全球气候变化与人类强烈活动下的水资源安全IPCC（联合政府间气候变化专门委员会）通过分析近百年来的气候研究表明全球气候变化和人类活动对水资源具有重要的影响[3，4]。20世纪90年代，我国雨带南移，降水呈南涝北旱趋势，进入21世纪后，雨带北抬，南方降雨减少，但暴雨干旱等极端气候事件频发。因此，在全球气候变化与社会经济快速发展的背景下，我国未来水文情势具有很大的不确定性，现状水资源供需矛盾在未来愈加突出。我国水文水资源时空分布极不均匀，在空间分布上，水量由东南沿海向西北内陆递减，占耕地70%的北方仅占有全国水资源的16%；在时间分布上，汛期4个月水量占全年水量的60%~80%。在农业用水的区域差异上，南方地区农业用水占总用水量的51%，北方地区占74%，其中西北地区占90%以上[5]。近30年，受全球气候变化的以及水资源的过度开发利用的影响，我国北方黄、海、淮三大流域的河川径流量呈下降趋势，减少了15%~40%左右，未来的变化仍具有很大不确定性。我国水资源总量为2.8×1012m3，占全球总量6%，人均水资源约2000 m3，仅为全球人均的28%。目前，我国年用水总量为6200×108m3，人均用量为440 m3，为全球人均用量的75%，水资源用量严重的短缺。以黄河为例，近半个世纪虽然流域降水量并无显著变化，但中下游径流锐减，甚至出现上世纪末连续多年下游-河口断流现象。北京的水资源总量也呈下降趋势，由过去40×108m3变成现在不足30×108m3，其中密云、官厅两大水库来水量已不足10×108m3，地下水量依靠超采维持在年20×108m3水平。随着我国社会经济向建国100年时的中等发达国家水平稳步迈进，在农业用水量基本保持不变的条件下，我国工业用水、生态用水和人民生活用水量都将大幅增加，预计到2030年，我国水资源需要量将从现在的6200×108m3增加到7000×108m3以上。水资源供需矛盾将越来越突出。据联合国世界水发展报告[6]，到2025年，我国北方将面临物理性缺水的严重压力。为缓解这一突出矛盾，我国开工建设南水北调工程，其东线和中线一期调水工程已经完工并投入使用，西线调水仍在研究论证中，即使调水工程全面完成，但仍需实施最严格的管理制度对水资源使用进行控制。综上所述，提出未来我国水资源安全问题的科技前沿问题包括：（1）气候变化与人类活动条件下未来全球-流域/区域-田间多尺度水文过程与水资源变化情势研究；（2）我国地面-地下-天空径流相互转换与调控机制研究；（3）以水信息为基础的水文水资源预测评价模型与方法研究；（4）实施我国最严格水资源管理制度的关键因素研究，包括开源-节流-治污-调配等综合措施；（5）跨流域调水的经济、社会影响、环境生态效应与关键技术研究。3农业水资源高效利用我国农业有效灌溉面积为9亿亩，用水总量为3700×108m3/y，占工农业、生活、生态总用水量的61%。我们以占全球6%的淡水资源、9%的耕地，解决了全球20%人口的温饱问题，而且支撑了社会经济的快速发展。在农业用水分布中，区域差异显著，南方地区农业用水占用水总量的51%，北方地区占74%，其中西北地区占91%。灌溉对粮食增产起重要作用，根据统计，全国各流域灌溉地与非灌地的产量增长系数为1.61（东北）、1.78（长江）、1.99（西南）、2.24（东南，珠江）、2.78（黄河、海河、淮河流域）、2.73（内陆诸河）。然而，我国农业灌溉的效率仍不高，与发达国家相比[7]，单方灌溉水粮食产量仅1.1 kg/m3，而发达国家达2.5~3.0 kg/m3，灌溉水有效利用系数仅为0.5，而发达国家达0.7~0.8，因此农业增产节水潜力仍然巨大。综上所述，提出农业节水、粮食保障与水资源的科技前沿问题有：（1）农业水资源高效利用关键技术研究；（2）植物光合作用与蒸腾耗水关系，光合速率饱和与其蒸腾速率变化的最优灌溉模式研究；（3）未来气候变化条件下我国不同作物（小麦、水稻等）的灌溉需水量的变化趋势研究；（4）灌区节水的水文与生态环境效益研究；（5）高新科技（分子生物节水技术、信息技术、遥感等）在节水农业中的应用研究等。4河流-湖泊-近海泥沙与生态环境我国河流-湖泊-近海泥沙与生态环境面临严峻形势，一是由于水土资源的过度开发，导致河流数目大幅度减少，按全国水利普查公报[8]，流域面积100平方公里以上的河流总数为22909条，与20世纪中叶相比有大幅度减少；二是由于河流泥沙淤积，导致有近1/2河流功能衰减，有1/3河流淤积萎缩；三是河流、湖泊、水库、地下水水质污染问题仍然严峻，其中黄河、海河、淮河、辽河四大流域仍有40%-60%的河段水质属IV~V与劣V类，地下水较差和极差比例占55%以上，重点湖泊富营养化比例占25%，如图1所示；四是黄河、长江由于上游来沙量逐年减少，河口海岸开始退蚀，生态系统受到影响。如长江下游控制站大通站在2003~2011年平均输沙量是1951~2011年的37%，长江口底栖生物种类2010年比1980年减少80%，生物量减少58%。由此可见，我国河流-湖泊-近海的物质通量发生了巨大变化，河流梯级化明显。导致上述问题的原因主要是水资源过度消耗，工农业发展和城镇化引起的过度排放，坝库拦截泥沙等人类活动以及气候变化因素[9]的影响。综上所述，提出河流-湖泊-近海泥沙与生态环境的前沿科技问题包括：（1）水沙运动与生态环境的多尺度交互作用机理，包括泥沙-河流-流域地貌演变的物理过程以及河流泥沙、氮、磷等物质通量和流域（河湖、河网、湿地）生态环境的物理、化学、生物学相互作用；（2）人类活动因素，如工程开发、土地开发、工农业用水与污水排放，城镇化、生活用水、水土保持等因素相互耦联作用；（3）河流系统的宏观平衡与生态环境修复的关键水动力、地貌和生物多样性要素；（4）长江、黄河未来水沙情势与环境生态要素预测。5水电能源开发的驱动与制约因素我国水电能源储量居世界首位，近年开发速度增快，迄今共有水电装机容量3.0×108kW，占电力总装机容量的22.7%，仍有不到50%的水电资源正在或有待开发，如图2所示。目前驱动我国水电能源继续较快开发的因素：一是我国的“科学、绿 {MOD}、低碳”能源战略要求逐渐减少对占70%的煤炭能源的依赖，以缓解环境-生态的压力；二是CO2等温室气体减排的迫切需求，我国目前的CO2排放量已超过90亿吨，减排压力巨大；三是大规模风电、太阳能发电并网和水电（包括抽水蓄能发电）的调峰补偿功能要求水电加快发展；四是中小型水电对山区农村社会经济发展的支撑作用。因此，我国在2020年前预计新增装机容量约1.2×108kW，集中于西南诸河流域和黄河上游：2020~2030年内有0.9×108kW，集中于西南诸河上游：2030~2050年有0.8×108kW，集中于西藏与云南两地。在一定的自然、社会和经济环境下，水电能源开发的关键驱动与制约因素在于综合高效利用流域水能资源的同时，如何减少对生态环境的影响以及水库移民问题。综上所述，水电能源开发需要研究的前沿科技问题有：（1）水电能源开发与我国资源配置和能源结构调整的协同规划问题；（2）梯级水电站群防洪、发电、航运、供水和生态环境等综合优化调度研究；（3）水电能源开发导致的河流梯级化流域生态环境演化机制问题；（4）移民问题；（5）水电与风、光、海洋等可再生能源的调节互补问题。6高坝梯级水电站长期安全运行高坝梯级水电站的长期安全运行涉及坝下游人民生命财产安全，是水安全的重要组成部分。截止2010年我国已建在建30 m以上大坝5564座，在防洪、发电、灌溉、供水、航运等方面发挥着巨大的作用。我国高坝梯级水电站建设主要集中于西南地区，主要特点为：坝高达300 m级，库容达几十亿至百亿立方米，***流量大，长江干支流骨干工程设计洪水流量高达（2~5）×104m3/s，三峡设计洪水量超过12×104m3/s，***能量集中，消能难度大；坝址处于地震高烈度区，设防烈度达8~9度以上；地质条件复杂，地下电站规模巨大等等。由此可见，强震、复杂地质和洪水等严酷自然条件下的高坝水库群，长期运行安全是水安全保障的基本战略目标。根据世界高坝安全事故原因分析，高坝水电站主要致灾因子包括超强地震、超标洪水以及特大地质灾害。如1999年我国台湾石冈坝地震断裂，1971年美国洛杉矶上游San Fernando地震导致Van Norman土坝地震滑坡，几乎造成漫顶，1975年我国板桥、石漫滩洪水漫顶溃坝，1959年法国Malpasset拱坝坝基失稳溃坝，1963年意大利Vajont拱坝库岸滑坡涌浪等。综上所述，提出高坝梯级水电站安全运行的前沿科技问题有：（1）高坝地震全过程模型研究，从震源破裂到介质传播到高坝响应统一于一个模型中，精细分析大坝地震作用过程；（2）高坝-水库-地基强非线性耦合，包括大坝地震破坏过程研究；（3）强震作用下，库群滑坡-泥石流-堰塞湖-溃坝灾害链研究；（4）地基与体、材料宏细观动力破坏机理研究；（5）高土石坝洪水溃坝过程研究；（6）综合经济投入-工程设计-灾害-人员、经济损失与环境影响的风险评价体系研究。7水旱灾害防御我国洪旱灾害频繁，每年损失巨大，中小河流、大中城市和沿海发达地区的公共安全面临严峻挑战。受极端气候条件和高强度人类活动的影响，近年我国水旱灾害频繁发生，包括沿江平原区的江河洪水、大中城市区的城市洪涝、山地丘陵区的山洪与滑坡泥石流、沿海地区的风暴潮、遍及全国各地区的干旱等五大类型。目前，我国大江大河防洪体系已基本形成，但防御特大洪涝灾害能力仍较薄弱。总体上，水旱灾害威胁仍然严重，带来人员伤亡与经济损失仍然巨大，如20世纪洪涝灾害年平均死亡人数达4000人以上，21世纪降为1400人，水旱灾害直接经济损失仍占GDP的1.28%，其中洪涝灾害占GDP的0.64%[11]；小河流与山洪泥石流灾害更为突显，其经济损失占洪涝灾害的80%，山洪死亡人数占洪涝灾害的76%。此外，近年来洪涝灾害一个大的特点是城市洪涝灾害增加，从2006年以来，每年遭受城市洪涝灾害的县级以上城市超过100个。近年来，北京、重庆、天津、武汉、杭州、成都、南京、广州、深圳等大城市都发生过大的洪涝灾害，其原因可能与区域气候变化导致孤岛热效应使暴雨增大，城镇化地表硬化导致入渗减少，以及各大城市原有防洪排洪设施标准偏低等有关。风暴潮对沿海的威胁也很严重，仅2012年就有17个省、753个县受灾，经济损失达650亿元。此外，我国有71%的干旱县、干旱年均损失为1500亿元。本世纪以来的重大旱灾包括2000年、2001年的全国大旱，2006年川渝大旱、2009年北方大旱、2010年西南五省特大旱、2011年北方、长江中下游大旱等[12]。综上所述，关于水旱灾害防御的前沿科技问题包括：（1）水旱灾害机理研究；（2）灾害时空分布规律与预报预警研究；（3）强变化条件下灾害动态风险管理系统研究；（4）洪旱灾害防御中的信息化与决策应急系统研究等。
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