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美国未来水资源科学优先研究方向

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近日,美国国家科学院发布《美国未来水资源科学优先研究方向》的研究报告,确定了美国在未来25年内水资源科学面临的挑战,以及全球水资源存在的问题和应对的创新技术,并提出了政策建议。


未来几十年,人口增长、气候变化、极端天气,以及与水有关的基础设施老化,威胁着水资源的利用与水质,解决与水资源使用有关的问题将至关重要。美国地质调查局水务分局(USGS-WMA)能够收集和提供与美国水资源有关的高质量、无偏见的科学信息,不仅能够在飓风、洪水和森林火灾等紧急情况下做出快速反应,而且在水资源的长期管理方面具有丰富的经验,能在很多方面帮助政府决策。


1 未来美国水资源科学优先事项:


报告确定了美国未来25年内水资源科学面临的挑战。其水资源优先研究方向综合了已发表相关主题的成果和USGS当前的水资源科学研究,并采纳来自美国联邦、州、地方、非政府和学术界专家的意见,确定了以下跨水资源科学所面临的诸多挑战:


1了解水在地球系统中的作用。水在大气、岩石圈和生物圈中的流动促进了物理、化学和生物过程。了解水循环响应机制,并反馈到全球变化的趋势中,仍然是地球系统研究的关键挑战。

2量化水循环。有效管理水资源需要了解水的含量、状态和位置。由于水的存量、流量和停留在空间和时间上的变化使得水循环的量化非常困难,这也是未来水科学研究的方向之一。

3开发集成建模。模型是集成和综合不同观测数据、理解复杂的交互作用和测试假设,以及重建过去和预测未来系统发展轨迹的重要工具。

4量化社会水文系统的变化。了解人类活动如何影响水资源对管理美国和全球的水资源至关重要。

5确保可靠和可持续的水供应。人类社会依赖于清洁、可靠和可负担得起的地表水和地下水,饮用、食品、能源生产、工业活动、健康的生态系统、娱乐活动和旅游都离不开水供应。

6了解和预测与水有关的灾害。从经济和人类角度看,与水有关的灾害是最严重的自然灾害之一,而且由于人类活动和气候变化可能导致日益恶化。



2 解决全球水资源科学问题:


报告提出了10个总体的水资源科学问题,如果这些问题得到解决,将在未来对水资源科学的挑战做出最重要的贡献。对这组问题的进一步提炼,形成了五个更优先级别的问题。这些问题主要根据科学重要性、社会需求、与USGS任务的相关性以及与USGS合作伙伴的相关性等标准提出:


①量化大气、地表水和地下水的质量和总量,以及它们在空间和时间上的变化;

②人类活动对水量和水质的影响;

③如何更有效和全面地进行水资源核算,以提供有关水资源供应和使用的数据?

④气候变化如何影响水质、水量、水资源利用的可靠性以及与水有关的灾害和极端事件?

⑤如何改善与水有关的长期风险管理?


其他5个问题也非常重要,但可以通过更广泛的水资源研究加以解决:

⑥水循环在不久的将来对大气、岩石圈和生物圈的变化有哪些反应?水文反应如何反馈并加速或抑制大气、岩石圈和生物圈的变化?

⑦如何改善气候、水文、水质和相关社会系统的短期预测?

⑧制度、治理和制度弹性如何影响水量和水质?

⑨如何更好地理解与水有关的危害和人类健康之间的联系?

⑩在健康的社区和生态系统的前提下如何管理和维护水资源的竞争使用?



3 技术创新应对水资源挑战:


新兴技术将有助于推动水资源所面临的挑战。此后的25年,更广泛来源的观测数据将提供更高的时间和空间分辨率。新技术的广泛采用支持开发新系统,快速收集来自不同来源的数据,以进一步评估、存储、处理和共享数据,发挥数据的最大作用。


新的传感器将推进水资源的观测和分析水平,但在测量和监测水质方面存在技术挑战。微传感器仍然是研究和开发的重要方向之一。环境DNAeDNA)技术已经可以从单个水样中检测入侵物种,这将对环境健康和恢复力具有重要意义。


管理“大数据”和整合多源异构数据有助于水资源模型的开发,为跨学科模型集成和不确定性提供辅助决策。



4 对美国水资源研究与管理的政策建议:


根据上述水资源领域所面临的挑战和优先研究方向,报告提出以下建议:

1加强数据收集,开发基于Web的分析工具。为了使国家能够应对未来的水资源挑战,应该①使用创新技术加强水量、水质和用水监测,并建立数据库和开发监测平台;②进一步将公共科学纳入USGS数据收集活动,以增强传统监测网络;③研发更直观的基于Web的数据分析和可视化工具,以便更好地了解水资源的状况和趋势。

2与各机构和相关组织协调数据对接。USGS-WMA作为提供水量、水质数据和信息的机构之一,应与其他机构和相关组织共同协调开发可访问的、开放编码的数据格式、协议、互动工具和软件。这种数据共享模式和综合多个观测点,更有利于监测水量和水质变化的趋势。

3增加对人类活动与水资源关系的关注。应优先调查人类活动与地表水和地下水变化之间的关系,通过综合观测,结合受气候和社会经济因素影响的自然-人类系统模型研究与水有关的灾害。

4建立健全的水资源核算系统。应开展相关研究,了解如何最好和最有效地执行水资源核算,以及如何评估和呈现报告数据的不确定性。水资源核算应超出资源本身的测量范围,同时需考虑水资源利用的生物性、物理性和社会性约束。

5与各机构和相关组织就水资源数据标准和使用类别进行合作。作为国家收集用水数据和信息的部门之一,USGS-WMA应与其他机构和相关组织合作,共同制定用水类别的标准、协议,并遵守各州、县和流域的通用标准。

6确保监测网络提供足够的信息来评估不断变化的情况。应定期评估地表水和地下水监测网络的状态,以确保这些网络能够为气候、农业和其他土地利用以及城市化带来的环境变化提供水文影响分析数据。

7重点关注极端水情的长期预测和风险评估。应优先考虑解决与洪水、干旱和水生污染物等水文原因相关的风险,设法了解气候变化、土地覆盖率和土地利用变化以及其他生物、物理和社会经济因素对水资源(水量、水质、极端事件和其他水文灾害)的影响。USGS应该进一步开发综合模型,以帮助预测在不断变化的气候条件下的未来水文条件。这些活动需要资源管理者、决策者和社会科学家与其他USGS任务进行综合研究。

8开发涵盖整个水循环的多尺度、集成性的动态模型。WMA应优先考虑多尺度和综合建模,利用地面传感和空中地球观测平台,将地上和地下水资源存储的水量、水质、自然与人类的驱动因素以及相互作用动态耦合。

9与代理机构和私营部门等机构内外合作。水资源挑战具有内在的跨学科性,USGS-WMA应继续建立并保持强有力的合作,加强与USGS其他任务的联系,最大限度地发挥其在观测、研究、预测和提供水资源数据和问题方面的影响;加强与其他联邦和州相关机构以及国际机构(特别是跨界水问题)的联系,以应对更多的水资源挑战;评估并在其认为有利的情况下与私营部门合作,以开发新的数据源和平台,加强数据、信息、模型和其他产品的传播。

10建立一支准备应对新的水资源挑战的科学队伍。调整其当前和未来的研究队伍,以满足关键的战略需求,特别是提高包括改善水资源监测、自然-人类耦合系统建模、创新数据分析和可视化方法等方面的队伍能力。

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