北京水资源安全研究-首都师范大学

1、北京水资源安全研究,宫辉力 教授,水资源安全北京实验室,汇报提纲,一、研究背景 二、研究进展,国际极度缺水标准人均500立方米 危及人类生存生活底线的灾难性标准人均300立方米 北京水资源量不足人均100立方米 不到全国平均水平的1/20 全球环境变化 都市化-区域响应 区域水循环改变,水资源背景,水安全 水灾害 水资源 水危机,北京城市供水2/3来自地下水，长期超采，诱发区域地面沉降呈快速增长趋势，沉降中心最大累计沉降量1000mm，累计沉降300mm的地区达到1300km2，以30-60mm/a的速率扩展，严重威胁城市安全（地铁、高层、路网等）。南水北调不均匀上升-蠕变问题。,地下水过量开

2、采-地面沉降,5.1 多尺度区域水循环过程的地下水管理模型,非饱和带 土壤水,饱和带 地下水,地下水开采,弱透水层,大气降水,地表水,尺度水资源管理-流域尺度-区域尺度-城区尺度 概率极端天气事件尺度效应-区域性雨洪、干旱 过程多尺度水循环过程地下水系统响应H, Q ,地面沉降,土壤水,重新发现多尺度区域水循环过程,Disaster Chain RISK Chain,International attention to this topic .,First International Early Warning Conferences (Postdam, 1998) Second World

3、Summit on Sustainable Development (Johannesburg, 2002) - JPA Second International Early Warning Conferences (Bonn, 2003) - PPEW World Conference on Disaster Reduction (Kobe, January 2005) - HFA G8 Summit and UN General Assembly (2005, 2006) Third International Early Warning Conference (Bonn, March 2

4、006) Global Early Warning Survey and EWS check list First Symposium on Multi-Hazard EWS for Integrated Disaster Management (WMO with ISDR, World Bank, UNDP, IFRC, UNESCO, OCHA)(2006) First Session of Global Platform for Disaster Risk Reduction (Geneva, 2007) Second Experts Symposium on EWS with Mult

5、i-Hazard Approach (WMO and MeteoFrance) (Toulouse, 5-7 May 2009) 2009 Global Risk Assessment Report (To be launched in Bahrain, May 17, 2009) Second Session of Global Platform for Disaster Risk Reduction (Geneva, 16-19 June 2009),International attention to this topic .,改变了传统的水循环动态模拟 局部到区域城市及其影响区域 地面

6、-地下-空中地表水-地下水 长周期-准实时 与常规方法结合,高精度立体监测网 系统优化空中-地面-地下监测网络 地下水漏斗,动静载荷 地下水开采漏斗 地表-地下交通网络 建筑密集区分布 地面沉降演化模式 地下水开采-动静载荷-地面沉降演化模式,高精度立体监测系统,天气雷达,雷达拼图,各 类 实 时 资 料,地面报(SM,SI,SX)、自动站(大监，区域)、日照、道面自动站,地面,高空,大气成分,天气雷达,气象卫星,气候,数值预报,特种观测(花粉、负离子、紫外线、土壤湿度),高空报、探空秒数据、GPS水汽、风廓线,旬月报（AB）、气候月报,酸雨报、沙尘监测数据、大气成分、温室气体、 太阳光度计观

7、测,SA雷达、CC雷达,静止卫星（FY2E、FY2D）、极轨卫星（FY1）,T639、T213、GRAPES、MM5、BJ-RUC 欧洲数值、日本数值、德国数值(降水),精细化预报,城镇预报,注: 红色表示有上行下行数据， 兰色只有上行数据，绿色只有下行数据，粉色有自主接收和下行数据，黑色我局自己使用,高精度立体监测-气象,大型探测设备8部 SA天气雷达1部，C波段天气雷达1部，探空雷达1部，风廓线雷达4部，闪电定位系统1套 自动站323个 国家站20个，区域自动气象站275个，道面站28个， 特种观测102个 移动观测车4辆 预警塔/显示屏31个,综合气象探测系统概况,(295),(275)

8、,SAR数据,对地观测数据,一等水准观测网、114个GPS监测点 7个基岩标、 55个分层标; 37个地下水位观测孔、16个孔隙水压 力观测孔、315个外围地下水观测孔； 地下水观测网（650） InSAR观测试验场4个,浅地表空间监测网,高精度立体监测-浅表层空间,国际比较研究,重新发现多尺度区域水循环过程,高分辨率时间-空间-光谱-重力多尺度 全天候-全天时可见光-SAR-重力卫星全过程 系统监测空中-地面-地下卫星多分辨率数据 系统监测网络的同步性-准同步性 多尺度-相邻区域水循环背景演化 极端天气事件的捕捉演变尺度-过程跟踪,重新认识模型 模拟-评价-预报-规划-优化 重新认识数据 获

9、取网络系统 重新认识表达 MODELING MAPPING PLANNING,监测 预报,监测 预报,最高频次90%,最高频次80%,最高频次60%,最高频次70%,最高频次80%,最高频次60%,北太平洋年代际涛动(PDO)的变化,我国汛期多雨带的变化,雨带北移-区域水循环变化,南水北调-区域水循环变化-调控,区域水循环变化-调控,Sponge-LID-ECO-CITY,监测 预报,监测 预报,集水系统 下垫面 空间分析,自然系统 水系统 城市系统,汇报提纲,一、研究背景 二、研究进展,北京水资源安全,北京水资源安全,重新发现多尺度区域水循环,城市雨洪汇水系统特征,城市空间关联区域-城市雨洪

10、系统-地表、地下汇集水系统 多尺度雨洪汇流系统动态演化 城市雨洪系统来水过程-时段排水能力-退水过程 城市雨洪系统A,H,T演化DEM-DTM,城市雨洪系统A,H,T演化,城市雨洪来水过程事先不完全确知雨强，演进叠加，频率 时段排水能力不完全确知 退水过程确知案例A,H,T,R;N-MAPPING N个水系统动态变化-动态监测-动态预报,雨雨洪城市雨洪,跟踪雨洪演进-退水过程监测预报,特定雨强淹没范围-深度-时段 更新案例历史数据-现势数据,城市雨洪汇水系统特征,基于高精度DEM的城市雨洪系统A,H,T多尺度演化 分布式就地转化尺度与过程城市浅表层空间 城市空间关联区域-城市雨洪排泄系统,洪水

11、监测与分析,多尺度监测-预测 Disaster-RISK,航空遥感图象,SPOT卫星,TM卫星,高分辨率卫星,城市雨洪灾害,2012年7月21日，北京城遭遇百年一遇降雨。造成全市受灾人口190万人，77人遇难，经济损失近百亿元。 “7.21”暴雨后，北京市在下凹式立交桥安装积水监测设备，在其中20多个下凹式立交桥区开建蓄水池，改造全市74个雨水泵站。,逢雨必涝、逢暴雨必瘫,风险风险链 灾害灾害链,WFD-Water Framework Direction RBMP-River Basin Management Plans,国际比较研究,雨洪风险评估与预警,北京地区多尺度雨洪风险制图A,H,V,

12、T,DEM 北京地区雨洪风险预警情境驱动-动态风险 排水设施规划和调整评价,GQ = FSA, HD,T, D,SDM=RS-GIS- SN-UN,风险创造价值,雨洪资源-度汛安全,雨洪资源-度汛安全,雨洪资源-度汛安全,雨洪资源-度汛安全,雨洪资源-度汛安全,北京水资源安全,北京水资源安全,重新发现多尺度区域水循环,应急水源地常规运行,2002年，北京地区先后建立共5个城市应急供水水源地。2008年，66.3%的城市用水取自地下水；应急地下水源地高强度、大规模、持续开采地下水，部分含水层已经处于疏干状态。 应急水源井的长期超采，诱发区域地面沉降呈快速增长趋势。最严重的地方，地表以30-60m

13、m/a的速度下沉，最大累计沉降量达1096mm。,地面沉降严重威胁城市安全 全球性、综合性、多学科交叉的复杂系统问题,北美WINSAR,欧洲-Terrafirma项目,华北平原,北京市平原区,150多个国家、地区发生地面沉降，一系列的国际科学计划,95个城市地面沉降,多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理,国际地表形变监测研究计划-INSAR,星载合成孔径雷达利用，合成孔径雷达联合研究工作组，1996 星载合成孔径雷达，地球空间科学研究委员会，NASA，1995 生活在多灾害的星球上，固体地球科学工作组，2002 龙计划，中国政府-欧洲空间局,2004 美国综合地球观测系统的战略计划 地球观测工

14、作组, 2004 全球综合地球观测系统（GEOSS）地球观测组织（GEO），2004 Tandem-X计划，第二颗TerraSAR-X卫星，DLR，2010 哨兵计划-1A（Sentinel-1A），欧洲航天局，2012,技术特点,GPS+InSAR,点+线+面+体 区域沉降-体-三维不均匀形变 大区域、高精度、低成本、短周期 毫米级形变监测能力,华北平原区地面沉降,北京平原区含水层岩性分布图,N,SCALE LEVEL 1:400000 UPRIGHTNESS 1:5000,Hydrogeological Profile,区域构造,北京地下水超采强度图,多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理,

15、形变场,应力场,渗流场,形变场为一非线性分段函数 形变量 地下水开采量 应力场-INSAR-立体监测网,形变场 = F渗流场,应力场,T,遥感与水文地质的交叉研究； 多层含水层系统演化-地面三维形变整体研究，研究其互馈机理； 量化研究地下水超采、动静载荷对区域地面不均匀沉降实际贡献，实现地面沉降的科学调控。,多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理,研究方案,空间场,典型区地下水数值模型,多尺度区域水循环过程的地下水系统模型,G H+H, Q+Q N K, , , +, + ,融合PS、小基线的干涉测量方法,永久散射体和小基线技术所分析的相干点目标（像元）在一定程度上有着不同的散射特性，但是二者又

16、有一定的互补性； 针对这一特点，从相干点目标散射特性角度出发，将PS和SB干涉方法 进行融合； 改善干涉数据集的时间分辨率，克服去相关影响，提高干涉图像内相干点目标的空间密度。,典型沉降区域PS点的分布图,城市水循环-地面沉降-城市运行安全,无砟轨道 梁面前后左右上下一米范围内误差2毫米，4米范围内误差8毫米 相邻墩台沉降0.5毫米，每20米沉降2厘米，路基沉降3毫米。,典型区域地面沉降时序演变过程分析,PS点季节形变演化,典型区域地面沉降时序演变-关联分析,城市化降低了降雨对地下水的渗透补给量，直接影响地下水的动态变化和地下水漏斗的形成，间接影响着地面沉降的时空演化。雨洪-城市浅表层空间。,

17、地下水流场变化与区域地面沉降响应分析,区域动静载荷演化与地面沉降响应,地下水水位等值线与地面沉降速率图,多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理,开展遥感、GIS与水文地质的交叉研究。典型沉降区北京由于长期过量开采地下水，区域地面沉降已有30年历史，加之城市浅表层空间开发利用、城市发展建设中的钢筋混凝土静载荷、城市立体交通网络形成的动载荷等的急剧变化，引发了一系列地面沉降问题，严重威胁着城市安全。 针对以超采地下水为主要诱因的城市地面不均匀沉降，提出了多分辨率、整体研究、系统优化的理论模型。新的理论模型把多层含水层系统演化与地面三维形变作为一个整体研究对象，研究其互馈机理；把含水层释水地面形变的背

18、景应力场概化为不同时空分辨率的自然沉降、静载荷与动载荷应力场。 理论模型改变了以往区域地面沉降研究中，含水层系统演化和地面形变研究分割、分属不同学科的局面。采用综合信息、优化系统研究，全面揭示多层含水层系统演化与地面三维形变的互馈机理；量化研究地下水超采、自然沉降、动静载荷对区域地面不均匀沉降的实际贡献，实现地面沉降的科学调控。,形变场 = F渗流场, 应力场, T, , ,应急水源地运行安全,应急水源地运行安全,应急水源地运行安全,应急水源地运行安全,应急水源地运行安全,北京水资源安全,北京水资源安全,重新发现多尺度区域水循环,数据挖掘流域尺度-区域尺度-城区尺度,全球环境变化-区域响应-都

19、市化效应-城市水系统-极端天气事件时空-强度不确定性 自然、人为因素的动态性 空间关联-互相作用-系统演化 卫星技术的革命性进展-SAR-GRACE SDMKD-Spatial Data Mining and Knowledge Discovery-尺度与过程的空白,GRACE-Gravity Recovery and Climate Experiment,工作原理质量的运动会引起重力场的时变新机会 重力恢复和气候实验发现大区域-多尺度质量变化趋势 支持大区域水文模型-地下水储量变化-识别区域水循环变化过程 区域地下水位变化引起的负荷效应与地表形变效应 多尺度大区域水文变化与重力变化的关系,GRACE揭示深层地下水过度消耗,山前浅层水,中东部深层水,华北平原,京津冀地下水2.4cm/a,-52亿立方米/年 华北地区每年损耗83 11亿吨地下水是早期结果的3倍 环境变化的区域水资源响应与演化趋势 区域水文模型-水系统相互作用于水量交换 重新认识区域水循环-水安全-水危机,中科院测量与地球物理研究所研究团队冯伟博士、钟敏研究员、许厚泽院士，与法国空间局/大地测量研究中心（CNES/GRGS） Richard Biancale教授和Jean-Michel Lemoine博士、夏军教授(武汉大学/中科院地理所),GRACE-Gr