部門(mén)規(guī)定、水電企業(yè)效益和電網(wǎng)公司的電力市場(chǎng)交易策略[106]。針對(duì)水電企業(yè)的交易計(jì)劃制定難題，在電力市場(chǎng)及徑流的雙重不確定影響下，程春田課題組提出了水電參與中長(zhǎng)期競(jìng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，量化了當(dāng)前電力市場(chǎng)條件下的月度、日前市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)組合關(guān)系，研發(fā)了交易計(jì)劃出清算法、水電站月交易計(jì)劃分解等模型，給出了水電參與中長(zhǎng)期競(jìng)價(jià)決策方式[107]，為發(fā)電企業(yè)、交易監(jiān)管部門(mén)提供了快速制定交易計(jì)劃的工具手段。

5.2 西南河流源區(qū)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)

生態(tài)環(huán)境健康是徑流開(kāi)發(fā)利用中的關(guān)鍵目標(biāo)之一，隨著瀾滄江流域梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)，環(huán)境條件發(fā)生顯著變化，亟需研發(fā)平衡水電與環(huán)境的生態(tài)調(diào)度方法。生態(tài)環(huán)境目標(biāo)的選擇和量化是水庫(kù)生態(tài)調(diào)度面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)調(diào)度方法往往以水文、水力及生物等因素作為表征水庫(kù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，而對(duì)于生源物質(zhì)輸移考慮較少；該區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，部分水電強(qiáng)干擾河段的氮沿程累積量達(dá)到自然河段氮含量的3倍，磷的滯留率高達(dá)40%，氮磷比嚴(yán)重失調(diào)，由自然狀態(tài)下的16∶1改變?yōu)?0∶1，營(yíng)養(yǎng)鹽的組成已遠(yuǎn)偏離自然狀態(tài)。因此，營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化同樣是不可忽略的生態(tài)環(huán)境目標(biāo)。重大研究計(jì)劃在河流全物質(zhì)通量科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，將地球化學(xué)領(lǐng)域的生源物質(zhì)循環(huán)理論與水庫(kù)調(diào)度模型相結(jié)合，發(fā)展了面向生源物質(zhì)的調(diào)度方法。

5.2.1 西南河流源區(qū)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)研究進(jìn)展

河流的水文情勢(shì)、水動(dòng)力條件或水生及陸生生物的生長(zhǎng)情況等是表征水庫(kù)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。暢建霞課題組探討了瀾滄江下游梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)水文生態(tài)條件和自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響，表明上游地區(qū)的水文生態(tài)指標(biāo)對(duì)大壩建設(shè)的響應(yīng)較敏感[108]。劉丙軍課題組進(jìn)一步考慮水沙與徑流關(guān)系，探討了瀾滄江-湄公河流域泥沙負(fù)荷對(duì)水文變化的響應(yīng)，分析了年降水量、徑流、峰值流量、低流量、最大水位和泥沙負(fù)荷的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)徑流對(duì)泥沙負(fù)荷變化影響最大[109]。在此基礎(chǔ)上，尹心安課題組針對(duì)水庫(kù)建設(shè)后魚(yú)類(lèi)的洄游問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)模擬大型水庫(kù)的水動(dòng)力和溫度條件，探究魚(yú)類(lèi)遷徙適宜的流量和溫度條件[110]。覃暉課題組探討了水溫、流速和水深對(duì)魚(yú)類(lèi)生境適宜性的綜合影響，并給出了相應(yīng)的流量閾值，認(rèn)為當(dāng)水庫(kù)入庫(kù)流量大于60 m3/s、出庫(kù)流量大于100 m3/s時(shí)，草魚(yú)產(chǎn)卵的生態(tài)流量滿足基本需求；當(dāng)水庫(kù)出庫(kù)流量為120 m3/s時(shí)，生境生態(tài)適宜性最好[111]。

5.2.2 考慮生源物質(zhì)輸移的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)

生源物質(zhì)處于連接水文、水力條件和生物作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生源物質(zhì)的通量變化、形態(tài)組分轉(zhuǎn)化更是庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化的重要原因。將生源物質(zhì)的輸移轉(zhuǎn)化作為生態(tài)環(huán)境核心目標(biāo)，建立其與水沙條件、水溫、水力滯時(shí)、水位波動(dòng)頻率等可調(diào)度指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)生態(tài)目標(biāo)(生態(tài)水文指標(biāo)等)無(wú)法體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)組分轉(zhuǎn)變的缺陷，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度指標(biāo)體系由“水量”到“水質(zhì)”的拓展。張弛課題組以磷為例，探究了瀾滄江梯級(jí)水電建設(shè)運(yùn)行對(duì)磷輸移的影響，結(jié)果表明：天然情況下，河道每年平均約有1.42萬(wàn)t總磷流出出境斷面，約占下游湄公河三角洲入海通量的4.2%；建設(shè)水庫(kù)后，大約有50%～59%的總磷會(huì)被攔截在梯級(jí)水庫(kù)中，與已建成的水庫(kù)相比，正在建設(shè)和等待建設(shè)許可的水庫(kù)不會(huì)進(jìn)一步加劇總磷的滯留[112]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了梯級(jí)水庫(kù)對(duì)總磷攔截的空間分布規(guī)律，確定了水庫(kù)位置和水庫(kù)庫(kù)容特性是決定各梯級(jí)水庫(kù)環(huán)境累積效應(yīng)的重要控制因素。對(duì)于瀾滄江梯級(jí)水電站而言，小灣、糯扎渡的年調(diào)節(jié)特征導(dǎo)致其水力滯留時(shí)間長(zhǎng)，攔截率高；水庫(kù)位置(區(qū)域特征)影響了區(qū)間匯入的總磷負(fù)荷量級(jí)與狀態(tài)，功果橋水庫(kù)位于梯級(jí)電站龍頭位置，總磷負(fù)荷大部分為未經(jīng)沉積的顆粒態(tài)磷，其總磷攔截率遠(yuǎn)大于其他水庫(kù)[113-114]。之后，在傳統(tǒng)發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最高的調(diào)度目標(biāo)基礎(chǔ)上，加入生源物質(zhì)調(diào)控目標(biāo)，構(gòu)建了水庫(kù)發(fā)電-總磷輸出雙目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型，揭示了發(fā)電與排磷之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并據(jù)此提出了緩解水庫(kù)磷滯留的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案，給出了該方法與考慮水文情勢(shì)變化生態(tài)調(diào)度方法的適用條件[115]。

5.3 多利益主體合作博弈的跨境水資源調(diào)度技術(shù)

跨境水資源調(diào)度和利益分配是國(guó)際河流的研究焦點(diǎn)。以西南河流源區(qū)的瀾滄江-湄公河為例，目前的跨境合作方式以保證瀾滄江最小出境流量(504 m3/s)和應(yīng)急補(bǔ)水為主(2016年湄公河大旱，中國(guó)向下游應(yīng)急補(bǔ)水)。然而，這種應(yīng)急合作機(jī)制往往以降低中方水庫(kù)發(fā)電效益為代價(jià)，國(guó)際輿論與相關(guān)研究缺乏對(duì)此方面的客觀評(píng)價(jià)。在中國(guó)“一帶一路”新外交戰(zhàn)略的背景下，瀾滄江-湄公河命運(yùn)共同體建設(shè)對(duì)航運(yùn)等級(jí)、下游灌溉需求、能源基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通都提出新的要求。以往研究缺乏對(duì)跨境河流利用中各國(guó)家利益分配機(jī)制的深入分析，無(wú)法為跨境水資源的合理分配提供支撐。為此，重大研究計(jì)劃在滿足國(guó)內(nèi)發(fā)電目標(biāo)、環(huán)境可持續(xù)要求的基礎(chǔ)上，發(fā)展了多利益主體合作博弈的跨境水資源調(diào)度技術(shù)，為瀾滄江-湄公河水資源合作提供支撐。

5.3.1 跨境河流多利益主體合作博弈模型

唐加福與方德斌課題組針對(duì)跨境水資源開(kāi)發(fā)利用中的博弈問(wèn)題，系統(tǒng)考慮了瀾滄江-湄公河跨境流域達(dá)成水資源分配合作的關(guān)鍵時(shí)空約束特征(地理區(qū)位和季節(jié)需求)和各方最大的利益沖突點(diǎn)(農(nóng)業(yè)用水需求)，提出不同水文條件下跨境水資源合作利用的梯級(jí)水庫(kù)系統(tǒng)效應(yīng)的解析方法，構(gòu)建了耦合水文-水庫(kù)調(diào)度-水資源利用-經(jīng)濟(jì)效益分析-合作博弈的流域國(guó)家間多利益主體博弈演化模型[116]，分析了水庫(kù)調(diào)度、水文條件、利益共享機(jī)制對(duì)瀾滄江-湄公河流域國(guó)家間多主體合作博弈與徑流適應(yīng)性利用的影響，評(píng)估了各國(guó)的合作收益，分析了合作聯(lián)盟形成的條件和穩(wěn)定性[117]。陳曉宏課題組利用數(shù)學(xué)表達(dá)量化了瀾滄江流域來(lái)水-發(fā)電-生態(tài)-航運(yùn)-出境水互饋博弈納什均衡關(guān)系，并給出基于該關(guān)系的最優(yōu)策略[118]；在此基礎(chǔ)上，考慮變化環(huán)境下流域需水不確定性增加，改進(jìn)了傳統(tǒng)水資源配置方法，提出了“假設(shè)-模擬-反饋-調(diào)整”回路的水資源實(shí)時(shí)反饋校正優(yōu)化配置模式，以提高跨境水資源綜合利用率[119-120]。同時(shí)，黃濤珍課題組采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化博弈理論，描述多個(gè)博弈主體之間的博弈演化關(guān)系和演化情景，分析不同情境下的博弈均衡結(jié)果和均衡轉(zhuǎn)換條件，提出了合作博弈的基本條件和主要模式，設(shè)計(jì)了各利益主體共贏的合作機(jī)制[121]。

5.3.2 跨境河流水資源調(diào)度技術(shù)

基于上述博弈模型，耦合梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度，唐加福課題組證明了中國(guó)作為上游國(guó)家運(yùn)用水庫(kù)群等季節(jié)性調(diào)節(jié)措施，在枯水季節(jié)為下游東南亞國(guó)家讓渡部分水資源權(quán)益，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)流域的用水效益最大化，確定了考慮全流域收益最大的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度方案[117]。周惠成課題組提出了梯級(jí)水電站在滿足保證出力以及調(diào)度期末水位約束下的合作補(bǔ)水極限閾值推求方法，建立了應(yīng)急補(bǔ)水條件下的梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型，采用“協(xié)同-獨(dú)立”聯(lián)合優(yōu)化法求解得到了梯級(jí)水電站補(bǔ)水量與發(fā)電損失的定量關(guān)系[122]。趙建世課題組定量闡明了不同來(lái)水條件下的合作收益情況，干旱年份合作增量收益更大，且干旱程度越高跨界合作產(chǎn)生的系統(tǒng)增量效益越大，其中枯水年合作的增量收益是豐水年的2倍以上；雖然Shapley、Nucleolus以及Nash-Harsanyi等不同利益分配方法導(dǎo)致各利益相關(guān)者的合作收益有所差異，但跨境的全流域大合作模式仍是最佳選擇[123-124]。

6 學(xué)術(shù)影響與成果應(yīng)用

重大研究計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，取得了大量的成果。截至2019年9月，發(fā)表重要國(guó)際期刊論文1 009篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利169件，授權(quán)87件；申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利8件，授權(quán)2件；制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1部；取得軟件著作權(quán)37件；實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化3項(xiàng)；獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)1個(gè)，獲省部級(jí)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)8項(xiàng)；培養(yǎng)國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究團(tuán)體帶頭人1人，杰出青年基金項(xiàng)目獲得者4人，教育部長(zhǎng)江學(xué)者3人，萬(wàn)人計(jì)劃人才4人，優(yōu)秀青年、青年長(zhǎng)江學(xué)者、青年拔尖人才獲得者共7人，美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)AGU會(huì)士2人，博士后和研究生1 190余人。

重大研究計(jì)劃提升了中國(guó)學(xué)者的國(guó)際學(xué)術(shù)影響，并有力支撐了多項(xiàng)國(guó)家重大需求：相關(guān)研究成果得到國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊(包括Nature，NatureClimateChange等)的引用和重要媒體(包括NatureAsia網(wǎng)，《光明日?qǐng)?bào)》等)的廣泛報(bào)道，多位學(xué)者獲得國(guó)內(nèi)外重要科研獎(jiǎng)勵(lì)和重要學(xué)術(shù)兼職，增強(qiáng)了中國(guó)在第三極水領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)；“河流全物質(zhì)通量”形成了一個(gè)新的多學(xué)科交叉研究方向，創(chuàng)辦了相關(guān)的系列國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，引領(lǐng)國(guó)際大河生源物質(zhì)循環(huán)規(guī)律研究前沿；相關(guān)成果為云南電網(wǎng)水電消納、電力市場(chǎng)改革、2016年越南應(yīng)急補(bǔ)水、2018年加拉堰塞湖應(yīng)急除險(xiǎn)等工作提供了重要科技支撐；在西南源區(qū)增加監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)約39%，填補(bǔ)了多個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)空白，部分監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用于國(guó)家第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究、西藏冰川和冰湖變化監(jiān)測(cè)調(diào)查與綜合評(píng)估等重大科研工作。

7 總結(jié)與集成研究布局

“西南河流源區(qū)徑流變化和適應(yīng)性利用”重大研究計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，構(gòu)建了西南河流源區(qū)多水文要素的天空地一體化監(jiān)測(cè)體系，圍繞徑流變化機(jī)理、生源物質(zhì)循環(huán)變異規(guī)律和徑流適應(yīng)性利用3個(gè)科學(xué)問(wèn)題取得了重要進(jìn)展，推動(dòng)了高原寒區(qū)水文、水環(huán)境、水資源領(lǐng)域的理論技術(shù)發(fā)展，相關(guān)成果為中國(guó)西南徑流利用中的水利水電規(guī)劃和外交等國(guó)家重大需求提供了重要的科技支撐，提升了中國(guó)在第三極水領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)，產(chǎn)生了重要的國(guó)際影響。

根據(jù)重大研究計(jì)劃所取得的重要進(jìn)展、國(guó)際調(diào)研獲得的最新發(fā)展趨勢(shì)以及國(guó)家重大需求，聚焦3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題設(shè)立5個(gè)方面的集成項(xiàng)目：

(1) 西南河流源區(qū)水文-環(huán)境監(jiān)測(cè)體系及數(shù)據(jù)集成平臺(tái)。構(gòu)建源區(qū)天空地一體化監(jiān)測(cè)體系，建立水文-環(huán)境主題數(shù)據(jù)集，研發(fā)多源多尺度數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái)，分析源區(qū)水文、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的時(shí)空變化特征和相互影響關(guān)系。

(2) 西南河流源區(qū)空-地水資源聯(lián)合調(diào)控理論與技術(shù)研究。揭示空中水資源轉(zhuǎn)化機(jī)理、空-地水循環(huán)過(guò)程耦合機(jī)理，評(píng)估空中水汽可資源化潛力，提出空-地水資源聯(lián)合利用及調(diào)控模式，建立系統(tǒng)、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的人工影響天氣新技術(shù)及可信度評(píng)估技術(shù)。

(3) 西南河流源區(qū)徑流變化機(jī)理和未來(lái)趨勢(shì)。揭示高寒區(qū)土壤、冰雪、植被等關(guān)鍵地表要素對(duì)氣候變化的協(xié)同響應(yīng)特征，以及水文過(guò)程對(duì)地表變化的響應(yīng)機(jī)制，闡明源區(qū)徑流和洪水的演變規(guī)律和未來(lái)趨勢(shì)。

(4) 西南河流源區(qū)全物質(zhì)通量與梯級(jí)開(kāi)發(fā)下的累積效應(yīng)。構(gòu)建高原河流系統(tǒng)全要素同步監(jiān)測(cè)-檢測(cè)范式，揭示源區(qū)主要河流水沙及其負(fù)載的全要素時(shí)空分布格局，闡明生源物質(zhì)時(shí)空演變的微生物地理學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，揭示梯級(jí)水庫(kù)開(kāi)發(fā)對(duì)河流生源物質(zhì)循環(huán)的累積作用及河流生態(tài)系統(tǒng)健康的臨界響應(yīng)。

(5) 西南河流徑流適應(yīng)性利用與調(diào)控。構(gòu)建基于供水-發(fā)電-環(huán)境互饋關(guān)系的徑流開(kāi)發(fā)利用方法體系，定量辨識(shí)西南源區(qū)河流多目標(biāo)開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域影響，服務(wù)于瀾滄江梯級(jí)水電調(diào)度、瀾滄江-湄公河合作機(jī)制、雅魯藏布江規(guī)劃等國(guó)家重大需求。