水循环及水资源安全
挑战
考虑环境变化影响的水资源评价与管理？
水循环及水资源安全
变化环境中的水循环 与传统的自然水循环之间
产生明显的差异
变化环境下的水资源评价困难： 水文测站观测的径流逐年减少，如何还 原天然径流？ 水资源的量与质如何统一评价？
水循环及水资源安全
新的挑战与难点问题
如何定义水资源的承载力/生态环境承载力？ 如何量化可持续水资源管理？ 如何调控健全（健康）的水循环系统？ 如何实施中国国家尺度/区域尺度/流域尺度的 水资源优化配置？
？
？
宏观尺度：非线性-随机动力学系统耦合
WUHEE
水循环及水资源安全
2. 陆-气水文循环相互作用：能量观测/雷达系统
问题：空间台站太少！
水循环及水资源安全
2.流域水循环机理认识： 同位素水文学方法
水循环及水资源安全
水循环流路/转化 关系比较清楚， 水文的流量/流速 定量化比较困难
讨论的问题2： 如何减少/ 处理变化环境中的流 域水循环模拟中的不确定性？
自然（气候）变化对陆面水文生态系统的作用
大气
陆面
人类活动 影响
GCMs 宏观尺度模式
聚解/聚合 （再参数化）
生态－水文模型
( 低分辨率 )
观测资料与信息
(高分辨率 )
水循环及水资源安全
-
下产地 水流貌 多、、 源河陆 信网面 息汇覆 集流被 成、变
地化 表、 水单 地元
水循环及水资源安全
分布式水循环系统模型
流域下垫面（地形地貌 + 土地利用 ） 都市化过程等
水文变化的动力学过程
水循环及水资源安全
基本的依据-过程观测
1. 局部尺度观测： 坡面-代表性单元-小流域
难题： 小尺度SPAC机理如何应用到大的流域？
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水文尺度/参数化问题
微观尺度：水文物理方法/物理模型
？
？
中观尺度：水文系统方法/概念性模型
全 全球变化的水 －碳循环问题； 球
……
增
暖
大
水碳
生态
陆地
气
水碳
技术支撑
数据库 试验 古气候 数值模拟 3S技术
……
人类 活动
地表 地下
海洋
国家需求：
华北地区缺水与生态环境恶化；西部地区水资源承载力； 长江流域水环境演变规律；… …
讨论的问题3：
研究“有序/健全的水循环系统” 是否可以将自然变化和人类活动 影响的水循环问题统一起来？
突出的特点：“有序/健全”的水循环过 程必须将水循环后果直接与社会经济发 展、生存环境质量联系在一起。
水循环及水资源安全
“健全的水循环系统”研究
“以流域为整体，以自然变化 加健全方式的人类调控的水循 环方式，将用水、防洪、治污 目标统一协调，使得水能够达 到最佳利用的水循环系统”
土地利用/覆被变化 3. 混合作用： 大气环境变化+陆面环境变化
水循环及水资源安全
高强度的人类活动
由于自然或人为因素，使地理环境发生改变，从而引 起水循环要素、过程、水文情势发生变化，称为水文 效应。
一、直接影响 是指人类活动使水循环要素的量或质、时空分 布直接发生变化，如兴建水库、跨流域引水工 程、作物灌溉、城市供水或排水等。
环境变化的水文水资源研究： 机遇与挑战
水循环及水资源安全
传统的水文水资源 主要研究自然的过程变化
水循环及水资源安全
21世纪主要面临的问题
气候变化 人类活动
土地利用/土地覆被变化
（农业化、水利工程、城市化）
环境变化的水循环与水资源安全
水循环及水资源安全
90年代后，国际上实施一系列 与水有关的科学研究计划
缺乏信息/无测站水文问题 IAHS 提出的PUS s
PUSs 定义
PUSs 研究方法 水文实验方法（密站网/疏站网关系） RS/GIS信息直接估算水文参数 4D数据同化 / 其他方法（地质统计与 插值方法等）
PUSs 研究计划
水循环及水资源安全
甘肃黑河流域山区雨量站分布
10,500 km2
水循环及水资源安全
二、间接影响 指人类活动通过改变下垫面状况、局地气候， 以间接方式影响水循环各要素。例如植树造林 、发展农业、城市化等。
水循环及水资源安全
高强度的人类活动
一、水利工程、农业措施对水文要素的影响 水库水文效应 跨流域调水水文效应 小型农田水利措施水文效应 农业措施的水文效应
二、森林水文效应 三、城市水文效应
水循环及水资源安全
讨论的观点1：
变化环境中的流域水循环 机理研究可能是关键。
水循环及水资源安全
陆-海-气系统与流域
大气
海洋
陆地
流域
子流域 。。。
水系（河网） 坡面
自然系统 人类活动
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Basin Scale
x
outlet
inflow
水循环及水资源安全
0.5o
机理研究的挑战
流域水文循环两个最基本非线性系统支撑： 生态覆盖
降雨
全球能量与水循 （IHP）
国际地圈生 物圈计划
（IGBP/BAHC）
发展趋势： - 环境变化的水循环及其相关的地表过程 - 针对水资源、生态变化实际问题的科学研究
水循环及水资源安全
一、何为环境变化？
水循环及水资源安全
1. 大气： 自然变化/气候变异 2. 陆面：高强度的人类活动
（90年代后日本提出该观点）
水循环及水资源安全
3S技术 RS
GIS
气候、来 水变化
关键科学问题
人类经济活动 环境变化下的水循 与用水方式 环及地表过程机理
水资源调控/ 生态修复
目标准则： 可持续发展 生态质量 气候变化 社会经济
认识产生水问 题的成因
水资源承载力
在一定的水资源开发利用阶段，满 足生态需水的可利用水量能够维系 该地区人口、资源与环境有限发展 目标的最大的社会—经济规模。
（南水北调工程与环境影响评价）
水循环及水资源安全
二、如何认识变化环境中的 水循环规律？
- 问题、困难与挑战
水循环及水资源安全
问题
变化环境中的水循环有规律可寻吗？ 如何区分变化环境中水循环过程的自然 变化与人类作用的贡献？ 如何量化变化环境下陆地水循环规律？
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人工侧支水循环
用水量 耗水量 回归水
水循环及水资源安全
描述水循环及能量循环相互制约关系是
陆地和大气的 水量平衡方程
能量平衡方程
问
陆-气间水循环和能量循环的基础
题
与
长期以来由于海洋和陆地降水、径流观测覆盖
挑
面不够，对蒸发还不能直接测出，导致全球水 循环研究存在很多的不确定性。
战
水循环与能量循环一直处在隔离（Gap）状态
水循环及水资源安全
水循环及水资源安全
人口数/ 亿m3
GDP/ 亿m3 净福利/ 亿m3
生态系统
水资源承载力 F
供需关系
可供水资源量 Ws
生态需水 We
需水 WD 社会经济系统
自然 变化
流域水资源量 W 流域水循环系统
人类 活动
图1 量化水资源承载力的系统关系示意
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科学问题
大气－陆面－
水文耦合及尺度 问题；