美國未來水資源科學優先研究方向

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近日,美國國家科學院發布《美國未來水資源科學優先研究方向》的研究報告,確定了美國在未來25年內水資源科學面臨的挑戰,以及全球水資源存在的問題和應對的創新技術,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,以及與水有關的基礎設施老化,威脅著水資源的利用與水質,解決與水資源使用有關的問題將至關重要。美國地質調查局水務分局(USGS-WMA)能夠收集和提供與美國水資源有關的高質量、無偏見的科學信息,不僅能夠在颶風、洪水和森林火災等緊急情況下做出快速反應,而且在水資源的長期管理方面具有豐富的經驗,能在很多方面幫助政府決策。


1 未來美國水資源科學優先事項:


報告確定了美國未來25年內水資源科學面臨的挑戰。其水資源優先研究方向綜合了已發表相關主題的成果和USGS當前的水資源科學研究,并采納來自美國聯邦、州、地方、非政府和學術界專家的意見,確定了以下跨水資源科學所面臨的諸多挑戰:


1了解水在地球系統中的作用。水在大氣、巖石圈和生物圈中的流動促進了物理、化學和生物過程。了解水循環響應機制,并反饋到全球變化的趨勢中,仍然是地球系統研究的關鍵挑戰。

2量化水循環。有效管理水資源需要了解水的含量、狀態和位置。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的量化非常困難,這也是未來水科學研究的方向之一。

3開發集成建模。模型是集成和綜合不同觀測數據、理解復雜的交互作用和測試假設,以及重建過去和預測未來系統發展軌跡的重要工具。

4量化社會水文系統的變化。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重要。

5確保可靠和可持續的水供應。人類社會依賴于清潔、可靠和可負擔得起的地表水和地下水,飲用、食品、能源生產、工業活動、健康的生態系統、娛樂活動和旅游都離不開水供應。

6了解和預測與水有關的災害。從經濟和人類角度看,與水有關的災害是最嚴重的自然災害之一,而且由于人類活動和氣候變化可能導致日益惡化。



2 解決全球水資源科學問題:


報告提出了10個總體的水資源科學問題,如果這些問題得到解決,將在未來對水資源科學的挑戰做出最重要的貢獻。對這組問題的進一步提煉,形成了五個更優先級別的問題。這些問題主要根據科學重要性、社會需求、與USGS任務的相關性以及與USGS合作伙伴的相關性等標準提出:


①量化大氣、地表水和地下水的質量和總量,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的影響;

③如何更有效和全面地進行水資源核算,以提供有關水資源供應和使用的數據?

④氣候變化如何影響水質、水量、水資源利用的可靠性以及與水有關的災害和極端事件?

⑤如何改善與水有關的長期風險管理?


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水循環在不久的將來對大氣、巖石圈和生物圈的變化有哪些反應?水文反應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、水質和相關社會系統的短期預測?

⑧制度、治理和制度彈性如何影響水量和水質?

⑨如何更好地理解與水有關的危害和人類健康之間的聯系?

⑩在健康的社區和生態系統的前提下如何管理和維護水資源的競爭使用?



3 技術創新應對水資源挑戰:


新興技術將有助于推動水資源所面臨的挑戰。此后的25年,更廣泛來源的觀測數據將提供更高的時間和空間分辨率。新技術的廣泛采用支持開發新系統,快速收集來自不同來源的數據,以進一步評估、存儲、處理和共享數據,發揮數據的最大作用。


新的傳感器將推進水資源的觀測和分析水平,但在測量和監測水質方面存在技術挑戰。微傳感器仍然是研究和開發的重要方向之一。環境DNAeDNA)技術已經可以從單個水樣中檢測入侵物種,這將對環境健康和恢復力具有重要意義。


管理“大數據”和整合多源異構數據有助于水資源模型的開發,為跨學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:


根據上述水資源領域所面臨的挑戰和優先研究方向,報告提出以下建議:

1加強數據收集,開發基于Web的分析工具。為了使國家能夠應對未來的水資源挑戰,應該①使用創新技術加強水量、水質和用水監測,并建立數據庫和開發監測平臺;②進一步將公共科學納入USGS數據收集活動,以增強傳統監測網絡;③研發更直觀的基于Web的數據分析和可視化工具,以便更好地了解水資源的狀況和趨勢。

2與各機構和相關組織協調數據對接。USGS-WMA作為提供水量、水質數據和信息的機構之一,應與其他機構和相關組織共同協調開發可訪問的、開放編碼的數據格式、協議、互動工具和軟件。這種數據共享模式和綜合多個觀測點,更有利于監測水量和水質變化的趨勢。

3增加對人類活動與水資源關系的關注。應優先調查人類活動與地表水和地下水變化之間的關系,通過綜合觀測,結合受氣候和社會經濟因素影響的自然-人類系統模型研究與水有關的災害。

4建立健全的水資源核算系統。應開展相關研究,了解如何最好和最有效地執行水資源核算,以及如何評估和呈現報告數據的不確定性。水資源核算應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與各機構和相關組織就水資源數據標準和使用類別進行合作。作為國家收集用水數據和信息的部門之一,USGS-WMA應與其他機構和相關組織合作,共同制定用水類別的標準、協議,并遵守各州、縣和流域的通用標準。

6確保監測網絡提供足夠的信息來評估不斷變化的情況。應定期評估地表水和地下水監測網絡的狀態,以確保這些網絡能夠為氣候、農業和其他土地利用以及城市化帶來的環境變化提供水文影響分析數據。

7重點關注極端水情的長期預測和風險評估。應優先考慮解決與洪水、干旱和水生污染物等水文原因相關的風險,設法了解氣候變化、土地覆蓋率和土地利用變化以及其他生物、物理和社會經濟因素對水資源(水量、水質、極端事件和其他水文災害)的影響。USGS應該進一步開發綜合模型,以幫助預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、決策者和社會科學家與其他USGS任務進行綜合研究。

8開發涵蓋整個水循環的多尺度、集成性的動態模型。WMA應優先考慮多尺度和綜合建模,利用地面傳感和空中地球觀測平臺,將地上和地下水資源存儲的水量、水質、自然與人類的驅動因素以及相互作用動態耦合。

9與代理機構和私營部門等機構內外合作。水資源挑戰具有內在的跨學科性,USGS-WMA應繼續建立并保持強有力的合作,加強與USGS其他任務的聯系,最大限度地發揮其在觀測、研究、預測和提供水資源數據和問題方面的影響;加強與其他聯邦和州相關機構以及國際機構(特別是跨界水問題)的聯系,以應對更多的水資源挑戰;評估并在其認為有利的情況下與私營部門合作,以開發新的數據源和平臺,加強數據、信息、模型和其他產品的傳播。

10建立一支準備應對新的水資源挑戰的科學隊伍。調整其當前和未來的研究隊伍,以滿足關鍵的戰略需求,特別是提高包括改善水資源監測、自然-人類耦合系統建模、創新數據分析和可視化方法等方面的隊伍能力。

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