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"西南河流源区径流变化和适应性利用"重大研究计划 第2次战略研讨会会议召开

(一)研究背景   

1、我国水安全和能源安全的国家需求

        以雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、长江源区、黄河源区等西南河流源区为研究对象

水是生命之源、生产之要、生态之基,对水资源的开发和利用贯穿了整个人类文明发展的历程。随着气候变化和人类活动影响的深入,全球水循环发生了显著变化,并诱发资源、生态和环境等一系列问题。《2011年中国气候变化监测公报》指出,1961-2011年间我国十大流域的地表水资源总量除西北内陆河、东南诸河和西南诸河表现为增加趋势外,其它流域均表现出减少趋势。总体而言,在气候变化背景下,“风调雨顺”的年景可能减少,区域性极端旱涝事件趋多趋强,我国未来水资源管理面临极大挑战。

西南河流源区是我国重要江河的发源地,集中了长江、黄河、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江等大型水系。作为我国水资源的战略储备区,怒江、澜沧江和雅鲁藏布江每年的出境水量约为5000亿m3,接近我国年总用水量的6000亿m3。该区域是气候变化敏感区,其水资源情势受气候变化影响显著。近50年来西南河流源区冰川显著退缩,雪线上升,降水变化呈现地带性增加或降低趋势,受冰雪融水和降水综合补给的河川径流呈现出复杂的变化特征,其未来演变趋势不明。在我国水资源供需日益紧张的形势下,厘清气候变化下源区径流的变化规律是战略储备区水资源合理开发利用的基础,对我国长期的水安全保障具有战略意义。

水电是我国最大的清洁能源,占非化石能源的78%。其中,西南水电占全国可开发量的68.1%,但目前开发比例仅约27%,源区的水能开发对于我国能源安全和节能减排均有重要意义。根据国家能源规划,作为西电东送工程的骨干电源,西南河流源区水能开发将在今后二三十年进入新的高潮时期,是国家能源安全和减排战略的重要内容。我国水能开发建设在经历了以技术约束、资金约束和市场约束为主的发展期后,已进入以生态环境约束为主的时期,长期以来关于长江三峡、金沙江、怒江、澜沧江、雅砻江等水能开发工程的利弊以及“环评风暴”的争论核心就是生态环境问题。西南河流源区多样的河流生境涵养了多样的生物物种,存在多种珍稀鱼类,科学评估径流变化下河流环境质量的演变对水电站的科学规划和合理调度具有重大意义,并为变化环境下的径流适应性利用提供重要支撑。

2、水利学科发展的机遇和挑战

在气候变化和流域下垫面变化条件下,径流适应性利用和风险规避的关键是对未来径流规律的掌握。通过识别解析径流成分的组成,构建历史径流系列,辨析变化环境下不同径流成分的响应机理,以此为基础预测未来百年的径流变化,从而正确评估径流变化和径流利用的生态风险和工程风险,并采取适应性措施规避和降低风险。

径流多源成分解析是掌握高寒山区径流规律的基础。高寒山区存在水的多种相态,径流来源包括降雨、冰川和积雪等,径流机制和规律复杂。研究表明雅江上游径流中有12%来自冰川、23%来自积雪、65%来自降雨,但所用方法和基础数据都有待改进和完善,如未考虑冻土影响等,不确定性较大。发掘利用遥感监测大数据,建立宽谱系生物地球化学物质水源示踪能力的定量表征,寻找示踪能力强的物质及其有效组合,可显著提高径流成分解析能力。

径流对气候变化的响应规律是未来百年径流预测的关键。径流不同水源对气候变化的响应特点不同,气候变化引起的下垫面协同变化下的径流响应机制复杂。如何识别气候和下垫面变化共同引起的径流变化规律,是提高未来百年径流演变预测可靠性的关键,也是发展水文学基础理论的重要机遇。

径流驱动的生源物质(如碳、氮、磷、硫、硅等)迁移转化是河流及流域生态系统演替的基本动力要素,气候变化和人类活动影响下河流生源物质通量对径流改变的响应,及其河流环境质量演变一直是地球科学和生态全球变化的重点研究领域。全球超过20%的河流水量已被筑坝拦截,蓄水河流已经成为全球和我国河流水系的普遍现象和重要特征,但目前对水能开发导致的河流水环境内在演变过程及其影响的认识非常有限,缺乏系统的基础性数据,无法对水能开发的长期潜在影响和环境风险进行准确评估。

目前关于进入河流-水库系统的生源要素的环境行为、具有生物累积和放大效应的持久污染物的水环境影响、水生生态系统演化及食物链物质传递的生态动力学等问题的研究不够深入,尚未建立梯级开发下河流水环境预测的有效模型,对多级水库间生源物质通量变化呈现的非线性叠加效应缺乏量化研究。 研究径流变化下生源物质迁移转化过程及通量变异规律,建立梯级开发下的累积效应理论和方法,识别径流变化对环境质量的影响,是径流适应性应用的关键,也是发展水文学和环境地质学基础理论的重要机遇。

径流的利用涉及供水(量)、发电(能)与环境(质)等多个方面,它们之间相互影响、互为关联,具有复杂的竞争协同关系,如何准确、定量描述量能质互馈关系是径流适应性利用的关键。同时,在气候变化和人类活动驱动下,量能质互馈关系是一个动态演进过程,与河道内、左右岸、流域内外、区域内外、境内外的不同利益主体密切相关。因此从系统弹性的角度揭示量能质耦合的复杂水系统动态演变机理,进而对系统多重风险进行识别评估,是确定径流利用安全阈值的关键,也是发展径流适应性综合利用方法的基础。

综上,利用当前理论和方法的新进展及多学科交叉对西南河流源区径流问题进行探索,深入理解环境变化下径流演变和生源物质迁移转化的机制规律,阐明量能质互馈关系及其动态演进机理,建立径流预测和适应性利用技术方法,不仅对我国河流源区径流科学合理开发利用具有重大意义,也是水文水资源学科发展的重要机遇。

(二)国内外研究现状

针对径流变化及其适应性利用的基础研究问题,欧美发达国家基础研究部门和专业协会纷纷提出专门的研究计划。例如国际社会成立气候变化政府间专门委员会对气候变化及其影响进行评估,在其影响评估报告中将气候变化对淡水资源的影响列为首要评估内容;国际水文科学协会2013年起设立新的十年研究计划,其主题即“变化的水文和变化的社会”,强调自然变异和人类影响下径流的变化以及适应性利用的策略;美国国家研究理事会2012年出版的战略报告《水文学的机遇和挑战》中认为变化的水文循环是水文科学研究面临的重大挑战和机遇;美国国家基金委2016年即将实施的为期4年、总经费7600万美元的《水-能源-粮食互馈关系创新研究》重大计划,将认识、发现、模拟和管理三者关系视为应对粮食、能源、水适应性管理的战略需求和重大挑战。从这些国际研究计划的核心内容可知,径流变化及其适应性利用是国际科学研究前沿和热点。以下分三个方面阐述相关研究的国内外进展。

1、径流成分解析与协同演变

绘图手段是划分径流成分的初期方法。根据经验判断和地下水退水原理,对径流过程进行滤波处理,分割出径流中的地下径流部分和地表径流部分。随着计算机技术的进步,基于线性和非线性图形分解的自动分割程序在很多工作中得到了应用。随着研究进一步深入,野外观测成为解析径流水源的新手段,当前主要是对环境稳定同位素的观测。例如,在美国大陆主要河流391个水文站点开展的稳定同位素研究表明在区域尺度上,河水中稳定同位素保留了附近站点降水中稳定同位素的特征,美国大陆河水中δD与 δ18O的关系与全球大气降水线(GWML)十分接近。此外加拿大、印度等国均开展了以流域为单位的河水稳定同位素的研究工作。2002-2006年间,国际原子能结构(IAEA)就组织了“大河径流同位素监测网络标准”的项目,在20多条不同类型的大江大河开展从上游到下游的河水稳定同位素监测,以期从中理解河水与周边水环境的相互作用过程、气候变化与人类活动对水文循环的影响。我国开展的河水中氢氧稳定同位素的研究工作也越来越得到重视,比如在黄河流域、长江流域、雅鲁藏布江流域都开展了相应研究。为了识别三种以上的水源径流成分,野外观测需要通过收集额外的水化学(如电导率、氯离子含量等)数据来辅助分析,通过水量平衡方程和水化学平衡方程求解各水源比例。然而,水化学和同位素手段受到一定的时间和空间尺度制约,难以分析得到短时间尺度径流水源信息,而对大流域尺度,野外观测往往存在数据代表性不足的缺陷。近年来,随着观测技术的进步,多源数据观测的集成分析成为径流成分解析的新手段,对多源数据所蕴含的信息进行深入挖掘,综合正向和反向方法解析径流成分具有重要意义。

径流演变是气候变化和流域下垫面变化综合作用的结果。来源于不同水源的径流对于气候变化的响应特点不同,导致气候变化下的径流演变极为复杂,成为国内外研究的热点和难点,且不同研究的结果差异较大,亟待进一步深入。如对于西南河流源区水储量的问题,姚檀栋等根据典型冰川数据的观测结果,发现近20年源区水储量呈下降趋势,这些结果纠正了先前Jacob等根据GRACE卫星观测数据所得到的水储量增加的结论。类似的研究结果的差异还有Immerzeel等关于西南河流源区径流演变趋势的判断等。要获得更准确的结果,可能的突破途径是通过历史径流序列识别未来径流的周期和随机性,通过气候变化和下垫面的协同演化提高气候变化影响下的预测精度。

早期径流变化研究主要是通过古洪水观测、河流阶地测量等方法获得过去事件性的径流变化特征,但仅能获得径流变化的若干极值,无法获得径流变化序列。目前全球径流数据中心搜集的全球径流数据大多不超过200年,并且在西南河流源区的数据很少。对于更长时间序列的径流研究主要利用气候变化介质来估计,因为河流的长期径流变化主要受气候和下垫面协同变化的影响,如果可以建立径流与气候参数之间的定量关系则可以利用气候变化介质的信息来估算径流变化。其中,树轮水文学是在20世纪90年代发展起来的研究径流变化的方法,已经在一些地区建立了干热河谷径流系列,可以定量重建过去数百年的季节性径流变化。但树轮年龄一般在数百年之内,无法提供更长时间的径流变化。更长时期内的径流变化可以通过冰芯、河流、湖泊或海洋沉积物来重建。河流沉积物只能提供事件性径流变化过程,海洋沉积物可以反映大陆尺度的径流变化,其时间分辨率也较低,湖泊沉积物具有不可替代的优势,可以提供时间分辨率较高的连续沉积序列,并用来重建历史径流变化。在河流源区,可以综合树轮、冰芯和湖泊沉积物来重建历史不同时段的降水、温度、粒度变化,进而耦合古气候学、古水文学、河床演变学和河流动力学等学科,重建径流变化历史。

径流预测的基本手段是水文模型。水文模型研究经历了由“黑箱子”模型向过程机理模型发展的过程:人们最早建立的是系统模拟模型,将流域视为一个“黑箱子”,不考虑内部的水文过程;随着对水文过程机理的逐步认识,过程机理模型代替了系统模拟模型,包括概念性模型和物理性模型两种;近些年来随着物理性水文模型的“异参同效”问题被逐步揭示,人们开始尝试直接在宏观上建立描述流域水文过程的物理方程,并寻求建立宏观尺度的“流域水文本构关系”。目前的分布式模型对水文过程有很好的数学物理描述,但缺乏径流不同水源信息,模型参数的不确定性大;缺乏对下垫面动态演变的描述,未来预测的不确定性大。水文模型的另一个趋势是从单一过程模拟向多过程耦合模拟发展。流域水文循环不仅仅是水的运动,水、泥沙、碳、氮等多种物质循环是紧密耦合的,存在复杂的非线性作用和反馈机制,仅从水出发难以对流域水文过程的全程及全貌有深入了解。目前,已经发展了多个综合考虑水、泥沙、营养物和碳等物质循环过程的水文模型,如SWAT模型和GBHM-CWSP等,但目前尚处于单向耦合阶段,模拟的中心仍然是水,不同物质循环之间的反馈机制并没有真正体现。当前的研究趋势是通过多源径流解析获取更多径流信息,并以流域协同变化为突破点,构建水文、生态和土壤等多系统耦合模型,以适应变化环境下的预测需求。

2、径流变化下河流生源物质迁移转化

大坝建设是人类活动中影响河流生态系统中最为直接的外界驱动。河流被拦截蓄水形成水库后,水生生态系统由以底栖附着生物为主的“河流型”异养体系逐渐向以浮游生物为主的“湖沼型”自养体系演化,由此引起的生源物质循环过程变化成为世界河流的共同趋势。欧洲的研究表明,河流的拦截调蓄极大地改变了河流-海洋物质输入的数量和特征,并且重塑了河流的自然环境,对河流的生物地球化学循环产生了深远影响。筑坝拦截对我国长江入海物质通量也产生了影响,长序列观测数据发现长江数十年来溶解Si及CO2含量显著下降。研究表明,在全球292条建设大坝的大河中,有36%的河流受到强烈影响,23%受到中等程度影响。欧美发达国家近期实施的若干重大科研计划都将此问题作为重要研究内容,如IGBP和IHDP共同发起的“海岸带陆海交互作用(LOICZ)”计划、英国C2C(Cloud to Coast)重大研究计划以及美国NSF地球科学咨询委员会发布“地球科学战略”(2015-2020)都涉及相关内容。

大中型水库既具有水体温度、营养盐分层等湖沼学特点,又具有底层泄水和反季节蓄水等人为调控的特点,水库的梯级建设则更增加了问题的复杂性,显著改变了相关元素在河流水环境中的迁移特征。生源物质在水库群的多级利用以及再生循环表现出高度非线性累积变化。我国水电环境保护管理始于20世纪80年代初,大型水库在流域水文过程和生态过程中重要作用和地位已得到广泛认同,但是目前关于水库“新生”生态系统的湖沼学理论研究依然十分有限,尤其缺乏对梯级水库群累积效应方面的研究,目前相关研究的理论基础还主要基于传统的“河流连续体概念”和“洪水脉动概念”,亟需进行突破,建立适用于新生人工湖泊体系的新概念和新方法。

3、变化环境下径流适应性利用

水是可持续发展的核心,与粮食、能源并列为人类面临的三大安全问题。水又直接关系到粮食安全、能源安全,与人类和环境健康密切相关,水资源需求很大程度上受到人口增长、经济发展、城市化、粮食和能源安全政策等经济社会因素的影响。目前,全球面临严重水资源短缺问题,如何应对水资源危机已经成为全人类共同的挑战。

不同领域用水的相互竞争使有限水资源的合理分配变得困难,并直接制约和影响相关领域的可持续发展,特别是粮食和能源生产领域。这种用水的竞争性需求,“水的使用”和“用水者”之间的竞争,使得径流利用不再是简单的、传统局部水资源分配问题,而是时空尺度更大的、全局的水-能-粮食耦合问题,这也就是为什么美国、德国、英国等西方发达国家为应对水资源危机与挑战,不约而同地制定了“水-能”、“水-能-粮食安全耦合”等基础性研究计划。在西南河流源区,径流适应性利用所需要揭示的供水-发电-环境关系非常复杂,具有非线性、强约束、自适应性、突发性及不确定性等特点,需要研究其基础理论问题,结合我国实际情况,提出切合可行的应对措施。

人类的发展一直在伴随着径流利用,最初是凭生活经验进行简单灌溉、防洪和生活供水;工业革命以后,发电成为径流利用新的增长点。径流适应性利用经历了从单库到流域、从单目标到多目标、从单一自然到自然-社会耦合的过程。早期研究多为单一水库的单目标调度问题,通常线性简化甚至忽略了人类活动及环境因素的影响。动态规划方法在水资源问题的广泛成功应用使得研究延伸至多库、多目标调度问题,方法上主要是改进动态规划以降维。计算机技术和智能算法的发展使得系统仿真模拟与快速优化计算成为可能,同时不确定性分析的研究增多,流域管理研究应运而兴。流域管理不仅关注径流利用的自然物理过程,还涉及经济博弈和政策制定。然而随着系统规模发生了数量级的增加、人与自然相互作用的增强、径流不确定性和极端气象水文事件频率增加,用水模式和资源分配方法极大地不同于过去,需要新的系统模型、系统方法以实现智能化、适应性地径流利用。目前多智能体、自适应方法是研究热点,各种耦合关系是国际前沿的活跃方向,研究目标在于更好地模拟、处理自然—社会耦合系统,以优化配置有限资源,适应不断变化的气候条件和日益复杂的多利益主体用水需求。同时,智能监测、大数据处理、云计算平台及移动通信设备等技术为水文预测和水资源管理提供了新的研究思路和手段。当前的研究趋势是从系统多维时空尺度揭示供水-发电-环境间的互馈关系,研究自然、社会对多利益主体的交互影响,提高变化环境下径流利用的科学认知以支撑径流规模利用,为水资源适应性利用提供新的理论和方法基础。

(三)研究思路

1、径流成分解析与协同演变

在径流成分解析方面的研究思路是通过揭示宽谱系生物地球化学物质针对不同水源的示踪能力,利用具有较强识别能力的综合性示踪物质,建立不同示踪元素的组合理论和方法,正向与反向识别相结合,建立径流成分解析的新理论和新方法。

在径流演变方面,研究着眼于集成树轮、冰芯、湖芯、河岸阶地、河床淤积物蕴含信息,得到过去季节径流、年际径流和年代径流,重建历史径流序列;耦合水文系统、土壤系统和植被系统等多系统动力学方程,揭示气候变化驱动下流域下垫面协同演变的径流效应。

2、径流变化下河流生源物质迁移转化

       筑坝拦截形成的蓄水河流的生源物质迁移转化过程既不同于天然河流,也与自然湖泊存在差异,通过发展新的分析技术、观测方法及计算模型,尽可能真实地观测梯级水库的碳循环主要过程及通量特征,从而在梯级水库尺度认识生源物质在上下游水库间的继承关系及在陆地水文系统中的流动路径和通量,并以此作为评估水库累积效应的基础。

3、变化环境下径流适应性利用

       变化条件下的径流适应性利用以全局、多维时空尺度的视野协调供水-发电-环境之间的矛盾,通过研究供水-发电-环境之间的竞争协同机制,建立量能质之间的互馈关系,揭示其在气候变化与人类活动驱动下的演变规律及变化环境下复杂系统协同演进机理,识别、评估变化条件下径流适应性利用的多重风险,建立复杂水系统中径流利用的多利益主体合作博弈理论模型,并在此基础上研究基于机理机制的径流适应性利用综合调控方法。