變化環境下區域水資源變異問題研究（簡體書）

《變化環境下區域水資源變異問題研究》針對氣候變化、土地利用和覆被變化導致的區域水資源變異問題，系統地介紹作者關於在變化環境下地表水資源變異問題的研究成果。全書由16章構成，主要部分有兩篇：第一篇為理論方法，主要介紹針對水資源變異問題所採用的水文變異診斷系統、變化環境下非一致性水文頻率計算原理，以及基於跳躍分析、線性趨勢、降雨一徑流關係、非線性趨勢、小波分析和希爾伯特一黃變換的非一致性水文頻率計算方法；第二篇為變異問題，也是《變化環境下區域水資源變異問題研究》的核心部分，主要闡述了變化環境下區域水資源時間尺度變異、空間尺度變異、年內分配變異、水資源變異歸因、水資源評價方法選擇、區域水資源評價、水資源變異綜合評價等問題的分析方法，以及對變化環境下水資源配置、規劃與管理等工作的指導和示範作用。《變化環境下區域水資源變異問題研究》可供水文水資源科學、資源科學、地理科學、環境科學的科研人員、大學教師和相關專業的高年級本科生和研究生，以及從事水利工程、水土保持工程和環境工程的技術人員參考。·

王燕，青島理工大學教授，博士生導師，工學博士。兼任國家住房和城鄉建設部高等學校土木工程專業指導委員會委員，中國鋼結構協會專家委員會委員，中國建築金屬結構協會專家委員會委員，中國鋼結構協會穩定與疲勞協會常務理事，《工業建築》、《鋼結構》雜誌編委。享受國務院政府特殊津貼專家，山東省有突出貢獻的中青年專家，榮獲國家級教學名師獎、寶鋼教育基金優秀教師特等獎。長期從事結構工程學科鋼結構設計理論及其工程應用領域的教學與科研工作，先後主持國家自然科學基金項目、高等學校博士點專項科研基金項目、國家標準《鋼結構設計規範》科研專項基金項目、山東省自然科學基金項目、青島市科技攻關項目、青島市建設科技項目以及橫向重大科技開發等科研項目40余項。主持的科研項目先後獲得國家科技進步二等獎1項，山東省科技進步一等獎1項，青島市科技進步二等獎2項、三等獎1項；獲得國家實用新型專利2項；主持的教學研究項目先後獲得國家教學成果二等獎1項，山東省優秀教學成果一等獎1項、二等獎2項。出版學術專著2部、主編教材2部、參編國家規範和行業標準4部，已培養50余名博士、碩士和博士後研究人員，在國內外學術刊物上發表學術論文1 50餘篇，教學研究論文近20篇。·

謝平、許斌、章樹安、楊桂蓮、竇明等編寫的《變化環境下區域水資源變異問題研究》在專著《變化環境下地表水資源評價方法》的基礎上，利用水文變異診斷系統對作者提出的水資源時間尺度變異、空間尺度變異、年內分配變異、水資源變異歸因、水資源評價方法選擇、水資源變異綜合評價等各種水資源變異問題進行分析；并利用變化環境下非一致性水文頻率計算原理，以及跳躍分析、線性趨勢、降雨-徑流關系、非線性趨勢、小波分析和希爾伯特-黃變換的非一致性水文頻率計算方法，在海河水資源分區中對永定河冊田水庫以上三級區的地表水資源量進行評價。

前言第1章 緒論1.1 研究背景和意義1.1.1 研究背景1.1.2 研究意義1.2 變化環境下區域水文水資源響應1.2.1 水資源1.2.2 區域水資源變異問題1.3 水資源變異問題研究進展1.3.1 時間尺度（年際）、空間尺度、年內分配的變異問題1.3.2 實測、還原和還現年徑流序列的變異問題1.3.3 地表、地下和水資源總量的變異問題1.3.4 降水、藍水和綠水總量的變異問題1.4 研究思路及研究內容1.5 主要特色1.6 本章小結參考文獻第一篇 理論方法第2章 水文變異診斷系統2.1 水文變異的定義2.2 水文變異診斷系統2.3 初步診斷2.3.1 過程線法2.3.2 滑動平均法2.3.3 Hurst係數法2.4 詳細診斷2.4.1 趨勢詳細診斷2.4.2 跳躍詳細診斷2.5 綜合診斷2.5.1 綜合診斷的定義2.5.2 趨勢綜合2.5.3 跳躍綜合2.6 權重計算原理2.6.1 向量相似度計算原理2.6.2 水文變異檢驗方法權重計算2.7 診斷結論輸出2.7.1 變異形式的選擇2.7.2 成因分析及診斷結論驗證2.8 本章小結參考文獻第3章 變化環境下非一致性水文頻率計算原理及方法3.1 引言3.2 非一致性水文頻率計算的假設前提3.3 非一致性水文頻率計算的一般方法3.3.1 非一致性水文序列的分解計算3.3.2 非一致性水文序列的合成計算3.4 非一致性水文頻率計算的具體方法3.4.1 基於跳躍分析的非一致性水文頻率計算方法3.4.2 基於線性趨勢的非一致性水文頻率計算方法3.4.3 基於降雨一徑流關係的非一致性水文頻率計算方法3.4.4 基於非線性趨勢的非一致性水文頻率計算方法3.4.5 基於小波分析的非一致性水文頻率計算方法3.4.6 基於希爾伯特一黃變換的非一致性水文頻率計算方法3.5 本章小結參考文獻第二篇 變異問題第4章 研究區域概況4.1 三級區永定河冊田水庫以上4.2 三級區開孔河4.3 三級區漳衛河平原4.4 三級區渭河寶雞峽以上4.5 花園口水文站4.6 本章小結參考文獻第5章 時間尺度變異問題第6章 空間尺度變異問題第7章 年內分配變異問題第8章 水資源變異歸因分析第9章 水資源評價方法及其選擇問題第10章 區域水資源評價問題第11章 實測、還原、還現年徑流變異問題第12章 地表、地下水資源和水資源總量變異問題第13章 降水、藍水、綠水資源變異問題第14章 水資源變異綜合評價問題第15章 水資源評價的不確定性問題結論與展望第16章 結論與展望·

第1章 緒論
1.1 研究背景和意義
地球萬物賴以生存的環境無時無刻不在發生著變化，由于頻繁的人類活動和自然生態系統自身的演變，環境變化程度越來越劇烈。水是生物圈的血液，是維持人類和生態系統的基礎。在變化環境的大背景下，我國很多區域出現了水資源變異問題，這些問題給區域水資源保護、水資源配置等工作帶來了新的挑戰；如何妥善地解決這些問題、探索出變化環境下的水資源演變規律，以及如何采取科學的方法對水資源進行合理地評價，這些問題都亟待解決。
1.1.1 研究背景
水是地球萬物的生命之源，是生命賴以生存和發展的基本條件，是維系地球生態系統功能的重要媒介，也是自然環境中極為重要和活躍的因素。水資源通常被認為是能夠被人類直接利用的淡水資源，是支撐人類經濟社會系統發展不可替代的基礎性自然資源和戰略資源。
水資源在自然界中不斷地進行著循環往復，但其總量是有限的，且受到氣候和地理條件的影響，不同地區的水資源量相差很大，即便是在同一地區，也存在年內和年際變化。如北非和中東很多國家（埃及、沙特阿拉伯等）降雨量少、蒸發量大，導致徑流量很小、人均及單位面積土地的淡水資源占有量非常少；相反，冰島、印度尼西亞等國家，以每公頃土地計的徑流量比貧水國高出1000倍以上。在我國，水資源分布的特點是南多北少，且降水大多集中在夏秋兩季的三四個月里。
由于水資源的不可替代性和用途的多樣性，包括生態系統在內的各用水環節，在利用水資源時往往會出現各種矛盾，例如，不同地區、部門之間爭奪水資源的使用權、單一用水部門的水資源需求與供給的矛盾等。為了妥善解決以上用水矛盾，協調人類社會不同用水地區、部門之間以及人類社會和生態系統之間的水量分配，在促進人類社會發展的同時，為實現人與自然和諧發展的目標，就需要對有限的水資源進行評價、保護、規劃和管理等工作，使其盡可能滿足各方面的要求，并發揮出較大的社會效益、經濟效益和生態效益。
水資源評價（waterresourcesassessment）是對一個國家或地區的水資源數量、質量、時空分布特征和開發利用情況作出的分析和評估。它是保證水資源可持續利用的前提，是進行與水有關活動的基礎，是為國民經濟和社會發展提供供水決策的依據。水資源評價工作最早見于19世紀中期，美國對俄亥俄河和密西西比河的河川徑流量進行了統計。經過100多年的發展，水資源評價工作已經得到了長足的發展，評價方法也在不斷地完善。現在的水資源評價工作，在早期只統計天然情況下河川徑流量及其時空分布特征的基礎上，增加了水資源工程規劃設計所需要的水文特征值計算方法及參數分析、水資源工程管理及水源保護等內容，特別是對水資源供需情況的分析和預測，以及在此基礎上的水資源開發前景展望逐漸成為主要的內容。此外，對水資源開發利用措施的環境影響評價，也正在成為人們關注的新焦點。
水資源保護（waterresourcesprotection）是通過行政、法律、工程、經濟等手段，保護水資源的質量和供應，防止水污染、水源枯竭、水流阻塞和水土流失，以盡可能地滿足經濟社會可持續發展對水資源的需求。水資源保護包括水量保護與水質保護兩方面。在水量保護方面，應統籌兼顧、綜合利用、講求效益，發揮水資源的多種功能，注意避免水源枯竭、過量開采，同時，還要考慮生態保護和環境改善的用水需求；在水質保護方面，應防止水環境污染和其他公害，維持水質良好狀態，特別要減少和消除有害物質進入水環境，加強對水污染防治的監督和管理。
總之，水資源保護的最終目的是保證水資源的永續利用，促進人與自然的協調發展，并不斷提高人類的生存質量。
水資源規劃（waterresourcesplanning）是以水資源利用、調配為對象，在一定區域內為開發水資源、防治水患、保護生態系統、提高水資源綜合利用效益而制定的總體措施計劃與安排。水資源規劃旨在合理評價、分配和調度水資源，支持經濟社會發展，改善環境質量，以做到有計劃地開發利用水資源，使經濟發展與自然生態系統保護相互協調。水資源規劃的主要內容包括水資源量與質的計算與評估、水資源功能的劃分與協調、水資源的供需平衡分析與水量科學分配、水資源保護與災害防治規劃以及相應的水利工程規劃方案設計及論證等。
水資源管理（waterresourcesmanagement）是指對水資源開發、利用和保護的組織、協調、監督和調度等方面的實施，是水資源規劃方案的具體實施過程。水資源管理是水行政主管部門的重要工作內容，旨在科學、合理地開發利用水資源，支持經濟社會發展，保護生態系統，達到水資源開發利用、經濟社會發展和生態系統保護相互協調的目標。水資源管理內容主要包括運用行政、法律、教育等手段，組織開發利用水資源和防治水害；協調水資源的開發利用與經濟社會發展之間的關系，處理各地區、用水部門間的用水矛盾；制定水資源的合理分配方案，處理好防洪和興利的調度原則，提出并執行對供水系統及水源工程的優化調度方案，對來水量變化及水質情況進行監測與相應措施的管理等。
在各種與水資源相關的工作中，具有基礎性作用的是水資源評價工作，水資源保護、規劃與管理等工作均要依托于水資源評價的結果。由于地表水資源開發利用方便、更新速度快等原因，它往往在區域水資源利用中占有較大的比重，而地表水資源評價的實質是對年徑流序列的頻率計算。因此，水資源實測時間序列具有非常重要的地位，在水資源相關工作中，也都要求水資源時間序列具有代表性、可靠性和一致性。
地球自誕生之日起，其環境就在不斷地發生變化。當人類出現以后，尤其是工業革命以來的200多年間，隨著科技的進步和社會生產力的提高，人類在創造了前所未有的財富、推進人類社會文明進步的同時，也使人類賴以生存的自然環境遭受到了極大地干擾和影響，且力度越來越大，手段也越來越豐富。早在2002年就有學者對因人類活動而改變的地球表面積進行統計，其結果顯示當時已經有接近一半的地球表面受到了人類或多或少的影響。受人類活動和自然變遷的綜合影響，地球環境發生了一些非自然的和不正常的變化，例如，大氣中二氧化碳濃度不斷增加，極端天氣、洪澇、干旱現象頻繁發生等。水資源作為自然資源的重要組成部分和人類社會發展的基礎性資源，其循環過程逐漸受到氣候變化以及日益加劇的人類活動等多種因素直接或間接的影響，例如，人類修建水庫以獲得一定的防洪、發電、漁業、灌溉等效益，但是卻使得區域蒸發量增大，水文過程受到了水庫調節的影響；再如，人類通過改變土地覆被狀況等極大地改變了流域的下墊面條件，從而影響局部水循環。這些影響導致水資源序列不再滿足一致性的要求，謝平等將這種水資源序列的分布形式和（或）分布參數在統計尺度上出現的非一致性定義為水文變異或水資源變異。水資源變異可以是時間上的，如水資源的年內分配和年際變異，也可以是空間上的，如水資源在不同分區上的空間變異；它可以發生在實測序列之中，也可以發生在已經考慮了人類活動影響的還原或還現序列之中；它還可以是地表、地下或者水資源總量序列的變異等。
水資源變異的出現，會對實測水資源序列造成直接的影響，使其不再滿足一致性的要求，從而對水資源評價工作造成很大影響，使傳統評價結果出現偏差；而建立在水資源評價基礎上的水資源保護、規劃與管理工作，則會受到間接或直接的影響，從而產生一系列的不確定性問題，本書中統稱為水資源變異問題。在水資源序列已經發生不同程度的變異時，它會對現有的水資源評價、保護、規劃與管理工作造成哪些影響，又會出現哪些問題；如何開展變化環境下水資源領域的相關工作，對變化環境下的水資源量進行合理評價，是擺在水文工作者面前必須妥善解決的問題。
1.1.2 研究意義
我國將全國范圍內的水系按照水文、氣候、地理等因素劃分為十個水資源一級區，結合各個一級區內的自然地理條件和水資源開發利用及水旱災害狀況，又將一級區劃分為不同的二級區和三級區，其中三級區是按照流域尺度劃分的最小區域。在變化環境的大背景下，除了應該關注一級區水資源情勢的響應外，更具有基礎性和關鍵性的是，要關注作為其基本組成單元的三級區水資源情勢將如何演變。
水資源作為人們日常生活不可缺少的基礎性資源，在社會經濟發展中扮演著非常重要的角色。但是由于環境變化而出現的水資源變異，無論是跳躍性的突變，還是趨勢性的漸變，都可能會對水資源的供給造成潛在的威脅或影響。如果流域的水資源規劃沒有充分考慮水資源變異，其水資源評價結果、水資源規劃方案以及相應的管理措施，都有可能達不到預期的效果，難以保障供水安全，其后果將非常嚴重。
海河區位于我國中東部沿海，流域內有北京、天津等政治、經濟和文化中心，是我國城市群非常集中的流域之一。三級區永定河冊田水庫以上隸屬于海河區的二級區海河北系，總面積19182km2，主要是指永定河支流桑干河在冊田水庫以上的部分。該區作為永定河的源頭區域，其徑流變化是否受到了氣候變化和人類活動的顯著影響，以及受影響后水資源情勢將如何演變，不僅關系到海河區內人民的切身利益，而且對于海河區的水資源規劃和可持續開發利用都具有非常重要的意義和典型示范作用。
為此，作者將針對變化環境下永定河冊田水庫以上三級區出現的水資源變異問題，利用水文變異診斷系統和變化環境下非一致性水文頻率計算原理與方法，對該區的水資源變異問題進行分析，并在此基礎上對變化環境下的地表水資源量進行評價，為其他水資源工作的開展奠定良好的基礎；定量地評定氣候變化和人類活動對該區水資源變異的貢獻率，總結該區對變化環境的響應規律，為區域水資源規劃提供科學依據。
需要說明的是，由于永定河冊田水庫以上三級區徑流還現資料、降水資料等的限制，本書在研究徑流還現序列變異以及綠水資源變異問題時，還選用了鄭州市花園口水文站、海河區的漳衛河平原三級區、西北諸河區的開孔河三級區、黃河區的渭河寶雞峽以上三級區等幾個站點和區域的資料。
1.2 變化環境下區域水文水資源響應
1.2.1 水資源
水資源（waterresources）一詞很久以前就出現了，隨著時代的進步其內涵也在不斷地豐富和發展。1894年，美國地質調查局（UnitedStatesGeologicalSurvey，USGS）設立了水資源處（WaterResourcesDepartment，WRD），使“水資源”這一名詞開始被正式使用；在過去的100多年中，人類對水資源的研究日益深入，研究的內容也日益廣泛，但是對水資源的定義和內涵依然沒有一個系統概念。
《大不列顛大百科全書》將水資源解釋為：“全部自然界任何形態的水，包括氣態水、液態水和固態水的總量”，但資源的本質屬性就是體現在其“可利用性”上，不能被人類所利用的水不能稱其為水資源。鑒于此，1963年英國《水資源法》把水資源定義為“具有足夠數量的水資源”，即自然界中水的特定部分；1988年，聯合國教科文組織（UnitedNationsEducational，Scientifical，andCulturalOrganiza-tion，UNESCO）和世界氣象組織（WorldMeteorologicalOrganization，WMO）在共同制定的《水資源評價活動――國家評價手冊》中，定義水資源為“可利用或有可能被利用的水源，具有足夠數量和可用的質量，并能在某一地點為滿足某種用途而被利用”；1992年出版的《國際水文學詞匯》將水資源定義為：“在一個地區和一個時期內，可以滿足某種特定需求的、有足夠數量和質量的可用水量或可以被開發利用的水量”。上述觀點凸顯了一個問題：有“量”無“質”，或有“質”無“量”均不能稱其為水資源。
在我國，對水資源的理解也不盡相同。在《中國大百科全書》“水利卷”中，水資源被定義為“自然界各種形態（氣態、固態或液態）的天然水，并將可供人類利用的水資源作為評價的水資源”。20世紀80年代初進行了第一次水資源評價，在《中國水資源初步評價》中水資源被定義為：“逐年可以得到恢復的淡水量，包括河川徑流和地下水補給量，而大氣降水則是它們補給的來源”。1991年，《水科學進展》編輯部組織多名知名學者對水資源的含義進行探討，但主要觀點并不一致。2001年，郭洪宇等將水資源理解為：人類長期的生存、生活和生產過程中所需要的各種水，既包括了數量和質量的定義，又包括它的使用價值和經濟價值。2002年，王浩等提出要從水資源承載的雙重客體――人類社會和生態環境角度，結合可持續發展理念對水資源的有效性、可控性與可再生性進行描述，從而對水資源實施明確的界定和統一的評價；同時按不同評價口徑將水資源劃分為廣義水資源量、狹義水資源量、生態需水量和國民經濟可利用量。2003年，陳家琦認為：廣義的水資源是指在地球的水循環中，可供生態環境和人類社會利用的淡水，它的補給來源是大氣降水，它的附存形式是地表水、地下水和土壤水。《水資源評價與管理》指出：狹義的水資源是指人類在一定的經濟技術條件下能夠直接利用的淡水，主要指陸地上的地表水和地下水，通常以淡水的年補給量作為狹義水資源量的定量指標，如用河川徑流量表示地表水資源量，用含水層補給量表示地下水資源量；廣義上的水資源是指能夠直接或間接利用的各種水和水中物質，任何在社會生活和生產中具有使用價值和經濟價值的水都可稱為水資源。
本書中所指的水資源僅限于狹義水資源，即滿足人類及其生存環境穩健發展所需、能不斷補充更新的淡水資源；書中內容主要涉及地表水資源，其補給來源主要為大氣降水，其賦存形式主要為河川徑流，具有資源、社會、生態等多重屬性。
1.2.2 區域水資源變異問題
不同的水資源序列，其發生變異時對水資源工作的影響不同。本書中根據不同的水資源序列變異情況，將區域水資源變異問題歸納如下：
（1）時間尺度（年際）、空間尺度和年內分配變異問題
區域水資源評價、保護、規劃和管理工作，離不開時間和空間尺度的水資源序列。由于水資源具有時空屬性，同一地區水資源量有年內變化和年際波動；而同一時間水資源量因地區不同有多寡之分。因此，考慮水資源時間變異問題，對同一地區，應考慮其年際尺度和年內分配是否出現變異；存在變異時其對區域水資源工作而言，可能造成的問題包括哪些？如果時間尺度相同，應考慮變異后的區域水資源在空間分布上有何新的特點和演變規律；聯系最為緊密的是哪些計算單元；會對水資源工作造成哪些影響？在明晰了變化環境下水資源在時間空間尺度上的變異問題后，該如何評價變化環境下的水資源？當存在很多種評價方法時，又該如何對其選擇和甄別？這些問題都可以歸納在本書中進行闡述和分析。
（2）實測、還原和還現年徑流序列變異問題
實測、還原和還現年徑流序列變異，主要影響到區域水資源評價工作。河流的徑流量受到氣候變化與人類活動的影響，而人類活動對河川徑流量的影響主要表現在兩個方面：第一，隨著經濟和社會的發展，河道外引用消耗的水量不斷增加，直接造成河川徑流量的減少，許多水文站的實測徑流已不能代表天然情況；第二，由于工農業生產、基礎設施建設和生態環境建設改變了流域的下墊面條件（包括植被、土壤、水面、耕地、潛水位等因素），導致入滲、徑流、蒸散發等水平衡要素的變化，從而間接造成產流量的減少或增加。這些因素改變了實測水文資料的一致性，使其不能準確地反映該區域水資源量的大小。對非一致性水文序列，通常采用對實測資料的還原和還現處理方法：還原方法主要用于消除對實測資料的直接影響，包括工程攔蓄水和河道外引用水量的還原計算，還原后的序列稱為還原序列；還現方法主要用于消除對實測資料的間接影響，主要是流域下墊面條件變化進而引起產匯流規律變化的還現計算，經過還現修正后的序列稱為還現序列。由于水資源調查精度、還原數據準確度等方面的影響，是否完全把人為因素考慮在經過還原或還現處理后的水資源序列內，將直接關系到水資源評價結果的準確程度。