【读书读图】《水利科学与工程学科发展战略研究报告(2026~2030)》| 第11章 生态水利

第11章生态水利

Chapter 11Eco-hydraulic Engineering

11.1研究范畴与战略意义

生态水利领域以流域、河湖库及河口水生态系统为研究对象，致力于解决水利工程生态环境效应与保护、生态水利工程等基础科学与关键技术问题，重点研究环境生态水力学与动力学、河湖水生态环境演变、流域水生态治理与保护、水工程生态效应与调控、生态水利工程学、全物质通量理论与调控等。

环境生态水力学与动力学方向主要关注天然水体中不同水文水动力条件下污染物的迁移转化规律、生命体的扩散输移规律及其流场控制技术，以及水沙过程与生态环境要素的相互作用机理；河湖水生态环境演变方向主要关注水体生态系统在自然和人为因素影响下的动态变化过程及其机制，包括水质演变与污染机制、生态系统结构与功能变化、流域尺度水生态环境模拟等；流域水生态治理与保护方向是以流域为单元统筹水环境治理与水生态保护，构建现代化流域综合治理体系，统筹干支流治理，通过系统治理实现水生态系统的健康与可持续性；水工程生态效应与调控方向旨在协调水利工程与生态系统之间的关系，主要聚焦水利工程对水生生物、水生态环境的累积影响，包括水库富营养化、水华调控、河湖生态健康评估等；生态水利工程学方向旨在研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水生态系统健康与可持续性需求的原理及技术方法，创新支持生态保护与修复的水利工程设计理论；全物质通量理论与调控方向重点探索流域及河流全物质通量演变规律、机理及其生态环境效应，并提出基于物质通量的适应性调控策略。

生态水利聚焦流域水生态环境要素演变、水利工程生态环境效应、水生态保护与修复、河湖库等重要水体的水生态环境演变、生态水利工程学等关键方向，致力于揭示水动力过程与水生态系统的耦合机制，研发流域水生态环境模型，发展水利工程多维生态调控技术，有效减缓水利开发对生态系统的累积性影响。通过与遥感和人工智能等前沿技术深度融合，构建水生态环境全要素数据库，推动水生态环境智慧模拟与调控，支撑重大水利工程水生态安全保障和绿色低碳运行。

11.2研究现状与发展趋势

生态水利研究已从早期的环境水动力学与水力生境修复拓展至融合热力学、复杂多相流等理化过程的系统研究。面对生态环境需求的不断提高与水利工程规模的持续扩大，侧重于单一水利结构与水动力过程的传统研究范式，在开发与保护协同的复杂需求前已显不足。当前，学科正向多要素-多过程耦合方向演进，研究方法从传统机理模拟迈向智能融合，更注重工程与生态完整性的统一。未来将系统推进环境生态水力学与动力学、流域和河湖水生态环境演变及治理保护、水工程生态效应与生态水利工程学、流域全物质通量理论与调控等核心方向，推动该学科理论与应用的整体提升。

环境生态水力学与动力学正通过与生态学的交叉，实现从传统水流运动与污染物输移的物理化学过程研究向物理（水文水动力）-化学（水质）-生物（水生态）耦合研究的范式转变，研究目标从早期揭示单一水动力过程规律升级为系统解析水文水动力与水生态环境的耦合和互馈机制，研究方法从单一机理模拟发展为数值模拟、物理实验与现场观测相结合的综合体系，旨在构建基于环境水力学、生态水力学、生态河流动力学等理论的耦合模型。同时，研究对象也从营养物质和常规污染物等拓展至新污染物及水生生物，贯通水动力驱动的物质扩散、生境变化与生物响应全过程，更加聚焦于揭示生态环境演变背后的水文水动力驱动机制。

流域和河湖水生态环境演变及治理保护研究已从过去对单一生态要素的短期变化分析逐渐转向长期演化与急剧变异并存的多时间尺度、流域至微观的多空间尺度综合研究。早期研究主要关注资源开发、自然灾害和气候变化共同作用下的水文水动力特征及生态系统演变趋势。当前研究则更强调流域和河湖水动力-水环境-水生态多过程的耦合解析，以维护水体作为“通道”（如水流、物质、生物通道）和“载体”（如水资源、水能、物质、生境载体）的双重功能。未来需揭示流域和河湖治理过程中的关键滞后效应与稳态转换机制，建立污染治理、生态修复与清洁水资源可持续供给的协同优化指标体系，构建科学精准的河湖库水生态环境模拟和预警体系，以及水环境防治和水生态重构技术，为实现流域系统健康与可持续发展提供支撑。

水工程生态效应研究正从现象认知迈向机制解析与系统治理的新阶段。当前研究已突破单一工程影响评价，致力于揭示水利工程影响下水沙-水质-生物群落的非线性耦合机制，数字孪生与人工智能技术已初步应用于生态模拟与智能决策，但基础理论仍显滞后，生态演变机理、累积效应评估等核心环节较为薄弱。未来研究将聚焦于揭示工程驱动下生态演变与系统韧性形成机理，发展融合工程效益与生态安全的多目标自适应调控理论，推动水利学科从工程控制向“水-生态-社会”协同治理的范式跃升。未来水利工程设计更加追求生态化，生态水利工程设计与调控策略更强调自然-社会水循环协同，通过生态流量保障、河湖连通修复、柔性结构设计等手段提升系统韧性，实现绿色-灰色基础设施协同。通过融合生态完整性与工程安全性的协同设计，研发适配环境的生态友好材料和工程技术，实现生态水工程全生命周期管控。

流域全物质通量理论与调控研究发展迅速，研究内容已从单一对象与要素拓展至水沙-碳-氮-磷-污染物-微生物-温室气体等多要素的相互作用机理与通量效应；研究尺度实现了从河段向全流域系统的跨越；研究目标从早期研究单一水沙关系延伸至揭示水沙-生源物质-污染物-生物群落的耦合机制，支撑流域综合治理；研究方法由传统统计与水动力模拟发展为多过程耦合模型与大数据结合的技术体系。未来研究将聚焦智能模拟与智慧调控，融合遥感和智慧监测技术，突破“天-空-地”一体化全物质通量感知，自主研发多源过程与全要素通量集成模型，创新数字流域模型及多模型集合评估与调控技术，确定维持生态系统健康的关键物质通量阈值，构建监测-模拟-调控一体化系统，支撑新时代流域高质量发展和生态系统原真性保护。

11.3重点发展方向

11.3.1环境生态水力学与动力学

关键科学问题：生态环境演变的水动力驱动机制。水动力是水体生态环境演变的核心驱动要素，直接决定了污染物迁移、水体自净和生态系统响应。现有研究对生态环境演变的水动力驱动机制揭示不足，尤其在流速分布、水流结构与边界糙率等关键参数如何影响生态过程方面的认识仍不清晰，亟须厘清水体多尺度、多介质与多界面的水动力学特征，明晰水生态环境与水文水动力过程的互馈机理，以夯实从现象描述到机理认知的理论基础。

关键技术：水沙-水动力-水环境-水生态多过程耦合模拟技术。当前研究多聚焦于水生态环境演变的单一水文或水动力过程，难以揭示物质输移与生态响应的内在关联，导致对生境演变及“水文-地貌-生态”协同机制认知存在局限。构建基于环境水力学、生态水力学、生态河流动力学理论的多过程耦合模型，贯通水动力驱动的物质扩散、生境变化与生物响应全过程，实现从系统尺度量化水体健康与工程扰动，是该领域亟待解决的关键技术。

研究内容：①水域多介质界面物质输运扩散与环境效应，揭示水域多介质多界面多尺度的水文水动力学特征、物质的赋存状态和时空分布规律、多相流微观物理化学反应机理；辨析物质、环境要素与水文水动力条件的耦合关系；基于环境水力学、河流泥沙动力学等，建立物质输移扩散模型，解析物质输运扩散的环境效应。②水动力-生态响应机理与生境演化规律，解析水动力条件与水生生物（鱼类、底栖动物）栖息行为、水生植物生长定殖及微型生物（藻类、原生动物、细菌等）群落结构等之间的动态响应关系；研究水动力变化对关键生境要素（流速场、水深、底质、糙率等）和生物生命周期的综合作用；阐明水动力-生态互馈机制，为河流生态修复与生境精准调控提供理论基础。③水动力-泥沙-生源要素输运转化动力学研究，聚焦水动力驱动下泥沙与生源要素的耦合输移与转化动力学机制，研究泥沙颗粒作为活性界面，其表面生物膜驱动的吸附-解吸、物质转化等关键动力学过程；揭示“水流-泥沙-生物膜”多介质界面生源要素相互作用与动态反馈规律；构建物理-生物地球化学耦合动力学模型，阐明冲淤地形、生源要素与生物栖息生境的耦合演变过程。

11.3.2河湖库及河口湿地水生态环境演变与健康维持

关键科学问题：河湖库及河口湿地水生态系统对变化环境的适应性机制。水生态系统在变化环境下会产生不同尺度的适应性反馈。现有研究多聚焦环境胁迫下水生态系统的单向响应与静态评估，难以揭示其内在的韧性维持与动态演化路径。因此，阐明系统通过生物调节与物理生境的协同反馈，适应水文极端化及人类活动的多重压力，是该领域亟须解决的关键科学问题。

关键技术：河湖生态复苏的水动力-生境营造技术。在极端天气与跨流域调水等压力下，河湖生态环境呈现多要素耦合与非线性特征。当前研究多聚焦静态生境修复或单一物种保护，缺乏对水动力过程驱动生态恢复动力学机制的认知。发展能够统筹污染物削减、水动力优化、生境营造的河湖生态复苏的水动力-生境营造技术，是亟须解决的关键技术问题。

研究内容：①河湖库及河口湿地水文水动力演变与生态环境效应，研究变化环境下河湖库及河口湿地水文节律与水动力格局的时空演变规律；解析水动力条件改变对关键环境参数的调控机制及其引发的生态系统多级响应；阐明“水文水动力-生境条件-生态功能”级联效应与环境生态影响。②多尺度生态系统演变驱动机制，研究生态系统个体、种群、群落等不同尺度的生态演变特征；解析不同尺度的生态系统特性及环境因子间的相关关系；解析复合环境压力驱动多尺度演变的影响路径，探明生态系统演变过程中各驱动因子对不同对象的非线性作用机制。③水生态系统健康评价及维持方法，融合多尺度适应性机制与生境关键参数阈值，构建兼顾结构完整性、功能稳定性、生境适宜性的健康评价指标体系；识别水动力扰动强度、污染负荷阈值等风险因子的适应性边界；提出基于稳定性提升的水生态系统健康维持范式。④河湖生态复苏的水动力-生境协同营造，构建河湖生态复苏的水动力调控-生境修复-生态系统恢复协同技术体系；优化生态流量计算方法、复杂耦合生境构建方式；研究水动力调控与关键生境要素的耦合机制与协同优化原理；建立河湖生态复苏的水动力-生境协同营造技术路径。

11.3.3流域水生态环境治理与河湖复苏

关键科学问题：变化环境下流域水生态环境演变机制与系统韧性。在气候变化背景下，流域水生态系统受自然与人为活动双重胁迫。现有研究对流域水生态系统复杂演变规律及韧性特征揭示不足，制约了对流域水生态的保护，揭示变化环境下流域水生态演变机制与抗干扰、自恢复韧性机理，是实现河湖复苏、保障流域可持续发展的核心理论基础，也是亟须解决的关键科学问题。

关键技术：流域水生态环境系统防治与修复重构技术。实现流域水生态环境的根本改善，亟须突破现有保护治理技术瓶颈。当前治理多侧重于局部修复与末端控制，缺乏全过程协同及精准治理手段，构建涵盖水文、水质、生物、地貌等多要素的高时空分辨率立体监测技术，开发基于多尺度模拟的动态预警与智慧管控平台，研发流域水生态系统精准治理与修复重构技术，形成流域水生态环境系统防治与修复重构技术体系。

研究内容：①流域水-土-气-生多过程耦合机理与系统模拟，分析变化环境下水生态环境时空演变特征；阐明水-土-气-生多圈层间物质能量交换与界面过程；构建水文生物地球化学与多尺度耦合模型，融合多源数据与人工智能，集成水动力-水质-水沙过程建立流域综合调度模型，预测水环境与水生态演变趋势。②流域面源污染防控与水环境治理，研究水沙驱动下流域生源要素与污染物“源-流-汇”全过程迁移转化机理；构建陆域-水体动态感知体系与精准模拟模型；开发多过程统筹视角下的流域水生态环境风险预警方法和智慧流域综合管控技术体系。③流域水生态修复重构与功能提升，构建水沙-生境-生态多维反馈框架；研发透水-缓流-促淤型生态构筑体系；建立水动力-生境耦合模型，量化关键参数对碳固定等功能的非线性影响，揭示可模拟的修复机制，推动流域生态从结构恢复向功能提升转变。④河湖岸带植被修复与稳定固植，揭示岸带水文节律、基质特性与植被演替交互机制；构建水文-基质-植物机理模型，解析洪泛过程与微地形对植被定植及碳积累的影响；研发生态基质改良与根系固土技术，构建多功能复合缓冲带，实现水陆界面从物理稳定向生态稳定与碳汇增强的协同提升。⑤河湖底泥污染原位修复与生态清淤，探究强人类活动下底泥中污染物输移与湖库劣质生境成因，发展精准诊断方法；研发靶向修复材料与低扰动智能清淤装备，形成“高分清除-底泥输出”的颠覆性清淤技术；建立分单元治理策略，为河湖精准治理提供支撑。

11.3.4水工程与环境生态互馈及协同效应

关键科学问题：水工程-环境-生态互馈机制。水工程的运行会导致生境要素与生物群落的敏感响应，水工程-水环境-水生态之间表现为强非线性动态互作过程。现有研究注重探索水工程对环境生态的局部影响，对多要素多物种复杂系统的互馈机制揭示不足，系统解析物理-化学-生物过程的级联传递机制，揭示水工程-环境-生态互馈机制，是实现水工程与环境生态协同调控的关键科学问题。

关键技术：环境-生态对水工程的协同响应评估技术。传统监测手段难以捕捉工程驱动下水文-水环境-水生态的多要素协同响应，制约了工程群多尺度累积生态效应的评估与归因。研发环境-生态对水工程的协同响应评估技术，构建“天-空-地-水”一体化监测与多源数据融合体系，发展融合大数据分析、人工智能与数字孪生的量化归因方法，建立机理与数据驱动的多尺度累积效应评估模型与技术，是亟须解决的关键技术。

研究内容：①水工程与环境生态互馈机制，系统阐释水工程驱动的水文-水动力变异规律和复杂多相流微观物理化学反应特征，识别关键环境要素调控路径；揭示物理-化学-生物过程的级联传递及其对生态系统结构与功能演变的驱动效应；解析多工程时空叠加与累积放大特征，阐明其对生境要素-生物种群-生态系统的非线性影响机制，揭示累积性生态风险的触发与互馈规律。②水工程环境-生态协同效应与量化评估，解析水工程运行引发的多尺度环境变化与生态演变间的非线性响应及累积效应；识别系统退化的生境因子临界阈值和指示性物种，构建水文-水质-生物完整性多维量化体系；揭示调度-生态响应关系，精准量化工程生态贡献，推进生态服务价值化评估。③水工程及工程群生态权衡与调度理论方法，系统解析防洪、供水、发电与生态安全等多目标竞争-协同关系与权衡机理；明确不同调度情景下的生态损益边界，推进生态适应性调度理论创新；融合大数据与人工智能算法，建立水生态安全智能预警与多目标协同调度决策系统，实现工程综合效益与生态可持续的统一。④水工程生境保护与修复及适应性管理，构建水动力-水质-生境耦合模型，模拟工程影响下生境变化与生态响应；建立调度-生境定量关系，发展多目标协同调度模型，形成适宜性生境修复方案；突破生态流量调控、鱼类通道恢复、水生植被修复等关键技术，构建监测-模拟-预警-调度-评估一体化管理体系。⑤水工程生态环境补偿机制，完善生态补偿核算体系，推动生态价值量化，创新水权交易、绿色债券等市场化工具体系；构建多目标动态补偿机制，研究水质-水量-水生态联合调控阈值，建立补偿标准动态调整机制；健全政策体系，促进补偿政策与流域空间管控的协同融合。

11.3.5生态水利工程规划设计与建造

关键科学问题：生态水利工程学及设计理论。实现重大水利工程建设运维与生态环境保护协同是生态水利工程学与设计理论的关键。传统研究往往侧重水利工程的发电效益、防洪效益与航运效益，难以解决传统水利与生态保护间的矛盾，如何通过深化生态水利工程学研究，构建工程效能与生态健康协同的量化设计理论与方法，以支撑水利工程的科学规划、精准设计与绿色建造，是亟须解决的关键科学问题。

关键技术：生态水工材料研制与生态水工程建造技术。传统水工材料与建造技术在生态相容性与保护效果方面存在明显不足，难以满足日益提升的生态保护要求，研发生态水工材料与生态水工程建造技术，系统量化生物生境需求、重构自然繁衍条件、实施水动力学调控与水环境改善，并优化工程结构与施工工艺，以突破栖息地营造、洄游通道恢复及泄洪生态安全等关键技术瓶颈，是亟须解决的关键技术。

研究内容：①鱼道及高坝过鱼设施，耦合生态行为学与水力学方法，优选过鱼设施进口位置和枢纽布置方式，形成适宜鱼类坝下集群和持续上溯的流态；发展鱼道水力学和集诱鱼流态营造方法；创新技术型鱼道、仿自然通道和高坝集运鱼设施，恢复流域鱼类洄游通道并保障生境连通性。②生境异位替代与重构修复，采用生态水力学法，通过疏浚、导堤和潜坝等措施修复破碎化生境，维持水生生态生存繁衍的适宜条件，统筹干支流实施生境替代与重构；提出减水河段生态流量计算方法，保障鱼类“三场一通道”；控制河床形态与冲淤过程，进行微生境营造，维护栖息地格局稳定和生源要素持续输运。③水库下泄水温错配与泄洪溶解气体过饱和减缓技术，融合热力学与多相流方法，阐明高寒高海拔地区水温冰情过程的生态效应；在叠梁门和多层帷幕基础上，发展高效水库低温水减缓工程措施；阐明泄洪导致的水体总溶解气体过饱和生消机制，提出生态友好型泄洪方式和促进过饱和释放装置。④水域退化生境修复，改善湖、库、湿地等水体循环与水动力学条件，结合物理生境修复与水生态系统重构等手段防控水体富营养化，提出水环境质量长效维持措施；研发人工鱼巢、生态护岸和人工湿地新技术；修复河岸带和消落带退化生境，保障河口、湿地两栖爬行类和鸟类栖息地生态安全。

11.3.6流域及河流全物质通量理论与调控

关键科学问题：流域及河流全物质互作机理及生态环境效应。流域及河流水沙介质中各类物质的相互作用及其通量效应是地球物质能量循环和维持流域生态系统健康的关键。传统研究开展了水、沙、营养物质、污染物等单一或几种物质相互作用及其生态效应的研究，但缺乏对全物质互作机理及其通量效应的研究。因此，亟须开展流域及河流全物质互作机理及生态环境效应研究，为流域生态保护提供支撑，也是亟须解决的关键科学问题。

关键技术：流域及河流全物质通量智慧监测模拟与调控技术。全物质通量智慧监测模拟与调控是实现百年尺度物质通量趋势预测和精准调控的关键。传统的监测模拟与调控技术存在全链条、多要素和跨尺度不足的问题，亟须构建“天-空-地”一体化全链条监测与检测体系，融合遥感、AI与先进检测技术，全面追踪水沙及其负载物质，研发水-沙-物质耦合动力学模型，突破多要素跨尺度协同模拟与调控瓶颈。

研究内容：①全物质通量监测与检测方法，遵循时空匹配原则，构建“天-空-地”一体化流域及河流全物质通量监测平台；建立涵盖水沙及其负载的非生物（碳、氮、磷、金属、有机污染物等）和生物等多要素的监测方法体系；融合多源遥感、无人机与在线分析技术，形成高质量、标准化的流域全物质通量监测与检测方法体系。②多物质互作机理及环境生态效应，围绕气候变化与人类活动影响，研究流域及河流水沙-生源物质-污染物-生物等多要素相互作用；构建“天-空-地”一体化监测体系，解析非生物和生物物质通量时空演变规律与驱动机制，揭示其生态环境效应；发展全物质通量理论，为流域生态健康与水利工程协同提供新方法。③全物质通量演变过程及模拟，基于多物质相互作用机理，研发流域及河流水沙-生源物质-污染物-水生生物产输动力学模型；结合AI大模型和流域全物质通量变化机理模型，实现百年尺度水沙及其负载物质通量的精准模拟。④全物质通量适应性调控，构建智慧决策支持系统，识别维持流域生态健康的物质通量临界阈值；基于全物质通量理论，提出引调水工程与水库群影响下的流域物质通量适应性调控策略；建立流域全物质通量模拟与适应性调控的新理论、新认识、新方法。