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一.引言

水是生命之源，水是支撐地球社會經濟系統發展不可替代的資源。但是，由于全球變化、人類活動的負面影響，地球上水的循環在發生變化，許多地區正在發生嚴重的水的問題與危機，如洪水、干旱和江河水體污染，而成為限制國家河區域可持續發展的關鍵性因子，水科學問題也成為國際地球科學發展中的一個重要方面。

2001年7月在世界知名海岸水利工程建設的荷蘭王國連續舉辦了兩個直接與水科學有關的大型國際科學大會。一個是7月10-13日在荷蘭阿姆斯特丹（Amsterdam）由國際地圈生物圈計劃（IGBP）、國際人文計劃（IHDP）和世界氣候研究計劃（WCRP）聯合舉辦的“全球變化科學大會(GlobalChangeOpenScienceConference)”。國際地圈生物圈計劃（IGBP）是國際著名的全球變化科學研究計劃，受到國際地球科學屆廣泛的關注和參與。在跨入2000后的IGBP首次重要國際學術活動-“全球變化科學大會”云集來自國際的100多個國家的全球變化研究的專家學者、管理者約1600多人。大會主題是：一個變化的地球的挑戰（ChallengesofaChangingEarth）。中國派出以科學院為主體的約60多人的代表團，進行學術交流和討論，其中除了碳循環和土地覆被變化是大會主要議題外，水循環及水資源是大會重要內容之一。

另一個是7月18-27日在荷蘭的馬絲特里特（Masstricht）舉行的第6屆國際水文科學大會。(The6thScientificAssemblyoftheInternationalAssociationofHydrologicalScience)。這是一次專門針對國際水文科學進展的回顧和研討大會，來自國際60多個國家的500名代表出席了大會。第6屆國際水文科學大會的主題是：一個干旱地球新的水文學（ANewHydrologyforaThirstyPlanet）。

受國家自然科學基金委員會地球科學部的部分資助，筆者應邀參加這兩個大會，并擔任第6屆國際水文科學大會第二學術研討會的分會主席。本文是對這兩個國際會議中關于水科學研究進展的綜述，希望介紹水科學方面一些新的進展，提出我國對國際水科學的貢獻和存在的問題與挑戰。

二.全球變化與水文科學問題

全球環境變化（簡稱全球變化）是目前和未來人類和社會發展面臨的共同問題。全球變化既包涵全球氣候變化又包括了人類活動造成環境變化的影響。了解自然變化和人類活動的影響是國際地球科學發展最為關系的問題。

7月10-13日在荷蘭阿姆斯特丹舉辦的“全球變化科學大會”，內容十分豐富。但都圍繞有兩大主專題，即：（1）一個不斷變化的地球的挑戰：對全球變化的科學理解。（2）展望未來：地球系統科學與全球可持續性。大會邀請若干專家學者做報告，在大會研討中設立一系列專題研討會和招貼展示論文。

大會專題報告內容有：

·一個不斷變化的地球的挑戰：對全球變化的科學理解（BerrienMoore）

·土地變化的集中性與復雜性：虛構與現實（B.L.Turner）

·氣候變化與海洋生態系統動力學：可持續資源利用的內涵（MichaelJ.Fogarty）

·21世紀中的糧食：全球氣候的差異性（MachendraShah）

·人類時期的大氣化學（PaulJ.Crutzen）

·火與薄霧：東南亞空氣質量的社會與政治因素上的不均性（SimonS.C.）

·海洋和陸地碳動力學（IanR.Noble）

·碳與科學政策的聯系：京都的挑戰（RobertT.Watson）

·對CO2挑戰的工業響應（CharlesNicholson）

2．水與全球變化的關聯：世紀資源的挑戰？（LeenaSrivaatava）。

·我們會有足夠的高質量的水嗎？（HartmutGrassl）

·水會滿足人們的需要嗎？（PeterD.Tyson）

·大壩對漁業的影響：三峽大壩實例研究。Chen-TungArthurChen教授，臺灣，國家SunYat-Sen大學，海洋地理和化學學院。

·澳大利亞大陸上的水，碳和氮：氣候和土地利用變化的影響（MichaelRaupach）

3．全球生物地球化學：星球新陳代謝系統的理解（PamelaMatson）

·海洋生物地球化學：變化的海洋（DavidM.Karl）

·陸地上碳的過去、現在和未來（RobertJ）

·大氣酸雨、臭氧損耗和氣候變化的案例分析（OranR.Young）

4．陸地—海洋的交互作用：區域與全球的聯系。（RogerHarris）

·生物地球化學的交互作用與反饋（TimJickells）

·沿海地區的全球變化：東南亞的實例研究（LianaTalaue-McManus）

5．氣候系統：預報、變化和可變性

·以前和以后的氣候變化：我們究竟去何處（ThomasF.Pedersen）

·氣候變化的1000年（RaymondS.Bradley）

·正在變化的寒區：高緯區全球變暖的影響（OlegAnisimov）

·耦合氣候系統：可變性和可預測性（AntonioJ.Busalacchi）

6．土地利用變化的熱點地區和地球系統：區域和全球的聯系

·陸地表面與氣候有聯系嗎？北非：撒哈拉沙漠；

·東南亞1：理解變化的亞洲季風系統：大規模植被和土地利用在水循環和氣候中的作用

·東南亞2：人類引導的陸地覆蓋的變化能對亞洲季風有多大的改變？

·亞馬遜河流域和土地利用的變化：未來能平衡嗎？

·陸地表面與氣候有聯系嗎？一種綜合。

7．模擬和觀測地球系統（DavidCarson）

·處理地球系統的復雜性和不確定性（H.J.Schellnhuber）

·監視地球系統的短期不穩定性和長期的趨勢：一個空間的挑戰（JoseAchache）

·虛擬現實的過去、現在和未來（JohnMitchell）

8．地球系統需要生物多樣性嗎？（AnneLarigauderie）

·為什么地球系統科學需要海洋生物多樣性？（KatherineRichardson）

·生物多樣性是如何影響陸地生態系統的過程與功能（SandraDiaz）

9．科技能夠補償星球嗎？（MikeBrklacich）

·自然的回歸：為什么和怎樣進行（JesseH.Ausubel）

·工業變革：生產與消費中的探測系統變化（PierVellinga）

10．面向全球可持續性（HansOpschoor）

·區域和全球可持續性的挑戰和障礙（JuliaCarabias）

·轉向可持續性的研究系統（WilliamC.Clark）

·可持續性科學起源討論：什么是可持續性科學？為什么要可持續性科學？（JaneLubcheno）

·可持續科學和氣候變化（BertBolin）

·重新概念化自然-社會的交互作用：將環境和發展結合起來理解（RobertW.Kates）

·雅基盆地資源的可利用性、脆弱性和持續性：環境與社會交互作用中不可持續的發展趨勢（P.A.Matson）

·人與環境相互作用的脆弱性：尤卡坦南部事例（B.L.Turner）

·各學科間的可持續性科學（RobertW.Corell）

大會專題討論內容十分豐富，有：A1-全球碳循環；A2-大城市與全球變化；A3-南厄爾尼諾的擺動同過去、未來氣候變化的聯系；A4-地球系統的演化；A5-生物多樣性的全球變化；A6-全球變化與火；A7-海岸區人類活動；B1-食品生產和環境間的平衡；B2-理解土地利用的變化，以致重建、描述或預測土壤覆蓋度；B3-冰雪層和全球變化：制度和指標；B4-地球系統分析；B5-陸地生物圈與全球變化；B6-社會轉化過程；B7-海洋與氣候變化；C1-水資源對環境變化的脆弱性：一種系統方法；C2-把人放入地球系統中：受害者或是破壞者，擾亂者或是解決者?C3-大氣和全球變化;C4-全球變化非線性變化和驚訝;C5-生態系統管理可持續發展的展望;C6-科學和政策過程：IPCC;C7-全球變化與山地區。

大會報告集中在水科學問題的主題有：全球變化中的水問題-21世紀資源的挑戰，尤其值得提到的是7月12日下午，大會專門針對水循環水資源問題，舉行了“環境變化的水資源脆弱性系統分析”學術研討會。WCRP/GEWEX北美主席、美國地理學會水文專業委員會主席、亞利桑那大學水文水資源系的SorooshSorooshian教授介紹“WCRP/GEWEX和SAHRA計劃中水問題的研究：半干旱區流域水文循環與可持續性”。德國的CharlesVorosmarty教授報告了“地球系統科學對全球水評估的貢獻”。WolframMauser教授研討歐洲GLOWA項目的核心“完整的流域管理”經驗。JosephAlcamo教授指出全球“水危機區與脆弱性”。JimWallace教授強調“防洪安全與水資源問題”。ClaudiaPahl-Wostl教授研討“面向社會經濟可持續性：水管理部門職能的轉變過程挑戰”。

三.水文科學與水資源安全

7月18-27日第6屆國際水文科學大會在荷蘭的馬絲特里特（Masstricht）舉行。大會對過去水文水資源研究進行總結，對未來水文科學的發展進行展望。會議由4個專題學術大會（Symposium，簡寫為S）和6個學術研討會(Workshop，簡寫為W)組成。會議主要集中在水文科學基礎研究和社會經濟發展與水資源研究兩個方面：

1.水文學基礎研究

S4.土壤-植被-大氣轉化方式和大尺度水文模擬

WS4.高山地區水文過程與冰圈作用

WS2.水文長期變化與氣候影響

S3.人類活動對地下水動態的影響

WS6.海岸濕地水文的演化

2.社會經濟發展與水資源研究

S1.社會經濟發展與水危機

S2.區域水資源管理

WS1.全球變化與洪水預報

WS3.信息技術在可持續水管理的作用

WS5.GIS&RS在土壤侵蝕和水質變化的應用

特別需要指出，由于全球變化、社會經濟發展，水資源問題愈來愈突出，給水文科學研究提出新的課題，即變化環境下的水資源形成與演化規律問題。IAHS會議的S1-S2，主要研討這些國際國家和區域尺度急迫的問題。關于S1和S2的研討內容題目摘錄如下：

S1：水脅迫下的社會經濟發展（E.Servat）

水源豐富，資金缺乏，水工業能否繼續生存尚未可知。

·健康部門希望從水文學家那兒得到什么?

·河流生態系統的研究和管理中對水文數據的需求。

·多學科綜合研究—對水危機的響應。

·食物保障中的水資源及管理。

·洪水控制與城市排水系統管理。

·全球水協作計劃

S2區域水資源管理

S2-1過去水管理的經驗與教訓（A.SchumannM.C.Acreman，M.Marino）：

·可持續發展的度量及其在實際水管理計劃中的實現。

·可持續水庫發展—津巴布韋實例研究。

·Yamuna河流域的可持續區域水管理：Delhi區域的實例研究。

·Limpopo河：逐步走向可持續發展和一體化的水資源管理。

·中國新疆博斯騰湖流域的水資源可持續性發展管理經驗的啟示。

·印度干旱地區過去管理實踐經驗總結。

·水壩功能新探——一個不應忽略的問題。

·Dehli區域水資源管理的一體化進程：問題與展望。

·北尼日利亞半干旱區域的Hadejia河上建壩的影響：對未來管理的建議。

·可持續發展的特征及供水管理模型。

·澳大利亞富營養化進程的現階段研究。

·城市水計劃書——印度班加羅爾的實例研究。

·水資源系統中相對可持續發展實現的框架。

S2-2可持續發展與水資源管理（夏軍，D.Rosbjerg，G.Schultz)

·為保護水生態系統的整合水質與水量的數學生態模型的發展。

·歐洲地下水可持續發展管理的指導方針。

·清除河岸異生植被是否為一種有效的水資源管理策略。

·地表水和地下水的聯合管理。

·河流管理可視化中的變換系統邊界。

·改善環境中被忽視的因子——監控。

·加入風險基金平衡流域經濟、社會、環境壓力之間的沖突。

·使用風險分析提高水資源系統模型的效率和精度。

·整合水資源管理中的角色分配。

·Volta流域的水資源競爭。

·復雜水環境管理中的空間適應方法。

S2-3水資源管理的方法（R.Davis，S.Walker）

·流域水平上的水資源管理整合模型。

·提高以決策支持系統為基礎的模型的精度——水管理中的一種好的建模實踐。

·持續性水系統的水力學標準。

·人工神經網絡系統實現的河流洪水預報。

·氣候變化影響評估中的不確定因子的概率特征。

·研究城市化對區域水資源影響的一種流域水文模型。

·水、氮循環的一種大尺度評估模型——在Elbe河流域的基礎研究。

·基于地形學和土壤水文學的濕地重建計劃方法的發展。

·英格蘭西南部Dartmour地區放牧對水文的影響。

四.21世紀水文科學的發展機遇與展望

傳統的水文學研究只考慮水量的自然變化，現代水文循環需要考慮地球生物圈、全球變化以及人類活動等方面的影響。國際地圈生物圈計劃（IGBP）代表國際地球學科發展前沿，水文循環的生物圈方面(BiosphereAspectsofHydrologicalCycle，簡稱BAHC)是IGBP的核心之一。它注重陸面生態-水文過程與空間格局的變化規律和受人類活動影響的關鍵問題，以科學地解釋：植被是如何與水文循環的物理過程相互作用的？改變陸面生態過程的直接原因是什么？是大尺度人類活動改變了陸面覆蓋？還是大氣中二氧化碳濃度增加的緣故？這些影響變化的水文后果如何？通過這些研究，為認識自然變化和人類活動影響下的土地利用/土地覆被變化與陸地表層生命物質過程，評估人類對生物圈的影響，保護環境和資源可持續利用提供科學的基礎依據。

通過7月在荷蘭舉行的IGBP和IAHS國際學術大會可以清楚看出，變化環境（即全球變化與人類活動影響）下的水文循環研究成為21世紀水科學研究的熱點。根據二十一世紀IGBP發展方向，國際上的BAHC研究重點也相應地進行了調整，主要有以下8個方面：

·小尺度水、熱、碳通量研究；

·地下過程作用的評價；

·陸地-大氣相互作用的參數化；

·區域尺度土地利用與氣候的相互作用；

·全球尺度植被與氣候的相互作用；

·氣候變化和人類活動對流域系統穩定與傳輸的影響；

·山區水文學與生態學；

·開發全球數據集；

此外，還有兩個交叉研究問題：

·設計、優選和實施綜合的陸地系統實驗；

·情景發展與風險/脆弱性分析。

變化環境下的水文循環及其時空演化規律研究，是國際國內地學領域積極鼓勵的創新研究課題。結合土地利用/土地覆被變化與陸地碳循環過程的水循環研究，是一個新的交叉方向。研究的熱點問題有：

問題1：全球變化與水文循環問題

它需要研究回答：全球變化對區域水循環規律？過去對氣圈-水圈-生物圈的相互聯系/作用是如何認識？現在又是如何認識水資源的演變？其規律是什么？

值得指出的是，過去在氣候系統與陸地水文循環之間存在一個誤區，即長期以來,水文學者把氣候看作是靜態:一個地區的氣候是指某種統計的平衡,WMO規定系列30年的平均作為準平均,用極差/標準差描述氣候變異。對陸地水文過程研究方面，認為長序列水文均值是穩定不變的，年徑流出現的豐、枯現象，被看作圍繞均值的周期變化。水利（水資源）工程設計：要求的水文計算都是以幾十年-幾百年時間尺度的水文過程穩定不變為前提。未來被看作是過去的重復或外延。例如，水資源的保證率有W75%，W50%等；設計洪水有千年設計和萬年校核等。另一方面，在氣候/天氣過程研究中，長期以來氣候學者把陸地水文看作是靜態，氣候/天氣過程研究僅僅到降水為止，較少研究流域水文循環動力機制與反饋作用。例如，天氣模式研究中僅設置若干參數代替水文過程變化和空間分布，認為陸面水文-生態的作用也是穩定不變的。例如，許多GCMs對水文循環作用過程考慮相當粗糙,平面無徑流聯系與循環過程。但是，現在人們業已認識：一個地區的氣候/水文循環過程并不處在統計的平衡狀態，而是以不同尺度變化（年際、十年際、百年際-千/萬年際變化）。決定氣候變化因子不僅僅是大氣內部的過程，還有大氣上邊界（太陽行星系統）和下邊界（陸地水文-生態、海洋系統）的各種物理化學過程。20世紀科學研究與進展顯示：陸面生態系統對大尺度水文循環有十分重要的反饋作用。因此，全球變化對水文水資源的影響是21世紀水文科學研究的前沿問題之一。因此，特別需要大力加強水文學家與大氣物理學家的聯系與合作，積極開展“全球-陸地-區域-流域尺度水文循環”科學基礎的研究。

問題2人類活動對水循環水資源的影響

人類活動對水循環及水資源有那些主要影響？人類活動如何對水的變化規律產生影響？有什么地區、區域特征規律？如何量化人類活動對水循環水資源的變化及影響？這是近代水科學面臨的主要科學問題。在IGBP科學大會上，特別強調土地利用/覆被變化與水循環、碳循環的關系。需要研究從“點”-“典型流域“的水循環機理、水文循環與生態系統的相互作用、地表水與地下水交換的相互作用，“大氣-土壤-植被”界面過程中的物質與能量轉化規律；開拓流域水文循環過程中的非線性機制研究；創新“分布式流域水文循環模型”，量化區域水文循環演化與土地利用/土地覆被影響關系，為認識陸地表層生命物質過程的提供重要的基礎科學支撐。

結合中國的實際背景，人類活動影響是驚人的。例如，在中國南方的長江流域，建國后洞庭湖圍墾1700余平方公里；鄱陽湖圍墾1400余平方公里；荊北所有通江湖泊被堵閉，減少調蓄長江洪水面積約5700余平方公里。建國后，長江中下游地區約有1/3以上湖泊面積被墾殖；損失湖泊面積13000余平方公里，相當于五大淡水湖泊面積總和的1.3倍；損失湖泊容積500億立方米左右，相當于三峽水庫調蓄庫容的5.8倍，淮河年徑流1.1倍。建國后，中游長江干流河道內的江洲河灘幾乎全部被圍墾。據不完全統計，圍墾面積約1213平方公里；城陵磯至螺山江段河床變遷劇烈，泥沙淤積問題嚴重。98洪水后，國家提出治理長江32字方針：“封山育林、退耕還林、移民建鎮、以工代賑、退田還湖、平垸行洪、加固干堤、疏浚河道”。但是，如何退田還湖？如何平垸行洪？認識人類活動（湖區開發、三峽工程）對水循環關系影響水科學基礎問題，都是十分重要又十分現實的問題。

在中國北方，人類活動劇烈。例如，在華北地區，水文循環機理比較復雜，它不僅與陸地表層系統中各種自然地理要素時空分布密切相關，而且與農業開發、都市化等土地利用/土地覆被直接相聯。由于社會經濟發展，人類活動改變了水循環自然變化的空間格局和過程，加劇了水資源形成與變化的復雜性。過去有關部門在華北水資源方面做了相當的工作。但是，在華北地區究竟缺多少水等基礎方面仍分歧較大。有人認為在華北通過自身的節水和提高用水效率可以解決水資源的需求問題；有人認為即使南水北調也不能從根本上解決北方缺水問題。爭論問題的科學問題焦點是：在自然變化和人類活動的綜合影響下華北地區水循環演化規律是什么？如何科學測算華北地區可供水資源量？華北地區節水的潛力究竟有多大？如何保障華北地區的水資源安全？爭論的原因是：自然變化和人類活動加劇情況下的華北地區水循環演變格局與過程機理，有待重新認識；受人類活動影響等變化環境下的華北地區水資源可利用量的測算科學依據不很充分；水資源安全與生態需水、節水潛力、國民經濟發展之間的量化關系需要研究。因此，開展自然變化和人類活動影響下的水循環及水資源安全研究，具有十分重要的科學意義和研究價值。

總之，21世紀水科學的挑戰問題是：迫切需要回答的科學問題是陸地水循環演化格局、過程與機理，即：

·如何對水、碳和能量在土壤~植被~大氣界面交換中的變化進行認識？

·變化環境下的水文循環時空演化有哪些特征規律？如何識別和量化？

·水循環物理過程在不同尺度（宏觀/中觀/微觀）是如何聯系、影響與作用的？

·如何評價那些由于土地利用及土地覆被變化而導致的陸面性質的改變，這些變化又影響陸地水循環過程變化和空間格局的變化？

回答上述問題，迫切需要建立認識陸地水循環演化格局的空間信息支撐系統、陸地水循環過程變化的實驗研究支撐系統和可定量描述自然變化/人類活動影響的分布式水循環模型等。這需要在充分利用現代科學技術，開展國家水平/國際間的水文科學實驗、變化環境下的水文水資源理論創新研究。這是21世紀水科學發展面臨的新的機遇與挑戰！

致謝：本文系國家自然科學基金委資助項目（49971017）和科學院2000年“百人計劃”中有關的國際前沿研究與展望研究內容，得到國家自然科學基金委員會和科學院地理科學與資源所的資助，對此表示衷心的感謝！

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