河流建坝生态环境效应与调控几点新认识

陈求稳^1,2, 张建云^1,2，施文卿²，陈宇琛²

1. 南京水利科学研究院， 2. 长江保护与绿色发展研究院

水电梯级开发是我国保障能源安全、优化能源结构、支撑碳中和国际履约的重要战略，也是支持偏远山区脱贫发展直接有效的举措。

在最近二十余年期间，由于水电开发的生态环境问题，尤其是水资源与水能资源丰富的西南河流水电开发的生态环境问题，我国长期受到国际争议的困扰，造成非常被动的局面。核心观点包括：梯级水库拦截碳氮磷硅等关键生源要素，影响下游水生态系统和区域发展；水库温室气体排放，影响水电的清洁性；水文情势变化，影响土著鱼类生存繁殖，水电工程生态环境保护已成为水资源可持续开发利用急需破解的难题。

研究团队多年来致力于重大水利水电工程生态环境保护的基础研究及工程应用，开展了系统深入的研究，主要进展如下：

（1）自主研发了深水采样监测新设备与水库消落带环境指标光纤传感系统，实现深大水库无扰动沉积物柱芯采集、水体垂向分层精确采样、潜流带关键理化参数同步监测，研发了鱼类繁殖对流场条件和水温情势响应关系实验方法和装置。

（2）揭示了水库氮磷沉积-活化-输送机制，提出梯级水库可提升氮磷营养盐的生物可利用性的新观点，阐明了水库发电导致库水位频繁波动能够增强水库脱氮脱碳效应及其机制。

（3）揭示了水文情势、水温情势、性腺发育积温等对鱼类繁殖的联合作用机理，研发了流量过程-水温过程-生源要素输出过程耦合的水库生态调度技术、支流生境替代和微生境修复技术。

研究成果发表在NSR、NREE、EST、WR、JoH、JGR-Biogeoscience等具有领域影响力的国内外期刊，获授权一序列中国和美国发明专利。成果发表后被美国科学促进会等迅速报道，并被荷兰皇家科学院院士、欧洲地球化学会会士Jack Middelburg专稿评述。成果为服务工程优化运行与跨境河流地缘政治合作、支撑全球可持续水电开发与河流生态保护提供了新视角。研究成果荣获国际水利与环境工程学会（IAHR）第20届 A.T. Ippen Award、2020年“科学探索奖”，水力发电一等奖2项。

科技论文参考材料

[1]    Chen, Q.†*, Shi, W.†, Huisman, J., Maberly S.C., Zhang, J., Yu, J., Chen, Y., Tonina, D., Yi, Q., 2020. Hydropower reservoirs on the upper Mekong River modify nutrient bioavailability downstream. National Science Review, 7: 1449-1457

[2]    Maavara, T.†*, Chen, Q.†*, Van Meter, K., Brown, L., Zhang, J., Ni, J., Zarfl, C., 2020. River dam impacts on biogeochemical cycling. Nature Reviews Earth & Environment, 1(2): 103-116

[3]    Shi, W., Chen, Q.*, Zhang, J., Liu, D., Yi, Q., Chen, Y., Ma, H., Hu, L., 2020. Nitrous oxide emissions from cascade hydropower reservoirs in the upper Mekong River. Water Research, 173: 115582

[4]    Shi, W., Chen, Q.*, Yi, Q., Yu, J., Ji, Y., Hu, L., Chen, Y., 2017. Carbon emission from cascade reservoirs: spatial heterogeneity and mechanisms. Environmental Science & Technology, 51(21): 12175-12181

[5]    Shi, W., Chen, Q.*, Zhang, J.*, Zheng, F., Liu, D., Yi, Q., Chen, Y., 2020. Enhanced riparian denitrification in reservoirs following hydropower production. Journal of Hydrology, 583: 124305

[6]    Shi W., Chen Q.*, Zhang J., Lu J., Chen Y., Pang B., Yu J., Van Dam B., 2021. Spatial Patterns of Diffusive Methane Emissions Across Sediment Deposited Riparian Zones in Hydropower Reservoirs. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences, 10.1029/2020JG005945

[7]    Li, T., Mo, K., Wang, J., Chen, Q.*, Zhang, J., Zeng, C., Zhang, H., Yang, P., 2021. Mismatch between critical and accumulated temperature following river damming impacts fish spawning. Science of the Total Environment, 756: 144052

[8]    Tang, L., Mo, K.*, Zhang, J., Wang, J., Chen, Q.*, He, S., Zhu, C., Lin, Y., 2021. Removing tributary low-head dams can compensate for fish habitat losses in dammed rivers. Journal of Hydrology, 598: 126204

[9]    Chen, Q.†*, Zhang, J.*, Chen, Y.†, Mo, K., Wang, J., Tang, L., Lin, Y., Chen, L., Gao, Y., Jiang, W., Zhang, Y., 2021. Inducing flow velocities to manage fish reproduction in regulated rivers. Engineering, 7(2): 178-186

发明专利参考材料

[1]    Qiuwen Chen, Juhua Yu, Jianyun Zhang, Wenyong Yu, Wenqing Shi, Yuqing Lin, Liuming Hu, Zhiyuan Wang. Intelligent device for integrated sampling of layered water and sediment core of deep reservoir. United States Patent, US 10,794,887 B2, Oct. 6, 2020 [美国]

[2]    Qiuwen Chen, Yuqing Lin, Jianyun Zhang, Liuming Hu, Yuxing Zhang, Lei Tang, Tiesheng Guan, Yong Gao, Wei Jiang. Experimental device and experimental method for studying quantitative relationship between spawning of parent fish and stimulation of flow velocity. US 10,939,672 B2, UK Patent, GB2570060 [美国、英国]

[3]    Qiuwen Chen, Wenqing Shi, Haoyu Zhu, Dongsheng Liu, Yuchen Chen, Honghai Ma, Qi Zhang, Yingxin Hong. Experimental system and method for in-situ simulating different flooding-drying frequencies of shore zones. United States Patent, US 10,788,349 B2, Sep. 29, 2020[美国]

[4]    Chen Q., Wang L., Lin Y., Hu L., Guan T., Chen C., Feng R. Method for controlling the gate based on the habitat requirement for fish overwintering in rivers. United States Patent, US 10415202B2, Sep. 17, 2019 [美国]

[5]    陈求稳, 余居华, 张建云, 余文勇, 施文卿, 陈诚, 林育青, 胡柳明, 王丽. 高坝深库分层水样多维保真采集与水质监测人工智能装置. ZL201810895987.6, 发明专利, 申请日: 20180808, 授权日: 20201103

[6]    陈求稳, 林育青, 唐磊, 胡柳明, 关铁生, 张与馨, 高勇, 姜伟. 一种水生生物生态水力学实验的复杂流场实现装置与方法. ZL201710710135.0, 发明专利, 申请日: 20170818, 授权日: 20190702

[7]    陈求稳, 林育青, 莫康乐, 王骏, 胡柳明, 唐磊, 高勇, 姜伟. 用于亲鱼产卵实验的大型水槽温控系统及方法. ZL201811080541.4, 发明专利, 申请日: 20180917, 授权日: 20200811

[8]    陈求稳, 施文卿, 马宏海, 陈宇琛, 洪迎新, 陈诚, 林育青. 一种用于改善运行水库温室效应的温室气体减排方法. ZL201811431402.1, 发明专利, 申请日: 20181127, 授权日: 20201120

[9]    陈求稳, 王丽, 唐磊, 李若男, 陈诚, 关铁生. 一种闸坝调控对鱼类栖息地空间特性影响的量化分析方法. ZL201710694601.0, 发明专利, 申请日: 20170815, 授权日: 20190816