现代水文水资源研究：水资源学的现状与未来发展趋势

1.水资源学现状

现代水资源的开发利用，已由单一水源发展到多水源，由单一工程发展到多工程，由单一目标发展到多目标综合利用，由利用地表水发展到地表水和地下水联合开发，由水量控制发展到水量水质联合控制，由单纯经济观点发展到社会、经济、环境等多因素的综合评价。现代化水资源供需体系已成为一个复杂的系统，运用系统工程方法，综合分析这些因素，才能为水资源的综合规划和管理提供科学决策的依据。

城市、工业和农业的迅速发展，用水量的急剧增长，废污水大量排放，使水资源大量消耗并不断受到污染。水资源利用不充分、不合理，加剧了水资源供需不平衡的矛盾。因此，提倡节约用水、合理用水，提高水的有效利用率，对废污水进行处理、再生、回用，海水淡化或利用海水作为工业冷却用水，以及在流域之间对多余的水量进行合理调配，都是解决水资源不足的有效措施。制定对水资源合理开发、利用、保护和管理的法令和法规，结合必要的经济、行政、法律以及宣传教育手段，对水资源进行科学分配、合理调度和综合管理，这样才能使有限的水资源在发展国民经济，提高人民生活水平的过程中，更加有效地发挥作用。

当前水资源研究的主要任务是：以水资源的可持续利用支撑国民经济和社会的可持续发展为目标，研究水资源形成、可再生性维持机理及时空变化规律，探讨水资源可持续利用的方式和对策。人类活动是引起流域水资源变化最活跃的因素，跟踪历史变化的轨迹，揭示现实变化的情景和成因，预测未来变化趋势，是对水资源系统实施适度调控的科学基础。为了实现水资源有效开发利用、经济高速增长与良好生态环境的协调发展，需要重点研究水与生态系统相互作用的模式、机理、过程与效应问题，在流域尺度上解决水资源—生态系统—社会经济复合大系统相互作用的定量描述和多维调控，为应用层面上合理确定生态需水量以及合理调控经济用水与生活、生态用水比例提供科技支撑。为了缓解水资源紧缺，洪水资源安全利用、污水资源化利用以及海水淡化等新型水资源的开发利用，将导致水资源开源方面的转移式发展，而从根本上开辟解决水资源问题的新途径。要重视水权、水价、水市场的理论研究，促进水资源和合理配置和高效利用。建立水资源的实时监控系统，实现水资源的合理配置和综合管理。

2.存在主要问题

当前迫切需要对下述重大科技问题进行研究：①人类活动对水资源变化的影响及趋势预测；②注重生态建设的水资源合理配置与科学调控；③洪水和污水资源化及新型水资源开发利用；④水资源综合管理的科学基础和关键技术。

3.当代前沿

（1）水资源研究的水循环问题。如：华北地区的缺水问题如何解决？长江流域资源如何调控？西北地区空中水资源如何利用？在基础理论方面有以下几个问题。

1）水循环的实况。水循环实况是指蒸发、降水、通过陆地河流含水水层流入海洋的水量、大气的水汽含量等时空变化情况。从全球看，不搞清楚水循环的实况，那么讨论水循环的变化、趋势，确定全球水是否在加速循环以及人类活动对其影响程度等就没有牢靠的基础。

2）我们感兴趣的区域和时段的降水及其水汽的来源。多年的平均情况和变率如何？对我国的某个区域、某个时段的降水的水汽的来源的诊断，将揭示出该地水汽来源是逐年变化很大，还是变化很小的，源地的蒸发量与降水量关系怎样。

3）当降水和大气状况给定后，地表状况的改变和人类活动对陆地水文过程的影响程度。例如对长江流域而言，1998年的降水若发生在1954年会是什么情况？1954年的降水若发生在1998年又会是什么情况呢？

4）水循环过程是否存在“遥相关”。统计表明，菲律宾东部热带太平洋地区的对流活动对长江中下游地区和淮河流域的降水之间、青藏高原冬春雪盖与长江流域南部的汛期降水都存在较好的相关。水循环过程中是否还存在中、小尺度的“遥相关”现象？

5）全球变暖和海平面升高对我国的水循环过程可能引起的变化如何量化。根据气候模式的预测，全球变暖最显著的表现就是增进了全球的水循环，这将导致全球降水的增加、蒸发的加快、天气和水文环境的恶化等，至于区域的细微情况就不那么清楚了，而且有相当大的不确定性。另外，海平面升高将影响长江口的水文状况，从而成为上海市必须关注的问题。

（2）气候变化对水资源的影响。①评价已有的气候变化科学信息；②评价气候变化产生的环境及社会经济影响；③制定相应对策。

国际地圈生物圈计划的BAHC核心项目，在经过近10年的探索后，归纳并形成了8个关键性课题：地块尺度上的能量、水分和碳元素流研究；地下面过程的作用估计；陆面——大气互动作用的参数化；区域尺度的土地利用——气候互动作用；全球植被——气候互动作用；气候变化和人类活动对在河流系统中流动及输移的影响；山地水文和生态；建立全球资料库。此外，还有两个与其他有关项目交叉的课题；陆地系统统一实验的设计和实施；风险/脆弱性分析和方案制定。这些将是在21世纪研究气候变化对水资源影响的主要内容。

（3）环境变化对水文和水资源的影响。①全球水文学和地球化学过程；②地表环境生态水文过程；③地下水资源和风险；④在紧张和冲突中的水资源管理策略；⑤干旱半干旱地区的水资源综合管理；⑥湿润和热带的水文学和水资源管理；⑦城市水资源综合管理；⑧知识技术转让。

（4）水的互动作用。水除了在水文循环中具有地理的、化学的和生物学的功能外，还在互相关联和相互支撑的社会、经济和环境价值。①全球变化和水资源；②一体化的流域动力学；③区域展望；④水与社会；⑤知识、信息和技术转让。

4.发展趋势

2002年在南非召开的可持续发展世界高峰会议上，一致通过将水资源危机列为未来10年人类面临的最严重挑战之一。联合国环境署同年在《全球环境展望》上指出：“目前全球一半的河流水量大幅减少或被严重污染，世界上80个国家或占全球40%的人口严重缺水。如果这一趋势得不到遏制，今后30年内，全球55%以上的人口将面临水荒。”在此背景下世界各国致力于解决水资源安全问题，建设节水—防污型社会，建立高效、公平、统一的水资源管理体制是世界各国解决当前水资源危机的主要方向。

（1）水资源科技。

1）注重水资源开发利用、经济社会发展与生态环境保护的相互协调发展。在分布式水文模型、水文输沙模拟与地下水模型等水资源综合评价方面，在水资源开发、利用、保护的综合规划研究方面，水资源管理中的需水管理、供水管理、水质管理和水价管理的相互关系，以及水资源管理中的经济、法律和行政机制的作用等方面进行广泛深入的研究。(www.xing528.com)

2）研发先进的节水灌溉技术。农业用水占全世界水消费量的70%，而2025年以前灌溉用水还会增加50%～100%，所以农业节水技术的研发成为世界各国的首选。

3）采用多样化水资源战略，提高工业用水的重复利用率。美国等先进国家工业用水已进入了零增长或负增长的高效利用阶段，因此，提高工业用水效率、改进用水工艺是国际水资源科技领域的一个重要趋势。

4）水利信息化科技广泛发展，和其他领域一样，信息化成为现阶段国际水利科技发展的主要前沿。水利公用信息平台建设、大规模的应用系统建设成为国际上发达国家水资源科技发展的重要动向。特别是基于“3S”（GIS、GPS、RS）技术手段的各种监测与管理信息系统建设在加速进行，而且这种趋势在未来20年内仍将继续发展。

（2）21世纪水资源管理。

1）实行流域水质与水量的综合管理。基于水资源承载力，建立流域水资源安全利用指标，制定开发利用的长期规划。

2）通过GIS、卫星遥感、气象雷达和专家知识系统建立流域、区域水资源基础信息系统，核算流域水资源的承载极限，确定最大供给水平。

3）改变传统的水供给管理模式为竞争型水需求管理模式，包括水资源补偿使用、水权与排污权交易等，此外建立用水计划制度、取水许可制度、建设项目水资源论证制度和节水产品认证制度，制定工、农业和城镇生活用水定额，鼓励节水技术、方法的应用和创新。

4）探索正确的水环境评价分析框架：水资源受各种自然因素如气候、地质地理条件和生态过程的影响，比纯人工的经济活动更复杂、更具不确定性。目前的水资源评价指标集中于地表径流量和城市水质情况，偏重于经济系统，而且只从人类需求出发，强调水的社会经济功能，忽略水在环境中不可替代的溶剂输送和自净化等自然功能。

5）水经济学：水资源的天然流动性（开放性资源），使得市场经济的基础——所有权的独立性以及使用上的排他性难以确立并加以保护。水经济学的核心是水资源定价，其管理目标是把资源的外部性成本纳入生产成本并占一定比重，加强水利工程的融资和收益管理能力建设，并在各竞争性用途与用户之间实行水资源利益效率分配。

6）建立世界性水资源银行。水资源管理是一种长期投资，需要从全球层次上对水资源的开发投资、保护性利用和废水处理进行资源重组和最优化协调管理。

7）需要全社会的广泛参与。水资源管理不仅是一个科学问题，也是一个社会问题。为了提高水安全管理信息系统的效率和有效性，还需要公众的支持和参与，建立新的全球水道德，加强水忧患意识和节水意识教育，走向一个新的时代——节水型社会。

（3）未来20年水资源科技的重大战略问题。

1）流域水资源演变规律与科学调控。①关键科学问题：流域水资源系统现代格局是怎样形成的？如何区分流域水资源系统演化中自然因素和人文因素的作用？在全球变化背景和经济与社会快速发展背景下，长江流域水资源未来发展趋势如何？如何对流域水资源变化实施有效适度调控，使其适应流域可持续发展的需要？②主要研究内容有：流域水资源系统历史演变规律与现代变化特征；流域水资源系统对全球气候变化的响应；流域人—水—地系统现代格局与人类活动作用的识别；流域水沙输移及其与流域地貌系统的相互作用；重大水工程对流域水资源未来变化趋势的影响；流域水资源承载能力评价与人—水—地关系调控。

2）水资源可持续利用的科技问题。①水资源循环再生利用技术。重点研究北方缺水地区由于气候变化和大规模的水资源开发利用对水资源形成和再生机理的影响，摸清水资源衰减和再生性维持机理，探讨新形势条件下水均衡估算的方法以及水资源可持续利用的方式和对策。②节水和水资源高效利用技术。发展农业、工业和城市节水高效利用，建设节水防污型社会。需要进行水资源合理开发和合理配置技术研究；高效输水新技术研究；农业灌溉、工业和城市节水的新技术和污水资源化的新技术研究及设备产业化，以及相应的经济技术政策研究。③水环境保护与流域生态建设。研究解决我国主要河湖水体污染防治、西部自然生态脆弱区水资源开发利用与生态环境建设和水利水电工程建设的生态环境效应等重大科技问题。研究在人类活动和自然条件变化的共同作用下长江、黄河流域的治理和开发技术问题。④防洪抗旱与减灾技术。研究如何在流域生态系统重建的大框架下部署防洪抗旱建设，研究解决人与自然协调共处的防洪抗旱战略相关的科学技术难题。⑤水资源和水环境监测系统与信息共享平台建设。研究开发水资源和水环境监测技术和信息共享平台，实现对水资源和水环境以及洪旱灾害大范围全天候分布式的动态监测。⑥咸水、海水利用与海水淡化技术。大力发展咸水、海水直接利用、海水淡化和海水综合利用技术，使咸水与海水利用成为部分替代性水资源。

总之，作为水资源学的研究必须为上述重大问题提供理论依据、方法、原则和切入点。从水资源学的三个研究层面上看，在基础研究层面，近期应加强人类活动对水资源的影响研究；在应用研究层面，近期应加强水资源优化配置和高效利用的研究；在综合研究层面，近期应加强水平衡特别是生态环境系统水平衡的研究，全面推动水资源学的发展。

（a）人类活动对水资源影响研究。随着人类社会生产力水平的提高，人类活动对水资源的影响越来越大，在水资源危机、洪涝灾害和水污染形势日益严峻的今天，更应着重研究，以规范人类的行为，自觉遵循水资源的自然规律，提高全社会的水文明水平。除了研究植被破坏、酸雨、水体污染、地下水超采和滨海赤潮等不利于水资源永续利用的现象以外，还要重点研究水环境、用水管理和节水型社会建设的理论方法和对策。需要研究不同类型地区地表水、地下水、空中水的“三水”转换定量关系，并在此基础上进一步研究水资源自然分配在人为因素作用下的变化规律，为水资源优化配置奠定基础。

（b）水资源优化配置研究。由于我国的水资源相对匮乏，以及人水、地水组合错位，只有通过人为地合理调控来优化配置水资源。实现水资源优化配置的手段主要有工程手段、经济手段、行政手段和法制手段等，实际操作中往往表现为各种手段的组合。调节水资源在时间、空间的分布，表现为蓄水、调水，需要充分考虑水资源的承载能力和加强研究维护生态环境用水的理论依据；调节水资源在部门、行业之间的分配，调节水资源在用水者、用水户之间的分配，表现为水商品消费行为，需要充分考虑用水定额管理和研究水权、水价、水市场。

（c）生态环境系统水平衡研究。水资源优化配置一个重要的前提条件就是要保证生态环境用水。国外曾经有人提出，开发利用量最好不要超过河道来水量的25%。从我国降水年内分配不均出发，提出开发限度以不超过河道年来水量的40%为宜，即在维持河道最小水流的前提下，可开发利用部分汛期来水。因此有专家提出用控制断面下泄流量法来计算河道生态环境用水。我国地域辽阔，自然条件千变万化，河道所处的位置、控制断面以上的面积、上下游用水情况都不同。因此，在决定控制断面下泄流量时，一定要多方比较，因地而异。同样条件下，干流比支流的下泄比例可小些；干旱地区比湿润地区同样河流下泄水量比例要大些；下游用水量大的河流比下游用水量小的河流要大些等。水资源可开发量的具体确定，应根据具体的时间、地点和条件，既要考虑当前的实际需要，也要考虑未来发展的需要，在水资源科学规划和经济社会发展规划的框架下统筹兼顾。

水资源学还是一个极为年轻的学科，在水科学面临种种悖论的条件下，表现出勃勃生机。人们思想也正在实现从传统水利向可持续发展水利转变。在21世纪，水资源学肩负着自己的历史重任，需要为构建可持续发展的中国水资源安全保障体系服务。这一体系至少包括五个方面，即水资源节约体系、市场体系、科技体系、管理体系和宣传教育体系。水资源学研究的特点是与水资源实践紧密结合，在实践中不断丰富、发展和完善，并将逐步形成自己完整的学科体系——水资源科学。