【導(dǎo)讀】近年來，我國近海出現(xiàn)了多種類型的藻華災(zāi)害，既有甲藻形成的大規(guī)模赤潮，也有滸苔形成的大規(guī)模綠潮。在長江口以南海區(qū)，大規(guī)模甲藻赤潮占據(jù)優(yōu)勢；在?；グl(fā)生的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出明顯的空間分布格局。海域營養(yǎng)鹽的組成、濃度和分布對。水文和水動力因素如何影響藻華災(zāi)害的。致災(zāi)藻類通過哪些方式適應(yīng)不同海域獨(dú)特的生態(tài)和環(huán)境條件而成。不同因素之間是否存。我國近海藻華災(zāi)害的演變與海域富營養(yǎng)化進(jìn)程有密切關(guān)系。尿素和氨氮等營養(yǎng)鹽向近海輸入的增加對滸苔綠。富營養(yǎng)化的變化趨勢將如何調(diào)控我國藻華災(zāi)害的發(fā)展趨。近海生態(tài)系統(tǒng)的健康對于生物資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。破壞其正常的服務(wù)功能，引起生態(tài)系統(tǒng)的退化。對這一科學(xué)問題的闡釋對于防范藻華災(zāi)害、保障。更替規(guī)律，有助于闡明藻華災(zāi)害形成和演變的生態(tài)學(xué)機(jī)制。作用；鋒面、層化、上升流等重要物理過程對藻華災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和消亡的影響；步提高我國藻華災(zāi)害和富營養(yǎng)化研究的國際地位。災(zāi)害對生態(tài)安全及社會經(jīng)濟(jì)的影響。

　　

【正文】 、地面沉降等災(zāi)害發(fā)生機(jī)理 圖 2 研究技術(shù)路線圖 多級分層自動監(jiān)測技術(shù)： 采用多級自動監(jiān)測技術(shù)采集不同層位地下水位、水35 溫、 pH、電導(dǎo)率、水化學(xué)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采 集、自動存儲、自動傳輸。 高壓滲透固結(jié)儀與高倍掃描電鏡技術(shù)： 采用高壓滲透固結(jié)儀進(jìn)行弱透水層壓縮釋水試驗(yàn)，采用高倍掃描電鏡技術(shù)，研究含水層和弱透水層壓縮前后微結(jié)構(gòu)變化，分析釋水?dāng)?shù)量和質(zhì)量與變形量之間的相互關(guān)系，揭示地面沉降、粘性土壓縮釋水機(jī)理以及釋水引起的鹽分運(yùn)移規(guī)律。 超微量液體化學(xué)分析技術(shù)： 采用 ICP 等測試技術(shù)分析常規(guī)方法難以測試的微量土壤水和弱透水層壓出液，提高數(shù)據(jù)的獲取精度。 高性能數(shù)值模擬技術(shù)： 將高性能地下水三維數(shù)值模型技術(shù)、環(huán)境同位素方法與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，建立區(qū)域水文地質(zhì)概念模型及高仿真的數(shù)值 模型，模擬人類活動對地下水系統(tǒng)影響的各種作用過程，預(yù)測未來?xiàng)l件下地下水系統(tǒng)演變趨勢，探索地下水調(diào)控的理論方法。 3．具體研究方法 圍繞擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，針對以往研究的薄弱環(huán)節(jié)，除采用上述關(guān)鍵技術(shù)和常規(guī)的研究方法外，特設(shè)計(jì)下列有針對性的研究方法： 野外原位長觀試驗(yàn)方法： 通過華北平原多年水位、水質(zhì)、水溫、沉降標(biāo)和開采量等的長期觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，探討大規(guī)模開采條件下地下水循環(huán)變化規(guī)律，研討淺層和深層地下水資源組成和補(bǔ)給強(qiáng)度的變化，論證地下水補(bǔ)給量、開采量、地下水位、環(huán)境變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示地下水演變的動 力機(jī)制，研討大規(guī)模開采條件下地下水的更新能力的變化。 綜合分析方法： 依據(jù)地下水演化機(jī)制的研究，通過近 50 年來地下水變化與驅(qū)動因子之間的量化關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，定量確定地下水系統(tǒng)環(huán)境約束閾值，結(jié)合即將實(shí)施的重大水利工程，綜合考慮地下水開采引起的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的變化程度和影響，結(jié)合氣候變異、地下水調(diào)蓄和恢復(fù)能力，運(yùn)用地下水模型確定各地區(qū)地下水調(diào)控指標(biāo)，摸索出一套確定地下水調(diào)控指標(biāo)的方法。 地下水模擬方法： 在地下水與環(huán)境信息空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，以 GMS 為模擬工具，與并行算法相結(jié)合，在并行服務(wù)器系統(tǒng)上建立整個(gè)華北 平原統(tǒng)一的地下水流模型。模擬多年地下水流場和水位動態(tài)，預(yù)測不同情境下多年地下水位動態(tài)和流場的變化趨勢，評價(jià)地下水開采、調(diào)蓄和更新能力以及環(huán)境影響；建立典型區(qū)（天津或滄州）三維地下水流 — 地面沉降耦合模型，揭示地下水水位變化與水土應(yīng)力之間的內(nèi)在聯(lián)系及地面沉降的機(jī)理，確定深層水來源；建立地下水兩相界面流（咸、淡水）模型，分析咸水下移的機(jī)理，探討咸水利用的可行性，研究地下水臨界水位閾值和開采量調(diào)控指標(biāo)；并在此基礎(chǔ)上建立地下水調(diào)控模擬系統(tǒng)，模擬與預(yù)測應(yīng)急供水、調(diào)蓄與恢復(fù)等情景下的地下水流場變化和供水安全問題。 運(yùn)籌學(xué) 方法： 運(yùn)用非線性響應(yīng)函數(shù)技術(shù)或替代模型（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）的方法，將地下水模型、地下水 — 環(huán)境耦合模型與最優(yōu)化模型相耦合，采用先進(jìn)的人36 工智能算法（遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索法、螞蟻算法等）求解這類高度非線性、不連續(xù)、多目標(biāo)管理模型，求解地下水合理利用調(diào)控優(yōu)化方案。 綜合評價(jià)方法： 綜合考慮供水安全、供水效益和費(fèi)用、環(huán)境影響等因素，運(yùn)用各種綜合評價(jià)方法（如層次分析法、模糊綜合評價(jià)方法等）對多種水資源配臵方案、地下水調(diào)控方案進(jìn)行評價(jià)，作為實(shí)施方案選取的參考。 （ 三 ）可行性分析 1．明確的科學(xué)問題和清晰的研究思路 基于多年的研究積累和較長時(shí)間的深入思考，本研究團(tuán)隊(duì)對擬解決的 2 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題已經(jīng)有了準(zhǔn)確的凝練和把握，對研究目標(biāo)的設(shè)定基本符合實(shí)際，開展研究的總體思路比較清晰，也富有特色和創(chuàng)新。 2．先進(jìn)的技術(shù)路線和可行的研究方案 地下水演變與調(diào)控的關(guān)鍵在于闡明人類活動對地下水可利用資源的影響機(jī)制和地下水資源開發(fā) — 環(huán)境變化 — 經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制，進(jìn)而探索地下水系統(tǒng)危機(jī)臨界標(biāo)識，定量確定環(huán)境約束下地下水調(diào)控閾值，實(shí)現(xiàn)良好生態(tài)環(huán)境下地下水可持續(xù)利用。本項(xiàng)目從總體思路和課題設(shè) 置 到研究內(nèi)容和人員配備，始終圍繞解決這兩個(gè)問題設(shè)計(jì)研究路 線。本項(xiàng)目所采用的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟，其它主要技術(shù)途徑，都有成功的研究實(shí)例可供借鑒，可以完成既定的研究任務(wù)。 3．長期的研究基礎(chǔ)和豐厚的研究積累 本項(xiàng)目推薦的首席科學(xué)家一直從事地下水科學(xué)領(lǐng)域的研究，曾主持全國地下水資源及環(huán)境問題調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目，有較為豐厚的研究積累。項(xiàng)目組多數(shù)成員也在該區(qū)開展過長期的研究工作，已積累了大量的研究資料。華北平原地下水研究程度很高，問題明確。近年來中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所連續(xù)對該區(qū)地下水及其環(huán)境問題開展大量的研究工作，已經(jīng)建成“華北平原地下水資源與環(huán)境問題數(shù)據(jù)庫”，此外， 項(xiàng)目組成員對該區(qū)的工作程度、研究現(xiàn)狀、存在問題、突破方向等均有較明確的認(rèn)識和較準(zhǔn)確的把握，理論創(chuàng)新的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。 4．完備的實(shí)驗(yàn)測試支撐體系 項(xiàng)目申請單位和承擔(dān)單位擁有 5 個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 6 個(gè)部門重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、3 個(gè)省部級研究示范中心和 4 個(gè)野外試驗(yàn)基地及觀測臺站（網(wǎng)絡(luò)），具備完成本項(xiàng)目所必需的探測、分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)施，組成了優(yōu)勢互補(bǔ)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的技術(shù)支撐體系，可以確保本項(xiàng)目高質(zhì)量實(shí)施并取得重大突破。 （ 四）創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)目的主要創(chuàng)新在于：系統(tǒng)揭示“人類活動下地下水演變機(jī)理與調(diào)控機(jī)37 制”，預(yù)期取得以下幾方面重要創(chuàng)新和突破 ： （ 1）地下水可利用資源與更新能力變化機(jī)理； （ 2）地下水結(jié)構(gòu)變化及其伴生的生態(tài)環(huán)境演變機(jī)理； （ 3）地下水與生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合模型與地下水承載力； （ 4）地下水危機(jī)臨界識別指標(biāo)體系與安全調(diào)控技術(shù)方法和理論體系。 38 （五）課題設(shè)置 課題 1： 人類活動條件下區(qū)域地下水系統(tǒng)響應(yīng) 研究目標(biāo)： 分析區(qū)域水循環(huán)變化條件下地下水系統(tǒng)的演變過程；揭示人類活動加劇條件下地下水資源量變化規(guī)律；建立人類活動條件下與區(qū)域水循環(huán)變化相聯(lián)系的地下水系統(tǒng)演變模式，分析歷史上地下水資源開發(fā)條件下區(qū)域地下水流場變化過程，為 地下水演變機(jī)理研究和地下水調(diào)控研究提供理論依據(jù)。 研究內(nèi)容： 本課題針對第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，圍繞區(qū)域地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄對人類活動及區(qū)域水循環(huán)背景條件變化的響應(yīng)方面開展研究，掌握區(qū)域內(nèi)地下水資源的演變歷史和現(xiàn)狀，回答人類活動對區(qū)域地下水循環(huán)的影響。主要研究內(nèi)容如下： 1．區(qū)域水循環(huán)要素變化規(guī)律 研究近 50 年來區(qū)域水循環(huán)要素變化，重點(diǎn)研究降水、蒸發(fā)、土地利用、山區(qū)水庫等水利工程、地下水復(fù)合開采、地表徑流變化，掌握區(qū)域水循環(huán)要素變化對華北平原區(qū)域地下水流動系統(tǒng)的影響，了解區(qū)域上地下水質(zhì)量的分布規(guī)律，為研 究人類活動對地下水?dāng)?shù)量減少與質(zhì)量演變提供科學(xué)依據(jù)。 2．地下水動力場特征與演變過程 研究近 50 年來區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的時(shí)空變化特征，突出這些變化與區(qū)域水循環(huán)要素變化的關(guān)系，揭示地下水補(bǔ)給演變規(guī)律。研究地下水動力場演變過程，包括地表水及山前側(cè)向補(bǔ)給對區(qū)域地下水流場的影響研究，突出淺層與深層地下水動力場變化和相互關(guān)系的研究等。 3．區(qū)域地下水環(huán)境變化規(guī)律 依據(jù)近 50 年來華北平原地下水的開發(fā)歷史與統(tǒng)計(jì)資料，通過水均衡計(jì)算分析淺層及深層地下水資源補(bǔ) 給量與開采量關(guān)系，結(jié)合區(qū)域地下水流場的變化來分析地下水質(zhì)量的 演變與分布規(guī)律，揭示咸水體移動規(guī)律， 定量研究人類活動對區(qū)域地下水質(zhì)量的影響。 4．區(qū)域地下水循環(huán)模式與模擬 對淺層和深層地下水循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，突出地下水動力過程中補(bǔ)給模式、徑流模式和排泄模式的時(shí)空變異特征與機(jī)制研究，包括山區(qū)與平原之間、河流與土壤水 — 淺層水之間、水庫等水利工程與地下水之間、補(bǔ)給區(qū)淺層水與中下游深層水之間以及深層水之間的水文過程模式等，建立華北平原區(qū)域地下水流動的數(shù)值模型，利用高性能數(shù)值計(jì)算技術(shù)模擬區(qū)域地下水循環(huán)的演變過程。 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、 中國科學(xué)院研究生院 課題負(fù)責(zé)人： 李國敏 39 學(xué)術(shù)骨干： 侯彥林、戴福初、秦大軍、黎明、張娜、王志民 40 課題 2 ： 淺層含水層結(jié)構(gòu)變化與地下水補(bǔ)給變化機(jī)理 研究目標(biāo)： 通過對人類活動影響下淺層含水層補(bǔ)給關(guān)鍵環(huán)節(jié)與影響因素的研究，確定淺層含水層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析淺層地下水補(bǔ)給方式、過程和強(qiáng)度的變化，揭示淺層地下水補(bǔ)給質(zhì)與量的變異及其形成機(jī)理和時(shí)空演變特征，建立適于淺層含水層結(jié)構(gòu)變化的地下水補(bǔ)給非線性模型，為區(qū)域地下水資源的演變提供理論依據(jù)。 研究內(nèi)容： 本課題主要圍繞第一個(gè)科學(xué)問題設(shè)立。地下水補(bǔ)給是決定地下 水資源特征、可持續(xù)開采量以及導(dǎo)致地下水質(zhì)量發(fā)生變化的先決或重要條件，人類活動使地下水補(bǔ)給模式與強(qiáng)度都發(fā)生了變化，因此，重點(diǎn)從地下水系統(tǒng)補(bǔ)給時(shí)空演變方面開展研究。主要研究內(nèi)容如下： 1．淺層含水層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 研究不同開采強(qiáng)度下區(qū)域地下水降落漏斗區(qū)包氣帶巖性、結(jié)構(gòu)和厚度等的變化規(guī)律和變異特征，確定平原區(qū)不同土地利用方式與水利工程等人類活動作用下區(qū)域地下水位的時(shí)空演變模式，揭示淺層地下水流場的變化規(guī)律和變異特征，識別淺層含水層結(jié)構(gòu)變化的主控因子。 2．淺層地下水補(bǔ)排的非線性過程 研究平原區(qū)包氣帶厚度增厚條件下淺 層地下水入滲補(bǔ)給與潛水蒸發(fā)的變化過程、深厚包氣帶非均質(zhì)土層土壤水分運(yùn)動機(jī)理及空間變異特征；查明不同自然條件如降水、包氣帶土壤巖性、淺層地層結(jié)構(gòu)等變化以及不同人類活動如地下水開采、土地利用方式、水利工程與南水北調(diào)供水工程等影響下導(dǎo)致的淺層地下水補(bǔ)排變化過程及其變異機(jī)理；確定淺層地下水補(bǔ)排的主要水量交換界面過程及其主控因子，建立適于包氣帶變厚條件下淺層含水層結(jié)構(gòu)變化的地下水補(bǔ)給非線性模型。 3．包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移與淺層地下水水質(zhì)演變 探究含水層結(jié)構(gòu)變化與包氣帶非均質(zhì)性對包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移轉(zhuǎn)化過程的影響，確定淺層地下水補(bǔ) 給過程中包氣帶的污染阻滯機(jī)理及其時(shí)空變異規(guī)律，研究不同人類活動作用下包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)空演化特征及其對污染物運(yùn)移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制與主控因子，揭示蒸發(fā)對包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移與淺層地下水質(zhì)量演變的控制機(jī)理，確定淺層地下水補(bǔ)給的主要水質(zhì)交換界面過程及其主控因子，耦合淺層地下水質(zhì)量演變控制過程，建立典型條件下淺層地下水水質(zhì)變化模式及水質(zhì)預(yù)測模型。 4．區(qū)域淺層地下水補(bǔ)給演變機(jī)制 研究降水、不同開采條件、包氣帶土壤巖性、淺層地層結(jié)構(gòu)、土地利用方式、水利工程與南水北調(diào)供水工程等不同變異尺度影響因素耦合作用下大尺度淺層地下水補(bǔ)給機(jī) 理、尺度效應(yīng)與轉(zhuǎn)換、主控因子及其時(shí)空演化特征，揭示地表水資源、土壤水資源與地下水資源的轉(zhuǎn)化機(jī)理及其時(shí)空演化規(guī)律，建立基于影響因素時(shí)空變異和多尺度耦合的大尺度淺層地下水補(bǔ)給計(jì)算模型。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 41 課題負(fù)責(zé)人： 梁杏 學(xué)術(shù)骨干： 靳孟貴、王貴玲、成建梅、楊會峰、馬騰 42 課題 3 ： 深層含水層系統(tǒng)變異與地下水可更新能力演變機(jī)理 研究目標(biāo)： 通過研究深層含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與地下水流動系統(tǒng)各要素對高強(qiáng)度開采的響應(yīng)，分析地下 水位變化與水土應(yīng)力重新分配的關(guān)聯(lián)性，揭示越流因素變異與弱透水層壓縮（地面沉降）釋水的機(jī)理，探明地下水動力場和水化學(xué)場演化機(jī)制及其對地下水循環(huán)的影響，闡明深層地下水可更新能力的變化過程與趨勢，為地下水合理調(diào)控的研究奠定基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容： 本課題是圍繞第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題設(shè)立，目的是揭示導(dǎo)致深層地下水可利用資源演變的含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和地下水系統(tǒng)場（滲流場、應(yīng)力場、化學(xué)場）的變異特征與機(jī)理。主要研究內(nèi)容如下： 1．水 — 土復(fù)合作用、地面沉降等災(zāi)害發(fā)生機(jī)理 研究水 — 土的物理、化學(xué)作用，以及地下水位下降后含水層結(jié)構(gòu)和有關(guān) 特性的變化，系統(tǒng)分析典型地區(qū)越流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，研究地下水水位變化引起水動力與土應(yīng)力的互饋機(jī)制；建立流固耦合模型（地下水滲流場和應(yīng)力場耦合模擬）；探討弱透水層釋水與含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化 — 地面沉降 — 滲流場之間的關(guān)聯(lián)性，揭示地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，確立引起地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)力點(diǎn)與地下水位的關(guān)系；提出控制地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的地下水位臨界標(biāo)識，為地下水合理開發(fā)調(diào)控奠定基礎(chǔ)。 2．弱透水層越流和壓縮釋水機(jī)理 研究不同埋藏深度的弱透水層水理性質(zhì)、含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其對地下水開采的響應(yīng)；分析不同結(jié)構(gòu)與深度的越流 系統(tǒng)發(fā)生越流的臨界條件及越流因素的變異特征；探討弱透水層發(fā)生壓縮釋水的臨界壓力、變形量及釋水量之間的關(guān)系；研究不同含水結(jié)構(gòu)的粘性 土持續(xù)壓縮變形與固結(jié)釋水機(jī)理，揭示開采條件下弱透水層釋水與越流相互關(guān)系， 闡明淺層地下水與深層地下水相互作用機(jī)制， 確定越流與壓縮釋水引起的水鹽運(yùn)移規(guī)律及其對含水層地下水資源組成的貢獻(xiàn)。 3．地下淡水 — 咸水界面（咸水體）移動與驅(qū)動機(jī)制 查明淡 — 咸水界面移動地區(qū)的水動力場及其相應(yīng)的含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征；探討淡 — 咸水兩相流界面運(yùn)移的動力學(xué)機(jī)制； 揭示弱透水層對咸水體下移的影響機(jī)理， 研究高強(qiáng)度開 采條件下地下水兩相界面流的水動力場、水化學(xué)場的演化特征及趨勢；分析垂向上咸水體向下遷移規(guī)律和 平面上全淡水區(qū)與咸水區(qū)過渡區(qū)界線的演變特征；尋找控制咸淡水界面的水動力平衡點(diǎn)，確定淡水資源開發(fā)的最佳水位。 4．復(fù)合地下水漏斗演變及地下水可更新能力 研究高強(qiáng)度開采條件下，地下水均衡要素的轉(zhuǎn)換機(jī)理及其對地下水流場演變和地下水降落漏斗形成的影響；分析區(qū)域地下水流系統(tǒng)解體向以開采為主導(dǎo)的新局部水流系統(tǒng)