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瞄准学科前沿和国家需求不断前进——水资源与环境研究成果

  水安全保障是人类社会生存和发展的重要基础。我国人均水资源量只有世界平均水平的30%,在水量结构、水质以及防治水害方面存在着一系列亟待解决的突出问题:水资源时空分布不均,配置不尽合理,地区性、季节性水资源供需矛盾日趋严重;极端性洪水、乾旱事件日趋频繁;部分地区水污染及生态恶化趋势还没得到有效遏制,水质性缺水状况加剧,生态恢复与生态建设的力度不够;水资源利用效率总体仍较低,建设节水型社会的制度和机制尚待健全;洪、涝、旱、咸、风灾害频繁,防灾减灾能力亟待加强;城乡和区域水利发展不平衡,水资源管理体制和机制尚不能完全适应水资源可持续利用的需要。同时,全球气候变化、经济快速发展、城市化进程加快和人口增加等对水安全保障也提出了新的要求。因此,采取有效措施进一步促进水资源的可持续利用是当前及未来相当长一个时期内我国面临的一项重要而紧迫的任务。

  中山大学水资源与环境(系)研究中心正是在继承原水资源与环境专业的基础上,因应这一水资源形势而发展的。

  一、发展历史(2002年水资源与环境系、研究中心成立之前)

  中山大学最早于1972年设立水文学专业,其发展始终紧跟学科发展前沿和不同阶段经济社会发展需求。本专业于1985年更名为水资源与环境专业,1993年专业又调整为资源环境与城乡规划管理(水资源与环境方向),并对课程设置进行相应调整,加强了水环境的教学研究。至2004年增设水文水资源工程本科生专业后,本系承办有理、工各一个本科生专业,初步形成了具有较强竞争力的华南地区主要的水文水资源教学科研力量。

  实际上,早在1935年,中山大学吴尚时先生就翻译并出版了法国M.巴台尔的著作《森林与河流》和《江河之水文》(1904),成为我国较早的有关水文地理的译著。若干年后,中山大学搬到了粤北坪石,吴尚时、何大章、罗来兴等人编写了《浈武二河之水文》、《曲江潦患与预防》、《粤北之水力》等多篇文章,为当时的学术界所关注。

  1949年中华人民共和国成立之后,于1952年进行了院系大调整。中山大学地理系成立了自然地理专业,它与北京大学、南京大学一起,首次开设了水文课程。1957年水文课的教师参加了“珠江流域综合调查”,深入广东北江血吸虫低洼地区,历近三个月的勘察访问,最终由沈灿燊、潘树荣、邓国敢等写出了《广东江门专区低塱调查报告》等,并参加1959年在北京召开的我国首届地理学学术会议,得到与会代表及竺可桢先生的好评。1958年,在成立水文教学小组之后,更多次参加由广东省水利厅、广州地理研究所等单位组织的考察工作,写出报告及论文多篇,其中《白藤堵海后珠江三角洲河道水文变化报告》被认为是一篇很有价值的文献,并被水利厅所收藏。

  1972年之后,地理学开办了水文专业及后演化为水资源与环境专业,教师不断增加,研究领域不断扩大,手段不断更新,研究成果也更为硕大丰厚。本节就2002年水资源与环境研究中心成立之前的主要研究成果简要归纳如下。

  1.台风暴潮研究

  台风暴潮是我国最具破坏力的海洋灾害。1960年代初,水文教学小组的教师结合学生的毕业论文,以台风暴潮为选题进行野外调查和资料收集。1964年沈灿燊、卢如秀合写的《不同类型台风侵袭珠江三角洲河口引起暴潮增水规律的分析》成为我国最早研究台风暴潮的文章之一。1970年代后,水文专业成立,随着举办专业培训班之风,沈灿燊、甘雨鸣等更是进入了这个近海领域的系统性研究。水文专业先后三次和省水文总站、海军舰队观测台等合办“台风暴潮预报训练班”,并在细致分析大量台站观测资料的同时,多次深入粤、桂、琼各省沿海调查,结合海洋局“华南台风暴潮研究”重点课题,用海洋学、陆地水文学、气象学和自然地理学等学科有关理论,先后发表了系列性论文10多篇。例如《用长浪方法辅助华南台风暴潮预报的展望》和《台风暴潮过程预报的一种模式的探讨》等,被学术界认为是我国较早提出用长浪理论作预报和较早提出过程预报方法者。特别是后文,它用陆地水文学加里宁洪水波理论,结合南海浅海区海岸特点,以海区台风六级大风边界代替河槽界,最终导出了可作过程预报的增水方程。当时的国家科委海洋处认为该文思路新颖,有较高学术价值,除了在国内刊物连载外,更于1984年以英文全文发表在Collected Oceanic Work刊物上,介绍往国外。往后,甘雨鸣、沈灿燊连续发表了《珠江河口风暴潮12小时预报方法》、《用水文气象要素作36小时台潮预报》等论文,形成了有系列的台风暴潮研究成果,先后三次获得国家和省科技奬。进入1980年代,卢如秀、叶锦昭等将珠江河口30年来台风暴潮发生规律作了总结,并写成《珠江河口台风暴潮规律》一文发表。1985年,由甘雨鸣主持了国家“七五”攻关课题“粤西海域和珠江口台风暴潮数值预报产品研究”,并在此基础上发表了一系列与台风风场、岸滩强迫增水效应有关的论文,甘雨鸣、刘美南还发表了《珠江河口风暴潮数值预报产品研究》等论文,有关成果于1992年获得了中国科学院科技进步三等奬等多次奬励。1990年代,这类研究多已进入灾害学的研究领域,并在岸线规划及海洋产业发展规划方面获得累累成果,成为近岸海洋学研究的新方向。

  2.降雨对地表的作用研究

  这方面的研究主要集中在两个方面,即降雨径流形成理论的研究及降雨对地表冲刷而形成的水土流失问题研究。

  (1)降雨径流形成理论,即降雨产流研究在水文学科学,特别是水文预报中占有重要地位。一般认为,产流有蓄满产流和超渗产流两种模式,其中前者以华东水利学院的产流模型为代表,后者则以南京水文所提出的模式为代表。1970年代,本校水文专业成立之后,沈灿燊等多次参加了广西洪水预报训练班,在具体的教学研究中发现,下垫面情况与产流模式有着密切的关系,其中石灰岩地区更属典型,絶不能纳入已有的任一模型。几经研究,沈灿燊在美国威斯康星召开的中美地理学学术讨论会上发表了《中国南方湿润地区非霍尔顿产流模式》(英文)一文,引起争论并被认可而发表在The Environment刊物上。往后,结合国家有关重点科研课题,沈灿燊先后与同事发表了10余篇系列性的文章,例如《Horton产流理论在华南地区的适应性》、《喀斯特地区降雨径流三个模型》、《地理环境对水资源系统效应的研究》等,其中后文被教育部指定为部属高等学校1986-2000年基础研究规划地理学科重要领域专题报告。由不同的地理景观形成不同的产流模型,或者说由特殊下垫面形成特殊产流方式这一思路,大大丰富了产流理论内容。

  (2)降雨对地面形成冲刷作用,从而导致的水土流失,自1960年代以来,在广东就变得日趋严重。1990年,沈灿燊、温琰茂、刘美南、陈俊合等先后接受了广东省的两项这方面工作任务,经过前后四年的调查研究,最终编写出了40万字的《广东省水土保持工作调查总结》,不仅就水土流失形成的原因、分布、类型等作了描述,还针对治理措施、社会经济情况、森林效应等作了详细的分区。这一成果获得了较高评价,被认为是我国第一部这方面的总结。随后,上述教师相继发表了一系列的文章。沈灿燊与林健枝(现香港中文大学教授)的《广东水土流失类型和整治措施》更将以往的简单分类形态扩展为包括有自然条件、土壤性质、形成地貌和流失量等级诸因素多指标的分类,从而扩展了它的实用性,也为不同植物覆盖下的水土流失量的数学模型的建立与运行打下了基础。1995年广东省政府就此授予沈灿燊“广东省水土保持工作先进个人一等奬”。

  3.水文水资源研究

  水文水资源研究是水体研究的主要内容之一,也是本专业参加人数最多的研究内容,从而产生十分丰富的研究系列成果。早在1983年,本专业承担了“长湖水电厂所在流域的水文规律研究”课题,在长湖水电厂的大力支持下,先后由陈俊合、钟恩清、刘美南、吕幼治、曾鸿能等一批教师,历经三年对五个子课题进行了全面系统的研究,最终由于它在此领域中成果的科学性与实用性而获得了1986年度广东省科技进步三等奬。洪水预报一直是防洪决策的重要手段,也是长期摆在水科学工作者面前的难点,陈晓宏提出了一套利用自适应滤波技术进行洪水实时预报的方法,并建立了相应的预报系统,1999年在福建龙岩市矶头水库安装得到成功应用,为该水库入库洪水预报和水库调度提供了科学手段。

  水资源及其开发利用可持续发展的定义被提出后,本专业研究对象便逐渐转向了区域水文水资源方面。其中陈俊合及其同事多向城市水资源的研究发展,在1990年纪汉阳、张虎等“广州市水资源开发与管理”的研究基础上,1995年接受省政府有关部门的资助,先后对阳江市、广州市的水资源进行了分析与评价工作;还有如1994年沈灿燊《广州市区供需水量研究》,1996年沈灿燊、季冰《香港水资源特征和供需水量平衡研究》等,都是针对城市的地理位置、供水来源、产业特点、经济发展程度、需水量等现状加以分析,找出导致区域水资源供需量不平衡的原因,提出节约用水、用市场经济手段和政策手段防止滥用水和污染水源的措施。

  沈灿燊等还开展了流域水资源研究,多集中于珠江三角洲、东江、香港地区等水资源利用研究上,1993年发表的《粤北喀斯特山区水资源特性和开发利用》就是其中之典型者。刘尚仁则更多地注意到地下水资源的开发利用,“广州市江村水源地的岩溶水资源研究”论文根据该水源地近20年的开采记録作了开采量的新判断,而“广东新会市的地质地貌与地下水”则提出了在三角洲和滨海平原中确定地下咸淡水界线的方法。教师们在研究中详细阐述了区域水文的要求与干扰,同时还注意到水资源开发过程中灾害的影响问题。其中,甘雨鸣、陈俊合、曾鸿能、陈晓宏等多位教师合作完成“西枝江流域河库调度及洪灾预测”是1990年代初期一个最具特色的社会委托项目研究结果,它不仅在研究方法上对江河洪水的随机和确定性之间进行了组合,而且在灾害损失评估中有所创新。

  实际上,随着社会经济的快速发展及城市化的扩大,加之气候变化影响,针对各不同区域(包括城市)的地理特点、供水来源、经济发展及需水要求等情况找出水资源开发利用的矛盾焦点,用经济、工程技术和管理等手段防止滥用水和污染水,提出合理的规划方案供有关部门决策,已成为本专业此项研究系列长盛不衰的课题。

  4.水库水环境研究

  我国水库众多,水库的建立无疑为人类开发利用水资源提供了一个重要途径。然而,不可否认,水库的兴建除了改变了库区的生态条件外,人类活动本身也造成了水体的污染并影响着水库功能的正常运作。1992-2000年间,陈晓宏在国家自然科学基金、水利水电科学基金、中山大学前沿基金等多项基金支持下,展开了水库水环境的研究,并提出了水库水温空间分布的模式识别及模拟模型、水体环流模拟的k-?模式、界面环境交换的信息熵模式、水库重金属迁移三维模型等,发表了20篇论文,取得了经专家鉴定为总体国际先进的重要成果,有关理论应用于贵阳市饮用水源水库阿哈水库水环境研究,成果获得1999年国家环保总局(部级)科技进步二等奬。

  此外,本专业还在工程水环境影响评价和水环境规划方面开展了一些工作。1978年后到1999年,我专业承担这两方面的科研课题20余项。如历时7年(1979-1987年),由卢如秀、叶锦昭、刘美南、陈俊合、甘雨鸣负责,全专业10多位教师及部分学生参加的“大亚湾核电站工程选址水文方面的调查评价”项目,进行了大量的海湾水文观测和调查,写出了详细的报告,为核电站选址和工程施工提供了极有价值的水文依据。1981年由卢如秀、叶锦昭负责,刘美南、林英杰等参加的“斗门县礌蛛区快速围垦”项目,成果被当时斗门县采用,得到满意效果。1991年由刘美南、叶锦昭负责的“汕尾市海岸线规划研究”被省科委评为广东省重大科研成果。叶锦昭、陈晓宏等负责的交通部“九五”攻关项目子题“珠江三角洲主要水道分水分沙规律研究”提出了珠江三角洲网河区河道采砂对水文特征变异的影响,为后续开展人类活动的水文水资源响应提供了扎实基础。

  本专业在水力学、河流泥沙等方面也提出了一些研究成果。黄进通过研究沙波运动的输移规律,探讨推移质与水动力的关系,提出了河流推移质变化的沙波分析方法;陈晓宏通过参加国家863项目子题,建立了珠江河口三维悬移质迁移模型;黄克中、江涛等建立了一种解决河流污染带计算的环境水力学的随机研究方法,并与钟恩清一道研究了冲积平原河流航道整治工程前后的河相关系;吕幼治等研究了天然河道水面线计算问题。这些研究成果大多应用于广东省生产建设实际中。

  建立水文专业至成立水资源与环境系的30年间,中山大学水科学研究从兴起到建立,在全体教师的努力下,在前进中开拓了新的领域,提出了新的观点,开发了新的成果。20多本专著,数百篇研究论文,正是本专业不断发展的真实写照。

  二、发展现状(2002年水资源与环境系、研究中心成立以来)

  伴随我国尤其是本校所在的珠江三角洲地区经济社会持续高速发展,水资源水环境生态问题日益突出。剧烈人类活动和气候变化影响,导致水资源特征与水资源利用均发生趋势性变异,即使在水量充沛的南方也不得不面对严峻的水资源问题。在这种背景下,2002年学校在地理科学与规划学院成立水资源与环境系;同年,学校还成立了中山大学水资源与环境研究中心;2007年,学校与珠江水利委员会合作并签署协议,成立中山大学—珠江水利委员会水资源与环境研究院,挂牌于水资源与环境研究中心。

  (一)教学

  目前,水资源与环境(系)研究中心有教师16人、专职科研人员5人、秘书1人。教师中有教授6人、副教授4人、讲师6人,博士学位13人。招收2个本科专业:水文水资源工程、资源环境与城乡规划管理(城市水资源方向),每年本科生招生约80人,在校本科生人数约300人。同时,本系主持水文学及水资源硕士点、水利工程硕士点、海洋海岸地理学硕士点、海洋海岸地理学博士点,合作主持自然地理学博士点,每年招收硕士研究生约11名(2009年招生51名,其中水利工程硕士生20名)、博士研究生约7名。本系一、二年级本科生依托珠海滨海径流试验场,具有良好的野外试验条件。该试验场是以雨水、地表水、土壤水、地下水、海水的水分相互转化与物质迁移为理论框架,设立相关的试验观测设施,是我国华南地区高强度人类活动作用下的陆地水循环的教学、科研试验基地。它不仅为我系教学试验提供了独特的条件,也为我系教师和研究生科学研究提供了理想场所,带动地理学、水文水资源学科基础研究的发展,服务于教学与生产实践,服务于华南地区的经济、生态环境建设及可持续发展。

  近些年,本系培养的研究生由于在校期间大量参与科研项目而得到极强的专业工作能力锻炼,成为一些水利设计、研究院所重点关注招聘的对象,毕业生大多成为所在单位的核心骨干。本科毕业生也因为具有良好的数学和专业基础、适应性强而基本100%当年就业,尤其是本专业本科生不少考取环境科学、计算机、经济管理、人文地理、社会学等差异性极大的专业研究生,表明本专业学生基础扎实、知识面宽广;近些年考取中国科学院地理所、清华大学、武汉大学、河海大学、中国水利科学研究院的研究生数量不断增加,专业交流不断加强,进一步扩大了中山大学在水科学领域的影响。

  (二)科研

  中山大学(水资源与环境研究中心)拥有2个国家甲级证书:水文水资源调查评价甲级证书、建设项目水资源论证甲级证书。近6年来,本中心(系)一方面积极为广东省地方经济社会可持续发展的水资源保障服务,另一方面积极承担国家水相关研究课题。科研项目和科研经费在这一阶段都呈现出跳跃式发展,近几年本研究中心每一年的科研经费都超过本专业设立至研究中心成立30年的经费总和;科研成果和学术影响也同步积累,本专业已成为我国华南地区水资源研究的重要力量并在国内具有较大影响。

  2002年以来本研究中心跟踪国际水科学前沿和热点问题,紧紧围遶国家和地方需求,在开展理论研究的同时,理论用于实际,积极为地方经济社会可持续发展服务,完成近百项科研项目。在剧烈人类活动和气候变化影响下的水文水资源特征变异方面开展了深入系统的研究;在水资源配置、分水方案、水资源综合规划、水资源保护、河口与近岸水文、水文预报、地下水以及水环境生态修复等方面取得了丰富成果。

  1.水资源分配与综合规划

  近期完成的代表性项目(项目负责人:陈晓宏,主要参加人员有:江涛、刘丙军、吕幼治、涂新军、刘祖发、林凯荣、于海霞、陶贞、黎坤、黄凡、刘德地及研究生20余人)简介如下。

  (1)主持完成了广东省发改委和水利厅重点项目“广东省水资源综合规划”,总经费2438万元,是迄今广东省最全面深入的水领域综合规划研究项目,也是全国唯一由高校主持的省级水资源综合规划,共设12个规划专题和6个研究专题,全面调查认识了广东省水资源及其开发利用状况,提出了水资源需求、开发、利用、节约、保护、配置、治理、管理的近、中、远期方案,经省发改委组织全国专家评审认为,该规划不仅提出广东省一系列水资源重大战略布局,而且在水资源配置理论上有较大创新,是全国同类最好的成果之一,规划水平实现了“广东水平、全国一流”的目标。其中开发的“南方湿润地区高强度用水下的水资源优化配置系统(SWROD)V1.0”取得国家版权局计算机软件著作权登记证书(登记号2009SR018977)。

  (2)主持完成的“广东省东江流域水资源分配方案”是我国南方第一个水权分配方案,已由广东省政府批准幷发布实施(粤府办〔2008〕50号),该方案首次提出了水量水质捆绑分配的流域分水方案,已作为国家水资源分配在南方的示范。此后本研究中心又于2008年主持完成“广东省鉴江流域水资源分配方案”,首次提出了不完全分水区域(流域不是分水区的唯一水源)水资源分配的一整套分水方法,并提出河道外可分配水量的计算方法。

  (3)广东省发改委项目“广东省可持续发展水资源战略研究”是我省首次完成的最高层次的战略性的水资源利用研究,首次在广东省全面提出了从流域层面管理协调水资源规划、开发、利用、保护、节约、配置并优化供水水源布局的近期和长远战略。

  (4)2003年主持完成的“珠海市水务现代化规划”提出了城市水务管理的四大体系,是我国第一个体系完整的城市水务现代化规划,经多名院士及专家组成的专家组鉴定认为该成果总体上达到国际先进水平,并获2005年度广东省科技进步3等奬。

  (5)由广东省发改委和水利厅主持,本中心(系)完成的“广东省水资源综合利用‘十一五’规划”是广东省“十一五”行业重点规划,是广东省“十一五”期间水资源综合利用(水利发展)的纲领性文件(粤府办〔2007〕98号)。

  (6)在广东省发改委的主持下,本中心(系)与广东省水利厅和省委政策研究室联合开展“广东省水资源管理”研究,提出了广东省水资源管理体制改革等重要方案和措施,并共同为省政府起草“广东省人民政府关于统筹全省水资源保护及开发利用问题的若干意见”的文件(粤府〔2008〕13号)。

  (7)主持珠海市、中山市流域规划修编、参与广东省流域规划修编。陈晓宏、陈志和正在主持并基本完成中山市和珠海市的江河流域规划修编项目,根据两个市河流的水资源条件、水资源承载能力和水环境承载能力,按照人水和谐、促进流域经济社会可持续发展的要求,合理确定流域防洪、水资源利用和保护、节水、灌溉、水能开发、河流生态、水土保持、航运等规划目标和方案,包括如下规划内容:水文分析计算和水资源供需分析与评价、总体规划、防洪规划、内河涌综合治理规划、治涝规划、灌溉规划、供水规划、水资源保护规划、水土保持规划、水生态与环境修复、河道整治规划、航运及滩涂开发规划、管理规划、环境影响评价以及实施效果评价等。同时,陈晓宏、刘丙军正在主持广东省流域规划修编中的水资源配置和水环境容量计算等核心内容。

  (8)“珠江三角洲地区水利现代化规划”(陈晓宏主持,江涛、刘丙军、吕幼治、涂新军、刘祖发、林凯荣、于海霞、黎坤、黄凡以及广东省水电设计院规划分院参加)是继本中心完成“广东省水资源综合规划”之后的又一个大型里程碑式的规划,目前正在进行中。通过该规划将提出珠江三角洲地区区域一体化的水利现代化理念、模式、发展方向和具体方案。

  此外,本中心近几年由陈晓宏、涂新军、刘丙军等主持,还完成了佛山市、珠海市、潮州市、汕头市(部分)水资源综合规划,其中刘丙军、刘德地、陈晓宏主持完成了广东全省8大片区以及佛山市、珠海市、潮州市、汕头市的水资源优化配置、广东省东江流域枯水期水量调度等重要项目,发表了南方湿润区水资源优化配置理论和方法的系列论文,即将在科学出版社出版《湿润区变化环境下的水资源优化配置——理论方法与东江流域应用实践》,形成了我国南方湿润区独具特色的水资源配置的模式和体系。刘丙军还先后参加完成了国家重点973项目“长江流域水沙产输及其与环境变化耦合机理研究”专题之“长江流域水沙资源优化配置模型”、“十五”国家重大科技攻关项目“海河流域洪水资源安全利用关键技术研究”专题之“海河流域洪水资源化潜力研究”、国家自然科学基金“西北乾旱区盐碱地改良排水多准则优化设计模型”、“南水北调中线引江济汉工程规模优选研究”(湖北省科技进步三等奬)、广东省自然科学基金博士启动基金“广东省作物需水尺度特征研究”等项目,近年并获得国家自然科学基金青年基金资助。

  在水资源调配方面,陈洋波还提出了以隐随机优化方法为支撑的水库优化调度的理论和方法,发表了一系列的研究论文,出版了专著《水库优化调度:理论、方法与应用》,完成了“深圳市水资源承载能力及其对社会、经济、人口的影响”、“惠州市水资源优化配置”、“白盆珠水库功能调整与西枝江水资源合理配置”、“深圳市生态需水方法研究”等科技项目,取得了一批研究成果。

  2.剧烈人类活动和气候变化的水文水资源响应

  这是本研究中心的一个具有长期积累的重点研究课题。自1996年陈晓宏开展珠江三角洲网河区水位特征时间变异性研究以来(主持完成两项国家自然科学基金项目“洪水时空变异性的模式识别及熵理论”、“华南地区枯水径流特征时空变异性研究”),本研究中心已发表了相关研究论文100余篇。目前,本中心正在主持国家自然科学基金重点项目“珠江三角洲地区水文因素变异及其水资源响应量化研究”(50879005,主持:陈晓宏,参加者:陈子燊、刘丙军、江涛、林凯荣,本校海洋学院任杰以及武汉大学谢平、梅亚东等),将针对当前气候变化和人类活动影响的水资源响应提出一系列创新性成果。主要研究内容包括:

  1)珠江三角洲水文要素变异性测度、识别与特征量重构

  研究水文要素时空变异性的内涵,提出水文要素变异的(时间、空间和特征)尺度理论,建立水文要素时间变异性时间序列分析模式、空间变异性区间化变量分析模式,提出水文要素变异性(时间、空间)识别的复杂性模型,进行水文要素变异后的水文特征量(极值、频率/重现期/保证率等)重构。

  2)珠江三角洲水文要素变异的驱动因素贡献分解

  研究气候变化和人类活动共同作用下的珠江三角洲网河区水文要素变异机理,分离出气候变化对水文要素变异的驱动作用和贡献,揭示水文要素变异的下垫面驱动因素,建立不同类型下垫面变化产生的水文要素变异驱动模拟模型,识别分解水文要素变异驱动因素,识别其主次影响因素。

  3)珠江三角洲气候变化与人类活动双重影响下的水资源供需系统响应

  提出珠江三角洲湿润区气候变化和快速城市化过程中的水资源供需变异响应关系,揭示该湿润区域水量水质交互作用及水质型缺水的机理;建立水资源供需变异下的水资源配置模型;提出水资源供需变异的水资源脆弱性的评价方法。

  4)珠江三角洲河口区水文要素变异下的咸潮入侵规律

  研究珠江三角洲河口区径潮流特征变异规律,揭示珠江三角洲河口区剧烈人类活动下的咸潮入侵机理,给出珠江三角洲河口区咸潮入侵对水资源综合利用的影响结论。

  在人类活动和气候变化的水资源响应方面,本研究中心多名教师开展了系统研究。陈建耀近些年除从事城市水资源、地下水、环境水文、水文过程与机理的研究外,在气候变化及人类活动影响下的水资源响应研究方面完成了创新性成果,包括主持了APN (Asia Pacific Network for global change research) 项目“亚洲地区全球水系统项目热点——超大型城市&大坝”、中山大学百人计划项目“华南城市化的地下水环境效应研究”、中日合作项目“黄河下游水资源利用变化研究”、教育部留学回国基金“垃圾填埋场的地下水流系统与物质迁移”、国家自然科学基金项目“热带亚热带地区城市化的水环境效应研究-以珠海市为例”等。

  张强通过主持“长江中游地区河床演变与洪水互动影响研究”、“长江中游矶头、卡口对河道演变与洪水下泄的影响”、“历史洪水事件演化与气候变化关系分析”、“历史时期长江中下游平原旱涝序列时空格局与风险评价”等国家自然科学基金项目、中科院知识创新工程项目以及主持中科院重大方向性项目子课题“三峡工程对长江中下游水文过程以及湿地生态系统影响研究”等科研课题,在流域水文水资源与流域管理、流域旱涝灾害及可能机理、水文统计与模拟以及大尺度水汽循环对区域水资源影响等方面提出了创新成果。尤其在气候变化和人类活动对水文水资源特征的影响方面形成了系统的理论研究体系。最近张强主持中山大学“百人计划”项目“中国南方河流蒸发时空变化及对全球气候变化的水文响应研究”,系统开展华南地区流域水循环演变特征及其对流域水资源影响的理论研究工作。近几年在Journal of Hydrology上发表第一作者论文6篇,在Water Resources Research上发表通讯作者论文1篇,SCI第一作者论文28篇。2008年在Journal of Hydrology上发表的“Spatial and temporal variability of precipitation maxima during 1960-2005 in the Yangtze River basin and possible association with large-scale circulation” 学术论文成为当年该杂志最受关注的25篇论文之一(排名第2)。

  江涛等通过选取东江流域内人类活动影响很小的低人口密度乡村区进行长时间序列水文特征变化研究,揭示了气候变化的影响,主要成果发表在2007年Journal of Hydrology 上:“Comparison of hydrological impacts of climate change simulated by six hydrological models in the Dongjiang Basin”,该论文成为当年该杂志最受关注的25篇论文之一(排名13)。

  涂新军等提出了水文时间序列变异点及其变异特征的识别方法,幷发表了相关研究论文10余篇。

  3.水资源保护和水生态研究

  近些年本中心针对珠江三角洲地区人类活动加强,水污染加剧,水质性缺水日益突出等问题,为一些地级市政府主持完成了大量的水资源保护与水生态修复课题。如“珠海市河流健康整治规划”、“广州市水资源环保规划”、“广州市洪奇沥水道污染控制方案研究”、“广州市蕉门水道污染控制方案研究”、“佛山市水污染源调查”、“佛山市水质模拟系统”、“佛山市面污染源调查”、“佛山市水源地污染风险应急对策”、“佛山市饮用水源地污染源调查”(以上由陈晓宏主持),“广州市入海排污口调查及海域功能区划”、“珠海市水功能区划”、“佛山市饮用水源地保护规划”、“佛山市北江水系饮用水源保护区划调整可行性研究”、“佛山市汾江河水污染控制仿真模拟”(此5项由江涛主持),“佛山市西江水系饮用水源保护区划调整可行性研究”(于海霞主持),“广州市中心镇(石滩镇)生态保护与污染物控制方案”(黄凡主持)。等等。

  陈晓宏主持并已基本完成国家支撑计划项目子题“维持河口生态环境健康的洪水流量阈值计算技术研究”、国家“十五”科技攻关计划项目子题“水污染控制技术研究”以及广州市白云区水利局项目“广州市石井河水生生态修复研究”(陶贞共同主持),在河涌生态修复和河流水污染控制指标体系及对策方面提出了创新性成果。

  本研究中心在水环境生态方面的研究内容十分广泛。刘祖发长期从事水处理工程、水处理微生物学、地下水资源与环境、以及有机岩石学方面的研究,近5年来完成相关科研项目25项、发表论文11篇。陶贞参加了国家自然科学基金“湿热小流域特征水文过程生源物质侵蚀通量及性质研究”和“西江流域河流碳的通量及性质变异规律的研究”,主持广东省自然科学基金项目“用稳定碳同位素示踪鼎湖山森林生态系统的生态韵律”,现正主持国家自然科学基金项目“青藏高原高寒草甸土壤碳循环同位素示踪研究”,已发表相关论文12篇。于海霞主要开展了水资源与环境系统模拟与管理研究,近年来参与国家863项目、教育部基金项目及省级课题10余项,主持相关研究课题2项,已发表相关学术论文10余篇,并获发明专利1项。陈志和通过电镜与吸附实验,研究泥沙颗粒吸附污染物后污染物在泥沙颗粒表面上的分布特征,分析泥沙颗粒表面形貌特征及其与污染物吸附的影响,相关研究成果已在国内外重要期刊上发表10多篇论文,近年并获得国家自然科学基金青年基金资助。

  4.水文水资源信息系统

  近两年,陈晓宏主持,涂新军、江涛等具体负责完成了广东省东江流域水资源水量水质监控系统的“项目建议书”和“可行性研究报告”,这是我省第一个体系较完整的流域水资源监控系统,包括信息采集、传输网络、信息接收和处理、软硬件支撑平台和应用系统等,对9个流量断面、11个水质断面(其中9个与流量断面重合)、12个干流梯级、3大水库、19个重要取水口和10个主要入河排污口共55个监控点进行在线监控或巡测,建设“信息运行中心、水质监控中心、水量调度中心”等三大中心,建设“水量水质监控及预警系统、水量调度管理系统、水质监控管理系统和会商支持系统等”4大应用系统,通过这4个系统的运行,落实东江分水方案和流域水资源统一管理。

  近两年,陈晓宏还主持完成了“珠海市港口规划建设管理信息系统项目建议书”、“汾江河(佛山水道)环境管理信息系统建设项目建议书”等编制工作;并正在主持编制“广东省水资源管理系统项目建议书”。

  陈洋波综合运用水利专业模型、软件工程技术、数据库技术,以GIS/RS技术为平台进行水利信息系统开发,开发完成了流域洪水预报流溪河模型系统CYB.LMS,并获国家计算机软件著作权登记,登记号2008SR27060。

  5.河口水文与近岸地形动力过程

  陈子燊通过主持国家自然科学基金项目“近岸带长重力波运动和碎波带地形演变的耦合过程”、“极端波况下的前滨地形动力过程与海岸侵蚀机理”和省自然科学基金项目“广东岬间海湾滨面带波流联合输沙与沉积动力环境研究”,研究了近岸地形动力作用与大尺度海岸行为,包括:近岸风、浪、流、泥沙输运;近岸带波-波非线性相互作用、波高-周期联合分布、碎波带波流运动、海滩地形动力过程(时间、空间演变经验诊断分析)、大尺度海岸演变与稳定形态;珠江河口区水流运动、物质输运机理、咸水入侵分析与预报。同时,将研究理论成果应用于实际,近些年完成了沙质海岸环境修复与防护、潮汐分析与预报及其工程应用、珠江河口咸潮研究、珠江河口咸潮入侵机理与预报等项目,并把当前各类主要波浪与潮流泥沙数学模式应用于河口近岸潮波、物质迁移和盐水入侵模拟预报。

  陈晓宏主持完成了“珠江河口西四口门盐度预测研究”,采用一维模型对珠海市磨刀门水道饮用水源地的盐度及其超标天数进行了预测。

  6.降雨、径流预报

  陈洋波开展了新一代洪水预报方法及其相应的系统软件开发研究。针对广州多普勒雷达测雨,以流溪河流域为研究对象,开展了较深入的研究工作,系统提出了国产多普勒雷达数据质量控制及同化方法、多普勒雷达流域降雨定量估算及校正方法、多普勒雷达流域降雨定量预报方法,自主开发的多普勒雷达降雨估算系统CYB.Radar具有完全自主知识产权,获得了国家计算机软件著作权登记,登记号:2009SR20031。

  林凯荣先后参加国家防办“洪水预报调度系统”的设计与开发、“黄河流域水循环动力学机制与模拟”(国家973项目)研究、“汉江流域水资源动态监测和优化配置模型研究”(国家重大基础研究前期研究专项)研究、“汉江水循环及水资源可持续利用”(教育部科学技术研究重点项目)研究、“基于大气模式的洪水预报系统研制与应用研究”(国家自然科学基金)等课题;并正在主持水文模拟与预报不确定性驱动因素贡献分解与对策研究(国家自然科学青年基金项目)等。完成水库防洪信息网以及基于WEB的水库洪水预报调度系统的设计与开发,获2002年中国电力高科奬学金特等奬;参与研制的“丹江口水库调度决策自动化系统”获得2003年湖北省科技进步一等奬,排名第15。

  7.水资源论证

  本研究中心拥有国家建设项目水资源论证甲级证书,近些年按照水利部“建设项目水资源论证导则”,发挥本中心水动力水环境数学模型及计算能力强、资料积累丰富的优势,在珠江三角洲地区开展了大量的取水水资源论证项目,特别是完成了难度很大的地下水取水论证。这些项目包括(除注明外,均为陈晓宏主持):东莞市第六水厂水资源论证、中山市新涌口水厂扩建工程水资源论证、百威啤酒(佛山)有限公司地下取水水资源论证(林凯荣主持)、高明区供水总公司合水水厂扩建工程水资源论证、佛山市南海区西樵镇官山自来水公司水资源论证(黎坤主持)、广州市新洲环保工业园水厂扩建工程水资源论证(林凯荣主持)、广州明旺地下水取水水资源论证(林凯荣主持)、高明区高棉发展公司高棉水厂扩建工程水资源论证、中山市南镇水厂应急抗咸取水工程水资源论证。等等。为地方供水保障建设做出了贡献。

  在完成大量广东省科研和生产项目的同时,本中心(系)积极承担国家研究项目。近6年来,本中心主持国家自然科学基金面上项目5项、青年基金项目3项、重点项目1项;承担国家支撑项目子题、中国科学院院士谘询项目、水利部公益性行业科研专项等科研项目多项。在气候变化与人类活动影响下的水文水资源效应、水文特征变异、南方湿润区水资源优化配置和区域水资源可持续利用、河口及近岸潮波运动与物质输运机理、水文模拟与洪水预报系统、水资源与水生态环境保护等领域积累了丰富的研究成果,形成了华南独具特色的水资源与水环境研究理论方法和应用体系。为广东省经济社会可持续发展的水安全保障做出了突出贡献。

  同时,上述这些标志性的成果显示本校水资源与环境学科在华南地区占有了重要地位,并跻身于国内少数主要水资源与环境教学科研团队之列。

  本中心(系)近些年承担的主要科研项目如附表。

  三、未来展望

  (一)人才培养

  本系将继续把本科生培养作为学科基础,把研究生培养作为提升学科水平的动力。通过教师引进、教材更新、强化理论与实际结合、课堂与试验实习结合、结合社会需求的启发式开放式教学方法改进等一系列教学改革,既强调素质教育也强调专才培养,努力办好资源环境与城乡区域规划管理(城市水资源方向)和水文水资源工程两个本科专业,进一步培养出满足社会需求的高素质人才。

  通过科研项目推动研究生凝练科学问题、深化理论创新的能力培养,把研究生纳入主体科研团队,紧紧围遶国家重大需求和国际热点研究问题,不断培育新的学科创新研究课题。继续办好水文学及水资源、海洋海岸地理学以及水利工程等三个硕士点,合作办好自然地理、海洋海岸地理学等博士点。使本学科培养的博士生、硕士生成为具有很强水科学问题把握的敏鋭力、交叉学科运用能力、理论创新能力、独立科研动手能力、解决实际问题能力的高层次专业型人才。

  (二)学科发展

  本系(研究中心)将继续坚持以科研项目、研究成果推动学科发展的方针,通过科研实力的增强和科研成果的积累,稳定发展并不断扩大本校水资源与环境学科在国内外的影响力。

  本研究中心已经通过承担国家和地方科研项目,在人类活动和气候变化的水文水资源响应等方面形成了较成体系的研究成果,为珠江流域和广东省地方水资源开发、利用、保护、节约、管理提出了大量决策参考依据和成果。此后,本研究中心将继续高举独具特色的华南湿润区水文水资源研究的旗帜,进一步围遶气候变化、人类活动的水文水资源效应等热点问题和学科前沿,围遶国家和广东省伴随经济社会快速发展的水资源需求,既强调理论创新,又强调服务地方建设。充分利用中山大学—珠江水利委员会水资源与环境研究院的合作研究平台和位于本校珠海校区的华南滨海径流试验场,开展水科学问题研究,重点是:

  (1)以江河流域内行政区域为单元的水资源优化配置和初始水权分配(目前已经完成“东江分水方案”、“鉴江分水方案”、“东江水资源水量水质监控系统可行性研究”等项目),将按照一定的准则和水平年,根据流域来水和流域内各行政区需水要求,完成流域内各个行政区的取水量和水资源保护责任分配。近期将以“东江水量分配”项目成果为基础,力争为广东省完成全部跨市界流域的水资源优化调配方案和水量分配工作,形成南方湿润区高强度用水条件下的水资源分配方法体系。

  (2)网河区、河口泥沙与污染物迁移、盐水入侵。针对近些年华南沿海地区出海河口口门不畅、咸潮威胁造成部分地区严重供水危机等问题,建立珠江三角洲网河区水环境耦合模型,建立河口水动力与泥沙迁移模拟耦合模型,建立河口盐度模拟模型,为广东省各(珠江、韩江、鉴江)三角洲、口门整治及应对咸潮威胁提供科学基础。

  (3)水文水资源水环境特征变异机理及其修复。以人类活动影响剧烈的珠江三角洲网河区为研究典型,开展其人类活动活动作用下水文水资源特征及其变异机理研究,提出珠江三角洲水、沙特征变异性因素分解识别模式方法,研究三角洲网河汊道分水、分沙规律及其变异特征。研究城市化不断扩张导致的城市区域暴雨洪涝特征变异,探讨城区内涝形成机理的变化和排涝标准的适应性,提出变异环境下城区洪涝应对策略。重点开展气候变化的水资源响应研究,包括气候变化导致海平面上升对河口区水资源利用的影响、气候变化导致的水文极值变异、极端性水文水资源事件发生机理和应对等。探讨人类活动和气候变化共同作用下的水文水资源特征量重构。

  (4)水危机(灾害风险)及其对策。以“水资源综合规划”、“江河流域规划”等为基础,进一步以南方湿润区高强度用水区为重点,深入研究区域水危机的成因,评价不同地区水危机的特征以及风暴潮、洪涝灾害,水源地突发性污染威胁,水质性、工程性和资源性缺水的现状与变化趋势。研究水灾害风险,制定水灾害风险应急预案。

  (5)水污染控制和水生态修复。针对伴随快速城市化导致的人口高密度聚居、产业快速发展产生的水污染和生态恶化问题,研究城市化区域水生态恶化尤其是南方城市河网区生态环境恶化状况及其致因;研究流域水利工程建设对河流生态的影响;研究变化水文条件下河流纳污能力及水污染控制方案;探讨华南水网地区尤其是城市河涌水环境生态修复的方法。

  (6)地下水开发利用与保护。以珠江三角洲、潮汕平原片、湛江等地区为典型,探讨地下水的赋存、补给、运动规律及水质特征,研究地下水源的开发利用条件和途径,探讨滨海区地下水与海水的交换和盐水地下入侵机理,研究地下水的污染机理和保护措施。

  (7)水资源管理及其体制改革。结合现行水管理存在的问题和区域水资源开发利用重点的转移,开展水资源管理制度、体制改革研究,并结合节水型社会建设、水污染控制等,寻求可持续的、人水和谐的区域水资源优化配置、调度和管理方案,确定实施水污染物总量控制、用水定额管理及水量水质优化分配的实施办法。

  附表:近10年来水资源与环境研究中心承担的主要科研项目

  (略)

  (陈晓宏) 
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