三层级多目标水循环调控理论与工程技术体系

以新疆典型干旱区内陆河流域为研究对象，通过对地理、地貌、水文气象条件、流域水循环特征的系统分析，提出了水资源开发利用存在的三大问题，即：水资源匮乏且时空分布严重失衡，跨界河流水安全问题突出；水资源过度开发利用，人工绿洲与天然绿洲结构严重失调，生态环境恶化；水资源利用效率效益低，供需矛盾和水盐平衡失控。以水问题和水需求为导向，工程措施与生态保护并举，采用系统科学的基础理论与分析方法，构建了三层级多目标水循环调控理论与工程技术体系，分别从宏观、中观、微观三个层级，提出了区域、流域、灌区水循环调控与水资源高效利用的科学模式和关键技术。结合区域地形地貌特点和水资源禀赋条件，建立了北疆“网式”、南疆“环式”、东疆“串式”结构水循环调控框架，增强区域水资源合理配置的调控能力。针对流域水循环特点，提出山区水库替代平原水库和河道内与河道外引水“三七调控”、经济与生态耗水“五五分账”的综合调控模式。围绕现代灌区建设和面临的挑战，研究指出建立节水灌溉—水盐调控—地下水利用—生态保护“四位一体”的水资源高效利用综合调控技术体系，是干旱区绿洲农业可持续发展的方向。     

黑河流域水问题与水管理的初步研究

水资源已从自然资源跃升为国家关键性、基础性战略资源,我国是联合国列为13个贫水国之一,占国土面积1/3的内陆河地区先天性的资源缺陷叠加不合理的利用使得水问题成为内陆河流域经济发展和环境保护的关键性问题。分析了中国典型内陆河——黑河的水、生态、环境问题;指出了传统生产条件下流域水资源利用已经走到尽头,缓解流域水资源矛盾必须提高单方水的效益;概要了“黑河流域水-生态-经济系统试验示范研究”在上游水源涵养区培育、中游节水型绿洲构建、下游生态水利用率提高以及生态经济学研究的部分成果,显示出提高流域水-生态-经济综合效益仍有较大潜力。在流域尺度上认识内陆河地表过程及其演变规律,集成生态技术体系和模式,重视流域尺度的水循环,实现流域尺度的生态水文学实验研究,建立内陆河流域科学基础应为长期努力的方向。     

地震灾区重建中有关水文与水环境问题的若干思考

利用国际上有关大型地震灾区水文过程和水环境变化的研究成果和龙门山区断裂带水循环系统特点,从地表水循环变化及其对流域水资源形成和分布的可能影响、河道形态与径流过程变化、坡面水动力场的可能变化及其对坡面岩土稳定性与土壤侵蚀的作用、水环境可能变化以及流域水安全与水库生态调度等方面,讨论了"5.12"汶川特大地震对区域水循环和水资源以及水环境等方面存在的可能影响,认为在灾后恢复重建过程中,应重视对流域尺度水循环与水资源和水环境科学的系统研究.     

区域“水—土—能—碳”耦合作用机制分析

在相关研究的基础上,对区域“水—土—能—碳”耦合系统及其要素关系进行解析;分析其耦合作用机制、主要研究视角和影响因素;并提出了未来的研究趋向。① 区域“水—土—能—碳”耦合作用系统不仅体现了地表系统四大圈层的作用,更以水循环、土地利用、能量流通、碳循环的形式构成了区域“自然—经济—社会”的核心内容,该系统不仅反映了区域不同资源类型的匹配关系和开发利用效率,也体现了人类社会对环境的影响程度;② 该系统可以分为三个相互联系、相互作用的子系统：水系统、土地系统和能源系统。它们之间通过不同途径相互联系、互为资源,共同构成了区域社会经济发展的资源基础,而区域碳排放强度则主要取决于水、土、能等要素之间相互需求的类型、产业活动方式和能源类型与结构等;③ 区域“水—土—能—碳”耦合作用机制可以从微观角度、产业活动、土地利用等不同视角来分析;④ 区域“水—土—能—碳”耦合作用系统主要受自然、经济、社会和压力等因素的影响。其中经济因素,特别是经济发展水平、生产效率和技术水平是系统结构、功能和效率的决定性要素;⑤ 未来应重点从区域“水—土—能—碳”耦合系统模拟、其与气候变化和粮食安全的关系、资源耦合开发的碳排放效率及其综合评估与调控研究等方面开展研究。     

水系统综合管理与模拟工具(WIM)的设计与开发

大规模的人类活动已经将不同流域连接为一个整体系统,针对跨流域复杂水问题的研究,从科研和管理的角度,迫切需要发展集多源数据集成、水循环过程模拟和决策支撑为一体的水系统综合管理与模拟平台。本文面向国家需求,采用面向对象设计方法,基于GIS平台创建了具有自主知识产权的WIM(Water system Integrated Modeling and Management Tool)系统。WIM是一个基于模块化结构的水系统综合管理与模拟工具,实现了水循环多源数据集成和多过程耦合模拟,具有数据动态加载、模型在线耦合和模块按需定制等功能。WIM提出为复杂水问题的研究,跨流域调水对陆地水循环影响与水安全分析提供了支撑,促进了中国在水循环综合模拟与系统集成等方面的科技发展。     

河西内陆河流域水生态安全评价研究

水安全评价相关研究已有较多成果,但绝大多数采用P-S-R(压力-状态-响应)及其扩展模型,且评价指标体系的优化校准几乎从未提及。本文将W-SENCE(与水有关的社会-经济-自然复合生态系统)模型引入水生态安全评价领域,从水生态安全的自然属性和社会经济属性方面构建水生态安全评价指标体系,结合模糊系统分析及改进生态位理论对指标体系分析、优化,以优化后指标体系对河西内陆河流域2014-2017年的水生态安全状况模糊综合评价。结果表明:指标B3(工业增加值)、B13(河川基流量)、B17(产水系数)、B20(引水量)的改进生态位宽度值相对最大,对指标体系影响相对最小,建立优化指标体系时剔除。优化后指标体系中,指标C11(多年平均降水量)、C16(蓄水量)、C17(地表水源供应量)、C18(地下水资源供应量)、C24(生态环境用水量)、C29(节水灌溉面积)权重最大,为流域水生态安全主要影响因子,表明加大水利基础设施投入,发展节水灌溉农业,保护生态环境是提高内陆河流域水生态安全状况的最有效措施。2014-2017年,黑河流域水生态安全状况持续好转,石羊河和疏勒河流域水生态安全状况均呈持续恶化趋势,应作为重点治理区域,内陆河流域水生态安全状况“整体改善,局部恶化”趋势仍在持续。结果可为河西内陆河流域水行政、生态环境管理、生态风险决策提供理论支持。     

华北地区水循环与水资源安全:问题与挑战

华北缺水及其日趋严重的生态环境变化是中国首要解决的问题之一。目前,由于山区与平原径流明显减少和过量开发水资源,造成了地下水漏斗加深、平原区河道干涸、湖泊湿地萎缩、地表和地下水污染等生态环境恶化问题,严重影响到华北地区水资源安全,已引起党和国家的高度重视。本文以海河流域为重点对象,通过国内外学科前沿进展综述,指出华北地区缺水及其导致的生态环境恶化问题背后的自然和人文因素作用与发展演化的背景,强调高强度人类活动作用下的水循环基础研究的重要性,提出华北地区水资源安全的水循环基础与应用问题研究的若干建议与思考。研究自然和人类活动双重作用下的华北地区水循环过程,水体运动与污染物质输移及其与生态环境演变耦合机制,阐明华北地区"河道断流,水体污染,湿地消失,地下水枯竭"的成因规律,特别是人类活动的驱动分量,提出生态环境修复的理论基础,不仅对变化环境下流域水环境演变的地学基础科学前沿研究有重大的学术价值,而且对中国可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。     

黑河流域水循环演化与可持续利用对策

通过环境同位素研究和指数加权量化分析表明,黑河流域水循环演化主要受区域气候变化和人类活动影响,中游区人类活动对黑河径流水文过程变异影响强度达85％,以至成为下游区湖泊干涸、地下水位持续下降和生态环境退化的重要因素,由此提出如下论点：实现黑河流域水资源可持续利用和下游区生态环境有效保护、关键是规范中游区人类用水,使其符合黑河流域水循环自然规律,并建议正确处理兴修水利工程与地下水涵养的关系,着眼于整个黑河流域生活、生态和生产可持续发展的总目标,强化生态需水优先的可持续发展理念,充分发挥地下调蓄和地表—地丁水联合优化配置功能。     

近50 a来黑河流域水资源问题与流域集成管理

 基于黑河流域器测水文等资料,分析了近50 a来黑河流域水资源形成区——上游山区水资源变化的历史背景和趋势、平原绿洲-荒漠耗水区3个循环带水资源时空变化及区域耗水特征,以及水资源管理政策变化下的流域中下游水环境问题和社会经济系统水循环过程中的水问题,探讨了解决内陆河流域水问题的水资源集成管理和区域可持续发展对策。     

祁连山排露沟流域径流对气候及下垫面变化的响应

在全球气候变暖和人类活动的共同影响下,中国西北干旱半干旱区水循环变化与水资源再分配正在改变区域生态环境。在长时间序列尺度上,仍缺乏对西北内陆河径流变化机制与特征时空格局的统一认识。本研究以祁连山排露沟流域为试验区,基于量水堰实测长序列径流数据,采用线性回归法、Mann-Kendall、滑动t、Pettitt和累积距平等检验方法,分析排露沟流域1994—2020年径流序列的变化趋势和突变年份;以气象站监测和人工潜在蒸发观测数据为基础,采用Budyko假设水热耦合平衡模型对排露沟流域径流量变化趋势进行归因分析;以固定样地2003—2021年每木检尺数据,采用材积源生物量法,对排露沟流域15个乔木固定样地的1017棵青海云杉的碳密度进行估算。结果表明：(1)1994—2020年排露沟流域径流量波动变化,丰枯交替,但整体呈现增加趋势,2006年径流发生突变,突变后的年平均径流量增加了9.53×10⁴ m³,增加率为34.88%。(2)在2007—2020年的突变期,排露沟流域径流对降水、潜在蒸发和流域下垫面参数的弹性系数分别为3.15、-0.70和-...     

中国内陆河流域尺度的水资源利用率提高研究--黑河流域水-生态-经济管理试验示范

水资源是人类生存和社会发展中最重要的成分，中国内陆河的可持续发展所面临的生态问题源自有限的水资源和高的人口压力这两个方面的不协调。通过总结“黑河流域水-生态-经济系统试验示范研究”项目近几年在涵养水源、绿洲尺度的水利用率提高和流域水-生态-经济系统中的水资源配置的部分试验成果和研究进展，以实际事例展示了在流域尺度上提高水资源利用率的可行性和潜力。加强基础研究、引入“虚拟水”等创新意识、通过专家和管理层的结合可进一步提高流域水资源利用率。     

塔里木河流域水资源研究进展

塔里木河是我国最大的内陆河,也是南疆各族人民的母亲河,对其水资源研究的脉络梳理有助于指导当前和未来一段历史时期的水资源研究方向,为水资源合理优化配置提供理论依据,促进南疆经济发展与社会稳定。针对塔里木河流域水资源问题的研究从时间脉络上大致可划分为三个阶段。20世纪50年代之前,主要是中国的历史典籍、自然地理图志和近代国外探险家的探险历程,如实记录了塔里木河的水系变迁和自然风貌,间接反映了流域水资源受到自然-人类活动影响的缓慢变化;20世纪50年代-90年代,随着南疆大规模开发,水资源研究逐渐聚焦于水资源的合理配置与有效管理,其主要针对的是近几十年来人类活动加剧造成的流域内水资源短缺、生态恶化、水资源管理混乱等一系列相关问题;21世纪以来,由于气候变化和人类活动影响造成的塔里木河水文过程变化、水资源承载力及供需矛盾、地下水资源利用与保护等逐渐成为塔里木河水资源研究的新热点。本文在系统梳理三个阶段的研究成果后,进一步提出了未来塔里木河流域水资源研究应的重点关注方向,包括生态调度、水权配置与生态补偿、跨流域调水等。     

塔里木河下游胡杨径向生长量对生态输水的响应

 以塔里木河下游的胡杨径向生长量为研究对象,借鉴树木年轮水文学的方法,采用单因素方差分析方法,从数理统计学的角度分析了胡杨径向生长量对生态输水的响应过程。结果表明: ①距离河道300 m范围内,生态输水前后及输水期间各年份之间,胡杨的径向生长量在0.001的水平上差异极显著,胡杨对生态输水的响应非常积极; ②距离河道300 m范围外,胡杨的径向生长量在0.05的水平上差异不显著,胡杨对生态输水的响应不积极; ③线性的生态输水只是缓解了河道附近植被的衰退,改善了局部生态环境,却无法从根本上缓解整个塔里木河下游生态环境的恶化,塔里木河下游的生态环境呈现出局部改善、整体恶化的趋势。     

基于氢氧稳定同位素和水化学的青藏高原高寒内陆流域水文过程示踪研究

氢氧稳定同位素和水化学已成为研究水文循环过程的良好示踪剂,两者的结合能很好地揭示流域或者区域（特别是缺少水文观测数据的高寒内陆地区）的水文循环过程。青藏高原地表环境较恶劣,缺乏流域尺度的水文观测资料,不利于对流域尺度水文循环过程的综合理解和认识,成为水资源高效综合利用的瓶颈。为此,本文以青海湖沙柳河流域为研究对象,通过对降水、河水和地下水的定期定点高密度采样和对其氢氧稳定同位素组成（δD、δ¹⁸O）和水化学氯离子（Cl^-）浓度的分析测定,其目的旨在识别和示踪流域不同水体间的补给关系,探究D-¹⁸O同位素和Cl^-离子能否指示流域水文过程。结果显示,青海湖沙柳河流域干、支流河水和地下水均受降水补给,自上游至下游,干流河水受降水补给作用较强,支流河水受补给作用依次减弱,地下水受降水补给作用较弱。下游干流河水主要受下游地下水和全域支流河水补给,比例分别为15.45%和84.55%;下游地下水主要由中上游的河水和地下水补给,比例分别为42.40%和57.60%。上述结果表明结合氢氧稳定同位素和水化学手段可定量揭示高寒内陆河流域的水文过程,可为青藏高原其他类似流域水文过程示踪研究提供范例。     

基于生态水文调控的流域综合管理研究综述

在全球气候变化与人类活动的双重影响下,流域水与生态等问题将更加突出、相互交织,是当前亟需解决的影响和制约世界各国可持续发展的瓶颈问题。基于对流域综合管理概念内涵的理解,以生态水文学理论和基于自然的水资源解决方案的理念为指导,提出了基于生态水文调控的流域综合管理概念与内涵,着重阐述了其核心内容：① 理论方法——流域生态水文调控原理与方法;② 应用实践——面向生态-社会协调可持续的流域水资源综合管理。将丰富和发展流域综合管理理论方法与技术体系,提升流域综合管理的实效性和整体水平。     

基于水供给服务空间流动模型的渭河流域水资源安全格局

基于VIC模型量化了渭河流域水资源供需平衡关系;构建了水供给服务流动模型,模拟了渭河流域2005年、2010年和2015年的水资源安全格局,利用地理探测器探寻了区域水资源安全的主要驱动力。结果表明：① 流域内水资源供需矛盾突出,平均每年有10.89 %的地区经上游水资源补给后达到用水安全,补给不充分和未受补给的区域增加,不利于流域可持续发展。② 2005年水资源安全指数（WSI）最高,2010年最低。区域WSI的变化是自然要素和人文要素综合作用的结果,其主导因素为农业耗水量和人口。③ 农业耗水和生活耗水对区域水安全的解释力最强,通过研究发现渭南市农业用水效率过低,西安咸阳市人均生活用水过高。应倡导节水型农业、控制城市用水定额、调整水费、增强居民节水意识以提高流域水资源安全。     

地缘安全视角下的中国国际河流水资源开发利用

全球地缘政治竞争回潮与资源环境危机推动国际河流水资源开发利用成为影响国家地缘安全的关键变量。通过对既有文献的梳理,发现国际河流水资源开发利用在“稀缺-冲突”范式下激化流域各国的矛盾,引发的水资源冲突联合域外势力进一步作用于国家地缘安全;在地缘安全视角下,中国国际河流的水资源开发利用经历了从“弱安全化”到“强安全化”再到“去安全化”的演进;水环境治理、水量分配及水开发利益协调是水资源开发利用中的核心议题,涉及的跨境水资源污染、水权分配以及水电开发争议等问题与国家地缘安全密切相关;东北、西北及西南三大国际河流密集区水资源开发利用方式地域分异明显,在差异化的地缘环境下带来多元的地缘安全威胁;最后基于“一带一路”及“人类命运共同体”等背景对中国未来外交提出建议。