第21卷第10期 地球科学进展 Vol 21 No 10 2006年10月 ADVANCES N EARTH SC IENCE 文章编号:1001-8166(2006)10991408 黄河流域水资源演化规律与可再生性 维持机理“研究进展 刘昌明12 (1北京师范大学教育部水沙科学重点实验室,北京100875;2中国科学院陆地水循环与地表过程 重点实验室,中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101) 摘要黄河是中国第二条大河,流域面积80万km2,它曾是中华民族文化的摇篮。当前在中国西 部大开发中具有举足轻重的重要战略地位。但是黄河流域地处中国的半干旱与半湿润地带,流域 的水资源量先天不足,流域内的人均水资源占有量很少,相当全国人均水资源占有量的1/3。由于 气候的暖干变化与人类活动的影响,过去30年来,黄河下游与其主要支流频繁地发生了断流,这种 发展的征兆不仅加剧了脆弱的水资源供应与需求的平衡,而且给流域上、中、下游原有生态系统与 环境带来更大的冲击。黄河的治理终归是涉及国家稳定和国家安全的大事。因此,1999年科技部 在‘国家重点基础研究发展规划立项,启动了5年研究项目“黄河流域水资源演化规律与可再 生性维持机理”。作者作为项目的首席科学家根据项目各课题已发表的近900篇论文与几十部专 著等大量成果,简要概括了黄河水资源的基础性、技术性和应用性硏究等三大方面的进展 关键词:黄河流域;资源演化规律;河流水资源可再生性维持;水资源管理;黄河治理 中图分类号:P33文献标识码:A 黄河在众多国际河流中是一条非常特殊的大与复杂性。据历史资料,从大禹治水(公元前2033 河:①以年平均不到2000m/s的流量,流长达到年)至今已有4039年之长,但黄河的水问题还不能 5400km,为世界所罕有;②发源于海拔5km以上说已经研究清楚。特别是随着社会经济的迅猛发 的青藏高原,流经中国的三大台地,在下游平原形成展,近50年来黄河的水循环正在发生着空前的变 世界上最长、最高的悬河;③黄河中上游流域拥有世化,如1972年以来的黄河下游断流,尤其是20世纪 界上最大的黄土高原,其幅员和沉积厚度是世界上90年代的连年断流惊憾了世界;当今的黄河应是今 独一无二的;④黄河水少沙多的特点和其高含沙量非昔比。 与高含沙水流在世界上极其罕见,后者可居河流之 世界上有许多的大河都有着庞大的研究计划 榜首;⑤黄河流域地处多个气候带,是东亚重要的半如欧洲人口密集的多瑙河的流域水资源管理侧重于 干旱与半湿润地带的过渡带,气候时空多变,水循环体制研究,北美人烟稀少的育空河水资源与全球变 脆弱,极易受到人类活动的影响而变化;⑥解放后化的研究。这些大河的研究均比黄河的水问题要容 50多年来的治黄,修建的大中小型水库超过10000易得多。黄河水问题的研究显然具有很高的难度。 座,库容大于黄河的年平均径流,显然黄河已是充分科研工作在黄河治理中取得新的进展,即便是一些 被调节的河流,这也是世界上非常少见的 定性的认识,也是难能可贵。国外学者对黄河研究 由上述黄河的几点主要特点可见研究的独特性的兴趣,包括日本的几个黄河研究项目,都能说明黄 收稿日期:200607-17,修回日期:20067-24 基金项目:国家重点基础硏究发展计划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”编号:G1990436)资助 作者简介:刘昌明(1934-),男,湖南汨罗人,中国科学院院士,本项目“973省席科学家,长期从事水文、水资源等方面的研究 Email: liam igsnrr ac cn 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 21卷第 10期 2006年 10月 地球科学进展 ADVANCES IN EARTH SC IENCE Vol. 21 No. 10 Oct. , 2006 文章编号 : 100128166 (2006) 1020991208 “黄河流域水资源演化规律与可再生性 维持机理 ”研究进展 3 刘昌明 1, 2 (1. 北京师范大学教育部水沙科学重点实验室 ,北京 100875; 2. 中国科学院陆地水循环与地表过程 重点实验室 ,中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101) 摘 要 :黄河是中国第二条大河 ,流域面积 80万 km 2 ,它曾是中华民族文化的摇篮。当前在中国西 部大开发中具有举足轻重的重要战略地位。但是黄河流域地处中国的半干旱与半湿润地带 ,流域 的水资源量先天不足 ,流域内的人均水资源占有量很少 ,相当全国人均水资源占有量的 1 /3。由于 气候的暖干变化与人类活动的影响 ,过去 30年来 ,黄河下游与其主要支流频繁地发生了断流 ,这种 发展的征兆不仅加剧了脆弱的水资源供应与需求的平衡 ,而且给流域上、中、下游原有生态系统与 环境带来更大的冲击。黄河的治理终归是涉及国家稳定和国家安全的大事。因此 , 1999年科技部 在“国家重点基础研究发展规划 ”中立项 ,启动了 5年研究项目“黄河流域水资源演化规律与可再 生性维持机理 ”。作者作为项目的首席科学家根据项目各课题已发表的近 900篇论文与几十部专 著等大量成果 ,简要概括了黄河水资源的基础性、技术性和应用性研究等三大方面的进展。 关 键 词 :黄河流域 ; 资源演化规律 ;河流水资源可再生性维持 ;水资源管理 ;黄河治理 中图分类号 : P33 文献标识码 : A 黄河在众多国际河流中是一条非常特殊的大 河 : ①以年平均不到 2 000 m /s的流量 ,流长达到 5 400 km,为世界所罕有 ; ②发源于海拔 5 km以上 的青藏高原 ,流经中国的三大台地 ,在下游平原形成 世界上最长、最高的悬河 ; ③黄河中上游流域拥有世 界上最大的黄土高原 ,其幅员和沉积厚度是世界上 独一无二的 ; ④黄河水少沙多的特点和其高含沙量 与高含沙水流在世界上极其罕见 ,后者可居河流之 榜首 ; ⑤黄河流域地处多个气候带 ,是东亚重要的半 干旱与半湿润地带的过渡带 ,气候时空多变 ,水循环 脆弱 ,极易受到人类活动的影响而变化 ; ⑥解放后 50多年来的治黄 ,修建的大中小型水库超过 10 000 座 ,库容大于黄河的年平均径流 ,显然黄河已是充分 被调节的河流 ,这也是世界上非常少见的。 由上述黄河的几点主要特点可见研究的独特性 与复杂性。据历史资料 ,从大禹治水 (公元前 2033 年 )至今已有 4 039年之长 ,但黄河的水问题还不能 说已经研究清楚。特别是随着社会经济的迅猛发 展 ,近 50年来黄河的水循环正在发生着空前的变 化 ,如 1972年以来的黄河下游断流 ,尤其是 20世纪 90年代的连年断流惊憾了世界 ;当今的黄河应是今 非昔比。 世界上有许多的大河都有着庞大的研究计划 , 如欧洲人口密集的多瑙河的流域水资源管理侧重于 体制研究 ,北美人烟稀少的育空河水资源与全球变 化的研究。这些大河的研究均比黄河的水问题要容 易得多。黄河水问题的研究显然具有很高的难度。 科研工作在黄河治理中取得新的进展 ,即便是一些 定性的认识 ,也是难能可贵。国外学者对黄河研究 的兴趣 ,包括日本的几个黄河研究项目 ,都能说明黄 收稿日期 : 2006207217;修回日期 : 2006207224. 3 基金项目 :国家重点基础研究发展计划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理 ”(编号 : G19990436)资助. 作者简介 :刘昌明 (19342) ,男 ,湖南汨罗人 ,中国科学院院士 ,本项目“973”首席科学家 ,长期从事水文、水资源等方面的研究. E2ma il: liucm@ igsnrr. ac. cn
地球科学进展 第21卷 河研究已经成为国际学术界的一个热点,具有前沿14水资源全要素层次化动态评价方法 性。本项目立项开展研究以来已取得了比较丰富的 在分析水资源内涵及其特征的基础上,提出了 成果,其水平与国外同行业研究水平相比,至少在水水资源评价的三大基本准则,以及基于准则的水资 问题的复杂性和难度上应高于同类研究。黄河水问源的层次化评价口径,从而对不同赋存形态有效水 题的研究,在一定意义上讲,国内的首次研究成果也分在资源层面进行了有效界定与统一。评价方法以 是国际之创新 流域水循环为基础,通过对循环过程中水分有效和 1基础性研究方面的主要进展 无效的判断来评价水分是否具有资源属性,同时依 据与社会经济系统密切程度进行分级评价,进行广 11气候变化与人类活动对径流的影响鉴别 义水资源狭义水资源和国民经济可利用量的界定 水循环的变化受控于自然和人类活动两组向并给出了一套有效的计算方法,其评价结果不仅 量。如何区分两种不同驱动因子的影响,为流域水可以客观体现全部“真实资源量,而且有益于人工 循环调控提供科学依据是当前相关领域硏究的热点调控,是对传统水资源评价方法的革命性发展。 和难点。本研究根据实测资料,综合应用各种技术15黄河河道水污染机理与多泥沙河流水质评价 和方法,定量分析了气候变化和人类活动对黄河流 方法 域水循环变化的影响,得出了一些创新性的认识黄 查明了近半个世纪来黄河水中主要离子组分的 河上游实际来水量减少,主要是气候变化的影响 演化特征(水质浓化趋势—轻度咸趋势)及其与 州以上气候的影响作用占75%;黄河中游人类活动黄河流域灌溉农业发展的关系;论述了黄河下游河 的影响明显加大,约占57%,已大于气候因素的影段水质恶化程度与河道断流频度的关系;研究了径 响。黄河花园口以下,主要是人类活动影响导致年流变化、溶质变化与污染控制的关系;从机理上揭示 径流量的减少,21 了水一沙相互作用对黄河耗氧有机物水质参数 12水资源可再生性概念的提出 (①OD、高锰酸盐指数和BOD)的影响,研究提出了 对水资源可再生性的内涵、基本特征、概念模适应多泥沙河流特点的耗氧有机物污染程度的 型、理论框架等进行了深入细致的探讨,认为水资源BOD监测方法和COD评价方法,填补了黄河水 可再生是由自然再生、社会再生、水质恢复和水量再资源研究中的空白。 生四种类型构成的复杂耦合系统。构建了水资源可16资源水-灾害水ˉ生态水“水裝转化结构及 再生性评价指标体系。对水资源可再生性综合评价 其优化 的理论依据、运用条件和过程,做了较深入的研究 针对水资源在河流系统中的不同服务目标,结 提出了水资源可再生性维持阈值的概念,形成了较合研究区域的实际情况,将水量划分为生态环境水、 完整的水资源可再生性的理论体系母。 资源水和灾害水3个组成部分,提出了水资源转化 13黄河下游功能性断流和河流健康 结构的概念和确定方法,以反映河流系统功能的 提出了以年内断流天数、年最大断流河长和年动态变化。其中资源水包括潜在资源水和消耗资源 总断流河长等指标来综合判定断流严重程度的定量水两个亚组分。计算了黄河下游1950-2001年逐 方法和功能性断流的概念及其量化判定方法。以不年的三类水量,探讨了50多年来黄河下游水资源转 同的时间尺度,详尽地分析了20世纪50年代以来化结构的变化规律,揭示出生态环境水不足是黄河 黄河功能性断流情况,揭示了黄河功能性断流与零下游河流系统功能以及河流健康状况呈现不利变化 流量断流之间的关系,揭示了河流功能性断流的特的重要原因。以优化水资源转化结构为目标,建立 征与机理。同时按流量分级统计的结果,结合功了多目标优化模型,突破了以往水资源优化研究中 能性断流表征因子,构建了反映黄河下游河流健康只进行总量优化的传统做法,并从理论上针对不同 状况的指标。功能性断流概念和研究方法的提出,情景水文年下水资源的优化配置及相应水资源转化 使得黄河断流的硏究能够从维持河流系统健康的角结构的变化规律进行了研究 度出发,科学地考虑河流系统的功能要求,在黄河断17萎缩性河道演变机理和“水大灾斆应 流的认识水平上取得了突破,也使得缓减断流的对 河道萎缩是河道排洪输沙功能衰退的一种河床 策更加切实可行 演变过程,其主要反映是河槽过流能力降低、同流量 下水位不断抬升,形成“小水大灾”等灾害效应。实 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
河研究已经成为国际学术界的一个热点 ,具有前沿 性。本项目立项开展研究以来已取得了比较丰富的 成果 ,其水平与国外同行业研究水平相比 ,至少在水 问题的复杂性和难度上应高于同类研究。黄河水问 题的研究 ,在一定意义上讲 ,国内的首次研究成果也 是国际之创新。 1 基础性研究方面的主要进展 1. 1 气候变化与人类活动对径流的影响鉴别 水循环的变化受控于自然和人类活动两组向 量。如何区分两种不同驱动因子的影响 ,为流域水 循环调控提供科学依据是当前相关领域研究的热点 和难点。本研究根据实测资料 ,综合应用各种技术 和方法 ,定量分析了气候变化和人类活动对黄河流 域水循环变化的影响 ,得出了一些创新性的认识 :黄 河上游实际来水量减少 ,主要是气候变化的影响 ,兰 州以上气候的影响作用占 75% ;黄河中游人类活动 的影响明显加大 ,约占 57% ,已大于气候因素的影 响。黄河花园口以下 ,主要是人类活动影响导致年 径流量的减少 [ 1, 2 ]。 1. 2 水资源可再生性概念的提出 对水资源可再生性的内涵、基本特征、概念模 型、理论框架等进行了深入细致的探讨 ,认为水资源 可再生是由自然再生、社会再生、水质恢复和水量再 生四种类型构成的复杂耦合系统。构建了水资源可 再生性评价指标体系。对水资源可再生性综合评价 的理论依据、运用条件和过程 ,做了较深入的研究 , 提出了水资源可再生性维持阈值的概念 ,形成了较 完整的水资源可再生性的理论体系 [ 3 ]。 1. 3 黄河下游功能性断流和河流健康 提出了以年内断流天数、年最大断流河长和年 总断流河长等指标来综合判定断流严重程度的定量 方法和功能性断流的概念及其量化判定方法。以不 同的时间尺度 ,详尽地分析了 20世纪 50年代以来 黄河功能性断流情况 ,揭示了黄河功能性断流与零 流量断流之间的关系 ,揭示了河流功能性断流的特 征与机理 [ 4 ]。同时按流量分级统计的结果 ,结合功 能性断流表征因子 ,构建了反映黄河下游河流健康 状况的指标。功能性断流概念和研究方法的提出 , 使得黄河断流的研究能够从维持河流系统健康的角 度出发 ,科学地考虑河流系统的功能要求 ,在黄河断 流的认识水平上取得了突破 ,也使得缓减断流的对 策更加切实可行。 1. 4 水资源全要素、层次化动态评价方法 在分析水资源内涵及其特征的基础上 ,提出了 水资源评价的三大基本准则 ,以及基于准则的水资 源的层次化评价口径 ,从而对不同赋存形态有效水 分在资源层面进行了有效界定与统一。评价方法以 流域水循环为基础 ,通过对循环过程中水分有效和 无效的判断来评价水分是否具有资源属性 ,同时依 据与社会经济系统密切程度进行分级评价 ,进行广 义水资源、狭义水资源和国民经济可利用量的界定 , 并给出了一套有效的计算方法 [ 5 ] ,其评价结果不仅 可以客观体现全部“真实 ”资源量 ,而且有益于人工 调控 ,是对传统水资源评价方法的革命性发展。 1. 5 黄河河道水污染机理与多泥沙河流水质评价 方法 查明了近半个世纪来黄河水中主要离子组分的 演化特征 (水质浓化趋势 ———轻度咸趋势 )及其与 黄河流域灌溉农业发展的关系 ;论述了黄河下游河 段水质恶化程度与河道断流频度的关系 ;研究了径 流变化、溶质变化与污染控制的关系 ;从机理上揭示 了水 —沙相互作用对黄河耗氧有机物水质参数 (COD、高锰酸盐指数和 BOD )的影响 ,研究提出了 适应多泥沙河流特点的耗氧有机物污染程度的 BOD监测方法和 COD 评价方法 [ 6 ] ,填补了黄河水 资源研究中的空白。 1. 6 资源水 —灾害水 —生态水“三水 ”转化结构及 其优化 针对水资源在河流系统中的不同服务目标 ,结 合研究区域的实际情况 ,将水量划分为生态环境水、 资源水和灾害水 3个组成部分 ,提出了水资源转化 结构的概念和确定方法 [ 7 ] ,以反映河流系统功能的 动态变化。其中资源水包括潜在资源水和消耗资源 水两个亚组分。计算了黄河下游 1950—2001年逐 年的三类水量 ,探讨了 50多年来黄河下游水资源转 化结构的变化规律 ,揭示出生态环境水不足是黄河 下游河流系统功能以及河流健康状况呈现不利变化 的重要原因。以优化水资源转化结构为目标 ,建立 了多目标优化模型 ,突破了以往水资源优化研究中 只进行总量优化的传统做法 ,并从理论上针对不同 情景水文年下水资源的优化配置及相应水资源转化 结构的变化规律进行了研究。 1. 7 萎缩性河道演变机理和“小水大灾 ”效应 河道萎缩是河道排洪输沙功能衰退的一种河床 演变过程 ,其主要反映是河槽过流能力降低、同流量 下水位不断抬升 ,形成“小水大灾 ”等灾害效应。实 299 地球科学进展 第 21卷
第10期 刘昌明:“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究进展 993 体模型试验和原型资料的研究结果表明,在一定的布和形成条件。根据流域水分布特点、地表水和地 河床边界条件下,其萎缩的模式与水沙条件和河段下水循环交替情况,以及地质构造、水文地质条件等 的河型有关。当来流量为漫滩洪水且含沙量较高的对全流域进行了地下水系统分区。首次在黄河 情况下,为“滩槽并淤糢式。在这一模式下河槽过上游的青海省共和盆地内查明了地下水分水岭与地 水面积逐步减小,过洪能力下降,一遇“洪水就可表水分水岭的不一致性。查明在鄂尔多斯高原北部 形成河道水位较大幅度的抬高。当来流量未漫滩且的地表水内流区内,存在深部和浅部两个地下水循 含沙量较高时,形成ˆ堞集中淤槽模式。对于“集中环系统。确定了黄河下游地上悬河段黄河水对地下 淤槽模式,由于主河槽输沙能力的下降,其灾害性水补给影响宽度。确定黄河流域地下水系统总面积 更为严重。研究指出,若长期缺乏大流量洪水过程,为8287×0km2。 其泄洪输沙能力会发生累积性降低,河道萎缩将进Ⅰ10·水资源临界调控理论 步加剧,当河道萎缩至一定程度后,即使发生小流 将界壳论、控制论、协同论、耗散结构理论有机 量洪水过程,也会形成漫滩成灾现象,从而产生“小结合,建立了水资源临界调控理论,为水资源系统分 水大灾应。 析提供了一种新思路和新方法田。提出水资源系 18人类活动条件下水沙变异规律 统的有序度及有序度熵,并将其应用于临界调控,开 通过对黄河流域系统下游沉积带的硏究,确定创了水资源系统分析的新途径。以可持续发展和水 了5kaBP以来黄河下游的4次突变现象,其发生资源可再生性理论为指导,分析了流域水资源多维 年代分别为5kaBP左右、23kaBP左右、公元7~临界调控的目标和特征,提出了流域水资源多维临 世纪和公元19世纪中叶,但只有第一次突变是界调控评价的概念和由水资源利用效果、发展可持 自然因素的变化造成的,后三次都是由人类活动引续性水平、调控风险和综合评价组成的流域水资源 起的。建立了环境要素和人类活动对水沙变异影响多维临界调控方案评价的理论框架。建立了由水资 的定量关系。研究表明,自20世纪70年代以来,降源可再生性指标群、水资源与社会经济生态环境协 雨减水减沙作用不断减小,随着水土保持措施的提调性指标群和风险因素指标群组成的基于风险的流 高,人类活动减水减沙所占比重不断增大。定量分域水资源多维调控评价指标体系 析给出了黄河中游河口镇一潼关区间是影响流域产 沙的环境要素复合临界,相应的单个环境要素的 2科学技术系统方面的主要进展 复合临界分别为:悬移质泥沙中值粒径d为Q06721黄河流域分布式水文模拟系统 mm,干流平均比降G为637‰,降雨量P为4474 分布式水文模型已成为当前联系地球系统“陆 mm。用流域系统中产流产沙子系统与泥沙输移子地一大气一海洋”相互作用的重要工具,它也是现 系统、泥沙沉积子系统耦合关系的概念,对黄河干流代水文模型发展的一个趋势和方向。本项目密切跟 高含沙水流的形成机理进行了研究。流域因素是黄踪国际同类研究的发展动态,在大量的国内外交流 河下游高含沙水流形成的决定因素,不同来源的水沙协作的基础上,充分整合各方面的优势资源开发了 对干流高含水流的形成有决定性的影响来自中游多独具特色的分布式水文模拟系统(HMS, Hydo In 沙粗沙区的水沙在很大程度上决定了高含水流的发 omatic Modeling System)1B21。HMS系统以类定义 生,而来自河口镇以上清水区的径流则有很强的稀释为基础,构建了水文模型方法库。在方法库中封装 作用,可以减少下游高含沙水流发生的机遇 了40多个水文过程模拟计算方法,涉及水文变量 19黄河流域地下水系统的新划分 400多个;以国产组件式G软件 SupeRa为支 地下水系统的划分是正确评价和合理开发利用撑,建立了水循环信息平台,实现了GI和水文模拟 地下水资源的基础。本硏究将黄河流域地下水划分功能的有机集成;基于模块化结构设计,实现自定义 为5种基本类型:①松散岩类孔隙水;②碎屑岩类裂模型的功能。HMS系统集成了3种不同时空尺度 隙孔隙水;③碳酸盐岩类裂隙岩溶水;④岩浆岩和变的分布式水文模型,避免了单一水文模型在跨越不 质岩类裂隙水;⑤多年冻结层水。将黄河流域地下同时空尺度应用中所面临的水文尺度效应的难题, 水划分为9个一级地下水系统、32个地下水子系其联合应用可以从微观到宏观系统深入地认识流域 统。该地下水系统划分较之以往的研究工作成果主水循环过程。这一系统性成果已达到国际同类研究 要不同点在于进一步查清了流域地下水的埋藏、分的领先水平。总体上看,系统具有开放性、灵活性 201994-2007chinaAcademicJournalElectronicPublishingHOuse.aLlrightsreservedhttp:/www.cnkine
体模型试验和原型资料的研究结果表明 ,在一定的 河床边界条件下 ,其萎缩的模式与水沙条件和河段 的河型有关。当来流量为漫滩洪水且含沙量较高的 情况下 ,为“滩槽并淤 ”模式。在这一模式下河槽过 水面积逐步减小 ,过洪能力下降 ,一遇“洪水 ”就可 形成河道水位较大幅度的抬高。当来流量未漫滩且 含沙量较高时 ,形成“集中淤槽 ”模式。对于“集中 淤槽 ”模式 ,由于主河槽输沙能力的下降 ,其灾害性 更为严重。研究指出 ,若长期缺乏大流量洪水过程 , 其泄洪输沙能力会发生累积性降低 ,河道萎缩将进 一步加剧 ,当河道萎缩至一定程度后 ,即使发生小流 量洪水过程 ,也会形成漫滩成灾现象 ,从而产生“小 水大灾 ”效应 [ 8 ]。 1. 8 人类活动条件下水沙变异规律 通过对黄河流域系统下游沉积带的研究 ,确定 了 5 ka BP以来黄河下游的 4次突变现象 ,其发生 年代分别为 5 ka BP左右、2. 3 ka BP左右、公元 7～ 10世纪和公元 19世纪中叶 ,但只有第一次突变是 自然因素的变化造成的 ,后三次都是由人类活动引 起的。建立了环境要素和人类活动对水沙变异影响 的定量关系。研究表明 ,自 20世纪 70年代以来 ,降 雨减水减沙作用不断减小 ,随着水土保持措施的提 高 ,人类活动减水减沙所占比重不断增大。定量分 析给出了黄河中游河口镇 —潼关区间是影响流域产 沙的环境要素复合临界 [ 9 ] ,相应的单个环境要素的 复合临界分别为 :悬移质泥沙中值粒径 d50为 0. 067 mm,干流平均比降 Gi 为 6. 37‰,降雨量 P为 447. 45 mm。用流域系统中产流产沙子系统与泥沙输移子 系统、泥沙沉积子系统耦合关系的概念 ,对黄河干流 高含沙水流的形成机理进行了研究。流域因素是黄 河下游高含沙水流形成的决定因素 ,不同来源的水沙 对干流高含水流的形成有决定性的影响 ,来自中游多 沙粗沙区的水沙在很大程度上决定了高含水流的发 生 ,而来自河口镇以上清水区的径流则有很强的稀释 作用 ,可以减少下游高含沙水流发生的机遇。 1. 9 黄河流域地下水系统的新划分 地下水系统的划分是正确评价和合理开发利用 地下水资源的基础。本研究将黄河流域地下水划分 为 5种基本类型 : ①松散岩类孔隙水 ; ②碎屑岩类裂 隙孔隙水 ; ③碳酸盐岩类裂隙岩溶水 ; ④岩浆岩和变 质岩类裂隙水 ; ⑤多年冻结层水。将黄河流域地下 水划分为 9个一级地下水系统、32个地下水子系 统。该地下水系统划分较之以往的研究工作成果主 要不同点在于进一步查清了流域地下水的埋藏、分 布和形成条件。根据流域水分布特点、地表水和地 下水循环交替情况 ,以及地质构造、水文地质条件等 对全流域进行了地下水系统分区 [ 10 ]。首次在黄河 上游的青海省共和盆地内查明了地下水分水岭与地 表水分水岭的不一致性。查明在鄂尔多斯高原北部 的地表水内流区内 ,存在深部和浅部两个地下水循 环系统。确定了黄河下游地上悬河段黄河水对地下 水补给影响宽度。确定黄河流域地下水系统总面积 为 82. 87 ×10 4 km 2。 1. 10 水资源临界调控理论 将界壳论、控制论、协同论、耗散结构理论有机 结合 ,建立了水资源临界调控理论 ,为水资源系统分 析提供了一种新思路和新方法 [ 11 ]。提出水资源系 统的有序度及有序度熵 ,并将其应用于临界调控 ,开 创了水资源系统分析的新途径。以可持续发展和水 资源可再生性理论为指导 ,分析了流域水资源多维 临界调控的目标和特征 ,提出了流域水资源多维临 界调控评价的概念和由水资源利用效果、发展可持 续性水平、调控风险和综合评价组成的流域水资源 多维临界调控方案评价的理论框架。建立了由水资 源可再生性指标群、水资源与社会经济生态环境协 调性指标群和风险因素指标群组成的基于风险的流 域水资源多维调控评价指标体系。 2 科学技术系统方面的主要进展 2. 1 黄河流域分布式水文模拟系统 分布式水文模型已成为当前联系地球系统“陆 地 —大气 —海洋 ”相互作用的重要工具 ,它也是现 代水文模型发展的一个趋势和方向。本项目密切跟 踪国际同类研究的发展动态 ,在大量的国内外交流 协作的基础上 ,充分整合各方面的优势资源开发了 独具特色的分布式水文模拟系统 (H IMS, Hydro In2 formatic Modeling System) [ 12 ]。H IMS系统以类定义 为基础 ,构建了水文模型方法库。在方法库中封装 了 40多个水文过程模拟计算方法 ,涉及水文变量 400多个 ;以国产组件式 GIS软件 SuperMap 为支 撑 ,建立了水循环信息平台 ,实现了 GIS和水文模拟 功能的有机集成 ;基于模块化结构设计 ,实现自定义 模型的功能。H IMS系统集成了 3种不同时空尺度 的分布式水文模型 ,避免了单一水文模型在跨越不 同时空尺度应用中所面临的水文尺度效应的难题 , 其联合应用可以从微观到宏观系统深入地认识流域 水循环过程。这一系统性成果已达到国际同类研究 的领先水平。总体上看 ,系统具有开放性、灵活性 , 第 10期 刘昌明 :“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理 ”研究进展 399
994 地球科学进展 第21卷 可操作性强等特点。这一系统性成果已达到国际同应力。 类研究的领先水平。 25流域生态环境需水量的理论与计算方法 22水循环要素的遥感解译和反演 系统地提出了流域生态环境需水量的概念,对 建立了两种基于遥感的分布式蒸散发计算方流域生态环境需水量进行分类;对流域生态环境需 法。通过引入湿润指数的相对变化量作为气候调节水量的量质统一性、时空分异性、安全阈值性与兼容 因子,利用1982—2000年8如m分辨率的 AVHRR/性及其与流域生态系统健康的关系进行系统的探 NDv閡数据及气候数据,首次实现了全流域年地表讨,提出流域生态环境需水标准确定准则、评价指标 蒸散发的估算针对局地能量收支受地形起伏和下与保证体系11,形成了较为系统地流域生态环境需 垫面性质不同的影响存在巨大差异这一问题,研制水理论体系。借鉴水文学、生态学等多学科的方法 了起伏地形条件下辐射气温、湿度等要素的分布式提出河流、湖泊与湿地、合口、旱地植被和城市生态 模型;将辐射平衡、气温、水汽压等系列要素分布式环境需水量的计算方法,并构建流域生态环境需水 计算与区域蒸散发模型耦合,以蒸散发互补理论为量的整合计算模型;提出了基于生态环境需水量的 基础,结合NOAA^ AVHRR资料反演的地表反照率流域生态水文分区指标与方法,湖泊、湿地和城市生 资料,实现了黄河流域实际蒸散发分布式模拟,解决态环境需水分类的指标标准和方法 了常规非均匀陆面蒸散发硏究中模型参数确定的难26流域非点源污染负荷调査与估算方法 题;应用遥感条件温度植被指数和气象湿润指数相 依据非点源污染产生的特征和产污规律,对黄 结合的方法,计算土壤表层土壤水分状况,并确立由河流域非点源污染进行了分区计算,并构建一套完 表层土体逐层向下的土壤水分相关模型,首次建立整的基于G技术下分区分级技术方法体系。针对 了大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算大尺度流域非点源污染负荷估算的特点,构建了黄 方法3,计算出1982-1998年黄河全流域1m土河流域非点源污染负荷估算的二元结构模型,并对 体每10αm土层土壤水分,填补了黄河流域土壤水黄河流域非点源污染负荷进行了估算。首次对黄河 分观测资料缺乏的空白。 流域非点源污染物(αOD、氨氮、总氮、总磷等)污染 23流域水资源二元演化模型 负荷进行了匡算,分析了其时空分异规律,并研究了 基于“自然一人工”元水循环模式,采取“分不同类型的非点源污染负荷(城市、农村生活、农田 离描述和稠耦合模拟”的建模思路,建立了黄河流径流等)分布规律和特点,对黄河水污染防治具 域水资源二元演化模型,即由流域分布式水循环模有重大的实际价值 拟模型和流域集总式水资源调配模型来分别描述天27同位素技术确定地下水的可更新能力 然主循环与人工侧支循环的基本过程,然后通过集 充分利用同位素对水循环的示踪和计时性特 总式模型信息的时空离散与分布式模型信息的时空点,并结合其他水文地质研究手段开展地下水与黄 聚合来实现模型的耦合模拟,实现了对于“自然 河水的相互作用研究,查明不同河段河水、大气降水 人工”元驱动下的流域水循环全过程的模拟和水和地下水之间的转换关系,建立流域内典型地下水 资源演变规律的描述,能够对人类活动影响下的长系统的水循环模式,进而确定地下水的循环速度并 系列水循环过程进行精细模拟,可作为流域水资源对地下水的可更新能力进行了评价。认为:与黄 评价基本工具。该模型的开发成功,为我国水资河有积极循环交替的地下水循环速度为浅层地下 源分布式动态评价提供了有效的定量工具 水:64(关中盆地黄土台源区)~2400m/a(银川平 24流域植被_侵蚀动力学模型 原);深层地下水:121包头平原)~31.6m/a(黄 在 Thomes的耦合方程组的基础上,引入生态河下游);地下水的可更新时间为:浅层地下水:16 应力的表达项和相应的侵蚀率变化项,考虑长期、短(黄河影响带)~200年(关中盆地渭北山前洪积扇 期和瞬时生态应力项,根据应力对植被活力降低的区);深层地下水:409(包头承压水)~11128年(关 作用程度提出了致命应力、损伤应力、脆弱植被、驯中盆地渭北岩溶水)。该研究对于认识流域内地下 服植被等概念,确立了植被功能强度为功能系数、植水资源的形成和时空分布规律、制订合理的地下水 被覆盖率和植被活力三者之乘积,并从理论上探讨开发模式具有十分重要的意义。 了流域产流产沙与植被因素之间的动力平衡关系,28变异条件下的地下水演化仿真 进一步丰富和量化了植被一侵蚀动力方程中的各种 为提高地下水资源计算的精度和预测地下水动 g1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
可操作性强等特点。这一系统性成果已达到国际同 类研究的领先水平。 2. 2 水循环要素的遥感解译和反演 建立了两种基于遥感的分布式蒸散发计算方 法。通过引入湿润指数的相对变化量作为气候调节 因子 ,利用 1982—2000年 8 km分辨率的 AVHRR / NDV I数据及气候数据 ,首次实现了全流域年地表 蒸散发的估算 ;针对局地能量收支受地形起伏和下 垫面性质不同的影响存在巨大差异这一问题 ,研制 了起伏地形条件下辐射、气温、湿度等要素的分布式 模型 ;将辐射平衡、气温、水汽压等系列要素分布式 计算与区域蒸散发模型耦合 ,以蒸散发互补理论为 基础 ,结合 NOAA2AVHRR资料反演的地表反照率 资料 ,实现了黄河流域实际蒸散发分布式模拟 ,解决 了常规非均匀陆面蒸散发研究中模型参数确定的难 题 ;应用遥感条件温度植被指数和气象湿润指数相 结合的方法 ,计算土壤表层土壤水分状况 ,并确立由 表层土体逐层向下的土壤水分相关模型 ,首次建立 了大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算 方法 [ 13 ] ,计算出 1982—1998年黄河全流域 1 m 土 体每 10 cm土层土壤水分 ,填补了黄河流域土壤水 分观测资料缺乏的空白。 2. 3 流域水资源二元演化模型 基于“自然 —人工 ”二元水循环模式 ,采取“分 离描述 ”和“耦合模拟 ”的建模思路 ,建立了黄河流 域水资源二元演化模型 ,即由流域分布式水循环模 拟模型和流域集总式水资源调配模型来分别描述天 然主循环与人工侧支循环的基本过程 ,然后通过集 总式模型信息的时空离散与分布式模型信息的时空 聚合来实现模型的耦合模拟 ,实现了对于“自然 — 人工 ”二元驱动下的流域水循环全过程的模拟和水 资源演变规律的描述 ,能够对人类活动影响下的长 系列水循环过程进行精细模拟 ,可作为流域水资源 评价基本工具 [ 14 ]。该模型的开发成功 ,为我国水资 源分布式动态评价提供了有效的定量工具。 2. 4 流域植被 —侵蚀动力学模型 在 Thornes的耦合方程组的基础上 ,引入生态 应力的表达项和相应的侵蚀率变化项 ,考虑长期、短 期和瞬时生态应力项 ,根据应力对植被活力降低的 作用程度 ,提出了致命应力、损伤应力、脆弱植被、驯 服植被等概念 ,确立了植被功能强度为功能系数、植 被覆盖率和植被活力三者之乘积 ,并从理论上探讨 了流域产流产沙与植被因素之间的动力平衡关系 , 进一步丰富和量化了植被 —侵蚀动力方程中的各种 应力 [ 15 ]。 2. 5 流域生态环境需水量的理论与计算方法 系统地提出了流域生态环境需水量的概念 ,对 流域生态环境需水量进行分类 ;对流域生态环境需 水量的量质统一性、时空分异性、安全阈值性与兼容 性及其与流域生态系统健康的关系进行系统的探 讨 ,提出流域生态环境需水标准确定准则、评价指标 与保证体系 [ 16 ] ,形成了较为系统地流域生态环境需 水理论体系。借鉴水文学、生态学等多学科的方法 , 提出河流、湖泊与湿地、合口、旱地植被和城市生态 环境需水量的计算方法 ,并构建流域生态环境需水 量的整合计算模型 ;提出了基于生态环境需水量的 流域生态水文分区指标与方法 ,湖泊、湿地和城市生 态环境需水分类的指标标准和方法。 2. 6 流域非点源污染负荷调查与估算方法 依据非点源污染产生的特征和产污规律 ,对黄 河流域非点源污染进行了分区计算 ,并构建一套完 整的基于 GIS技术下分区分级技术方法体系。针对 大尺度流域非点源污染负荷估算的特点 ,构建了黄 河流域非点源污染负荷估算的二元结构模型 ,并对 黄河流域非点源污染负荷进行了估算。首次对黄河 流域非点源污染物 (COD、氨氮、总氮、总磷等 )污染 负荷进行了匡算 ,分析了其时空分异规律 ,并研究了 不同类型的非点源污染负荷 (城市、农村生活、农田 径流等 )分布规律和特点 [ 17 ] ,对黄河水污染防治具 有重大的实际价值。 2. 7 同位素技术确定地下水的可更新能力 充分利用同位素对水循环的示踪和计时性特 点 ,并结合其他水文地质研究手段开展地下水与黄 河水的相互作用研究 ,查明不同河段河水、大气降水 和地下水之间的转换关系 ,建立流域内典型地下水 系统的水循环模式 ,进而确定地下水的循环速度并 对地下水的可更新能力进行了评价 [ 18 ]。认为 :与黄 河有积极循环交替的地下水循环速度为 :浅层地下 水 : 64 (关中盆地黄土台源区 ) ～2 400 m / a (银川平 原 ) ;深层地下水 : 1. 21 (包头平原 ) ～31. 6 m / a (黄 河下游 ) ;地下水的可更新时间为 :浅层地下水 : 16 (黄河影响带 ) ～200年 (关中盆地渭北山前洪积扇 区 ) ;深层地下水 : 409 (包头承压水 ) ～11 128年 (关 中盆地渭北岩溶水 )。该研究对于认识流域内地下 水资源的形成和时空分布规律、制订合理的地下水 开发模式具有十分重要的意义。 2. 8 变异条件下的地下水演化仿真 为提高地下水资源计算的精度和预测地下水动 499 地球科学进展 第 21卷
第10期 刘昌明:“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究进展 995 态变化趋势,采用地下水数值模拟的方法进行了地模拟,并建立了黄河流域月平均气温及水汽压的空 下水资源评价,数值模拟区包括河套平原、关中盆间扩展模型,实现了全流域辐射平衡的空间扩展。 地、天桥泉域、太原盆地、临汾盆地和黄河下游悬河采用自主建立模型的计算结果或原始资料汇总统计 段,数值模拟的范围几乎包括了黄河流域主要河谷结果插值的方法,生成了黄河流域天文辐射、可照时 平原区和盆地地区,数值模拟的总面积为77万间、总辐射量、有效辐射量、辐射平衡量、实际日照时 kmn2。在极其干旱年份地下水的总补给资源量为:间、日照百分率最大降水量最小降水量、平均降水 33173亿m,比多年平均值少292%。但各地减量、平均温度、平均最高温度、平均最低温度、蒸发皿 少量不同,差异较大。其中,上游甘肃省和陕西省减蒸发量、地表反照率、潜在蒸散、实际蒸散、干燥指 少大于36%,宁夏减少为10%,其余各省基本上减数、土壤湿度、径流深、降水量变差系数、降水概率等 少22%~319%。论述和计算了各种变异条件下要素260余幅空间分布图,出版了“黄河流域气象 对黄河上游基流量和大型灌区(银川平原,内蒙古水文学要素图集”2 河套平原和关中盆地)地下水的影响;以及傍河取32黄河流域水资源评价计算的新结果 水、黄河水库修建和黄河断流等对地下水的影 对黄河流域地表水、地下水资源进行了系统评 响 价,不仅给出了基于历史下垫面和历史取用水实际 29水资源优化配置整体模型 情况的系列水资源量实际值,更为重要的是,究利用 发展基于统一整体框架的经济亠水文-环境一模型优势评价出了传统方法难以得到的现状下垫面 制度综合模型是水资源优化配置模型研究必然的发条件下的天然水资源量,对于今后水资源规划有重 展方向。基于复杂适应系统理论,提出了水资源优要的现实意义。此外,通过水循环要素的模拟,给出 化配置整体模型。模型中采用了双层结构模拟系统了流域包括地表截流水资源量和土壤水资源量在内 中不同层次间的联系,并采用嵌套遗传算法求解这的有效降水利用量,首次提出了黄河流域广义水资 种高维度的非线性模型,突破了信息传递的障碍,是源量评价系列成果。 新的尝试1。模型采用多目标系统分析,兼顾经33黄河流域地下水资源计算评价的新成果 济、水文、环境生态、制度管理等多重目标优化,完善 对黄河流域地下水补给资源量和可开采资源量 了水资源优化配置的模型。 进行了计算和评价,分别按地下水系统和行政区划 210水资源多维临界调控控制论模型体系 的两种计算方案,给出了50%、75%和95%降雨保 应用临界调控理论,建立了既有一定理论特色、证率下黄河流域地下水补给资源量和可采资源量。 又具有实用价值的水资源多维临界调控控制论模型同时统计与计算了黄河流域地市级行政区地下水资 体系0,即控制者模型与被控制对象模型相结合源开采现状及开采潜力按照各地市级行政区,预测 的模型。 了2010年与2020年50%75%和95%降雨保证率 将多属性效用理论、理想点的概念和人工神经下工业、农业和生活的需水量,进行了供需平衡分 网络原理有机结合,建立了多维临界调控方案水资析。在获得的大量数据和资料基础上,编制了黄河 源利用效果评价的人工神经网络模型。提出调控方流域地下水循环图,明确了黄河流域地下水资源的 案可持续发展水平量化评价的可承载、有发展和可构成体系,反映了黄河流域地下水与地表水之间的 持续的准则,在此基础上提出了调控方案可持续发水循环规律和流域内不同地段地下水对黄河水的贡 展水平评价的模糊数学方法;针对黄河流域水资源献程度 多维调控的风险特征,将蒙特卡罗随机模拟和人工34黄河下游河道动力平衡临界阈值与综合治理 神经网络模拟技术结合,建立了可进行多因素和多 措施 目标风险分析的蒙特卡罗一人工神经网络模型 根据多系统互动泥沙数学模型的计算结果给出 3研究成果的应用方面 了黄河下游河道冲淤平衡的临界阈值。以含沙量作 为黄河下游河道冲淤平衡临界阈值的判别指标,临 31全流域水循环气象动力因子空间扩展技术开发界含沙量为21kg/m3;以水沙组合作为判别指标 以地理信息系统为数据处理平台,以1km×小浪底年出库的临界水量秒量亿m3忆t组合 kan分辨率DHM数据作为地形的综合反映,结合晴有:407/92、350/77305/645、256/517、204/388计 空指数,对复杂地形下黄河流域总辐射分布进行了算表明,在小浪底水库运用之后,对于1965-1975 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
态变化趋势 ,采用地下水数值模拟的方法进行了地 下水资源评价 ,数值模拟区包括河套平原、关中盆 地、天桥泉域、太原盆地、临汾盆地和黄河下游悬河 段 ,数值模拟的范围几乎包括了黄河流域主要河谷 平原区和盆地地区 ,数值模拟的总面积为 7. 7 万 km 2。在极其干旱年份地下水的总补给资源量为 : 331. 73亿 m 3 ,比多年平均值少 29. 2%。但各地减 少量不同 ,差异较大。其中 ,上游甘肃省和陕西省减 少大于 36% ,宁夏减少为 10% ,其余各省基本上减 少 22% ～31. 9%。论述和计算了各种变异条件下 对黄河上游基流量和大型灌区 (银川平原 ,内蒙古 河套平原和关中盆地 )地下水的影响 ;以及傍河取 水、黄河水库修建和黄河断流等对地下水的影 响 [ 10 ]。 2. 9 水资源优化配置整体模型 发展基于统一整体框架的经济 —水文 —环境 — 制度综合模型是水资源优化配置模型研究必然的发 展方向。基于复杂适应系统理论 ,提出了水资源优 化配置整体模型。模型中采用了双层结构模拟系统 中不同层次间的联系 ,并采用嵌套遗传算法求解这 种高维度的非线性模型 ,突破了信息传递的障碍 ,是 新的尝试 [ 19 ]。模型采用多目标系统分析 ,兼顾经 济、水文、环境生态、制度管理等多重目标优化 ,完善 了水资源优化配置的模型。 2. 10 水资源多维临界调控控制论模型体系 应用临界调控理论 ,建立了既有一定理论特色、 又具有实用价值的水资源多维临界调控控制论模型 体系 [ 20 ] ,即 :控制者模型与被控制对象模型相结合 的模型。 将多属性效用理论、理想点的概念和人工神经 网络原理有机结合 ,建立了多维临界调控方案水资 源利用效果评价的人工神经网络模型。提出调控方 案可持续发展水平量化评价的可承载、有发展和可 持续的准则 ,在此基础上 ,提出了调控方案可持续发 展水平评价的模糊数学方法 ;针对黄河流域水资源 多维调控的风险特征 ,将蒙特卡罗随机模拟和人工 神经网络模拟技术结合 ,建立了可进行多因素和多 目标风险分析的蒙特卡罗 —人工神经网络模型。 3 研究成果的应用方面 3. 1 全流域水循环气象动力因子空间扩展技术开发 以地理信息系统为数据处理平台 ,以 1 km ×1 km分辨率 DEM数据作为地形的综合反映 ,结合晴 空指数 ,对复杂地形下黄河流域总辐射分布进行了 模拟 ,并建立了黄河流域月平均气温及水汽压的空 间扩展模型 ,实现了全流域辐射平衡的空间扩展。 采用自主建立模型的计算结果或原始资料汇总统计 结果插值的方法 ,生成了黄河流域天文辐射、可照时 间、总辐射量、有效辐射量、辐射平衡量、实际日照时 间、日照百分率、最大降水量、最小降水量、平均降水 量、平均温度、平均最高温度、平均最低温度、蒸发皿 蒸发量、地表反照率、潜在蒸散、实际蒸散、干燥指 数、土壤湿度、径流深、降水量变差系数、降水概率等 要素 260余幅空间分布图 ,出版了“黄河流域气象 水文学要素图集 ” [ 21 ]。 3. 2 黄河流域水资源评价计算的新结果 对黄河流域地表水、地下水资源进行了系统评 价 ,不仅给出了基于历史下垫面和历史取用水实际 情况的系列水资源量实际值 ,更为重要的是 ,究利用 模型优势评价出了传统方法难以得到的现状下垫面 条件下的天然水资源量 ,对于今后水资源规划有重 要的现实意义。此外 ,通过水循环要素的模拟 ,给出 了流域包括地表截流水资源量和土壤水资源量在内 的有效降水利用量 ,首次提出了黄河流域广义水资 源量评价系列成果。 3. 3 黄河流域地下水资源计算评价的新成果 对黄河流域地下水补给资源量和可开采资源量 进行了计算和评价 ,分别按地下水系统和行政区划 的两种计算方案 ,给出了 50%、75%和 95%降雨保 证率下黄河流域地下水补给资源量和可采资源量。 同时统计与计算了黄河流域地市级行政区地下水资 源开采现状及开采潜力 ;按照各地市级行政区 ,预测 了 2010年与 2020年 50%、75%和 95%降雨保证率 下工业、农业和生活的需水量 ,进行了供需平衡分 析。在获得的大量数据和资料基础上 ,编制了黄河 流域地下水循环图 ,明确了黄河流域地下水资源的 构成体系 ,反映了黄河流域地下水与地表水之间的 水循环规律和流域内不同地段地下水对黄河水的贡 献程度。 3. 4 黄河下游河道动力平衡临界阈值与综合治理 措施 根据多系统互动泥沙数学模型的计算结果给出 了黄河下游河道冲淤平衡的临界阈值。以含沙量作 为黄河下游河道冲淤平衡临界阈值的判别指标 ,临 界含沙量为 21 kg/m 3 ;以水沙组合作为判别指标 , 小浪底年出库的临界水量 /沙量 (亿 m 3 /亿 t)组合 有 : 407/9. 2、350/7. 7、305/6. 45、256/5. 17、204/3. 88。计 算表明 ,在小浪底水库运用之后 ,对于 1965—1975 第 10期 刘昌明 :“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理 ”研究进展 599
地球科学进展 第21卷 年水沙系列来说如果上游来沙量变化不大,而来水kg/m左右,实现黄河下游河床在一个相当长的时 量减少30%~40%,将是黄河下游河道发生萎缩变间内不抬升。远期,在多沙粗沙区实行坚持不懈的 化的一个外阈;:随着流域上游同步减水减沙比的加水土保持工作是最根本的办法。 大,河道依然是从溯源淤积向沿程淤积转化,临界阈37三门峡水库运用方式与降低潼关高程 值在60%~70%之间。研究还指出就1934-1985 潼关高程对渭河关中盆地的生态环境问题有重 年间平均水沙条件而言,堤距6~10k是最不利于大影响,包括泥沙与污染等问题。该研究结果表明, 减小河床淤积速率的。根据黄河下游的新特点,提三门峡水库采用全年敞泄运用时,在平水系列和枯 出黄河下游可以通过加强枯水河槽整治、滩区人工水条件下潼关高程分别可以下降164m和109 放淤和二级堤防建设等工程措施,同时结合河口地m;当三门峡水库采用汛期敞泄以及非汛期控制318 区的综合治理来逐步形成较为完善的排洪输沙体m、315m和310m水位运用时,在平水和枯水系列 系,实现‘宽河固堤和“東水攻沙冶治黄方略的有机条件下潼关高程分别可以下降137~1.60m和 统一,从而有效地减缓或消除黄河下游河道萎缩 079~101m;当三门峡水库汛期流量大于1500 35黄河口水沙变异及其治理措施 /採用305m控制运用以及非汛期控制318m、 研究结果表明,入海泥沙通量与降水之间具有315m和310m水位运用时,在平水和枯水系列条 正相关关系,而与水土保持面积和人类引水量之间件下潼关高程分别可以下降127~149m和070 具有负相关关系。目前,黄河口来水来沙量过程发~088m。此外,水库不同运用方式下降低潼关高 生变异,水量的急剧减少已导致尾闾河道严重萎缩、程的过程是不同的,在来水来沙条件相同的情况下 河口延伸造陆速度减缓、岸线蚀退突出以及湿地大一般经过4~8年后潼关高程可以达到稳定降低的 幅度减少,从而严重影响河口地区的生态环境。对状态,其中全年敞泄时约需4年,非汛期控制水位在 黄河口综合治理的研究成果表明,通过河口尾间河318m时约需8年,非汛期控制水位在315m时约 道整治河口拦门沙疏浚、充分利用海洋动力、现有需6年。 清水沟流路几个分汊的交替使用等措施可保证目前38黄河全流域水资源自适应水量调度 河口流路长期使用。如果采用引海水冲刷黄河下游 黄河流域水资源可再生维持的水量调度与干流 尾闾河槽,同时配合小浪底水库的调度运用将有利大型水库联合调度运用研究,首次实现了黄河全流 于延长河口流路的使用寿命,对减缓黄河下游河床域水资源的统一调度分配,不仅将现行水量调度法 抬高也是十分有利的。 方案编制实现计算机控制实现,而且应用自适应理 36黄河上游大型水利枢纽联合运用对下游河道论和基于复杂适应系统的水资源优化配置理论,建 的减淤作用 立水资源自适应分配模型和优化分配模型,为黄河 黄河上游大型水利枢纽的运用会显著地改变黄流域水量分配提供了新的、更为完善的手段。建立 河下游的水沙过程,特别是在水库运用初期,下泄水的黄河水量调度系统可根据用户的需求编制现行法 流含沙量显著降低对减轻黄河下游河道泥沙淤积,年月旬调度方案、自适应调度方案以及经济优化调 遏制河床抬高具有明显作用。采用泥沙数学模型对度方案;系统应用现代化计算机手段,建立了黄河全 四个水沙系列和大型水库的不同联合运用条件下,流域的三维仿真模型骨干水库调控的三维仿真模 黄河下游河道未来80年的泥沙冲淤进行了20个方型,模拟了黄河流域重点河段的流量演进过程。这 案计算,给出了冲淤过程线冲淤总量、减淤效果、不是国内首次在黄河这样的大流域上实现全流域的水 淤年限等特征值。根据20个方案的计算成果以及量调度和仿真模拟,在理论、方法和技术上都具有创 1961年以来实测黄河下游实测资料,建立了黄河下新意义。 游河道泥沙冲淤量与小浪底站含沙量之间的关系,39黄河流域水资源多维临界调控方案集 指出为实现“河床不抬高”的目标,在具体措施上 结合黄河治理的重大问题,分析了调控手段的 近期,可以通过小浪底水库的运用,将年均出库含沙变量因素,考虑已建、在建和规划的工程建设的可行 量控制在21kg/m左右,从而可以保持黄河下游河性、解决性等因素,提出了多种有效的调控手段,通 道不抬高,甚至处于冲刷状态。中期,当小浪底水库过调控手段有机组合设置2010-2050水平年黄河 逐渐失去调水调沙功能的时候,规划中的古贤或碛流域多维临界调控方案集。完成了黄河流域2010、 口水库可以投入运用,控制小浪底出库含沙量在212020、2030和2050水平年83个方案的调试和计 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
年水沙系列来说 ,如果上游来沙量变化不大 ,而来水 量减少 30% ～40% ,将是黄河下游河道发生萎缩变 化的一个外阈 ;随着流域上游同步减水减沙比的加 大 ,河道依然是从溯源淤积向沿程淤积转化 ,临界阈 值在 60% ～70%之间。研究还指出就 1934—1985 年间平均水沙条件而言 ,堤距 6～10 km是最不利于 减小河床淤积速率的。根据黄河下游的新特点 ,提 出黄河下游可以通过加强枯水河槽整治、滩区人工 放淤和二级堤防建设等工程措施 ,同时结合河口地 区的综合治理来逐步形成较为完善的排洪输沙体 系 ,实现“宽河固堤 ”和“束水攻沙 ”治黄方略的有机 统一 ,从而有效地减缓或消除黄河下游河道萎缩。 3. 5 黄河口水沙变异及其治理措施 研究结果表明 ,入海泥沙通量与降水之间具有 正相关关系 ,而与水土保持面积和人类引水量之间 具有负相关关系。目前 ,黄河口来水来沙量过程发 生变异 ,水量的急剧减少已导致尾闾河道严重萎缩、 河口延伸造陆速度减缓、岸线蚀退突出以及湿地大 幅度减少 ,从而严重影响河口地区的生态环境。对 黄河口综合治理的研究成果表明 ,通过河口尾闾河 道整治、河口拦门沙疏浚、充分利用海洋动力、现有 清水沟流路几个分汊的交替使用等措施可保证目前 河口流路长期使用。如果采用引海水冲刷黄河下游 尾闾河槽 ,同时配合小浪底水库的调度运用 ,将有利 于延长河口流路的使用寿命 ,对减缓黄河下游河床 抬高也是十分有利的。 3. 6 黄河上游大型水利枢纽联合运用对下游河道 的减淤作用 黄河上游大型水利枢纽的运用会显著地改变黄 河下游的水沙过程 ,特别是在水库运用初期 ,下泄水 流含沙量显著降低 ,对减轻黄河下游河道泥沙淤积 , 遏制河床抬高具有明显作用。采用泥沙数学模型对 四个水沙系列和大型水库的不同联合运用条件下 , 黄河下游河道未来 80年的泥沙冲淤进行了 20个方 案计算 ,给出了冲淤过程线、冲淤总量、减淤效果、不 淤年限等特征值。根据 20个方案的计算成果以及 1961年以来实测黄河下游实测资料 ,建立了黄河下 游河道泥沙冲淤量与小浪底站含沙量之间的关系 , 指出为实现“河床不抬高 ”的目标 ,在具体措施上 , 近期 ,可以通过小浪底水库的运用 ,将年均出库含沙 量控制在 21 kg/m 3左右 ,从而可以保持黄河下游河 道不抬高 ,甚至处于冲刷状态。中期 ,当小浪底水库 逐渐失去调水调沙功能的时候 ,规划中的古贤或碛 口水库可以投入运用 ,控制小浪底出库含沙量在 21 kg/m 3左右 ,实现黄河下游河床在一个相当长的时 间内不抬升。远期 ,在多沙粗沙区实行坚持不懈的 水土保持工作是最根本的办法。 3. 7 三门峡水库运用方式与降低潼关高程 潼关高程对渭河关中盆地的生态环境问题有重 大影响 ,包括泥沙与污染等问题。该研究结果表明 , 三门峡水库采用全年敞泄运用时 ,在平水系列和枯 水条件下潼关高程分别可以下降 1. 64 m 和 1. 09 m;当三门峡水库采用汛期敞泄以及非汛期控制 318 m、315 m和 310 m水位运用时 ,在平水和枯水系列 条件下潼关高程分别可以下降 1. 37～1. 60 m 和 0. 79～1. 01 m;当三门峡水库汛期流量大于 1 500 m 3 /s采用 305 m控制运用以及非汛期控制 318 m、 315 m和 310 m水位运用时 ,在平水和枯水系列条 件下潼关高程分别可以下降 1. 27～1. 49 m和 0. 70 ～0. 88 m。此外 ,水库不同运用方式下降低潼关高 程的过程是不同的 ,在来水来沙条件相同的情况下 , 一般经过 4～8年后潼关高程可以达到稳定降低的 状态 ,其中全年敞泄时约需 4年 ,非汛期控制水位在 318 m时约需 8年 ,非汛期控制水位在 315 m时约 需 6年。 3. 8 黄河全流域水资源自适应水量调度 黄河流域水资源可再生维持的水量调度与干流 大型水库联合调度运用研究 ,首次实现了黄河全流 域水资源的统一调度分配 ,不仅将现行水量调度法 方案编制实现计算机控制实现 ,而且应用自适应理 论和基于复杂适应系统的水资源优化配置理论 ,建 立水资源自适应分配模型和优化分配模型 ,为黄河 流域水量分配提供了新的、更为完善的手段。建立 的黄河水量调度系统可根据用户的需求编制现行法 年月旬调度方案、自适应调度方案以及经济优化调 度方案 ;系统应用现代化计算机手段 ,建立了黄河全 流域的三维仿真模型、骨干水库调控的三维仿真模 型 ,模拟了黄河流域重点河段的流量演进过程。这 是国内首次在黄河这样的大流域上实现全流域的水 量调度和仿真模拟 ,在理论、方法和技术上都具有创 新意义。 3. 9 黄河流域水资源多维临界调控方案集 结合黄河治理的重大问题 ,分析了调控手段的 变量因素 ,考虑已建、在建和规划的工程建设的可行 性、解决性等因素 ,提出了多种有效的调控手段 ,通 过调控手段有机组合设置 2010—2050水平年黄河 流域多维临界调控方案集。完成了黄河流域 2010、 2020、2030和 2050 水平年 83 个方案的调试和计 699 地球科学进展 第 21卷
第10期 刘昌明:“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究进展 算,为维持黄河健康生命和黄河流域的可持续发展78人晋升了高级技术职称,其中41位晋升为教授 提出了一套水资源利用和管理对策措施;提出了黄或研究员。同时,吸收了37名博士后、培养了127 河流域近期(2010年)、中期(2020年)、远期(2030名博士生、149名硕士生参与本项目的研究工作,其 年)和远景(2050年)4个规划研究水平年的水资源中37位博士后出站、78人获博士学位、78人获硕 需求;确定了黄河流域水资源多维临界调控方案评士学位。项目硏究为水科学的发展提供了新的增长 价的指标体系及指标计算方法、主要调控风险因素点,促进了实验室建设,提高实验室设备水平,分别 及其分布、可持续发展水平评价指标的隶属函数。与美国、加拿大、荷兰、英国和澳大利亚等国家交流 对2010年、2020年、2030年和2050年水平黄河流合作及人才培养,成功的举办了两次香山会议,产生 域79个多维临界调控方案进行了评价,推荐了不同了积极的社会影响。 水平年优先采用的水资源多维调控方案为黄河流参考文献( References) 域水资源的可持续利用及其经济社会可持续发展决11Lac, Zheng H Changes of hydro bgical cycle elements of second 策提供了有价值的参考依据。 half 20 century in the Yellow River basin [J]. Hydrological 310黄河流域水资源可再生性维持的科学对策 Processes,2004,18(12):2337-2343 [2]Liu Changm ing, Zhang Xuecheng Causal analysis on actual water 运用多维临界调控模型体系分析计算和评价的」 fw reducton in the mainstream of the Yellw River [J) Ack 结果,提出了一套基于现有调控模式的具有突破性、 Geograph ica Sinica,2004,59(3):323-330[刘昌明,张学成 黄河干流实际来水量不断减少的成因分析[J地理学报 创新性的调控模式和水资源可持续利用的科学对 2004,59(3):323-330 策:提高节水意识,实施强化节水,建设节水型社会;31 Yang Zhifeng, Shen Zhenyao, Li Chunhui, et al The Basic Theo- 大力推行清洁生产,建设高效防污工矿企业,加强污 ry and A ssessment of water Resources in the Yelbw River Basin [M]. Zhengzhou Yelbw River Conservancy Press, 2005. [Bt 水资源化利用,以可持续发展战略指导黄河流域开 峰,沈珍瑶,李春晖,等.黄河流域水资源可再生性基本理论与 发;实施南水北调工程等大型跨流域调水工程,兴建 评价[M]郑州:黄河水利出版社,2005 蓄引提供水工程,是支持黄河流域21世纪可持续发 [4] NiJinren, Q ian Zhenghan Functional no-flow events and their r dentification in the Lower Yelb River [J) Science in China(Se 展的根本措施;建立多部门协调机制,加强黄河流域 E),2002,45(5):449457 生态环境保护与建设保障水资源可持续利用和社5S] Wang Ha, Wang Jianhua, Q in Dayong Research advances and 会经济可持续发展;加强黄河流域水资源合理配置 direction on the theory and practice of reasonable water resources albcaton[J). Advances in Wakr Science, 2004, 15(1): 123-128 与调控,提高黄河流域水资源管理水平,确保黄河水 [王浩,王建华,秦大庸流域水资源合理配置的研究进展与发 资源可持续利用得以实施;以流域为单元,加强水资 展方向[水科学进展,2004,15(1):123128 源统一規划和管理;加强黄河流域水资源管理体制 [6 Chen Jingsheng, He Dawei The response of river water quality and quantity b the devebpment of irrigated agriculture in the last 与政策建设和研究;实行黄河水资源有偿使用制度, bur decades in the Yell R ier Basn, China [J]. Water Re 加强经济手段在黄河水资源配置中的调控作用;切 soure reseat,2003,39(3):1047-1057 [7 NiJ inren, Wang Yudong, Q ian Zhenghan, et al On the variation 改善要求逐步加大采用多维集成化调控对策与措)J1 Scienoe in China( (Series E,200,34(s甲p1D:10b 实加强黄河流域水资源可持续利用科学对策实施的 of water resources conversion structure in the lower Yell r ier 保障措施建设;考虑社会经济发展和生态环境逐步 Yao W eny, Li Wenxue, Hou Zhijun, et al Channel shrinkage and its disaster-causing mechanism in the Lower Yellow R iver[J] 施力度,确保黄河流域水资源可持续利用的有效 Joumal of Hydraulic Engineering. 2005, 36(3): 257-264. EX 实施。 艺,李文学,侯志军等黄河下游河道萎缩致灾机理探讨[J 水利学报,2005,36(3):257-264 4结语 19) Hu Chunhong, Guo Q ingchao, Chen J tangun Research on debase the height of Tongguan [J]. Joumal of Chi 经过5年的研究圆满地完成了项目计划书确定 Respires and Hydropower Research.2003,1(1):3035胡春宏 郭庆超陈建国降低潼关高程途径的研究[J中国水利水电 的研究任务,在基础性、技术性和应用性的3个方面 科学研究院学报,2003,1(1):30-35. 取得了创新成果,为黄河治理与西线南水北调工程101 Lin Xueyu, Wang Jinsheng The Groundwater Resources and Its 提供了实施依据;撰写并发表学术论文近900篇,其 Renewability [M) Zhengzhou: Yelbw River Conse rvancy Pes2006:297.[林学钰,王金生黄河流域地下水资源及其 中国内正式核心刊物近700篇,国际SC检索论文 可更新能力研究[M]郑州:黄河水利出版社,2006:297 100多篇,E论文100多篇,编写图书数十部。在项 Dong Chunsheng, L iu Junp ing, Huang Q iang, et al Jieke analy 目实施中一大批青年科技骨干得到了锻炼,科研业 of river basin water resources management system J). Joumal migs ion snd Drainage2004,23(1):21-25佟春生,刘俊 务能力明显提高,从申请立项到结题不到五年中,有 萍,黄强,等.流域水资源管理体制的界壳分析[J」灌溉排水 91994-2007ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
算 ,为维持黄河健康生命和黄河流域的可持续发展 提出了一套水资源利用和管理对策措施 ;提出了黄 河流域近期 (2010年 )、中期 ( 2020年 )、远期 ( 2030 年 )和远景 (2050年 ) 4个规划研究水平年的水资源 需求 ;确定了黄河流域水资源多维临界调控方案评 价的指标体系及指标计算方法、主要调控风险因素 及其分布、可持续发展水平评价指标的隶属函数。 对 2010年、2020年、2030年和 2050年水平黄河流 域 79个多维临界调控方案进行了评价 ,推荐了不同 水平年优先采用的水资源多维调控方案 ,为黄河流 域水资源的可持续利用及其经济社会可持续发展决 策提供了有价值的参考依据。 3. 10 黄河流域水资源可再生性维持的科学对策 运用多维临界调控模型体系分析计算和评价的 结果 ,提出了一套基于现有调控模式的具有突破性、 创新性的调控模式和水资源可持续利用的科学对 策 :提高节水意识 ,实施强化节水 ,建设节水型社会 ; 大力推行清洁生产 ,建设高效防污工矿企业 ,加强污 水资源化利用 ,以可持续发展战略指导黄河流域开 发 ;实施南水北调工程等大型跨流域调水工程 ,兴建 蓄引提供水工程 ,是支持黄河流域 21世纪可持续发 展的根本措施 ;建立多部门协调机制 ,加强黄河流域 生态环境保护与建设 ,保障水资源可持续利用和社 会经济可持续发展 ;加强黄河流域水资源合理配置 与调控 ,提高黄河流域水资源管理水平 ,确保黄河水 资源可持续利用得以实施 ;以流域为单元 ,加强水资 源统一规划和管理 ;加强黄河流域水资源管理体制 与政策建设和研究 ;实行黄河水资源有偿使用制度 , 加强经济手段在黄河水资源配置中的调控作用 ;切 实加强黄河流域水资源可持续利用科学对策实施的 保障措施建设 ;考虑社会经济发展和生态环境逐步 改善要求 ,逐步加大采用多维集成化调控对策与措 施力度 ,确保黄河流域水资源可持续利用的有效 实施。 4 结 语 经过 5年的研究圆满地完成了项目计划书确定 的研究任务 ,在基础性、技术性和应用性的 3个方面 取得了创新成果 ,为黄河治理与西线南水北调工程 提供了实施依据 ;撰写并发表学术论文近 900篇 ,其 中国内正式核心刊物近 700篇 ,国际 SC I检索论文 100多篇 , EI论文 100多篇 ,编写图书数十部。在项 目实施中一大批青年科技骨干得到了锻炼 ,科研业 务能力明显提高 ,从申请立项到结题不到五年中 ,有 78人晋升了高级技术职称 ,其中 41位晋升为教授 或研究员。同时 ,吸收了 37名博士后、培养了 127 名博士生、149名硕士生参与本项目的研究工作 ,其 中 37位博士后出站、78人获博士学位、78人获硕 士学位。项目研究为水科学的发展提供了新的增长 点 ,促进了实验室建设 ,提高实验室设备水平 ,分别 与美国、加拿大、荷兰、英国和澳大利亚等国家交流 合作及人才培养 ,成功的举办了两次香山会议 ,产生 了积极的社会影响。 参考文献 ( References) : [ 1 ] Liu C, Zheng H. Changes of hydrological cycle elements of second half 20 century in the Yellow River basin [ J ]. Hydrological Processes, 2004, 18 (12) : 2 33722 345. [ 2 ] Liu Changming, Zhang Xuecheng. Causal analysis on actualwater flow reduction in the mainstream of the Yellow River [ J ]. Acta Geographica S inica, 2004, 59 ( 3) : 3232330. [刘昌明 ,张学成. 黄河干流实际来水量不断减少的成因分析 [ J ]. 地理学报 , 2004, 59 (3) : 3232330. ] [ 3 ] Yang Zhifeng, Shen Zhenyao, Li Chunhui, et al. The Basic Theo2 ry and A ssessment of Water Resources in the Yellow River Basin [M ]. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2005. [杨志 峰 ,沈珍瑶 ,李春晖 ,等. 黄河流域水资源可再生性基本理论与 评价 [M ]. 郑州 :黄河水利出版社 , 2005. ] [ 4 ] N i Jinren, Q ian Zhenghan. Functional no2flow events and their i2 dentification in the Lower Yellow River [J ]. Science in China ( Se2 ries E) , 2002, 45 (5) : 4492457. [ 5 ] Wang Hao, Wang Jianhua, Q in Dayong. Research advances and direction on the theory and p ractice of reasonable water resources allocation[J ]. Advances in W ater Science, 2004, 15 ( 1) : 1232128. [王浩 ,王建华 ,秦大庸. 流域水资源合理配置的研究进展与发 展方向 [J ]. 水科学进展 , 2004, 15 (1) : 1232128. ] [ 6 ] Chen Jingsheng, He Dawei. The response of river water quality and quantity to the development of irrigated agriculture in the last four decades in the Yellow River Basin, China [ J ]. W ater Re2 source Research, 2003, 39 (3) : 1 04721 057. [ 7 ] N i Jinren, Wang Yudong, Q ian Zhenghan, et al. On the variation of water resources conversion structure in the Lower Yellow River [J ]. Science in China ( Series E) , 2004, 34 ( supp l. I) : 1032116. [ 8 ] Yao Wenyi, Li Wenxue, Hou Zhijun, et al. Channel shrinkage and its disaster2causingmechanism in the Lower Yellow River[J ]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36 ( 3) : 2572264. [姚文 艺 ,李文学 ,侯志军 ,等. 黄河下游河道萎缩致灾机理探讨 [J ]. 水利学报 , 2005, 36 (3) : 2572264. ] [ 9 ] Hu Chunhong, Guo Q ingchao, Chen Jianguo. Research on debase the height of Tongguan [ J ]. Journal of China Institute of W ater Respirces and Hydropower Research, 2003, 1 (1) : 30235. [胡春宏 , 郭庆超 ,陈建国. 降低潼关高程途径的研究 [J ]. 中国水利水电 科学研究院学报 , 2003, 1 (1) : 30235. ] [ 10 ] Lin Xueyu, Wang Jinsheng. The Groundwater Resources and Its Renewability [ M ]. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2006: 297. [林学钰 ,王金生. 黄河流域地下水资源及其 可更新能力研究 [M ]. 郑州 :黄河水利出版社 , 2006: 297. ] [ 11 ] Dong Chunsheng, Liu Junp ing, Huang Q iang, et al. Jieke analy2 sis of river basin water resourcesmanagement system [J ]. Journal of Irrigsyion snd D rsinage, 2004, 23 ( 1) : 21225. [佟春生 ,刘俊 萍 ,黄强 ,等. 流域水资源管理体制的界壳分析 [J ]. 灌溉排水 第 10期 刘昌明 :“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理 ”研究进展 799
地球科学进展 第21卷 学报,2004,23(1):21-25 and Practices of Eco-enviomentalW ater Needed [M Beijing [12] Liu Changm ing, Zheng Hongxing, W ang Zhonggen, et al Dis Science Press,2003{杨志峰,崔保山,刘静玲生态环境需水 量理论、方法与实践[M]北京:科学出版社,2003 elbow R iver Conservancy Press,200[刘昌明,郑红星,王中 17 Hao Fanghua, Zhang Xuesong, Yang Zhifeng A distributed non- 根,等.流域水循环分布式模拟[M]郑州:黄河水利出版社 point source polluton modet Calibraton and validation in the 2006 Yelbw river basin[J]. Joumal of Emvinorn en taI Sciences, 2004 [ 13] Yang Shengtian, L iu Changm ing The soil water remote sensing (4) computations and analyses of water cycle in the Yellow R iver Ba[18 Su Xisi, L in Xueyu, L ao Zisheng, et al Variaton of isobpes sin [J]. Science in China(Series E), 2004, 34( suppl ) 1-12 n the Yellow River abng the flow path and its affecting factrs 杨胜天,刘昌明.黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程 [J] Geoch in iaa,2003,32(3):349-357.[苏小四,林学钰,廖 分析[J]中国科学:E辑,2004,34(增刊):1-12 资生,等.黄河水O,D和3H的沿程变化特征及其影响因素 [14] Wang Hao, Q in Dayong, Wang Jianhua The advance of the 研究[]地球化学,2003,32(3):349-357 modeling on the water cycling pogress in the multiscale regon [ 19] Chang J ianxia, Huang Q iang, wang Ym in. Synergy methodology and dual water cycling model [C]//Liu Changm ing, Chen Xr for multiobjective operatonal contol of reservoirs in Yellow Ri anguo, eds The Eolving Law and Mainta in ing Mechanic of Re- er basn[J]. Science in China(Series E), 2004, 47(21): 212 newable Ability of Water Resources in Yelbw River Basin Zhengzhou: Yelbw River Conservancy Press, 2001, 4: 34-42 [201 [王浩,秦大庸,王建华多尺度区域水循环过程模拟与二元 rediction of Yelbw river basin based on RBFNN and EGA[) 水循环模式的研究[C]〃刘昌明,陈效国主编黄河流域水 Joumal of Soil and Water tion, 2002, 16(3):83-85. [E 资源演化规律与可再生性维持机理研究和进展.郑州:黄河 小杰,黄强惠泱河,等.基于径向基函数神经网络与改进遗 水利出版社,2001,4:3442 传算法的黄河流域需水预测[J]水土保持学报,200,16 [15] Wang Zhaoyin, Wang Guangqian, Gao Qing An ecological dy- (3):8385 lam ics model of vegetation evolutin in eDson area [J. Acta [21 L iu Changm ing, Zeng Yan A tlas of MeteoDbgicaHHydobgical olog ica Sinica,2003,23(1):98-105[王兆印,王光谦,高 Elements in the Yellw River Basin [M. Zhengzhou Yellow 菁侵蚀地区植被生态动力学模型[J生态学报,2003,23 Rier Conservancy Press,2004[刘昌明,曾燕.黄河流域气象 (1):98-105 水文学要素图集[M]郑州:黄河水利出版社,2004 [16] Yang Zhifeng, Cui Baoshan, L iu J angling The Theory, Methods a Study of Evolutionary laws and Mainta n ing mechan ism of Renewable Capac ity of the Y ellow rier s water resources LU Change ing (1 Key Labortory of w ater and Sedim ent Science, MoE, at Water Science College, BNU, B eijing 100875, China; 2 Key Labortory of land Water Cycle and Surface Processes CAS, at GSNRR, CAS, Beijing 100101, Chine Abstract: The Yellow R iver is China's second largest river w ith a drainage area of about 800, 000 km and it has been seen as a cradle of Ch inese civilizaton now it serves as one of the main theatres for the on-go ing national campaign b deve bp the westem hinterland of the country The river basin lies mainly in the sem r-arid and semr hum id climatic zones where water resources are congenitally defic ient Per cap ita water volume in the basin is less 1/3 than that of natonal average due b the mpact of both wam-dry scenarios of clmate and human ac tivities, frequent dried-up of its bwer reach main-courses and main tributaries have occurred in the last 30 years The amr nous deve opment not only aggravates the fragile balance of water demand and water supp ly in the-basin, but also brings in more mpacts on the native eco-system and the enviroment along the rivers reaches The rivers hamess- ing used t be a state affair of vital mportance for a national stability in tems of natonal security. Since 1999,the Ministry of Science and Techno bgy of China has set up a five-year p ro ject in the National Devebpment Pogram fo Key Basic Science Research, as is called 973 Program". The author of this paper, as chief scientist of the po- ject, summarized major research outcomes on the basis of about 800 papers and tens of monographs published cently. A stack of the re search achievements from the project can be recap itu lated by three kinds of the highlights, namely progresses in theory, techno bgy and app licaton t the Yellow river Key words: The Yellow river, Water resources evolutionary law, Renewab le capac ity mamtenance of river ater, water resources management r iver hamessing 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
学报 , 2004, 23 (1) : 21225. ] [ 12 ] Liu Changming, Zheng Hongxing, Wang Zhonggen, et al. D is2 tributed Simulation of CatchmentWater Cycle [M ]. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2006. [刘昌明 ,郑红星 ,王中 根 ,等. 流域水循环分布式模拟 [M ]. 郑州 :黄河水利出版社 , 2006. ] [ 13 ] Yang Shengtian, Liu Changming. The soil water remote sensing computations and analyses of water cycle in the Yellow RiverBa2 sin [J ]. Science in China ( Series E) , 2004, 34 ( supp l. ) : 1212. [杨胜天 ,刘昌明. 黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程 分析 [J ]. 中国科学 : E辑 , 2004, 34 (增刊 ) : 1212. ] [ 14 ] Wang Hao, Q in Dayong, Wang Jianhua. The advance of the modeling on the water cycling p rogress in the multi2scale region and dual water cycling model [ C ] ∥Liu Changming, Chen Xi2 aoguo, eds. The Eolving Law and Maintaining Mechanic of Re2 newable Ability of Water Resources in Yellow River Basin. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2001, 4: 34242. [王浩 ,秦大庸 ,王建华. 多尺度区域水循环过程模拟与二元 水循环模式的研究 [C ] ∥刘昌明 ,陈效国主编. 黄河流域水 资源演化规律与可再生性维持机理研究和进展. 郑州 :黄河 水利出版社 , 2001, 4: 34242. ] [ 15 ] Wang Zhaoyin, Wang Guangqian, Gao Q ing. An ecological dy2 namics model of vegetation evolution in erosion area [ J ]. Acta Ecologica S inica, 2003, 23 ( 1) : 982105. [王兆印 ,王光谦 ,高 菁. 侵蚀地区植被生态动力学模型 [J ]. 生态学报 , 2003, 23 (1) : 982105. ] [ 16 ] Yang Zhifeng, Cui Baoshan, Liu Jingling. The Theory, Methods and Practices of Eco2environmentalWaterNeeded [M ]. Beijing: Science Press , 2003. [杨志峰 ,崔保山 ,刘静玲. 生态环境需水 量理论、方法与实践 [M ]. 北京 :科学出版社 , 2003. ] [ 17 ] Hao Fanghua, Zhang Xuesong, Yang Zhifeng. A distributed non2 point source pollution model: Calibration and validation in the Yellow river basin [J ]. Journal of Environm ental Sciences, 2004, 16 (4) : 6462650. [ 18 ] Su Xiaosi, Lin Xueyu, Liao Zisheng, et al. Variation of isotopes in the Yellow River along the flow path and its affecting factors [J ]. Geochim ica, 2003, 32 ( 3) : 3492357. [苏小四 ,林学钰 ,廖 资生 ,等. 黄河水 18O, D和 3H的沿程变化特征及其影响因素 研究 [J ]. 地球化学 , 2003, 32 (3) : 3492357. ] [ 19 ] Chang Jianxia, HuangQ iang, Wang Yimin. Synergymethodology for multi2objective operational control of reservoirs in Yellow Riv2 er basin[J ]. Science in China ( Series E) , 2004, 47 ( z1 ) : 2122 223. [ 20 ] Xue Xiaojie, Huang Q iang, Hui Yanghe, et al. Water requirement p rediction of Yellow river basin based on RBFNN and EGA [J ]. Journal of Soil and W aterConservation, 2002, 16 (3) : 83285. [薛 小杰 ,黄强 ,惠泱河 ,等. 基于径向基函数神经网络与改进遗 传算法的黄河流域需水预测 [ J ]. 水土保持学报 , 2002, 16 (3) : 83285. ] [ 21 ] Liu Changming, Zeng Yan. A tlas of Meteorological2Hydrological Elements in the Yellow River Basin [M ]. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2004. [刘昌明 , 曾燕. 黄河流域气象 水文学要素图集 [M ]. 郑州 :黄河水利出版社 , 2004. ] A Study of Evolutionary Laws andMa inta in ing M echan ism of Renewable Capac ity of the Yellow River ’ sWater Resources L IU Chang2ming 1, 2 (1. Key Labortory of W ater and S ed im en t Science, MO E, atW ater Science College, BNU, B eijing 100875, China; 2. Key Labortory of Land W ater Cycle and Surface Processes, CAS, a t IGSNRR, CAS, B eijing 100101, China) Abstract: The Yellow River is China’s second largest river with a drainage area of about 800, 000 km 2 and it has been seen as a cradle of Chinese civilization. Now it serves as one of the main theatres for the on2going national campaign to develop the western hinterland of the country. The river basin lies mainly in the sem i2arid and sem i2 hum id climatic zones where water resources are congenitally deficient. Per cap ita water volume in the basin is less 1 /3 than that of national average. Due to the impact of both warm2dry scenarios of climate and human activities, frequent dried2up of its lower reach main2courses and main tributaries have occurred in the last 30 years. The om i2 nous development not only aggravates the fragile balance of water demand and water supp ly in the2basin, but also brings in more impacts on the native eco2system and the environment along the river’s reaches. The river’s harness2 ing used to be a state affair of vital importance for a national stability in term s of national security. Since 1999, the M inistry of Science and Technology of China has set up a five2year p roject in the NationalDevelopment Program for Key Basic Science Research, as is called“973 Program”. The author of this paper, as chief scientist of the p ro2 ject, summarized major research outcomes on the basis of about 800 papers and tens of monographs published re2 cently. A stack of the research achievements from the p roject can be recap itulated by three kinds of the highlights, namely p rogresses in theory, technology and app lication to the Yellow river. Key words: The Yellow river; W ater resources evolutionary law; Renewable capacity maintenance of river water; W ater resources management; River harnessing. 899 地球科学进展 第 21卷
