中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 隨著氣候變化、土地利用/覆蓋變化、人類用水活動等因素加劇，陸地水循環(huán)系統(tǒng)正在發(fā)生快速變化，水文過程呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征，給水資源可持續(xù)利用帶來重大挑戰(zhàn)。當前，全球水資源利用領(lǐng)域科技前沿正從地球系統(tǒng)的整體視角，研究氣候變化和人類活動對水資源系統(tǒng)的影響，探索變化環(huán)境下水資源可持續(xù)利用與全球變化應(yīng)對的長效解決方案，提出區(qū)域水安全保障策略。

水資源是西部生態(tài)屏障建設(shè)的關(guān)鍵要素，高效的水資源供給和有效的水資源保護是西部經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)屏障建設(shè)的重要保障。西部地區(qū)是中國和周邊國家大江大河的發(fā)源地，也是我國“南水北調(diào)”“西水東引”等跨流域調(diào)水工程的水源地，以及我國重要的水電能源基地。因此，深入研究變化環(huán)境下西部生態(tài)屏障區(qū)水資源及其利用變化規(guī)律，提出支撐生態(tài)屏障建設(shè)的水資源科技保障舉措，具有重要的戰(zhàn)略意義。本文對西部生態(tài)屏障區(qū)水資源變化的基本認識和存在的問題進行了分析和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出科技支撐西部生態(tài)屏障區(qū)水資源可持續(xù)利用的措施建議。

氣候變化和人類活動使西部地區(qū)水循環(huán)和水資源發(fā)生巨大變化

西部地區(qū)冰雪融化加劇，固體水儲量大幅減少，液態(tài)水增加，水資源穩(wěn)定性下降，水文系統(tǒng)呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征。西部生態(tài)屏障區(qū)域水循環(huán)和水資源在過去幾十年發(fā)生了不同程度的變化。全球氣候變化使西部地區(qū)氣溫升溫速率明顯高于全球平均升溫速率，年均氣溫顯著上升。由此，致使近50年來青藏高原的冰川整體上處于虧損狀態(tài)，冰川儲量減少約20%，面積減少約18%；該區(qū)域大部分地區(qū)年雪深減小，冰川面積退縮，冰雪物質(zhì)出現(xiàn)負平衡；固體水儲量大幅減少，冰雪平衡線升高，冰川的固體均衡器作用大幅減弱。同時，西部降水模式也發(fā)生了改變，青藏高原和西北地區(qū)年降水量呈增加趨勢，蒙古高原、黃土高原和西南地區(qū)降水呈減少趨勢，極端降水和極端干旱事件增多，暴雨、洪澇、大旱等災(zāi)害頻發(fā)。氣溫升高也加劇了潛在蒸發(fā)和實際蒸散發(fā)量的增加，西部地區(qū)供水壓力增大，還導(dǎo)致部分區(qū)域湖泊萎縮和干涸、草原荒漠化、風(fēng)蝕沙化和水土流失加??；加之城鎮(zhèn)化和采礦經(jīng)濟等迅速發(fā)展，地下水超采和污染現(xiàn)象嚴重。因此，近幾十年來的氣候變化和人類活動導(dǎo)致西部地區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化，使水資源穩(wěn)定性下降，水文系統(tǒng)呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征，加劇了地下水開采量和地下水位的持續(xù)下降，對西部經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)屏障建設(shè)水資源供給保障產(chǎn)生重大影響。

氣候變化使西部地區(qū)降水時空分布規(guī)律發(fā)生很大變化，大旱和洪災(zāi)頻發(fā)。近年來，西部地區(qū)的降水時空分布特征顯著變化，極端氣候事件頻發(fā)。全球氣候變暖加劇了水循環(huán)的不穩(wěn)定性，使得極端降水事件日益增多。受印度洋季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流變化的影響，青藏高原地區(qū)降水的季節(jié)分布變得更加極端，干濕季分界更加明顯，導(dǎo)致洪水和干旱災(zāi)害交替發(fā)生。氣候變化評估顯示，青藏高原地區(qū)1961—2023年平均降水量呈顯著增多趨勢，平均每10年增加6.9 mm；西南地區(qū)年降水量總體呈減少趨勢，平均每10年減少10.7 mm。黃土高原地區(qū)的降水模式也發(fā)生了顯著變化。研究顯示，該區(qū)域總體上降水呈減少趨勢，但37%的區(qū)域在降水總量減少的同時存在降水強度增加的情況，增加了暴雨洪水風(fēng)險。在黃河流域上游，極端降雨占總降水量的比例從20世紀60年代的48%上升到2000年后的53%，極端降水的空間分布呈現(xiàn)東南—西北梯度變化的特征。這種降水模式的變化加劇了土壤侵蝕、滑坡、洪水等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防洪抗旱等方面帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

氣候變化和人類活動使水資源配置風(fēng)險增大，水資源保障難度成倍增加。氣候變化和人類活動的影響加劇了水循環(huán)的不穩(wěn)定性，使得水資源配置風(fēng)險增加，進而影響農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。例如，青藏高原冰川融水的短期增多雖然暫時補充了部分河流徑流，但長期來看，冰川儲量的減少將削弱河流的穩(wěn)定供水能力，使得下游水資源更加緊張。地下水超采問題進一步加劇了新疆等地區(qū)的水資源短缺風(fēng)險，導(dǎo)致湖泊萎縮、河流斷流、濕地退化等生態(tài)環(huán)境問題，惡化流域上下游矛盾和沖突。水資源的不穩(wěn)定供應(yīng)影響跨流域水資源管理和水利工程運行。研究表明，在全球變暖的背景下，大型水利工程的運行面臨新的挑戰(zhàn)，極端干旱和暴雨事件頻發(fā)，使得水庫調(diào)度更加困難。跨境水資源利用的矛盾日益突出。西部地區(qū)多條國際河流均受到氣候變化和人類活動的影響，水資源時空分布的不均衡性增加了國際水資源管理的復(fù)雜性。如何在變化環(huán)境下實現(xiàn)水資源的公平分配、生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展并重，已成為西部生態(tài)屏障建設(shè)的重要議題。

西部水循環(huán)與水資源變化的主要原因和主要科技問題

西部水循環(huán)變化受到自然和人為因素雙重驅(qū)動

西部水循環(huán)系統(tǒng)正經(jīng)歷著自然和人為因素雙重驅(qū)動下的顯著變化。自然因素，主要表現(xiàn)為全球氣候變暖引發(fā)的大氣環(huán)流模式調(diào)整、降水時空分布改變，以及冰川消融、凍土退化、湖泊擴張等冰凍圈響應(yīng)過程。人為因素，包括土地利用/土地覆蓋變化（如耕地擴張）、水資源過度開發(fā)（如地下水超采），以及大規(guī)模水利工程建設(shè)等。這些因素相互疊加，使得西部生態(tài)屏障區(qū)的水循環(huán)要素相互作用更加復(fù)雜，并導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)過程、強度與時空分布特征發(fā)生深刻變化，極端水文事件頻發(fā)。

變化環(huán)境下水循環(huán)和水資源基礎(chǔ)研究薄弱

在氣候變化與人類活動的共同影響下，西部水循環(huán)系統(tǒng)呈現(xiàn)出顯著的非穩(wěn)態(tài)演變特征，水文氣象序列的非穩(wěn)態(tài)性加劇，使得傳統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的水文模型難以準確描述冰川消融—凍土退化—湖泊擴張的鏈式響應(yīng)，以及地表水-地下水-生態(tài)系統(tǒng)的互饋過程。全球變暖背景下，水循環(huán)系統(tǒng)的脆弱性與不確定性加劇，水資源時空分布失衡問題日益凸顯。因此，急需發(fā)展能夠反映多圈層耦合過程、考慮氣候變化和人類活動復(fù)合影響的非穩(wěn)態(tài)循環(huán)理論與方法，以提升對極端水文事件和水資源變化的預(yù)測與管理能力。

現(xiàn)有水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)過度依賴地面站點觀測，對雷達、衛(wèi)星、無人機和人工智能等高新技術(shù)的應(yīng)用嚴重滯后，尤其是對冰川凍土等高寒區(qū)水文過程監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取能力不足，難以滿足氣候變化背景下對極端水文事件的動態(tài)監(jiān)測預(yù)報需求。多源異構(gòu)水文氣象數(shù)據(jù)融合技術(shù)尚未成熟，“空天地”一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)亟待完善。一方面，西部寒區(qū)旱區(qū)流域產(chǎn)匯流機制、地表水-地下水-生態(tài)系統(tǒng)互饋機制等基礎(chǔ)理論研究薄弱；另一方面，關(guān)于水-經(jīng)濟社會-生態(tài)系統(tǒng)相互作用機制、水-能源-糧食-生態(tài)耦合機制等影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題的研究仍處于探索階段。

此外，跨界國際河流的水資源保護與可持續(xù)利用研究嚴重滯后，涉及水權(quán)分配機制、跨境輸移過程對下游生態(tài)的影響評估等領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)性成果。當前，研究尚未構(gòu)建起支撐跨境河流水資源研究的科學(xué)工具鏈，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估多局限于單國尺度，缺乏覆蓋全流域的協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)共享機制，導(dǎo)致跨境水資源開發(fā)的環(huán)境風(fēng)險難以精準預(yù)判。

新的治水理念下的理論與核心技術(shù)突破不足，系統(tǒng)解決方案欠缺

西部生態(tài)屏障區(qū)建設(shè)是在“山水林田湖草沙冰”統(tǒng)籌治理和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路指導(dǎo)下的綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展。如何構(gòu)建人水和諧的生態(tài)系統(tǒng)和高質(zhì)量發(fā)展的經(jīng)濟社會系統(tǒng)，對水安全保障與水生態(tài)文明建設(shè)提出了系統(tǒng)解決方案需求，需要在基礎(chǔ)理論上實現(xiàn)零的突破和關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的水-能源-糧食資源配置理論與方法已難以適應(yīng)西部生態(tài)屏障建設(shè)中生態(tài)系統(tǒng)安全保障的需求。西部地區(qū)作為我國能源富集區(qū)和重要糧食產(chǎn)區(qū)，近幾十年來用水量急劇增長，高耗能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移加劇了水-能源-糧食系統(tǒng)的矛盾。例如，農(nóng)業(yè)用水擠占生態(tài)用水導(dǎo)致塔里木河、黑河等內(nèi)陸河下游斷流，生態(tài)系統(tǒng)退化反向制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。同時，氣候變化與人類活動疊加，水資源系統(tǒng)演變過程趨于復(fù)雜，使得平衡生態(tài)保護與社會經(jīng)濟發(fā)展沖突更加困難。只有通過創(chuàng)新水-經(jīng)濟社會-生態(tài)系統(tǒng)綜合管理理論與核心技術(shù)，培育和發(fā)展符合新發(fā)展理念的新質(zhì)生產(chǎn)力，才能為水安全保障與水生態(tài)文明建設(shè)提出科學(xué)可行的系統(tǒng)解決方案。

科技支撐西部生態(tài)屏障建設(shè)的水資源可持續(xù)利用領(lǐng)域戰(zhàn)略布局

面向水資源可持續(xù)利用領(lǐng)域科技支撐西部生態(tài)屏障建設(shè)重大需求，急需重點關(guān)注5個方面的科學(xué)問題并開展研究。

青藏高原—“泛第三極”水循環(huán)變化及其水資源效應(yīng)

在青藏高原失衡、總水量不穩(wěn)定和不確定性增強的背景下，急需開展“泛第三極”水循環(huán)變化和水資源預(yù)測研究，構(gòu)建全新的地面多元傳感器、衛(wèi)星遙感、無人機遙測等“空天地”一體化高時空分辨率的水文水資源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，以實現(xiàn)對全域水文水資源全要素觀測和智能化大數(shù)據(jù)處理；研發(fā)非穩(wěn)態(tài)水文過程和水資源模擬方法與模型，預(yù)測水文與水資源變化趨勢；闡明青藏高原水循環(huán)變化及其水資源效應(yīng)對中國、東南亞、中亞和南亞的影響，提出減緩水資源變化影響和洪旱災(zāi)害的應(yīng)對策略，全面提升綠色絲綢之路建設(shè)能力。

水資源高效利用與節(jié)水技術(shù)

西部生態(tài)屏障區(qū)長期面臨水資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)，加強水資源節(jié)約集約利用、提高水資源利用效率顯得尤為迫切。研究應(yīng)聚焦于高效節(jié)水灌溉技術(shù)、農(nóng)業(yè)水管理與工業(yè)、城鎮(zhèn)節(jié)水改造的系統(tǒng)集成。技術(shù)層面，應(yīng)推廣滴灌、噴灌及膜下滴灌等精準灌溉方式，同時結(jié)合水肥一體化、智能傳感與大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)灌溉精準控制與動態(tài)調(diào)度；管理層面，需要構(gòu)建覆蓋全流域的智慧水資源監(jiān)控平臺，通過遙感、物聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化技術(shù)實時掌握水情動態(tài)，優(yōu)化水資源分配與調(diào)度。與此同時，發(fā)展再生水、雨水收集等非常規(guī)水源技術(shù)，并與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)有機融合，形成西部水資源節(jié)水和水資源利用效率提升的系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)節(jié)水能力提高10%、節(jié)水效益提高15%，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供堅實的技術(shù)支撐和管理保障。

變化環(huán)境下水-能源-糧食-生態(tài)紐帶與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展

在氣候變化與人類活動疊加影響下，西部地區(qū)的水、能源、糧食與生態(tài)系統(tǒng)之間形成了緊密相連的紐帶，其錯綜復(fù)雜的協(xié)同關(guān)系與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。實現(xiàn)水-能源-糧食-生態(tài)協(xié)同發(fā)展，需要從整體上統(tǒng)籌水資源的優(yōu)化配置、能源開發(fā)、農(nóng)業(yè)高效灌溉和生態(tài)保護，實現(xiàn)能源、糧食和生態(tài)安全的多重保障。采用尺度自適應(yīng)技術(shù)，構(gòu)建水循環(huán)、人類活動、生態(tài)過程耦合模擬框架，解析水、能源、糧食和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互制約與反饋機制，明確各環(huán)節(jié)和過程的最優(yōu)調(diào)控參數(shù)。提出西部生態(tài)屏障區(qū)水-能源-糧食-生態(tài)協(xié)同發(fā)展方案，保障經(jīng)濟社會發(fā)展用水需求和生態(tài)用水需求，全面提升區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力。

地表水-地下水-生態(tài)系統(tǒng)互饋機制與安全保障技術(shù)

西部地區(qū)干旱區(qū)地下水超采與地表水減少等問題日益突出，對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。為此，迫切需要揭示地表水、土壤水與地下水之間的耦合關(guān)系和互饋作用機制，建立多尺度水文模型，定量分析各水分組分在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的動態(tài)平衡。評估人工補給、雨洪回灌和河道生態(tài)調(diào)控等技術(shù)手段彌補地下水漏斗效果，確定維持干旱區(qū)植被生長所需的最優(yōu)水分供給。結(jié)合退耕還林還草、草原恢復(fù)及生態(tài)補償?shù)染C合生態(tài)修復(fù)措施，提升土壤蓄水能力和生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能，構(gòu)建地下水與地表水聯(lián)合調(diào)控與生態(tài)安全保障技術(shù)體系，為干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定提供科學(xué)支撐。

“空天地”一體化數(shù)字孿生流域關(guān)鍵技術(shù)和流域模擬器技術(shù)

面對西部生態(tài)屏障區(qū)洪旱災(zāi)害頻發(fā)和復(fù)雜的水資源調(diào)度問題，構(gòu)建“空天地”一體化的數(shù)字孿生流域成為提升區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)能力的重要路徑。數(shù)字孿生流域技術(shù)通過集成衛(wèi)星遙感、無人機巡檢及地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和人工智能，實現(xiàn)水文、氣象、地質(zhì)等多源數(shù)據(jù)的實時采集與智能融合，構(gòu)建高精度流域數(shù)字模型。結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建流域模擬器，實時監(jiān)測和模擬流域水文過程和極端事件發(fā)展態(tài)勢，有效提升洪水、干旱等災(zāi)害的預(yù)警和響應(yīng)能力?！翱仗斓亍币惑w化數(shù)字孿生流域技術(shù)和流域模擬器技術(shù)為水資源調(diào)度和應(yīng)急決策提供了有效工具，有助于防洪抗旱預(yù)警智慧化和精準化，提高區(qū)域防汛抗旱和水資源管理能力，保障西部生態(tài)屏障建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。

在全球變化背景下，我國西部生態(tài)屏障區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)正經(jīng)歷深刻變革。青藏高原冰川顯著退縮，多年凍土持續(xù)退化，眾多湖泊面積不斷擴張；而人類活動的加劇，特別是農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)模的擴大和能源開發(fā)活動的增多，進一步加劇了區(qū)域內(nèi)用水矛盾。自然因素與人為因素的交織導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)發(fā)生復(fù)雜變化，水資源時空分布格局顯著改變，水安全形勢日益嚴峻。為了應(yīng)對這些多重挑戰(zhàn)，未來研究需著重聚焦于青藏高原水循環(huán)變化與效應(yīng)評估，研發(fā)適配干旱半干旱地區(qū)的水資源高效利用新技術(shù)，探索水-能源-糧食-生態(tài)協(xié)同發(fā)展的創(chuàng)新路徑，明晰地表水、地下水與生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)耦合關(guān)系，攻克“空天地”一體化數(shù)字孿生流域建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題，構(gòu)建高精度流域模擬器。通過加強相關(guān)科技任務(wù)的部署，完善區(qū)域水資源科學(xué)管理體系，為西部生態(tài)屏障區(qū)筑牢水資源安全防線，助力實現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展目標。

（作者：夏軍，武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國重點實驗室；陳曦，浙江工業(yè)大學(xué)地理信息學(xué)院 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所；湯秋鴻、盧宏瑋、賈紹鳳、于靜潔、劉星才，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國科學(xué)院陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；王根緒，四川大學(xué)山區(qū)河流保護與治理全國重點實驗室；馬金珠，蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）