水文水资源研究发展 地理所讲课 刘昌明.ppt

1、水文水资源研究发展： 动向与若干研究问题探讨,刘昌明,一、国际水文主要动向 二、水文与水资源学科研究 三、水循环/水文循环 四、中国水资源的开发利用 五、水文水资源研究若干探讨 六、解决我国水资源的主要策略,一、国际水文主要动向,Global Water System Project 全球水系统研究计划(GWSP),ESSP是四个全球变化研究计划，即国际生物多样性（DIVERSITAS）国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际全球环境变化人维计划（IHDP）及世界气候研究计划（WCRP）的合作研究计划。主要目的是综合研究地球系统及其变化和对全球可持续性的影响。,地球系统科学伙伴计划Earth Sy

2、stem Science Partnership,IRS,ESSP的联合研究项目,全球碳项目（GCP）：研究目标是促进政策上了解全球碳循环的意义，包括其自然和人类互动。 全球水系统项目（GWSP）：主要问题是人类如何改变全球水循环、生物地球化学循环及全球水系统中的生物成分，变化后的社会反馈也是研究课题之一 全球环境变化及食物系统（GECAFS）项目：目的是确定应对全球环境变化对食物供应系统影响的战略，分析适应措施的环境及社会经济后果 人类健康 ( Human Health ),全球水系统初步定义：,在全球变化中，全球水系统可定义为含有物理、化学、生物和人类成份组成并相互作用的结构，构成并影响地

3、球上水的流通，其中包括人类的各种用水。,全球水系统任务的定义中文 全球水系统项目(GWSP)的任务就是要探知人类影响全球水系统动力机制的方式并告知决策者如何缓解这些影响的环境与社会经济后果。 Mission of ESSP GWSP- in English The mission of the GWSP is to understand the ways in which the humans influence dynamics of the global water system and to inform decision makers on how environmental and

4、socioeconomic consequences of these impacts can be mitigated.,人类是如何改变水循环、生物地球化学循环及全球水系统中的生物成份的？变化后的社会反馈是什么？如何区分气候与人类的影响？采取对策,复杂的人类活动与水系统关系 ：,相互影响的研究内容：,构成水文循环的各种形式的水及其相互关系与相互作用 对水质有影响的天然的或人工的物质 生命有机体和生态系统，是系统功能的集总，而不只是反映生物化学系统中的动态变化。 人类和人类社会是系统内部变化的有力驱动，这反映在水的可用性的变化，以及缓和这些变化及和这些变化所做出的响应。,问题一：全球水系统中的

5、全球范围内的变化，有哪些是因为人类的行为（诸如用水，水资源管理，土地利用等）而改变的？ 问题二：人类是如何影响全球水系统的？ 问题三：全球水系统（从生存及社会成份角度）对全球变化的影响有多大的弹性？水资源管理系统和生态系统在处理水质方面有多大的效果？尤其是在面对诸如生物多样性的损失与经济贫困并存之类的更深层次的挑战时？,UNESCO 国际水文计划,IHP,WWAP,UNESCO Field Offices,IHP NatComs,IHE,Network of Water Centres 11 world-wide (+ 11 proposed),UNESCO Chairs related wa

6、ter 13 world-wide,水家庭-UNESCOs “Water Family”,The three pillars,. 国际地下水委员会地下水水文学 . 国际地表水委员会地表水水文学 . 国际水质委员会 地表水水文地球化学 . 国际水资源委员会地表水水资源学 . 国际冰雪委员会.冰雪水文学 . 国际水土侵蚀委员会 .水土侵蚀与防治 . 国际遥感水文委员会 .遥感水文学,国际水文科学协会（IAHS）所属专业委员会,1965-1974 IHD: Experimental Basins World Catalogue of Very Large Floods World Water Bal

7、ance to consider how these act upon each other, and to seek new ways to balance human and environmental needs.,生态水文- UNESCOs Ecohydrology Programme,to advance the integration of social, ecological and hydrological research; to generate outcomes that will enable the development of effective policies

8、and practices.,Ecohydrology Programme,Ongoing cooperation: Seminar at Stockholm Water Week 2007: Working with Nature: Improving Integrated Water Resources Management by Sustaining and Restoring Ecosystem Services and Freshwater Biodiversity Potential cooperation with specific task forces: Assessing

9、Impacts of Global Changes on Aquatic Ecosystems TF e-flows database of GWSP Education S :活动量(L3T-1) N(次数)=1/D,Estimated D in China (我国陆地水体平均交替周期初)步估计),水量可再生调控Regulating renewable capacity,森林区坡水流域的水周转时间,D(时间)=S/S 的不同时间引起集成研究水循环的困难,水循环理论的应用意义 确切水资源计算评价 科学水资源规划 有效水资源保护 优化水资源配置 合理水资源开发利用 (举例如后) 可持续水资源管理

10、,举例,四、中国水资源的开发利用,全球与中国的淡水,全球水资源总量：13.86亿km3 全球淡水资源总量：0.35亿km3，占总量2.53%，谈水资源十分珍贵 中国淡水资源总量（降水）：6200km3 中国占全球淡水 0.018 % （1 立方公里 = 10 亿立方米）,1、概况,中国与全球大陆水文要素比较,1、概况,水资源既是国家基础性资源，又是国家战略性资源。 我国水资源特点与问题，可概括为：水资源总量大，年均水资源总量（狭义，地表水与地下水）为28000亿立方米居世界第5位，而人均水资源量很低，仅为世界的1/4； 与水相关的问题众多，水与人民的生活、生产、生存环境的所有方面都有不可分割关

11、联。,人口密度与水资源的分布相一致； 水资源的时空变化很大：集中夏季与东南；水资源系统脆弱不稳： 旱涝频繁；水资源污染严重，水生态系统退化加剧；水资源供需矛盾突出等等,1、概况,2、水资源开发利用（1）现状,总用水现状5630亿 m3，农业用水占68； 开发程度北方高南方低，开发潜力则相反； 用水效率不断提高，但与先进水平尚有差距 工业生活用水持续增加，农业用水零增增长,2004年 总用水量5808亿m3 其中： 农业用水量3782亿3 ，占总用水量的 65.1% 工业用水量1332亿m3， 占总用水量的22.9% 生活用水量694亿m3， 占总用水量的12.0%,2000年缺水517亿m3，

12、缺水率9 基准年缺水350亿m3，缺水率6 黄淮海辽与西北诸河区缺水严重,（2）水资源短缺,点源污染严重，废污水排放740亿m3 非点源污染加剧，COD产生 7437万t 排入全国划定的水功能区对应陆域范围的废污水量681亿m3， COD1688万吨，氨氮159万吨。地表水水质下降，水功能区超载；,（3）水污染严重,2005-2006与2007年松花江、太湖等严重水污染事故不断暴发，瞩目惊心； 废污水量中，工业占31%，生活占69%； 目前农村3亿多人口饮水困难，污染又使饮用水安全受到严重影响；,（3）水污染严重,（4）水生态恶化,地下水超采严重，平原区年超采量222亿m3 ，华北平原过去30

13、多年累计超采1000多亿m3 ，相当两条黄河的年径流量。地下水超采还导致污染； 气候与人类活动影响下河湖断流萎缩等水生态环境问题突出，2000年北方主要河流36断流 湿地退化，河道内生态用水亏缺严重，2000年达205 亿m3 ，湖泊萎缩面积18天然湿地退化面积35，形成土地沙化和危及生物多样性；,浅、深层地下水漏斗面积达11多万km2 ，地面沉降：超过6万km2 ： 地面沉降造成居民区积水，河道泄洪能力下降，洪涝灾害加重，建筑物下沉、开裂、铁路路基下沉、桥梁裂缝、地下和管道断裂、机井损坏等危害。 北方沿海多处海水入侵，2003年海水入侵面积达2457平方公里，比上世纪80年代末增加了937平

14、方公里，平均每年增加62平方公里。,（4）水生态恶化,万美元GDP用水4810m3，世界平均4倍，先进水平5-10倍 万元工业增加值取水量291m3，为发达国家的5-10倍 工业用水重复利用率55%左右，发达国家80-85%以上 灌溉水利用系数0.42-0.43，发达国家0.7-0.8 粮食作物平均水分生产率1kg/m3，发达国家2-2.5kg/m3,（5）现状用水效率很低与国际先进水平比较：,（根据水利部全国水资源综合规划的分析计算）,中国主要河流水资源利用程度,北方缺水,（6）水资源供需态势严峻,发展节水与高效用水进展缓慢 和谐发展与缓解缺水任重道远,缺水严重，供需失衡,全国669座城市，

15、400个供水不足，110座严重缺水，年缺水量60亿m3。2000年北方主要河流36断流。,（根据水利部全国水资源综合规划的分析计算）,缺水估计,五、水文水资源研究若干探讨,1、水资源的确切计算评价 水循环六要素（P，R， Rs，Rg，ET，Wh）的定量方程与水量转化计算 水资源确切的计算应由水量平衡方程的六要 素来表示，即年降水 (P） ，年径流 （R），年蒸发（ET） ，年流域湿度（Wh），年地表径流（Rs）与年地下径流（Rg）。 后两者构成年径流（R） 六要素年水量平衡方程描述水循环, 可以作为流(区)域水资源开发利用评价的基础。,采用六要素的水量平衡计算： P=RS+Rg+ETS；S=蓄

16、水变量（短时段） P=R+ET；P-RS=Wh 长时段多年平均（评价） 对流域内各种赋存方式的水资源进行分别计算 定义P-RS= Wh为流(区)域渗蓄水或土壤水通量 定义Rg+ET= L为流(区)域水量支出,比值Rg/Wh评价流域地下补给与河道基流 比值ET/Wh评价抑制蒸发的潜力ET=E+T E/Wh ，T/Wh E/Wh 、T/Wh评价能较好的深化人类活动的影响分析，以进行地表水和地下水的联合计算和分析。,确定比值Rg/Wh的意义在于保持地下水的补给和河流的生态基流。控制和保持Rg/Wh的合理关系，可以避免对地区地下水的盲目超采，以维持河流稳定的基本流量，即生态基流； 确定E/Wh的比值的

17、意义在于调节土壤的湿润程度与节制无益的蒸发，尤其是在年蒸发能力（E0）大于年降水（E0P）的地区，为有效地夺取潜水蒸发提供了科学的依据。,在区域水资源的开发利用中，合理地控制Rg/Wh与E/Wh两个比值的意义是保持自然的水量平衡结构，以期维持水资源可再生性，达到水资源永续利用的目的。,2、水资源分布式水文模型评价 有别于以往集总式模型，分布模型近代新模拟技术，特别具有面向流域时空尺度多目标应用，如模拟流域： 流域水资源评价、变化的定量分析 流域洪水预报 流域土壤侵蚀 流域面源污染 流域水资源管理的水文-生态-环境模拟 流域空间分布的水利工程设施对流域产汇流影响 气候与人类（LUCC）影响下的径

18、流识别与分析 其他应用问题等,HIMS模型系统 HIMS 具有模块化、组件式与定制适应不同自然与社会条件的新模型 针对水循环的“9”大过程，集成了“116”个水文过程模拟子模块，涉及到“600”多个参数。并按照C+函数类库的方法已对“116”个子模块(模型)进行封装。能适应不同尺度的计算,HIMS的界面（用于黄河模型的定制）,HIMS的图形用户界面,模型定制,从不同的时空尺度出发，探讨面向不同应用目标（如，洪水预报、水资源管理、气候变化和人类活动对径流的影响分析等）的分布式水文循环模型。,面向洪水预报的模型小时尺度+小中流域 面向资源管理的模型日尺度+中等流域 面向多种人类活动与气候变化的模型

19、年月尺度+全流域,973,HIMS定制模型在澳洲墨累达令流域验证结果,3、绿水与蓝水、总水源 生态水的主源,（1）广义水资源绿水与蓝水,蓝水与绿水,绿水,蓝水,用水的耗散,降水-实在水资源,据 Malin Falkenmark,绿水与蓝水,1,蓝水只占总水资源（陆地降水）的三分之一，大部分雨水以绿水（例如被植物消耗的水）的形式返回到大气中,（2）概念的探讨 在某一流域中，“绿水”（气态水）的循环供给陆生生态系统，“蓝水”（液态水）的循环供给水生生态系统和人类的用水需求。“绿水”的循环反映了自然界“土壤植物”生态系统的用水消耗。“蓝水”在地表和地下流动，从山顶到山脚，从陆地到海洋。,（3）“绿水

20、”与“蓝水”的利用 人类对水资源的利用方式包括： 1、直接利用 主要是社会经济用水，包括雨养农业、木材、牧场等利用的绿水和灌溉、工业、生活等利用的蓝水 2、间接利用 主要是生态系统用水，包括与“绿水”相关的陆生生态系统用水和与“蓝水”相关的水生生态系统用水。 “蓝水”使用后分为两部分：一部分消费使用后成为水蒸气进入大气，不再适合人类使用；另一部分回流进入生态系统，但经常会携带大量的污染物。,人类对水资源的利用方式,（4）蓝水、绿水计算方法 蓝水量 WB=WS+WG- 绿水量 WG=P - WB WB 蓝水量； WS 地表水资源量 ；WG 地下水资源量 ； 地表水资源量与地下水资源量的重复计算量

21、 P 降水总量,中国各大流域年平均“绿水-蓝水”水量分布 （立方米/每平方公里）,绿水与蓝水意义：以东北地区为例 年总降水量 6410亿m3； 年地表水量 1701亿m3； 年地下水量 680亿m3； 年水资源量 1987亿m3； 东北地区年蓝水总量为1987亿m3，占年降水量 的31%左右； 东北地区年绿水总量为4433亿m3，占年降水量 的69%左右。 从以上推算看，“绿水”占比例很大，主要供给了 森林、草地、湿地（广义的湿地）与农作物 （包括雨养与灌区的农作物，前者占全区耕地 的76.3%，后者占到了23.7%）。,4、“生态环境”问题的讨论,能量流和物质循环在生态系统中是平稳的，没有受

22、到外力的剧烈干扰，生态系统的结构也保持相对的稳定状态，即生态平衡。 生态平衡的表现就是系统中的物种数量和种群规模相对平稳。但是生态平衡是动态的平衡。生态系统具有自我调节和维持平衡状态的能力。,（1）关于生态平衡,人类破坏性影响主要在三个方面：一是把自然生态系统转变为人工生态系统，二是超量取用生物及其需要的各种资源，如水资源过度利用；三是向生物圈中排泄废弃物，污染和毒害生物的生境和组分； 1980年黄秉维院士提出：自然界的一切生态平衡不一定都是好的。他从区域生态系统的角度说明：河流凹岸侵蚀与凸岸的堆积一坏一好。,（1）关于生态平衡,（2）“生态环境”的提法常用但不妥,生态系统是由生物群落及其生存

23、环境共同组成的动态平衡系统。生物群落由存在于自然界一定范围或区域内并由互相依存的一定种类的动物、植物、微生物组成。 水是生物体本身及其生存环境的重要组成部分，是维持生物生存和繁衍的关键物质，因此，也是维持生态系统健康关键因素。,1）生态学（Ecology）的定义： 生态学是研究生物与环境 及生物与生物关系的生物学分支学科。分 解为两点： 生物与环境的关系，包括人类生境 生物与生物的关系，包括人类与其它 生物之间的关系,“生态环境”的提法常用但不妥,2）环境科学（environmental science） 研究人类在认识自然和改造自然中人和环境相互关系的科学。包括环境地学、环境化学、环境物理学

24、和环境生物学、环境工程学等。所研究的环境是指在自然环境的基础上，经过人类不同程度加工改造而形成的人类生存环境，研究人和生存环境之间物质和能量的交换关系和转化规律以及人类生态系统的演化和发展。重点研究与人类健康直接相关的人们生活的从事生产的环境，研究环境污染所引起的环境质量变化规律以及保护。,由以上两种定义，可见异同。不宜混淆。应该用生态与环境,“生态环境”的提法常用但不妥,1）生物多样性概念： 生物圈中所有的生物，即动物、植物、微生物，以及它们所拥有的基因和生存环境。包括： 遗传多样性， 物种多样性， 生态系统多样性。,（3）生态系统保护的核心 生物多样性,2）生物多样性价值： 提供工业原料，

25、如胶、油脂、芳香油、纤维等等， 提供人类各种特殊的基因，如耐寒抗病基因，使培育动植物新品种成为人类的新资源； 野生动植物还是珍贵的药材，为治疗疑难病症提供了可能。,3）中国生物多样性居北半球第1位 生态系统类型多样：陆地生态系统总计有27个大类、460个类型；其中，森林有16个大类、185个类型；草地有4个大类、56个类型；荒漠有7个大类、79个类型；湿地和淡水水域有5个大类；海洋生态系统总计有6个大类、30个类型； 生物种类繁多，高等植物3.28万种，动物种类10.45万种；由于第四纪冰期影响小，保存古老遗属种多； 驯化物种及其野生亲缘种多：中国是世界栽培植物起源中心之一。有237种栽培物种

26、起源于中国；中国还拥有大量栽培植物的野生亲缘种；中国常见的栽培作物有600多种，果树品种万余个，畜禽400多种。,4）湿地维护生物多样性的重点 定义：对湿地的定义：不问其为天然或人工、长久或暂时性、水体静止或流动、水体为淡水、半咸水或咸水的沼泽地、湿地、泥炭地或水域地带，包括海岸地带低潮时水深不超过6米的水域 根据国际重要湿地条约拉姆萨（Ramsa）条约，简称湿地公约 。,5）湿地/水体的主要功能,生物多样性丰富、鸟类栖息、候鸟中转； 调节小气候； 补给涵养地下水； 降低洪峰、调蓄洪水、排盐、输沙； 净化排水、稀释降解污染物； 鱼虾、芦苇多种水禽产品； 构成水体景观、休闲娱乐等功能等等。,6）

27、湿地生态功能与水密切相关,顾名思义，湿地因水而生，失水而去； 水是生物体本身及其生存环境的重要组成部分，是维持生物生存和繁衍的关键物质； 水体是多种水生、湿生生物的理想栖息地； 河水及其泥沙为水生生物提供了必须的饵料和营养物质； 水生生物又是降解污染物的主力军。,5、水与生态系统关联 （讨论）,1）水、热（能）平衡； 2）水、盐平衡； 3）水、沙平衡； 4）水量平衡与供需平衡。,（1）关于区域生态的“四大平衡”,（2）生态系统的五种水利联系,1）河流、湖泊、流域自身的生态水利平衡 及它们之间的联系； 2）河流上、下游生态水利联系； 3）河流左、右岸生态水利联系； 4）河流河道内与河道外生态水利

28、联系； 5）流域地表水与地下水相互作用 的生态水利联系；,（3）河道生态需水六个主要方面,生态基本流量维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存 ； 自净需水保持水体一定自净能力，即环境需水量； 维持地下水与河水的关系 输沙需水维持河道冲淤平衡； 入海水量防止海水入侵、维持河口健康； 近海水域水质与污染,（4）各生态系统用水不同,天然生态系统：森林，草地，灌丛，荒漠，河流，湖泊，沼泽，海滩，浅海，水生植物，水生动物（鱼类），天然水源利用 人工生态系统：农田，人工草地/牧场，菜园，苗圃，鱼塘，渔场，公园，旅游区，城镇，花园，温室/大棚。除利用雨水，均为人工补水。 各种人工生态系统的用水，与

29、规模有关，一般采用适宜生态水量。,地带性降水补给 混合补给 非地带性径流性补给,蒸腾耗水,（植被生态系统的用水示意图）,河道生态功能用水,蒸发耗水,鱼,各生态系统的需水与用水,河道外生态用水,内陆地区植被靠地下水地下水位下降，天然绿洲胡杨林死亡,地下水位与植被盖度关系趋势图,（6）生态水量名词,生态需水：在现状和未来特定目标下，维系给定生态环境功能的水量。 生态用水：现状和未来特定目标下，维系给定生态环境功能的实际发生的用水（引水和提水）量。 生态耗水：对水资源而言，是在维系现状和未来特定目标生态功能用水过程中散失的水量。 生态供水：提供维系现状和未来特定目标生态功能的降水性和径流性（包括地下

30、径流）的水量。,（7）河道外的生态水 从河道引出的水量，主要是用于生活与生产（工业、农业灌溉）。但是河流中的水量来自河道外的流域面积。流域内的土地覆盖与土地利用实际要影响汇入河道中的水量。主要是天然与人工生态需水林草及水土保持对雨水利用又会影响进入河道水量的减少。,（8）河道生态水流 除引水，维持水生物、湿地、冲沙等等,Lake,RS,RG,Wi,Wi,W(d), W(p),Wn,RS RG,WE,P,E蒸发evapotranspiration,E,E,P降水 precipitation,(Eco-environment Flows),（9）生态需水的主要计算方法,水文学方法 水力学方法 栖息

31、地法 综合法 输沙水量计算 入海水量计算 方法的理论基础是流（区）域 的水循环与生物水分生态生理。,（10）社会经济用水的影响,水量与水质结合的生态需水计算,Ws/Wt = 1- u（1-r） Cw =C1（Wt - WR）+ C2 WR u为河流水资源开发率； r 为用水回归率；Ws Wt ， WR分别为生态水量、水资源量与回归量，Cw为生态水质。 。,（11）河流健康与健康水流问题 Healthy Catchments / Healthy Waterways,水生物生境 / 生物多样性 泥沙与沉积 营养物质 蓝藻 / 赤潮暴发 生态健康监测 综合分析 （参考澳大利亚A.G.Abal,S.E

32、.Bonn & W.C.Dennison）,河流健康的主要指标，不尽相同。以黄河为例 洪水堤防、平滩流量、漫滩约束 河槽淤积 河道径流、生态需水量 水质状况，等级、标准 河道边界条件等等 （黄委）,六、解决我国水资源的主要策略 内容非常多，谈统筹管理主要思考要,主要策略： 节水优先 治污为本 多渠道开源 强化统筹管理观点,（1）节水优先,节水的重要意义 节水是水资源合理利用的核心 水资源具有经济价值，节水是水利经济的高 效益所在 节水使区域水资源的潜力得以充分发挥 节水是控制一个地区需水量盲目增长的有效 途径 节水实施有利于生态与环境的维持 ：一箭双 雕 实行节水有利于用户参予水资源管理,农业

33、节水潜力： 全国农业的水利用效率与先进低一倍： 利用效率：生产1公斤粮食耗水1000 公斤,其中灌溉输水渠系水量损失率： 以色列：小于10 % 美 国：为22 % 日 本：为39 % 中 国：为50-60 %,农业节水潜力,城市工业节水潜力,工业用水重复利用率比较,再生水利用的潜力,2003年，全国设市城市污水再生利用量22.5亿m3 ，污水再生利用率仅为4%。,生活节水的潜力：1/2-1/3 包括：减少漏失率；推行节水器具；水价调节,建立节水社会，发挥潜力,1. 农业节水有潜力, 大约30% 2. 工业节水潜力 工业用水的重复利用率由现状的60%提高到80% 工业废水的回收处理率提高，工业需

34、水量可望达到零增长 3 城市生活用水节水潜力 -杜绝城市生活用水的浪费和回收处理废弃水，可望节水1/21/3。,突出节水管理的关键,农业节水的关键在灌水灌溉定额； 工业节水的关键在废污水的排放； 生活节水的关键在制定合理水价。 总之，要抓住关键，带动一般，全面推行节水管理与各种有效节水措施。,（2）.治污为本,转变经济增长方式，发展循环经济 完善水功能区为基础的水资源保护制度 加大水污染治理力度，实施废水资源化 从点污染源治理，转向对点源、非点（面）源和内源的流域综合治理 建设节水型社会，节水减污 完善水资源管理制度，严格以法治水,处理回收再用,人口,社会,经济,环境,生态,良性水循环实践总体目标,良性水循环实践总体目标,3R 减量化（Reduce)：减少资源消耗量； 循环再用(Recycle) ：对资源进行循环、重复利用； 再利用(Reuse）：废品回收利用和综合利用。,（3）多渠道开源,南水北调补源+沿海海水+微咸水+雨水收集等可利用的水源,