黄河流域作物生产与消费实体水-虚拟水耦合流动时空演变与驱动力分析

愈加有限的水资源是黄河流域生态保护和高质量发展面临的最主要矛盾和瓶颈。在部门用水竞争持续加剧的同时,内嵌在农产品中的虚拟水流动现象日趋频繁。本文以作物生产水足迹和虚拟水流动为表征参数,量化2000—2014年间黄河流域主要作物实体水-虚拟水耦合流动关键过程及其时空演变;从人口、社会经济、农业发展和居民消费4方面,运用扩展STIRPAT模型辨识其关键社会经济驱动因子。结果显示:黄河流域作物单产水平增加有效降低了作物单产水足迹,有效控制了作物生产总水足迹规模;随小麦、玉米和苹果等作物输出,流域作物虚拟水流动规模显著增加,2014年流域虚拟水总输出量占流域作物生产耗水的41%;人口和人均GDP对作物生产水足迹和虚拟水进出口量均起促进作用。

实体水-虚拟水“二维三元”耦合流动理论基本框架

在变化环境下,区域水资源系统演变规律正在发生深刻变化。解决新形势下出现的水问题单单依靠传统的实体水资源规划、调度和调控手段还不够。虚拟水概念和理论的提出拓展了水文水资源的认知范畴,丰富了水问题的解决手段。然而,如何搭建虚拟水理论与传统水文水资源认知体系的统一框架,认识自然-经济-社会连续系统中水资源演化的新规律,目前学界还没有成熟统一的看法。该文首先提出了实体水-虚拟水耦合流动效应的基本理论框架,指出实体水-虚拟水耦合流动是现代环境下自然-经济-社会水资源系统呈现的新特征。其次,从文明进步和生产力发展角度,论述了人类社会水文水资源系统的演化历史,将水文水资源系统演进大体分为三个阶段:早期的实体水"一维一元"自然循环阶段,近现代的实体水"二元"水循环阶段和当前的实体水-虚拟水"二维三元"耦合流动阶段。最后,该文详细论述了实体水-虚拟水耦合流动过程的路径结构,并针对其流动过程和状态表征提出了定量表达方程,初步构建了实体水-虚拟水耦合流动基本理论框架。

区域主要作物生产实体水-虚拟水耦合流动过程解析与评价

水安全是粮食安全的刚性基础.在农业生产过程中(产前、产中、产后)自然-经济-社会(三元)因素驱动下,其水资源消耗形成实体水-虚拟水(二维)嵌入转化、互为反馈、相互影响的耦合流动过程.本文基于实体水-虚拟水"二维三元"耦合流动理论,集成构建了以水量为参数的区域作物生产广义实体水-虚拟水耦合流动过程量化方法,并应用于我国"丝绸之路经济带"沿线西部六省,对其1985~2013年主要作物实体水-虚拟水耦合流动过程进行解析与评价.揭示了区域作物生产实体水-虚拟水耦合流动现象,发现六省间水资源消耗与流动存在资源与经济效益的此消彼长现象.表明以农田尺度实体节水为目标的资源单视角传统农业水资源管理理念,已不足以实现多空间尺度水资源的资源-经济同步高效利用的管理目标,而具有资源-经济-社会三重意义的区域农业全产业链实体水-虚拟水统筹管理应为有效解决思路.基于此,初步提出三点思考:(1)现代农业节水应实体水-虚拟水统筹考虑;(2)需加快突破农业生产实体水-虚拟水耦合流动量化、评价方法与调控关键技术;(3)建议基于农业全产业链视角,建立基于实体水-虚拟水二维度理论的农业水资源管理体系,确保实现各阶段水资源管理"三条红线".

实体水-虚拟水统筹管理保障国家粮食安全

面对我国农业水资源持续紧缺和粮食安全主要矛盾向供需结构性矛盾转变的双重挑战,亟须加强实体水-虚拟水统筹管理。本文在分析我国粮食生产及水资源利用现状及存在问题的基础上,明确了以进一步发展实体水-虚拟水耦合流动理论与方法为核心任务的过程水文学是实体水-虚拟水统筹管理的学科基础。梳理了作者及其团队2015—2019年粮食生产与消费系统的过程水文学研究进展。为构建切实可行的实体水-虚拟水统筹管理理论与方法体系,初步提出3个主要发力点:①突破实体水-虚拟水统筹管理技术和方法壁垒,凝练和解决粮食系统的过程水文学关键科学问题;②着眼于全产业链广义水资源高效利用,深化体制机制改革,实现虚拟水管理落地;③加强专业人才培养与支撑。

跨流域调水背景下粮食区域贸易对粮食种植结构的影响——基于“实体水-虚拟水”流动视角

水是农业的命脉,水资源不同于土地资源,可以跨区域流动。文章基于“实体水-虚拟水”流动视角,运用2004—2020年中国31个省份的面板数据,采用动态空间杜宾模型估计了跨流域调水背景下粮食区域贸易对粮食种植比例和水稻、小麦、玉米三大主粮种植比例的影响。研究结果表明:①对于粮食输出区,“实体水-虚拟水”流动影响降低,粮食总体种植比例提高,粮食内部玉米种植比例下降。说明粮食输出区水资源压力增加,对粮食生产诱致性技术变迁的促进作用与区域生产分工的强化作用大于限制作用,且存在“灌溉效率悖论”,即节水技术进步导致高耗水作物种植增加。②对于粮食输入区,“实体水-虚拟水”流动影响增加,粮食种植比例下降,短期水稻和玉米种植比例提高,且高耗水作物水稻种植比例提高幅度更大,长期水稻和玉米种植比例下降,且低耗水作物玉米种植比例下降程度更大。说明粮食生产区域分工与强化作用降低了粮食输入区粮食种植比例,但粮食内部结构向耗水方向发展。③当前“实体水-虚拟水”流动作用下,粮食输入区对输出区粮食种植比例和粮食内部玉米种植比例具有负向的空间溢出效应,说明粮食输入区水资源压力减小对粮食输出区的粮食生产具有负向影响,且加剧了粮食内部结构的“灌溉效率悖论”现象。粮食输出区对粮食输入区的粮食种植比例不具有显著影响,短期降低了水稻和玉米的种植比例,且高耗水作物水稻种植比例下降更多,长期提高了水稻和玉米种植比例,且低耗水作物玉米种植比例提高更多,说明粮食输出区促进了粮食输入区粮食内部结构向节水方向发展。最后,提出实施“实体水-虚拟水”统筹管理,大力促进粮食输出区节水农业发展以及建立区域粮食虚拟水补偿制度等政策启示。

考虑船-冰-水耦合的寒地航行实体靶船载荷响应分析

为了研究寒地海域航行实体靶船与浮冰发生碰撞过程中的载荷响应,基于S-ALE流固耦合方法和罚函数接触理论构建船-冰-水耦合的数值模型,展开冰-水耦合、船-水耦合以及船-冰-水耦合机理的研究,详细分析碰撞过程中产生的水阻力与冰载荷。结果表明,S-ALE方法在处理船-冰-水相互作用时可以较好地模拟碰撞场景。船体受载主要由水阻力与冰载荷构成,冰载荷占据主要成分。水阻力受到航速的影响,且水域对冰载荷起到了削弱作用;冰载荷随浮冰厚度、尺寸的增加而增加,浮冰尺寸的影响程度高于冰厚。

过程水文学的方法框架与学科体系探讨

基于水科学发展历程和实体水-虚拟水耦合流动理论基本框架,指出过程水文学是揭示实体水-虚拟水在复杂系统中耦合流动规律与伴生效应的交叉学科,进一步明确了其科学内涵、主要特征、学科框架、学科基础、方法体系和主要研究方向。在明晰过程水文学科学价值的基础上,认为过程水文学的发展有望解决未来经济社会复杂系统面临的水科学问题。