流域水循环演变机理与水资源高效利用

实现了3大系统全方 位耦合模拟，突破 以往的两两模拟
水循环、水环境及水生态三大系统相互作用关系
（1）模型原理与总体结构
“自然-社会” 二元水循环 模型
“Natural - Artificial ” DUalistic WAter cycle model
(GCM)
(RCM)
由11个子模型 组成模型库， 具有独立自主 知识产权
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
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
万年尺度
人类活动的低影响阶段
千年尺度
影响增加阶段 气候变化、人类活 动、下垫面条件等 的演变特征
百年尺度
影响剧烈阶段
降水、径流和 地下水等的演 变规律
流域水循一、 研究背景与总体思路 二、 主要研究成果 三、 项目实施效果
一、研究背景与总体思路
1.研究背景
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。
1. 研究背景
GDP:15% 粮食产量:>10% 水资源:1% 人类活动 强烈
面积:32万km2 人口:1.4亿 (10％) 耕地:1.74亿亩(12%) 城镇化率: 43%
战略地位 重要
海河流域 年降水量： 530mm 水资源量: 340亿m3
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
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%
1.研究背景
1.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。
水循环要素演变归因 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%
0.002
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%
项目名称：海河流域水循环演变机理与水资源高效利用（2006CB403400） 首席科学家：王浩 教授/院士 牵头单位：中国水利水电科学研究院 执行时间：2006年-2010年
2.总体研究思路
机理 科学认知
水循环及其 伴生过程
过程 规律
高效利用
国家目标
资源-生态-经济 协调发展 综合调控
研究技术路线
0.0009
1
实际
-0.0005
不同情景下的信号强度
0 -0.002 -0.004
-0.001
自然变异 全球变暖 用水变化
-0.0013
-0.0015
-0.006 -0.008 -0.01
下垫面变化
-0.0079
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
蒸散发量变化的归因分析
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
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)
3E：Economy-Environment-Ecology ；NADUWA3E：水-经济-环境-生态综合模拟
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
情景设置
多因素综合影响分解
情 景 一 情 景 二
情 景 三
情 景 四
情 景 五
情 景 六
情 景 七
情 景 八
环境变化因素
环境变化因素 1 环境变化因素 2
环境变化因素 3
使用基准期状态数据 使用变化期状态数据
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
机理 识别
实验单元尺度
流域尺度
景观尺度
水循环及其伴生过程演化基础理论
3.研究内容
二、主要研究成果
本项研究取得了四项创新性成果：
• 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
• 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
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%
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Water Resources Research (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
资源再生 生态健康 环境友好 经济高效 社会公平
整体 调控
流域水循环整体调控方案
严重缺水区水循环调控理论
高效 机制
农业高效用水标准
流域用水效率评价
城市高效用水标准
水资源利用效率评价方法
水生态过程模拟 水循环过程模拟 水环境过程模拟
过程 模拟
流域水循环及相关过程综合模拟平台
生态演替机理 水循环演变机理 水环境演化机理
• 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
多维临界 调控理论
综合评价 方法
• 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
人 类 活 动 影 响 程 度
万年尺度水循环演 化规律及主要因子
温度 黄河改道
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
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
（2）模型验证
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。