北京水資源安全研究首都師范大學

1、北京水資源安全研究宮輝力 教授水資源安全北京實驗室1匯報提綱一、研究背景二、研究進展2 國際極度缺水標準人均500立方米 危及人類生存生活底線的災難性標準人均300立方米 北京水資源量不足人均100立方米 不到全國平均水平的1/20 全球環(huán)境變化 都市化-區(qū)域響應 區(qū)域水循環(huán)改變水資源背景3 水安全水災害 水資源 水危機4 北京城市供水2/3來自地下水，長期超采，誘發(fā)區(qū)域地面沉降呈快速增長趨勢，沉降中心最大累計沉降量1000mm，累計沉降300mm的地區(qū)達到1300km2，以30-60mm/a的速率擴展，嚴重威脅城市安全（地鐵、高層、路網(wǎng)等）。南水北調(diào)不均勻上升-蠕變問題。地下水過量開采-地面

2、沉降5 5.1 多尺度區(qū)域水循環(huán)過程的地下水管理模型非飽和帶 土壤水飽和帶 地下水地下水開采弱透水層大氣降水地表水尺度水資源管理-流域尺度-區(qū)域尺度-城區(qū)尺度概率極端天氣事件尺度效應-區(qū)域性雨洪、干旱過程多尺度水循環(huán)過程地下水系統(tǒng)響應H, Q 地面沉降土壤水 重新發(fā)現(xiàn)多尺度區(qū)域水循環(huán)過程6Disaster Chain RISK Chain7International attention to this topic .8First International Early Warning Conferences (Postdam, 1998)Second World Summit on Susta

3、inable Development (Johannesburg, 2002) - JPASecond International Early Warning Conferences (Bonn, 2003) - PPEWWorld Conference on Disaster Reduction (Kobe, January 2005) - HFAG8 Summit and UN General Assembly (2005, 2006)Third International Early Warning Conference (Bonn, March 2006) Global Early W

4、arning Survey and EWS check listFirst Symposium on Multi-Hazard EWS for Integrated Disaster Management (WMO with ISDR, World Bank, UNDP, IFRC, UNESCO, OCHA)(2006)First Session of Global Platform for Disaster Risk Reduction (Geneva, 2007)Second Experts Symposium on EWS with Multi-Hazard Approach (WMO

5、 and MeteoFrance) (Toulouse, 5-7 May 2009)2009 Global Risk Assessment Report (To be launched in Bahrain, May 17, 2009)Second Session of Global Platform for Disaster Risk Reduction (Geneva, 16-19 June 2009)International attention to this topic .9改變了傳統(tǒng)的水循環(huán)動態(tài)模擬局部到區(qū)域城市及其影響區(qū)域地面-地下-空中地表水-地下水長周期-準實時與常規(guī)方法結(jié)合

6、10 高精度立體監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化空中-地面-地下監(jiān)測網(wǎng)絡 地下水漏斗,動靜載荷地下水開采漏斗地表-地下交通網(wǎng)絡建筑密集區(qū)分布 地面沉降演化模式地下水開采-動靜載荷-地面沉降演化模式高精度立體監(jiān)測系統(tǒng)11天氣雷達雷達拼圖12各類實時資料地面報(SM,SI,SX)、自動站(大監(jiān)，區(qū)域)、日照、道面自動站地面高空大氣成分天氣雷達氣象衛(wèi)星氣候數(shù)值預報特種觀測(花粉、負離子、紫外線、土壤濕度)高空報、探空秒數(shù)據(jù)、GPS水汽、風廓線旬月報（AB）、氣候月報酸雨報、沙塵監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣成分、溫室氣體、太陽光度計觀測SA雷達、CC雷達靜止衛(wèi)星（FY2E、FY2D）、極軌衛(wèi)星（FY1）T639、T213、GRAPE

7、S、MM5、BJ-RUC歐洲數(shù)值、日本數(shù)值、德國數(shù)值(降水)精細化預報城鎮(zhèn)預報注: 紅色表示有上行下行數(shù)據(jù)， 蘭色只有上行數(shù)據(jù)，綠色只有下行數(shù)據(jù)，粉色有自主接收和下行數(shù)據(jù)，黑色我局自己使用高精度立體監(jiān)測-氣象13大型探測設備8部SA天氣雷達1部，C波段天氣雷達1部，探空雷達1部，風廓線雷達4部，閃電定位系統(tǒng)1套自動站323個國家站20個，區(qū)域自動氣象站275個，道面站28個，特種觀測102個移動觀測車4輛預警塔/顯示屏31個綜合氣象探測系統(tǒng)概況(295)(275)14SAR數(shù)據(jù)對地觀測數(shù)據(jù)一等水準觀測網(wǎng)、114個GPS監(jiān)測點 7個基巖標、 55個分層標;37個地下水位觀測孔、16個孔隙水壓 力

8、觀測孔、315個外圍地下水觀測孔；地下水觀測網(wǎng)（650）InSAR觀測試驗場4個淺地表空間監(jiān)測網(wǎng)高精度立體監(jiān)測-淺表層空間15國際比較研究16重新發(fā)現(xiàn)多尺度區(qū)域水循環(huán)過程 高分辨率時間-空間-光譜-重力多尺度 全天候-全天時可見光-SAR-重力衛(wèi)星全過程 系統(tǒng)監(jiān)測空中-地面-地下衛(wèi)星多分辨率數(shù)據(jù) 系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡的同步性-準同步性 多尺度-相鄰區(qū)域水循環(huán)背景演化 極端天氣事件的捕捉演變尺度-過程跟蹤 重新認識模型 模擬-評價-預報-規(guī)劃-優(yōu)化 重新認識數(shù)據(jù) 獲取網(wǎng)絡系統(tǒng) 重新認識表達 MODELING MAPPING PLANNING監(jiān)測 預報 監(jiān)測 預報17最高頻次90%最高頻次80%最高頻次6

9、0%最高頻次70%最高頻次80%最高頻次60%50年代60年代70年代80年代90年代21世紀北太平洋年代際濤動(PDO)的變化我國汛期多雨帶的變化雨帶北移-區(qū)域水循環(huán)變化18南水北調(diào)-區(qū)域水循環(huán)變化-調(diào)控19 區(qū)域水循環(huán)變化-調(diào)控20Sponge-LID-ECO-CITY21監(jiān)測 預報 監(jiān)測 預報22集水系統(tǒng) 下墊面 空間分析自然系統(tǒng) 水系統(tǒng) 城市系統(tǒng)23匯報提綱一、研究背景二、研究進展24 北京水資源安全 北京水資源安全 重新發(fā)現(xiàn)多尺度區(qū)域水循環(huán)雨洪資源-度汛安全 地表水-地下水調(diào)蓄應急水源地運行安全風險預警評估25城市雨洪匯水系統(tǒng)特征城市空間關聯(lián)區(qū)域-城市雨洪系統(tǒng)-地表、地下匯集水系統(tǒng)多

10、尺度雨洪匯流系統(tǒng)動態(tài)演化城市雨洪系統(tǒng)來水過程-時段排水能力-退水過程城市雨洪系統(tǒng)A,H,T演化DEM-DTM26城市雨洪系統(tǒng)A,H,T演化27 城市雨洪來水過程事先不完全確知雨強，演進疊加，頻率 時段排水能力不完全確知 退水過程確知案例A,H,T,R;N-MAPPING N個水系統(tǒng)動態(tài)變化-動態(tài)監(jiān)測-動態(tài)預報雨雨洪城市雨洪28跟蹤雨洪演進-退水過程監(jiān)測預報特定雨強淹沒范圍-深度-時段更新案例歷史數(shù)據(jù)-現(xiàn)勢數(shù)據(jù)29蒸發(fā)降雨入滲產(chǎn)流城市化前蒸發(fā)降雨入滲產(chǎn)流城市化后城市雨洪匯水系統(tǒng)特征基于高精度DEM的城市雨洪系統(tǒng)A,H,T多尺度演化分布式就地轉(zhuǎn)化尺度與過程城市淺表層空間城市空間關聯(lián)區(qū)域-城市雨洪排

11、泄系統(tǒng)30洪水監(jiān)測與分析31多尺度監(jiān)測-預測 Disaster-RISK航空遙感圖象SPOT衛(wèi)星TM衛(wèi)星高分辨率衛(wèi)星32城市雨洪災害2012年7月21日，北京城遭遇百年一遇降雨。造成全市受災人口190萬人，77人遇難，經(jīng)濟損失近百億元?！?.21”暴雨后，北京市在下凹式立交橋安裝積水監(jiān)測設備，在其中20多個下凹式立交橋區(qū)開建蓄水池，改造全市74個雨水泵站。逢雨必澇、逢暴雨必癱33風險風險鏈 災害災害鏈WFD-Water Framework DirectionRBMP-River Basin Management Plans34國際比較研究35雨洪風險評估與預警北京地區(qū)多尺度雨洪風險制圖A,H,

12、V,T,DEM北京地區(qū)雨洪風險預警情境驅(qū)動-動態(tài)風險排水設施規(guī)劃和調(diào)整評價36GQ = FSA, HD,T, DSDM=RS-GIS- SN-UN風險創(chuàng)造價值37雨洪資源-度汛安全TitleAuthorsJournalIssueRhizosphere bacterial community of Typha angustifolia L. and water quality in a river wetland supplied with reclaimed waterY. Guo, H. Gong, X GuoAppl Microbiol Biotechnol2015,99Predictio

13、n of the changes in ecological pattern of wetlands due to a new dam establishment in ChinaD Zhou, Z Wang, T Tang, et al.Ecohydrology & Hydrobiology2013, 13(1)Characteristics of Landsat 8 OLI-derived NDVI by comparison with multiple satellite sensors and in-situ observationsY. Ke, J. Imb, J. Lee, et

14、al.Remote Sensing of Environment2015,164Incorporating spatial information in spectral unmixing: A reviewC. Shi, L. WangRemote Sensing of Environment2014,149Multivariate statistical analysis of temporalspatial variations in water quality of a constructed wetland purification system in a typical park

15、in Beijing, ChinaD. Li, D. Huang, C. Guo, et al.Environ Monit Assess2015,187Topographic Correction of ZY-3 Satellite Images and Its Effects on Estimation of Shrub Leaf Biomass in Mountainous AreasM. Gao, W. Zhao, Z. Gong, et al.Remote Sensing2014, 638雨洪資源-度汛安全39雨洪資源-度汛安全40雨洪資源-度汛安全41雨洪資源-度汛安全42北京水資源

16、安全 北京水資源安全 重新發(fā)現(xiàn)多尺度區(qū)域水循環(huán)雨洪資源-度汛安全 地表水-地下水調(diào)蓄應急水源地運行安全風險預警評估43應急水源地常規(guī)運行 2002年，北京地區(qū)先后建立共5個城市應急供水水源地。2008年，66.3%的城市用水取自地下水；應急地下水源地高強度、大規(guī)模、持續(xù)開采地下水，部分含水層已經(jīng)處于疏干狀態(tài)。 應急水源井的長期超采，誘發(fā)區(qū)域地面沉降呈快速增長趨勢。最嚴重的地方，地表以30-60mm/a的速度下沉，最大累計沉降量達1096mm。沙河沉降漏斗順義沉降漏斗平各莊漏斗王四營漏斗44地面沉降嚴重威脅城市安全全球性、綜合性、多學科交叉的復雜系統(tǒng)問題北美WINSAR歐洲-Terrafirma

17、項目華北平原北京市平原區(qū)150多個國家、地區(qū)發(fā)生地面沉降，一系列的國際科學計劃95個城市地面沉降多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理45國際地表形變監(jiān)測研究計劃-INSAR 星載合成孔徑雷達利用，合成孔徑雷達聯(lián)合研究工作組，1996 星載合成孔徑雷達，地球空間科學研究委員會，NASA，1995 生活在多災害的星球上，固體地球科學工作組，2002 龍計劃，中國政府-歐洲空間局,2004 美國綜合地球觀測系統(tǒng)的戰(zhàn)略計劃 地球觀測工作組, 2004 全球綜合地球觀測系統(tǒng)（GEOSS）地球觀測組織（GEO），2004 Tandem-X計劃，第二顆TerraSAR-X衛(wèi)星，DLR，2010 哨兵計劃-1

18、A（Sentinel-1A），歐洲航天局，201246 技術特點 順義機場平各莊昌平沙河朝陽王四營GPS+InSAR,點+線+面+體區(qū)域沉降-體-三維不均勻形變大區(qū)域、高精度、低成本、短周期毫米級形變監(jiān)測能力47華北平原區(qū)地面沉降48北京平原區(qū)含水層巖性分布圖49永定河沖洪積扇B-B水文地質(zhì)剖面圖潮白河A-A水文地質(zhì)剖面圖50NSCALELEVEL 1:400000UPRIGHTNESS 1:5000Hydrogeological Profile51區(qū)域構(gòu)造52 北京地下水超采強度圖53地表形變場-INSAR-GPS-水準地下水滲流場-數(shù)值模擬動-靜載荷應力場-RS-立體監(jiān)測網(wǎng)體-統(tǒng)一體 場-

19、統(tǒng)一場水文地質(zhì)體多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理形變場應力場滲流場 形變場為一非線性分段函數(shù) 形變量 地下水開采量 應力場-INSAR-立體監(jiān)測網(wǎng) 形變場 = F滲流場,應力場,T,54遙感與水文地質(zhì)的交叉研究；多層含水層系統(tǒng)演化-地面三維形變整體研究，研究其互饋機理；量化研究地下水超采、動靜載荷對區(qū)域地面不均勻沉降實際貢獻，實現(xiàn)地面沉降的科學調(diào)控。多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理地下水滲流場水文地質(zhì)體多層含水層系統(tǒng)地表形變場不均勻沉降動、靜應力場動態(tài)互饋過程 形變場 = F滲流場，應力場，T, ,55研究方案空間場56 典型區(qū)地下水數(shù)值模型多尺度區(qū)域水循環(huán)過程的地下水系統(tǒng)模型 G H

20、+H, Q+Q N K, , , +, + 57融合PS、小基線的干涉測量方法PS技術小基線技術永久散射體和小基線技術所分析的相干點目標（像元）在一定程度上有著不同的散射特性，但是二者又有一定的互補性；針對這一特點，從相干點目標散射特性角度出發(fā)，將PS和SB干涉方法 進行融合；改善干涉數(shù)據(jù)集的時間分辨率，克服去相關影響，提高干涉圖像內(nèi)相干點目標的空間密度。58典型沉降區(qū)域PS點的分布圖 59城市水循環(huán)-地面沉降-城市運行安全無砟軌道 梁面前后左右上下一米范圍內(nèi)誤差2毫米，4米范圍內(nèi)誤差8毫米相鄰墩臺沉降0.5毫米，每20米沉降2厘米，路基沉降3毫米。60典型區(qū)域地面沉降時序演變過程分析61PS

21、點季節(jié)形變演化62 典型區(qū)域地面沉降時序演變-關聯(lián)分析63 城市化降低了降雨對地下水的滲透補給量，直接影響地下水的動態(tài)變化和地下水漏斗的形成，間接影響著地面沉降的時空演化。雨洪-城市淺表層空間。地下水流場變化與區(qū)域地面沉降響應分析64區(qū)域動靜載荷演化與地面沉降響應65地下水水位等值線與地面沉降速率圖66多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理開展遙感、GIS與水文地質(zhì)的交叉研究。典型沉降區(qū)北京由于長期過量開采地下水，區(qū)域地面沉降已有30年歷史，加之城市淺表層空間開發(fā)利用、城市發(fā)展建設中的鋼筋混凝土靜載荷、城市立體交通網(wǎng)絡形成的動載荷等的急劇變化，引發(fā)了一系列地面沉降問題，嚴重威脅著城市安全。針對以

22、超采地下水為主要誘因的城市地面不均勻沉降，提出了多分辨率、整體研究、系統(tǒng)優(yōu)化的理論模型。新的理論模型把多層含水層系統(tǒng)演化與地面三維形變作為一個整體研究對象，研究其互饋機理；把含水層釋水地面形變的背景應力場概化為不同時空分辨率的自然沉降、靜載荷與動載荷應力場。理論模型改變了以往區(qū)域地面沉降研究中，含水層系統(tǒng)演化和地面形變研究分割、分屬不同學科的局面。采用綜合信息、優(yōu)化系統(tǒng)研究，全面揭示多層含水層系統(tǒng)演化與地面三維形變的互饋機理；量化研究地下水超采、自然沉降、動靜載荷對區(qū)域地面不均勻沉降的實際貢獻，實現(xiàn)地面沉降的科學調(diào)控。 形變場 = F滲流場, 應力場, T, , 67應急水源地運行安全Titl

23、eAuthorsJournalIssueSpatial correlation between land subsidence and urbanization in Beijing, ChinaB. Chen, H. Gong, X. Li, et al.Natural Hazards2014,74(3)Spatialtemporal evolution patterns of land subsidence with different situation of space utilizationB. Chen, H. Gong, X. Li, et al.Natural Hazards2

24、015,77Land subsidence due to groundwater withdrawal in the northern Beijing plain, ChinaL. Zhu, H. Gong, X. Li, et al.Engineering Geology2015Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in Beijing plain area, ChinaY. ZhangHydrogeology2014A novel ground surface subsidence pr

25、ediction model for sub-critical mining in the geological condition of a thick alluvium layerZ. Chang, J. Wang, M. Chen, et al.Frontiers of Earth Science2014Polarimetric synthetic aperture radar image unsupervised classification method based on artificial immune systemY. Jie,W. Gang,Z. Teng, et al.Jo

26、urnal of Applied Remote Sensing2014,8(1)Sensitivity Analysis of Vegetation Reflectance to Biochemical and Biophysical Variables at Leaf, Canopy, and Regional ScalesY. Xiao, W. Zhao, D. Zhou, and H. GongIEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing2014,52(7)68應急水源地運行安全69應急水源地運行安全70應急水源地運行安全71應急水源

27、地運行安全72 北京水資源安全 北京水資源安全 重新發(fā)現(xiàn)多尺度區(qū)域水循環(huán)雨洪資源-度汛安全 地表水-地下水調(diào)蓄應急水源地運行安全風險預警評估73數(shù)據(jù)挖掘流域尺度-區(qū)域尺度-城區(qū)尺度全球環(huán)境變化-區(qū)域響應-都市化效應-城市水系統(tǒng)-極端天氣事件時空-強度不確定性自然、人為因素的動態(tài)性空間關聯(lián)-互相作用-系統(tǒng)演化衛(wèi)星技術的革命性進展-SAR-GRACESDMKD-Spatial Data Mining and Knowledge Discovery-尺度與過程的空白74GRACE-Gravity Recovery and Climate Experiment 工作原理質(zhì)量的運動會引起重力場的時變新機

28、會 重力恢復和氣候?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)大區(qū)域-多尺度質(zhì)量變化趨勢 支持大區(qū)域水文模型-地下水儲量變化-識別區(qū)域水循環(huán)變化過程 區(qū)域地下水位變化引起的負荷效應與地表形變效應 多尺度大區(qū)域水文變化與重力變化的關系75 GRACE揭示深層地下水過度消耗山前淺層水中東部深層水華北平原76 京津冀地下水2.4cm/a,-52億立方米/年 華北地區(qū)每年損耗83 11億噸地下水是早期結(jié)果的3倍 環(huán)境變化的區(qū)域水資源響應與演化趨勢 區(qū)域水文模型-水系統(tǒng)相互作用于水量交換 重新認識區(qū)域水循環(huán)-水安全-水危機中科院測量與地球物理研究所研究團隊馮偉博士、鐘敏研究員、許厚澤院士，與法國空間局/大地測量研究中心（CNES/GRGS

29、） Richard Biancale教授和Jean-Michel Lemoine博士、夏軍教授(武漢大學/中科院地理所)GRACE-Gravity Recovery and Climate Experiment77InSAR+高精度DEM+GPS+常規(guī)技術遙感、GIS與通訊技術、物聯(lián)網(wǎng)點+線+面+體實體物理模型高精度、現(xiàn)勢性、短周期78非飽和帶 土壤水飽和帶 地下水地下水開采弱透水層大氣降水地表水 水資源管理-流域尺度-區(qū)域尺度-城區(qū)尺度-城市淺表層空間 極端天氣事件-區(qū)域性雨洪、干旱 地下水應急開采、南水北調(diào)-水環(huán)境安全 極端天氣事件-人為干擾-地表水-地下水聯(lián)合調(diào)蓄地面沉降土壤水區(qū)域多尺度

30、水循環(huán)過程-調(diào)控過程79地表水-地下水調(diào)蓄 城市雨洪控制與利用系統(tǒng) 客水進京存儲與利用系統(tǒng) 地下水水源地調(diào)蓄與地下水庫系統(tǒng) 城市中水利用系統(tǒng) 區(qū)域地面沉降與抬升蠕變 城市景觀生態(tài)用水系統(tǒng)的重建 特定區(qū)域水系統(tǒng)優(yōu)化配置漏斗區(qū)、水系統(tǒng)單元區(qū)、地下-地表水庫區(qū) 不同等級水系統(tǒng)的綜合-水系統(tǒng)間的相互依賴-尺度間的相互依賴及其動態(tài)變化80SDM-RS-GISMethodology FrameworkUNESCO-IHP紅皮書81TitleAuthorsJournalIssueSub-regional scale groundwater depletion detected by GRACE for both shallow and deep aquifers in North China PlainZ. Huang, Y. Pan, H. Gong, et al.Geophysical Research Letters2015,42(6)Future climate change impact