摘要：全球气候变化与高强度人类活动驱动水循环发生深刻改变，现代水资源问题已经从传统的水量多少问题演变为水量‑水质‑生态‑人类社会相互交织的复杂水系统问题。美国地质调查局（USGS）历经一个多世纪发展，构建起一套完整的国家水资源科学体系，完成从传统自然水循环观测，向自然‑社会‑生态水循环耦合研究的范式转型。本文梳理USGS水资源科学体系的历史演进，解析GWSIP、NGWOS、NWQP‑NAWQA、National Water‑Use Science、NWC、IWAAs、IWS Basins、IWP等核心计划的内在逻辑，总结其“看水-识水-算水-评水-模拟水-预测水”的完整科学链条。研究发现，USGS形成以综合水资源可利用性评价为核心的科学范式，2025年发布的全国综合水资源可利用性评估标志该范式走向成熟，实现水量、水质、人类用水、生态需求、气候变化多要素统一研判。结合我国水资源治理现代化现实需求，借鉴USGS国家水资源科学基础设施建设经验，立足我国国情提出构建“一网、一库、一账、一模、一评、一预、一平台”的我国水系统科学能力框架，为落实“四水四定”、推进水资源‑水环境‑水生态协同治理提供参考。

关键词：美国地质调查局；USGS；国家水资源科学体系；自然‑社会‑生态水循环耦合；水资源可利用性；流域科学；水资源治理现代化

1 引言

水资源是经济社会发展与生态系统存续的基础性要素。传统水文学主要聚焦降水、径流、地下水等自然水循环过程，回答“区域有多少水资源”这一基础问题。伴随工业化、城镇化、农业现代化推进，大规模调水、灌溉、城市供水、污水处理工程重塑了水的运动路径，形成规模庞大的社会水循环；同时河湖、湿地、地下水系统本身存在固有的生态耗水需求，由此自然水循环、社会水循环、生态水循环三者深度嵌套、相互反馈，现代水资源问题的科学命题转变为：在什么时空条件下、具备何种水质的水资源，能够同时满足人类社会与生态系统的可靠利用需求。

美国地质调查局（USGS）作为美国联邦公益性地球科学机构，自1879年成立起逐步拓展水资源业务，从早期河流流量、地下水单点测量，发展成为覆盖观测、调查、核算、评价、模拟预测的国家水资源科学基础设施。其整套业务由《SECURE Water Act（2009）》立法予以制度化，形成WAUSP水资源可利用与利用科学计划为总载体，串联观测底座、水质评价、用水统计、水预算核算、流域示范、模型预测的完整业务链条，2025年发布的《National Integrated Water Availability Assessment, Water Years 2010‑20》将水供给、水质、人类用水、生态需求、气候变化纳入统一评价框架，代表国际上自然‑社会‑生态水循环耦合研究的重要实践样本。

当前我国落实“四水四定”原则，推进数字孪生流域建设、水资源刚性约束制度落地，但仍存在观测体系碎片化、水量‑水质‑生态评价相互割裂、跨部门数据壁垒、情景预测能力不足等现实短板。研究USGS水资源科学体系演进逻辑，不是简单照搬美国机构设置，而是借鉴其国家水系统认知能力建设的理念，为我国水资源治理现代化提供可参考的思路。

2 理论基础：三重水循环耦合的科学内涵

2.1 自然水循环

自然水循环是传统水文学的研究基石，核心是水在大气‑地表‑土壤‑地下之间迁移转化，遵循水量平衡公式：P=ET+R+Delta S，P为降水，ET为蒸散发，R为径流，Delta S为系统储变量。传统水资源调查重点统计降水量、河川径流量、地下水储量、蒸发量，回答区域天然水资源禀赋，但不充分考虑人类活动扰动与生态系统耗水需求。

2.2 社会水循环

工业化之后，人类通过取水、输水、蓄水、生产生活耗水、退水处理、再生回用，人为改变水的时空分配，构成独立的社会水循环链条：取水→输水→蓄水→耗水→排水→处理→再生利用→回归自然系统。农业灌溉、火电冷却、跨流域调水会显著改变自然径流、地下水补给排泄。因此，区域水资源状况不能只看天然来水，还受人口、产业结构、用水效率、工程调度、再生水利用共同约束。USGS设立National Water‑Use Science项目，正是把社会水循环通量纳入国家水资源科学体系的关键举措。

2.3 生态水循环

河湖、湿地、地下水支撑水生生物、河岸植被生存，生态系统本身是水资源重要使用者。水资源总需求不再仅仅是人类用水，而是D=D{human}+D{ecosystem}。即便天然水量充沛，如果河流生态流量被挤占、地下水水位下降破坏湿地生境，这部分水量不能算作可供人类开发的可利用水资源。USGS对“水资源可利用性”的定义，已经明确把水量、水质时空分布，与人类、生态系统需求绑定在一起，生态需水成为评价的硬性约束条件。

三重水循环不是三套独立系统，而是相互嵌套、存在强反馈。例如农业大规模取水，会造成河道基流下降，改变地表水‑地下水转化关系，带来水温、水质恶化，进一步挤压水生生物栖息地，降低整体水资源可利用水平。现代水资源科学必须完整刻画该类链式响应关系。

3 USGS水资源科学体系的历史演进

USGS水资源业务演进可以划分为四个关键阶段，体现从“测水”向“识水、算水、评水、预测水”的范式升级。

3.1 萌芽阶段（1879‑20世纪初）：面向西部开发的水文观测

USGS成立之初主要承担地质矿产调查，伴随美国西部拓殖、农业灌溉开发，逐步开展河流测流、地下水调查。核心任务回答：哪里有水、水量多少、何时来水。以单点观测、局部调查为主，尚未形成全国统一标准化网络。

3.2 成长阶段（20世纪上半叶）：建设国家长期水文观测体系

逐步建成全国河川、地下水监测站网，形成长时序水文时间序列。USGS认识到：单次调查价值有限，几十年连续观测形成的“国家水文记忆”，才能够识别周期、极端事件、长期变化趋势。GWSIP计划的制度基础在此阶段奠定，为后续干旱、气候变化研究积累原始素材。

3.3 拓展阶段（20世纪后期）：从水量转向水量‑水质并重

工业化带来水污染凸显，水资源问题不再只是“有多少水”，更要回答“水质怎么样”。1991年NAWQA项目正式启动，隶属于NWQP国家水质计划，以10年为周期滚动开展流域‑含水层一体化调查，同步监测理化指标、水生生物、栖息地，识别农业、城市化、大气沉降带来的污染驱动因素，标志USGS把水质正式纳入国家水资源评价体系。

3.4 综合耦合阶段（21世纪至今）：走向综合水资源可利用性评价

2009年《SECURE Water Act》立法，授权建立NWC国家水资源普查、IWAAs综合水资源可利用性评价，正式开启自然‑社会‑生态耦合综合评价。2019年NGWOS下一代观测系统试点启动，IWP综合水文预测计划建立模型模拟能力，IWS Basins综合水文科学流域作为实证试验平台。2025年《U.S. Geological Survey Integrated Water Availability Assessment—2010‑20》发布，将水供给、水质、用水、生态需求、气候变化情景纳入统一框架，标志USGS现代水资源科学范式走向成熟。

4 USGS现代水资源科学体系总体结构与核心计划解析

USGS整套体系形成闭环链条：监测→数据→核算→评价→流域综合研究→模型模拟→预测预警。各计划不是孤立专项，而是分层协作，形成七层能力：看见水、认识水、认识人类用水、算清水、评水、解析复杂水系统、预测未来。

4.1 GWSIP：基础水文观测体系

Groundwater and Streamflow Information Program，是全部水资源业务的数据源头。运维全国河流测站、地下水监测井、海岸咸水入侵监测网络，建设“Water Data for the Nation”门户。核心产出标准化长时序水文时间序列。没有连续标准化观测，趋势分析、模型校准、综合评价都失去根基。下属NGWOS（Next Generation Water Observing System）为下一代示范观测体系，在IWS示范流域试点多要素高密度同步观测（流量、水位、水质、积雪、土壤湿度），探索新技术、质控规范，不直接替换全国现有常规站网，沉淀经验再向外推广。GWSIP重在保存“长期水文记忆”；NGWOS重在实现“实时水系统感知”，二者互补运行。

4.2 NWQP与NAWQA：国家水质科学计划

National Water Quality Program（NWQP）是USGS水质业务总计划，NAWQA（National Water‑Quality Assessment）为旗舰子项目。覆盖河流、湖泊、水库、地下水、大气沉降、水生生态系统。遵循水质监测→评价→源识别→趋势研判→风险分析的业务逻辑。其科学启示：“有水”不等于“有可利用的水”，水质缺陷会直接削减水资源可利用规模。评价成果供给EPA环境保护署作为监管的科学基线，USGS本身不做水体达标判定，不承担排污执法职能。

4.3 National Water‑Use Science：社会水循环量化

专门统计八大门类（公共供水、灌溉、火电冷却、工业、畜牧、采矿等）取水量、耗水量、退回归水量。传统为五年一期全国用水公报，近年引入机器学习提升时空分辨率，推进到小流域、月尺度数据集。该计划解决社会水循环的数据输入，实现自然水循环与社会水循环在数据层面的对接，为NWC水预算核算提供人类用水通量。

4.4 NWC国家水资源普查：综合核算枢纽

National Water Census，并非一次性普查，而是持续性流域水预算会计核算框架。整合GWSIP水量、NWQP‑NAWQA水质、National Water‑Use Science用水多源数据，构建流域单元水预算账户。把降水、入境径流、地下水补给排泄、人类耗水、生态耗水、储变量纳入统一账本。NWC定位是整套体系的中间核算枢纽，输出标准化数据集，为IWAAs综合评价提供底层计算基础，本身不输出面向管理的最终决策结论。

4.5 IWAAs综合水资源可利用性评价：面向决策综合研判

Integrated Water Availability Assessments建立在NWC核算成果之上，确立综合可利用水资源函数关系：WA=f(Q,Ql,T,S,Dh,De)。WA代表水资源可利用性；Q为水量；Ql为水质；T时间；S空间；Dh人类用水需求；De生态系统需求。即：综合可利用水量=天然来水‑人类不可避免耗水‑生态必需耗水‑水质约束不可利用水量。分为区域IWAAs和全国IWAAs（NWAA）两级，产出专业报告、网格化数据集、面向管理者交互式网页，开展气候变化、不同开发强度多情景推演，完整披露模型假设与评估不确定性。USGS只输出多情景科学后果，不开展水量分配行政决策。

4.6 IWS Basins综合水文科学流域：耦合研究试验平台

Integrated Water Science Basins，不是独立项目，是代表性跨州示范流域集合，例如上科罗拉多河、特拉华河、威拉米特河。叠加NGWOS高密度观测、NWC核算、IWAAs评估、IWP模型校验。其思路是不在全国一步到位开展高成本深度耦合评价，优先选择现实水矛盾突出的流域做“科学实验室”，完整研究地表水‑地下水‑生态‑社会用水之间反馈关系，沉淀方法、标准、工具，之后向全国推广，平衡科学深度与财政成本。

4.7 IWP综合水文预测科学计划：从现状描述走向情景预测

Integrated Water Prediction对标USGS整体EarthMAP战略，是整套体系的模型引擎。整合MF‑OWHM地表水‑地下水耦合模型、SPARROW水质输移模型，融合高性能计算与AI机器学习。依托IWS Basins完成模型校验，实现自然‑社会‑生态水循环过程模拟，输出多情景推演。IWP开展中长期水资源趋势情景模拟，不承担短时效洪水实时预警；模型只模拟水分物理迁移，水权制度、政策博弈作为外部情景输入，不内生社会制度决策过程。

5 USGS水资源体系的制度治理特征

5.1 科学职能与行政管理职能适度分离

USGS定位是“认识水”；其他联邦机构承担“管理水、调控水、使用水”。USGS只负责监测、调查、核算、模拟、评估、信息服务；水量分配、取水许可、排污监管、水库调度、洪水应急指挥由垦务局、EPA、FEMA、州政府承担。科学机构输出中立可复现的证据，行政部门权衡经济社会利益做出政策选择，实现事实认知与利益决策适度分开。但科学评估报告不具备法律强制效力，政策层面可以选择不予采纳。

5.2 联邦‑州‑部落协同的运行模式

依托CMF（Cooperative Matching Funds）匹配资金机制，联邦负责统一标准、全国综合评估；州承担站点运维、本地化调查；进入原住民部落领地调查必须事前磋商，尊重部落数据主权，敏感水源点位做数据脱敏。WRRAP计划通过竞争性课题资助高校、地方科研机构，补充前沿区域性研究。区分稳定业务化任务与竞争性科研，保障长期观测不被短期项目周期打断。

5.3 全链条不确定性管理机制

从观测原始数据、水预算核算、模型模拟直到IWAAs最终评估，全程标注误差区间、模型假设、数据短板；严格区分实测事实和模型推演结果；面向决策者同时提供专业数据集和通俗摘要，明确告知成果适用边界，避免把估算值解读为绝对确定结论。

5.4 分层的公共产品输出

形成三级产品：面向科研人员原始数据集；面向管理者专业报告、数据集包；面向基层公众交互式网页、一页纸简报。不只出版论文报告，同时开源模型代码、在线分析工具，降低使用者门槛。

6 USGS经验对我国水资源治理现代化的启示

吸收USGS在观测体系、评价范式、数据治理、模型模拟、成果转化、制度机制方面的先进理念，结合我国水资源调查监测、水资源评价、水文业务体系现状，分为观测网络建设、水资源评价范式革新、数据基础设施建设、模型模拟与耦合能力建设、成果产品化与决策支撑、多元协同治理、全链条不确定性管理、制度保障、平台建设等部分。

6.1 区分业务化长期观测与竞争性科研项目，筑牢国家水文观测体系

USGS的经验表明，国家水文能力的根基是长时序、连续、标准化的观测序列，而不是短期科研项目。GWSIP作为稳定业务底座，与NGWOS示范试点、WRRAP竞争性科研形成分工。一是把地下水、地表水、水质、生态水文的基础性长期监测业务从科研课题中剥离，设立稳定财政运维经费，避免长期站点随项目结题而关停，守护国家水文“科学记忆”。对于代表本底变化的基准站、重点含水层监测井，建立保护机制。二是推动观测向多要素协同方向升级。借鉴NGWOS下一代观测系统理念，选择一批代表性流域作为综合示范流域，开展水量‑水质‑土壤水‑积雪‑生态指标的同步高密度综合观测，试点新技术、新质控规范，形成成熟方案后再逐步推广，不追求全国一步到位。三是强化地下水监测网络建设。USGS将地下水水位、水温作为核心业务；我国地下水超采、含水层演变问题突出，应当持续完善重点含水层监测网，补齐浅层、深层地下水时序观测短板。四是优化站点布局，补齐偏远地区、生态脆弱区、跨境流域的监测短板，解决部分区域监测密度不均衡的问题。

6.2 革新水资源评价范式，构建自然‑社会‑生态水循环耦合的综合评价体系

USGS通过NWC水预算账户与IWAAs综合可利用性评估，跳出单纯统计天然径流量的传统模式，实现水量‑水质‑生态‑社会用水一体化评价，这点对我国最具参考价值。一是转变水资源评价思路，不再仅核算天然径流量，建立流域尺度水预算核算框架。综合考虑自然来水、人类取耗退水、地下水储变量、生态需水约束、水质约束，开展综合水资源可利用量评价。即便是天然来水充足，如果水质不达标、生态流量得不到保障，则该部分水量不能计入可利用水资源。二是强化地表水‑地下水统一评价。改变过去地表水、地下水分开评价的现状，刻画二者相互转化关系，把地下水开采、回补完整纳入流域水收支。三是将生态需水从后置补充调整为评价硬性约束。借鉴NAWQA地表水‑地下水‑水生态一体化调查思路，在水资源评价中同步纳入河流、湿地、湖泊生态耗水需求。四是坚持“示范流域先行，经验全国推广”，借鉴IWS Basins模式，优先在水资源矛盾突出的跨区域流域开展完整耦合综合评估，沉淀方法标准后再向全国推广，平衡评估深度与财政成本。

6.3 建设国家水文科学数据基础设施，推动公益性数据开放共享

USGS整套业务建立在统一的数据基础之上，Water Data for the Nation、Water Quality Portal实现多源数据汇聚，是开展核算、模拟、评估的前提。一是统一空间与时间基准。推动水文、水资源、水质、用水统计、生态水文数据对齐至统一流域单元，打通水利、自然资源、生态环境等部门数据壁垒，破解数据孤岛问题。二是完善元数据、质量控制、数据生命周期管理制度。借鉴FAIR科学数据原则，建设统一的国家水文科学数据门户，汇聚观测、调查、评价成果。三是在国家安全、数据保密要求前提下，分级分类推动公益性水文、地质、水资源调查数据开放，释放公共数据红利，降低高校、科研院所、工程行业重复调查成本。四是做好历史水文纸质档案、老钻孔、历史图件数字化归档，保存长时序历史观测资料。

6.4 提升自然‑社会‑生态水循环耦合模拟能力，补齐从现状描述到情景预测的短板

对标USGS的IWP综合水文预测计划与EarthMAP战略，我国水资源工作应当强化模拟预测能力，实现从“复盘过去、描述现状”向多情景推演、风险预判升级。一是完善多模型工具链，发展地表水‑地下水耦合模型、水质输移模型，将取用水、退水、水库调蓄等社会水循环过程嵌入模型，实现自然‑社会‑生态水循环过程模拟。二是重视模型的定位，模型输出是多情景可能性集合，不是唯一确定的未来结果。重点模拟不同气候、不同开发强度下水循环系统可能发生的变化，为决策提供多套科学参考。三是区分“水文物理过程模拟”和社会制度博弈模拟。科学模型重点刻画水分迁移的物理过程；水权、政策、利益博弈作为外部情景输入，不强行把复杂社会制度内生到水文模型内部。四是推动开源模型工具的国产化、业务化，把模拟预测能力嵌入常态化水资源评估业务链条，而不是仅用于科研论文。

6.5 推进成果产品化，打通科学数据到治理应用的“最后一公里”

USGS的经验表明，仅仅产出专业科研报告，难以被基层管理者使用，必须构建分层分类的产品体系。一是建立分层产品供给：面向科研人员提供原始数据集；面向行业管理者输出专题评估报告；面向基层、公众开发交互式查询工具、风险图件、通俗摘要简报，降低使用门槛。二是借鉴IWAAs做法，不仅输出数据表格，开发可视化交互式产品，把复杂的水预算、情景模拟结果转化为可直接阅读的决策信息。三是强化极端事件的科学支撑，针对干旱、洪水、野火后水文效应、海岸咸水入侵，开发专门的风险识别产品，支撑防灾减灾工作。

6.6 完善多元协同机制，构建国家‑地方‑高校‑科研单位协同的业务格局

借鉴USGS联邦‑州匹配资金CMF机制、WRRAP竞争性资助模式，结合我国体制，完善协同机制。一是厘清国家级机构和地方机构分工，国家级机构负责制定统一技术标准、全国综合评估、重大流域示范；地方机构承担本地监测运维、本地化调查评估任务，形成上下联动。二是区分业务化任务与竞争性科研，稳定业务观测评估由公益事业单位承担；区域性、前沿性科学问题，设立竞争性课题，充分调动高校、科研院所力量，促进技术转化与人才培养。三是重视特殊区域的沟通协商机制。借鉴USGS部落水文调查协商机制，在民族地区、生态敏感区开展水文调查监测，充分尊重地方诉求，做好沟通协调。

6.7 建立全链条的不确定性识别与披露制度，提升评估成果的科学性

水文系统天然存在观测误差、参数不足、过程复杂等不确定性。一是在观测、水预算核算、模型模拟、综合评估全流程识别不确定性，完整说明数据短板、模型假设、参数局限、误差范围。二是评估报告不能只给出单一确定性结论，需要明确区分实测观测事实和模型推演结果，说明结论的适用边界。三是面向决策者的通俗产品中，同步提示评估结果的不确定性，避免管理者把估算值当作绝对精确数值。

6.8 厘清职能边界，完善制度保障，区分科学评估与行政管理职能

USGS本身不掌握分水、许可、执法权力，只输出中立科学证据，由行政部门开展决策。结合我国国情，一是强化公益性调查监测评估的独立性。保障水资源、水文、地质灾害公益性调查评估成果客观中立，把“科学评估”和“行政审批、水量分配、行政执法”在业务流程上适度分离。科学机构负责摸清现状、开展多情景研判；行政部门负责权衡经济社会利益，做出管理决策。二是将重要的长期性水文调查、监测、综合评估任务，通过规划、制度予以固化，减少过度依赖短期专项项目，保障业务连续性。三是建立跨部门协同工作机制，水利、自然资源、生态环境、应急管理等部门分工协作，科学机构提供数据评估，各行政部门各司其职开展管理、监管、应急处置。

6.9 构建国家水资源科学决策支持平台，形成完整水系统科学能力链条

借鉴USGS国家水资源科学基础设施建设经验，立足我国水资源管理实际，以实现自然‑社会‑生态水循环耦合认知为目标，构建“一网、一库、一账、一模、一评、一预、一平台”完整能力链条，打通观测采集、数据汇聚、综合核算、模拟仿真、综合评价、风险预判到决策支撑的全流程。“一网”为国家水资源综合观测网，区分长期业务监测与竞争性科研任务，构建天地一体化立体化观测体系，补齐地下水、生态水文等监测短板，守护长时序水文科学记忆。“一库”即国家水资源科学数据库，统一时空基准，破除跨部门数据壁垒，完善元数据与质控管理，推进历史资料数字化，分级开放公益性水文数据。“一账”为国家水资源综合核算账本，参照NWC水预算思路建立流域水预算账户，将水质达标、生态需水作为硬性约束，统筹自然水循环与人类取耗退水过程。“一模”即国家水系统综合模型体系，搭建地表水‑地下水‑水质‑生态‑工程调度耦合工具链，将制度政策作为外部情景输入，推动模型国产化业务化。“一评”为国家水资源可利用性评价体系，参照IWAAs范式，选择重点流域先行试点，开展水量‑水质‑用水‑生态一体化评价，健全不确定性披露机制。“一预”即国家水资源风险预测预警体系，开展多情景中长期水资源风险推演，厘清与气象部门业务边界。“一平台”即国家水资源科学决策支持平台，分层面向科研、管理、公众输出数据集、报告与交互式工具，打通科学数据到治理应用的最后一公里。

7 结论

USGS 100多年水资源科学演进，本质是从传统单一自然水循环调查，走向自然‑社会‑生态水循环耦合的国家水系统认知能力建设，演进路径概括为测水→识水→算水→评水→模拟水→预测水。GWSIP‑NGWOS构筑观测基础，NWQP‑NAWQA补齐水质维度，National Water‑Use Science量化社会水循环，NWC实现综合水预算核算，IWAAs建立综合水资源可利用性评价范式，IWS Basins作为流域试验平台，IWP实现模型情景预测，整套链条在2025年全国综合水资源可利用评估报告中得到集中体现。

USGS的核心价值不在于建设一批监测站点或者开发若干模型，而是建成一套国家水资源科学基础设施，回答水从哪里来、到哪里去、谁在使用、水质如何、生态需要多少、当前可利用多少、未来不同情景下风险如何演化。

对我国而言，借鉴该套体系，不是复刻USGS机构，而是吸收其科学逻辑，建设“一网、一库、一账、一模、一评、一预、一平台”，强化长时序观测、一体化核算、耦合模拟、多情景评估能力，提升我国自然‑社会‑生态水系统的完整认知水平，为落实“四水四定”、水资源治理现代化、国家水安全提供坚实科学支撑。未来进一步发展方向，就是实现从静态资源调查，走向动态的水系统数字孪生，支撑科学决策。

参考文献

（略）

支持单位：