国际水文科学研究的热点与难点

(1)水文循环的生物圈方面。传统的水文学研究只考虑水量的自然变化,现代水文循环需要考虑地球生物圈、全球变化以及人类活动等方面的影响。国际地圈生物圈计划(IGBP)代表国际地球学科发展前沿,水文循环的生物圈方面(Biosphere Aspects of Hydrological Cycle,简称BAHC)是IGBP的核心之一。它注重陆面生态-水文过程与空间格局的变化规律和人类活动影响的关键问题,以求科学的解释:植被是如何与水文循环的物理过程相互作用的?改变陆面生态过程的直接原因是什么?是大尺度人类活动改变了陆面覆盖?还是大气中二氧化碳浓度增加的缘故?这些影响变化的水文后果如何?通过这些研究,将为认识自然变化和人类活动影响下的土地利用/土地覆被变化与陆地表层生命物质过程、评估人类活动对生物圈的影响、保护生态环境和维持资源可持续利用提供科学基础和决策依据。扩散间的关系,以及河口泥沙问题。

通过2003年7月在荷兰举行的IGBP和IAHS国际学术大会可以清楚地看出,变化环境(即全球变化与人类活动影响)下的水文循环研究成为21世纪水科学研究的热点。根据21世纪IGBP的发展方向,国际上BAHC的研究重点也相应地进行了调整,主要有以下8个方面:小尺度水、热、碳通量研究;地下过程作用的评价;陆地-大气相互作用的参数化;区域尺度土地利用与气候的相互作用;全球尺度植被与气候的相互作用;气候变化和人类活动对流域系统稳定与传输的影响;山区水文学与生态学;开发全球数据集。此外,还有两个交叉研究问题:设计、优选和实施综合的陆地系统实验;情景发展与风险/脆弱性分析。

变化环境下的水文循环及其时空演化规律研究,是国内外地学领域积极鼓励的创新研究课题。结合土地利用/土地覆被变化与陆地碳循环过程的水循环研究,是一个新的交叉方向。

(2)全球变化的水文响应。这一研究致力于寻求下述问题的科学答案:全球变化对区域水循环规律有何影响?如何认识气圈-水圈-生物圈的相互作用?如何认识水资源的演变?其规律是什么?(www.xing528.com)

值得指出的是,过去在认识气候系统与陆地水文循环的关系方面存在一个误区,长期以来水文学者把气候系统看作是静态的,即一个地区的气候是指某种统计的平衡,WMO 规定30年系列平均作为准平均,用极差/标准差描述气候变异。对陆地水文过程研究而言,一般认为长序列水文均值是稳定不变的,年径流出现的丰枯现象,被视为围绕均值的周期变化。水利(水资源)工程设计的水文计算都是以几十年至几百年时间尺度的水文过程稳定不变为前提,未来被看作是过去的重复或外延。例如,水资源量具有相应的保证率,而设计洪水则有千年设计和万年校核等。另一方面,在气候和天气过程研究中,长期以来气候学者把陆地水文系统看作是静态的,在气候和天气过程研究中仅考虑降水变化,较少研究流域水文循环动力机制与反馈作用。例如,在天气模式研究中仅设置若干参数代替水文过程变化和空间分布,认为陆面水文-生态的作用也是稳定不变的。又如,许多大气环流模型(GCM)对水文循环作用过程考虑相当粗糙,平面无径流联系与循环过程。但是,现在人们业已认识,一个地区的气候/水文循环过程并不处于统计平衡状态,而是呈现不同尺度的变化(年际、十年际、百年际-千/万年际变化)。决定气候变化不仅仅由于大气内部的过程,还有大气上边界(太阳行星系统)和下边界(陆地水文-生态、海洋系统)的各种物理化学过程。20世纪科学研究与进展表明:陆面生态系统对大尺度水文循环具有十分重要的反馈作用。因此,全球变化对水文和水资源的影响是21世纪水文科学研究的前沿问题之一,特别需要加强水文学家与大气物理学家的联系与合作,积极开展“全球-陆地-区域-流域尺度水文循环”科学基础的研究。

(3)人类活动对水循环和水资源的影响。人类活动对水循环及水资源有那些主要影响?人类活动如何对水的变化规律产生影响?有何地区或区域特征规律?如何量化人类活动对水循环和水资源的变化及影响?这是近代水科学面临的主要科学问题。在IGBP科学大会上,特别强调土地利用/覆被变化与水循环以及碳循环的关系,主要研究问题包括典型流域水循环机理、水文循环与生态系统的相互作用、地表水与地下水交换的相互作用、“大气-土壤-植被”界面过程中的物质与能量转化规律、流域水文循环过程中的非线性机制研究、分布式流域水文循环模型、区域水文循环演化与土地利用/土地覆被影响的定量研究。上述问题研究将为认识陆地表层生命物质过程提供重要的基础性的科学支撑。

结合中国的实际背景,人类活动影响是惊人的。例如,在华北地区,水文循环机理比较复杂,它不仅与陆地表层系统中各种自然地理要素时空分布密切相关,而且与农业开发、都市化等土地利用/土地覆被直接关联。由于社会经济发展,人类活动改变了水循环自然变化的空间格局和过程,加剧了水资源形成与变化的复杂性。过去有关部门在华北水资源方面做了相当的工作。但是,在华北地区究竟缺多少水这类基本问题方面仍然分歧较大。有人认为在华北通过自身的节水和提高用水效率可以解决水资源的需求问题;有人认为即使南水北调也不能从根本上解决北方缺水问题。争论所涉及科学问题的焦点是:在自然变化和人类活动的综合影响下华北地区水循环演化规律是什么?如何科学测算华北地区可供水资源量?华北地区节水潜力究竟有多大?如何保障华北地区的水资源安全?究其争论原因,主要有:自然变化和人类活动加剧情况下的华北地区水循环演变格局与过程机理有待重新认识,受人类活动影响等变化环境下的华北地区水资源可利用量测算的科学依据不够充分,水资源安全与生态需水、节水潜力、国民经济发展之间的量化关系需要深入研究。因此,开展自然变化和人类活动影响下的水循环及水资源安全研究,具有十分重要的科学意义和实用价值。