气候变化与流域地表地下水文过程耦合响应机制和系统模拟

Climate change may significantly affect surface water and groundwater in the watersheds. Sound development and management of surface water and groundwater resources under changing climatic conditions necessitate characterization and quantification of interrelationships between climate change and hydrological processes. The objective of this project is development of innovative integrated simulation methodologies for simulating the impacts of climate change on surface water and groundwater interactions in the watersheds, based on the previous research efforts. It entails: (1) characterization of watershed system features and data collection; (2) evaluation of climate change impacts on surface water and groundwater hydrology and projection of multiple climate-change scenarios; (3) development of integrated stepwise-cluster-analysis-based watershed surface-water-groundwater system simulation model; (4) characterization and quantification of multi-echelon uncertainties in climate-change and hydrologic simulation; (5) development of integrated systems-based watershed water resources optimization management model. This project will make a unique contribution to R&D of innovative methodologies for evaluating and simulating impacts of climate change on watershed hydrologic and hydrogeologic processes, fill the gaps of the previous studies in the research fields, and enhance the research capabilities in integrated watershed management in China.

气候变化能显著的影响流域地表和地下水资源。如何针对这种日益加剧的气候变化，合理开发、利用和管理流域地表地下水资源，亟需定量化研究气候变化和流域地表地下水之间的耦合互动机制。本项目将在已有研究的基础上，对气候变化与流域地表地下水水文过程的耦合响应机制、气候-水文系统耦合模拟、优化管理和不确定分析等方面开展深入的研究创新工作。主要研究内容包括：（1）典型流域系统特征辨识和数据收集；（2）气候变化与地表地下水之间的耦合响应机制及多情景气候模拟预测；（3）开发基于逐步聚类分析的流域地表地下水耦合系统模拟模型；（4）气候变化和水文过程耦合模拟中的多重不确定性分析；（5）基于气候-水文系统模拟的流域水资源综合优化调控管理模型。本项目在方法上将有诸多创新，能填补我国在气候变化条件下流域地表地下水耦合响应机制和模拟研究等方面存在的许多科研不足，提高我国流域综合调控管理研究水平。

气候变化能显著的影响流域地表和地下水资源。准确的流域水文过程模拟包括地表地下水耦合过程是研究气候变化影响和流域综合管理的重要前提。缺乏有效的气候变化与流域地表地下水文过程耦合系统模拟，降低了制定出的流域水资源管理决策的科学性、准确性和鲁棒性。本项目着眼于此，在流域系统特征辨识、气候-水文系统模拟、优化管理和不确定性分析的基础上，对气候变化与流域地表地下水文过程的耦合响应机制和系统模拟开展了深入的研究。本项目的主要研究内容和重要结论包括：（1）提出了集成高精度航空河网数据、DEM和GIS的流域特征提取和离散化框架，提高了流域系统特征辨识和提取的准确性和可靠性；（2）开发了基于双变量经验模态分解和机器学习的统计降尺度方法，来解决气候模型与水文模型之间尺度不匹配和转化难题；（3）提出了流域地表地下水耦合系统模拟模型，模拟预测了流域降水、地表水、土壤水及地下水之间的交互作用；（4）识别了气候变化和地表地下水系统模拟中不确定性的来源和类别，量化分析了多重不确定性对气候和水文过程模拟的影响；（5）建立了多重不确定性流域水资源综合优化调控管理模型，权衡分析了不同层次决策者的利益和需求，形成了最优的流域水资源管理决策方案，提高了流域水资源管理决策的准确性和鲁棒性。研究成果极大丰富了气候变化与流域地表地下水文过程交互作用机制理论，提高了我国气候变化条件下流域水资源系统模拟和综合管理能力，对我国气候变化条件下的流域水资源开发利用和综合调控管理、以及流域社会经济可持续发展具有重要意义。相关研究成果已发表在国际SCI期刊，并已申请多项国家发明专利。