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变化中的“自然-社会”二元水循环: 流域水循环演变机理与水资源高效利用

悦智网 2020-03-25 13:19:53

强烈的人类活动和全球气候变化导致流域水循环发生了深刻变异,具体表现为资源衰减、环境污染、生态退化、供需失衡等,严重威胁国民经济安全和生态安全。探索高强度人类活动影响下流域水循环演变机理和水资源高效利用模式,可为强人类活动严重缺水流域的水循环调控奠定科学基础,增强保障我国缺水流域水安全的基础科学支持能力。海河流域是我国京津冀一体化发展的载体,但人均水资源量仅有243立方米,为世界平均水平的1/30,是全球缺水程度最深、行业用水竞争最激烈、水循环演化程度最深、人类活动干扰最强的流域。因此开展海河流域水循环演变机理与水资源高效利用研究具有很强的代表性,对解决“一带一路”国家水资源问题也有重要辐射意义。

为了破解我国北方地区水资源可持续利用难题,国家973 计划项目“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”团队,在项目首席科学家、中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室主任王浩院士的带领下,联合中国农业大学开展农业水资源高效利用研究的康绍忠院士团队,以及清华大学开展城市水资源高效利用研究的陈吉宁教授团队等组成创新小组,经过5年的艰苦攻关,取得了一系列重大科学发现。

项目创新提出了高强度人类活动影响下的流域“自然-社会”二元水循环理论,构建了高精度的数学模型,识别了海河流域水循环及其伴生过程的演变规律,并对未来进行了趋势预测,提出了水资源调控方案,大幅提升了区域水资源利用效率。

首先,提出了变化中的流域“自然-社会”二元水循环理论,为流域水循环演变机理与水资源高效利用提供了理论工具。由于强人类活动影响,流域水循环的动力条件、循环结构和循环特性发生了变化,水循环各基本环节均发生了非平稳性变化,改变了水文系列的一致性,导致研究自然水循环的水文学方法在水循环监测、模拟、反演和预测方面遇到了瓶颈;而研究社会水循环的水资源学方法缺乏和自然水循环的互动机理,缺少自然背景值支持。基于此,项目组提出了流域“自然-社会”二元水循环理论,从一元静态的学科范式发展到二元动态的新学科范式——“实测-分离-耦合-建模-调控”。流域“水-环境-生态”系统是典型的复杂大系统,高强度人类活动干扰下流域 “水-环境-生态”系统具有明显的“自然-社会”二元特性,模拟难度极大。项目基于自然、社会二元驱动下流域水循环、水环境与水生态三大系统内在动力学演化机理,充分考虑水循环、水环境和水生态三大系统之间的物质与能量交换关系,构建了流域水循环及其伴生过程综合模拟模型(NADUWA3E),模型具有较高的精度,能够反演历史、评价现状、预测未来。

其次,采用NADUWA3E模型平台,首次从广义、狭义水资源,地表水以及地下水多角度定量揭示了海河流域水资源演变的六大规律,并进行了归因分析。在强人类活动和气候变化双重作用下,海河流域水循环发生深刻变化,从而对水资源结构、数量、时空分布的演变产生了深刻影响。项目基于气候模式、流域“自然-社会”二元水循环模型(NADUWA)、遥感技术、地理信息系统(GIS)技术、试验等方法,深入研究了流域水循环的“大气-地表-土壤-地下”演化过程,全面定量揭示了变化环境下流域水资源演变的六大规律:(1)流域内部的水循环通量加强,海陆水汽大循环下的跨流域水汽循环通量在流域水循环总通量中的比例下降;(2)流域地表和地下水循环过程的联系减弱,地表水和地下水之间的循环重复量减少,不重复量增加;(3)流域土壤和地下水循环过程的联系减弱,土壤水下渗补给地下水量减少,地下水循环更新周期延长;(4)各项人类活动的总效应,使得流域水循环的垂向通量增加,水平向通量减少,径流系数减小;(5)在气候变化和人类活动的双重驱动下,狭义水资源量与广义水资源量均减少;(6)通过定量的归因分析,发现在上述水循环演变规律中,人类活动贡献占主导地位。这也是第一次系统研究流域“万年-千年-百年”尺度的水资源演变规律,这些规律在我国北方地区具有普遍意义,在全球范围内也有不同程度的反映。

最后,对海河流域水循环及其伴生过程的演变趋势做了全面定量的预测,提出了水资源调控措施。在全球气候持续变化及人类活动影响继续加深的条件下,未来水循环及伴生环境、生态过程将如何演化,既是学术界关注的科学问题,也是政府和民众关注的重大现实问题。项目基于流域水循环及其伴生过程综合模拟模型,设定不同的二氧化碳排放、经济活动宏观调控、土地利用格局、水资源开发利用、污染排放控制等情景,对未来气候变化、水资源、水环境及生态的演变趋势进行了定量仿真预测,成果为海河流域水资源综合调控政策制定提供了支撑。海河流域未来水资源调控措施包括南水北调受水区跨流域调水,平原区地下水压采、限采、禁采,农业、城市、生活高效节水,生态湿地保护等方案。相关措施落实后有效缓解了海河流域用水紧缺的矛盾,促进了流域内节水、再生水利用和用水效率的提高,有效控制了地下水超采,提高了湿地湖泊蓄水率,增加了入海水量,促进了流域生态环境的改善。

项目成果获2014年度国家科技进步一等奖,研究成果引起了国内外的广泛关注,国际水文发展十年计划(IHD)将“变化中的水文循环与社会系统”定为今后10年(2013—2022年)的唯一研究主题,变化中的流域“自然-社会”二元水循环研究已成为国际水文学界新的研究前沿,有力提升了我国水科学研究的国际地位。通过项目实施,造就了一支国际水文水资源领域的优秀团队,项目组骨干1名入选工程院院士,获国际灌溉排水委员会(ICID)国际节水技术杰出贡献奖、美国地质学会水文地质学杰出主席奖、英国女王奖等多项国际重要学术奖励。

致谢:感谢国家973 计划项目“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”(项目编号:2006CB403400)的支持。

专家简介

王浩:国家973 计划项目首席科学家,中国工程院院士,流域水循环模拟与调控国家重点实验室主任。

贾仰文:中国水利水电科学研究院水资源研究所副所长、教授、博士生导师。

牛存稳:中国水利水电科学研究院水资源研究所教授级高级工程师。

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