1、题目：XXXXXXXXXXXXXXXX,学科专业：XXXXXXXXX指导教师：XXX 教授研 究 生：XXX,天津大学XX毕业答辩,水文水资源研究发展及前沿和热点问题,中国水利水电科学研究院 China Institute of Water Resources&Hydropower Research,王 浩中国水利水电科学研究院,2011年3月15日 长沙,2,报 告 提 纲,国内外水文水资源研究进展,我国水文水资源研究前沿和热点问题,我国水问题及综合应对中的核心科技主题,总体研究体系 前沿和热点问题“十二五”水文水资源研究关键技术方向,主要水问题及发展新情势水问题综合应对的主要任务水问题综合
2、应对的核心科技主题,水文学研究及发展概况水资源学研究及发展概况水文水资源研究的总体发展趋势国际水文水资源研究重点关注领域及关键问题,3,1.1 我国主要水问题及发展新情势,4,水资源供需形势更趋紧张,近20年来，由于气候变化和人类活动对下垫面条件的影响，我国水资源情势发生了显著变化比较19561979年与19802000年两个时段水文系列，全国平均降水总量变化不大，但北方黄淮海辽4个水资源一级区降水量平均偏少6%，其地表水资源量减小了18%，水资源总量减小了13%在以增温为基本特征全球气候变化影响下，我国“北旱南涝”的降水态势将予维持，水资源需求呈增加趋势，水资源供需形势将更趋紧张,1.1 我
3、国主要水问题及发展新情势（1）,5,洪涝与干旱发生频率增加，干旱影响及危害凸现,以增暖为主要特征的全球气候变化，大气系统能量增加，水循环速率增加，干旱、洪涝等极值天气过程发生频率越来越大，对国民经济的影响程度越来越深我国干旱和洪涝危害呈“双上升”趋势，并由年际交替演变为年内交替。1990-1999年间和2000-2006年间年均干旱受灾面积较1951-2006年间分别增加了13.5%和17.2%；1991年和1998年我国洪涝受灾面积分别达到2460万公顷和2229万公顷；今年，西南春旱与夏洪同时出现干旱在我国每年都会发生，但干旱问题越来越突出。近年来平均23年就会发生一次严重的干旱灾害；19
4、51-2006年我国年均干旱受灾面积为2194.3万公顷，是同期年均雨涝受灾面积的2.25倍。2009年，全国耕地面积受旱达到1826.6万公顷；今年，西南5省面临世纪大旱，5000多万同胞受灾，农作物面积受灾面积近500万公顷,1.1 我国主要水问题及发展新情势（2）,6,点源污染不断增加，非点源污染日渐突出,全国现状城镇生活和一般工业废污水排放量达740亿m3，是1980年的3倍多。其中海河区、辽河流域和太湖流域现状污径比分别高达50%、38%和44%同期工业废水排放达标率仅为1/3左右，城市的污水处理率仅为34左右，城镇更低改革开放以来，我国农业生产、畜禽养殖、农村生活水平及其居民点，城
5、市数量与规模均有很大的发展，由农田径流、畜禽养殖、农村居民、水土流失和城市径流等形成的非点源污染大幅度增加。以上5类主要非点源污染的COD、氨氮、总氮、总磷的负荷产生量已相当于点源污染物排放量的49倍，其COD、氨氮、总氮、总磷的现状入河比例已分别达41%、41%、68%和65%,1.1 我国主要水问题及发展新情势（3）,7,突发性水污染事件频繁发生，水生态安全受到威胁,从2001年到2004年，全国水污染突发性事故3988起，每年近1000起。2005年水污染事故693起，占环境污染事故的50%。2005年以来松花江、广东北江、四川沱江、太湖蓝藻水华暴发、吉林二甲基苯酚水污染事件等近28起重
6、大水环境污染事故水环境污染造成了巨大的经济损失，据统计2004年因水污染造成的损失为2862.8亿元，占当年GDP的1.71%自上世纪50年代以来，全国天然湖泊面积萎缩15%左右，天然陆域湿地面积共减少了26%，海河流域天然湖泊湿地面积更是减少了5/6。全国现状水土流失总面积356万km2，超过国土总面积的1/3，因水土流失每年流失土壤达到50亿t,1.1 我国主要水问题及发展新情势（4）,8,水问题叠加和累积影响越来越严重,目前各大流域均出现了不同程度的水危机，其中：西北、海河、辽河流域缺水严重，河流生态系统退化和地下水超采问题极为突出黄河流域水资源总量不足，河道泥沙淤积导致河流生态系统萎缩
7、淮河流域水环境污染问题久治不愈，旱涝灾害并存长江源头生态退化问题不容忽视，中下游太湖地区水体污染十分严重珠江流域中下游地区污染严重，河口咸潮上溯此外，在同一流域或区域，各类水问题并存，叠加和累积影响越来越严重。,1.1 我国主要水问题及发展新情势（5）,水循环及伴生过程识别与综合调控,9,1.2 我国水问题综合应对的主要任务,10,1.3 我国水问题综合应对的核心科技主题（1）,识别水问题和维系水安全的关键,“自然-人工”二元水循环模拟与调控,11,1.3 我国水问题综合应对的核心科技主题（2）,“自然-人工”二元水循环模拟与调控研究范式,12,1.3 我国水问题综合应对的核心科技问题（3）,
8、“自然-人工”二元水循环研究学科地位现代水文水资源集成研究,2.1 水文学发展概况历史及里程碑事件(1),发展阶段及其基本特征,13,水文学理论的发展,应用水文学的发展,地表水土壤水与地下水下渗蒸发流域水文循环,洪水监测及预报流域水文模型与预测农业灌溉生态保护水资源演变,里程碑事件,2.1 水文学发展概况历史及里程碑事件(2),14,17世纪以前,18世纪到19世纪上半叶,20世纪下半叶至今,19世纪下半叶到20世纪上半叶,以定性观测为主由观测者的经验主导为重大工程、重大灾害服务留存的资料多为比较散碎的描述性文献,大量测量仪器出现出现了萌芽状态的水文观测 从观测中发现了水文循环规律第一批有科学
9、意义的观测数据，为科学水文学的产生奠定了基础,水文仪器实用化水文测量向业务化发展水文测量主要为水利工程服务工程性大于科学性,反思原有观测方法，提出质疑军用技术民用化，带来水文量测技术的“第二次创业”新技术促进了水文科学的发展科学性大于工程性,水文测量：各阶段概述,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(1),15,水文测量：总结及展望,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(2),16,水文实验：各阶段概述,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(3),17,地表水,TEXT,TEXT,TEXT,气候变化及人类活动对水循环影响洪水作用、频率和影响因素研究水文的尺度特性确保河流的观测
10、精度,降雨入渗过程的研究多孔非均匀介质特征的研究气候变化、人口增长对地下水的影响数值模拟,污染源的研究污染物质的转化土壤侵蚀过程水质监测和评价环境风险评估水质和气候变化的关系,TEXT,TEXT,遥感技术示踪技术,水文实验：各学科中水文实验技术的应用,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(4),18,水文过程研究：分析方法及机理认识,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(5),19,水文过程研究：产汇流基本理论,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(6),20,水文模拟：发展历程,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(7),21,水文模拟：分类,2.1 水文学发展概况关
11、键科技问题历史演变(8),22,分布式模型,代表性单元模型（REW）,水文模拟：水循环认识演变,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(9),23,水文模型取得突破的可能性,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演变(10),24,地表水,TEXT,TEXT,TEXT,利用概率论与数理统计学研究分析水文事件，找出水文现象的统计规律。,研究生态过程与水循环过程相互作用的机理。,应用气象学的原理和方法，研究水文循环和水量平衡中同降水、蒸发有关的问题。,TEXT,TEXT,研究土壤-水分之间的交互作用和地形-土壤-水文之间的时间-空间关系。,水文交叉学科,2.1 水文学发展概况关键科技问题历史演
12、变(11),25,20世纪中期之前：有关水资源的知识和经验常融汇在其他已建立的学科如水文学、水利学中，没有形成专门学科。20世纪中期以来：水资源问题日益突出，人们开始认识到水资源研究的重要性。正是如此，把水资源作为主体进行研究被提上全球的日程，并开展对水资源进行系统调查和评价活动，以作为实现合理开发利用水资源的根据。专门以水资源为对象的研究和实践在很大范围内有了发展和提高，并逐渐形成了与原有的有关水的学科内容有差别并自成体系的水资源学。国内外水资源学的主要研究内容包括水资源评价、水资源价值、水资源配置、水资源调度、水资源管理等。,2.2 水资源研究发展概况（1）,27,2.2 水资源研究发展概
13、况（2）,近10年来水资源研究备受关注,水资源领域科技论文产出总体趋势（1910-2009年）,最早的水资源研究SCI论文始于1910年，之后近80年的时间内水资源领域的研究论文数量有限，20世纪90年代初期水资源领域的研究逐渐活跃。,28,2.2 水资源研究发展概况（3）,水资源领域科技论文产出趋势（1980-2009年）,尽管水资源相关的研究在个别年份（1994年，2002年）有减弱的现象，但整体呈现快速上升趋势。,近10年来水资源研究备受关注,29,2.2 水资源研究发展概况（4）,水资源领域第一个6000篇论文的产生花费了90年的时间；第二个6000篇论文产生经历了5年半的时间；第三个
14、6000篇论文的产生仅用了不到3年的时间。可见与水资源问题相关的研究正在受到前所未有的关注，是当前研究的热点科学领域。,近10年来水资源研究备受关注,哲学方法：由早起的朴素整体论发展为还原论，目前整体论有一定的发展,还原论,朴素整体论,整体论,水文过程认知水文现象解释水文循环测量,降水产流汇流入渗土壤水地下水界面过程输沙过程化学过程生态过程,大气过程地表过程土壤过程地下过程流域水循环,2.3 水文水资源研究方法及发展哲学方法,思维方法,归纳逻辑归纳-推理演绎逻辑推理-推理类比逻辑比较-推理溯源逻辑溯因-推理非逻辑思维,区划：暴雨区划、水文区划；分类：产流分类、河流分类；,流域的降雨径流响应函数
15、；Budyko水热耦合平衡假设,神经网络、遗传算法,水文学研究中归纳逻辑运用最为广泛，演绎逻辑次之，类比逻辑和溯源（假说）逻辑应用较少。,2.3 水文水资源研究方法及发展思维方法,描述方法,系统观测：对水文过程的各要素(水位、雨量、蒸发、泥沙、流速)、长系列、多点观测水文调查：暴雨调查、洪水调查、枯水与干旱调查、水生态与水环境调查水文实验：典型流域实验、野外田间实验；物理模型实验：室内降水产流模拟、河流模型,原位试验观测基地,2.3 水文水资源研究方法发展描述方法（1）,描述方法,统计与分类：河流分类、水文区划、暴雨区划分析与综合：单位线水文统计：频率分析/相关与回归分析/随机水文学内插与外延
16、：设计洪水、历史洪水、可能最大暴雨与可能最大洪水预测与预报、水文预报运筹学方法：预报调度、统计调度、多目标优化,2.3 水文水资源研究方法发展描述方法（2）,描述方法,流体力学方法：圣维南方程、流体有限元计算，河流不稳定流计算数学分析与数值模拟：产流、汇流、下渗、蒸发、土壤水、地下水、污染物运移、泥沙输送模型数字方法：GIS、RS、数字化,2.3 水文水资源研究方法发展描述方法（3）,2.4 水文水资源研究总体发展趋势,气候学在将其研究领域拓展到地球五大圈层（大气、水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈）后，取得了长足的进步。水文水资源学只有将其研究领域进一步拓展，革新传统方法体系，综合运用多学科方法，
17、才能系统辨识全球变化和人类活动影响下水循环及伴生过程的演变机理，并进行高精度的预测预报，服务于人类的和谐发展；实现传统水文水水资源向现代水文水资源的蜕变。,35,36,2.4.1 从还原分析向系统集成方向发展（1）,还原论 整体论 融贯论,要在整体观指导下，将纯粹的分析思维和整体思维有机结合起来，吸收整体论从整体上看问题的长处和还原论深入分析的优点；水文学研究融贯论的实现主要通过向下和向上尺度化相结合起来；水文学研究融贯论实现的关键点在于水文循环动力学过程的系统表达。,2.4.1 从还原分析向系统集成方向发展（2）,归纳推理和演绎推理相结合；强化逻辑方法中的演绎推理、溯源推理和类比推理等思维方
18、法的应用；重视非逻辑方法运用；重视分析-重构方法，研究分项过程耦合方法；将物理机制认知与本构关系建立相结合；“假设-建模-验证”思维模式中“证实”和“证伪”；坚持“认识-实践-再认识-再实践”。,2.4.1 从还原分析向系统集成方向发展（3）,39,2.4.2 从水文过程分析向水循环及伴生过程整体研究发展,从传统的单一自然水循环发展为自然-社会二元水循环,自然水循环模拟调控发展到二元水循环模拟调控,引入社会学和经济学的研究方法,水循环,水文学,水文学方法,2.4.3 从局部过程分析向多时空尺度相结合（1）,41,2.4.3 从局部过程分析向多时空尺度相结合（2）,42,2.4.4 从现象描述向
19、机理识别发展,2.4.5从单学科分析向多学科方法综合应用发展(1),自然系统 自然-社会系统 社会系统,自然科学方法(数学、物理、化学和生物科学等）+社会科学方法,43,44,与水相关的研究前沿及领域分布表（基于ESI数据）,（数据获取时间是2009年7月）,从表中可见，有16个传统学科领域的研究涉及到水。其中，与水的关系最为密切的前5个传统学科领域依此为：生态/环境、地球科学、农业科学、化学以及工程。例如，环境/生态领域共有220个研究前沿，其中，与水相关的有15个，占到该领域研究前沿总数的6.82%，这15个研究前沿共包含了112篇高被引论文。,2.4.5从单学科分析向多学科方法综合应用发
20、展(2),45,基于研究主题的各国之间关联可视化图,水研究涉及到多个研究领域，与材料/化学、材料/工程、食品与水、环境/化学、地质/环境、物理化学、生物/化学等方向的研究相关。,2.4.5从单学科分析向多学科方法综合应用发展(3),2.4.6 从传统水文测验向数字水文相结合转变,46,47,2.4.7 从“点”、“面”监测过渡到多圈层“立体”原型观测,水资源、水安全的风险评价与管理制度和能力建设、经济和社会外部性、道德规范制定,气候变化与水资源极端事件、数据不确定性、水文灾害及其对社会的影响,可持续水资源与环境管理地下水管理、生态水文学、土地利用变化、水质,2.5.1 IHP国家委员会关注热点
21、问题（1）,与其他全球计划相协调千年发展目标（MDGs），生命之水十年，可持续发展的教育,48,1996-2001 IHP-V脆弱环境中的水文学和水资源发展,2008-2013 IHP-VII(建议)利益相关：压力和社会响应下的系统,1990-1995 IHP IV变化环境中的水文学和水资源可持续发展,2002-2007 IHP-VI竞争性用水：风险和社会挑战中的系统,49,2.5.1 IHP国家委员会关注热点问题（2）,50,2.5.1 IHP国家委员会关注热点问题（3）,主题1：流域和地下水系统应对全球变化影响,全球变化和胁迫系统中水文过程的反馈机制气候变化对水文循环及水资源的影响水文灾害
22、、水文极端事件和与水相关的灾难面向全球变化的地下水系统管理干旱/半干旱区应对全球变化和气候波动的响应,主题2:加强水资源的持续管理,水管理中的文化、社会和科学响应增强管理能力完善资金筹措战略共有责任的水剖析水和能量关系,51,2.5.1 IHP国家委员会关注热点问题（4）,主题3:面向可持续发展的生态水文学,流域过程保护与改善的生态措施采用建筑和生态生物技术，提高生态系统的质量和服务基于风险的环境管理和核算地下水支撑生态系统的识别、分析和评价。,主题4:生命支持系统之水,面向生命持续发展和缓解贫困的水质保护增加缺水特别是SIDS 的水资源实现可持续的城市水资源管理实现可持续的农村地区水资源管理
23、,主题5:面向可持续发展的水教育,52,2.5.1 IHP国家委员会关注热点问题（5）,53,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（1）,15年来受关注的研究主题,19901992年之间频次最高的研究方向排名（前15名）,2007-2009年之间频次最高的研究方向排名（前15名）,54,15年来受关注的研究主题,水资源领域研究主题的变迁（前15名）,“生态环境”、“水资源管理”以及“地下水”的研究在两个时段均位于前4位之内，受到持续关注。与1990-1992年相比，“综合水资源管理”、“可持续”、“地理信息系统”以及“灌溉”成为2007-2009年新出现在前15位研究主题中。除了“农业”始终
24、是受关注的研究主题外，“模型与模拟”、“水与土壤”排名上升较快，而“废水再利用”和“供水”的排名则下降较多。,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（2）,55,重要国家关注的侧重点分析,对水资源的研究论文数据基于论文产出国家进行统计排序，发现水资源领域的科研活动遍布全球近160多个国家和地区。发文量排名前十的国家和地区为：美国、中国、英国、澳大利亚、德国、加拿大、法国、印度、意大利和南非。,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（3）,56,重要国家关注的侧重点分析,1990年，美国和中国没有水资源相关的研究论文。美国的水资源领域研究从1997年开始进入快速增长时期，并在2008年达到459
25、篇的峰值；中国从2003年开始论文数量快速增加，在2007年达到319篇的峰值；而英国、澳大利亚和德国在水资源领域的论文数量相对美、中两国则增长缓慢。,前五国家发文量随年份的变化情况（1990-2009年）,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（4）,57,重要国家关注的侧重点分析,美国、中国、英国、澳大利亚、德国和加拿大等6个国家的研究有较大的影响，并且研究主题之间亦有较强的关联度。其中，美国同中心区域的其他5个国家都有较强的主题关联，显示美国的研究相对广泛；而中国只相对与美国的研究内容关联程度较大，与其他国家关联较弱；英国、澳大利亚、德国和加拿大等国的研究除与美国关联性强外，彼此也有关联
26、。,基于研究主题的各国之间关联可视化图,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（5）,58,重要国家关注的侧重点分析,发文量前5位的国家研究方向优先度排名,“生态环境”、“模型与模拟”、“可持续”、“地理信息系统”、“地下水”等是各国共同关注的方向。同时，对于新出现的研究方向“综合水资源管理”，各国的关注程度也不尽一致：德国、美国、澳大利亚比较关注该方向，而中国和英国则在前10位的关注方向中没有出现“综合水资源管理”，这反映出不同国家水资源问题的发展阶段和侧重点不同。,2.5.2 国际水文水资源关注热点领域（6）,3.1 总体研究体系,59,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(2),60,水循环
27、的气陆耦合模拟,61,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(3),自然水循环+社会水循环,62,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(4),63,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(5),天然生态系统演变模拟,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(5),人工生态系统演变模拟,65,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(5),气候-水文-生态耦合模拟,水化学过程模拟,66,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(6),水沙过程模拟,重力侵蚀,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(7),整体模拟与多源数据同化,68,3.2.1 水循环及伴生过程模拟(8),3.2.2 水循环演变规律及驱动机制(1),水循环各要素过程（降水、蒸
28、发、土壤水、地下水等）演变规律降水-产流特征变化流域产沙过程的时空分异全球变化和人类活动对水循环演变的定量影响流域污染演化机理（社会水循环与点源排放、天然水循环与面源污染）流域生态演变机理。,69,70,3.2.2 水循环演变规律及驱动机制(2),71,3.2.2 水循环演变规律及驱动机制(3),3.2.3 新一代水资源评价方法(1),广义水资源评价水质水量联合评价水资源利用效率/效益评价水质、水量、效率/效益三位一体评价区域缺水识别。,72,新一代水资源评价谱系图,间接,大气水汽通量,空,中,水,资,源,地,表,水,资,源,非生产性水分,73,3.2.3 新一代水资源评价方法(2),74,3
29、.2.3 新一代水资源评价方法(3),75,3.2.3 新一代水资源评价方法(4),水质水量联合评价,76,3.2.3 新一代水资源评价方法(5),发展约束,3.2.4 水生态服务功能及生态需水(1),水生态服务功能评价区域/流域生态目标的科学确定河流、湖泊、湿地、城市、河口生态需水核算流域/区域生态需水整合基于生态服务功能的生态需水核算。,77,78,3.2.4 水生态服务功能及生态需水(2),79,3.2.4 水生态服务功能及生态需水(3),生态服务功能双层解析直接功能+延伸功能,80,3.2.4 水生态服务功能及生态需水(4),81,3.2.4 水生态服务功能及生态需水(5),82,3.
30、2.4 水生态服务功能及生态需水(6),流域生态需水整合,3.2.5 水资源价值量核算与水价(1),水资源社会经济价值核算水资源生态与环境价值核算水资源综合价值核算水资源绿色核算城市用水定价农村用水定价水权转让定价。,83,水资源绿色核算体系,84,3.2.5 水资源价值量核算与水价(2),全成本水价构成,85,3.2.5 水资源价值量核算与水价(3),3.2.6 水资源承载力核算,水资源承载力计算指标体系及表征指标流域水资源承载能力区域水资源承载能力城市水资源承载能力提高区域/流域/城市水资源承载能力的技术途径。,86,3.2.7 水资源配置与调度(1),基于准则的水资源配置基于系统优化的水
31、资源配置基于复杂系统的水资源配置基于宏观经济系统的水资源配置面向生态的水资源合理配置广义水资源配置水质水量联合配置水库群的优化调度水利工程的生态调度跨流域调水工程水资源实时调度干旱半干旱区水资源实时调度。,87,88,3.2.7 水资源配置与调度(2),89,3.2.7 水资源配置与调度(3),基于低碳模式和生态友好的水资源合理配置,90,3.2.7 水资源配置与调度(4),多目标水沙资源化配置,91,3.2.7 水资源配置与调度(5),宏观总控,长短嵌套,实时决策,滚动修正,配置方案总控下的实时调度,92,3.2.7 水资源配置与调度(6),93,3.2.7 水资源配置与调度(6),复杂水利
32、工程群联合生态调度,94,3.2.7 水资源配置与调度(7),受水区水资源实时调度模型,受水区,干线,水源区,95,3.2.7 水资源配置与调度(8),3.2.8 取水许可与初始水权分配(1),地表水取水区划地下水取水规划及红黄蓝分区初始水权分配的原则和方法初始水权管理。,96,水资源使用权分配机制框图,97,3.2.8 取水许可与初始水权分配(2),3.2.9 极值过程的综合应对(1),98,危机管理与风险管理的区别,3.2.9 极值过程的综合应对(2),面向极值过程的水资源合理配置 把极端干旱和洪涝从应急管理层面纳入到区域水资源配置规划中，进行未来可能极端干旱或极端洪涝情境下水资源的供给与
33、需求分析，是充分考虑水文和气候变化的极端事件，适用区域极端干旱情境下的水资源承载能力，优化区域产业和工程布局，丰富水资源管理的内涵，完善常规的仅仅考虑常态水资源情景的配置思路。,3.2.9 极值过程的综合应对(3),面向旱涝灾害的多水源综合应急调度管理技术结合旱涝灾害预警预报及旱涝影响，对地表水、地下水等常规水资源与中水、再生水等非常规水资源及应急水源进行综合调度，并提出综合性的保障措施。,3.2.9 极值过程的综合应对(4),面向区域协调发展的旱涝影响实时与综合评估技术,对旱涝所造成的社会经济及生态环境影响进行实时评估，为防洪抗旱对策的滚动修正提供依据；同时，对每次旱涝灾害所造成的综合影响进行整体评估，以便为后期建设及规划与管理的修正提供依据。,事前预测评估事中影响评估事后整体评估,整体应对方案，启动应急预案,应对方案即时修正,灾后重建，应急预案修正,3.2.9 极值过程的综合应对(5)
