流域水循环演变机理与水资源高效利用

流域水循环演变机理与水资源高效利用报告提纲一、研究背景与总体思路二、主要研究成果三、项目实施效果环境变化和人类活动对水循环影响及其伴生的生态环境效应，是当前全球性的前沿基础科学问题。一、研究背景与总体思路1.研究背景1.研究背景面积:32万km2人口:1.4亿(10％)耕地:1.74亿亩(12%)城镇化率:43%河道断流年地下水超采80亿水功能区达标率30%湿地萎缩80%GDP:15%粮食产量:10%水资源:1%战略地位重要人类活动强烈水资源匮乏地表水衰减:51%水资源开发率:123%人均资源量:243m3水问题突出海河流域年降水量：530mm水资源量:340亿m31.研究背景为了建立人类活动干扰下的流域水循环演化基础认知模式，揭示流域水循环及其伴生过程演变机理与规律，从而为流域治水和生态环境保护实践提供基础科技支撑，2006年，国家“973”计划批准设立了“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”项目，这是第一个由水利系统主持的国家973项目。1.研究背景科学认知国家目标水循环及其伴生过程机理资源-生态-经济协调发展过程规律高效利用综合调控2.总体研究思路水循环及其伴生过程演化基础理论水循环演变机理水环境演化机理生态演替机理水生态过程模拟水循环过程模拟水环境过程模拟水资源利用效率评价方法农业高效用水标准城市高效用水标准流域用水效率评价流域水循环整体调控方案流域尺度景观尺度实验单元尺度流域水循环及相关过程综合模拟平台机理识别过程模拟高效机制整体调控严重缺水区水循环调控理论资源再生生态健康环境友好经济高效社会公平研究技术路线3.研究内容•提出了“量-质-效”全口径多尺度水资源利用综合评价方法，高效利用机理与标准•创建了流域水循环多维临界整体调控理论与模式，提出了海河流域五维协调的阈值和总量控制目标•创建了流域水循环及其伴生过程综合模拟工具，定量预估了海河流域水循环及其伴生过程的演变趋势•揭示了强人类活动影响下流域水循环演变机理与水资源演变规律，并进行了归因分析机理揭示与规律研究模型构建与趋势分析综合评价方法多维临界调控理论本项研究取得了四项创新性成果：二、主要研究成果创新成果一：揭示了强人类活动影响下流域水循环演变机理与水资源演变规律，并进行了归因分析1.揭示了强人类活动影响下海河流域水循环演变机理与演变规律2.对强人类活动影响下海河流域水循环演变进行了归因分析降水、径流和地下水等的演变规律万年尺度千年尺度百年尺度人类活动的低影响阶段影响增加阶段影响剧烈阶段气候变化是海河流域万年、千年尺度水循环演进的决定性因素人类活动为主因万年尺度水循环演化规律及主要因子温度黄河改道人类活动影响程度气候变化、人类活动、下垫面条件等的演变特征1.揭示了强人类活动影响下海河流域水循环演变机理与演变规律根据万年尺度、千年和百年尺度的演变机理，从广义水资源、狭义水资源、地表水和地下水资源等多角度定量揭示了海河流域水循环演变规律，并定量区分了气候变化和人类活动各项因子的贡献，提出了六大水资源演变规律多因素综合影响分解环境变化因素1环境变化因素2环境变化因素3情景设置环境变化因素情景三情景四情景五情景六情景七情景二情景八情景一使用变化期状态数据使用基准期状态数据2.对强人类活动影响下海河流域水循环演变进行了归因分析气候自然变异是导致海河流域过去50年降水减少的主要原因温室气体排放、太阳活动火山爆发是导致海河流域过去50年温度增加的2个因素，其贡献分别为84%和16%气候自然变异、区域人类活动是导致海河流域过去50年地表水资源量衰减的2个因素,其贡献分别为40%和60%水循环要素演变归因-0.0079-0.0010.0009-0.0015-0.0013-0.0005-0.01-0.008-0.006-0.004-0.00200.0021不同情景下的信号强度实际自然变异全球变暖用水变化下垫面变化区域人类活动2.对强人类活动影响下海河流域水循环演变进行了归因分析自然变异、下垫面变化是导致海河流域过去50年蒸散发量减少的2个因素,其贡献分别为48%和52%蒸散发量变化的归因分析2.对强人类活动影响下海河流域水循环演变进行了归因分析其中，有关海河流域水资源演变归因分析的研究成果，已刊登于国际知名学术期刊WaterResourcesResearch(AGU)第48卷（DOI:10.1029/2010WR009275）创新成果二：创建了流域水循环及其伴生过程综合模拟工具，定量预估了海河流域水循环及其伴生过程的演变趋势1.创建了流域水循环及其伴生过程的综合模拟与预测平台(NADUWA3E)2.揭示了海河流域水循环伴生过程的演变规律3.定量预估了气候变化及调控措施下未来海河流域水循环及其伴生过程的演变趋势水循环、水环境及水生态三大系统相互作用关系3E：Economy-Environment-Ecology；NADUWA3E：水-经济-环境-生态综合模拟实现了3大系统全方位耦合模拟，突破以往的两两模拟1.创建了流域水循环及其伴生过程的综合模拟与预测平台(NADUWA3E)“自然-社会”二元水循环模型(RCM)(GCM)“Natural-Artificial”DUalisticWAtercyclemodel由11个子模型组成模型库，具有独立自主知识产权（1）模型原理与总体结构开展了水循环、水环境和生态3个方面9类16个要素的验证。在水循环模拟中，实现了降水、蒸发、地表水、地下水、水库蓄变量等多个环节的系统验证，并能实现各要素间的互相校核，突破了以往的单要素验证。（2）模型验证综合模拟与预测平台总体架构模型系统采用最新的富客户端/服务器（RCP/Server）的开发方式来构建整个系统平台。该开发方式综合了胖客户端/服务器(C/S)和瘦客户端/服务器(B/S)两种方式的优点，可以保证模型系统的所有功能。该系统已经安装在海河水利委员会和环境保护部的业务部门，已持续稳定运行三年以上。综合模拟与预测平台NADUWA3E模型与国际同类先进模型功能参数对比项目指标NADUWA3E美国SWAT欧洲SHE/SHETRAN美国AQUAVEO瑞典ISE-WEAP奥地利WATERWARE功能自然水循环过程模拟强强强强无弱社会水循环过程模拟强弱弱强强弱宏观经济多目标分析有无无无无有水资源配置有无无弱有有水环境过程模拟强强强强弱弱陆面生态过程模拟强弱弱弱无无平原区地下水数值模拟有无有有无无气陆耦合模拟有无无无无无多时空尺度模拟有有无有无有下垫面影响分析有有有无无无水资源演变归因分析有无无无无无水资源动态评价有有有无无无水功能区达标分析有有有有无有水量及污染物总量控制有有有有无有层次化ET分析强强弱弱弱弱模型定制有有无有无无参数自动率定有有无无无无GIS集成平台自主创新第三方集成第三方集成有无无性能模拟精度高中高中中中计算速度快快慢快中快有关流域水循环及其伴生过程的综合模拟平台（NADUWA-3E），部分模拟技术已申请软件著作权，更多技术正在申请发明专利。流域水质模型WEQ软件著作权二元水循环模型NADUWA软件著作权从点源、面源污染物的产生、入河，河流湖库水质、地下水质和稀有污染物等多角度揭示了海河流域水环境演变规律，提出了五大演变规律2.揭示了海河流域水循环伴生过程的演变规律—水环境有关海河流域水质模型和水环境演变规律的部分成果已刊登于IAHS红皮书，WaterQuality:CurrentTrendsandExpectedClimateChangeImpactsWaterQuality:CurrentTrendsandExpectedClimateChangeImpactsProceedingsoftheSymposiumHS04heldduringtheIUGGGAinMelbourne(28June-7Jullet2011)EditedbyNormanE.Peters,ValentinaKrysanova,AhtiLepistö,RajendraPrasad,MartinThoms,RobWilby,SarantuyaaZandaryaaIAHSPubl.348(2011)ISBN978-1-907161-23-0从农田和自然生态系统的净初级生产力、蒸发蒸腾、湿地面积等多角度揭示了海河流域生态演变规律，提出了四大演变规律2.揭示了海河流域水循环伴生过程的演变规律—水生态有关海河流域作物生长模型的研究成果，已刊登于国际SCI期刊JournalofAppliedRemoteSensing3.定量预估了气候变化及调控措施下未来水循环及其伴生过程的演变趋势水平年方案水文系列降水量地下水超采入海水量南水北调（引江）引黄中线东线2005年S11980～20051596.280350046.22015年S21980～20051596.2533503.6546.4S31596.2535503.6546.4S41596.2535556.4×50%3.6546.4S51956～20051700.2539356.4×50%3.6546.42020年S61980～20051596.205558.714.247S71596.209358.714.247S81956～20051695.409358.714.247S91980～20051596.203558.714.247S101596.2275558.714.247S121956～20051700.2366462.416.843.3S141956～20051700.2275558.714.247S161980～20051596.2555562.416.851.22030年S111980～20051596.209383.931.343.3S131956～20051700.206886.231.351.2S151700.209383.931.343.3S171980～20051596.2365586.231.351.2优选方案水量调控方案调控方案设置水量水质综合调控方案水平年2005年2015年2020年2030年水量条件S1S4S10S11E1：现状排放S1E1E2：削减10%S1E2S4E2E3：削减20%S6E3E4：水功能区达标S11E4有关海河流域水循环模拟与预测的研究成果，已刊登于2013年第12期科学通报，（DOI:10.1007/s11434-012-5371-0）创新成果三：提出了“量-质-效”全口径多尺度水资源利用综合评价方法和高效利用机理与标准1.提出了基于水循环的水资源“量-质-效”全口径多尺度水资源综合评价方法2.揭示了海河流域城市高效用水机理与模式3.揭示了海河流域农业高效用水机理与模式用水效率直接取水系数YesNo经济系统平均值=高用水行业一般用水行业YesNo取水乘数经济系统平均值=潜在高用水行业潜在一般用水行业用水效益直接产出系数YesNo经济系统平均值=高效用水行业一般用水行业YesNo水的产出系数经济系统平均值=潜在高效用水行业潜在一般用水行业广义水资源评价污染负荷与水质评价用水效率与效益评价基于水循环的水资源“量-质-效”综合评价理论体系1.提出了基于水循环的水资源“量-质-效”综合评价方法基于“自然-社会”二元水循环模型WEP_L的流域水量水质联合评价基于河湖水体水动力学过程的水量水质联合评价（1）提出了水量、水质与效率联合评价方法经济社会系统用水效率评价在充分剖析土壤水资源在水循环过程和生产生态中的作用以及综合众多水资源概念基础上，立足于广义水资源概念，重新定义了土壤水资源。并依据水资源的有效性、可控性和再生性三大特点，建立了土壤水资源评价指标体系。最大可被作物吸收利用的土壤水资源量用于国民经济生产的土壤水资源量用于生态环境的土壤水资源量可被作物直接吸收利用的土壤水资源土壤蓄水量水流方向水流方向（2）提出了土壤水资源评价理论与方法机理研究提出安全高效用水机制2.揭示了海河流域城市高效用水机理与模式理论框架可持续发展二元水循环城市综合发展城市脆弱性水量基于属性的可持续城市水资源评价新模式效率多尺度城市水资源