变化中的流域“自然-社会”二元水循环理论与研究方法

在人类活动和气候变化影响下,流域水循环发生了深刻变化。水多、水少、水脏、水浑等流域水问题背后的科学基础是"自然-社会"二元驱动力作用下的流域水循环及其伴生的水环境、水生态过程的演变机理,有效解决这些水问题需要一套流域"自然-社会"二元水循环理论来支撑。本文在简述二元水循环研究历程的基础上,从水循环的驱动力、结构、功能属性和演变效应等方面,对比分析了自然水循环和"自然-社会"二元水循环的不同特征,阐述了变化中的流域"自然-社会"二元水循环的基本原理,包括学科范式、科学问题、研究内容与研究方法等。文章还讨论了二元水循环研究面临的机遇与挑战,如水资源的数量-质量-效率统一度量与转化问题及解决方法等,并进行了研究总结。

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。

流域“自然-社会”二元水循环与水资源研究

随着人类文明的进步,用水量持续增加,流域水循环受高强度人类活动的影响越来越深刻,呈现出复杂的“自然—社会”二元特征。本文阐述了流域“自然—社会”二元水循环理论的提出、科学问题和框架体系,并从二元水循环的视角剖析了水资源“资源、环境、生态、社会、经济”五维属性的科学内涵,提出了基于二元水循环理论的关键技术,总结了水资源研究的前沿方向和发展趋势。本文可为流域水循环研究、水文地理研究、水文水资源学科发展起到推动作用,为国家水安全保障、国家水网建设等重大实践提供技术支撑。

变化中的“自然-社会”二元水循环：流域水循环演变机理与水资源高效利用

强烈的人类活动和全球气候变化导致流域水循环发生了深刻变异，具体表现为资源衰减、环境污染、生态退化、供需失衡等，严重威胁国民经济安全和生态安全。探索高强度人类活动影响下流域水循环演变机理和水资源高效利用模式，可为强人类活动严重缺水流域的水循环调控奠定科学基础，增强保障我国缺水流域水安全的基础科学支持能力。

城市耗水的“自然-社会”二元属性及季节性特征研究——以北京市为例

城市水耗散过程具有明显的“自然-社会”二元属性,对于我国北方城市,耗水还具有明显的季节差异。为了准确计算城市耗水和水循环通量,需要定量化开展区分自然侧和社会侧耗水的研究,同时考虑季节性的差异。本文将城镇建设用地划分为绿地、水面、土壤、建筑物、硬化地面五类耗水类型,提出了城市“自然-社会”二元耗水的分析框架,构建了城市二元耗水计算模型。以北京市为例,计算2015年各区城镇建设用地春、夏、秋、冬四个季节的自然侧和社会侧耗水强度,得出城六区的耗水强度都超过700 mm,其中西城区的年耗水强度达1008 mm,其他城区的耗水强度分布在350~505 mm之间。城六区的社会侧耗水比例分布在45.33%~65.92%,其他城区的自然侧耗水占比分布在74.38%~87.33%。北京市城镇建设用地在春、夏、秋、冬季的耗水强度之比是1.76∶5.68∶3.78∶1。研究表明:随着城市化水平不断提高,城镇建设用地的综合耗水强度增大,社会侧耗水占比也增大,人口密度和建筑密度是影响城市社会侧耗水强度的主要因素。城市耗水强度的季节性差异明显,夏秋季节是自然侧耗水占主体,冬春季节则是社会侧耗水占主体,城市化水平提高会降低城市耗水的季节性差异。

自然-社会水循环模型估算平原-丘陵-湿地区水稻种植潜力

自20世纪中叶以来在平原-丘陵-湿地区随着井灌水稻热的兴起,水稻种植面积急剧扩大甚至超过此类地区水稻种植潜力,引起了湿地面积萎缩、地下水水位下降和水质恶化等问题。为解决这些问题,该文构建自然-社会二元水循环模型揭示人类影响下的平原-丘陵-湿地区水循环机理,进而推算适宜的水稻种植面积。首先,利用数值法构建了基于栅格的分布式水文模型,然后在此模型中嵌入人类活动影响模型从而构建了二元水循环模型。根据水稻种植潜力阈值抽取河道水量极值、地下水最大埋深、地下水最大降深和最大地下水开采量等因素与旱田作物种类组合了18种情景模式。在满足控制阈值条件下,依据多年平均日降雨、蒸发和情景模式利用二元模型计算了各种情景的水田种植潜力,由潜力分析得:18种模式地下水最大埋深在5.17～7.49 m之间,地下水最大降深在1.67～3.73 m之间;水田处最大坡度范围0.028～0.053;河道引水量占河道水量的50%～70%;地下水开采比例在79%～112%间;水稻种植潜力为28.36万hm^2～54.12万hm^2,来自旱地面积为21.05万hm^2～40.32万hm^2,来自未利用地面积为5.68万hm^2～11.09万hm^2。以情景模式17为例在水田生育期内对河道生态需水量、地下水水位和旱地作物蒸发等进行了检验,验证得到:整个水稻生育期内分区流域地下水埋深均小于7.12m,开发水田的分区流域基流比最小值为33.45%,分区流域旱田平均蒸发与1990年土地类型情景下的分区流域旱田平均蒸发的比值大部分位于0.98～1.05,说明水稻生育期内情景17对河道水量和地下水水位的影响在控制范围内,对旱田蒸发影响比较小,因此情景模式17的水稻种植潜力是可行的。研究可为描述平原-丘陵-湿地区的水文循环过程和推求水田开发潜力提供依据。

自然循环汽化冷却系统水-水引射的行为

以Fluent 6.3为计算平台,采用数值模拟的方法对一种加热炉自然循环汽化冷却启动引射新技术——水-水引射的引射行为进行了系统研究,探讨了引射管管径、出入口直径比和喷射流量等参数对冷却回路循环流速和引射管附近冷却回路局部阻损系数的影响.研究结果表明,管内流场符合受限等温直流引射射流的一般规律.当引射管管径不变时,冷却回路中的循环流速随引射流量的增加而增大,随引射管出入口直径比的增大而减小;当引射流量及引射管出入口直径比不变时,冷却回路中的循环流速随着引射管管径的增大而减小.从引射效果和减小回路阻损的角度来看,缩口型引射管优于扩口型引射管.

城市滨水空间演化中的“自然-社会”互馈关系研究——以深圳为例

自然过程与社会过程存在钟摆般变化的互相反馈关系,这种双向作用在跨越式城市化下的深圳水系中表现尤为突出。本文以深圳水系治理与滨水空间更新经历的历史性演化为例,揭示“自然-社会”复杂系统的自然过程、社会过程及其发生摆动的互馈关系,梳理滨水空间中生态系统过程与城市化扩张、治理和更新过程之间由双向负向作用趋于双向正向作用的摆动历程,同时,探寻“自然-社会”互馈关系中以人类社会过程为主导的正向驱动策略,以期在今后城市滨水空间发展中通过生态环境修复、城市生活激发、水岸文化建设等实现“自然-社会”正向互馈,即人与自然的和谐共生。

DG130/3.82-4型自然循环锅炉水冷壁管爆管技术分析

对水冷壁管同一根、同一区域发生的两起爆管事故进行失效分析 ,研究爆管机理 ,找出了爆管原因 。

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。

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。文章从水—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,实现碳中和目标挑战艰巨。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。

水资源与植物营养素的社会循环规律研究

从生态学观念出发利用系统科学的方法,研究了现代城市水系统的发展和现状,讨论了水危机和资源枯竭的根源,提出了循环型城市水系统和人居生态卫生系统的理念,指出这是缓解水资源危机的必由之路,是循环型城市的基础,人类社会可持续生存和发展之路。

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。

城市水系统健康循环理论与方略

为了实现城市水系统的健康循环及人类社会的可持续发展,从生态学的观念出发利用系统科学的分析方法,对自然资源的循环规律、人与自然关系的思想根源以及追求经济发展的传统生产方式的弊端进行了系统全面的论证,对水危机的根源进行了深刻的剖析.提出了传统排水系统功能、水资源利用模式的变革以及社会用水健康循环和水环境恢复的方略.指出只有把握和利用自然规律,将人类的生产与生活活动限定于自然生态平衡之中,才能维护生态系统的平衡实现可持续发展.

我国节水型社会建设实践与经验

我国节水型社会建设在经历了10多年的发展后,试点工作稳步推进,全国已经建成四批国家级节水型社会建设试点和数百个省级试点。各城市在节水型社会试点建设过程中,已取得了卓越成效,并获得一系列特色经验。重点介绍了西北内陆地区水权分配和流转、南方丰水地区水环境综合治理、沿海发达城市水资源优化配置、华北地区提补水价和产业调整以及中部地区水资源管理体制改革等节水型社会建设试点经验。

采油企业要踏上“循环经济”之路—安塞油田产出水的处理与利用

今年2月14日,新华社受权发布了《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》。这个《决定》对我国未来5年至15年环保事业的发展进行了规划和部署《,决定》提出的重点任务有七条,即,以饮水安全和重点流域治理为重点,加强水污染防治;以强化污染防治为重点,加强城市环境保护;以降低二氧化硫排放总量为重点,推进大气污染防治;以防治土壤污染为重点,加强农村环境保护;以促进人与自然和谐为重点,强化生态保护;以核设施和放射源监管为重点,确保核与辐射环境安全;以实施国家环保工程为重点,推动解决当前突出的环境问题。《决定》在强调经济社会发展必须与环境保护相协调的同时,对循环经济的三个环节进行了细化。《决定》要求,在生产环节,要严格排放强度准入,鼓励节能降耗,实行清洁生产并依法强制审核;在废物产生环节,要强化污染预防和全过程控制,实行生产者责任延伸,合理延长产业链,强化对各类废物的循环利用;在消费环节,要大力倡导环境友好的消费方式,实行环境标识、环境认证和政府绿色采购制度,完善再生资源回收利用体系。油田企业,特别是采油厂,如何落实“决定”所确定的任务,在生产环节、废物产生环节、消费环节“创造能源与环境的和谐”,这里给读者推荐一个案例。油田,特别是注水开发的油田,生产过程产出大量的地层水,这种含油污、含机械杂质的污水若任其横流,将严重污染环境。如何处置,世界各国都在进行研究,以合理、有效利用之。有人预测,油田污水处理有望形成一个产业。实际上,这个产业已经在形成,一些“吃”污水的企业正在悄然崛起。我国各个油田,特别是一些老的、含水高的油田,大都实行了污水(产出水)回注,在污水处理方面投入了大量的人力、物力、财力,只不过是程度上、技术水平上有些差别而已。陕甘宁盆地的安塞油田,从1999年起着手油田产出水的回注工艺探索,如今工艺技术日臻成熟,而且使产出水的回注利用率达到了100%,踏上了“循环经济”之路,创造了良好的社会和经济效益。他们的做法和精神,若有值得效法之处,发表此文的目的也就达到了。

竖直矩形通道内空气-水两相流动中气泡聚合研究

本文在自然循环条件下,研究竖直上升矩形通道(50×50mm2)内气泡聚合行为特性,在此基础上进一步分析气泡聚合对自然循环能力的影响。结果表明:本实验条件下气泡初始平均直径大于4.5mm时升力系数大于零,直径小于4.5mm时升力系数变为负值;两气泡平均间距大于8.3mm时,几乎不能看到聚合过程;实验范围内,自然循环水流量是随着气体流量的增加而增大,在气体流量小于1.30kg/h,增大气流量对提升自然循环能力的效果较气流量大于1.30kg/h更好。

基于二元理论的塔河干流水资源耗散研究

随着上世纪以来塔里木河源流区及干流区农业引水量的逐渐增加及本世纪以来塔里木河流域近期综合治理工程的实施,水文系统和人类系统已演变为一个耦合系统,有必要基于“自然-社会”二元理论,将人类活动视为系统的内生变量,结合监测数据从自然和社会角度细致刻画与核算塔里木河干流河道内外的水资源耗散情况,为塔里木河的水资源的合理配置和科学管理提供技术支撑。经分析,河段1-5多年平均综合河道耗散水量为42.81亿m^3,单位河长损失量介于216万m^3/km^381万m^3/km之间;社会经济耗散水量14.06亿m^3中主要为农业,虽然研究区高效节水灌溉面积持续增加,但由于各种原因利用率较低,尚需加强高效节水配套设施建设与管理,进一步提高水资源利用的效率和效益,为塔里木河的水资源的合理配置提供科学依据。

热回收式水-空气热泵机组热源系统的性能研究

提出了一种基于冷剂自然循环技术的水-空气热泵机组热源系统形式。介绍了系统的工作原理,建立了系统的稳态仿真模型,并进行数值求解,预测了冷凝器进水温度、水流量与室内排风温度、排风量对系统运行特性的影响规律。计算结果表明,自然循环热源系统的加热量随着冷凝器进水温度的升高逐渐减小,当冷却水量增加或排风温度升高时,加热量相应增大。通过对系统性能进行模拟研究,为系统进一步的优化设计奠定了基础。