简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】国家重点基础研究（973）发展计划项目

【课题编号】岩0202052007

【课题起止时间】2006年9月～2010年10月

【完成单位】中国水利水电科学研究院  中国地质科学院水文地质环境地质研究所  清华大学  中国科学院地质与地球物理研究所   中国地质环境监测院   水利部海河水利委员会

【主要完成人】秦大庸、陆垂裕、刘家宏、王  浩、李海红、 褚俊英、王建华、杨志勇、王明娜、桑学锋

立项背景

缺水、水污染和水生态退化三大问题已成为影响国家资源与环境安全的主要制约因素。在全国十个一级流域中，以海河流域最为严重和典型。对应三大水问题，为保障区域经济社会的全面协调可持续发展，以海河流域为典型的缺水地区提出了供用水安全、水环境安全和水生态安全三大国家目标，其共同的背景基础是流域水循环。因此要实现缺水地区供用水、水环境、水生态安全的国家目标，必须实施以流域水循环为统一基础的水资源科学调控，首要的基础科学问题是高强度人类活动干扰下的流域水循环与水资源演变的内在机理及其规律。

详细科学技术内容

课题具体研究内容如下：

①海河流域不同时间尺度水循环演化规律研究：采用地质调查、同位素技术、生物技术等综合手段，结合海平面变化和古河道变迁等信息资料，研究海河流域万年尺度、千年尺度和百年尺度的水循环演化规律，根据流域水资源的宏观演化趋势和丰枯变化周期，分析不同时间尺度水循环过程中的影响因子及其变化趋势，揭示未来50年海河流域水资源短缺问题的主要影响因子及其演变规律。

②人类活动对水循环的影响及其演化规律研究：以不同尺度典型单元水循环过程的原型观测、试验研究、实验分析和原型数据为基础，结合不同时间尺度的气象观测、能量观测数据，研究流域土地利用类型改变、水利工程建设和运行、人工取用水、城市化等典型人类活动对于流域水循环分项及整体过程的作用机制，分析其演变规律，总结各种人类活动对水循环的影响程度及其内在驱动力。

③海河流域典型单元地下水循环演化规律研究：确定典型单元深层地下水补给关系和循环速率，研究承压水头变化与地面沉降的关系和作用机制。研究平原区浅层地下水补给条件、补给与排泄模式、流域尺度地下水系统动力场与化学场变异状况、地下水资源可利用量变化过程。研究海河南系平原东部开采条件下深层承压水更新能力及演变驱动力与模式，超采条件下深层水补给条件和补给能力演变与模式。

④二元水循环理论及其概念性模型研究：在上述研究的基础上，总结典型水文单元的水循环规律及其“四水”转化机理。在总结“自然－人工”二元驱动力作用下的流域水循环模式理论及其演化机理的基础上，将自然要素和人类活动对水循环的影响进行耦合，提出二元水循环系统的理论体系及其演变模式，构建二元水循环概念性模型。

发明及创新点

本课题主要取得了四方面的创新成果：

（一）流域二元水循环理论框架

流域二元水循环理论框架的创新性主要体现在如下三个方面。

（1）首次系统阐释了流域二元水循环的演变历程

第一次明确阐释了水循环发生二元演化的历史，亦即是人类生产、生活用水逐步侵入自然水循环的历史。流域水循环二元演化的深度与人类社会的发展阶段密切相关，迄今为止的演化过程以社会水循环通量的加大和自然水循环通量的减弱为主要标志，其后果是流域综合承载能力的逐步衰竭。

（2）原创性地提出了流域二元水循环的科学内涵

本课题在对流域二元水循环演进历程的深刻把握的基础上，原创性地提出了水循环发生二元演化的本质和内涵，即四个二元化：服务功能的二元化、驱动力的二元化、结构和参数的二元化、循环路径的二元化。以四个“二元化”为核心的流域“自然—人工”二元水循环理论框架的提出，可以辩证地认识人类经济社会系统发展和生态环境系统持续发展的相互关系，为协调人类社会用水和生态环境系统用水提供科学依据，为水资源的开发利用提供理论基础。

（3）系统建立了区域目标ET的理论与计算方法

本科题在流域二元水循环理论框架下，系统建立了区域目标ET的理论与计算方法，为区域目标ET调控奠定了科学基础。区域目标ET理论被成功应用于天津市目标ET计算，受到世界银行首席专家Douglas Olson等人的高度评价，成果论文被评为2008年度《科学时报》重点推荐论文，并接受了《科学时报》的特邀专访，被列为2008年度中国重要理论成果之一。

（二）海河流域万、千、百年尺度水循环的演化规律

本课题系统研究了海河流域万、千、百年尺度水循环的演化规律，科学识别了海河流域不同时间尺度水循环的主要因子，是一项重要的原始发现。

（1）揭示了海河流域万年尺度水循环的主导因子——温度

将前期研究积累的同位素、古生物遗迹、古河道资料串联起来，课题研究发现气温主导了海河流域万年尺度水循环的演化历程。这一重大发现形成了对海河流域万年尺度地表水系、海岸线变迁及地下水分层演化规律的统一认识，具有重要的理论和实践意义，属于重大的集成创新。

（2）发现了海河流域千年尺度水循环四大因子的演变规律

海河流域千年尺度水循环的演化主要有四大表征因子：流域气温、水旱灾害（反映水循环的极值事件）、人类活动（由流域人口来表征）、下垫面（包括山林植被和河湖湿地）。本课题研究形成的海河流域千年尺度水循环演化规律的系统认识，填补了我国相关领域的研究空白。

（3）阐明了海河流域百年尺度水循环的演变规律

基于海河流域降雨、径流实测记录和用水统计数据等资料，本课题第一次系统阐明了海河流域百年尺度水循环的演变规律。其中，降水量的年际和年内变化规律属于首次发现；下垫面变化对径流的影响规律，在相关研究中属于首次定量描述，具有明显进展。

（三）海河流域二元水循环模式及其概念模型

本课题在海河流域二元水循环模式及其概念模型的研究中，创造性地构建了城市及农业二元水循环模式，并进行了相关过程的数学表达。系统揭示了城市化、农业生产对水循环的影响机理及规律。在此基础上，构建了海河流域二元水循环概念模型。本项成果的创新性主要体现在如下三方面：

（1）系统揭示了城市化对水循环的影响机理及规律

（2）系统揭示了农业生产对水循环的影响机理及规律

（3）创建了“自然—社会”二元水循环模型系统

本研究创建的“自然—社会”二元水循环模型系统包括气候模型（NCAR）、多目标决策模型（DAMOS)、水资源合理配置模型（AWB）、分布式水循环模拟模型（MODCYCLE）。其中 MODCYCLE模型是本课题原创开发。

（四）典型单元地下水的同位素及水化学研究

（1）首次进行了地下水CFC测龄研究

课题开展了北京及周边地区长系列定点监测和面上典型区的大气CFC样品测试。首次通过CFC定年方法确定了北京市地下水的年龄和组分及地下水可更新能力，获得传统方法未能获得的重要信息，对评价北京市地下水可开采能力具有重要价值。

（2）首次证明沧州深层地下水开采没有导致海水入侵现象

结合水文地球化学和氢氧稳定同位素方法，利用水化学常规离子、卤族元素和氢氧稳定同位素等多种示踪剂，从溶质和溶剂两方面研究沧州市地下水的补给和演化过程，首次证明了沧州深层地下水开采没有导致海水入侵现象，成果对于认识沧州市地下水的补给来源和咸化过程具有重要的理论意义。

（3）提出了沧州地区地下水超采与地面沉降规律

研究提出沧州市深层地下水开采的埋深阈值为70m以内。超过埋深阈值继续开采将会加速造成土层结构破坏以及地面沉降压密固结，对指导沧州市深层水开采具有重要意义。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本课题的研究成果包括多个方面，多数在国内外同类研究中居于领先水平。

（一）海河流域地下水循环演化规律方面

采用多种先进技术如CFC示踪及定年方法、同位素定年方法等，获得了传统方法未能获得的重要信息，体现了先进观测手段对揭示地下水循环转化规律的重要作用，对拓展海河流域地下水研究思路以及海河地下水管理具有非常重要的借鉴意义和现实意义。以上成果国内同类研究中尚未见有相关技术和研究报道。

（二）海河流域土壤岩性及墒情分析研究方面

本次海河流域土壤岩性和墒情调查成果涉及海河流域5个地市近10万km2的面积；采样400多个调查点共计1.5万个土壤岩性样本，代表了海河流域目前土壤岩性和墒情的最新成果，具有重大的应用价值。同时在本次工作中土壤墒情取样深度普遍达到150cm，少量样点达到200cm。而目前多数土壤墒情监测数据仅做到土壤表层30cm，土壤墒情遥感资料甚至只能做到地表以下10～15cm，因此本课题的数据更具有科研应用价值。

（三）海河流域城市化对水循环的影响与演化研究方面

从二元水循环的角度出发，实现了城市水循环多环节、多要素的系统耦合，提出了较为完整的城市水循环模式及其概念性数学描述，并在海河流域多个城市进行了实例应用。目前国内外关于城市水循环研究文献十分少见，本课题的很多研究思路和方法都是首创。

（四）二元水循环理论框架和概念模型研究方面

虽然流域水循环演化已经成为共识，但截止本项目研究前如何定义和描述，依然没有一个系统完整的解释。本课题原创性地提出了水循环发生二元演化的本质和科学内涵并提出了相关理论框架，同时研发的二元水循环概念模型系统也为二元水循环研究提供了可操作的平台。目前国内外尚无相应深入的研究成果。

成果应用情况及社会经济效益

本课题的应用和社会经济效益主要体现在以下两个方面：

（一）解决了国家重大实践需求

（1）流域二元水循环理论将为我国治水实践提供新的理论认知

该理论的发展和应用可以有效响应新时期国家三大治水实践需求：一是服务于最严格的水资源管理实践，为水资源管理三条红线的制定提供理论和技术支撑；二是服务于国家江河治理和水生态系统修复实践；三是服务于国家重大水问题的决策。

（2）城市水循环模式将为我国快速城市化进程提供科技保障

课题研究取得的关于城市水循环模式的成果，可以为我国建设资源节约型和环境友好型城市提供科技保障。以典型城市单元为核心，分析城市水循环的基本特点与合理模式，充分体现了贯彻落实科学发展观、加快经济发展方式转变、建设生态文明战略的重大实践要求。

（3）地下水功能评价理论可促进我国地下水的可持续开发利用

有关该理论方法及关键技术，已出版专著《区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究》和获得国家软件著作权登记。该理论方法适宜我国北方平原区地下水可持续利用性状况评价的要求，符合人与自然和谐的科学发展观和社会发展需求，对于解决华北等地区地下水的资源功能与生态功能和地质环境功能之间合理定位问题具有重大现实作用。

（二）有力推动了水资源学科发展

（1）流域二元水循环理论框架的提出将开启水资源研究新篇章

二元模式的提出必然会引发传统一元模式下的相关方法论和研究手段的变革，包括水资源评价方法、水资源规划方法、水资源配置方法以及水资源调控与管理的方法等，引领我国水资源研究进入一个新的时期。

（2）“自然-社会”二元水循环概念模型为现代环境水资源问题提供了强大研究工具

在二元模式理论指导下，本次研究构建了兼有概念性和物理机制的流域二元水循环概念模型，不仅可以清晰描述出“自然—社会”二元驱动力各自的影响，以及二元力共同作用的水资源演变效应，同时还为水量循环伴生的水沙过程、水盐过程、水生态过程和水化学过程等描述提供了研究平台，因此二元模型为现代环境下的水资源研究提供了重大技术装备，有助于水资源研究水平的提升。

（3）有效促进了水资源学和其他学科的交叉

本次研究在地质学、地理学、水文学、考古学、水资源学、气象学、生态学、宏观经济学、信息技术等多学科的交叉方面进行了多方有益探索，为水资源学科发展注入了新的活力。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

本课题研究属于理论和机理性研究层面的课题，其成果转化、推广主要存在两方面问题，一是二元水循环理论的应用还需要配套相关的应用研究经费，尚需进一步开展应用研究和软件开发。二是分布式二元水水循环概念模型系统所需的数据基础要求很高，影响了其在无资料区或资料缺乏地区的应用。目前海河流域的综合数据库建设已初见规模，但仍需进一步完善。

鉴定会现场