北京水資源安全研究-首都師范大學(xué)

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,匯報提綱,一、研究背景 二、研究進展,國際極度缺水標(biāo)準人均500立方米 危及人類生存生活底線的災(zāi)難性標(biāo)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(yīng) 區(qū)域水循環(huán)改變,水資源背景,水安全 水災(zāi)害 水資源 水危機,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

2、采-地面沉降,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(yīng)-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(yīng)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,Disaster Chain RISK Chain,International attention to this topic .,First International Early Warning Conferences (Postdam, 1998) Second World

3、Summit on Sustainable Development (Johannesburg, 2002) - JPA Second International Early Warning Conferences (Bonn, 2003) - PPEW World Conference on Disaster Reduction (Kobe, January 2005) - HFA G8 Summit and UN General Assembly (2005, 2006) Third International Early Warning Conference (Bonn, March 2

4、006) Global Early Warning Survey and EWS check list First 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 Mult

5、i-Hazard Approach (WMO 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 .,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

6、-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,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(luò) 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(luò) 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),天氣雷達,雷達拼圖,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(yù)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(fēng)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

7、測,SA雷達、CC雷達,靜止衛(wèi)星（FY2E、FY2D）、極軌衛(wèi)星（FY1）,T639、T213、GRAPES、MM5、BJ-RUC 歐洲數(shù)值、日本數(shù)值、德國數(shù)值(降水),精細化預(yù)報,城鎮(zhèn)預(yù)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,大型探測設(shè)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(fēng)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(yù)警塔/顯示屏31個,綜合氣象探測系統(tǒng)概況,(295),(275)

8、,SAR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(biāo)、 55個分層標(biāo); 37個地下水位觀測孔、16個孔隙水壓 力觀測孔、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,國際比較研究,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(luò)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(yù)報-規(guī)劃-優(yōu)化 重新認識數(shù)據(jù) 獲

9、取網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 重新認識表達 MODELING MAPPING PLANNING,監(jiān)測 預(yù)報,監(jiān)測 預(yù)報,最高頻次90%,最高頻次80%,最高頻次60%,最高頻次70%,最高頻次80%,最高頻次60%,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,南水北調(diào)-區(qū)域水循環(huán)變化-調(diào)控,區(qū)域水循環(huán)變化-調(diào)控,Sponge-LID-ECO-CITY,監(jiān)測 預(yù)報,監(jiān)測 預(yù)報,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),匯報提綱,一、研究背景 二、研究進展,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),城市雨洪匯水系統(tǒng)特征,城市空間關(guān)聯(lián)區(qū)域-城市雨洪

10、系統(tǒng)-地表、地下匯集水系統(tǒng) 多尺度雨洪匯流系統(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-DTM,城市雨洪系統(tǒng)A,H,T演化,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(yù)報,雨雨洪城市雨洪,跟蹤雨洪演進-退水過程監(jiān)測預(yù)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),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(guān)聯(lián)區(qū)域-城市雨洪排泄系統(tǒng),洪水

11、監(jiān)測與分析,多尺度監(jiān)測-預(yù)測 Disaster-RISK,航空遙感圖象,SPOT衛(wèi)星,TM衛(wèi)星,高分辨率衛(wèi)星,城市雨洪災(zāi)害,2012年7月21日，北京城遭遇百年一遇降雨。造成全市受災(zāi)人口190萬人，77人遇難，經(jīng)濟損失近百億元。 “7.21”暴雨后，北京市在下凹式立交橋安裝積水監(jiān)測設(shè)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,風(fēng)險風(fēng)險鏈 災(zāi)害災(zāi)害鏈,WFD-Water Framework Direction RBMP-River Basin Management Plans,國際比較研究,雨洪風(fēng)險評估與預(yù)警,北京地區(qū)多尺度雨洪風(fēng)險制圖A,H,V,

12、T,DEM 北京地區(qū)雨洪風(fēng)險預(yù)警情境驅(qū)動-動態(tài)風(fēng)險 排水設(shè)施規(guī)劃和調(diào)整評價,GQ = FSA, HD,T, D,SDM=RS-GIS- SN-UN,風(fēng)險創(chuàng)造價值,雨洪資源-度汛安全,雨洪資源-度汛安全,雨洪資源-度汛安全,雨洪資源-度汛安全,雨洪資源-度汛安全,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),應(yīng)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(yīng)急供水水源地。2008年，66.3%的城市用水取自地下水；應(yīng)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(yīng)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30-60m

13、m/a的速度下沉，最大累計沉降量達1096mm。,地面沉降嚴重威脅城市安全 全球性、綜合性、多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)問題,北美WINSAR,歐洲-Terrafirma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(xué)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,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(xué)研究委員會，NASA，1995 生活在多災(zāi)害的星球上，固體地球科學(xué)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

14、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-1A（Sentinel-1A），歐洲航天局，2012,技術(shù)特點,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,華北平原區(qū)地面沉降,北京平原區(qū)含水層巖性分布圖,N,SCALE LEVEL 1:400000 UPRIGHTNESS 1:5000,Hydrogeological Profile,區(qū)域構(gòu)造,北京地下水超采強度圖,多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理,

15、形變場,應(yīng)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(yīng)力場-INSAR-立體監(jiān)測網(wǎng),形變場 = F滲流場,應(yīng)力場,T,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(xué)調(diào)控。,多層含水層系統(tǒng)演化與地面沉降互饋機理,研究方案,空間場,典型區(qū)地下水?dāng)?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+H, Q+Q N K, , , +, + ,融合PS、小基線的干涉測量方法,永久散射體和小基線技術(shù)所分析的相干點目標(biāo)（像元）在一定程度上有著不同的散射特性，但是二者又

16、有一定的互補性； 針對這一特點，從相干點目標(biāo)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(guān)影響，提高干涉圖像內(nèi)相干點目標(biāo)的空間密度。,典型沉降區(qū)域PS點的分布圖,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。,典型區(qū)域地面沉降時序演變過程分析,PS點季節(jié)形變演化,典型區(qū)域地面沉降時序演變-關(guān)聯(lián)分析,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。,

17、地下水流場變化與區(qū)域地面沉降響應(yīng)分析,區(qū)域動靜載荷演化與地面沉降響應(yīng),地下水水位等值線與地面沉降速率圖,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(shè)中的鋼筋混凝土靜載荷、城市立體交通網(wǎng)絡(luò)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

18、景應(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)調(diào)控。,形變場 = F滲流場, 應(yīng)力場, T, , ,應(yīng)急水源地運行安全,應(yīng)急水源地運行安全,應(yīng)急水源地運行安全,應(yīng)急水源地運行安全,應(yīng)急水源地運行安全,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),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(yīng)-都

19、市化效應(yīng)-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(guān)聯(lián)-互相作用-系統(tǒng)演化 衛(wèi)星技術(shù)的革命性進展-SAR-GRACE SDMKD-Spatial Data Mining and Knowledge Discovery-尺度與過程的空白,GRACE-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會 重力恢復(fù)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(yīng)與地表形變效應(yīng) 多尺度大區(qū)域水文變化與重力變化的關(guān)系,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,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(yīng)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） Richard Biancale教授和Jean-Michel Lemoine博士、夏軍教授(武漢大學(xué)/中科院地理所),GRACE-Gr