（一）能源系统工程
能源包括化石能源和可再生能源，是人类赖以生存的物质基础。有效利用好能源，实现能源的可持续性开发，对于国家的发展和保持长效的竞争力具有重要的意义。然而能源系统是一个复杂充满不确定性的巨系统。这种复杂性和不确定性除了结构的多样性和能源的生产，输送和消耗的关联性，也体现于外部环境的相互作用，包括自然环境和经济发展、气候变化等。因此，本研究组致力于探索种种复杂和不确定背景下能源系统管理和规划的理论和规律以及“能源-经济-气候变化”的互动机理和规律，从而优化能源代谢过程，找到应对能源短缺，污染治理，气候变化影响等问题的途径。具体实施了一下几个研究课题：
1. 能源管理系统特征辨识
能源系统是一个复杂的、多组分、多层次和多目标的综合系统，各个子系统内部和子系统之间存在复杂的相互作用。通过收集RS/GIS数据，结合各种不确定性信息，研究各子系统的时空分异特征信息、历史演化进程以及内在的竞争与共存机制。
2. 气候变化条件下的能源供应和需求模拟
研究内容包括：（i）建立能源需求与资源生产和服务供应、自然环境及气候变化之间的响应关系，（ii）确立能源供应的途径和技术、经济成本和环境影响及气候变化响应，（iii）研究能源供应与需求之间的互动关系。
3. 不确定性多目标能源管理系统研究
典型的能源系统包括：能源的可获得性、和运输，可再生能源的转换，生产与输送和储备与最终使用，以及相关的各种技术。对这些活动的有效配置可以实现整个系统的优化管理。应用动态推理、区间规划、随机分析、多阶段优化、模糊数学和多元分析等方法，有效地反映了系统优化中的各种复杂的不确定性。
4. 基于能源代谢和大气质量管理过程的决策理论
通过集成能源管理机制、区域气候变化规律、能源供应模拟和需求模拟，建立一套基于能源模拟和优化管理的综合决策系统，为能源的可持续性利用和优化配置提决策支持。
基于以上研究的思路，开展并完成了多个区域或流域能源管理的重大项目的研究，包括加拿大多伦多-尼亚加拉区域、温莎-底特律流域、萨斯喀彻温省、安大略省和滑铁卢地区的一系列能源系统管理和优化的课题。
（二）环境系统优化
本研究组最先系统地研究了环境科学与工程的规划、设计、评价、控制、管理中的不确定性现象、及其相应的特征和规律，率先提出了发展环境科学与工程中的不确定性理论与方法，该理论与方法藉助数学规划，将复杂环境问题以适当的数学模型表达，达到对环境问题的解析化、定量化、系统化，最终形成解析集合体系，从而获得定量性通解，使决策者能在较短的时间内，最大的可能去全面了解复杂的不确定的动态的环境系统，认识环境系统的特性及运行规律，制定出环境系统在一系列制约条件下最优化的方案。研究组在环境系统优化理论、方法及应用等方面取得了丰硕的成果。主要研究成果可概述如下：
1. 在水资源环境的研究方面，应用区间规划、多阶段随机分析、模糊数学、整数规划及多元分析的方法，创建了一套多目标、多阶段、多情景、多流域、多子区、不确定性的动态水环境管理优化系统，涵盖地表水质、地面水文及地下水等不确定优化方法。具体而言，针对河流与湖泊的水质管理，开发了IPWM、IFNP、IFTQP、IFMOP及WHHRA等一系列不确定性优化模型；在水资源管理方面，除了建立ITSP、IFTSP、IFTQP、IMSLP、IFMSP及IMSQP等不确定性方法用于单流域的水资源管理，还开发了一套区间随机模糊多阶段优化方法（ITNP、ITFLP、IFSMOP）用于跨流域水资源调配；基于区间随机模糊规化方法，开发了ITIP、IFTIP、ITCIP及IFMSP系列优化模型用于洪水管理与风险分析；在地下水方面，创建了数十个不确定性3-D系列模拟优化模型，形成了一套基于区间模糊随机规划的地下水环境管理与风险分析不确定性理论与方法。以上成果已成功运用于加拿大Georgia、Mackenzie及Swift Current、法国里昂Rhone、泰国Tha Chin、中国洱海及沅水等流域。
2. 在固体废物处置的研究方面，通过对固废的产生、运输、回收、处置和管理等过程的分析，并通过多子区、多目标、多阶段区间随机模糊规划方法的引入，在时间上和空间上充分考虑整个系统的不确定性因素，开展了许多评价与优化方法、控制与处理技术的研究工作，开发了数十个固体废物管理不确定性模拟与优化模型，并应用于加拿大Regina和Hamilton等地区。它们包括固废的生命周期评价、工业与城市产废过程的物流分析、固废迁移转化的系统模拟与优化、固废处理处置设施的优化选择、固废管理过程的优化设计、固废处理处置方案优化、固废处理处置过程优化控制、固废系统不确定性信息的定量与评价以及固废管理政策情景的分析等。
3. 在大气环境的研究方面，通过分析污染物在大气流域中的迁移、扩散和转化机理，运用动态推理、区间规划、随机分析、多阶段优化、模糊数学和多元分析等方法，建立了一套大气环境系统不确定性控制、风险评价及最优化模型体系。如开发了预测大气质量的3-D Multi-Box模型、基于Monte Carlo模拟技术上的模糊随机风险评价体系（FSRA）、研究近地面层污染物浓度分布和污染源控制优化模型（FSRP）、基于多情景多阶段不确定性方法用于大气质量管理决策分析模型（FRTSP与IFTRP）以及研究污染物分布及其人体健康影响的模型（IFSM）。模型应用于加拿大的Windsor和美国的Detroit等城市的空气质量管理，取得了很好的效果。
4. 在能源规划的研究方面，应用区间规划、随机分析、多阶段优化和模糊数学的方法，结合不确定性能源模型，开发了一套中长期城市能源动态规划模型系统，涵盖了加拿大萨斯喀彻温省能源模型、安大略省能源模型、多伦多-尼亚加拉城市群能源模型、滑铁卢能源模型以及温莎-底特律模型。该系统综合考虑了城市能源供应、能源加工和转换、电力的生产和输送、供热的生产和输送、电力和供热的联合生产和输送、能源需求、化石能源可获得性、技术的成熟度、运输能力、可再生能源的实现途径、污染物的排放量以及其它社会，经济和技术等因素，对城市能源结构进行了科学地调整并有效地促进了相关的环境管理。
（三）土壤地下水污染模拟、风险评价与修复
石油开采、运输、加工、销售和消费等过程中造成的环境污染和生态破坏日趋严重，给人类健康和社会发展带来不良影响，已经逐步引起整个社会的高度重视，成为世界性的环境问题。其中尤以石油工业行为所导致的土壤和地下水污染最为严峻。因土壤和地下水中的有机污染常常具有种类多、含量低、危害大、难治理、花费高等特点，要彻底有效地修复和治理这种污染，还面临着巨大困难和众多技术难题。然而，如果不能有效地控制这些污染问题，随着污染的加剧恶化，不仅给人类健康带来巨大威胁，更给未来的环境治理造成严重障碍，以至将来要付出十几倍甚至几十倍的代价。因此，开发针对土壤和地下水石油污染的高效模拟、风险评价和修复技术，成为当前石油工业与环保领域最重要的研究课题之一。本研究小组在该领域的研究主要从下面几个方面展开：
1. 污染物在土壤地下水中的迁移转换过程数值模拟
石油污染的主要成份是非水相液体（Non-Aqueous Phase Liquid，NAPLs）。为了解NAPL地下泄露所造成的影响，关键要对NAPL的传输及其组分的转化进行模拟与分析。对于多相流传输与转化的完整描述必须包括各流相（水、气和NAPL）的传输过程，各流相间的质量转换，以及各流相内各组分的迁移。在研究NAPLs地下传输的过程中，我们开发了多种多相多组分的模拟系统，通过有限元或有限差分法，可以精确模拟多相流在地下的流动过程。这些模型的共同特点是研究了NAPL多维条件下的质量平衡，以及地下水、气等多相状态。我们还利用各种不确定性技术，开发了系列不确定性的地下水污染物传输模拟模型。
2. 土壤地下水污染的风险分析
石油污染中的有机化合物（如BTEX等）大都具有较高的毒性，当渗入地下水后，会对人类健康和环境造成巨大的危害。因此，对石油污染的危害或风险的大小、时空变化规律以及不确定性等进行有效的评价，对于指导污染的修复与管理具有十分重要的意义。该部分工作主要是在污染物传输模拟的基础上，开发各种高效风险评价方法，如随机法、模糊法、区间数法等，对未来可能的环境或健康风险进行定量描述。其中，我们开发的模糊随机耦合风险评价方法能够有效反映土壤地下水物理系统的不确定性以及指标的不确定性，并能够综合考虑环境与健康风险效应，具有国际领先水平。
3. 土壤地下水污染的修复
该部分工作主要包括两大部分的内容：开发各种高效的原位修复技术，以及对各种修复过程进行数值模拟、优化与过程控制。经过多年的研究，我们已经开发出大量有效的基于物理、化学与生物过程的修复技术，如双相抽吸法、低温生物修复法、生物表面活性剂强化修复法等。所开发的系列方法已经被成功用于加拿大西部萨省的Cantuar，Hoosier，以及Coleville等地区的石油污染修复，并取得了良好的效果。另外，我们还开发了相应的数值模拟系统，用于模拟与预测不同条件下各种技术的修复效果。在此基础上，我们利用多元统计、遗传算法、不确定性优化等方法，构建了针对各种修复技术的优化模拟系统，以指导最优操作条件的选取。在此基础上，我们还开发了多种土壤地下水修复的高效过程控制技术如神经网络预测控制器，逐步聚类过程控制器、模糊逻辑控制器等。
（四）流域管理与规划
目前开发的分布式水文模型都很少考虑流域系统的不确定性，如降雨强度与降雨持续时间的测量、气候变化及社会经济活动（影响土壤及植被）、模型所假设的水文参数间的相互作用关系、以及与水文模型密切相关的数字高程模型等，都存在相当程度的复杂性和不确定性。如果忽略这些不确定性，则水文模型的输出结果将严重影响流域管理系统的科学性和有效性。由于缺少对分布式水文模型输入参数（如降雨、温度等）的预测研究，模型不具备中长期预测功能，而区域气候模型（RCM）则能有效预测这些输入参数的中长期时空分布。但RCM的输出结果与水文模型的输入参数在尺度上的匹配存在许多复杂性和不确定性，目前还没有两者之间的耦合研究；就流域管理的优化模型研究来说，目前也缺少跨流域、多层次综合流域管理模型系统的研究开发，不能有效地在时间上和空间上充分考虑整个系统的不确定性因素，并兼顾多方面的需求和利益。坡面产流产沙、河网输流输沙、水质生态、系统优化、不确定性及风险决策分析等关键模型也缺乏有效整合与互动，从而缺少集成度高的流域管理一体化决策支持系统。这些问题已成为制约流域管理水平发展的瓶颈。
本研究组开发的集成式分布式水循环模拟模型系统，是涵盖洪水预报、水资源评价、流域产沙、水质生态、风险评估、不确定性分析、气候变化、GIS和遥感技术、数据存储、网络传输和专家系统等多学科、多领域的综合系统，该系统能够以相互作用和表里兼顾地方式反映流域水和生态、人类经济活动及环境变化之间的互动影响关系，从而为解决调水、配水、防洪、抗旱、水质、生态、水土流失、产业发展等一系列实际问题提科学供决策依据。该系统将区域气候变化模型（RCM）、不确定性分布式水文模型、流域非电源和溶质传输模型、河道动力水动力学和水环境模型集成在一起，来评估流域可利用水资源量，探索由于地表冲刷所导致的污染情况，以及其他一些列与水循环相关的生态环境问题。其中分布式水文模型是整个流域模型系统的主要组成部分。该模型将流域划分成许多子流域，根据不同的土地利用和下垫面条件，每个子流域被进一步划分成不同的单元，然后对各单元进行水量平衡计算，各单元的产流通过各子流域汇流到流域出口，从而得到全流域的降雨径流关系。该分布式水文模型的利用，可大大提高水文预报和其它模型（如水动力模型、水土流失模型、水质模型等）的预测精度，可解决流域管理中的一些列生产实践问题。该分布式流域水文模型将达到国际先进水平，对探讨水资源演化规律和可持续利用和推动中国水文水资源学科的发展，均具有重大的理论价值和实际意义。
该集成式分布式水循环模拟模型系统已经在国内外多个科研项目和实际工程中得到应用，其中包括：江西省永新县禾水流域，塔里木流域，加拿大哈密尔顿地区，洱海流域，加拿大Mackenzie流域，加拿大五大湖流域，湖南省涟水流域等。
（五）能源与环境微生物
微生物的物种资源极其丰富，是地球上仅次于昆虫的第二大类群生物。在选择、竞争、适应的不断交替过程中形成了微生物的多样性。比较和探索不同生态条件下微生物多样性的变化可能为生态利用、环境改造提供新的思路。同时，微生物物种多样性伴随着微生物的基因多样性和功能多样性，因此对微生物的研究也为许多超常物质的研究开发提供了丰富的资源。但是大量微生物的不可培养性是传统微生物生态学在揭示自然界微生物群落结构、生态功能及其相互作用中的最大障碍。基于以上背景，本研究组综合应用最新的分子生物学技术，如荧光原位杂交、基因指纹图谱、克隆文库、变性梯度凝胶电泳等方法，研究特殊环境中的微生物多样性；广泛进行一系列环境和时空规模的微生物遗传和生物多样性测定，解读微生物多样性模式和生态、进化机制。
开发利用有益微生物资源特别是可工程化应用的基因资源已经成为当今最热门的研究课题。基因工程技术在污染治理及污染环境的检测、预报、修复中用途广泛。其所构建的工程菌及开发的积累植物对污染环境的生物修复有着重大意义。此外，利用微生物来治理污染快速高效。因此利用基因工程技术构建高效菌种来治理污染，特别是环境中复杂的或难以降解的有毒有害化合物，如人工合成物塑料、除草剂、杀虫剂等成为环境生物技术的热点之一。基因工程技术在污染环境的生态修复方面，包括资源植被恢复、污染或富营养化水域的修复、有毒有害物质或重金属污染土地的修复等；在生物质能和生物多样性方面，包括提供优良能源、环境污染物质资源化生产和生态农业持续发展等；以及在人类活动（城市化）的生态效应、生态规划、环境监测与环境质量评价等研究应用领域可发挥巨大作用。
近年来发展起来的宏基因组（Metagenome）研究可以克服传统纯培养技术的不足，使人们有可能挖掘和利用99%以上的微生物种类资源，是一条寻找新基因、新活性物质的新途径。但由于该项研究刚刚起步，有许多技术问题有待解决。另外，目前的研究大多只采用通用宿主大肠杆菌作为表达菌株的单一遗传背景下的筛选，漏掉了许多有益资源。本研究组在总结前人的研究基础上，构建带有双cos位点的大肠杆菌-芽孢杆菌穿梭型粘粒（Cosmid）载体（平均克隆片段长度可达50 kb），建立几个特定环境下的高容量微生物宏基因文库，利用大肠杆菌和芽孢杆菌双宿主遗传背景，采用功能驱动筛选（Function-Driven Screening）模式，分离一批在农业与工业生产、环境治理、药物开发等方面具有潜力的基因资源和活性物质。目前本研究组已经发掘了一株具有优良生物学特性的芽孢杆菌，并建立了高效的遗传转化系统，同时构建了双cos位点的穿梭粘粒，正对其操纵性进行检验，准备适当的时机申请专利；另外已经摸索出一套提取微生物宏基因组的方法体系，为高通量宏基因组文库构建、基因克隆和表达奠定了基础。
（六）固体废物处理与资源化
（七）环境化学、环境规划与评价
主要研究环境中有毒污染物的分析与监测技术，污染物形态分布及其分析方法，环境监测技术中的质量保证理论与应用，以及环境中有毒污染物的环境行为及其机理，另外还研究高浓度废水及沉积物中污染物的治理方法与控制途径。环境规划与评价：主要研究环境监测质量控制、环境质量评价、环境规划、环保竣工验收中的基本理论、方法和应用问题，以及计算机在环境评价与规划中的应用等。
（八）基础生态学与恢复生态学
（九）气候变化与环境、能源耦合系统研究
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