美国水资源调查监测评价体系综述及对中国的启示_刘鸿仓.pdf

美国水资源调查监测评价体系综述及对中国的启示*刘鸿仓1）宝康妮2，3）朱文彬2，4，5）（1）青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司，810001，青海西宁；2）中国科学院地理科学与资源研究所，100101，北京；3）辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，123000，辽宁阜新；4）青海大学水利电力学院，810016，青海西宁；5）青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，810016，青海西宁）摘要系统梳理发达国家水资源调查监测与评价体系，汲取有益经验，可为我国当前的自然资源调查监测体系建设提供有益参考.考虑到美国在此方面的先进性，首先以文献综述的方式回顾了美国水资源调查监测与评价的历史发展过程；然后着重从监测技术、组织方式、调查目标、调查内容与评价方法等方面概述了美国水资源调查监测与评价的现状；进而依据其水资源普查进展报告，对美国水资源普查的未来规划进行了总结与展望.在此基础上，针对我国当前水资源调查评价存在的问题，通过系统对比与分析，从数据共享、不确定性分析、水文模型开发应用以及遥感技术推广 4 个方面提出经验借鉴.关键词水资源；监测技术；调查评价；美国；综述中图分类号TV211.1DOI：10.12202/j.0476-0301.20221080引言水资源作为基础性的自然资源和战略性的经济资源，对人类社会的稳定发展与生态系统的健康平衡具有不可替代的重要作用14.因此，如何合理开发利用水资源一直是世界各国普遍关注的热点议题，而对水资源进行调查监测与评价，摸清水资源家底及其演变趋势，是其合理开发利用的基本前提.在此背景下，世界各国都在以不同的形式开展水资源调查监测与评价工作5.美国于 1968 及 1978 年完成了 2 次国家水资源调查监测及评价，2 次工作开展的重心在于水资源的本底状态评价，以及水资源开发利用评价，形成了以统计为主的水资源评价方法.之后世界其他国家陆续模仿美国开展了水资源的监测及评价工作，世界气象组织 WMO（WorldMeteorologicalOrga-nization）及联合国教科文组织 UNESCO（UnitedNationsEducationScientificandCulturalOrganization）基于多个国家开展水资源评价的经验，于 1988 年制定了水资源评价活动国家评价手册，明确了水资源监测与评价要针对水资源的来源、范围、可依赖程度和质量进行确定.1997 年该手册经 WMO 及 UNESCO 修订，形成了水资源评价国家能力评估手册，拓展了水资源评价的定义.2000 年发布的世界水发展报告，强调了实践保护水资源的现实意义及水资源评价的必要性.新中国成立以来，我国相继开展了 3 次全国范围的水资源调查评价，取得了举世瞩目的成就6.然而同世界发达国家相比，我国近代的水资源调查评价工作发展历程相对较短，在监测技术、调查手段与评价方法等方面仍有较大的改进空间，亟须进一步完善与提升.在发达国家中，美国水资源总量为 2.97 万亿 m3，与我国水资源总量（2.84 万亿 m3，第 2 次全国水资源调查评价结果）非常接近，二者同属水资源大国；而且美国的水资源调查监测与评价体系相对完备，在技术与方法领域处于世界领先地位7.因此，了解掌握美国水资源调查监测与评价的历史演变、发展现状及未来规划，对我国水资源调查监测与评价体系的完善与提升具有重要的借鉴意义.本文以美国地质调查局（UnitedStatesGeologicalSurvey，USGS）的水资源调查进展报告为主要依据，首先通过文献综述的方式回顾了美国水资源调查监测与评价的发展历程；然后重点从监测技术、调查方式与评价方法 3 方面概述了美国水资源调查监测与评价的发展现状，并进一步总结了美国水资源普查的未来规划；最后从经验借鉴的角度，提出了我国水资*国家重点研发计划课题资助项目（2021YFC3000201）；青海省重大科技专项资助项目（2019-SF-A4）；世界银行贷款技术援助项目子项目（A46）；中国科学院青年创新促进会资助项目（2020056）通信作者：朱文彬（1987），男，副研究员.研究方向：遥感水文与水资源管理研究.E-mail：收稿日期：2022-04-27北京师范大学学报（自然科学版）2023-0264JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）59（1）源调查监测与评价体系改革的政策建议.1美国水资源调查监测与评价的发展历程从时间节点来看，美国水资源调查监测与评价的发展历程可以分为 3 个阶段.19 世纪开始，虽然欧洲的水资源调查监测工作已经取得了显著进展，但美国在此方面仍处于萌芽阶段.在地表水方面，1840 年美国对密西西比河和俄亥俄河的河川径流量进行了监测与统计分析，并相继出版了一系列专著，如科罗拉多州水资源纽约州水资源等8.在地下水方面，则主要集中在自流井勘测与成井条件分析等方面，欠缺对地下含水层区域性的定量评价.可以看出，该阶段美国的水资源调查监测与评价工作属于工程水文学的范畴，其目的主要是为区域性的水资源开发规划或工程设计提供相关资料.美国的水资源调查监测与评价在 20 世纪得到快速发展，USGS 逐渐成为联邦政府在该领域的主管部门.具体来说，该阶段 USGS 开始开展区域性的水资源调查评价，根据区域供水状况和用水需求，将全国划分为 21 个水资源分区9.与此同时，USGS 在人力物力与技术研发方面不断增加投入，并着眼布局全美水资源监测站网，为下一步开展全国性的水资源调查监测与评价奠定了重要基础10.在此背景下，美国国会于 1965 年成立水资源理事会（U.S.WaterResourcesCouncil，WRC），颁布水资源规划法案，开始谋划全美整体的水资源调查监测，并于 1968 和 1978 年开展了2 次全国性的水资源评价，评价的内容主要包括：水资源量现状及变化趋势、水资源供需匹配状况及相关问题的解决途径11.其中第 1 次以天然水资源量评价为主，第 2 次侧重于可供水量和用水需求分析.总体来看，2 次全国水资源评价初步形成了规范化的水资源量评价体系与机制5.在水质方面，随着美国取用水量的不断增长，水生态退化和水环境污染等问题日益突出.1972 年，美国联邦环保署（U.S.Environ-mentalProtectionAgency，EPA）通过了清洁水法，标志着美国水质监测走向了规范化12；1974 年，美国国会为达到保护地表与地下饮用水安全的目的，颁布了安全饮用水法；1991 年，USGS 为掌握地表水与地下水的水质状况，启动了为期 10 年的国家水质评估（NationalWater-QualityAssessment，NAWQA）项目.总体来说，20 世纪美国无论是在水量还是水质调查监测与评价方面都取得了重要成就，相关工作具有明显的参考价值和指导意义，但该阶段全国性水资源评价的重点是人类社会的水资源可利用量与开发利用量，对生态环境用水缺乏足够的重视.进入 21 世纪，随着人类用水与生态环境用水的竞争加剧，美国开始密切关注水生态问题.与此同时，在气候变化的时代背景下，美国也开始重新考虑淡水资源现状及其变化趋势的评估问题.2007 年，USGS 编写了自 20 世纪 90 年代初以来第一个全面的科学战略报告，即“面对明天的挑战20072017十年美国地质调查科学”，其中水资源普查（美国未来淡水资源的量化、预测与保障）是 6 大科学战略方向之一.至此为止，按照美国国会的要求，以 USGS 为主导的新一轮水资源普查工作正式启动，并分别于2013 和 2018 年发布了 2 份进展报告.与 20 世纪的2 次全国性水资源评价相比，此次水资源普查的内容涵盖了地表水、地下水、蒸散发、用水量、水生态及水质 6 个方面，着重增加了无实测资料地区水文模型的开发与应用研究，并拟定了 20172022 年水资源的开发利用计划1314.综上所述，美国水资源调查监测与评价的发展历程具有明显的目标导向.早期以河川径流统计分析和自流井勘测为主，目的是为区域性的水资源开发规划或工程设计提供水文特征值.20 世纪随着水资源调查监测技术的不断发展，美国开始进入全国水资源调查评价时期，主要目的是满足经济社会日益增长的用水需求.进入 21 世纪，水生态保护与气候变化的影响开始引起重视，水资源评价又发展成为兼顾人类社会与生态环境用水的全国水资源普查，以及在此基础上的水资源开发前景展望，目的是实现水资源的可持续开发利用.2美国水资源调查监测与评价现状2.1水资源监测现状水资源监测是水资源调查与评价的基础，主要包括水量与水质 2 个方面.在水量监测方面，目前 USGS 自动记录地表水与地下水数据的观测站点分别有 10617 和 1780 个，自动记录设备通常以 1560min 的固定时间间隔记录流量与水位数据，同时标明数据质量情况，并在 1h 内自 动 传 输到 USGS.其 中 流 量 监 测 的 站 点 分 布 如图 1 所示，不同类别的站点表示实时流量与历史同期流量相比较的百分比.观测站点数目、观测站点分布以及观测时间可从美国国家水信息系统网站（https:/waterdata.usgs.gov/）获取.USGS 为了进行地表水与地下水监测数据的空间匹配以及后续的水量平衡分析，将全美划分为 6 个级别的水文单元，分别是 HUC-2（2-digithydrologicunitcode）、HUC-4、HUC-6、HUC-8、HUC-10 和 HUC-12，且随着级别的递增，水文单元第 1 期刘鸿仓等：美国水资源调查监测评价体系综述及对中国的启示65的平均面积逐渐减小.以南大西洋海湾为例进行说明，具体如表 1 所示13.表1不同级别水文单元不同级别水文单元代码平均面积/（万hm2）水文单元/个HUC-24255.351HUC-4398.5217HUC-6224.1631HUC-836.05199HUC-104.711549HUC-120.968098在水质监测方面，USGS 使用水质连续监测仪监测国家水质，这种水质连续监测仪拥有传感器与记录系统，以离散的时间间隔在点位置测量物理和化学水质 参 数15.目 前，USGS 通 过 2305 个 观 测 站 点，以1560min 的固定时间间隔自动记录水质数据，同时标明数据质量情况，并在 1h 内自动传输到 USGS.另外，EPA 根据清洁水法制定了国家推荐水质标准，涵盖了 200 多项指标，分为水生生物标准表、人体健康标准表和感官效果标准表 3 大类，具体（部分）如表 2 所示16.表2国家推荐水质标准表指标项目含义污染物水生生物标准表给定环境下特定污染物或参数不会对大部分物种造成显著风险的最高浓度，或是对水体免受某种负面影响理想条件的说明丙烯醛、艾氏剂、pH、镉、西维因、异狄氏剂、Fe、Cu等人体健康标准表水体中特定化学物质或参数不会对人体健康造成显著风险的最高浓度苊、丙烯醛、CN、蒽、砷、苯、二氯甲烷、四氯化碳等感官效果标准表例如味道和气味色度、Fe、氯苯、氯酚、2，3-二氯苯酚、2，4，5-三氯苯酚、Zn、硝基苯等2.2水资源调查与评价现状2.2.1调查目标与组织方式USGS 是美国负责水资源科学评估的主要联邦机构，在全国水资源调查评价中发挥着主导作用.USGS 在 2007 年编写的科学战略报告中指出，美国水资源普查的目标包括以下 5 个方面：1）掌握淡水资源的现状及变化趋势；2）更加准确地确定未来人类、环境和野生动物的用水需求；3）揭示淡水资源可利用量与水的天然存储与运移、水利工程、水资源使用与调配之间的相互关系；4）鉴定识别非常规水源为人类和环境提供所需淡水资源的可能性；5）预测环境变化（包括土地利用/土地覆盖、自然和人工基础设施、水资源利用和气候因子）对水资源可利用量、水质、水生态系统健康的潜在影响17.为了实现上述目标，USGS 于 2007 年开始了为期10 年的全国水资源普查，并根据安全水法的要求，每 5 年向国