基于“自然—社会”二元水循环的流域综合治理模式——以湖北省枝江市“五水共建”为例

以水为脉络开展国土空间治理逐渐成为生态文明时代的关注重点。流域治理逐步从关注水的自然资源属性向结合社会经济发展的综合治理模式转变。在总结各地多种“多水共治”模式的基础上,提出流域综合治理应聚焦于“自然—社会”二元水循环所涉及的内涵,根据自然循环产生的防御需求与生态作用、社会循环产生的环境影响与经济文化属性,提出水安全、水环境、水生态、水景观、水文化“五水共建”的治理模式,并以湖北省枝江市为例,提出“五水共建”的总体思路与规划方案。

基于二元水循环效率提升的城市湿地修复策略

城市湿地对人地系统的水循环调节起着关键作用。随着城市的发展,水资源短缺问题日益突出,探讨湿地在缓解城市水资源危机中的作用具有重要意义。基于“自然-社会”二元水循环理论,综合分析了我国城市用水量在全国总用水量占比急剧增加的现状,以及城市水循环效率低下的重点问题;基于城市水循环途径的取水、输水、用水、排水和回水五个阶段,系统提出湿地的保护恢复有助于改善城市水资源利用状况,增强城市湿地空间优化配置和水资源可持续利用的协同效应;充分考虑城市生态空间整体优化及湿地布局,全面阐释在城市国土空间规划指导下,通过增加城市水循环中社会水回归容量和缩短社会水回归距离,提升城市水循环效率,充分发挥湿地生态工程对城市水循环优化的调控作用;最后,兼顾城市中长期规划发展的协调性、适应性,探讨了湿地保护修复以提升水循环效率的策略,包括多功能水源地建设、缩短汇水距离、多级净水、营建小微湿地以及构建自循环理念的再生系统等具体措施,为城市湿地资源空间规划的整体布局提供重要依据,对促进城市水资源可持续利用和建设人与自然和谐共生的韧性城市具有重要意义。

二元水循环模式下水资源资产负债表的编制

二元水循环模式是导致出现水问题和水危机的根本原因。作为解决水危机和水问题的制度创新,水资源资产负债表更应该遵循二元水循环模式的客观规律,探索其编制问题。对此,依据二元水循环模式的特征,界定水资源资产负债表的概念,诠释水资源资产负债表的基本要素;并遵循二元水循环动态范式构建“实测—分离—耦合”三层水资源资产负债表体系和设计核算表式,设计出矩阵式的“自然—社会”水循环模式下水资源资产负债表框架,以期为水资源资产负债表的编制带来新视角。

基于SWAM模型的二元水循环与区域水资源配置匹配度研究

为了实现水资源的高效利用和可持续发展,通过SWAM模型,获得合理准确的区域水资源配置和二元水循环分布二者匹配度综合评价结果。在此基础上,对松花江流域的水资源合理配置与水循环分布的合理性做出评判。运用SWAM模型完成研究区域的水循环模拟,并且在各类约束下选择最优的多目标平衡稳定的水资源配置。结果表明:使用区域二元水资源循环系统匹配度最大的区域水资源分配方法,在P=50%时,其所对应的天然流域水资源总需求量为145.5亿m^(3),总缺水量为3.9亿m^(3),总缺水率为2.3%;在P=90%时,其所对应的天然流域水资源总需求量为165.7亿m^(3),总缺水量为16.8亿m^(3),总缺水率为11.3%。SWAM模型所模拟的二元水循环与水资源配置方案的匹配度可以全方位揭示经济用水过程和天然水文循环过程间相互作用,在保证二元水循环系统正常运作的基础上,为区域水资源配置提供参考。

基于二元水循环模式的水资源评价理论方法

国内外流域水资源评价方法是随着水资源稀缺性的逐渐增强而不断发展的。时至今日,传统的水资源评价方法在描述人类活动干扰和满足不同层次水资源规划要求方面面临严峻挑战。本文提出了水资源全口径层次化动态评价方法,即以降水为资源评价的全口径通量,遵照有效性、可控性和可再生性原则对降水的资源结构进行解析,实现广义水资源、狭义水资源、径流性水资源和国民经济可利用量的层次化评价。在手段上,构建了由分布式水循环模拟模型与集总式水资源调配模型耦合而成的二元水资源评价模型,并将下垫面变化和人工取用水作为模型变量以实现动态评价。

基于二元水循环的河流生态需水水量与水质综合评价方法——以辽河流域为例

通过考虑水的自然循环与水在人类活动影响下的循环(二元水循环),后者包括水资源开发利用率、耗水率、污水排放浓度影响,探讨了二元水循环下河流生态需水“质”与“量”的综合评价,以区别以往仅从自然水循环(一元)出发评价河流生态需水的缺陷。建立了二元水循环下的河流生态需水的水量与水质计算方法,并确定了河流生态需水的“质”与“量”的评价标准,实现了河流生态需水水量与水质的综合评价。以辽河流域为例进行实证分析,计算了一元水循环下西辽河、东辽河、辽河干流、浑太河、东北沿黄渤海诸河等水资源分区的河流生态需水,分别占径流的39.3%、63.0%、43.9%、43.3%、43.5%,采用Tennant推荐流量及等级进行评价,结果是:除西辽河属于“中”等级外,东辽河、浑太河、辽河干流、东北沿黄诸河等均在“好”等级以上,东辽河达到“极好”等级。与之对应的二元水循环下的河流生态需水比例分别是57.5%、74.1%、60.8%、60.3%、60.4%,综合评价结果显示:从水量角度评价,西辽河不能达到生态需水“量”的标准,其余能够达标,从水质角度评价,西辽河、浑太河、辽河干流、东北沿黄诸河等均不能够达到“质”的标准,东辽河可以达标。从“量”与“质”相结合的角度评价,仅有东辽河可以达标。因此,水质状况是决定辽河流域河流生态需水是否满足生态系统需求的主要问题。

基于二元水循环的黄淮海平原耕地水源涵养功能研究

水源涵养功能是陆地生态系统的重要功能类型之一。黄淮海平原耕地数量巨大,耕地利用模式典型,研究其水源涵养功能,对于调控区域水资源,推动耕地可持续利用有重要作用。从耕地利用角度出发,基于整个系统二元水循环过程,构建了黄淮海平原耕地水源涵养功能研究基本框架,并应用SCS-CN模型,结合研究区耕地覆盖数据、气候数据、土壤数据对黄淮海平原耕地水源涵养功能进行了评价。研究结果表明:耕地利用过程中的耕地水源涵养功能认识,应从理想水源涵养能力、有效水源涵养能力和净水源涵养能力3个层次展开;黄淮海平原耕地水源涵养功能效应在上述各层级上均表现出正向性,耕地水源涵养能力分别为1890.74、1127.76、464.62亿m^3;空间上,黄淮海平原耕地水源涵养功能具有明显的空间分异性,北部和东南部地区耕地水源涵养能力较强,中部和西南部地区耕地水源涵养能力较弱。研究结果不仅为耕地生态功能理论研究提供新思考点,同时也为耕地水资源有效调控以及耕地生态补偿制定提供参考和支撑。

基于二元水循环的水量-水质-水效联合调控模型开发与应用

为将我国最严格水资源管理制度的实践与二元水循环理论相结合,提高"三条红线"控制指标的科学性与合理性,本文以SWAT模型为基础,通过改进子流域划分方法、添加经济社会模块和人工用水模块,对其人工侧支循环模拟进行了系统的完善,开发了基于SWAT的水量-水质-水效联合调控模型SWAT_WAQER。以广西南流江流域为例,从国民经济用水量、河道径流与水质等方面对模型进行校验,并在此基础上划分了2030年"三条红线"控制指标。结果表明:该模型性能良好,能够用于不同节水情景下的国民经济用水量、污染物排放量、水功能区水质达标结果分析,可以作为科学制定"三条红线"控制指标的有力支撑工具。

基于二元水循环的河流环境流量预警

根据河流的自然和社会功能将河流流量分为环境流量与水利流量,并探讨其确定方法及计算模型。以环境流量作为河流健康表征因子,通过建立二元水循环下河流环境流量最小阈值模型,探讨了河流环境流量的预警问题,并以颍河登封河段为案例进行分析。计算结果表明:二元水循环条件下,河流环境流量是决定河流健康的主要因子,它与开发利用率、回归率、消耗率、污径比等有直接的函数关系。应用河流环境流量最小阈值模型能预警河流健康,具有广泛应用前景。

基于二元水循环的用水总量与用水效率控制研究——以渭河流域为例

以二元水循环理论为基础,以最严格水资源管理制度中的"用水总量"与"用水效率"联合调控为目标,提出"以耗水管理为核心,用水总量与用水效率控制为约束"的理念和思路。分析了用水总量与用水效率控制的概念和关系,构建了基于二元水循环理论的用水总量与用水效率多重调控机制。为实现耗水总量控制,将用水过程划分为水源端的供水和用户端的用水两大环节。由于各类水源到达用户的供水过程存在不同的环节,水量损失有所差异。通过对基于规则的水资源配置模型的改进,建立了水源—用户供水优化模型,重点分析不同水源利用情景对于用耗水总量控制的影响。最后,以渭河流域为例进行了应用分析。

基于二元水循环理论的用水评价方法探析

用水评价是水资源评价的重要内容。现行的用水评价存在4个方面的不足,即:缺乏供用耗排统一评价,缺乏用水过程与自然水循环过程的统一评价,缺乏地表用水和地下用水的统一评价,缺乏用水量与用水效率和效益的统一评价。以上4个方面的不足,导致评价结果不准,评价内容不能满足水资源管理的需要。基于流域二元水循环理论,通过理论推导,本文提出了基于流域二元水循环全过程的用水评价方法,即体现4个统一评价的评价方法:供用耗排统一评价,用水过程与自然水循环过程统一评价,地表水和地下水用水统一评价,用水量与用水效率、效益统一评价。所提出的方法对用水评价实践具有指导意义。

二元水循环条件下水资源管理理念的初步探索

中国存在水资源短缺、水生态退化以及水环境恶化等问题,一方面是由于中国水资源本底差的客观条件,另一方面是由于水资源管理的不完善。为此,本文针对后者,结合"自然人工"二元水循环过程,对现代环境下的流域/区域水资源管理作了新的探索,提出"以耗水(ET)管理为核心,七大总量控制为约束"的水资源管理新理念。通过与传统水资源管理的对比,论述了在二元水循环条件下开展"以耗水(ET)管理为核心,七大总量控制为约束"的水资源管理的重要性;同时,通过分析实施耗水和七大总量控制指标的现代先进的技术说明了开展的可行性。

基于二元水循环理论的水资源资产化管理框架构建

我国实行的是国家所有的水资源产权制度,在水资源的实际管理中存在多级代理和管理者短视行为等问题。水资源资产化管理作为解决管理者短视行为的重要措施引入到水资源管理中,然而由于相关理论的不足,相应措施沦为缺乏监督的政府间行为,并限制水资源资产市场机制的形成。本文考虑到水资源的多重功能,以及水资源资产与承担支撑社会经济功能的社会水循环通量的内涵一致性,将二元水循环理论引入水资源资产化管理的框架构建中去。本文根据资产的定义和水资源的功能界定了水资源资产的内涵,并发现其与社会水循环通量的重合,提出这部分水资源可以作为水资源资产进行管理,并总结了二元水循环耦合水资源资产化管理中的水资源资产界定、监管体系、用途管制以及产权界定方面的路径。在此基础上,本文辨析了水资源资产管理与水资源管理的关系,认为水资源资产管理与传统的水资源管理组成水资源管理,水资源资产管理弥补了传统水资源管理上的不足。在分层管理上,提出传统水资源管理作用于宏观、中观管理,水资源资产管理作用于微观管理的机制。此外,根据二元水循环理论中的社会水循环过程,将其权属进行分解,并结合各部门的社会水循环机制对水资源资产化管理进行了设计。

基于二元水循环模拟的抚河流域径流变化人工影响解析

人类活动的影响使得流域水循环过程呈现二元特性,径流变化归因分析对流域水资源精细化管理意义重大,当前多数研究难以消除基准期的影响且不能区分不同类型人类活动对径流的影响。以“自然-社会”二元水循环理论为基础,考虑农业灌溉取水、工业生活取水以及大中型水库调度影响,构建了抚河流域二元水循环模型,采用多因素贡献解析法分析流域径流受三种人工因素的影响程度。结果表明,1956~2014年抚河流域年均径流减少量呈一定增加趋势,多年平均径流量减少约8.24×10^8m^3/a,其中农业灌溉取用水贡献达80.1%。

基于二元水循环及系统熵理论的城市用水配置

基于二元水循环理论,在分析城市水资源配置系统结构基础上,构建了考虑水资源质、量均衡的城市用水优化配置模型,并运用多目标求解方法获得水资源分配的可行方案;对信息熵进行改进,构建了系统熵,并将其应用于可行方案的评价中。对昆明市水资源的优化配置计算结果表明,当重视生态效益或者综合考虑生产、生活、环境及生态效益时,系统熵值较小,这将有利于水资源系统的长期健康运行;该方法不仅能对城市用水系统进行简洁有效的分析评价,亦能对用水系统的结构调整、系统发展提供参考意见。

MODCYCLE二元水循环模型关键技术研究

探讨了MODCYCLE二元水循环模型中关于农田水循环几个关键技术:灌溉水源分为河道、水库、浅/深层地下水取水及外调水5种;灌溉方式分为指定灌溉和动态灌溉;模拟地表积水过程能刻画干旱、半干旱及湿润地区;作物管理分为种植、收获、收获并终结、终结操作4种.与应用广泛的SWAT模型进行对比分析可知,MODCYCLE模型模拟过程更符合真实情景并具有通用性.

基于二元水循环模拟的密云水库上游流域河川径流演变归因分析

密云水库上游流域是首都重要的生态屏障和水资源保护地,近60 a来,流域河川径流量衰减明显,定量识别不同时期径流变化成因对于科学认识流域水循环演变机理具有重要意义。基于此,构建了二元分布式水文模型,设置了多个情景对流域水循环过程进行模拟,并在此基础上使用多因素归因分析法对河川径流演变进行了定量归因。结果表明:(1)近60 a来,人类活动对径流衰减的贡献(42.8%)略小于气候变化(57.2%),气候变化对径流的影响先减小后增大,而人类活动的影响先增大后减小;(2)从基准期(1960—1970年)到变化期(1985—1995年),气候变化使径流增加0.29亿m^(3),人类活动造成径流减少1.22亿m^(3),其中,人工林面积的大幅增加是径流减少的主要原因,从变化期(1985—1995年)到现状期(2007—2017年),气候变化与人类活动对径流衰减的贡献率分别为92.5%、7.5%,降水偏枯及年内分配变化是气候变化导致径流衰减的主要原因;(3)从基准期到变化期,多因素变化协同率为-61.6%,从变化期到现状期,为-92.7%,说明近60 a来多因素对径流的综合效应表现为负效应,且各因素对径流的影响抵消程度逐渐变小。

基于二元水循环的灌区分布式水文模型的应用研究

针对中国北方灌区的水文特点,在二元水循环理论的指导下,对自然流域水文模型SWAT进行了改进,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,增加了渠系渗漏模拟模块等。以河南省人民胜利渠灌区为例,利用改进的SWAT模型对该灌区的水循环过程进行了模拟。为验证模型的有效性,选用Nash-Suttclife效率系数(纳西效率系数)E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。结果表明:该模型适合灌区水分循环的模拟。模型的构建和改进,对分布式水文模型在高强度人类活动影响区域的水资源、水环境研究和管理起到积极的作用,为灌溉水文学提供了新的研究方法。

蒲河流域二元水循环生态需水研究

通过综合考虑自然水循环(一元水循环)及社会水循环(二元水循环)下流域生态需水的变化,建立了评价体系,对蒲河流域生态需水进行"量"和"质"的综合评价。一元水循环下采用Tennant推荐流量及等级进行评价,评价结果为:Ⅰ区达到"极好",Ⅱ区、Ⅳ区及Ⅴ区处于"好",而Ⅲ区则为"中",表明蒲河流域能够满足生态系统"量"的需求,全部达标。二元水循环生态需水通过污径比反映其水质情况,评价结果为:仅Ⅰ区达到标准,其他区域均为不达标。综合生态需水"量"和"质"评价,仅Ⅰ区达到标准,其他区域均为不达标。结果显示,水质是影响生态需水是否满足生态系统要求的关键指标。本研究为流域水资源配置及生态系统管理提供合理评价指标及体系。

二元水循环理论浅析

水循环研究是解决水资源相关问题的基础,长期以来,人们大都采用将自然水循环"还原"人类影响的方法研究水循环,但这种方法存在诸多弊端,往往不能全面准确地反映水循环过程。本文在对二元水循环理论进行分析研究的同时,叙述了二元水循环理论研究的现状,对自然水循环、社会水循环进行了分析比较,并提出了一些建议。