生态水工学进展与展望

文章编号：0559-9350（2014）12-1419-08

生态水工学进展与展望

董哲仁，孙东亚，赵进勇，张 晶

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：生态水工学是在生态保护的大背景下产生和发展起来的新兴交叉学科，是对传统水利工程学的补充和完 善。文章系统总结了十多年来生态水工学的主要进展，包括水利水电工程生态影响机理；河流生态修复规划方 法；河流健康评估；兼顾生态保护的水库调度方法以及河流生态状况定量评价方法等。文章对生态水工学发展进 行了展望，列举了包括水电资源开发程度战略研究，建立多种压力-响应生态模型，洄游鱼类保护技术，改善水库调度方法以及技术整合研发等若干学科发展前沿问题。

关键词：生态水工学；生态修复；河流健康；水库调度；洄游鱼类

中图分类号：TV22 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.2014.12.004

1 生态水工学的缘起

水利工程学作为一门重要的传统工程学科，以建设水工建筑物为手段，通过改造和控制河流， 以满足人们对防洪、水资源利用等多方面的社会经济需求。

自20 世纪70 年代以来，随着生态学的发展和应用，人们对于河流治理有了新的认识。水利工程除了要满足人类社会的需求以外，还需满足维护生态系统可持续性及生物多样性的需求，相应发展了生态工程技术和理论。德国 Seifert 于1938 年首先提出了“亲河川整治”概念，指出工程设施首先要具备河流传统治理的各种功能，比如防洪、供水、水土保持等，同时还应该达到接近自然状况的目标［1］。20 世纪50 年代德国正式创立了“近自然河道治理工程学”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。1962 年著名生态学家Odum 提出将生态系统自组织行为（Self-organizing activities）运用到工程之中。他首次提出“生态工程”（Ecological engineering）一词，旨在促进生态学与工程学相结合［2］。 1971 年Schlueter 认为近自然治理（near nature control）的目标，首先要满足人类对河流利用的要求，同时要维护或创造河溪的生态多样性［3］。1983 年Bidner 提出河道整治首先要考虑河道的水力学特性、地貌学特点与河流的自然状况，以权衡河道整治与对生态系统胁迫之间的尺度［4］。1985 年Hohmann 把河岸植被视为具有多种小生态环境的多层结构，强调生态多样性在生态治理的重要性，注重工程治理与自然景观的和谐性［5］。1989 年 Pabst 则强调溪流的自然特性要依靠自然力去恢复［6］。1992 年Hohmann 从维护河溪生态系平衡的观点出发，认为近自然河流治理要减轻人为活动对河流的压力， 维持河流环境多样性、物种多样性及其河流生态系统平衡，并逐渐恢复自然状况［5］。

1993 年美国科学院主办的生态工程研讨会根据著名生态学家Mitsch 的建议，提出了“生态工程学”（Ecological engineering）概念并且定义为：“将人类社会与其自然环境相结合，以达到双方受益的可持续生态系统的设计方法”［7］。河流的生态工程在德国称为“河川生态自然工程”，日本称为“多自然

收稿日期：2014-02-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51279113）；国家科技支撑计划项目（2012BAC06B04）；水利部公益性行业科研专项经费 项目（201201113）

作者简介：董哲仁（1943-），男，满族，北京人，教授，博士生导师，主要从事生态水工学和水工结构分析研究。

型建设工法”，美国称为“自然河道设计技术”［8］。

在工程实践方面，20 世纪80 年代阿尔卑斯山区相关国家——德国、瑞士、奥地利等国，在山区溪流生态治理方面积累了丰富的经验［9］。莱茵河“鲑鱼-2000”计划实施成功，提供了以单一物种目标的大型河流生态修复的经验。90 年代美国的基西米河及密苏里河的生态修复规划实施，标志着大型河流的全流域综合生态修复工程进入实践阶段。在保护生态改善水库调度方案方面，美国科罗拉多 河格伦峡大坝的适应性管理规划以及澳大利亚墨累-达令河的环境流管理都是一些典型案例。在洄游鱼类保护方面，建成于2002 年的巴西依泰普水电站鱼道是全世界最长、爬高最高的鱼道，每年可以

帮助40 余种鱼洄游产卵。

一些国家和国际组织已经颁布了一系列淡水生态系统保护的法规和技术标准，最具代表性的是欧盟议会和欧盟理事会2000 年颁布的法律《水框架指令》（EU Water framework Directive）［10-11］。

构建我国与生态友好的水利工程技术体系，既要借鉴国外的先进理论和技术，更要结合我国的 国情、水情和河流特征。其一，我国是一个水资源相对匮乏、洪涝灾害频发的国家，建设大坝水库 以保障供水和调蓄洪水是我国治水的成功经验。其二，我国水能资源蕴藏量居世界首位，为落实我 国政府关于减少温室气体排放的国际承诺，必然会大力发展水电。其三，我国具有几千年的水利 史，大部分河流都经过人工改造，有些河流如黄河和海河，已经演变成高度人工控制的河流。在这 样的河流上实施生态修复，要有新理论和新模式。其四，与西方国家不同，我国目前还处于水利水 电建设高潮期。如何在新建工程中采取预防措施，防止和减轻对淡水生态系统的负面影响，需要有 理论创新和技术研发。

2003 年，董哲仁［12-13］提出生态水工学（Eco-Hydraulic Engineering）概念，并给出定义如下：生态水工学作为水利工程学的一个新的分支，是研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾淡水生态系 统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。这个定义具有以下几层含义：（1）水利工程不但要满足社会经济需求，也要符合生态保护的要求。生态水工学是对传统水利工程学的补充和完善。（2）生态水工学的目标是构建与生态友好的水利工程技术体系。（3）生态水利工程学是融合水利工程学与生态学的交叉学科。（4）淡水生态系统保护的目标是保护和恢复淡水生态系统健康与可持续性。

2 生态水工学进展

学科的发展依赖于相关行业的发展需求。水利部自2005 年启动水生态系统保护与修复试点项目，2013 年启动全国水生态文明城市创建工作，这些重大举措成为生态水工学发展的强大推动力。

自2003 年提出生态水工学概念以来，在科技界产生了广泛影响。笔者有关生态水工学的论文引用指数在《中国期刊高被引指数》中连续五年居水利工程学科前列并进入全国作者排名百强［14］。10 多年来出版的代表性著作有：《生态水利工程原理与技术》（2007）、《探索生态水工学》（2007）和《河流生态修复》（2013）［15-17］。

在一些科研机构和大学设置了生态水工学研究室，开设了生态水工学课程，增设了生态水工学 博士招生方向。河流生态修复和水库生态调度等领域都在国家科技项目和公益行业科研专项中多有 立项，许多科研单位和大学都取得了大量成果，极大丰富了生态水工学的内涵。以下仅归纳笔者科 研团队在生态水工学研究方面所取得的主要成果。

2.1 水利水电工程生态影响机理研究 （1）建立了河流生态系统结构功能整体性概念模型。在完善与

整合现有河流生态系统结构功能概念及模型的基础上，提出了河流生态系统结构功能整体性概念模型（The Holistic Concept Model of Structure and Function of River Ecosystem，HCM）［18］。河流生态系统结构功能整体性概念模型由以下4 个子模型组成：河流4 维连续体模型、水文情势－河流生态过程耦合模型、地貌景观空间异质性－生物群落多样性关联模型以及水力条件－生物生活史特征适宜模型， 这4 个子模型的一体化整合，基本概括了河流生态系统结构功能的整体特征。人类对河流的大规模开发活动，改变了自然状态的生境条件，进而引起河流生物多样性的变化。HCM 模型为深入研究人类

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活动生态影响机理提供了理论框架。

（2）水利水电工程生态影响机理分析［19］。从河流连续性、水文情势、景观格局以及水体物理化学性质等诸方面分析了水利水电工程生态影响机理。

在连续性方面，在河流上建设大坝造成了河流纵向的非连续化，使自然河流从源头至河口的连续体［20］变成了串联非连续体［21］，阻碍了物种流、物质流、能量流和信息流畅通。筑堤防洪缩窄了河道，阻碍了汛期洪水侧向漫溢，出现一种侧向的河流非连续性特征。不透水的堤防和护岸结构也阻 隔了地表水与地下水的交换通道。

在水文情势方面，自然河流的水文周期有明显的丰枯变化，汛期洪水还具有脉冲特点。大坝运 行期间，水库调度服从于防洪、发电或供水等需求，使年内径流趋于均一化，改变了自然河流丰枯 变化的水文模式，也改变了河流生物群落的生长条件和规律。洪水的发生时机和持续时间，对于鱼 类产卵至关重要，实际上，洪水脉冲是一些鱼类产卵的信号［22-23］。此外，水文过程均一化还会引起河漫滩植被退化，水禽鸟类丰度降低［24］。

在景观格局方面，治河工程往往导致自然河流被人工渠道化，蜿蜒性的河流被裁弯取直成为折 线或直线型河流；河流横断面改变成矩形、梯形等规则几何断面；围湖造地和闸坝建设造成河湖水 系阻隔。景观格局变化引起空间异质性下降，使栖息地数量和质量下降，导致生物群落多样性的降 低［25-26］。

在水体物理化学条件方面，水库蓄水后，水库回水影响区水流流速降低，库区近岸水域和库湾 水体纳污能力下降，致使库区近岸水域和库湾水体富营养化［27］。另外，由于水库存在水温分层和溶解气体过饱和现象，对于下游的物种、特别是鱼类生长繁殖会产生不同程度的影响［28-29］。

2.2 河流生态修复规划方法 全面梳理了河流生态修复的定义、目标和任务，提出了河流地貌3 维

修复概念；建立了河流生态状况分级系统；完善了基于适应性管理模式的负反馈调节规划方法。

（1） 河流生态修复的定义和目标。河流生态修复的定义是：河流生态修复是在充分发挥生态系统自修复功能的基础上，采取工程和非工程措施，促使河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善 其生态完整性和可持续性的一种生态保护行动［13］。

（2） 建立河流生态状况分级系统。河流生态修复目标应该是有客观自然状况作为依据的，而不是主观臆造的。修复目标还应该是定量的，能够监测和评估，而不是定性和抽象的。

为实现河流生态修复目标的定量化，提出了河流生态状况分级系统［30］。首先，定义人类对河流大规模开发活动前的生态状况为参照系统，即生态修复的理想状态。将生态状况分为生物质量、水 文、物理化学和河流地貌4 种要素，各个要素下设若干指标。将生态状况划分若干等级，定义参照系统各项指标为最高等级并分别赋值，然后依据与理想状态各个指标的偏离程度，确定其他各等级的 分项指标量值，从而构造了河流生态状况分级系统。利用分级系统就可以获得生态修复规划目标的 具体分项指标数据。

（3） 河流生态修复的任务。河流生态修复有四大任务：一是水质改善；二是水文情势改善；三是河流地貌景观修复；四是生物群落多样性的维持与恢复。总目的是改善河流生态系统的结构、功 能和过程，使之趋于自然化［31］。既要考虑生态系统的完整性，采取综合而不是单一的修复措施，又要通过对关键胁迫因子的识别，有针对性地对上述四类任务进行优先排序，确定修复工程的重点［32-33］ 。在河流生态修复任务方面总结与创新要点包括：①改善水文情势不仅要保证生态基流，还要重

视流量过程的修复以及洪水脉冲作用，以满足生物的生活史各阶段水文需求；②自然水文情势是水 文条件修复的理想状态；③水文情势可以用5 种具有生态学意义的要素描述，即流量、频率、出现时机、持续时间和水文条件变化率；④提高栖息地空间异质性和复杂性是维持生物多样性的前提；⑤ “河流地貌修复3 维修复原则”即沿河流纵向连续性修复、沿水流侧向的河道-河漫滩连通性与河流- 湖泊连通性修复及沿垂向河床和岸坡透水性和多孔性的修复；在平面上河流形态蜿蜒性修复；横断面上河床断面几何形态多样性修复［34-37］。

（4） 河流生态修复负反馈规划设计方法。在河流生态修复过程中，由于河流的各类自然过程和生

态要素都存在极大的不确定性，这就为河流生态修复项目规划设计和管理方面带来了很大风险［38］。为了保证河流生态修复项目按照预期目标发展，需要在河流生态修复工程建设中采用适应性管理策略。提出的河流生态修复负反馈规划设计方法，以GIS 和RS 等信息技术为支撑，按照“规划设计—执行—管理—监测—评估—调整”这样一种流程以反复循环的方式进行，系统不断将控制后果与目标差进行比较，使得目标差在逐次调整中不断减小，最终实现生态修复目标［39］。

2.3 河流健康评估 河流健康不是严格意义上的科学概念，而是一种河流管理的评估工具。

（1） 国外河流健康评估技术。从物理-化学评估、生物栖息地质量评估、水文评估和生物评估等方面对美国、瑞典、澳大利亚、英国、欧盟等国家和组织的河流健康评估技术进行了分析和归纳。

（2） 河流健康的内涵。早在2005 年就在国内率先全面阐述了河流健康的内涵，厘清了若干基本概念并且指出：河流健康评估作为一种管理工具，评估河流生态系统在自然力与人类活动双重作 用下，在长期演化过程中的生态完整性和可持续性［40-41］。

（3） 河流健康评估的原则和方法。河流健康评估需要建立生境因子与生物因子的相关关系，需要建立参照系统，需要明确水文条件、水质条件和栖息地质量三个要素，需要因地制宜地为每条河 流建立健康评估体系、建立生物监测系统和网络。

（4） 河流健康评估指标体系。河流健康评估有助于提高决策能力，推动流域综合管理。制定全国河流健康评价技术标准的关键是既能涵盖全国河流基本生态特征、又能反映不同流域的特点。基 于这些理念，提出了基于主导生态功能分区的全国河流健康评价的全指标体系［42］。

2.4 兼顾生态保护的水库调度方法 2005 年12 月，董哲仁与美国自然遗产研究所（Natural Heritage

Institute）所长格列高里·托马斯（Gregory A. Thomas）共同发起和主持了在北京召开的“改善水库调度修复河流生态研讨会”，在国内首次提出了水库生态调度的概念并且对相关研究进行了展望。会议以后，我国兼顾生态保护的水库调度的理论研究和实践日渐增多［43］。

兼顾生态保护的水库调度是指在不显著影响水库防洪兴利效益的前提下，改善水库调度模式， 部分恢复自然水文情势，保护与修复库区及大坝下游河流生态系统，实现防洪兴利和生态保护的双赢目标。系统总结了调整传统水库调度方式的6 个主要步骤：①评价现行水库调度对河流生态的影响；②明确改善水库调度的生态目标；③建立水文情势改变与生态响应的量化模型；④构建基于生态保护目标的环境水流模型；⑤制定改善水库调度的技术方案；⑥基于负反馈设计方法开展改善水库调度试验［44］。

2.5 河湖生态状况定量评价 河流生态学研究是一种跨学科的研究，诸多学科与河流生态学的交

叉、融合发展了富有生命力的新兴学科领域，这包括生态水文学、生态水力学、景观生态学等。这些新兴学科从流域、河段、景观等不同尺度，针对水文情势、水动力学条件、景观格局与水生态系统的关系展开研究，开发了一系列的河湖生态状况定量评价方法，为生态水工学发展提供了重要的科学支持，其重大作用是使河湖生态状况评价从定性描述转变为可以通过计算机运算的定量评价， 这样就使生态水工学中的规划设计工作能够建立在较为精确的数据基础上［45］。同时，通过将这些定量评价方法与河流生态状况分级系统相结合，可为河湖生态状况的现状分析、目标设定、未来预测等提供定量化手段，从而弥补定性分析的不足。

3 生态水工学展望

近年，国家倡导尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，并且要求把生态文明建设融 入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程。在这样的大背景下，生态水工学迎 来了新的发展机遇。

生态水工学的发展，既要借鉴国外先进经验，更要总结我国实践经验，自主创新，提升理论和研发技术。由于生态水工学的跨学科综合性，其发展需要多学科的合作与融合。在学科建设方面， 近期似可开展以下领域研究。

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3.1 水电资源开发程度战略研究 近年来，国家实施节能减排战略，落实应对全球气候变化我国政

府承诺，水电作为清洁能源出现了大发展的新局面，随之而来提高水电开发程度的呼声越来越高。如 何从国家可持续发展和生态文明建设高度，科学确定全国和流域水电开发规模，处理好开发与保护的 关系，落实“在做好生态保护和移民安置的前提下积极发展水电”方针，是一项紧迫的战略性课题。

3.2 水利水电工程生态影响机理 水利水电工程生态影响机理研究的目的，是为河流生态保护与修

复提供理论支持。

水文情势方面，要突破目前生态需水和环境水流研究的局限性，重视水文过程而不仅仅是流量，研究重点包括：①发展自然水流模型，构建环境水流［46］；②加强生物调查和生物监测工作，确定遴选指示物种的准则，梳理水文要素的生态学意义；③研究由于径流调节引起水文过程改变的包 括鱼类的生物响应；④研究生物生命节律与河流水文时序规律匹配关系；⑤研究洪水脉冲的生态效 应，建立洪水脉冲-生态过程关系模型［47］。

地貌景观格局研究方面，包括：①大型水利工程引起流域尺度景观格局变化；②景观格局分析 与水文要素分析的耦合；③河流景观异质性与生物群落多样性的关系，河流景观异质性包括蜿蜒 性、连续性、河湖水系连通性以及底质特征等；④河流景观破碎化、片断化的生物响应；⑤水库库 区生态阻滞现象机理，开发防止库区水体富营养化技术；⑥修复河湖水系连通性的生态机理。

水生生物栖息地模拟研究方面，着眼于水动力模型的精细化、适宜性评价准则客观化、栖息地 模拟尺度多元化的研究。除重视水力学因素对于生物的直接影响以外，还重视其间接影响，包括影 响河床岸坡植被、水质（溶解氧、营养盐的分布）、水体温度场以及水生生物的食物分布等。

目前水利水电工程的生态影响研究大多停留在描述阶段。今后的研究可应用诸如“驱动力—压力

—状态—影响—响应”等生态模型，通过实地监测调查，深入研究作用机理，寻找降低和缓解负面生态影响的多种技术对策。

3.3 洄游鱼类保护技术 我国水电工程建设洄游鱼类保护技术较发达国家有较大差距，洄游鱼类的

有效保护问题日益凸显，当前似应开展以下工作。

（1） 水电梯级开发河流鱼类普查及评价。在流域尺度上开展水电梯级开发对河流珍稀、濒危、特有鱼类的影响普查，进行渔业资源普查与监测，建立水文学、水力学、地貌条件及水体物理化学 等生态要素变化与鱼类生存的压力-响应模型，重点评价梯级开发的生态影响，进行目标鱼类生态敏感性分析。

（2） 水电梯级开发洄游鱼类保护规划。在调查、监测与评价的基础上，确定目标鱼类物种，量化生态目标，制定水电梯级开发河流洄游鱼类保护规划。保护措施方面，由于拆除已建大中型水电 站已无可能，景观格局不可逆转，科研工作将聚焦于替代和补偿技术方案的选取论证，包括支流栖 息地取代干流；在已建水电站增设过鱼建筑物；开发异地保护技术以及增殖放流等。

（3） 过鱼设施技术。调查资料显示，迄今为止我国已建的大部分鱼道运行状况并不理想，存在一系列问题有待深入研究，包括鱼道水力学研究、鱼道下行保护技术等。另外，为解决大坝下泄低 温水流对于鱼类的不利影响以及高速水流气体过饱和引起鱼类气泡病问题，需要进一步研发水工建 筑物分层取水结构设计方法和改善水流中气体过饱和技术［48-49］。

3.4 兼顾生态保护的水库调度方法 兼顾生态保护的水库调度的目的，是通过改善传统的水库调度

方式，在满足防洪与兴利要求的基础上，兼顾河流生态系统对水文情势的基本需求。

我国在水库生态调度研究方面起步较晚，至今仍处于科学研究阶段。借鉴国外经验，实施保护 生态的水库调度不可能一蹴而就，而是经过放水试验-生物监测-调整方案多次反复，才有可能接近预期目标。兼顾生态保护水库调度方法研究的重点包括：①水库调度对河流生态影响评价方法和关 键胁迫因子识别方法；②生态目标的确定方法；③建立水文因子与生态目标的定量关系；④构造基 于生态目标的环境水流过程线方法；⑤综合防洪兴利与生态保护效益，建立水库优化调度模型的方 法；⑥适应性管理方法的应用。

3.5 河流生态修复技术开发与整合 开发和整合河流生态修复技术，包括恢复河湖水系连通性规划

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设计方法、河流地貌修复规划设计方法、河道内栖息地加强技术、河湖生态疏浚技术、生物方法治 污技术、湖泊水库蓝藻治理技术、湖泊水库的生物操纵技术、灌溉工程的生态保护与修复、水质生 物监测技术（biological monitoring）等。

（1） 恢复河湖水系连通性规划设计方法。由于河湖水系在水文、水环境、地形地貌、区域经济等方面的复杂性，对河湖水系连通及其环境影响还缺乏足够的认识，亟需针对自然力作用和人类经 济活动造成的河湖阻隔或连通性削弱问题及河湖水系连通方面的战略需求，开展以水生态环境修复 与保护功能为主，同时兼顾水资源配置和防洪减灾功能的河湖水系生态连通规划关键技术研究，在 基础理论、调查技术、分析模型、总体布局、工程体系、效果评估、仿真平台及风险分析等方面开 展创新研究，形成河湖水系生态连通规划关键技术体系。

（2） 河道内栖息地加强技术。河道内栖息地加强结构类型一般分为五大类：砾石/砾石群、具有护坡和掩蔽作用的圆木、叠木支撑、挑流丁坝和堰坝。河道内栖息地加强结构的技术关键在于通过 河道坡降及流场的局部改变，调整河道泥沙冲淤变化格局，形成相对蜿蜒的河道形态，使之具有深潭-浅滩序列特征；同时利用掩蔽物，增强水域栖息地功能。工程设计中要致力于满足尽可能多的物种对适宜栖息地的要求，例如满足鱼类的洄游需求，维护生态系统的多样性等。

（3） 河湖生态疏浚技术。生态疏浚技术是最近提出并且在局部实施的新技术，是为改善水质和 水生态而进行的清淤，其特点是以较小的工程量最大限度地清除底泥中的污染物，同时为后续生物技 术的介入创造生态条件。生态疏浚涉及环节多，技术复杂，底泥调查、清淤深度确定、淤泥吸取、施 工机械、余水处理及淤泥处置等各个环节还没有形成统一的技术规范，有的还处于探索研究阶段［50］。

（4） 水质生物监测技术。该技术是利用水环境中滋生的生物群落组成、结构等变化来预测、评价河湖水体的水质状况。我国在水质生物学监测技术方面起步较晚。未来的发展需要在大量监测数 据基础上，建立适合我国的水质状况与指示生物关系表体系，借以完善我国目前的水质评价方法。

4 结语

生态水工学是在生态保护的大背景下产生和发展起来的新兴交叉学科，是对传统水利工程学的补充和完善。十多年来围绕全国水生态系统保护与修复工作，生态水工学取得了可喜的进展。具有创新意义的工作包括水利水电工程生态影响机理分析、河流生态修复规划方法、河流健康评估方法以及水库生态调度方法等方面。随着全国水生态文明建设的全面开展，将会对生态水工学的理论、方法和技术有更多的社会需求，这预示着生态水工学将会有更宽阔的发展空间。

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Progress and prospect of eco-hydraulic engineering

DONG Zhe-ren，SUN Dong-ya，ZHAO Jin-yong，ZHANG Jing

（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract： Eco- hydraulic engineering is a new cross- discipline produced and developed in the background of ecological protection， which is a supplement and improvement to the traditional hydraulic engineering.

This paper summarized the main progress of eco-hydraulic engineering for past decade，including the mech⁃ anism of hydraulic and hydropower project ecological impact，the river restoration planning method，the riv⁃ er health assessment， and reservoir operation considering ecological conservation and quantitative evaluation method of river ecological status. This paper made a prospect for the development of eco-hydraulic engineer⁃ ing， putting forward several academic frontier problems such as strategic research of hydropower resources development level， establishment of various pressure- response ecological models， migration fish protection technology，improving the reservoir operation method and research and development of technology integration.

Key words： eco- hydraulic engineering； ecological restoration； river health； reservoir operation； migration

fish

（责任编辑：李福田）

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