水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调及驱动力分析

为加深对我国水资源、能源、粮食、生态系统协同演变趋势的认识,构建水资源-能源-粮食-生态多维系统指标体系,运用耦合协调度模型对我国2005—2020年水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度进行评价,并采用多因素归因分析法进行驱动力分析。结果表明:我国水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度从2005年的0.55增长到2020年的0.84,各地区耦合协调度从勉强协调发展水平过渡到中级协调发展水平,各子系统对耦合协调度上升的驱动分别经历了由粮食子系统到生态子系统再到水资源子系统主导的过程;能源子系统的贡献率虽然比较小,但是未来可能是各地区提升水资源-能源-粮食-生态系统多维系统协调发展水平的突破口。

中国水-能-粮耦合系统协同安全发展战略研究

水是水-能-粮(WEF)耦合系统的核心要素,为保障国家粮食和能源安全,必须加强水资源管理,坚持水资源、能源和粮食协同安全发展。在系统总结国内外WEF耦合系统纽带关系研究进展、科学认识WEF基本内涵的基础上,分析了我国各省份水资源、能源、粮食开发利用过程中存在的问题,揭示当前WEF耦合系统发展面临的能源需求持续增长与能源安全结构性矛盾日益凸显、不稳定因素加剧粮食安全风险、资源不匹配带来水资源约束趋紧、高质量发展对水-能-粮-生提出更高要求四大挑战,围绕区域特点和高质量发展目标,针对性提出了区域可持续发展模式与策略。研究建议,在西北资源富集地区,通过“四水四定”、水权交易及调水工程缓解水资源短缺;在京津冀地下水超采区,优化粮食安全布局,强化水与能源协同调控;在东北粮食增产区,拓展粮食生产空间,保护水资源合理开发利用;在南方水资源丰沛区,深化农业供给侧结构性改革,统筹“水风光储”一体化开发,以期为实现绿色低碳的可持续发展路径提供科学支撑与决策参考。

中国居民家庭生活用水十点规律与认识

居民家庭生活用水刚性强、标准高,是水资源消费最主要的终端单元,也是近年来我国经济社会用水需求增长最快的用户,其发展规律和未来趋势深刻影响对总体用水格局的分析。通过系统监测、试验、调查和模拟研究,阐释了家庭生活用水行为占比、不同人群生活用水差异、节水器具、节水宣传、水价等对生活用水的影响规律,对比分析了国外和我国生活用水变化规律,提出家庭生活用水增长规律,构建了基于人口特征的需水变化曲线,预测了未来我国居民生活用水变化趋势,以期为我国生活节水管理和总体用水发展趋势研判提供参考。

基于文献计量分析的水、能源和粮食纽带关系研究进展

水、能源和粮食(WEF)是满足人类基本需求和社会经济发展的重要资源,自2008年至今,WEF相关研究引起国内外广泛关注,论文数量增加近百倍,已成为当前研究热点。但考虑目前只处于初步研究阶段,亟待系统梳理已有研究以期指导未来发展,基于此采用定量及定性结合的方法梳理国内外WEF纽带关系的研究进展,通过解析国内外研究尺度、方法及对象的异同之处,力求研判我国WEF未来领域研究方向。结果表明:(1)2008—2022年WEF纽带研究大致可分为概念探索、初步开发和蓬勃发展三个阶段。(2)根据定量Citaspace方法发现,研究热点方面国际上侧重基于量化评估方法开展资源间的流动研究,国内则聚焦于影响因素分析以支撑政策制定;研究前沿方面国际研究逐步实现了从宏观管理到微观应用再到更深入的多要素化研究转变,相较而言国内研究较为滞后。(3)根据定性归纳总结发现,研究尺度方面共包括全球、国家、流域、区域、城市、家庭六种尺度,国际聚焦于人口密集的城市尺度,而国内聚焦于WEF矛盾突出地区尺度,例如黄河流域、京津冀地区。研究方法方面国际聚焦于量化评估及模拟优化,而国内聚焦于量化评估和指标评价。研究对象方面国内外均聚焦于WEF内部研究。未来我国需在WEF纽带机理认识、研究尺度扩展、集成模型开发、外部要素耦合方面加强关注。

京津冀地区收入水平与家庭水能耦合差异研究

家庭生活中用水和用能环节高度相关。随着人民生活水平的提高,家庭用水需求、相关器具及能耗呈差异化发展趋势。从居民生活水能耦合关系出发,构建了生活用水及相关能耗计算方法,并以京津冀地区为例开展生活用水及用能调查,分析了不同收入的用水量及能耗差异。结果表明,京津冀地区居民平均用水量为134.5 L/(人·d),相关用能量为3.7 kW·h/(人·d),能耗强度为32 kW·h/m^(3);日用水量与家庭收入呈正相关,能耗呈负相关,低收入与高收入家庭日均用水及相关用能差异分别为9.3%和4.1%,能耗强度差异约12%。其中洗浴用水在不同收入人群间日均差异最大,达13 L/(人·d)。建议持续加强节水器具和节能型产品普及与推广,提高居民资源节约意识,促进资源综合节约和管理。

西部地区油气资源开发与水资源协同发展模式探索

西部地区是我国油气增储上产的重要区域,也是我国最干旱、最缺水的地区,能源–水资源之间存在复杂的纽带关系,加强能源–水资源领域的协同管理至关重要。本文在宏观研判我国西部地区油气生产前景和布局的基础上,以中国石油位于西部地区的7家油气田企业为例,调研不同类型油气田开发模式与用水现状,分析油气田开发过程中的水资源、水环境保障风险。研究表明,近年来西部地区油气产量稳步增加,随着污水回收处理和循环利用效率的不断提升,油气田新鲜水用量变化不大。但考虑到非常规油气资源的逐步开发,未来西部地区油气开发很可能对区域地表和地下水系统带来诸多影响。建议发展精准注水和无水压裂技术实现稳油控水,加大油气田生产水的循环利用和科学用水管理,完善水资源综合配置保障体系,在提升能源产业用水安全保证程度的同时全方位降低油气开发对水系统的影响,以实现西部地区能源与水资源协同安全。

南水北调受水区节水指标体系构建及应用

南水北调受水区是我国水资源最为短缺的地区之一。按照实行最严格水资源管理制度的要求,面向"节水优先"的国家水安全保障战略,开展受水区节水分析。基于对现有节水评价指标分析的基础上,构建了能够全面反映区域用水结构和全社会全过程用水效率的评价指标与评价标准。采用单一指标评价法,系统剖析受水区通水前后(2003-2015年)综合节水情势和各行业节水变化趋势,并利用所构建的综合评价体系对2015年受水区县、市用水效率进行综合评价。评价结果显示近年来,受水区大力节水,用水效率大幅度提高,但与国际先进节水水平相比较,受水区节水工作还存在很多改进空间,节约用水仍有一定潜力。

我国煤电生产水足迹评价

为识别能源产业对水资源、水环境的影响和风险,基于水足迹评估理论方法构建了煤电生产水足迹评价模型,并以2016年为例,从区域尺度定量分析了我国煤电生产各环节虚拟水消耗量和虚拟水流动格局。结果表明,2016年我国煤电生产的总水足迹为107.3×10^8 m^3,其中灰水足迹占44%,蓝水足迹占56%;伴随电力的调运,晋蒙和西北地区年虚拟水输出量约为5×10^8 m^3,该区域属于我国缺水乃至严重缺水地区,能源发展面临的水资源和水环境约束十分显著。

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象，通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库，建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统，并利用该模式开展了1963～2006年流域水文水循环过程的数值模拟，通过与实测流量比较，系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明，该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力；模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度，模式模拟的水量平衡系数均接近1，相关系数均高于0．84，IOA相似度系数均高于0．9；相对而言，模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。

西北地区跨区跨省电力交易水足迹时空演变特征解析

以西电东送工程为例,采用电力水足迹评估方法解析了2008~2017年西北地区电力跨区、跨省交易的现状及伴随的水资源流动时空演变过程。结果表明,2017年,西北7省向东部地区供电3542×10^(8)kW·h,输出虚拟水4.7×10^(8) m^(3),是2008年外送电量的2.6倍,虚拟水增加了0.3倍。未来西北地区电力需水量仍呈增长趋势,须加快完善能源产业的水资源综合配置保障体系,因地制宜创新非常规水利用机制,实现西北地区能源产业与水资源的协同发展。

全域视角下黄河断流再审视与现状缺水识别

黄河干流从1999年8月迄今实现了连续20 a不断流,但干流不断流不代表流域供需水矛盾得到真正缓解,只是通过科学调控将以往的缺水矛盾由显性转为隐形、由干流转移到支流、由河道转移到陆面、由地表转移到地下、由集中性破坏转移到流域均匀破坏。随着流域经济社会的不断发展,学术界对黄河流域现状条件是否缺水、缺多少水等重大问题的认识开始出现争议。基于此,在回顾“黄河断流”现象的基础上,从全流域的视角对断流后水资源供需情势、水生态状况进行了对比分析,并基于系统可承受程度,构建了刚性缺水、弹性缺水的概念和划分标准。通过分析计算,认为现状年流域缺水总量为114.1亿m3,其中:刚性缺水量为63.1亿m3,弹性缺水量为51.0亿m3。

中国水土资源开发利用特征及匹配性分析

水资源和土地资源的开发利用程度及匹配关系决定了一个地区的经济发展规模和生态安全形势。为了客观地评价我国水土资源的空间匹配情况,以我国346个地市级行政区为研究对象,分析了2005年、2010年、2015年各地市级行政区的水资源开发利用率和土地资源开发利用率,并通过基尼系数法探讨了不同省级行政区的水土匹配特征。计算结果表明:华北平原、河西走廊和塔里木盆地西侧地区是我国水资源开发里程度最高的地区;东北平原、华北平原、关中平原、四川盆地以及广东沿海地区是我国土地资源开发利用程度最高的地区;甘肃、陕西、内蒙古和西藏是我国水土空间匹配状况差距最悬殊的省份,其中甘肃、陕西和内蒙古水土匹配差异悬殊是由于当地水资源无法支撑如此多的土地资源,西藏则是由于大量的水资源无法被当地短缺的土地资源充分利用。

基于投影寻踪聚类思想的区域旱灾综合风险动态评估模型

从系统理论的角度分析了区域旱灾系统的结构体系,将区域旱灾风险分为致旱因子危险性、孕灾环境不稳定性和承灾体脆弱性三个子系统,并分析了各子系统的主要因素,从而建立了区域旱灾系统综合风险评估指标体系,并根据区域旱灾综合风险评估的目的,将动态综合评估方法和区划聚类评估方法相结合,建立了基于投影寻踪聚类思想的区域旱灾综合风险动态评估模型,为区域旱灾综合风险评估提供了参考依据。

推理公式法在土耳其小流域设计洪水计算中的适应性分析

为分析推理公式法在土耳其小流域设计洪水计算中的适应性,首先分析了土耳其常用洪水计算方法 DSI Synthetic Method在设计降雨、产流规律、汇流模型的水文特点,并将DSI Synthetic Method与我国常用的两类推理公式法进行比较,探讨土耳其降雨径流关系与推理公式法汇流模型相结合进行小流域洪水计算的方法,最后通过土耳其工程实例将该方法与DSI Synthetic Method设计洪水计算成果进行比较。研究结果表明,改进的推理公式法能够将土耳其的设计降雨、产流规律和推理公式法汇流模型相结合,设计洪水计算成果能够符合当地实际情况。

我国现状能源与水纽带关系定量识别

以省级行政区为研究对象,以2017年为研究时段,分析我国社会水循环过程耗能及电力生产耗水。结果显示:2017年我国社会水循环过程耗电总量为10828.1亿kW·h,占当年我国全社会用电总量的17.2%,终端用水是最大的耗能环节;2017年我国电力生产过程耗水量为65.7亿m^3,占当年全社会耗水总量的2%;火电是我国最耗水的电源,其耗水量占全国电力开发耗水总量的78%。基于计算结果,提出了实现能源-水协同安全的相关建议。

大清河流域山区径流量衰减影响因素

针对大清河流域山区分析降水年内分布、雨强变化、蒸发能力、植被生长质量、梯田建设、水库蓄水等因素的变化规律,并计算径流变化与各因素的敏感性大小,得到以下结论:大清河流域山区地表径流持续衰减,而近20年汛期径流衰减更为剧烈;汛期降水减少、雨强减弱、同期蒸发能力增强、区域植被变好以及梯田的拦蓄截留共同作用导致区域径流量的衰减;1983年和1997年是径流演变的2个突变点,根据突变点将径流系列前后分为3个时段,1961—1982年汛期降水减少是径流减少的主要因素,1983—1996年梯田面积大幅增加是径流减少的主要原因,1997—2016年汛期降水减少、植被质量提高导致蒸发消耗增加是径流衰减的主要因素。

TOPSIS方法应用中若干问题的探讨

应用效用函数理论分析了常用TOPSIS函数,从无差异曲线和边际替换率角度获得无差异曲面为平面族和超球面族两种基本TOPSIS价值函数,基于"差异驱动"原理建立了两类四种评价模型,提出了基于加速遗传算法的优化求解客观权重方法,并将其应用于丰满水库防洪调度决策中,在验证方法有效性的同时比较了不同偏好TOPSIS函数和不同权重确定方法对TOPSIS法的影响。结果表明,该方法更能体现经典的理想点法思想,TOPSIS函数在评价时对评价结果影响明显,但权重对评价结果的影响较大。

黄河上中游地区水‒粮食‒能源协同发展战略研究

黄河上中游地区是我国水资源、粮食、能源矛盾最为突出的区域之一,系统识别水‒粮食‒能源安全形势并提出应对措施,是该地区实现高质量发展的重要保障。本文在科学认识水‒粮食‒能源纽带关系基本内涵的基础上,研判了地区水资源、粮食、能源发展的新形势,剖析了水‒粮食‒能源协同发展面临的机遇和挑战,针对黄河流域生态保护和高质量发展目标,提出了新发展理念下水‒粮食‒能源协同安全的“四化一创”保障战略框架。研究建议,重视水资源在纽带关系中的核心作用,实现水资源支撑作用最大化;将能源作为区域高质量发展的战略性支柱产业,实现能源对经济社会发展带动作用最大化;强化农业用水支撑,实现粮食安全保障作用最大化;加强水资源保护,实现粮食、能源对水资源与生态环境干扰的最小化;加强基础科技研究,发展水‒粮食‒能源安全保障技术。

北京市虚拟水消费与贸易分析

为真实反映地区水资源承载状况,需要从产业结构和商品贸易的角度分析地区虚拟水消费情况。以北京市为研究区,基于北京市投入产出表,对比分析2007、2012、2017年不同生产部门用水系数、虚拟水终端消费和贸易情况以及部门间虚拟水转移量。结果表明:随着北京市节水工作的推进,各部门的直接用水系数减小,近10年北京市虚拟水终端消费量减少14%;作为虚拟水净流入城市,北京市虚拟水净流入量为29.79亿m^(3),占虚拟水终端消费量的64.7%,其中农业和服务业分别是虚拟水最大净流入和净流出的部门;农业-制造业、农业-服务业、制造业-建筑业、制造业-服务业具有很强的虚拟水输出-输入关系,未来北京市节水工作不仅要减少农业的生产规模,而且要减少制造业、建筑业和服务业的产品消耗,减少终端消费浪费。

社会水循环系统水-能-碳纽带关系及低碳调控策略研究

水是社会经济系统中最活跃、最关键的因素,伴随水的取用和处理,温室气体排放规模不断增加,因而研究社会水循环系统中的能源消耗和碳排放规律对推动实现“双碳”目标具有重要意义。本文从水–能–碳纽带关系角度着手,梳理了社会水循环过程中的能源消耗和碳排放现状,基于变化趋势及影响因素分析结果并把握面临的机遇和挑战,提出了“双碳”目标下社会水循环系统高效低碳发展的应对策略。我国社会水循环系统正朝着能源密集型方向发展,其中供水、排水环节的碳排放强度增幅最大,2009—2021年分别增加了23.3%、78.6%;说明随着非常规水、跨流域调水规模的增加,未来水系统耗能及碳排放量将持续增加,实现碳中和目标任务艰巨。研究建议:加强基础科学研究,构建社会水循环全过程碳核算体系;推动系统配置和低碳技术研发,整体提升减污降碳综合能力;激励全社会加强节水,实现水资源与能源的双重节约;完善水系统碳排放管理,实现社会水循环低碳发展。