中國網/中國發展門戶網訊 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，陸地水循環系統正在發生快速變化，水文過程呈現非穩態特征，給水資源可持續利用帶來重大挑戰。當前，全球水資源利用領域科技前沿正從地球系統的整體視角，研究氣候變化和人類活動對水資源系統的影響，探索變化環境下水資源可持續利用與全球變化應對的長效解決方案，提出區域水安全保障策略。
水資源是西部生態屏障建設的關鍵要素，高效的水資源供給和有效的水資源保護是西部經濟社會發展和生態屏障建設的重要保障。西部地區是中國和周邊國家大江大河的發源地，也是我國“南水北調”“西水東引”等跨流域調水工程的水源地，以及我國重要的水電能源基地。因此小樹屋，深入研究變化環境下西部生態屏障區水資源及其利用變化規律，提出支撐生態屏障建設的水資源科技保障舉措，具有重要的戰略意義。本文對西部生態屏障區水資源變化的基本認識和存在的問題進行了分析和總結，并在此基礎上提出科技支撐西部生態屏障區水資源可持續利用的措施建議。
氣候變化和人類活動使西部地區水循環和水資源發生巨大變化
西部地區冰雪融化加劇，固體水儲量大幅減少，液態水增加，水資源穩定性下降，水文系統呈現非穩態特征。西部生態屏障區域水循環和水資源在過去幾十年發生了不同程度的變化。全球氣候變化使西部地區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，冰川儲量減少約20%，面積減少約18%；該區域大部分地區年雪深減小，冰川面積退縮，冰雪物質出現負平衡；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，西部降水模式也發生了改變，青藏高原和西北地區年降水量呈增加趨勢，蒙古高原、黃土高原和西南地區降水呈減少趨勢，極端降水和極端干旱事件增多，暴雨、洪澇、大旱等災害頻發。氣溫升高也加劇了潛在蒸發和實際蒸散發量的增加，西部地區供水壓力增大，還導致部分區域湖泊萎縮和干涸、草原荒漠化、風蝕沙化和水土流失加劇；加之城鎮化九宮格和采礦經濟等迅速發展，地下水超采和污染現象嚴重。因此，近幾十年來的氣候變化和人類活動導致西部地區水循環系統發生了巨大變化，使水資源穩定性下降，水文系統呈現非穩態特征，加劇了地下水開采量和地下水位的持續下降，對西部經濟社會發展和生態屏障建設水資源供給保障產生重大影響。
氣候變化使西部地區降水時空分布規律發生很大變化，大旱和洪災頻發。近年來，西部地區的降水時空分布特征顯著變化，極端氣候事件頻發。全球氣候變暖加劇了水循環的不穩定性，使得極端降水事件日益增多。受印度洋季風和西風環流變化的影響，青藏高原地區降水的季節分布變得更加極端，干濕季分界更加明顯，導致洪水和干旱災害交替發生。氣候變化評估顯示，青藏高原地區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。黃土高原地區的降水模式也發生了顯著變化。研究顯示，該區域總體上降水呈減少趨勢，但37%的區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、洪水等地質災害的風險，給農業生產、防洪抗旱等方面帶來嚴峻挑戰。
氣候變化和人類活動使水資源配置風險增大，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的不穩定性，使得水資源配置風險增加，進而影響農業灌溉、工業生產和生態環境的可持續發展。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的水資源短缺風險，導致湖泊萎縮、河流斷流、濕地退化等生態環境問題，惡化流域上下游矛盾和沖突。水資源的不穩定供應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，極端干旱和暴雨事件頻發，使得水庫調度更加困難。跨境水資源利用的矛盾日益突出。西部地區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雜性。如何在變化環境下實現水資源的公平分配、生態保護與經濟發展并重，已成為西部生態屏障建設的重要議題。
西部水循環與水資源變化的主要原因和主要科技問題
西部水循環變化受到自然和人為因素雙重驅動
西部水循環系統正經歷著自然和人為因素雙重驅動下的顯著變化。自然因素，主要表現為全球氣候變暖引發的大氣環流模式調整、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（如地下水超采），以及大規模水利工程建設等。這些因素相互疊加，使得西部生態屏障區的水循環要素相互作用更加復雜，并導致區域水循環過程、強度與時空分布特征發生深刻變化，極端水文事件頻發。
變化環境私密空間下水循環和水資源基礎研究薄弱
在氣候變化與人類活動的共同影響下，西部水循環系統呈現出顯著的非穩態演變特征，水文氣象序列的非穩態性加劇，使得傳統基于穩態假設的水文模型難以準確描述冰川九宮格消融—凍土退化—湖泊擴張的鏈式響應，以及地表水-地下水-生態系統的互饋過程。全球變暖背景下，水循環系統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，急需發展能夠反映多圈層耦合過程、考慮氣候變化和人類活動復合影響的非穩態循環理論與方法，以提升對極端水文事件和水資源變化的預測與管理能力。
現有水文監測網絡過度依賴地面站點觀測，對雷達、衛星、無人機和人工智能等高新技術的應用嚴重滯后，尤其是對冰川凍土等高寒區水文過程監測數據獲取能力不足，難以滿足氣候變化背景下對極端水文事件的動態監測預報需求。多源異構水文氣象數據融合技術尚未成熟，“空天地”一體化監測網絡亟待完善。一方面，西部寒區旱區流域產匯流機制、地表水-地下水-生態系統互饋機制等基礎理論研究薄弱；另一方面，關于水-經濟社會-生態系統相互作用機制、水-能源-糧食-生態耦合機制等影響區域可持續發展的關鍵科學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利用研究嚴重滯后，涉及水權分配機制、跨境輸移過程對下游生態的影響評估等領域缺乏系統性成果。當前，研究尚未構建起支小樹屋撐跨境河流水資源研究的科學工具鏈，生態環境效應評估多局限于單國尺度，缺乏覆蓋全流域的協同觀測網絡與數據共享機制，導致跨境水資源開發的環境風險難以精準預判。
新的治水理念下的理論與核心技術突破不足，系統解決方案欠缺
西部生態屏障區建設是在“山水林田湖草沙冰”統籌治理和“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路指導下的綠色發展和高質量發展。如何構建人水和諧的生態系統和高質量發展的經濟社會系統，對水安全保障與水生態文明建設提出了系統解決方案需求，需要在基礎理論上實現零的突破和關鍵核心技術的創新。
傳統的水-能源-糧食資源配置理論與方法已難以適應西部生態屏障建設中生態系統安全保障的需求。西部地區作為我國能源富集區和重要糧食產區，近幾十年來用水量急劇增長，高耗能產業轉移加劇了水-能源-糧食系統的矛盾。例如，農業用水擠占生態用水導致塔里木河、黑河等內陸河下游斷流，生態系統退化反向制約區域經濟發展。同時，氣候變化與人類活動疊加，水資源系統演變過程趨于復雜，使得平衡生態保護與社會經濟發展沖突更加困難。只有通過創新水-經濟社會-生態系統綜合管理理論與核心技術，培育和發展符合新發展理念的新質生產力，才能為水安全保障與水生態文明建設提出科學可行的系統解決方案。
科技支撐西部生態屏障建設的水資源可持續利用領域戰略布局
面向水資源可持續利用領域科技支撐西部生態屏障建設重大需求，急需重點關注5個方面的科學問題并開展研究。
青藏高原—“泛第三極”水循環變化及其水資源效應
在青藏高原失衡、總水量不穩定和不確定性增強的背景下，急需開展“泛第三極”水循環變化和水資源預測研究，構建全新的地面多元傳感器、衛星遙感、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測網絡體系1對1教學，以實現對全域水文水資源全要素觀測和智能化大數據處理；研發非穩態水文過程和水資源模擬方法與模型，預測水文與水資源變化趨勢；闡明青藏高原水循環變化及其水資源效應對中國、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害的應對策略，全面提升綠色絲綢之路建設能力。
水資源高效利用與節水技術
西部生態屏障區長期面臨水資源短缺的嚴峻挑戰，加強水資源節約集約利用、提高水資源利用效率顯得尤為迫切。研究應聚焦于高效節水灌溉技術、農業水管理與工業、城鎮節水改造的系統集成。技術層面，應推廣滴灌、噴灌及膜下滴灌等精準灌溉方式，同時結合水肥一體化、智能傳感與大數據分析，實現灌溉精準控制與動態調度；管理層面，需要構建覆蓋全流域的智慧水資源監控平臺，通過遙感、物聯網及數字化技術實時掌握水情動態，優化水資源分配與調度。與此同時，發展再生水、雨水收集等非常規水源技術，并與傳統供水系統有機融合，形成西部水資源節水和水資源利用效率提升的系統解決方案，實現節水能力提高10%、節水效益提高15%，為區域可持續發展提供堅實的技術支撐和管理保障。
變化環境下水-能源-糧食-生態紐帶與區域可持續發展
在小樹屋氣候變化與人類活動疊加影響下，西部地區的水、能源、糧食與生態系統之間形成了緊密相連的紐帶，其錯綜復雜的協同關系與區域可持續發展密切相關。實現水-能源-糧食-生態協同發展，需要從整體上統籌水資源的優化配置、能源開發、農業高效灌溉和生態保護，實現能源、糧食和生態安全的多重保障。采用尺度自適應技術，構建水循環、人類活動、生態過程耦合模擬框架，解析水、能源、糧食和生態系統之間的相互制約與反饋機制，明確各環節和過程的最優調控參數。提出西部生態屏障區水-能源-糧食-生態協同發展方案，保障經濟社會發展用水需求和生態用水需求，全面提升區域可持續發展能力。
地表水-地下水-生態系統互饋機制與安全保障技術
西部地區干旱區地下水超采與地表水減少等問題日益突出，對生態系統穩定性構成嚴峻挑戰。為此，迫切需要揭示地表水、土壤水與地下水之間的耦合關系和互饋作用機制，建立多尺度水文模型，定量分析各水分組分在干旱區生態系統中的動態平衡。評估人工補給、雨洪回灌和河道生態調控等技術手段彌補地下水漏斗效果，確定維持干旱區植被生長所需的最優水分供給。結合退耕還林還草、草原恢復及生態補償等綜合生態修復措施，提升土壤蓄水能力和生態系統自我調節功能，構建地下水與地表水聯合調控與生態安全保障技術體系，為干旱區水資源可持續利用和生態環境穩定提供科學支撐。
“空天地”一體化數字孿生流域關鍵技術和流域模擬器技術
面對西部生態屏障區洪旱災害頻發和復雜的水資源調度問題，構建“空天地”一體化的數字孿生流域成為提升區域防災減災能力的重要路徑。數字孿生流域技術通過集成衛星遙感、無人機巡檢及地面監測網絡和人工智能，實現水文、氣象、地質等多源數據的實時采集與智能融合，構建高精度流域數字模型。結合人工智能和大數據挖掘技術構建流域模擬器，實時監測和模擬流域水文過程和極端事件發展態勢，有效提升洪水、干旱等災害的預警和響應能力。“空天地”一體化數字孿生流域技術和流域模擬器技術為水資源調度和應急決策提供了有效工具，有助于防洪抗旱預警智慧化和精準化，提高區域防汛抗旱和水資源管理能力，保障西部生態屏障建設和可持續發展目標的實現。
在全球變化背景下，我國西部生態屏障區水循環系統正經歷深刻變革。青藏高原冰川顯著退縮，多年凍土持續退化，眾多湖泊面積不斷擴張；而人類活動的加劇，特別是農業灌溉規模的擴大和能源開發活動的增多，進一步加劇了區域內用水矛盾。自然因素與人為因素的交織導致區域水循環發生復雜變化，水資源時空分布格局顯著改變，水安全形勢日益嚴峻。為了應對這些多重挑戰，未來研究需著重聚焦于青藏高原水循環變化與效應評估，研發適配干旱半干旱地區的水資源高效利用新技術，探索水-能源-糧食-生態協同發展的創新路徑，明晰地表水、地下水與生態系統的動態耦合關系，攻克“空天地”一體化數字孿生流域建設的關鍵技術難題，構建高精度流域模擬器。通過加強相關科技任務的部署，完善區域水資源科學管理體系，為西部生態屏障區筑牢水資源安全防線，助力實現綠色高質量發展目標。
（作者：夏軍，武漢大學水資源工程與調度全國重點實驗室；陳曦，浙江工業大學地理信息學院 中國科學院新疆生態與地理研究所；湯秋鴻、盧宏瑋、賈紹鳳、于靜潔、劉星才，中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院陸地水循環及地表過程重點實驗室 中國科學院大學資源與環境學院；王根緒，四川大學山區河流保護與治理全國重點實驗室；馬金珠，蘭州大學資源環境學院。《中國科學院院刊》供稿）
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