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1、环境变化的水文水资源研究：机遇与挑战,传统的水文水资源 主要研究自然的过程变化,21世纪主要面临的问题,气候变化 土地利用/土地覆被变化 人类活动 （农业化、水利工程、城市化）,环境变化的水循环与水资源安全,90年代后，国际上实施一系列 与水有关的科学研究计划,全球能量与水循环实验计划（GEWEX）,国际水文计划（IHP）,国际地圈生物圈计划（IGBP/BAHC）,发展趋势： - 环境变化的水循环及其相关的地表过程 - 针对水资源、生态变化实际问题的科学研究,一、何为环境变化？,大气： 自然变化/气候变异 陆面：高强度的人类活动 土地利用/覆被变化 3. 混合作用： 大气环境变化+陆面环境变化
2、,高强度的人类活动,由于自然或人为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化，称为水文效应。,一、直接影响,是指人类活动使水循环要素的量或质、时空分布直接发生变化，如兴建水库、跨流域引水工程、作物灌溉、城市供水或排水等。,二、间接影响,指人类活动通过改变下垫面状况、局地气候，以间接方式影响水循环各要素。例如植树造林、发展农业、城市化等。,高强度的人类活动,一、水利工程、农业措施对水文要素的影响,水库水文效应,跨流域调水水文效应,小型农田水利措施水文效应,农业措施的水文效应,二、森林水文效应,三、城市水文效应,挑 战,考虑环境变化影响的水资源评价与管理？,变化环境中的水
3、循环与传统的自然水循环之间产生明显的差异,变化环境下的水资源评价困难： 水文测站观测的径流逐年减少，如何还原天然径流？ 水资源的量与质如何统一评价？,新的挑战与难点问题,如何定义水资源的承载力/生态环境承载力？ 如何量化可持续水资源管理？ 如何调控健全（健康）的水循环系统？ 如何实施中国国家尺度/区域尺度/流域尺度的水资源优化配置？ （南水北调工程与环境影响评价）,二、如何认识变化环境中的 水循环规律？ - 问题、困难与挑战,问 题,变化环境中的水循环有规律可寻吗？ 如何区分变化环境中水循环过程的自然变化与人类作用的贡献？ 如何量化变化环境下陆地水循环规律？,人工侧支水循环,用水量 耗水量 回
4、归水,讨论的观点1：,变化环境中的流域水循环 机理研究可能是关键。,陆-海-气系统与流域,大 气 海洋 陆地 子流域 。 流域 水系（河网） 坡面 自然系统 人类活动,Basin Scale,机理研究的挑战,流域水文循环两个最基本非线性系统支撑： 生态覆盖 流域下垫面（地形地貌 + 土地利用 ） 都市化过程等 水文变化的动力学过程,单元水体水文循环过程示意图,基本的依据-过程观测,局部尺度观测： 坡面-代表性单元-小流域 难题： 小尺度SPAC机理如何应用到大的流域？,？,？,？,？,水文尺度/参数化问题,2. 陆-气水文循环相互作用：能量观测/雷达系统,问题：空间台站太少！,2.流域水循环机
5、理认识： 同位素水文学方法,水循环流路/转化关系比较清楚，水文的流量/流速定量化比较困难,讨论的问题2：,如何减少/ 处理变化环境中的流域水循环模拟中的不确定性？,问题与挑战,描述水循环及能量循环相互制约关系是 陆地和大气的 水量平衡方程 能量平衡方程 陆-气间水循环和能量循环的基础 长期以来由于海洋和陆地降水、径流观测覆盖面不够，对蒸发还不能直接测出，导致全球水循环研究存在很多的不确定性。 水循环与能量循环一直处在隔离（Gap）状态,自然（气候）变化对陆面水文生态系统的作用,GCMs 宏观尺度模式,生态水文模型,聚解/聚合 （再参数化）,( 低分辨率 ),(高分辨率 ),观测资料与信息,大气
6、,陆面,人类活动影响,不确定性,大气圈生物圈水圈交互作用的研究 大气对陆面水文生态系统的作用：聚解（Downscaling） 陆面水文、生态系统对大气的作用：聚合（Upscaling） 大气圈生物圈水圈交互作用多样性耦合（系统聚合/聚解集成的参数化）,地貌、陆面覆被变化、单元产流、河网汇流、地表水-地下水多源信息集成,缺乏信息/无测站水文问题IAHS 提出的PUS s,PUSs 定义 PUSs 研究方法 水文实验方法（密站网/疏站网关系） RS/GIS信息直接估算水文参数 4D数据同化 / 其他方法（地质统计与 插值方法等） PUSs 研究计划,10,500 km2,甘肃黑河流域山区雨量站分布
7、,讨论的问题3：,研究“有序/健全的水循环系统”是否可以将自然变化和人类活动影响的水循环问题统一起来？,突出的特点：“有序/健全”的水循环过程必须将水循环后果直接与社会经济发展、生存环境质量联系在一起。,“健全的水循环系统”研究,“以流域为整体，以自然变化加健全方式的人类调控的水循环方式，将用水、防洪、治污目标统一协调，使得水能够达到最佳利用的水循环系统”,（90年代后日本提出该观点）,RS,GIS,3S技术,环境变化下的水循环及地表过程机理,人类经济活动与用水方式,水资源调控/生态修复,气候、来水变化,关键科学问题,认识产生水问题的成因,目标准则： 可持续发展 生态质量 气候变化 社会经济,在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系该地区人口、资源与环境有限发展目标的最大的社会经济规模。,水资源承载力,人口数/ 亿m3,GDP/ 亿m3,净福利/ 亿m3,大 气,海 洋,陆 地,人类活动,地表,地下,生 态,水 碳,水 碳,全 球 增 暖,科学问题,技术支撑,国家需求：,华北地区缺水与生态环境恶化；西部地区水资源承载力；长江流域水环境演变规律； , , ,大气陆面水文耦合及尺度问题；,全球变化的水碳循环问题；,数据库,试 验,古气候,数值模拟,3S技术,
