近日，美國國家科學(xué)院發(fā)布《美國未來水資源科學(xué)優(yōu)先研究方向》的研究報告，確定了美國在未來25年內(nèi)水資源科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，以及全球水資源存在的問題和應(yīng)對的創(chuàng)新技術(shù)，并提出了政策建議。

未來幾十年，人口增長、氣候變化、極端天氣，以及與水有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施老化，威脅著水資源的利用與水質(zhì)，解決與水資源使用有關(guān)的問題將至關(guān)重要。美國地質(zhì)調(diào)查局水務(wù)分局（USGS-WMA）能夠收集和提供與美國水資源有關(guān)的高質(zhì)量、無偏見的科學(xué)信息，不僅能夠在颶風(fēng)、洪水和森林火災(zāi)等緊急情況下做出快速反應(yīng)，而且在水資源的長期管理方面具有豐富的經(jīng)驗，能在很多方面幫助政府決策。

1 未來美國水資源科學(xué)優(yōu)先事項

報告確定了美國未來25年內(nèi)水資源科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。其水資源優(yōu)先研究方向綜合了已發(fā)表相關(guān)主題的成果和USGS當(dāng)前的水資源科學(xué)研究，并采納來自美國聯(lián)邦、州、地方、非政府和學(xué)術(shù)界專家的意見，確定了以下跨水資源科學(xué)所面臨的諸多挑戰(zhàn)：

（1）了解水在地球系統(tǒng)中的作用。水在大氣、巖石圈和生物圈中的流動促進(jìn)了物理、化學(xué)和生物過程。了解水循環(huán)響應(yīng)機(jī)制，并反饋到全球變化的趨勢中，仍然是地球系統(tǒng)研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

（2）量化水循環(huán)。有效管理水資源需要了解水的含量、狀態(tài)和位置。由于水的存量、流量和停留在空間和時間上的變化使得水循環(huán)的量化非常困難，這也是未來水科學(xué)研究的方向之一。

（3）開發(fā)集成建模。模型是集成和綜合不同觀測數(shù)據(jù)、理解復(fù)雜的交互作用和測試假設(shè)，以及重建過去和預(yù)測未來系統(tǒng)發(fā)展軌跡的重要工具。

（4）量化社會水文系統(tǒng)的變化。了解人類活動如何影響水資源對管理美國和全球的水資源至關(guān)重要。

（5）確保可靠和可持續(xù)的水供應(yīng)。人類社會依賴于清潔、可靠和可負(fù)擔(dān)得起的地表水和地下水，飲用、食品、能源生產(chǎn)、工業(yè)活動、健康的生態(tài)系統(tǒng)、娛樂活動和旅游都離不開水供應(yīng)。

（6）了解和預(yù)測與水有關(guān)的災(zāi)害。從經(jīng)濟(jì)和人類角度看，與水有關(guān)的災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，而且由于人類活動和氣候變化可能導(dǎo)致日益惡化。

2 解決全球水資源科學(xué)問題

報告提出了10個總體的水資源科學(xué)問題，如果這些問題得到解決，將在未來對水資源科學(xué)的挑戰(zhàn)做出最重要的貢獻(xiàn)。對這組問題的進(jìn)一步提煉，形成了五個更優(yōu)先級別的問題。這些問題主要根據(jù)科學(xué)重要性、社會需求、與USGS任務(wù)的相關(guān)性以及與USGS合作伙伴的相關(guān)性等標(biāo)準(zhǔn)提出：①量化大氣、地表水和地下水的質(zhì)量和總量，以及它們在空間和時間上的變化；②人類活動對水量和水質(zhì)的影響；③如何更有效和全面地進(jìn)行水資源核算，以提供有關(guān)水資源供應(yīng)和使用的數(shù)據(jù)？④氣候變化如何影響水質(zhì)、水量、水資源利用的可靠性以及與水有關(guān)的災(zāi)害和極端事件？⑤如何改善與水有關(guān)的長期風(fēng)險管理？

其他5個問題也非常重要，但可以通過更廣泛的水資源研究加以解決：⑥水循環(huán)在不久的將來對大氣、巖石圈和生物圈的變化有哪些反應(yīng)？水文反應(yīng)如何反饋并加速或抑制大氣、巖石圈和生物圈的變化？⑦如何改善氣候、水文、水質(zhì)和相關(guān)社會系統(tǒng)的短期預(yù)測？⑧制度、治理和制度彈性如何影響水量和水質(zhì)？⑨如何更好地理解與水有關(guān)的危害和人類健康之間的聯(lián)系?⑩在健康的社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)的前提下如何管理和維護(hù)水資源的競爭使用？

3 技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對水資源挑戰(zhàn)

新興技術(shù)將有助于推動水資源所面臨的挑戰(zhàn)。此后的25年，更廣泛來源的觀測數(shù)據(jù)將提供更高的時間和空間分辨率。新技術(shù)的廣泛采用支持開發(fā)新系統(tǒng)，快速收集來自不同來源的數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步評估、存儲、處理和共享數(shù)據(jù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大作用。

新的傳感器將推進(jìn)水資源的觀測和分析水平，但在測量和監(jiān)測水質(zhì)方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)。微傳感器仍然是研究和開發(fā)的重要方向之一。環(huán)境DNA（eDNA）技術(shù)已經(jīng)可以從單個水樣中檢測入侵物種，這將對環(huán)境健康和恢復(fù)力具有重要意義。

管理“大數(shù)據(jù)”和整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)有助于水資源模型的開發(fā)，為跨學(xué)科模型集成和不確定性提供輔助決策。

4 對美國水資源研究與管理的政策建議

根據(jù)上述水資源領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和優(yōu)先研究方向，報告提出以下建議：

（1）加強(qiáng)數(shù)據(jù)收集，開發(fā)基于Web的分析工具。為了使國家能夠應(yīng)對未來的水資源挑戰(zhàn)，應(yīng)該①使用創(chuàng)新技術(shù)加強(qiáng)水量、水質(zhì)和用水監(jiān)測，并建立數(shù)據(jù)庫和開發(fā)監(jiān)測平臺；②進(jìn)一步將公共科學(xué)納入USGS數(shù)據(jù)收集活動，以增強(qiáng)傳統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；③研發(fā)更直觀的基于Web的數(shù)據(jù)分析和可視化工具，以便更好地了解水資源的狀況和趨勢。

（2）與各機(jī)構(gòu)和相關(guān)組織協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)對接。USGS-WMA作為提供水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)和信息的機(jī)構(gòu)之一，應(yīng)與其他機(jī)構(gòu)和相關(guān)組織共同協(xié)調(diào)開發(fā)可訪問的、開放編碼的數(shù)據(jù)格式、協(xié)議、互動工具和軟件。這種數(shù)據(jù)共享模式和綜合多個觀測點，更有利于監(jiān)測水量和水質(zhì)變化的趨勢。

（3）增加對人類活動與水資源關(guān)系的關(guān)注。應(yīng)優(yōu)先調(diào)查人類活動與地表水和地下水變化之間的關(guān)系，通過綜合觀測，結(jié)合受氣候和社會經(jīng)濟(jì)因素影響的自然-人類系統(tǒng)模型研究與水有關(guān)的災(zāi)害。

（4）建立健全的水資源核算系統(tǒng)。應(yīng)開展相關(guān)研究，了解如何最好和最有效地執(zhí)行水資源核算，以及如何評估和呈現(xiàn)報告數(shù)據(jù)的不確定性。水資源核算應(yīng)超出資源本身的測量范圍，同時需考慮水資源利用的生物性、物理性和社會性約束。

（5）與各機(jī)構(gòu)和相關(guān)組織就水資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和使用類別進(jìn)行合作。作為國家收集用水?dāng)?shù)據(jù)和信息的部門之一，USGS-WMA應(yīng)與其他機(jī)構(gòu)和相關(guān)組織合作，共同制定用水類別的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議，并遵守各州、縣和流域的通用標(biāo)準(zhǔn)。

（6）確保監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供足夠的信息來評估不斷變化的情況。應(yīng)定期評估地表水和地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，以確保這些網(wǎng)絡(luò)能夠為氣候、農(nóng)業(yè)和其他土地利用以及城市化帶來的環(huán)境變化提供水文影響分析數(shù)據(jù)。

（7）重點關(guān)注極端水情的長期預(yù)測和風(fēng)險評估。應(yīng)優(yōu)先考慮解決與洪水、干旱和水生污染物等水文原因相關(guān)的風(fēng)險，設(shè)法了解氣候變化、土地覆蓋率和土地利用變化以及其他生物、物理和社會經(jīng)濟(jì)因素對水資源（水量、水質(zhì)、極端事件和其他水文災(zāi)害）的影響。USGS應(yīng)該進(jìn)一步開發(fā)綜合模型，以幫助預(yù)測在不斷變化的氣候條件下的未來水文條件。這些活動需要資源管理者、決策者和社會科學(xué)家與其他USGS任務(wù)進(jìn)行綜合研究。

（8）開發(fā)涵蓋整個水循環(huán)的多尺度、集成性的動態(tài)模型。WMA應(yīng)優(yōu)先考慮多尺度和綜合建模，利用地面?zhèn)鞲泻涂罩械厍蛴^測平臺，將地上和地下水資源存儲的水量、水質(zhì)、自然與人類的驅(qū)動因素以及相互作用動態(tài)耦合。

（9）與代理機(jī)構(gòu)和私營部門等機(jī)構(gòu)內(nèi)外合作。水資源挑戰(zhàn)具有內(nèi)在的跨學(xué)科性，USGS-WMA應(yīng)繼續(xù)建立并保持強(qiáng)有力的合作，加強(qiáng)與USGS其他任務(wù)的聯(lián)系，最大限度地發(fā)揮其在觀測、研究、預(yù)測和提供水資源數(shù)據(jù)和問題方面的影響；加強(qiáng)與其他聯(lián)邦和州相關(guān)機(jī)構(gòu)以及國際機(jī)構(gòu)（特別是跨界水問題）的聯(lián)系，以應(yīng)對更多的水資源挑戰(zhàn)；評估并在其認(rèn)為有利的情況下與私營部門合作，以開發(fā)新的數(shù)據(jù)源和平臺，加強(qiáng)數(shù)據(jù)、信息、模型和其他產(chǎn)品的傳播。

（10）建立一支準(zhǔn)備應(yīng)對新的水資源挑戰(zhàn)的科學(xué)隊伍。調(diào)整其當(dāng)前和未來的研究隊伍，以滿足關(guān)鍵的戰(zhàn)略需求，特別是提高包括改善水資源監(jiān)測、自然-人類耦合系統(tǒng)建模、創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析和可視化方法等方面的隊伍能力。

詳細(xì)內(nèi)容參見中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報中心《資源環(huán)境科學(xué)監(jiān)測快報》2018年第20期。轉(zhuǎn)載本文請備注來源及作者。

來源 ：水利學(xué)報