一水文学及水资源

'一水文学及水资源1学科方向水文学及水资源学科包括水文学和水资源学两个方面，是研究水的性质、循环运动规律、水与环境相互关系以及水资源可持续利用的学科。水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，研究领域同时也包括水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等自然圈层的关系。水文学同属于地球科学和水利科学两个范畴，与科学探究和工程建设实践均密切相关。作为地球科学的一部分，水文学可分为陆地水文学与海洋水文学两大部分，陆地水文学是水文学的主要组成部分。水文学和大气科学共同关心水圈与大气圈的相互联系，逐渐形成水文气象学；水文学和地质学共同研究地下水形成、埋藏和运动规律，形成了地下水水文学。作为水利科学的一部分，水文学通常指的是应用水文学，是运用水文学及有关学科的理论和方法，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为水利、电力、交通、城镇供水和排水、环境保护等工程建设，为农业、林业提供水文数据、水文参数和水文预报服务的一门应用科学。应用水文学因服务对象的不同，又分为工程水文学、农www.iwhr.com业水文学、森林水文学、城市水文学等分支学科。随着现代量测技术和计算机技术的发展，以及人类活动对自然环境和生态系统影响的日益加剧，现代水文学的研究对象涵盖了水文循环的物理过程、伴随水文循环过程的生物化学过程，以及植物生态过程等，其发展趋势是：1）综合研究手段，即地面观测、卫星遥感、以及计算机模拟相结合；2）学科交叉，如大气科学与水文科学的结合，生态学与水文学的结合等；3）“自然－人工”二元水循环模式研究，即人类活动影响下的自然水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用研究。水资源学是对水资源的量与质进行评价，制定水资源综合开发利用和保护规划，解决水资源供需矛盾，并对水资源实行科学管理的知识体系。在相当长的一段时间里，有关水资源的知识和经验常融合在其他学科如水文学、水利学中，没有形成水资源的专门学科。20世纪中期以来，水资源问题日益突出，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，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。其研究对象主要可以归结为三个部分：1）研究水资源的形成、演化、运动的机理，评价全球与不同区域的水资源的数量与质量及其时程变化；2）研究在人类社会及其经济发展中为适应用水1 的需要而开发利用水资源的科学途径；3）研究在人类开发利用水资源过程中引起的环境与生态变化，以及这种变化对水资源自然规律的影响，探求在变化的环境中如何保持水资源的可持续开发利用的科学途径等。目前，水文学及水资源学科的学科方向可概括为：（1）水文学方面：水文学基础理论或理论水文学的研究，如流域水循环的各要素过程、产汇流原理、水文变量及参数的空间变异与尺度问题、分布式流域水文模拟方法、水文模拟与预测的不确定性分析等；应用水文学的研究，如工程水文学（水文计算、水文统计、水文预报等）、城市水文学、农业水文学、森林水文学等；水文量测与水信息技术，如遥感水文学、同位素水文学、水文数据同化、数字流域与水信息技术；学科交叉研究，如水文循环过程与物质循环过程的相互作用（环境水文学）、水文循环过程与大气过程的相互作用（水文气象学）、水文循环过程与生态过程的相互作用（生态水文学）及生态需水研究、流域自然水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用（二元水循环）等。（2）水资源学方面：全球气候变化与人类活动影响下的流域水资源演变机理；流域水资源评价的理论、方法与应用技术；水资源合理配置与规划的理论、www.iwhr.com方法与模型；水资源调度理论、技术与系统开发；节水型社会建设与水资源高效利用的理论、方法和技术；水资源承载能力与发展战略、水资源管理、水价格体系的理论、方法与技术体系；防洪调度和洪水管理的理论与方法；水电站群优化补偿调节和水库优化调度的理论与方法；水生态与水环境承载能力的理论、方法与技术；地下水模拟、修复与保护技术；水信息技术、数字流域相关技术的理论与方法等。2调研背景概述2.1调研资料的主要来源调研资料的主要来源是近年的相关国际期刊和学术会议论文，有关专著，相关研究机构和著名学者的最新研究成果，以及2006年之前的国内外重要文献等。具体包括：（1）国际著名学术期刊论文（2006~2007年）：WaterResourcesResearch，JournalofHydrology，WaterInternational(IWRA国际水资源学会)，HydrologicalSciencesJournal（IAHS国际水文科协），HydrologicalProcesses，Journalof2 HydrologicalEngineering(ASCE美国土木工程学会)，JournalofWaterResourcesPlanningandManagement(ASCE)等。nd（2）国际学术会议（2006~2007年）：The32IAHRCongress2007inVenice(Italy)，IAHSConferenceinIUGGAssembly2007inPerugia(Italy)，ASCErdInternationalWaterandEnvironmentCongress2007inTampa(USA),the3YellowRiverForum,InternationalSymposiumonFloodForecastingandWaterResourcesthAssessmentforIAHS-PUB2006TsinghuaUniversity(China),the7InternationalthHydroinformaticsConference2006inNice(France),the4WorldWaterForum2006inMexico(墨西哥第4届水论坛)等。（3）国际著名学术机构、大学与研究院所最新研究成果：美国加州大学（UniversityofCalifornia,LosAngeles）、美国普林斯顿大学（CivilEngineering,PrincetonUniversity）、美国地质调查局（USGS）、美国环保局（EPA）；英国生态水文中心（CentreforEcologyandHydrology,NaturalEnvironmentResearchCouncil）；丹麦水力学研究所（DHI）；澳大利亚水研究中心（CentreforWaterResearch,UniversityofWesternAustralia）；日本东京大学（TokyoUniversity）、日www.iwhr.com本京都大学(KyotoUniversity)。（4）著名学者：KeithBeven(UK),MurugesuSivapalan(UniversityofIllinois,Urbana-Champaign,USA),M.LeventKavvas(UniversityofCalifornia,Davis,USA),EricF.Wood(USA),MalinFalkenmark(Sweden)等。（5）2006年之前的国内外有关重要文献。2.2调研材料基本情况2.2.1近两年国际期刊论文共调研了国际期刊论文143篇（见参考文献），其中按学科方向划分统计，有关流域水文循环机理与模拟方法20篇排第1位，水资源管理19篇排第2位，水文预报与水资源调度18篇排第3位，城市水文学与地下水保护修复各12篇并列第4位，水资源规划11篇排第6位，全球气候变化与人类活动影响下的水文水资源演变10篇排第7位，生态水文学与生态需水8篇排第8位。可以看出，水文基础研究和水资源管理研究仍是研究的中心，而生态水文学、城市水文学和气候变化影响研究也成为重点。3 2.2.2近两年国际会议论文共调研了与水文水资源学科密切相关的6次国际会议的论文集。现将部分会议情况简介如下，其他参见附件。（1）2007年ASCE国际水与环境大会国际水与环境大会（InternationalWaterandEnvironmentCongress）是ASCE（美国土木工程师学会）环境与水资源分会（EWRI）举办的一个专业性的学术讨论会，每年一次。本年度会议于2007年5月15日－19日在美国佛罗里达州坦帕市举行。会议共收录论文644篇，我院代表团共提交论文3篇，有5人参加会议。本届大会的主题为“恢复我们的自然栖息地”(Restoringournaturalhabitat)，面对当今世界存在的海岸侵蚀、城市蔓延、暴风雨等人类和大自然的极端行为，大会期间设立了39个专题、4个专业论坛、两个当地事务论题、3个国家论题以及1个国际论题，对美国及世界范围内的环境与水资源问题进行了讨论。另外，还举行了各分委员会的会议、短训班、ASCE出版物展出、学生活动和技术参观等。www.iwhr.com会议设立的39个专题包括：气候变化与干旱，地下含水层与湖泊恢复，协同建模，BMP（最佳管理实践）和LID（低影响开发）技术，计算水力学，生态水力学，环境中的内分泌紊乱化学品，环境工程与公共健康，演化计算，地下水文、水质与地下水管理，灌溉与排水，IWRM（水资源综合管理）规划与管理，IWRM系统分析，景观建筑学，佛罗里达当地问题研究，NEXRAD（下一代气象雷达）应用与数据分析，NSF（美国国家科学基金会）环境监测网络，概率方法在流域的应用，河流恢复，冲刷侵蚀与沉积，水资源中的随机水文学与频率分析，可持续水污染防治工程，城市河流恢复，水的淡化与集中管理，水资源规划与管理，水的再生利用，水、污水与暴雨，流域管理与恢复，湿地恢复，教育与研究，交叉融合技术，历史与遗产，国际问题，张贴论文，学生论文竞赛，其他等。4个专业论坛包括：环境与水资源工程科学前沿，环境与水资源问题研究的回顾与展望，第9届水资源配置系统分析年会和第4届城市流域管理论坛。两个当地论题主要围绕佛罗里达州的湿地恢复和水资源恢复策略进行。美国国家层面的3个论题包括：拆坝与河流恢复、生态基础设施和密西西比河三角洲的恢复。另外，大会设立的1个国际论题围绕美索布达米亚湿地问题展开讨论。4 （2）2007年第24届IUGG大会IAHS分会IUGG（国际大地测量地球物理学联合会）1919年成立于比利时布鲁塞尔，设全体大会、理事会、执行局和7个专业协会（半独立自主活动的国际组织），包括国际大地测量协会（IAG），国际地震学和地球内部物理学协会（IASPEI），国际火山学和地球内部化学协会（IAVCEI），国际地磁和高空物理协会（IAGA），国际气象和大气科学协会（IAMAS），以及国际水文科学协会（IAHS）等。IUGG每4年召开一次学术大会，规模6000-7000人，通过下属的7个专业协会开展项目合作和学术活动。2007年7月2日～13日在意大利佩鲁贾(Perugia)召开了第24届IUGG大会（IUGGXXIVGeneralAssembly），会议主题为：地球—我们的正在改变的星球（Earth:OurChangingPlanet）。我所游进军工程师和牛存稳博士参加了会议，游进军做了“中国南水北调东线受水区水资源配置与社会经济影响研究”、牛存稳做了“分布式水文模型与水资源优化配置模型耦合及其在伊洛河的应用”学术报告。IAHS与其他协会联合举办4个专题(论文摘要91篇)：冰川泥石流运移(9篇)，天然冰的结构(12篇)，雪－植被－大气相互作用(33篇)以及气候－永久冻结带－www.iwhr.com水文相互作用(37篇)；独自举办专题13个(论文摘要876篇)：地下水－海水相互作用新焦点(39篇)，地下水/地表水系统集成分析新焦点(91篇)，山地水文学－观测、过程和动力学(70篇)，可持续水资源管理的预测不确定性定量与减少方法(79篇)，未来的水质与泥沙行为－21世纪预测(69篇)，水资源系统变化――维持水安全和保障综合管理的方法(116篇)，环境监测和变化预测中的遥感技术(37篇)，水平衡、水动力学和水文过程中的同位素追踪(46篇)，面向流域水文学的新理论(48篇)，水文数据系列的变化分析(88篇)，面向水文模型的改进评估－理解和刻画模拟过程不确定性的需要(86篇)，从测量与校正到理解与预测(58篇)，当代水资源管理新途径(49篇)。其中，个别专题拟出版IAHS红皮书，如“水资源系统变化－维持水安全和保障综合管理的方法”专题。（3）2006年第7届国际水信息大会2006年9月4日至9月7日第7届国际水信息大会在法国尼斯举行。参加会议的我国代表有来自清华大学、武汉大学、天津大学、华北水利水电学院、中国科学院、北京工业大学、以及中国水科院等的十余名代表。国际水信息大会从1994年起每两年举行一次（1994年在戴尔福特，1996年5 在哥本哈根，1998年在苏黎世，2000年在爱荷华州，2002年在加的夫，2004年在新加坡）。会议由国际水利工程研究协会（IAHR）、国际水文科学协会（IAHS）和国际水协会（IWA）共同协办，“Innovate&Share（创新与分享）”是本次水信息大会的主题。本次会议收到了约620份稿件，经过严格的评审，大约有来自60多个国家和地区的400多篇论文被收录，会议论文集共四册。论文集分为19个专题，涵盖了水资源管理、水文气象预报、数据同化、地理信息系统、水文信息界面、决策支持系统、决策的不确定性和风险分析、数据收集、建模和管理系统、物理仿真模型、数学模型、模型结果不确定性处理、统计学、相关转移函数模型、控制模型、实时控制的高级应用、网络激活信息和建模系统、最优化技术、工程研究决策关系和实际的研究机构、工程和网络平台经验结合、国际研究生课程、连续的专业人员培训和长时间学习经验等。本次会议聚集了来自亚洲、非洲、大洋洲、美洲的许多工程师、研究员、科学家、管理人员和决策者，他们和欧洲的专家互相交换水文信息学科和与水有关的突发事件的最新进展。我院有3人参会，共有3篇文章被大会收录。贾仰文教www.iwhr.com授做了“中国南水北调东线受水区水资源配置决策支持系统”的报告，介绍了我国南水北调工程的概况以及中意环保合作项目；杨开林教授做了“黄河流域内蒙古自治区河段冰川预报的神经网络专家系统”报告；牛存稳博士做了“基于WEBGIS的北京市降雨产流测报和实时水资源评价系统研发”报告，介绍了我院承担的北京市水务局项目（该项目是为应对北京地区突发暴雨，保证2008年奥运会顺利进行而设立的）。在此次国际水信息大会上，我院代表通过会议报告和交流，宣传了我院在水信息方面的部分研究成果，也了解到我们国家在水信息方面与欧美先进国家存在的较大差距，特别体现在基础数据的监测、数据共享、对突发事件的应急管理机制以及模型的软件化方面等。2.2.3近10年国内外有关重要论著由于本次跟踪调研是初次开展，为保证对本学科发展整体情况的把握，除了对近两年的有关国际期刊与会议论文进行调研外，还对近10年国内外有关重要论著进行了梳理分析，主要调研文献见参考文献2。6 3本学科发展新动向和值得关注点3.1本学科发展新动向和值得关注点3.1.1水文学研究纵观近10年来的水文学领域研究进展，变化环境下的水文循环机理和演变规律研究、基于物理机制的分布式流域水文模型研究、水文循环过程与水生态及水环境演变相互作用机制研究、大气过程－陆地水文过程耦合研究、缺乏观测资料流域的水文预测（PUB）等，成为当前研究重点或发展新方向。变化环境下的水文循环机理和演变规律由于全球气候的变化和人类活动的加剧，地球上的水文循环和水资源状况发生了深刻的改变，很多地区发生了严重的水问题和水危机。为了研究新环境下的水文循环演变规律，解决日益严重的全球水问题和水危机，探索变化环境下水资源的可持续利用方法，国际水文界实施了许多研究计划，如国际水文计划（IHP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划(IGBP)的“水文循环的生物圈方面(BAHC)”以及地球系统科学联盟（ESSP）的“全球水系统计划(GWSP)”等。中国地域广阔，水文循环与陆地表层系统特点鲜明、机理复杂，对全球变化有重要的响应，我国科学家一直积极参www.iwhr.com与有关的研究并做出有中国特色的贡献。国家重点基础研究发展规划从1999年开始设立了多个与水文相关的项目，如“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”，“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”，“长江流域水沙产输及其与环境变化耦合机理”，“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”等。此外国家自然科学基金委员会在2005年设立了两个重大研究计划“全球变化及其区域响应”和“中国西部环境和生态科学”，后者的优先资助研究方向包括黑河流域大气-水文-生态耦合过程及其模拟和黄土高原土地利用/土地覆被变化（LUCC）的环境效应。在气候变化对水文循环影响的研究方面，主要集中在气候变化对水文水资源的影响、气候变化对需水量的影响以及气候变化对水文极端事件的影响等。张家诚（1999）论述了ElNino与全球变暖等气候变化对中国大陆尺度水分循环的复杂过程。邢如楠（1999）阐述了大尺度海气相互作用对水文循环过程的影响，是近年来我国在这一领域有代表性的成果。张光辉等（2000）将熵的概念和方法应用于水文循环演化研究中，并试图找到水文循环结构由常态转入突变或灾变时的阈值。气候变化对区域水文水资源影响的研究一般采用通用环流模型（GCMs）7 模拟倍增后气温和降水的变化情景，然后把结果输入到水文模型中，模拟水循环对气候变化的响应。采用分布式水文模型（张建云,郭生练）既能够较好地反映不同下垫面条件（如土壤、植被、土地利用等）下的产汇流机制，又能与GCMs联结耦合，是今后发展的方向。在下垫面变化对水文循环及洪水影响的研究方面，森林、城市、水土保持和水利工程的水文效应等受到较多的关注。研究表明，森林在水源涵养方面有非常显著和独特的作用。但是，关于砍伐森林使径流量增加还是减少，不同的研究者得出的结论截然不同（赵鸿雁,巩合德,张志强,祝志勇）。采伐森林或造林对流域产水量的影响因地域、林木种群、气候湿润与否、经纬度等多因子有关（赵鸿雁）。随着计算机技术和地理信息系统(GIS)技术的发展，分布式模型正逐步成为评估森林水文效应的重要手段（Mackay,Sun,Dunn,Geoff,于澎涛）。由于工业化程度不断提高，人口向城市大量集中，城市规模不断扩大，由此而带来一系列新的水文问题。围绕这些超出了传统水文学研究范畴的问题，形成一门新的水文学分支—城市水文学。在城市水文理论和计算模型方面，国外已取得了不少成果（Lazaro），我国近年来也开始了这一领域的研究。www.iwhr.com水土保持是人类大规模改造下垫面的一种方式。我国的黄土高原是水土流失最为严重的地区，也是水土保持重点治理区，大规模的水土保持工程在减少土壤侵蚀方面发挥了重要的效益，但同时大量减少了入河水资源量。为了搞清楚水土保持工程影响下的水沙变化规律和水沙变化原因，水利水保界（如水利部黄河水沙变化研究基金会）进行了大量的研究，通过原型观测、模型试验，并借助遥感、GIS和计算机模拟技术，初步摸清楚了水土保持工程作用下的水循环机理和水资源演变规律。但由于以前所采用水文法和水保法的缺陷，水保措施的各项水循环效应不能进行精确定量。中国水利水电科学研究院在国家重点基础研究（973）发展规划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”第二课题“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”中，采用分布式水文模型详细模拟了各项水保措施对水循环各个过程的影响，基于全口径的水资源评价方法，提出了水保措施对狭义水资源、广义水资源、河川控制断面水资源和分区水资源的影响评价成果。随着工农业的发展，大量引用地表水和抽取地下水，改变了大气水-地表水-土壤水-地下水的转换机制。利用水库调节河川径流，大幅减小了河川径流丰枯8 差值，引起一系列水文及环境生态效应。由于缺乏很好的模型工具，目前大多数成果属于定性研究或者估算得到。中国水利水电科学研究院在“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”专题“西北地区水资源合理配置和承载力研究”中，提出了“天然-人工”二元水循环演化模式，并在“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”研究中，进一步提出了各项人类活动包括水利措施对水循环的定量影响成果。基于物理机制的分布式流域水文模型研究流域水文模型大致分为三类：经验模型或黑箱模型、概念模型或灰箱模型和基于物理机制的分布式水文模型或白箱模型。经验模型的计算过程没有明确的物理法则，而只是列出输入数据和输出数据的某种关系式。概念模型表现整个流域的有效反应，其弱点在于不能处理不同土地利用类型和水文过程，如HSPF、HBV、CHARM、SCS模型等（Singh2002）。基于物理机制的分布式流域水文模型，又称分布式物理模型（贾仰文2005）或物理性流域水文模型（胡和平&田富强2007），从水循环的动力学机制来描述流域水文问题，能够清晰反映地表土地特征如地形高程、坡度、形态和地貌，以及气象因素如降水、气温和蒸发等，能够将土地地表特征和模型参数建立直接联系，www.iwhr.com能够分析气候变化和流域下垫面变化后的产汇流变化规律，并为其他专业应用模型提供水的流场情报，具有广阔应用前景。分布式物理模型的蓝图（Freeze和Harlan1969）提出至今已有30余年，涌现出欧洲水文系统SHE模型(Abbotetal,1986)、SWAT(Arnoldetal1990,1995)、WEP模型(Jiaetal2001，贾仰文等2005)等等。其真正发展得益于近20年来空间遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）技术的不断完善以及计算机技术的进一步发展。分布式物理模型将水循环的各要素过程联系起来进行详细模拟。蒸发蒸腾的计算通常根据空气动力学及能量平衡原理，采用Penman-Monteith公式计算，并考虑土壤的水热运移情况及植被叶面截雨、叶孔水汽扩散及根系吸水情况。非饱和土壤水的计算通常采用竖向一维Richards方程（在坡度大的山坡地区考虑竖向及山坡方向二维）、浅层地下水的计算采用Bousinessq方程进行数值计算，而河流水和地下水的补给量或排泄量按达西定律计算。因此，产流的计算按水的移动自然求得，并不预先区分超渗产流模式还是蓄满产流模式。地表径流的坡面汇流，或按二维运动波或扩散波计算，或根据数字高程模型（DEM）预先设定好汇流方向进行一维计算。而在一些低洼易涝地区，有些模型采用洪水泛滥的二维动力波的数值计算方法。河道汇流计算视河道坡度及下游断面边界条件，采用一维运9 动波、扩散波或动力波算法。虽然分布式物理模型从物理机制上来描述水的移动，根据水移动介质的物理性质推定模型参数，从理论上讲无需参数率定和模型校正，但由于受数据资料及尺度问题限制，实际上通常需要选择校正期，对根据观测结果推定的参数进行一些调整，然后保持这些参数不变对模型进行验证。数字流域、地理信息系统（GIS）及遥感（RS）技术为分布式物理模型的应用创造了条件。20世纪80年代初期，O’CallaghanandMark(1984)首先提出了利用网格型DEM并按最陡坡度方向决定地表汇流方向、生成河道网的方法。之后，许多研究者如Tarboton（1988,1991）等，针对非自然洼地的处理，以及利用生成的河道网进行流域划分、地形特征和汇流特性分析等做了大量研究。这些研究成果被ARC/INFO及ARCVIEW等GIS软件采用，为分布式流域水文模拟带来了方便。地理信息系统将图形显示、空间分析与数据库管理技术相结合，为分布式水文模拟的大量空间信息数据处理及管理提供了强有力工具。遥感技术不但能够提供土地覆盖及地形等基本空间数据，也为模型参数如叶面指数（LAI）等的估算提供信息，同时还能对蒸发量、土壤含水率及地表温度等进行演算，为模型的验证创造了条件。www.iwhr.com水文循环过程与生态环境相互作用机制及生态需水研究高强度的人类活动，在一定的时间或空间上过多地影响、占用和控制了水土资源，“人地争水”与“人水争地”矛盾凸现；不和谐的“人-水”关系导致了世界范围内的水生态退化与水环境恶化，危及人类的生存与持续发展。为实现人与自然的和谐共处，在竞争性的用水条件下，人类需要在充分发挥水资源的生态与环境及社会经济效益的前提下，在自然和社会经济两大系统中合理分配水资源；并对退化的生态系统进行科学修复，对恶化的水环境进行有效治理。为满足上述实践需求，水文循环过程与生态及水环境演变相互作用机制成为重大基础性研究命题。流域水文循环系统与生态系统相互作用机制研究已成为当前新兴交叉学科—生态水文学（Eco-Hydrology）的核心内容。生态水文学是20世纪80年代以后逐步发展形成的一门新兴交叉学科，其研究内容是水文过程与植物分布、生长相互作用，其研究对象不仅包括湿地生态系统，而且还涉及到干旱地区生态系统、森林和疏林生态系统、江河生态系统、湖泊生态系统及水生生态系统等（Baird1997）。它重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理，揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系，回答与水循环过程相关的生态环10 境变化的成因与调控（夏军2003）。在我国，生态水文学方面研究起步较晚，2000年以后才开始受到我国学者的重视，将生态水文学介绍到国内来（赵文智、王根绪2002）。国家自然科学基金委员会已将其列为其重大研究战略之中。国家九五攻关西北水资源项目中，根据干旱区水文循环与非地带性植被生态系统演变关系，提出了干旱区水分驱动的生态圈层结构理论（陈敏建、王浩、王芳等2004）。在国家九五、十五攻关项目中，从宏观植被遥感的角度对此进行了研究；在近期的黑河综合治理项目中，初步将植被生态演替模型与分布式水文模型相耦合。国家十五攻关项目中，根据流域水文循环与生态系统相互作用机理分析，建立了区域水循环尺度生态效应理论,并据此提出依据生态效应判定区域生态需水类型的三大准则（陈敏建，2007）。流域水文循环演变同样改变了污染物迁移转化的载体条件和动力机制，从而对伴生的水环境过程产生显著影响。当前国内外相关研究主要从环境学的角度着手，如进行面源污染物预测和水体水质演化模拟，而在水文循环的演变对流域尺度水环境的影响研究方面较薄弱。生态需水的研究，与水文学、水资源学、生态学、管理学和社会学等均密切www.iwhr.com相关，具有典型的学科交叉特点。生态需水研究国外始于20世纪70年代，而我国则是90年代以后才受到广泛的关注，并且研究领域比国外宽泛得多，不但重视河道内生态需水的研究，还重视河道外生态需水的研究。目前国内对生态需水计算方法开展了大量研究（如贾宝全等2000，李丽娟等2002，王西琴等2002，杨志峰等2003，陈敏建、王浩等2000、2004、2005，王芳等2004、丰华丽等2001、徐志侠等2004），大多属于引进和消化国外相关经验与成果。需要指出的是，国外现有的经验与成果主要关注生态系统维持正常状态的临界条件下的生态需水，以避免危机状态出现，而在中国需要研究生态危机管理的问题，需要研究生态退化的机理（陈敏建2004）。国家“十五”科技攻关重大课题“中国分区域生态用水标准研究”（陈敏建、王浩、丰华丽等，2005），从基础理论、应用技术、管理决策3个层面,研究提出一系列符合我国实际的生态需水理论与计算关键技术。建立了多参数河流生态需水理论及其河道生态需水计算方法、湿地生态水文结构理论及算方法，建立了不同类型区域生态需水计算模型。陈敏建（2006、2007）还研究了生态需水配置与生态调度问题，从生态用水分析评价机制、水资源配置生态用水分析、河流生态安全调度管理和湿地安全管理与生态补水四个方面,提供了生态需水分析及生态调度规则。11 大气过程－陆地水文过程耦合研究地球温暖化和下垫面变化改变了全球大气海洋环流和天气系统，进而对河川径流和流域水循环产生重要影响。预测大气环境的变化对水资源和生态环境的影响对实现可持续发展具有重要价值。另一方面，短期降雨等气象预报和分布式水文模型相结合，能够延长洪水预报的预见期，对防洪减灾事业具有重要价值。大气过程－陆地水文过程耦合研究,多通过耦合全球大气环流模型（GCM）、区域环流模型（RCM）或小尺度大气模型（暴风雨模型）等与陆面过程模型或分布式水文模型、并结合地面观测与遥测来实现。然而，各类大气模型计算网格单元大小差别较大，并远大于分布式水文模型的网格单元，因此需采用降尺度（downscaling）方法，即从低分辨率模拟结果向较高分辨率尺度的转化。降尺度方法分为镶嵌法、统计法以及两者并用的方法。镶嵌法指在较大尺度模型的网格单元内镶嵌次尺度模型，将较大尺度模型的计算结果进行网格单元内空间插值，为次尺度模型提供边界条件、初始条件或输入。例如，在GCM内镶嵌大尺度RCM，然后在大尺度RCM内镶嵌中尺度RCM，依此类推。统计法采用重相关分析、卡尔曼滤波（KLM）以及神经网络（NRN）等概率论的方法，建立较大www.iwhr.com尺度模型输出和次尺度模型输出或气象要素之间的统计关系式，以此实现降尺度。气象部门在进行短期天气预报时一般将镶嵌法和统计法相结合。国际上，Anderson等（2002）曾将美国工程师兵团（USACE）的HEC-HMS水文模拟系统与MM5大气模型相耦合应用于美国北加州Calaveras河流域的洪水预报，是水文气象耦合模拟的一个代表性研究示例。他们首先从美国国家环境预测中心（NCEP）下载Eta大气模型的降雨等气象预报数据（时间间隔为6h、预见期为48h、空间分辨率为40km），然后分两个大小不同的计算领域镶嵌式应用中尺度大气模型MM5，将Eta模型降雨等气象预报数据在空间和时间上降尺度，输出4km空间分辨率和1h时间间隔（计算时间步长为20s）的降雨等气象时空分布数据给HEC-HMS，最后应用HEC-HMS进行洪水预报。从预报结果看，尽管HEC-HMS使用地面雨量站观测降雨预报出的洪水过程和实测洪水过程符合的很不错，但由于未经调参的MM5大气模型低估前期暴雨而高估后期暴雨（总雨量及最大降雨强度符合的还可以），水文气象耦合模拟洪水预报（包括洪量、洪峰和洪峰出现时间）精度还比较低，还需要通过进一步研究来提高。但水文气象耦合模拟法的洪水预报结果能够延长宝贵的预见期，对危机管理将是十分有益的。12 在国内，王庆斋等（2003）曾在黄河开展暴雨－洪水预报耦合研究，陆桂华等（2006）采用加拿大区域性中尺度大气模式MC2和新安江模型单向耦合模型系统，对2005年7月4－15日发生在淮河流域的暴雨洪水进行了实时预报，结果表明MC2对该场强降水过程具有很好的预报能力，陆气耦合模型有效地延长了洪水预报的预见期，具有很好的应用前景。目前，我国应用的气象模式主要有国家气象局的T213、MM5以及HLAFS等。T213是第四代全球中期数值天气预报系统，于2002年9月1日起投入业务使用。其预报模式的水平分辨率约为60km左右，垂直分辨率为31层。利用该系统，每天可制作一次10天的中期数值天气预报，侧重于对全球大气环流演变和时间空间尺度较大的天气系统发展变化的预报。HLAFS是国家气象中心在全球中期模式对时间空间尺度较大的天气系统做出预报的基础上，开发建立的一套短期数值天气预报系统，其预报模式的水平分辨率约为55km左右。利用该系统，每天可滚动制作2次2天的短期数值天气预报，其预报范围覆盖全国及周边东亚地区，提供包括降水、温度、大风等天气要素在内的短期天气要素的预报。MM5能够获取更及时、准确、详细的天气预报，预报系统能输出时间、空间高分辨率的36h数值预报产品，其预报模式的水平分辨率为6~54km，垂直分辨率小于1km。利用该系统可以预测未来12~36h每3h、www.iwhr.com水平相距6~54km的不同地点的天气变化情况。缺乏观测资料流域的水文预测（PUB）国际水文科学协会（IAHS）于2003年7月在日本札幌召开的IUGG暨第六届IAHS科学大会期间，通过了IAHSPUB（PredictionsinUngaugedBasins）十年（2003~2012）科学与实施计划（SivapalanandSchaake，2003）。若按英文直译，PUB为“在无观测流域的预测”。但根据IAHS多次会议讨论，将“ungaugedbasin”解释为：为在一个流域以适当的时空尺度对感兴趣的水文变量（包括数量和质量）进行计算，并达到实践应用可接收的精度，若根据数据的数量和质量判断该流域缺乏足够的水文观测数据，则称为“ungaugedbasin”；将PUB定义为：在无观测或观测差的流域，使用气象输入（包括观测、预报和其它方法推定）、土壤、植被和地形数据（包括对未来气象与土地利用变化的预测或预计），但无法使用过去的观测资料（即不可能或不允许进行模型调试或校正），预测或预报各种水文反应（如径流、水质和泥沙等）。因此，PUB意译成中文应是：缺乏观测资料流域的水文预测。PUB是IAHS对国际水文科学界及国际社会提出的最新动议,经过了IAHS会员在互联网和一系列IAHS会议（如2001年7月荷兰Maastricht第五届IAHS13 科学大会,2002年3月日本KofuPUB启动会议和2003年11月Brasilia会议等）上的广泛讨论。可以说，PUB是一项挑战性水文科学研究计划，也涵盖了分布式水文模型研究及应用的所有问题。IAHSPUB10年科学与实施计划分为基础研究（enablingresearch）计划和目标性研究（targetedresearch）计划两部分。基础研究计划涉及下述6大科学问题：（1）限制我们在缺乏观测资料流域进行可靠预测的关键知识缺口是什么？对应的基础研究题目：调查不均匀性与预测不确定性之间的关联。（2）未来减小预测不确定性的信息需求是什么？相应的基础研究题目：为估计模型输入和参数，调查地形特征和气象输入的不均匀性。（3）支撑新知识需要哪些实验？相应的基础研究题目：为发展理论和改进模型而开展过程研究和世界范围性中尺度（meso-scale）现场实验。（4）在改进预测方法上如何应用新的观测技术？对应的基础研究题目：推动遥感和其它观测新技术的应用及发展，如开发获取所需数据的新仪器与新模型，遥控及地面多传感器观测数据的整合等。www.iwhr.com（5）如何改进水文过程的表述使其包含能减小不确定性的关键知识？对应的基础研究题目：通过各种环境下流域的现场实验和模型比较研究促进水文过程的表述。（6）如何在改进预测上发挥已有软硬数据的最大科学价值？对应的基础研究题目：通过土壤-植被-大气模型解释现存数据，采用动力学模型同化观测及遥感数据。目标性研究计划的着重点是减小“预测的不确定性”，分为2大中心研究目标和6大科学主题：（1）目标1：根据在缺乏观测资料流域的预测能力和合理评估预测不确定性，检查和改进现有模型。包括下述3个科学主题：•主题1：推进学习和分析现存数据的新方法，包括数据挖掘和再分析、流域间比较和地球水文学等；•主题2.通过深入细致的过程研究，使关于过程不均匀性的现有理论取得进展并改进其表述；14 •主题3.通过不确定性分析和模型诊断，促进从现有模型应用中的学习。（2）目标2:为开展在缺乏观测资料流域的水文预测并减少预测的不确定性，开发能够捕捉水文过程时空变异性的创新性模型。包括下述3个科学主题：•主题4：在大尺度过程理解、模型开发和预测改进中应用新的数据收集方法；•主题5：根据尺度化、多尺度化及复杂性系统方法、非线性模式动力学和生态水文关系等，建立新的水文学原理；•主题6：开发新的多尺度空间分布式模拟方法，重点研究应用于多种流域尺度时模型的谬误化（falsification）问题。在实施组织机构方面，PUB10年计划目前已成立PUB科学指导委员会（SSG）、PUB战略顾问委员会（SAG）和PUB工作委员会（WG）全球网，并加强与IAHS各专业委员会以及与各项国际计划（如HELP、FRIEND、GEWEX和CEOP等）的合作，以期动员全世界水文界实现上述各项目标。PUB中国工作委员会从2003年7月IUGG札幌会议期间开始筹备，经过近www.iwhr.com一年的讨论和准备，于2004年6月初在北京正式成立（杨大文等，2004）。工作委员会成员有来自水利部、中国科学院和多所高校的专家学者。工作委员会建议，就新技术、新理论和新方法在水文预报中的应用，以及我国目前面临的洪灾、干旱、水质恶化、生态环境退化等与水有关的紧迫问题进行研究，使水文科学的前沿研究直接为国民经济服务。对近2年的国际文献调研表明，水文学研究领域在以下几个方面值得关注。（1）水文气象数据聚合与降解、数据同化与现代水文监测技术Anderson,Chen和Kavvas（2007）应用非静力区域大气模型，将43年系列的200km粗空间分辩率的6h气象数据（包括降雨、气温、相对湿度、风速和辐射通量等）降解为3km空间分辩率的1h气象数据，并与研究区域3个站点的6年实测数据系列进行比对，发现降解模拟结果与实测数据无论在季节、年和年际变化上均很好符合，这对分布式水文模型应用以及弥补水文气象观测数据不足均具有重要价值。Kalin和Hantush（2006）探索了次世代雷达（NEXRAD）作为地面雨量计的15 降雨数据替代源的潜力，和应用雨量计数据和SWAT模型对流量模拟结果进行了比较，并讨论了雷达测雨技术及其应用的新方向。此外，在雷达技术应用方面，Maurer和Mass（2006）研究了水文模型中如何使用雷达数据区分降雨与降雪。Gimmi等（2007）运用稳定同位素技术研究了侏罗纪黏土岩中的孔隙水的长时空尺度溶移问题。（2）流域水文尺度问题与水文模型建模及校正新方法由于水文变量的空间变异和资料缺乏，流域水文尺度问题与建模方法仍需探索。Muleta等（2007）应用SWAT模型，研究了分布式流域模拟模型对空间尺度的敏感性，发现SWAT模型原始输出结果中水量与泥沙的模拟精度很差，因此需要仔细的模型校正，同时发现随着空间尺度增大，模拟出的泥沙发生量和流出量均降低。Hansen和Refsgaard等（2007）研究了基于物理过程的农业流域模型的空间2变异问题，在面积为622km的流域考虑土地利用、气象、土壤和根系层的不均www.iwhr.com匀性。研究发现，最重要的参数不均匀问题是土壤物理参数在网格内的变化、植被参数的变化和地下水位。Lee，Zehe和Sivapalan（2007）针对Reggiani等人近年提出的代表性基本流域单元（REW）水文建模方法中的闭合关系确定方法难题，建立了CREW水文模型，提出了确定闭合关系的理论推导和简化过程分析方法，将CREW模型结果和分布式水文精细模拟模型CATFLOW的聚尺度结果比较，在Weiherbach小流域的降雨－径流和土壤动力学过程预测中得到成功应用。Bingeman，Kouwen和Soulis（2007）针对分布式水文模型的校核与验证问题，应用ATFLOOD模型和详细的观测数据，不但对河川流量进行模拟验证，而且对土壤水分、蒸发、积雪融雪和地下水流量进行验证。（3）全球气候变化下的水文水资源响应Kang和Ramirez（2007）应用CGCM2（加拿大的耦合全球气候模型）和HEC－HMS分布式水文模型分析了科罗拉多洛基山地区全球气候变化背景下的河川径流响应问题，得出总径流和洪峰流量均比降雨变化大得多的结果。16 Paturel等（2007）应用非校正水文模型Yates模拟分析了气候变化对中西非水资源的影响，发现与校正的水文模型结果很相近，认为对IAHS提出的PUB（predictioninungaugedbasin）计划很有参考价值。Nakaegawa和Kusunoki（2007）基于GCM数值实验（采用日本国家气象局全球模型）探讨了潜在水资源量的季节动态预测问题。Scibek和Allen（2007）应用高分辩率渐变地下水模型和加拿大CGCM1气候模型，研究了气候变化情景下的加拿大英属哥伦比亚中南部地区的地下水与地表水相互作用，模拟了1960–1999年、2010–2039年、2040–2069年3个时期。Sato等（2007）应用区域气候模型预测了全球变暖对蒙古地区降雨的影响，采用了两种DDS（动态尺度降解）法－G方法（传统镶嵌法）和R方法（本研究提出的数据再分析再现区域气候法）。（4）水文气象耦合模拟与水文预报Shamir等（2006）评估了美国国家气象局水文模型在美国主要河流实时、短期和长期水文预报的效果，提出了改进预报效果的一些建议。www.iwhr.comBae和Jeing（2007）采用气象预报情报和神经模糊技术提出了水库月入流预报方法，表明利用气象预报情报比传统的只利用监测数据效果要好许多。Lemonsu和Masson（2007）对城市的土壤－植被－大气交换模型的水文过程部分进行了改进。（5）水文循环过程－物质循环过程的相互作用与流域水环境Ocampo等（2006）在西澳大利亚的SusannahBrook农业流域，实地调查了水文过程与生物地球化学过程的耦合反应，以硝态氮为着眼点，分析了坡度以及高地与河岸地区浅层地下水对氮循环的影响，在此基础上建立了耦合水文过程与生物地球化学过程的“统一智能模型”，并认为具有向本地区其他流域推广的前景。Schoonover和Lockaby（2006）采用流域尺度调查取样和回归分析模型，研究了美国西乔治亚低山地带由于城市化引起的土地利用变化对河流营养物和排泄物大肠菌的影响。Karathanasis等（2006）通过实验研究了不同质地和厚度的土壤对BOD、N17 和P的去除效果。采用了直径25cm、厚度30cm、45cm和60cm的不同质地的土柱，结果发现细质地土壤总体上处理效果较好，土壤厚度增加处理效率增大且效果比较稳定。（6）生态水文学与湿地修复Pauwels等（2007）通过应用卡尔漫滤波法同化土壤观测数据和叶面积指数，提出了水文模型（TOPLATS）－作物生长（WOFOST）模型的耦合模型的参数优化方法。Kazezyilmaz-Alhan等（2007）建立了湿地水文水质综合模型（WETSAND），模型考虑了地表水地下水相互作用，并应用SWMM5（雨水管理模型）进行汇流和水质运移模拟。Bertuzzo等（2007）研究了生态走廊和河流水系的关系：探索了有偏反应－扩散模型（反应率采用对数方程）的特性，预测了水文控制在流域物种入侵过程的作用。Rubarenzy和Staes（2007）应用生态水文学的原理，研究了在湿地修复中模www.iwhr.com拟和极值分析研究的意义，模拟了4种情景：恢复入渗、修复上游湿地、修复下游湿地和修复上游河谷湿地。Mtahiko等（2006）针对坦桑尼亚GreatRuahaRiver流域的东部Usangu湿地过渡放牧对Ruaha国家公园的破坏和对下游社会经济的严重影响，开展了基于生态水文学的Usangu湿地修复研究，提出Usangu湿地必须退牧、农业灌溉至少需要向河流退水25％，以保证GreatRuahaRiver四季不断流。（7）城市水文学与河流湖泊恢复Dougherty等（2007）对4个城市化流域的长期（24年）水文变化进行了定量分析。Black和Endreny（2007）调查分析了为改善水质而设计的城市合流式下水道分离工程对暴雨流出量和持续时间的改变，提出了减少工程对水生态系统影响的城市雨水管理建议。为遵守美国NPDES（国家污染物减排系统）第2阶段的实施要求，BMP（最佳管理实践）成为美国各城市的标准。Schneider和McCuen（2006）评估了BMP的城市水文响应。18 雨水利用是城市水文学的重要内容。Guo和Baetz（2007）研究了绿色建筑设计与管理中的屋顶雨水存储设施的体积计算问题。Xiao等（2007）模拟了城市住宅区的水文过程，分析了土壤物理特性对入渗和地表径流的影响。3.1.2水资源学研究水资源评价水资源评价是对流域或区域水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件进行全面分析和评估的过程，是水资源规划、开发、利用、保护和管理最为重要的基础性工作，其成果是进行水事活动和决策的重要基础依据。1968年和1978年，美国进行了两次国家水资源评价，第一次侧重于天然水资源本底状态的评价，并开展了水资源分区工作，第二次侧重于水资源开发利用评价与供需预测，两次评价实践初步形成了以统计为主的水资源评价方法与技术。1975年，西欧、日本、印度等国家相继提出了自己的水资源评价成果。针对日趋紧张的水资源情势，国际上逐步对于水资源评价工作的重要性达成了共识，1977年在阿根廷召开的世界水会议，要求国家一级大力增加财政投入进行www.iwhr.com水资源评价的活动。1988年，联合国教科文组织和世界气象组织在澳大利亚、德国、加纳、马来西亚、巴拿马、罗马尼亚和瑞典等国家开展实验项目的基础上，以及在非洲、亚洲和拉丁美洲进行专家审定的基础上，共同制定了《水资源评价活动——国家评价手册》，促进了不同国家水资源评价方法趋向一致，同时有力地推动了水资源评价工作的进程。随着水资源评价与管理需求形势的发展，1997年，UNESCO和WMO再次对《水资源评价活动——国家评价手册》进行了修订，出版了《水资源评价——国家能力评估手册》。1980年我国开展了第一次全国水资源评价工作，当时主要借鉴了美国提出和采用的水资源评价方法，同时根据我国实际情况做了进一步发展，包括提出了不重复的地下水资源概念及其评价方法等，最后形成了《中国水资源初步评价》和《中国水资源评价》等成果，初步摸清了我国水资源的家底。此外地矿部门也对地下水进行了评价。随后，由于华北水资源问题突出，国家“六五”和“七五”重大攻关研究还专门对华北地区进行了水资源评价及相关问题研究。1999年，水利部以行业标准的形式发布了《水资源评价导则》（SL/T238-1999）中，对水资源评价的内容及其技术方法做了明确的规定。2000年，国家发展改革委和水利19 部联合开展了“全国水资源综合规划”工作，在制定的技术大纲和技术细则中，对水资源评价的技术和方法做了进一步的修正和完善。从水资源评价方法的发展来看，水资源评价方法经历了水量平衡法到借助于GIS工具进行平衡分析，从集总式水文模型到分布式水文模型，从单一水量评价到水量水质并重。随着人类活动对流域水循环影响的加剧，现行传统水资源评价方法已经不能适应现代环境下的流域水资源规划与管理需求，水资源评价方法需要从基础理论、评价口径、评价手段等方面进行系统革新，王浩等(2004，2006)提出了现代环境下的流域水资源评价方法，评价对象从径流性狭义水资源扩展到广义水资源（贾仰文等2006），既包括径流性水资源又包括土壤水资源（王浩等2006）。随着人类活动影响的加剧，以及计算机技术的迅猛发展，借助于分布式水文模型，建立新的水资源评价方法，反映变化环境下的水资源量是未来发展的方向。水资源价值核算近些年来，世界的人口激增、生态破坏、环境恶化、资源短缺，更使人们感受到资源危机的严重性。在经济社会发展过程中，由于忽视了自然资源的价值和对资源基础的保护，掠夺性开发严重，从而导致经济产值虚幻www.iwhr.com增加，资源基础持续削弱。因此传统的价值理论已不能满足新形势的要求，需要寻求一种能代表经济发展实际效果的新的价值评价体系。1993年国民核算体系（SNA）已明确把自然资源纳入资产负债表和积累账户，形成了综合环境经济核算体系（SEEA），旨在研究资源环境和经济活动之间的相互关系，注重寻求良性经济运行的环境承受能力，并将水资源核算列为主要核算内容之一。自20世纪80年代中期以来，世界上许多国家陆续开展了水资源核算理论、方法的研究，并通过制定实施方案进行探索和试验。目前，联合国正在制定《水资源核算手册》，确定水资源核算方法。同时，国际上一些国家已经实施了若干案例研究，包括挪威、德国、加拿大、法国、荷兰、西班牙、丹麦、芬兰、智利、新西兰、澳大利亚、韩国、菲律宾、摩尔多瓦、纳米比亚等国家，已在水资源核算方面取得了较为丰富的经验和成果。从各国研究情况看，发达国家开展水资源核算的主要特点是：资源和环境核算并重；核算方法总的来讲是实行实物量核算，对价值量核算多数尚处于探索性阶段；强调可持续发展，强调政府决策的影响和政策的影响及改善。发展中国家水资源核算研究工作的特点是：大多数是受发达国家或国际组织援助，作为典型案例和合作研究而展开的；研究工作一般尚处在20 方法性探索阶段；侧重于提供一些资料和数据。我国作为发展中国家，虽然也曾进行过一些水资源核算研究，但仍处于起步和摸索阶段。水资源高效利用评价目前关于水资源高效利用评价的研究，学术界并没有一套公认的评价理论体系和统一的评价方法。已有的国内外文献表明，早期的水资源高效利用评价研究更主要的是集中于从单一工程单项效益分析入手研究其水资源利用综合效益，随着资源、环境和生态问题日益突出，水资源高效利用评价更加重视综合效益的评价，目前，水资源高效利用评价包括经济效益评价、社会效益评价和生态效益评价。我国农业水资源高效利用的单一效益评价阶段主要围绕着农业水资源利用效果以及通过衡量其的经济效益来评判农业水资源高效利用模式，偏重于灌水方法的技术、经济评价。从上世纪90年代后期，随着对水资源高效利用所产生的区域经济、社会和生态环境等个方面的影响的关注程度逐渐增加，水资源高效利用评价不仅仅只包括农业灌溉系统综合效益的评价，还必须全面的考虑整个农业水资源利用体系可能对区域产生的各种影响，这些影响应该包括涵盖社会、经济、生态等各个方面。对农业水资源高效利用评价从评价尺度上经历了从小到大的过www.iwhr.com程，从评价方法上则经历了由定性到定量的过程，从评价结果上则经历了从各效益割裂、单独评价到综合的过程，农业水资源高效利用开始探讨评价水资源高效利用系统的综合效益问题，研究农业水资源高效利用对区域发展的综合影响。水资源合理配置与综合管理从上世纪80年代后期以来，国际上从单纯的水量配置研究发展到水量水质统一配置研究，从追求流域经济效益最优的目标发展到追求流域整体效益最优为目标的合理配置研究，更加重视生态环境与社会经济的协调发展。从20世纪90年代以来，欧美等发达国家水资源管理和合理配置的研究更加集中于社会公平、市场调节和体制方面，主要体现在：（1）政府调控与市场机制相结合；（2）公众积极参与水资源配置；（3）政府通过水法律法规保证生态环境用水；（4）流域民主协商分配水资源。1998年美国陆军工程兵团资深的水资源专家Whipple准将提出，水资源开发、配置和管理进入了一个以“沟通与协调”为特征的新时期。1999年TonyA11an从世界水资源可持续利用的科学研究和实践应用问题进行了比较研究，结果表明：致力于提高水资源利用效率又不失公平地使有限的水资源发挥最大的效益，已成为科学家建议层次和实际政策操作层次的折衷点，符合水资源利用的经济学原理。2001年IoslovishI认为应用市21 场机制的力量实现各种水资源的有效分配得到了广泛的研究，价格机制是当前研究和应用的重点。Tisdell（2001）研究了澳大利亚Border河Queensland地区水市场的环境影响，研究结论是水权交易有可能使生产需水和天然流量情势之间矛盾增加，因为生产用水集中于有高利润的作物种植，水市场有可能限制恢复自然流量情势的水政策的有效性，因此需要在生产需水和环境需水间平衡。Jerson（2002）等针对经济用水超过了水资源的承载能力的干旱地区，讨论了水分配机制，提出了基于不同用水户的机会成本的水量分配。全球水伙伴（GWP）2000年提出了水资源综合管理（IWRM）的概念：水资源综合管理是在不危及重要生态系统可持续性的同时，促进水、土及相关资源的协调开发和管理，以公平的方式实现经济效益和社会福利最大化的一个过程。GWP强调，水资源综合管理不是目的，而是实现下述三个重要战略目标（3E目标）的手段：1）效率（Efficiency）－尽可能高效利用水资源；公平（Equity）－保证水在各经济部门和社会团组之间的公平分配；环境可持续（Environmentalsustainability）－保护水资源的基础和相关生态系统。流域水资源综合管理最成功的例子有美国的田纳西流域（TennesseeValley）、澳大利亚的墨累－达令流域www.iwhr.com（Murry-DarlingBasin）、贯穿西欧的瑞士、法国、德国、卢森堡和荷兰的莱茵河流域（RiverRhineBasin）、非洲乍得、尼日尔、尼日利亚、喀麦隆等国交界处的奥兰治－瓦尔河流域（Orange-VaalBasin）和乍得湖流域（LakeChadBasin）等。对近两年的文献调研表明，水资源学研究领域在以下几个方面值得关注。（1）水资源配置与管理新方法面对非线性和不连续的复杂水资源系统，传统的线性规划、非线性规划、动态规划以及混合规划法都受到限制，而演化算法（EA）能够将复杂模拟模型有效地集成，因此在水资源与环境工程管理战略研究中具有优势。Zechman和Ranjithan在应用EA法为水资源与环境管理问题生成替代方案进行了方法推导和实例应用。Schmid和Hanson(2007）应用地下水模拟软件MODFLOW-2000，研究了地表水地下水联合运用中的跨边界地表水水权分级问题，考虑了国际条约、地区协定和生态需水等约束条件。（2）集成经济、环境、生态、水文与水资源管理的综合模型22 Ringler和Cai（2007）建立了经济－水文集成模型，评估水的渔业与湿地价值，分析湄公河沿岸国家的水资源利用战略问题，对河流生态系统健康问题研究具有参考意义。Ward等（2006）应用经济－水文－制度的集成分析方法，研究了水资源分配政策和水市场在减轻北美RioGrande流域干旱影响的作用，发现与现有水资源用水分配规则相比，设立州内外水市场可以将旱灾损失每年减少1/5~1/3。Marques等（2006）研究了加州Friant－Kern地区水系统的经济模拟，分析水价对用户使用水量和利用地表水和地下水的影响。Hellmuth等（2006）集成人口－经济模型和水资源模型，用来研究博茨瓦纳的可持续发展问题。（3）水资源分配系统的水质安全与公共健康Murray,Uber和Janke（2007）建立了疾病传播模型，用来估算饮用水污染的剧烈健康影响，以理解饮用水系统对污染事件的脆弱性，提出减少健康风险的供水系统设计战略。Janke等（2006）比较了为设计饮用水分配系统的污染预警系www.iwhr.com统而采取的物理监测与实时监控战略，表明反应时间十分关键，物理监测的取样时间超出24h其效果将远远低于实时监控。西澳大利亚大学水研究中心开发了水库、河口和滨海区自动决策支持系统ARMS(AquaticReal-timeManagementSystem)，通过耦合实时监测数据和数值模拟以实现对危机事件的短期决策支持，数值模拟通过三维水动力学模型(ELCOM)与生物化学模型(CAEDYM)的耦合实现。ARMS已在悉尼供水系统的运行调度中得到应用，起到了预警和优化水质管理的决策支持作用。（4）地下水含水层保护修复Kirsch和Characklis（2006）提出了平衡有限地下水开采容量和地表水综合处理的方法，应用结果表明地下水地表水联合供水与允许地下水交易，既可以满足地下水限采要求又能减少35％的成本。Singh和Datta（2006）应用基于GA（基因算法）的模拟优化模型鉴明地下水污染源。Nakayama等(2006)通过耦合水文模型（NICE流域生态水文模型）和农作物模型（DSSAT-wheatandDSSAT-maize），模拟了灌溉用水超采对华北平原地下水位下降的影响。23 Parkin和Birkinshaw等(2007)研究了评估地下水开采对河流流量影响的数值模拟方法（SHETRAN）和神经网络方法，并应用于英格兰Lambourne流域。（5）水资源管理决策的不确定性和风险分析Arabi等（2007）应用SWAT模型、基于MonteCarlo的模拟和GLUE（最大似然不确定性估计），研究了水文水质预测不确定性对BMP（最佳管理实践）的影响，提出了流域管理实践评估不确定性分析方法。（6）流域管理中的公众参与Poh-LingTan（2006）分析了流域管理中公众参与的政策与原理，探讨了保证澳大利亚水资源分配中足够的公众参与的立法问题，指出参与者能力建设、独立科学支持和数据知情等是最关键因素，Queensland州具有最好的公众参与法律框架。Syme和Nancarrow（2006）研究了在西澳洲水改革中如何达到可持续和公平的问题，指出建立当地水资源管理委员会的重要性。Collins（2006）研究了尼罗河水资源开发和协商国际问题，包括世界银行的www.iwhr.com介入。3.2对研究水平的分析根据上述对这两年国际期刊和国际会议的文献调研情况以及近十年的国内外科研动态，水文学及水资源学科当前发展的特点是：水文学及水资源学科在继续为水利工程学科和水资源可持续利用提供科学基础的同时，与大气科学、环境科学、生态科学、信息科学、经济学、管理学、社会学和遥测技术等关系日益密切，学科交叉发展现象明显，并逐渐拓展为对广泛的资源、环境与生态问题研究的支撑。重点表现在以下几个方面：（1）与大气科学和遥测技术交叉合作解决水文资料缺乏和水文预报问题人类活动引起的温湿气体排放增加，导致全球气候变暖，改变了大气海洋环流和天气系统，并对河川径流和流域水循环产生重要影响，而下垫面的变化和流域水循环又反过来影响天气系统。由于大气系统是流域水文水资源的主要输入来源，无论是长期气候变化和短期气象特点变化，均对水文过程和水资源产生重大影响。目前气候变化对区域水文水资源影响的研究常采用所谓的What-if模式：24 如果气候发生某种变化，水文循环各分量将随之发生怎样的变化。这种方法的缺陷就是没有实现气候过程和水循环过程之间的反馈作用。水文科学与大气科学交叉合作研究或称陆气耦合研究，结合遥感、雷达等遥测技术，开发集成“气候/气象模式－水文模型－地面观测－遥测”四维数据同化技术，不但对预测全球及区域天气系统变化具有重要意义，同时对预测大气环境的变化对水资源和生态环境的长期影响、实现可持续发展具有重要价值，对解决水文资料缺乏问题、提高水文预报的精度并延长预见期、对防洪减灾事业具有重要价值，因此成为当今国内外关注焦点和研究前沿。（2）与环境科学交叉发展研究流域水环境保护和饮水安全保障问题水是物质传输的重要媒介，流域水文循环过程则是物质运移的关键动力。流域水文循环过程的改变，将产生显著的水环境效应。降水的强度和历时直接影响到面源污染物的产生量；坡面汇流过程直接影响到面源污染物的传输路径和归宿。从河川径流对污染物的运移来看，因河川径流的变化，一方面改变了河川的纳污能力；另一方面还影响到污染物的降解。此外，河川径流的改变，还直接影响到水域污染物的传输距离和空间分布。www.iwhr.com从国内外的相关研究来看，在上述几个方面均开展了不同程度的研究，近年来又进一步融入了现代观测和模拟技术，使得上述研究取得了长足的进步。为进行流域水环境治理与保护，及不同水质状态下水资源的高效利用，亟待基于流域文水循环过程对流域的整体水环境特征进行实时评估与预报。而要满足上述需求，进行一体化的流域水质水量联合模拟是关键。目前国内外开展了大量的分布式水质水量联合模型的开发研究，但在面源污染物产生过程模拟、不同环境条件下的水化学模拟参数的获取、水质模拟与水文模拟的尺度问题等方面仍然需要开展大量的基础研究。饮水安全保障问题关乎人民生命健康和社会和谐稳定。本次文献跟踪调研发现，国际上发达国家对水源地和供水系统的水质优化管理十分重视，建立了三维水动力学模型、生物化学模型、疾病传播模型、污染实时监控与预警系统以及危机管理决策支持系统等。而我们国家这方面的研究还比较少，是今后的研究重点之一。（3）与生态科学交叉发展研究流域生态系统修复和维持河流健康生命问题25 水文循环过程与生态过程的相互作用机制是水资源短缺地区生态系统修复关键性科学问题之一。综观国内外的相关研究，流域水文与生态过程耦合模拟研究仍然较为薄弱，主要体现在以下几个方面：1）目前的研究多局限于微观群落尺度，在流域景观尺度上还大都停留在空间统计分析上，综合模拟理论和方法尚未形成，无法满足我国缺水地区水土平衡战略、水资源高效利用、受损生态系统修复等方面的国家重大科学需求；2）已开展的耦合模拟研究也是处在松散耦合模拟阶段，模型之间只是进行了简单机械的参数传递，尚不能在深刻明晰相互作用机制的基础上，进行紧密耦合型的系统模拟，以制定满足客观需求的合理生态与环境目标；3）由于缺乏系统的耦合模拟分析平台，使得人类各项水资源开发利用及调控措施的生态与环境效应不能得到有效揭示，也难以制定出科学的、适应性的生态水文综合对策。总之，与水文循环演化相伴生的生态问题是当前许多国家面临的严峻挑战，国内外对此设立了一系列专项研究，并取得了一些突破，但与水文循环过程紧密耦合的研究仍不多见，水文学与生态学、环境学的交叉学科领域孕育着重大突破机遇。www.iwhr.com（4）与经济学、社会学及管理学交叉发展解决水资源综合管理问题实现流域资源、环境、生态和经济、社会的和谐发展，成为当今国内外科学界和各国政府的共识。2000年12月生效的《欧洲水框架指令》是水资源综合管理理念的一个具体体现。在我国，水资源综合管理的理念，与水利部近年倡导的资源水利、“人水和谐”新时期治水理念，以及十六届三中全会提出的“科学发展观”等也是一致的。新《水法》（2002年10月）把我国的水资源管理体制由原来的“国家对水资源实行统一管理与分级、分部门管理相结合的制度”，修订为“国家对水资源实行流域管理与区域管理相结合的体制”，各级水行政部门“负责水资源的统一管理和监督工作”，有关部门“按照职责分工，负责水资源的开发、利用、节约和保护的有关工作”。我国目前水资源管理模式的实质是，在统一管理的前提下搞好综合管理，实行流域管理和区域管理相结合的模式。统一管理和综合管理的结合点是政府推动和公众参与，在供水和用水之间建立起密切的伙伴关系，在利益相关者之间建立起公开、透明的协商、协调机制，确保水资源的综合开发、优化配置、有效保护和高效利用，共同建设节水防污型社会，力争取得最大的经济、社会和生态、环境效益。26 水资源综合管理既离不开现代水利科技，又涉及经济学、社会学及管理学，因此需要水利学科尤其是水文水资源学科与相关学科的交叉合作。（5）与信息科学交叉发展提高水资源调度管理的效率现代信息科学在水资源的调度与管理中发挥者越来越重要的作用。水利科学与信息科学的交叉诞生了水信息学（Hyroinformatics）。M.B.Abbott教授在他1991年出版的专著《Hyroinformatics：InformationTechnologyandtheAquaticEnvironment》中首次提出了水信息学的概念，将它定义为在水的范围内运用知识的新途径、元知识。水信息学是一门新兴学科，它的许多概念体系和内容范畴尚未正式形成，但它从诞生之初就受到人们的广泛关注。目前，3S等现代高新技术、人工智能、数据挖掘、数据仓库等信息科学理论方法已经在水利科学中得到许多应用。水信息学将在提高水资源调度管理的效率方面有着广阔应用前景。3.3对本学科发展的若干建议结合我院及我国本学科发展的具体情况，提出如下建议：（1）加强水文学和地下水科学研究www.iwhr.com水文学不但是水资源学和水利学科的基础，而且与广泛的资源、灾害、环境、生态、经济和社会问题密切相关，是目前水利学科中最具生命力和发展潜力的学科领域之一。国内外许多大学、科研机构近年来纷纷设立水文水资源专业或研究所（室）便是有力的明证。随着时代的发展，当今的水文学已不在局限于为工程规划设计和运行服务的工程水文学，而是已逐渐发展成为研究范围更为广泛的水文科学。地下水的超采和污染问题虽然不像地表水表露的那样直接和引人注目，但地下水问题的影响是深远的，地下水的修复比地下水体的修复更困难、过程更漫长。国际发达国家几十年前就开始重视研究地下水问题，对地下水的保护和修复进行了大量投入，而我国对地下水问题虽然重视，但投入的科研人力和经费都还远远不够，更没有开展对污染地下水体的修复。由于历史的诸多原因，我院在水资源研究方面具有优势，但在水文学方面显得十分薄弱。虽然近年来设立了流域水循环研究室，但从事水文学研究的人员仍然偏少，没有形成研究体系。作为水文学重要组成部分的地下水科学则更为薄弱，研究人员更少，原来学地下水的大都改行做地表水研究。水文学是基础，不但是27 水资源学的基础，也是整个水利学科的基础，基础不稳势必影响到其他学科的发展，因此今后亟待加强。（2）加强水文水资源科学实验和遥测技术应用研究近年来，水文水资源科学实验方面十分薄弱，过去的野外实验基地逐渐荒废，而新的实验基地一直没有建立，与20世纪90年代以前相比形成较大反差。科学实验是科学认知的重要手段，面对日益受到关注的资源、环境和生态问题，亟待加强水文水资源科学实验工作。遥感和雷达等遥测技术应用是水文水资源研究的重要数据来源，目前虽然有一些研究，但与兄弟单位相比还相差深远，今后也需要加强。（3）开展与大气科学的交叉合作，发展水文预报科学技术水文科学与大气科学交叉合作研究（陆气耦合研究），不但对研究气候变化的水文水资源和生态环境的长期效应具有重要意义，同时对提高水文预报的精度、延长水文预报的预见期，对防洪减灾工作也是十分重要的。随着我国国力的增强和遥测技术的发展，陆气耦合研究方面孕育着取得重大突破的机遇。目前国www.iwhr.com际上以及国内一些院校和科研机构已着手这方面研究，我们应当及早追赶。（4）开展生态水文学研究，为流域生态系统修复服务生态水文学是近十几年来新兴起的交叉学科，不但水文水资源领域的人员在研究，生态学、地理学、林学、农学等学科的人员也在研究。其研究核心内容是生态系统与水文循环系统之间的相互作用机制，研究对象包括湿地、河湖、河口、森林、草地、农作物等水生及陆生生态系统和流域水文循环系统。因此，生态水文学的研究目的不只是为流域生态需水分析服务，而更重要的是通过研究水文循环过程的改变对植被生长、生态演替的影响，为流域生态系统修复服务，通过研究生态系统的改变对水文水资源演变的影响，为维持流域河流系统健康生命服务。我院在生态需水方面取得了一些成绩，但系统地开展生态水文学研究尚需筹划和尽快开展。（5）开展城市水文学研究，为解决我国快速城市化进程中水问题提供支撑我国目前处于经济高速增长时期，城市化进程速度加快并将持续相当长一个时期。城市化带来的水问题（如城市洪水、城市地下水位下降、城市水资源短缺、城市水污染以及城市热岛效应等）越来越突出，城市水文学的研究亟待加强。欧28 美国家从上世纪60~70年代已重视这方面的研究，日本从70~80年代也开始了大量研究和实验，并提出“都市再生”和“都市水循环保全”等计划。我国的北京、上海等城市以及建设部等从90年代开始也搞了一些研究试点。我院有些科研人员有这方面的经验，但城市水文学的系统研究体系尚未形成。（6）在水资源配置、调度和管理研究中重视水环境问题在水资源配置、调度和管理研究方面，我院已取得不少优秀研究成果，具有一定研究优势。但在水资源配置、调度和管理研究中，对水环境问题的考虑不够，特别是需要加强水量水质统筹考虑的水资源配置和水资源调度研究，太湖流域的水资源调度需求便是一个典型的例子。今后，各所（中心）跨学科的合作与联合攻关亟待加强。（7）加强与经济学、管理学及社会学研究的交叉合作，支撑水资源综合管理水资源综合管理（IWRM）的理念是高效、公平和环境可持续，强调政府调控与市场机制相结合、法律保障、公众参与和民主协商。因此，水资源综合管理研究需要加强与经济学、管理学及社会学研究的交叉合作，特别是在流域管理体www.iwhr.com制与机构发展规划、流域管理法规、水权水市场研究、公众参与等方面。（8）加强水信息技术研究，推出我们的模拟与管理软件包尽管我院在水文水资源领域取得了显著研究业绩，为国家的实践需求做出了一定贡献，获奖项目也不少，但目前尚未推出一个成熟的模拟与管理软件包，与欧美发达国家的同行相比有很大差距。由于自然地理环境、气候特点、人口密度和人类活动强度以及社会经济的差异，加上专业软件通用性差的限制，国外的现成软件可以参考，但直接应用往往存在很大风险，因此需要开发适合我国国情的自己的软件。应用水信息和计算机技术，建立水文水资源模拟与管理软件包，既便于推广应用又可以提高工作效率。但目前科研体制上还存在着许多不利于软件开发的因素，需要研究解决，以推动这项工作。参考文献1．2006－2007年有关国际期刊论文[1]AmenuGeremewG.,MomciloMarkus,M.ASCE.HydrologicApplicationsofMRANAlgorithm.JournalofHydrologicEngineering,2007,12(1):124-129[2]An.H,Eheart.JW.Evaluationofprogramsforregulatingwithdrawalofsurfacewater29 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与本学科有关的近2年重要国际会议信息主题会议名称时间地点会议主题论文集发言IAHS与其他协会联合举办4个专题(论文摘要91篇)：冰川泥石流运移(9篇)，天然冰的结构(12)，雪－植被－大气相互作用(33)以及气候－永久冻结带－水文相互作用(37)；独自举办专题13个(论文摘要876篇)：地下水－海第14届IUGG大水相互作用新焦点(39篇)，地下水/地表水系统集成分析会国际水文科新焦点(91)，山地水文学－观测、过程和动力学(70)，协分会议可持续水资源管理预测不确定性定量与减少方法(79)，2007年7地球—我们正在改变未来的水质与泥沙行为－21世纪预测(69)，水资源系统(IAHS意大利月2至13的星球(Earth:Our变化－维持水安全和保障综合管理的方法(116)，环境监Conference佩鲁贾日ChangingPlanet)测和变化预测中的遥感技术(37)，水平衡、水动力学和inIUGG水文过程中的同位素追踪(46)，面向流域水文学的新理Assembly论(48)，水文数据系列的变化分析(88)，面向水文模型2007)的改进评估－理解和刻画模拟过程不确定性的需要(86)，从测量与校正到理解与预测(58)，当代水资源管理新途径(49)。其中，个别专题拟出版IAHS红皮书，如“水资源系统变化－维持水安全和保障综合管理的方法”专题。第32届国际水水利学技术与自然需求的和谐利学会大会2007年7论文集收录了800篇论文，分4个课题：淡水系统的工程意大利(Harmonizingthe(The32nd月1日至6与管理、对于科学知识和公众认识的资料采集与处理、威尼斯DemandsofArtandIAHR日流体力学与水力学、海洋与岸边的研究与工程。NatureinCongress)Hydraulics)会议论文集共四册，分为19个专题，涵盖了水资源管理2007年ASCE、水文气象预报、数据同化、地理信息系统、水文信息国际水与环境界面、决策支持系统、决策的不确定性和风险分析、数美国佛大会(ASCE2007年5恢复我们的自然栖息据收集、建模和管理系统、物理仿真模型、数学模型、罗里达International月15日至地(RestoringOur模型结果不确定性处理、统计学、相关转移函数模型、州坦帕Waterand19日NaturalHabitat)控制模型、实时控制的高级应用、网络激活信息和建模市系统、最优化技术、工程研究决策关系和实际的研究机EnvironmentCongress2007)构、工程和网络平台经验结合、国际研究生课程、连续www.iwhr.com的专业人员培训和长时间学习经验等。出版中英文论文集各6册，涵盖六个专题会议和中西水论第三届黄河国坛等16个专题论坛。六个专题会议是流域水资源可持续2007年10流域水资源可持续利利用及流域良性生态构建、河流三角洲生态系统保护及际论坛(The山东东月16日至用与河流三角洲生态良性维持、、河流三角洲生态系统及三角洲开发模式、3rdYellow营19日系统的良性维持维持河流健康生命战略及科学实践、河流工程及河流生RiverForum)态、区域水资源配置及跨流域调水、水权水市场及节水型社会、现代流域管理高科技技术应用及发展趋势。论文集包括第4届城市流域管理论坛和会议设立的39个专第七届国际水题，包括：大气质量问题、地下含水层与湖泊恢复、气信息大会(The候变化和干旱、协同建模、BMP和LID技术、计算水力学7th、生态水力学、污染物对环境和公共健康的影响、环境2006年9工程和公共健康、环境许可、地下水文模型、水质模型Internationa法国尼创新与分享(Innovate月4日至7及地下水管理、灌溉与排水、流域综合规划与管理、流lConference斯&Share)日域综合管理系统分析、景观设计、佛罗里达当地问题研on究、气象雷达NEXRAD的应用及数据分析、NSF环境监测网Hydroinforma络、概率方法在流域的应用、河流恢复、水土流失、泥tics)沙、随机水文学与频率计算、水污染的可持续管理、城市河流恢复第四届世界水2006年3议题包括：经济增长和发展用水；实施水资源综合管理论坛(The采取地方行动，应对月16至22墨西哥(IWRM)；使所有人获得水和卫生设施；水管理与粮食生4thWorld全球挑战日产和环境保护；风险管理。WaterForum)44'