严登华1,2，王 浩1,2，张建云3，王振龙4，邢子强1,2，秦天玲1,2
(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029；4. 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000)
摘要：在气候变化和人类活动日趋增强的影响下，同一流域往往面临着水资源、水环境、水生态和水沙等多种水问题，且干旱和洪涝等极端事件发生的频率日渐增强；系统治理及减缓极值化，成为流域综合治理关键任务，而提升流域对水循环多过程的调节能力则是其关键。在对中国水问题发展形势进行研判的基础上，系统剖析了传统治水模式中强调“状态改变”、“末端治理”、“过程分离”等的不足；明晰了变化环境下水问题系统治理的总体需求和生态海绵智慧流域建设的总体思路；提出了生态海绵智慧流域建设的总体技术框架和若干关键问题。生态海绵智慧流域建设将充分遵循水循环多过程的演变规律，规范人类水土资源开发活动，实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-水生态的联合调控，最大限度实现“去极值化”，建设健全流域的综合服务功能，保育“山水林田湖”生命体功能。
关键词：系统治理；减缓极值化；末端治理；能力提升
在没有人类之前，流域通过天然地表覆被、土壤和地下含水层，对坡面-河道、地表-土壤-地下等水循环过程进行调节，水循环过程主要是在太阳能、重力等自然营力的作用下发生演变，整体表现为汇聚过程，并与其伴生的水化学过程、水生态过程和水沙过程发生多向反馈作用，也具有显著的一致性特征。随着人类活动影响的深入，取水—输水—用水—耗水—排水等社会循环过程的通量日渐加强，流域水循环过程逐渐演变为“自然-人工”二元驱动过程。随着自然和人类之间竞争性用水和用地的加剧，加之全球气候变化影响的深入，流域水循环的非一致性特征日渐显现，水循环与其伴生过程之间的多向反馈作用也发生了深刻变化，这也是所有水问题的本质和根源[1-3]。
为减缓人类活动对流域水循环及伴生过程的影响，构建健康水循环，支撑社会经济可持续发展，国内外开展了大量以水循环多过程为主线的流域综合治理研究及实践。围绕流域生态退化和水环境恶化，先后开展了“生态小流域”和“清洁小流域”研究与建设工作[4-5]；为了对流域水问题进行系统治理，流域综合管理受到学术界和政府部门长期以来的高度重视[6-8]。此外，为了实现流域水安全保障，中国开展实施“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的综合治水方针和最严格的水资源管理制度，全面推进“山青、水净、河畅、湖美、岸绿”为关键目标的水生态文明建设[9-10]。但是，纵观国内外水问题和发展态势，水问题仍是影响经济社会发展和生态文明建设的关键障碍性因素；在传统水问题尚未得到有效遏制的情况下，新的水问题不断呈现。如何科学识别和遵循水循环基本规律，诊断传统治水模式的不足；结合水问题的发展态势，革新治水模式，已成为学术界和政府部门面临的关键命题。
本文将在对中国当前存在的水问题及其发展趋势进行系统分析、同时剖析国内外传统治水模式中存在不足的基础上，以“自然-人工”二元驱动下的水循环及伴生过程为主线，提出下一步流域治水的总体需求及新的流域治水模式，以期为水文水资源工程与管理的相关理论与技术发展提供参考。
1.1 水资源短缺且其基础条件朝着不利方向发展
中国水资源主要存在以下4个方面问题：① 水资源并不丰富且时空分布不均，空间分布与人口、耕地、矿藏资源等社会经济要素分布不相匹配。② 水资源供需矛盾突出，中国尚处在工业化和城镇化的初级阶段，用水需求增长还将持续较长时间。③ 用水效率整体水平仍然不高。根据《2015年中国水资源公报》，中国的万元国内生产总值用水量为90 m3，农田灌溉水有效利用系数0.536，远低于国际先进水平[11]。④ 水资源基础条件极有可能朝着不利的方向演进。如中国北方地区水资源衰减明显[12-13]，且多数预测结果表明未来气候条件下极端降水事件将增加[14-15]。
1.2 水环境与水生态问题较为严峻，治理任务繁重
中国现阶段出现的水环境问题集中了欧美发达国家百余年工业化进程中不同阶段出现的问题，主要体现在以下4个方面：① 水质状况依然较差，地下水水质状况尤为严峻。② 湖泊和海洋环境污染问题日渐凸显。根据《2015年中国环境状况公报》，全国超过70%的重点湖泊(水库)水质劣于Ⅲ类；80%的河口生态系统中海水呈富营养化状态。③ 工业化和城镇化深入推进导致工业和生活污染排放强度增强、负荷加大。根据2011—2016年《中国统计年鉴》，近5年中国废水排放总量呈现显著增加趋势，年均增长率约为2.77%。④ 污染复合化问题短时期内难以遏制，新型和有毒有害水污染风险增大。此外，由于经济社会发展大量挤占河道内生态环境用水和超采地下水，导致许多地区出现河流断流、干涸，湖泊、湿地萎缩，入海水量减少，河口淤积萎缩、地下水位持续下降、地面沉降、海水入侵、土地沙化等一系列与水有关的生态问题。
1.3 极端事件频发，未来形势更为严峻、风险更大
针对中国干旱和洪涝事件，主要有以下6个方面研判。① 旱涝灾害仍是中国主要自然灾害。② 干旱尤其是农业干旱问题日益凸显。根据《2014年中国水旱灾害公报》，1950—2014年全国年均因旱灾造成的粮食损失约为162.88亿kg，占因自然灾害减产量的50.2%。③ 城市内涝问题愈演愈烈，基本覆盖全国31个省份。④ 山洪灾害异军突起。依据“全国山洪灾害防治规划简要报告”，自1949年以来，中国因洪涝灾害死亡人口中，山洪灾害占70%以上。⑤ 旱涝急转事件频发。1961—2011年淮河流域旱涝急转事件平均覆罩范围达17.35%，且呈增加趋势[16]。⑥ 未来旱涝形势依然严峻。干旱程度总体加重，冰湖溃决、融雪/融冰型洪水、以及沿海地区暴雨-风暴潮-天文大潮“三碰头”等新型洪涝灾害风险加大。
1.4 多种水问题在同一流域或区域交织叠加
中国各大流域均存在各类水问题并存，且叠加和累积影响日益严重。主要体现在：西北内陆河、海河、辽河流域缺水严重，河流生态系统退化和地下水超采问题极为突出；黄河流域水资源总量不足，河道泥沙淤积导致河流生态系统萎缩；淮河流域水环境污染问题久治不愈，旱涝灾害并存；长江流域源头生态退化问题日益突出，中下游太湖地区水体污染十分严重；珠江流域中下游地区污染严重，河口咸潮上溯问题突出[17]。
2.1 强调状态改变，未能对流域的调节能力进行建设
修复水生态、改善水环境、实现供用水和防汛抗旱等流域水安全，是传统治水的关键任务。对于水生态修复与水环境治理问题，基本理念是“将历史的记忆变成现实”，本质就是以历史某个时段的水生态与水环境状态为参照，改善现有的水生态与水环境状况，核心为状态改变[18]。面向生态退化和污染治理，国内外先后开展了生态流域和清洁流域研究与建设工作[4, 5](表1)，在减缓人类活动对健康水循环的影响方面具有一定的作用。
对于供水和防汛抗旱，重点是以历史水文观测序列为基础，部署在典型概率发生情景下的工程和非工程应对措施，从而提高供用水的保障程度、降低干旱和洪涝灾害的损失；其本质是对水循环状态的改变。
表1 生态流域与清洁流域建设模式对比
Table 1Construction mode comparison between the ecological watershed and clean watershed
建设模式目 标对 象任 务范 式调控支撑生态流域生态良好陆生生态系统+水生生态系统(地表过程)生态恢复+生态修复+生态保护状态改变水利信息化(数字流域)清洁流域水质安全生态恢复+生态修复+生态保护源头减排-过程阻断-末端治理污染减排
需要指出的是，上述治理模式的理论基础是“稳态”和“一致性”理论。然而，在气候变化和人类活动的影响下，水循环的一致性特征发生了根本变化[19-20]；生态环境条件也发生了深刻变化，不可能完全回复到历史状态。传统流域治理模式未能从水循环多过程调节能力提高的角度开展建设，难以实现长效发展。
2.2 “末端治理”模式难以从根本上遏制水问题
在传统防洪工作中，洪水治理往往依托水库和河道防洪工程等的建设和运行调度；也就是把防洪的任务放在河道汇流演进过程的调控，而对于从坡面到河道的层层削减等工程措施较少，未能充分发挥流域对暴雨产流过程的综合调节能力，属空间上的“末端治理”，防洪手段单一化，难以最大限度减缓洪涝灾害。与此同时，在局部地区随着硬化地面占比的增加和植被退化，储流能力降低、糙度降低、地表产流能力增加，增大了暴雨径流系数，也就增加了河道的行洪压力。
在传统的干旱治理中，往往是出现“旱象”之后才采取应对措施。然而在本阶段上，可利用的水资源量已处于临界状态，而此时的需水量却急剧上升；若得不到及时的降水补给，只能开采地下水乃至深层地下水，干旱应对效果也非常有限，“旱象”快速向“旱灾”转变。干旱治理的实施未能通过有效的长序列调算，合理预留抗旱水量，难以有效应对干旱,属于时间上的“末端应对”。
点源和面源污染物分别随着社会水循环和坡面汇流过程进入到河道水体中，是导致水质恶化的直接诱因。在传统的点源污染治理中，重点是放在“排水”环节上的污染物负荷削减上，未能结合用耗水过程从源头上减少污染物的排放，属于社会水循环的“末端治理”。对于传统面源污染治理，往往是面源污染负荷进入水体之前，采用生态学的措施进行拦截，提高受纳水体的纳污能力；属于产汇流过程中的“末端治理”。上述措施只能在一定程度上缓解流域水污染问题，难以从根本上解决。
总之，传统的主要治水实践中，未能有效遵循水循环多过程在时间和空间上的水力联系，属于典型的末端治理，难以最大限度减缓水患灾害。
2.3 过程分离，缺少多过程的统筹安排
以水利工程为例，根据其在流域内所部署的地貌部位，可划分为坡面工程、河道工程和地下水工程；当前调控的重点是建设河道工程。坡面工程主要是水土保持和水源涵养林建设，核心是对坡面水沙过程进行调节。河道工程主要包括水库和堤防建设，核心是对河道汇流演进过程进行调节。地下水工程主要是取水井和地下水库的建设和调度，核心是对地下水补排关系进行调节。需要指出，坡面-河道与大气-地表-土壤-地下过程构成了天然水循环的有机整体，天然水循环过程与社会水循环过程和水量-水质-水沙-水生态等流域水循环多过程需要统筹考虑。然而，在传统治水实践中，坡面与河道工程的布置未能有机衔接，导致部分河道工程的设计功能得不到充分发挥(图1)。
图1 传统治水的基本模式
Fig.1 Basic mode of the traditional water management
3.1 变化环境下水问题治理的总体需求
变化环境下水问题治理的总体需求就是要构建健康的流域自然-社会水循环系统，并让水资源最大限度发挥生态环境和社会经济功能，且不造成灾害影响，核心是调控社会水循环。主要包括四大基本要求：① 社会水循环不损害自然水循环变化的客观规律；② 社会水循环不改变天然水生态过程，水生态系统按照自然规律发生演化，水的生态服务功能不受损害；③ 社会水循环过程不会导致污染物等在水体中的富集，不改变水体功能；④ 社会水循环过程不会影响水沙过程，泥沙“去其应去的地方”。
需要指出的是，在全球变化和人类活动的影响下，水循环多过程的非一致性特征凸现，极值过程频发；需要在遵循流域水循环多过程的自然演变机理及规律，全面提高流域对其的综合调节能力。充分发挥流域的自然调节能力，整体提升流域的综合调节性能，有效应对水循环过程的“极值化”态势；治水还需建设健全流域的综合服务功能，保育“山水林田湖”生命体功能，实现自然与社会相协调；多种水问题交织，需进行水循环过程、水生态过程、水化学过程和水沙过程等多过程进行综合调控。
3.2 生态海绵智慧流域建设的总体思路
生态海绵智慧流域建设，就是要以流域水循环多过程为主线，充分挖掘和发挥天然系统对水循环的调节作用；规范人类水土资源开发活动，减少对自然水循环的扰动；系统布局地表灰色基础设施(水库、堤防、渠系、泵站、水井等)与绿色基础设施(林草地、湿地等)，建设棕色水库(土壤水)和蓝色水库(含水层和其他地下空间)；融合现代信息技术的新进展，建设红色基础设施(智能水网与智慧水务)，实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-水生态的联合调控，最大限度实现“去极值化”，系统解决流域水问题(图2)。
注：① 表示“首先要挖掘自然潜力”；② 表示“其次要强化绿色基础设施建设”；
③ 表示“在此基础上，统筹布局灰色基础设施”；④ 表示“要开展智能水网与智慧水务等红色基础设施建设”
图2 生态海绵智慧流域建设的总体思路
Fig.2 General idea of construction of the ecological sponge-smart river basins
4.1 总体技术框架
生态海绵智慧流域建设就是，充分遵循流域水循环多过程的演变机理及规律，以水循环多过程为主线，以调节能力提升需求为导向，系统布置工程和非工程措施，主要包括调节能力需求评估、调节能力系统配置和调节能力建设等三大关键任务(图3)。
图3 生态海绵智慧流域建设的总体技术框架
Fig.3 Theoretical framework of the ecological sponge-smart river basins
就调节能力及需求评估而言，重点是对植被、天然水体、土壤、地下水含水层等地理要素和水利工程等基础设施对水文水动力、水化学、水沙过程等调节性能和潜力进行评价，并就满足健康水循环构建的多过程调节需求进行评价。
就调节能力配置而言，重点是以“自然-人工”二元水循环多过程为主线，充分挖掘流域的自然调节潜力，对流域各类地理要素及基础设施的调节功能进行定位，对其调节能力进行配置，明确流域不同地理要素及基础设施应发挥的调节能力。
就调节能力建设而言，重点是根据流域水循环多要素过程的配置方案，明确各类地理要素及基础设施调节能力提升途径和方案，开展系统部署与建设。同时，综合运用大数据和云计算等现代信息技术，构建智能水网和智慧水务，以对水循环多过程进行全要素在线监控和职能化的运行调度，实现智能、主动服务。
此外，应结合水循环多过程演变的非一致性和不确定性，进行调节能力及效用的系统评估，对能力建设方案进行滚动修正。
4.2 若干关键科技问题
生态智慧海绵流域建设总体上属于全新的治水理念和发展愿景，需要对流域关键地理要素及基础设施的调节功能进行定位，尚需对现有的相关基础理论与技术进行整合提升。
4.2.1 调节功能诊断理论与技术
地理要素与基础设施的调节功能诊断，整体属于土地利用与土地覆被的水循环效应研究范畴。当前，国内外采用室内控制试验、野外原型观测和数值模拟等技术，已开展了大量研究[21]。但需要指出的是，在生态海绵智慧流域建设中，需要明确关键地理要素与水利工程等基础设施在流域整体调节功能中的定位；需要进一步遵循流域水循环多过程的演变机理与规律，以系统工程理论为指导，对各空间单元的关键地理要素和基础设施的水文水动力、水化学、水沙和水生态服务等功能进行精细化识别，进而对其综合调节能力进行诊断及定位。
4.2.2 调节潜力评估和优化配置理论与技术
相比之下，水库、堤防等水利工程对水文水动力及水资源的调节能力有明确的评价指标体系和评价方法，而对于森林、草地、湿地等天然植被和土壤、地下水的调节能力尚未有完善的评价指标与评价方法；对于其调节潜力的研究，更是鲜有报道[22, 23]。需要结合关键地理要素与基础设施对水循环多过程调节能力识别和定位，构建评价指标体系和评价标准。生态海绵智慧流域建设的基本目的和需求是“保障水安全、维持健康水循环”，在实践中需要进一步结合流域水循环的非一致性演变和极值化特征，构建细致的调节功能需求阈值。在调节能力优化配置中，除要按照供需关系进行配置外，还需要充分考虑各地理要素与基础设施调节能力之间的关联关系，需有复杂系统理论与技术做支撑。
4.2.3 天然系统调节能力恢复理论与技术
对于天然系统的恢复，国内外研究的重点是地表天然植被、河湖湿地等的恢复，土壤和地下水含水层系统的修复尚处在起步阶段[24]。与此同时，对于地表天然植被恢复，往往是以历史上某个阶段的状态作为目标，未能充分结合流域植被自然演化机理及生境适宜性特征，也未能充分考虑其对水循环多过程的影响，局部地区过渡恢复与退化并存。为此，亟待在控制实验、对比流域实验和数值模拟技术的支撑下，开展基于地表天然植被、河湖湿地及土壤和地下含水层特性及综合调节能力演化机理的研究，将流域生态历史演变与发展态势相结合，明确植被生境适宜性演变特征，构建天然系统调节能力恢复的理论与技术体系。
4.2.4 人工系统调节能力建设理论与技术
从土地覆被的角度来看，人工系统主要涉及耕地和居工地。对于上述两种土地覆被类型，重点是满足社会经济发展需求，社会水循环过程在整体水循环过程中占据主导地位，天然水循环过程的基本特征被改变[25-26]。此外，人工系统的另一主体就是水利工程。人工系统调节能力建设的基本原则是“以对天然系统的最小扰动获取最大调节能力”，建设的关键路径是海绵城市、土壤水库和水利工程体系。在当前海绵城市建设中，总体模式是“一片天对一片地、层层拦截”，对城市内涝问题有一定的缓解作用；城市是流域尺度上的点单元，海绵城市建设需要充分遵循流域水循环多过程演变规律，相关理论与技术也亟待完善[27-29]。针对耕地单元治理，重点是农田水利、排涝渍和面源污染治理；需要结合耕作制度及垄沟配置、走向等布局，进行水-肥-盐-光(能)的综合调控，充分发挥土地单元的调节作用。对于水库、渠道等水利工程的优化布局和建设而言，越来越受到生态敏感区和移民等的限制；在其调节能力建设中，重点是面向生态的工程体系联合调度，挖掘潜力。
4.2.5 智慧流域建设理论与方法
针对生态海绵智慧流域建设而言，智慧流域的核心任务就是要支撑关键地理要素及工程体系调节能力的充分发挥，需要融合信息技术、“自然-人工”二元水循环多过程模拟与预测预报、复杂巨系统综合决策等相关理论与技术，实现更全面的感知，更主动的服务，更整合的资源，更科学的决策，更自动的控制和更及时的应对，将物理网、信息网和调度网相融合；“自然-人工”二元水循环多过程模型是智慧流域的核心引擎[30]。需要指出的是，产-汇流等水循环多过程机理具有显著的时空差异性，同一数学方程难以客观描述流域尺度上不同地理单元全时段的水分、泥沙和污染物等的运动机理，需要结合自然地理条件，对模拟策略进行智能化的遴选。与此同时，很多要素过程模拟方程的适用条件已发生了深刻变化，亟待更新完善。
在气候变化和人类活动的影响下，水循环的非一致性特征凸显，极端事件频发，同一流域往往多种水问题相交织，需要进一步革新治水理念与模式。生态海绵智慧流域建设，充分融合了“山水林田湖”生命体理念和海绵城市与海绵田建设精髓，以调节能力提升与整合为关键，充分挖掘和发挥天然系统对水循环多过程的调节作用，减缓其“极值化”，加强自然水循环与社会水循环的匹配过程，减少社会水循环对自然水循环过程的干扰，促进自然水循环和社会水循环融洽和互补，既是治水的需求，也是学科创新发展的需求。生态海绵智慧流域研究与建设属复杂科学研究，本文中只是分析了其总体建设思路和关键任务，尚需进一步构建其理论与技术体系，并在实践中得以进一步检验完善。
参考文献：
[1]IPCC. Climate change 2014: synthesis Report. Contribution of working groups Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. Geneva: IPCC, 2014.
[2]V?R?SMARTY C J, SAHAGIAN D. Anthropogenic disturbance of the terrestrial water cycle[J]. BioScience, 2000, 50(9):753-765.
[3]OKI T, KANAE S. Global hydrological cycles and world water resources[J]. Science, 2006, 313 (5790): 1068-1072.
[4]胡建忠. 生态清洁型小流域建设:绿化,美化,净化,产业化[J]. 中国水土保持科学, 2011(1):104-107. (HU J Z. On greening, beautification, purification and industrialization in eco-clean watershed conservation[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2011(1):104-107. (in Chinese))
[5]COCHRAN B, LOGUE C. A watershed approach to improve water quality: case study of clean water services' Tualatin River Program[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2011, 47 (1):29-38.
[6]JASPERS F G. Institutional arrangements for integrated river basin management[J]. Water Policy, 2003, 5(1): 77-90.
[7]GOURBESVILLE P. Integrated river basin management, ICT and DSS: Challenges and needs[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2008,33(5):312-321.
[8]WIERIKS K, SCHULTE-WüLWER-LEIDIG A. Integrated water management for the Rhine River basin, from pollution prevention to ecosystem improvement[J]. Natural Resources Forum, 1997,21(2):147-156.
[9]张建云, 王小军. 关于水生态文明建设的认识和思考[J]. 中国水利, 2014(7):1-4. (ZHANG J Y, WANG X J. Issues related to building of water ecological civilization[J]. China Water Resources, 2014(7):1-4. (in Chinese))
[10]王浩. 水生态文明建设是解决石羊河流域生态问题的必要途径[J]. 中国水利, 2013(5):19-21. (WANG H. The building of water ecological civilization is the necessary channel to solve the ecological problems of Shiyang River basin [J]. China Water Resources, 2013(5):19-21. (in Chinese))
[11]SAVVA A P, FRENKEN K. Irrigation manual: planning, development monitoring and evaluation of irrigated agriculture with farmer participation[R]. Rome: FAO SAFR, 2002.
[12]WEI Q, SUN C, WU G, et al. Haihe River discharge to Bohai Bay, North China: trends, climate, and human activities[J]. Hydrology Research, 2016, 6(47):h2016142.
[13]夏军. 华北地区水循环与水资源安全:问题与挑战[J]. 地理科学进展, 2002,21(6):517-526. (XIA J. A perspective on hydrological base of water security problem and its application study in North China[J]. Progress in Geography, 2002, 21(6): 517-526. (in Chinese))
[14]IPCC. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation: a special report of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2012.
[15]LI H, FENG L, ZHOU T. Multi-model projection of July-August climate extreme changes over China under CO2 doubling: Part I: precipitation[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2011, 28: 433-447.
[16]黄茹. 淮河流域旱涝急转事件演变及应对研究[D]. 北京: 中国水利水电科学研究院, 2015. (HUANG R. Research on evolution and countermeasures of droughts-floods alternation events in Huaihe River basin[D].Beijing: China Institute of Water Resources & Hydropower Research, 2015. (in Chinese))
[17]LIU J, YANG W. Water sustainability for China and beyond[J]. Science, 2012, 337(6095): 649.
[18]张诚, 严登华, 郝彩莲, 等. 水的生态服务功能研究进展及关键支撑技术[J]. 水科学进展, 2011，22(1):126-134. (ZHANG C, YAN D H, HAO C L, et al. Advances in water ecosystam service study and its key supporting technologies[J]. Advancesin Water Science, 2011, 22(1):126-134. (in Chinese))
[19]刘宁. 中国水文水资源常态与应急统合管理探析[J]. 水科学进展, 2013, 24(2): 280-286. (LIU N. On the coordinated routine and emergency management of China’s hydrology and water resources[J]. Advances in Water Science, 2013， 24(2): 280-286. (in Chinese))
[20]董磊华, 熊立华, 于坤霞, 等. 气候变化与人类活动对水文影响的研究进展[J]. 水科学进展, 2012，23(2):278-285. (DONG L H, XIONG L H, YU K X, et al. Research advances in effects of climate change and human activities on hydrology[J]. Advances in Water Science, 2012, 23(2): 278-285. (in Chinese))
[21]ZHOU G, WEI X, CHEN X, et al. Global pattern for the effect of climate and land cover on water yield[J]. Nature Communications, 2015, 6(3): 5918.
[22]YAO H, GEORGAKAKOS A. Assessment of Folsom Lake response to historical and potential future climate scenarios: 2: reservoir management[J]. Journal of Hydrology, 2001, 249: 176-196.
[23]PETERS D L, PROWSE T D. Regulation effects on the lower Peace River, Canada[J]. Hydrological Processes, 2001,15(16):3181-3194.
[24]FOX P, HUTTON P H, HOWES D J, et al. Reconstructing the natural hydrology of the San Francisco Bay-Delta watershed[J]. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 2015,19(10): 4257-4274.
[25]SIVAPALAN M, SAVENIJE H H, BL?SCHL G. Socio-hydrology: a new science of people and water[J]. Hydrological Processes, 2012, 26(8): 1270-1276.
[26]QIN D, LU C, LIU J, et al. Theoretical framework of dualistic nature-social water cycle[J]. Chinese Science Bulletin, 2014,59(8): 810-820.
[27]van ROOIJEN D, TURRAL H, BIGGS T W. Sponge city: water balance of mega-city water use and wastewater use in Hyderabad, India[J]. Irrigation and Drainage, 2005,54(S1): S81-S91.
[28]张建云, 王银堂, 贺瑞敏, 等. 中国城市洪涝问题及成因分析[J]. 水科学进展, 2016, 27(4):485-491. (ZHANG J Y, WANG Y T, HE R M, et al. Discussion on the urban flood and waterlogging and causes analysis in China[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(4): 485-491. (in Chinese))
[29]张建云, 王银堂, 胡庆芳, 等. 海绵城市建设有关问题讨论[J]. 水科学进展, 2016, 27(6): 793-799. (ZHANG J Y, WANG Y T, HU Q F, et al. Discussion and views on some issues of the sponage city construction in China[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(6): 793-799. (in Chinese))
[30]蒋云钟, 冶运涛, 王浩. 基于物联网理念的流域智能调度技术体系刍议[J]. 水利信息化, 2010(5):1-5. (JIANG Y Z, YE Y T, WANG H. Discussion on intelligent regulation technology architecture for river basin based on internet of things[J]. Water Resources Informatization, 2010(5):1-5. (in Chinese))
*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.91547209).
YAN Denghua1,2, WANG Hao1,2, ZHANG Jianyun3, WANG Zhenlong4, XING Ziqiang1,2, QIN Tianling1,2
(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038, China;2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing 100038, China;3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029, China; 4. Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China)
Abstract：With the increasing impacts of both climate change and human activities, river basins were usually facing multiple water issues, which can impact water quantity, water environment, aquatic ecology and sediments. Simultaneously, increased frequencies of extreme hydrological events, such as droughts and floods, were observed. Thus, systematic management and retardation of extreme hydrological events became crucial goals of integrated water basin management. Raising the regulation capacity to multiple water cycling processes in a river basin is an important pathway. In this paper, based on the judgement of the China′s major water issues, we analyzed the shortage of traditional water basin management, which relied on changing status of water cycling processes, end-of-pipe control technologies and the process dissociation. We analyzed the overall demand of solving water problems from a systematic level under the changing environment, the general idea of the ecological sponge-smart river basins construction, and proposed the theoretical framework and the critical research questions of the ecological sponge-smart river basins. The construction of ecological sponge-smart river basins should base on ① taking full consideration of the evolutional rules of multiple water cycling processes; ② regulating human activities, including exploring water and land resources; ③ achieving the joint regulation among the surface-soil-underground hydrological processes, including water quantity, water quality, sediments and aquatic ecosystem. We aimed to utmost retard extreme hydrological events, construct and improve comprehensive service functions of a river basin and achieve the conservations of the ecological functions of the ecosystems, including mountains, rivers, farmland, forests and lakes.
Key words：systematic management; retarding extreme hydrological event; end-of-pipe control technologies; improving capability
DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.016
收稿日期：2016-10-06;
网络出版：时间：2017-02-13
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20170213.1143.002.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(91547209)；流域水循环模拟与调控国家重点实验室代表性成果培育项目(2016CG02)；国家重点研发计划资助项目(2016YFA0601503)
作者简介：严登华(1976—)，男，安徽太湖人，教授级高级工程师，博士研究生导师，博士，主要从事气候变化与水资源应对、生态水文模拟与调控及3S技术应用研究。E-mail:yandh@iwhr.com
通信作者：邢子强，E-mail：ziqiangxing@gmail.com
中图分类号：TV212.4；G353.11
文献标志码：A
文章编号：1001-6791(2017)02-0302-09
联系客服
