北京水资源安全研究首都师范大学

1、北京水资源安全研究宫辉力 教授水资源安全北京实验室1汇报提纲一、研究背景二、研究进展2 国际极度缺水标准人均500立方米 危及人类生存生活底线的灾难性标准人均300立方米 北京水资源量不足人均100立方米 不到全国平均水平的1/20 全球环境变化 都市化-区域响应 区域水循环改变水资源背景3 水安全水灾害 水资源 水危机4 北京城市供水2/3来自地下水，长期超采，诱发区域地面沉降呈快速增长趋势，沉降中心最大累计沉降量1000mm，累计沉降300mm的地区达到1300km2，以30-60mm/a的速率扩展，严重威胁城市安全（地铁、高层、路网等）。南水北调不均匀上升-蠕变问题。地下水过量开采-地面

2、沉降5 5.1 多尺度区域水循环过程的地下水管理模型非饱和带 土壤水饱和带 地下水地下水开采弱透水层大气降水地表水尺度水资源管理-流域尺度-区域尺度-城区尺度概率极端天气事件尺度效应-区域性雨洪、干旱过程多尺度水循环过程地下水系统响应H, Q 地面沉降土壤水 重新发现多尺度区域水循环过程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改变了传统的水循环动态模拟局部到区域城市及其影响区域地面-地下-空中地表水-地下水长周期-准实时与常规方法结合

6、10 高精度立体监测网系统优化空中-地面-地下监测网络 地下水漏斗,动静载荷地下水开采漏斗地表-地下交通网络建筑密集区分布 地面沉降演化模式地下水开采-动静载荷-地面沉降演化模式高精度立体监测系统11天气雷达雷达拼图12各类实时资料地面报(SM,SI,SX)、自动站(大监，区域)、日照、道面自动站地面高空大气成分天气雷达气象卫星气候数值预报特种观测(花粉、负离子、紫外线、土壤湿度)高空报、探空秒数据、GPS水汽、风廓线旬月报（AB）、气候月报酸雨报、沙尘监测数据、大气成分、温室气体、太阳光度计观测SA雷达、CC雷达静止卫星（FY2E、FY2D）、极轨卫星（FY1）T639、T213、GRAPE

7、S、MM5、BJ-RUC欧洲数值、日本数值、德国数值(降水)精细化预报城镇预报注: 红色表示有上行下行数据， 兰色只有上行数据，绿色只有下行数据，粉色有自主接收和下行数据，黑色我局自己使用高精度立体监测-气象13大型探测设备8部SA天气雷达1部，C波段天气雷达1部，探空雷达1部，风廓线雷达4部，闪电定位系统1套自动站323个国家站20个，区域自动气象站275个，道面站28个，特种观测102个移动观测车4辆预警塔/显示屏31个综合气象探测系统概况(295)(275)14SAR数据对地观测数据一等水准观测网、114个GPS监测点 7个基岩标、 55个分层标;37个地下水位观测孔、16个孔隙水压 力

8、观测孔、315个外围地下水观测孔；地下水观测网（650）InSAR观测试验场4个浅地表空间监测网高精度立体监测-浅表层空间15国际比较研究16重新发现多尺度区域水循环过程 高分辨率时间-空间-光谱-重力多尺度 全天候-全天时可见光-SAR-重力卫星全过程 系统监测空中-地面-地下卫星多分辨率数据 系统监测网络的同步性-准同步性 多尺度-相邻区域水循环背景演化 极端天气事件的捕捉演变尺度-过程跟踪 重新认识模型 模拟-评价-预报-规划-优化 重新认识数据 获取网络系统 重新认识表达 MODELING MAPPING PLANNING监测 预报 监测 预报17最高频次90%最高频次80%最高频次6

9、0%最高频次70%最高频次80%最高频次60%50年代60年代70年代80年代90年代21世纪北太平洋年代际涛动(PDO)的变化我国汛期多雨带的变化雨带北移-区域水循环变化18南水北调-区域水循环变化-调控19 区域水循环变化-调控20Sponge-LID-ECO-CITY21监测 预报 监测 预报22集水系统 下垫面 空间分析自然系统 水系统 城市系统23汇报提纲一、研究背景二、研究进展24 北京水资源安全 北京水资源安全 重新发现多尺度区域水循环雨洪资源-度汛安全 地表水-地下水调蓄应急水源地运行安全风险预警评估25城市雨洪汇水系统特征城市空间关联区域-城市雨洪系统-地表、地下汇集水系统多

10、尺度雨洪汇流系统动态演化城市雨洪系统来水过程-时段排水能力-退水过程城市雨洪系统A,H,T演化DEM-DTM26城市雨洪系统A,H,T演化27 城市雨洪来水过程事先不完全确知雨强，演进叠加，频率 时段排水能力不完全确知 退水过程确知案例A,H,T,R;N-MAPPING N个水系统动态变化-动态监测-动态预报雨雨洪城市雨洪28跟踪雨洪演进-退水过程监测预报特定雨强淹没范围-深度-时段更新案例历史数据-现势数据29蒸发降雨入渗产流城市化前蒸发降雨入渗产流城市化后城市雨洪汇水系统特征基于高精度DEM的城市雨洪系统A,H,T多尺度演化分布式就地转化尺度与过程城市浅表层空间城市空间关联区域-城市雨洪排

11、泄系统30洪水监测与分析31多尺度监测-预测 Disaster-RISK航空遥感图象SPOT卫星TM卫星高分辨率卫星32城市雨洪灾害2012年7月21日，北京城遭遇百年一遇降雨。造成全市受灾人口190万人，77人遇难，经济损失近百亿元。“7.21”暴雨后，北京市在下凹式立交桥安装积水监测设备，在其中20多个下凹式立交桥区开建蓄水池，改造全市74个雨水泵站。逢雨必涝、逢暴雨必瘫33风险风险链 灾害灾害链WFD-Water Framework DirectionRBMP-River Basin Management Plans34国际比较研究35雨洪风险评估与预警北京地区多尺度雨洪风险制图A,H,

12、V,T,DEM北京地区雨洪风险预警情境驱动-动态风险排水设施规划和调整评价36GQ = FSA, HD,T, DSDM=RS-GIS- SN-UN风险创造价值37雨洪资源-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雨洪资源-度汛安全39雨洪资源-度汛安全40雨洪资源-度汛安全41雨洪资源-度汛安全42北京水资源

16、安全 北京水资源安全 重新发现多尺度区域水循环雨洪资源-度汛安全 地表水-地下水调蓄应急水源地运行安全风险预警评估43应急水源地常规运行 2002年，北京地区先后建立共5个城市应急供水水源地。2008年，66.3%的城市用水取自地下水；应急地下水源地高强度、大规模、持续开采地下水，部分含水层已经处于疏干状态。 应急水源井的长期超采，诱发区域地面沉降呈快速增长趋势。最严重的地方，地表以30-60mm/a的速度下沉，最大累计沉降量达1096mm。沙河沉降漏斗顺义沉降漏斗平各庄漏斗王四营漏斗44地面沉降严重威胁城市安全全球性、综合性、多学科交叉的复杂系统问题北美WINSAR欧洲-Terrafirma

17、项目华北平原北京市平原区150多个国家、地区发生地面沉降，一系列的国际科学计划95个城市地面沉降多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理45国际地表形变监测研究计划-INSAR 星载合成孔径雷达利用，合成孔径雷达联合研究工作组，1996 星载合成孔径雷达，地球空间科学研究委员会，NASA，1995 生活在多灾害的星球上，固体地球科学工作组，2002 龙计划，中国政府-欧洲空间局,2004 美国综合地球观测系统的战略计划 地球观测工作组, 2004 全球综合地球观测系统（GEOSS）地球观测组织（GEO），2004 Tandem-X计划，第二颗TerraSAR-X卫星，DLR，2010 哨兵计划-1

18、A（Sentinel-1A），欧洲航天局，201246 技术特点 顺义机场平各庄昌平沙河朝阳王四营GPS+InSAR,点+线+面+体区域沉降-体-三维不均匀形变大区域、高精度、低成本、短周期毫米级形变监测能力47华北平原区地面沉降48北京平原区含水层岩性分布图49永定河冲洪积扇B-B水文地质剖面图潮白河A-A水文地质剖面图50NSCALELEVEL 1:400000UPRIGHTNESS 1:5000Hydrogeological Profile51区域构造52 北京地下水超采强度图53地表形变场-INSAR-GPS-水准地下水渗流场-数值模拟动-静载荷应力场-RS-立体监测网体-统一体 场-

19、统一场水文地质体多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理形变场应力场渗流场 形变场为一非线性分段函数 形变量 地下水开采量 应力场-INSAR-立体监测网 形变场 = F渗流场,应力场,T,54遥感与水文地质的交叉研究；多层含水层系统演化-地面三维形变整体研究，研究其互馈机理；量化研究地下水超采、动静载荷对区域地面不均匀沉降实际贡献，实现地面沉降的科学调控。多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理地下水渗流场水文地质体多层含水层系统地表形变场不均匀沉降动、静应力场动态互馈过程 形变场 = F渗流场，应力场，T, ,55研究方案空间场56 典型区地下水数值模型多尺度区域水循环过程的地下水系统模型 G H

20、+H, Q+Q N K, , , +, + 57融合PS、小基线的干涉测量方法PS技术小基线技术永久散射体和小基线技术所分析的相干点目标（像元）在一定程度上有着不同的散射特性，但是二者又有一定的互补性；针对这一特点，从相干点目标散射特性角度出发，将PS和SB干涉方法 进行融合；改善干涉数据集的时间分辨率，克服去相关影响，提高干涉图像内相干点目标的空间密度。58典型沉降区域PS点的分布图 59城市水循环-地面沉降-城市运行安全无砟轨道 梁面前后左右上下一米范围内误差2毫米，4米范围内误差8毫米相邻墩台沉降0.5毫米，每20米沉降2厘米，路基沉降3毫米。60典型区域地面沉降时序演变过程分析61PS

21、点季节形变演化62 典型区域地面沉降时序演变-关联分析63 城市化降低了降雨对地下水的渗透补给量，直接影响地下水的动态变化和地下水漏斗的形成，间接影响着地面沉降的时空演化。雨洪-城市浅表层空间。地下水流场变化与区域地面沉降响应分析64区域动静载荷演化与地面沉降响应65地下水水位等值线与地面沉降速率图66多层含水层系统演化与地面沉降互馈机理开展遥感、GIS与水文地质的交叉研究。典型沉降区北京由于长期过量开采地下水，区域地面沉降已有30年历史，加之城市浅表层空间开发利用、城市发展建设中的钢筋混凝土静载荷、城市立体交通网络形成的动载荷等的急剧变化，引发了一系列地面沉降问题，严重威胁着城市安全。针对以

22、超采地下水为主要诱因的城市地面不均匀沉降，提出了多分辨率、整体研究、系统优化的理论模型。新的理论模型把多层含水层系统演化与地面三维形变作为一个整体研究对象，研究其互馈机理；把含水层释水地面形变的背景应力场概化为不同时空分辨率的自然沉降、静载荷与动载荷应力场。理论模型改变了以往区域地面沉降研究中，含水层系统演化和地面形变研究分割、分属不同学科的局面。采用综合信息、优化系统研究，全面揭示多层含水层系统演化与地面三维形变的互馈机理；量化研究地下水超采、自然沉降、动静载荷对区域地面不均匀沉降的实际贡献，实现地面沉降的科学调控。 形变场 = F渗流场, 应力场, T, , 67应急水源地运行安全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应急水源地运行安全69应急水源地运行安全70应急水源地运行安全71应急水源

27、地运行安全72 北京水资源安全 北京水资源安全 重新发现多尺度区域水循环雨洪资源-度汛安全 地表水-地下水调蓄应急水源地运行安全风险预警评估73数据挖掘流域尺度-区域尺度-城区尺度全球环境变化-区域响应-都市化效应-城市水系统-极端天气事件时空-强度不确定性自然、人为因素的动态性空间关联-互相作用-系统演化卫星技术的革命性进展-SAR-GRACESDMKD-Spatial Data Mining and Knowledge Discovery-尺度与过程的空白74GRACE-Gravity Recovery and Climate Experiment 工作原理质量的运动会引起重力场的时变新机

28、会 重力恢复和气候实验发现大区域-多尺度质量变化趋势 支持大区域水文模型-地下水储量变化-识别区域水循环变化过程 区域地下水位变化引起的负荷效应与地表形变效应 多尺度大区域水文变化与重力变化的关系75 GRACE揭示深层地下水过度消耗山前浅层水中东部深层水华北平原76 京津冀地下水2.4cm/a,-52亿立方米/年 华北地区每年损耗83 11亿吨地下水是早期结果的3倍 环境变化的区域水资源响应与演化趋势 区域水文模型-水系统相互作用于水量交换 重新认识区域水循环-水安全-水危机中科院测量与地球物理研究所研究团队冯伟博士、钟敏研究员、许厚泽院士，与法国空间局/大地测量研究中心（CNES/GRGS

29、） Richard Biancale教授和Jean-Michel Lemoine博士、夏军教授(武汉大学/中科院地理所)GRACE-Gravity Recovery and Climate Experiment77InSAR+高精度DEM+GPS+常规技术遥感、GIS与通讯技术、物联网点+线+面+体实体物理模型高精度、现势性、短周期78非饱和带 土壤水饱和带 地下水地下水开采弱透水层大气降水地表水 水资源管理-流域尺度-区域尺度-城区尺度-城市浅表层空间 极端天气事件-区域性雨洪、干旱 地下水应急开采、南水北调-水环境安全 极端天气事件-人为干扰-地表水-地下水联合调蓄地面沉降土壤水区域多尺度

30、水循环过程-调控过程79地表水-地下水调蓄 城市雨洪控制与利用系统 客水进京存储与利用系统 地下水水源地调蓄与地下水库系统 城市中水利用系统 区域地面沉降与抬升蠕变 城市景观生态用水系统的重建 特定区域水系统优化配置漏斗区、水系统单元区、地下-地表水库区 不同等级水系统的综合-水系统间的相互依赖-尺度间的相互依赖及其动态变化80SDM-RS-GISMethodology FrameworkUNESCO-IHP红皮书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