流域绿水研究的关键科学问题

阐述了开展流域绿水研究的重要意义,分析了流域绿水研究的关键科学问题：①绿水量的测算方法与尺度转换;②流域绿水流的形成、转化及其生态水文响应机理;③流域绿水资源评价与管理。指出流域水资源评价与管理要以降水为基本水资源,综合考虑蓝水和绿水两部分,协调流域上、中、下游生态、生产和生活用水,充分开发利用非生产性绿水资源,平衡自然生态和人类用水。     

流域水资源实时调度研究——以黑河流域为例

系统地总结了流域水资源实时调度的研究现状和调度的基本理论依据。流域水资源实时调度以显式考虑人类活动影响的二元动态水资源演化模式为其理论基础,提出了“宏观总控、长短嵌套、实时决策、滚动修正”的流域水资源实时调度的模式。并以黑河流域为例,进行了应用研究,初步应用表明,该模式能满足流域水资源实时调度管理的需要,可为我国北方干旱半干旱地区流域水资源实时调度提供借鉴。     

气候变化影响下水资源脆弱性评估方法及其应用

气候变化和人类活动影响下的水资源脆弱性评价,是将气候变化影响纳入水资源规划管理、提出缓解气候变化不利影响的适应性对策的重要科学依据。针对与气候变化影响的水资源系统的敏感性和抗压性相联系的脆弱性与适应性问题,提出变化环境下水资源脆弱性评估理论体系和一般性公式。进一步,以水资源供需安全为出发点,采用温度、降雨双参数弹性系数和有水资源基础,直观、简单的水资源关键性指标体系方法,提出气候变化和人类活动背景下水资源脆弱性评估模型。将模型应用于缺水最严重的海河流域,评价了现状和未来情境下流域水资源的脆弱性情况。结果表明:整体上海河流域水资源脆弱性偏高,且平原区较山区更脆弱;气候因素对流域水资源的脆弱性影响明显,未来如不采取措施,海河流域的水资源脆弱性将进一步加重。     

数字黑河的思考与实践3:模型集成

介绍了"数字黑河"模型集成研究的进展.①流域科学研究中的模型集成由发展流域集成模型和建模环境这2个主题所构成,前者可概括为"水-土-气-生-人"集成模型,后者是支持集成模型的高效开发的软件工具,注重于应用先进的信息技术为建模提供支撑.②将模型集成分为知识途径和技术途径,讨论了建模环境在模型集成中的作用,以及科学模型和流域管理模型的关系.③回顾了黑河流域模型集成的总体目标是发展两种类型的集成模型,其中第一种回应科学目标,是地球系统模型在流域尺度上的具体体现,以建成能够综合反映流域水文-生态-经济相互作用的模型为标志;第二种集成模型回应管理目标,以建成空间显式的流域水资源决策支持系统为目标.④对黑河流域已有的水文、地下水、水资源、陆面过程、土地利用、生态、社会经济与生态经济建模工作做了系统的综述.⑤分析了黑河流域集成模型研究中存在的问题和所面临的挑战.     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

两千年来黑河流域水资源平衡估算与下游水环境演变驱动分析

利用地方史志、历史地理、树木年轮和近代器测记录相关的黑河流域历史时期人口变动、水土资源开发利用、下游湖泊变化、流域水资源和气候变化等资料, 通过对比上游出山水资源量、中游人类活动水资源利用量和下游湖泊面积变化, 在千年-百年时间尺度上对流域水资源平衡进行了估算, 并分析了历史时期各阶段下游湖泊水环境和天然绿洲演变过程和驱动机制. 研究结果表明: 在黑河流域, 气候变化条件下的上游山区水资源总量和中游走廊平原区绿洲人类活动用水后下泄的水资源量, 决定了下游水环境演变过程;在两千年来显现出不同历史阶段的流域水资源平衡模式和下游水环境演变特征, 以及气候变化和人类活动在不同历史时期的耦合驱动机制.     

流域科学研究中的观测和模型系统建设

流域是地球系统的缩微,是自然界的基本单元。流域科学从基础研究角度可以被看作是地球系统科学研究方法在流域尺度上的具体体现;从流域综合管理的应用角度看,流域科学是在流域尺度上通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。流域观测系统和模型系统的建设是发展流域科学的前提。提出了建立遥感—地面观测一体化的、覆盖流域能水和生物化学循环及社会经济活动的流域观测系统的设想,规划了系统各组成部分,以高效、高分辨率、高精度、多尺度、集成和现代化为流域观测系统的基本衡量准则。流域模型系统可概括为“水—土—气—生—人”集成模型的发展,[JP2]应该科学目标和流域管理目标并重,既要发展具有综合模拟能力的流域集成模型,也要建成流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统。流域集成模型应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成。     

海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅰ.模型开发与验证

针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的"自然-人工"二元特性,开发了流域二元水循环模型(简称"二元模型").二元模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成.针对各模型的优势与不足,提出了两层耦合的技术路线,以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能.WEP、ROWAS和DAMOS分别采用11752个、125个和8个计算单元对海河流域进行划分,在获取各类输入参数后,应用二元模型对海河流域进行了分析计算与模型验证.结果表明,所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度,模型得到验证,可望用作海河流域水资源规划与管理的情景分析工具.     

近60年气候变化及人类活动对艾比湖流域水资源的影响

以艾比湖流域为研究对象,基于研究区近60年水文、气象、社会经济等资料,分析了气候变化与人类活动对艾比湖流域水资源的影响。研究表明:(1)近60年,艾比湖流域三大主要干流径流总体呈现增加趋势;(2)近60年,虽然艾比湖流域干流径流量总体增加,但由于人类活动影响作用,导致艾比湖湖区面积和入湖量均呈现逐渐减少的趋势;(3)近60年,人类活动负影响的效果高于气候变化正影响的效果,人类活动的加剧是导致艾比湖流域湖区面积持续减少的主要原因。     

流域水环境功能区划及其关键问题

针对现行水环境功能区划存在的6大问题,提出了以景观生态学、流域管理和水生态服务功能等为理论基础的,以水生态分区、水生态系统完整性评价、冲突分析等为区划途径的流域水环境功能区划。该区划方法及技术路线充分体现了国外趋势与国内管理要求:流域尺度、协调思想、因地制宜和动态性,并重点分析了概念内涵和技术操作程序。同时针对此区划的2大关键问题——协调人与自然、不同利益者冲突问题和确定分类管理功能区——提出了思路与解决途径。本研究有效地权衡了人类需求功能与水生态需求功能,协调了跨界冲突问题以及综合考虑了水资源利用、水环境改善和水生态保护的相互关系,为我国未来水环境管理和流域管理提供技术支持。     

Research Progress of the Heihe River Basin Based on Bibliometrics

Water resource is the focus and hinge between ecological environment and socio-economic development. Watershed is the basic unit of hydrology and water resource studies. It is the current hotspot in water science research to carry out the integrated research of the hydrology and water resource at the watershed scale. The Heihe River Basin is the second largest inland river basin in northwestern China, which becomes one of the hot watersheds for its unique hydrological and geographical characteristics. Based on the Web of Science Core Collection, the scientific advances achieved in the Heihe River Basin were estimated from the new sight by combining disciplinary development and problem focus, time evolution and spatial variations. The results indicated that the Heihe River Basin has made positive contribution to the world science in remote sensing, evapotranspiration, water cycle, water resources management and utilization, and climate change research in arid areas. The great achievements has promoted the Heihe River Basin up to the same levels as the international typical basins in the past 30 years, especially after the performances of the major research program entitled “Integrated Study of Eco-hydrological Processes in the Heihe River Basin” (referred to as “Heihe River Program”) supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China and large field observation experiments. The number of published articles has ranked the top 20 in the global watershed science research. Some important scientific achievements have been obtained at the mechanisms of eco-hydrological processes in inland river basins, which can actively serve the decision making of the water resource management and sustainable development in the Heihe River Basin. The data mining and contrastive study based on bibliometrics can afford scientific reference for the watershed science research.     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。     

数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域

多学科数据的收集和积累、多学科模型的集成以及现代化的观测系统是发展流域科学的必要前提。"数字黑河"是为黑河流域科学研究和流域集成管理而搭建的集数据、模型和观测系统于一体的信息化平台,是"数字地球"在流域尺度上的一次实践性尝试。数字黑河由数据平台、模型平台和数字化观测系统组成,其核心是观测、数据和模型平台中的信息基础设施建设,但同时也外延而扩展为以流域综合模型为骨架的各种应用。"数字黑河"已阶段性地完成了数据集成,在线数据量超过1 000 GB,并实现了完全共享,有力地支持了黑河流域的各项研究工作;在模型集成方面已初步建成了流域综合模型和空间决策支持系统。"数字黑河"的进一步构想是在e-Science的框架下将数据系统、观测系统、模型系统、信息发布系统、高性能计算及科学计算可视化集成为一个整体。     

基于水土保持的流域生态环境需水研究

针对现有生态环境需水量的计算主要基于现状而导致其实用性不足的特点,提出了根据流域或区域对生态环境功能的需求来确定其生态建设规模并计算其生态环境需水量的思想。以位于黄土高原的安塞纸坊沟流域为例,针对该流域以水土流失为首要生态环境问题的特点,在已有的土壤侵蚀与土地利用结构关系研究的基础上,基于水土保持目标确定土地利用结构,进而计算出该流域的生态环境需水量,并对不同土地利用情景以及不同水土保持目标进行了对比分析。研究表明,综合考虑水土保持效益与生态环境用水代价,纸坊沟流域以允许土壤流失量1 000 t/(km²·a)为目标为宜,此时该流域生态环境需水量约为1.77×10⁶ m³,占该流域年降水总量的39.0%。通过与基于生态系统现状的计算结果相比较,说明提出的思想更为合理。     

SWPT:An automated GIS-based tool for prioritization of sub-watersheds based on morphometric and topo-hydrological factors

The sub-watershed prioritization is the ranking of different areas of a river basin according to their need to proper planning and management of soil and water resources.Decision makers should optimally allocate the investments to critical sub-watersheds in an economically effective and technically efficient manner.Hence,this study aimed at developing a user-friendly geographic information system(GIS) tool,Sub-Watershed Prioritization Tool(SWPT),using the Python programming language to decrease any possible uncertainty.It used geospatial-statistical techniques for analyzing morphometric and topohydrological factors and automatically identifying critical and priority sub-watersheds.In order to assess the capability and reliability of the SWPT tool,it was successfully applied in a watershed in the Golestan Province,Northern Iran.Historical records of flood and landslide events indicated that the SWPT correctly recognized critical sub-watersheds.It provided a cost-effective approach for prioritization of sub-watersheds.Therefore,the SWPT is practically applicable and replicable to other regions where gauge data is not available for each sub-watershed.     

Comprehensive assessment of water security for inland watersheds in the Hexi Corridor,Northwest China

Water security is related closely to ecological, environmental, economic, social, and political problems, and may possibly even affect national security. The problem is especially important in arid inland watersheds. In this paper, we assess the water resources security of three watersheds in the Hexi Corridor (Northwest China) using a multi-level, multi-target, analytical hierarchy process approach. We constructed an assessment system based on the current situation and future development of the region’s water resources in the context of the society, economy, and environment of these inland watersheds. The assessment used 21 indicators that describe the ratio of water supply to demand, the ecological environment, food security, drinking-water security, disaster control capacity, water resources management, and economic conditions. The level of the water resources security was highest in the Shulehe watershed, followed by the Heihe watershed and the Shiyanghe watershed. Strategies to promote water security for all three watersheds are discussed.     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.