水资源研究所50年研究历程回顾

文章回顾了50年来水资源研究所面向国家重大水事实践需求,以为国家及地方水利部门提供服务和科技支撑、解决生产中的实际问题为出发点,开展的科学研究和技术服务工作。重点论述了水文与暴雨洪水、水资源评价、水资源配置、水价与水权研究、水资源保护、生态需水与生态水文学、水资源信息化与数字流域等方面的主要研究工作和取得的成就,展示了水资源研究所雄厚的科研基础和创新能力。展望未来,面对新时期的国家需求和水利发展形势,深感水资源研究所的科研工作任重而道远。

现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问题

在对国内外水问题进行科学识别的基础上,分析了水循环的"自然-人工"二元演变模式,明晰了水循环及伴生水化学、水生态和水沙过程的相互关系,初步阐述了现代水文水资源学科体系的构成。在对国际水文水资源研究发展趋势及热点和前沿问题进行阐释的基础上,结合中国水文水资源研究现状及水问题解决的实践需求,论述了中国水文水资源研究的学科体系的构成,并分析其重大研究方向。在变化环境和高强度人类活动影响下,水循环在驱动力、结构及参数等方面已呈现出显著"自然-人工"二元特征。现代水文水资源研究正由传统"还原细化"研究向综合交叉方向发展,并由传统基于单个水文环节的研究过渡到基于二元水循环过程的研究上来,原型观测与数学模拟的结合已成为其关键研究手段。中国水文水资源研究需要进一步强化水循环及伴生过程演变机理识别与定量模拟方面的基础研究,完善水资源评价、配置、调度、水权分配、水价定价理论和技术等方面的应用基础研究,服务于节水型社会建设、水环境保护与水生态修复、水资源综合管理、防灾减灾与应急管理、民生水利及现代水利建设与管理等实践需求。

西北内陆干旱区水资源承载能力研究

在西北内陆干旱区水资源生产能力分析的基础上,定量地给出了该区域重点地区的水资源承载力。针对生态环境脆弱的内陆干旱区特点,探讨了水资源承载力的主要研究内容、特性和影响它的主要因素,然后提出了水资源承载力的指标体系、计算流程和边界条件,分析计算了其水资源生产能力。研究结果表明,利用新疆、河西、宁夏的农产品弥补关中和柴达木农业生产的不足,利用新疆、关中、柴达木的工业生产弥补河西、宁夏工业生产的不足,2020年西北重点地区完全可以承载其6384×104人的预测人口,且能保证每人有年均400kg粮食和2×104元以上的富裕生活水平。

区域水资源承载力的研究进展及其理论探析

在总结区域水资源承载力研究历史和现状的基础上 ,定义了水资源承载力的概念 ,并阐述了水资源承载力的内涵与特性。在分析区域水资源承载力影响因子之后 ,研究了区域水资源承载力的理论研究层次 ,对水资源承载力的理论体系的建立作了较为深入的探析。

现代水资源评价及水资源学学科体系研究

在追溯水资源界定和内涵历史沿革的基础上 ,根据水资源评价的有效性、可控性和可再生性准则 ,按不同评价口径将水资源划分为广义水资源、狭义水资源、国民经济可利用量和生态环境需水量。从水资源承载的双重客体出发 ,一定程度上澄清了历史上关于水资源评价和定义的争论。而后从水资源科学的发展入手 ,刻划了水资源学研究的对象和三个层面上的内容 ,即基础研究、应用研究和综合研究 ,根据学科研究的内容 ,构建了包括基础学科、应用学科和综合学科的水资源学学科体系 ,并分别就三大组成部分作了剖析 ,这对于水资源学科建设具有积极的意义。

流域水资源实时监控管理系统研究

根据我国流域水文水资源特点和供用水特征,基于目前流域所面临的水资源短缺和污染问题,需要研究和开发流域水资源实时监控管理系统。其重点应放在现有监测站点的调整与完善,水库运行规则、技术参数的校核与调整,洪水资源调控与地下水人工回灌,污水处理回用与生态环境需水量,防洪与兴利统一调度,地表水与地下水资源联合运用管理等技术研究,以及水资源实时调度管理方案付诸实施后效益与风险分析、系统的标准化等方面。

水资源用水总量控制与定额管理协调保障技术研究

目前我国水资源用水总量控制与定额管理缺少有效的协调保障技术,文中从分析影响用水总量控制与定额管理相协调关系的主要因素入手,构建了包括总量控制和定额管理相互协调的调控原则、调控模式、调控方法和促进两者协调的措施方法在内的总量控制与定额管理协调保障技术体系,为解决实际管理中存在的总量控制与定额管理不相协调问题提供技术支撑,使总量控制与定额管理有机结合、互相匹配。

流域水资源合理配置的研究进展与发展方向

水资源合理配置是实现水资源可持续利用的有效调控措施之一。将现状的水资源合理配置研究划分为广义和狭义两类,进而从内在机制、实践进程和评价三方面系统综述了狭义流域水资源合理配置研究进展。指出目前中国在流域水资源配置过程中存在若干问题,主要表现为缺乏有效的初始水权分配机制、缺乏有机的补偿和机理机制、缺乏广泛的社会参与机制和缺乏系统的后效评价体系,致使现状水资源配置难以实现真正意义上的合理。为解决上述配置实践中存在的相关问题,今后我国水资源配置研究的重点主要集中在建立符合现代流域水循环过程的"天然 人工"二元认知模式,建立以水循环为基础的水资源合理配置模式、建立具有统一基础的水资源配置准则和建立水资源配置合理性评价标准和体系等。

基于广义ET的水资源与水环境综合规划研究Ⅰ:理论

在分析国内外水资源规划的发展历程的基础上,基于广义ET耗水控制理念探讨了区域水资源水环境综合规划的理论、内涵及其规划理念。分析了其调控机制、规划原则以及规划目标。确定以目标ET制定-方案设置-情景模拟-方案评价-方案推荐5个步骤为基于ET的水资源规划的决策思路,进而提出了七大总量控制规划指标,建立了规划框架。为综合解决全球气候变化和人类活动影响下日益严重的水资源和水环境问题提供了探索途径。

北京市水资源配置模拟模型研究

在分析北京市水资源利用现状的基础上,提出并开发了基于规则控制的北京市水资源配置模拟模型。通过分析水资源系统供、用、耗、排主要环节中所涉及的要素和相互连接关系,抽象概括出系统中的主要对象,建立了满足北京市配置目标要求的水资源系统网络概化图。在模型中,以1956～2000年45年的长系列水文历史数据和未来规划水平年需水预测数据为基础,通过控制水利工程运行规则、渠道过水能力、用水户受水优先序等变量,以及对天然与人工二元耦合情况下水资源在网络系统中运移转化和相互作用过程的模拟,实现北京市水资源的综合配置。

三川河流域水资源演变个例研究

以三川河流域为例,应用WEP-L分布式水文模型和集总式流域水资源调配模型偶合而成的二元水循环模型,模拟了不同情景下流域水循环过程。在此基础上,定量分析了降水、人工取用水以及下垫面条件这三个主要驱动因子对流域水资源演变的影响。在模型中保持其它条件不变,仅以改变降水、人工取用水及下垫面条件来模拟8种不同情景的水循环:情景1,1956-1979年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景2,1980-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景3,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景4,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水;情景5,1956-2000年降水系列、1956-2000年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景6,1956-2000年降水系列、2000下垫面、无人工取用水;情景7,1956-1979年降水系列、1956-1979年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景8;1980-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水。情景2和情境1比较,发现降水单项因子减少4.5%引起各种口径水资源量的减少,地表水资源量减少18.4%,地下与地表水资源不重复量15.8%,狭义水资源量18.3%,有效蒸散发量2.1%,广义水资源量4.6%。情景4和情境3比较得出,在人工取用水单项因子作用下,地表水资源量减少4.6%,而地下与地表水资源不重复量增加113.5%,在狭义水资源量减少0.4%的同时,伴随有效蒸散发量增加0.9%,广义水资源量增加0.7%。情景6和情境5对比,发现在下垫面条件单项因子作用下,狭义水资源量及其构成地表水资源量和地下与地表水资源不重复量分别减少4.3%、4.3%和2.8%,有效蒸散发量增加7.1%,广义水资源量增加5.3%。情景8和情境7对比分析得出,三个因子对水资源量的综合影响是,地表水资源量减少30.6%,地下与地表水资源不重复量增加114.5%,狭义水资源量减少25.8%,有效蒸散发量增加6.7%,广义水资源量增加1.1%。研究成果对于其它流域水资源演变规律研究具有参考价值。

基于生态水文阈值调控的内陆干旱区水资源多维均衡配置研究

针对内陆干旱区城市发展和生态环境保护的强烈互斥性,在整体识别内陆干旱区水循环与生态演变耦合作用机理上,构建基于生态水文阈值调控的水资源多维均衡配置模型。模型分3个层次:以流域为单元的水资源系统耗水总量和地下水采补平衡;以行政分区为单元的经济社会系统水量平衡和水土平衡;以河道关键控制断面和灌区为单元的生态环境系统水生态平衡和水盐平衡,并给出相应的多重循环迭代算法。将该模型方法应用于我国内陆干旱区——塔里木河流域,结果显示:在平枯水平年通过累计新增节水灌溉面积85.1万hm^2,累计退减基本农田外灌溉面积41.5万hm^2,累计退减国民经济用水量为75亿m^3,可实现该地区水资源-经济社会-生态环境复合系统的有序良性演化和高效均衡发展,验证了该方法的可行性。

海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅱ.水资源管理战略研究应用

综合考虑水文气象、南水北调工程、地下水超采控制、入海水量控制目标等因素,以及现状(2005年)、2010年和2020年3个水平年,设置了9个情景方案,应用海河流域二元水循环模型(简称"二元模型")进行了水资源管理战略情景模拟分析。采用GDP、粮食产量、ET(蒸散发量)、入海水量、总用水量、减少地下水超采量等评价指标对9个情景方案的模拟结果进行了评价,给出了各规划水平年的推荐方案。在此基础上,对今后海河流域水资源管理战略问题如ET控制、地下水超采量控制和入渤海水量控制等进行了讨论。研究表明,未来虽然有南水北调工程对本流域的补水,但需要严格控制流域用水量和耗水量,才能做到逐步减少地下水超采量、增加入渤海水量,实现国民经济与生态环境的和谐发展。

广义水资源合理配置研究(Ⅱ)——模型

广义水资源合理配置的目的是实现广义水资源在经济系统和生态系统中的合理分配,本文根据广义水资源合理配置的内涵、目标、研究框架、调控体系等,开发了广义水资源合理配置模型(WACM),该模型由水资源合理配置、水循环模拟和水环境模拟模块组成。WACM模型通过采用层层嵌套、逐步细化的模拟机制,以及不同尺度模型之间分解和聚合的信息交互方式,实现区域水量-水环境-水循环过程的动态配置与模拟,保证广义水资源在经济社会和生态环境系统间分配的合理性。模型可实现全口径供需平衡分析,有效拓展了传统集总式配置模型的功效,并通过经济、生态、环境和水循环响应的合理性检验,可以及时反馈和调整广义水资源合理配置方案,保证广义水资源配置的合理性。

基于广义ET的水资源与水环境综合规划研究Ⅱ:模型

在所提出的广义ET区域水资源综合规划的理念和研究框架基础上,本文构建了基于广义ET的区域水资源与水环境综合模拟模型,该模型由分布式水文SWAT模型、人工水平衡AWB模型及分布式地下水MODFLOW模型耦合而成,实现了地表水和地下水、天然水循环和人工水循环、水量和水质联合模拟。该模型可作为区域水资源与水环境综合规划的工具。以天津市为例,从地表水径流、地表水水质、地下水以及模型模拟ET结果等方面对模型进行了校验,校验结果表明模型可进行不同节水、水资源配置、点源和非点源水污染控制、水生态修复规划方案的情景模拟,为区域水资源与水环境规划提供支撑。

我国水资源多目标决策应用研究简述

简述了水资源多目标理论在水资源优化配置、水资源规划与管理、水资源承载能力、水库调度、水生态调控、水污染防治等方面的应用及其存在问题,探讨了水资源多目标决策待完善的内容,并展望了未来的研究方向。

国际水文计划发展与中国水资源研究体系构建

国际水文研究计划(International Hydrological Program; IHP) 是国际水资源研究展示的大舞台,其发展是国际水资源研究发展的集成体现。国际水文计划的研究历程和发展态势表明,水资源研究已从单学科研究过渡到了多学科的集成研究。随着社会因子的增加,水资源研究已经成为一项系统工程。从水资源研究的发展来看,中国水资源研究整体上要滞后于国际水资源研究的步伐,但发展态势较好。中国水资源研究体系应具有显著的圈层结构特征,变化环境中的-水资源研究体系过程与机理是水循环研究的核心,构成了圈层结构的内圈;基于生态水文过程的水资源保育与保障体系是中国水资源研究体系的第二圈层;基于自然-人工二元演化模式的水资源配置体系,基于现代理、化、生技术和信息技术的节水体系以及基于市场机制的水资源高效利用的激励体系构成了水资源研究体系的第三圈层。在上述三个圈层研究的基础上,进行基于现代信息技术和管理技术的水资源综合决策和集成管理研究,以及基于现代传媒技术的水资源教育与培训体系构成了中国水资源研究体系的最高层次,是圈层结构中的外圈层。

水资源系统模拟模型研究进展

回顾了国内外水资源系统模拟模型的研究历程,结合当前水资源领域发展方向,介绍了目前的研究现状。分析了以集成方式研究水资源系统模拟技术的必要性,评述了几类当前比较有影响的水资源系统模拟方法以及相应软件。阐述了面向对象技术(OOT)以及地理信息系统(GIS)等在流域水资源模拟中的应用。指出以计算机技术为先导,考虑不同的流域实际状况进行系统分析是构造通用水资源模拟模型的必要条件和发展方向。

海河流域水资源开发利用阈值研究

针对中国水资源开发利用程度较高等问题,在水资源耗减、水环境退化等价值量核算方面开展研究,提出合理的水资源开发利用阈值。以联合国综合环境经济核算体系为基础,从水资源开发利用带来的正面效益和负面效益两方面入手,通过构建水资源环境经济效益评价模型(EMW),分析经水资源耗减和水环境退化价值调整后国内产出(WEDP),并从社会福利最大化角度,提出将WEDP最大化目标下的用水量作为合理的水资源开发利用阈值。经评价,海河流域现状和2020年合理的水资源开发利用阈值分别为292亿m3和287亿m3。结果表明,海河流域已经超过了其开发利用阈值,对水生态环境系统造成了负面影响。

南水北调中线水资源调度关键技术研究

文章是"十一五"国家科技支撑计划项目"南水北调中线水资源调度关键技术研究"课题的研究内容介绍。针对南水北调中线一期工程建成后,如何进行科学、合理、高效、便捷的水资源调度,充分发挥经济效益、社会效益和生态环境效益,分析了4个方面的实际需求,提出了中线水资源调度关键技术研究的目标,总体架构,技术路线及其主要任务。