流域“自然-社会”二元水循环与水资源研究_王浩.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023流域“自然社会”二元水循环与水资源研究王 浩，牛存稳，赵 勇（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）摘要：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。关键词：社会水循环；二元水循环；水文学；水资源研究；水安全保障；国家水网DOI:10.11821/dlxb2023070021 引言水圈是一个复杂的系统，在不同强度和范围内与地球系统各圈层相互作用1。水循环的动力过程贯穿各圈层系统，是塑造地表环境的基本营力，是联系地球系统各圈层的纽带，使各圈层之间相互联系、相互转化2。在全球范围内社会系统与地球系统交织在一起，人类活动成为改变水循环的主要驱动力，形成了天然循环与人工循环此消彼长的二元动态水循环过程3-4，并以流域为基本空间单元，演变为流域“自然社会”二元水循环系统。在长期解决生产实际问题的过程中，水文学研究的内容不断丰富，研究范畴不断拓展，开展了水文分析与计算、流域水文模拟、水利水电工程设计等方面的工作，并产生了经典的产汇流理论，单位线、水量平衡等重要规律，逐步形成了一门系统完整的科学体系。从研究自然水循环逐步发展起来形成的水文学，主要包括水文测验、水文预报和水文计算（测、报、算）等内容。伴随水循环过程，人类社会从事各种开发利用活动，形成水资源。为了科学利用水资源，着眼可持续发展，实现水资源的永续利用，水资源研究加强了基础监测，开展了水资源评价和配置，在此过程中注重水资源的节约和保护，实施调度和管理，编制水资源保护规划、供水规划、水资源综合规划，用于指导区域水资源在当前以及今后一段时间内的合理利用，并产生了供需分析、三次平衡等基础理论，形成了水资源领域的理论框架和技术体系。收稿日期：2023-03-08;修订日期：2023-07-16基金项目：国家重点研发计划(2021YFC3201105)Foundation:National Key R&D Program of China,No.2021YFC3201105作者简介：王浩(1953-),男,北京人,正高级工程师,中国工程院院士,博士生导师,主要从事水文学与水资源研究。E-mail:通讯作者：牛存稳(1979-),男,河南滑县人,正高级工程师,主要从事水文学与水资源研究。E-mail:1599-1607页地 理 学 报78卷2 流域“自然社会”二元水循环2.1 二元水循环的提出由于人类活动的影响，水循环各基本环节均发生了非平稳性变化，改变了水文系列的一致性，人为地割裂二者之间的联系必然难以准确描述人工扰动下的水循环过程5。由于气候变化以及水循环的地表、地下和土壤过程的非稳态性，造成了传统的水文一致性假定发生了动摇，过去认为系列越长越好，实际上长系列代表不了现实和未来的情况，因此学科范式有待改变。基于上述认知，1999年王浩等首次提出了“自然社会”二元水循环模式，并开始了系统研究。2000年“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区水资源合理配置和承载能力研究”评价了内陆干旱区的“天然人工”二元水循环模式，并完成基于二元模式的水资源评价、配置和承载能力研究，在此过程中影响和带动了国内二元水循环研究的开展。2.2 二元水循环过程自然水循环过程：在太阳辐射和地心引力等自然驱动力的作用下，地球上各种形态的水通过蒸发蒸腾、水汽输送、凝结降水、植被截留、地表填洼、土壤入渗、地表径流、地下径流、湖泊海洋蓄积等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。社会水循环过程：人类为实现特定的经济社会服务功能，如生活、生产、人工生态等，从自然水循环的一点或多点取水，散布到整个有人类经济活动的地方，从而改变自然水循环的路径和结构，水分不断地在经济社会系统中的耗散、运移、转化的过程。二元水循环过程：在自然和人工的双驱动力作用下，水循环的动力条件、结构、特性和参数，均呈现出明显的二元演化特征。这种在自然界和人类社会中同时存在，在陆地地表不断发生的水汇集和耗散的过程被称为二元水循环过程。凡是有人类活动的区域均呈现出自然水循环和社会水循环交织的复杂过程。自然水循环包括水汽输送、地表循环、土壤过程和地下过程等四大过程，流域是自然水循环的基本单元；社会水循环包括取水、输水、用水、排水、污水处理、再生回用等六大过程，城市和农村是社会水循环的两大基本单元。自然水循环的四大过程和社会水循环的六大过程共同组成了真实的流域水循环过程。2.3 二元水循环理论流域“自然社会”二元水循环研究围绕三大基本科学问题展开，包括自然水循环和人工侧支水循环的相互作用、“自然社会”二元水循环的伴生过程，及其空间格局、时间过程和多重机理的正负反馈等。流域“自然社会”二元水循环理论，是一种对现代环境下水循环系统的科学认知模式，即“实测分离耦合建模调控”二元动态模式，旨在揭示“自然”和“社会”双重驱动力影响下的流域水循环演化机理和综合效应，研发显式考虑人类活动影响的流域水循环及其伴生过程的高精度定量模拟工具，实现对变化环境下流域水循环演变和各分项贡献率的归因分析，不同情景仿真模拟实现对水资源演变预测，不同下垫面的精细描述实现水资源动态评价，支撑流域系统治理和整体调控。二元水循环理论的创新性主要体现在：发展了流域水循环的“实测分离耦合建模调控”二元动态学科范式，解决了尺度转换难题，研发了模型工具，实现了强人类活动影响的水循环过程模拟；突破了流域水资源的静态评价，实现了全口径层次化水资源动态评价；考虑水资源的多维属性，通过多目标均衡效应的分析，实现水资源利用效率从低效向高效转化，支撑流域水资源多维临界整体调控和流域综合治理。16007期王 浩 等：流域“自然社会”二元水循环与水资源研究3 水资源的五维属性水循环使地球上各种形式的水以不同的周期或速率更新，形成各种可供人类开发利用的水资源，并使其具有可再生性。伴随着流域“自然社会”二元水循环过程，水资源发挥着其特有的属性。自然水循环是水的汇集和自净过程，使水资源发挥生态属性；社会水循环是水的耗散和污染过程，使水资源发挥资源、环境、经济、社会属性。3.1 水资源的定义“水资源”作为名词首次出现是做为政府管理的机构名称，源于美国地调局（USGS）设立“水资源处”6。联合国教科文组织（UNESCO）和世界气象组织（WMO）定义，“水资源”是“可供利用或有可能被利用、具有足够数量和可用质量、并为适应特定地区的水需求而能长期供应的水源”。国内学术界对水资源有过不同的定义，例如刘昌明7提出“从自然资源的观念出发，水资源可定义为与人类生产与生活有关的天然水源”。陈梦熊7提出“一切具有利用价值，包括各种不同来源或不同形式的水，均属水资源范畴”。总结学术界对水资源定义的认识和讨论，其关注点可归纳为水资源的有效性、可控性和可再生性三方面。本文认为，水资源是对人类社会经济发展和生态环境保护具有效用的淡水资源，其来源为大气降水，赋存形态为地表水、土壤水和地下水，在数量上为扣除降水期蒸发的总降水量，通过天然水循环不断得到补充和更新，同时受到开发利用的人工调控和其他人类活动等的影响。3.2 水资源的五大属性水资源的五大属性关联伴生，每一维属性都对应水循环过程中相应子系统的特征。每一个属性决定着该子系统主要的服务功能，并且与其他子系统存在一定的关联性。伴随流域“自然社会”二元水循环产生的一切水资源问题，背后的科学基础，形成的基本认知和基础理论，以及提出的解决方案等都是围绕水资源的五大属性来展开的。3.2.1 资源属性水资源作为一种资源，首先发挥的就是资源本身的属性。资源属性是指水循环的时空量质、循环特征及可再生能力，体现水的有限性和竞争性；发挥资源属性的目标是水循环的可再生性维持；调控思路是基于水量平衡的水资源决策机制，维持流域水循环稳定或可再生性；实现途径有水源涵养、合理开发地表、地下水资源等；调控方向是水循环本身的稳定健康，确保自然水循环过程尽量不受人类社会各项开发利用活动的过度干扰；相关的工作有水资源监测、水循环模拟、水资源评价等8。3.2.2 环境属性环境属性是指水在循环过程中带来各项水化学指标的变化并可能影响其自身功能，体现水循环的自净性；发挥环境属性的目标是水体环境状况良好；调控思路是基于维系水体功能的环境决策机制，实施水量水质联合配置调度、废污水达标排放等措施；实现途径有减少污染物产生量，加大废污水处理力度，源头减排、过程控制、末端治理的水环境治理等；调控方向是维持区域水环境质量，减缓人类活动造成环境污染，尽量避免破坏生态系统健康、人类审美和社会公平；相关的工作有水环境监测、水资源保护、水资源调度等。3.2.3 生态属性生态属性是指天然条件下水资源的生态服务功能，体现在生物量和多样性；发挥生态属性的目标是修复受损生态系统、保护健康水生态系统；调控思路是基于保障生态功能良好的生态决策机制，保持重点生态系统的稳定性和多样性，满足关键控制断面生态流量目标要求，确保适宜的生态地下水位；实现途径有保证生态用水量不低1601地 理 学 报78卷于其合理的阈值等；调控方向是系统的持续性，在生态系统的极底限、底限和适宜的需求之间，寻求水循环的生态系统价值和经济系统价值的平衡，达到合适的理想点；相关的工作有水资源保护、水资源调度等。3.2.4 经济属性经济属性是指水资源作为商品或者生产要素发挥经济价值的属性，可用货币衡量或者等量量化，体现水资源的高效性；发挥经济属性的目标是提高用水效益、降低用水成本；调控思路是基于效益最优的经济决策机制，使水资源由低效率、低效益行业向高效率、高效益行业流转；实现途径有提高用水效率、加大再生水回用、水向高效益部门流转等；调控方向是效率优先，在当前的基本社会伦理和哲学框架下，追求用水效率和效益最大化；相关的工作有水资源节约、水资源配置等。3.2.5 社会属性社会属性是指水资源通过各种形式的开发利用活动融入到社会发展与文明，与其他自然资源一样成为服务社会发展的控制性要素，体现水资源的公平性；发挥社会属性的目标是提高供水保证程度、维护社会用水公平；调控思路是基于公平的社会决策机制，确保弱势群体和公益性行业的基本用水；实现途径有提高供水能力、保障弱势群体和公益行业基本用水等；调控方向是保障公平，主要包括现状利用水平和未来发展潜力的平衡、不同区域之间的平衡，不同用水户之间的公平、城市和农村之间的公平等；相关的工作有水资源配置、水资源管理等。4 水资源领域研究4.1 水资源研究的发展水资源研究是从观测社会水循环逐步发展起来的。从美国地质调查局水资源处的成立开始认识到社会水循环的问题，到工业革命兴起不断发展。中国最早于1950年在哈尔滨工业大学开始设置“给水及上下水道”专业，1952年哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学首批开设给水排水专业8，从给水、污水处理、排水等过程研究水循环。20世纪中期以后水资源学已被承认10。1922年建立的国际水文科学协会（IAHS），在1972年的章程中谈到该协会的宗旨是“为促进水文学作为地球科学和水资源学的一个方面来进行研究”，在这里水资源学和地球科学一样都作为学科的代表而并列；1972年建立的国际水资源协会（IWRA）就是以水资源学为研究对象的学术团体。从20世纪中期开始，随着中国社会经济的快速发展，面临的水问题越来越突出，国家越来越重视对水资源的科学规划和统筹管理，学者们也越来越关注水资源的科学原理。一方面，随着一些新理论和边缘学科的不断渗透，丰富了水资源研究的基础理论；另一方面，由于人类改造世界的能力不断增强，出现了一系列水问题，使水资源研究面临更多的机遇与挑战，也促进了水资源学的兴起和蓬勃发展11，迫切需要在对水资源五大属性认知的基础上，根据人与自然耦合的水循环机理和非线性特点，更真实地刻画水循环过程与经济社会及生态环境之间的驱动和反馈，系统揭示“自然”和“社会”双重驱动力影响下的流域水循环演化机理和综合效应。4.2 水资源领域研究的框架体系水资源研究对象是地球水资源本身，通过研究其形成、转化规律，开展水资源的数量、质量以及开发利用状况调查，弄清水资源及其开发潜力；水资源研究水资源与经济社会、生态系统之间的关系与协调，进行经济社会发展需水预测、水资源合理配置、水资源规划方案优选、水资源管理措施实施、水资源价格制定、生态需水的计算等工作，制定水资源规划，合理开发利用水资源，协调好水资源开发利用和生态环境的关系。16027期王 浩 等：流域“自然社会”二元水循环与水资源研究水资源研究要解决的根本矛盾是自然水循环的极值性和不确定性，以及人类用水的稳定性和确定性，基于水量供需平衡、水化学物质守恒、生态系统完整性、水粮能生态竞争等理论基础，通过开展水资源的评价与配置、节约与保护、调度与管理等工作，促进水资源的“资源、经济、社会、生态、环境”等五大属性健康状态的维持。国内也有部分学者，将水资源的研究定义为一门学科，如夏军等11和左其亭等12提出，水资源学是在认识水资源特性、研究和解决日益突出的水资源问题的基础上，逐步形成的一门研究水资源形成、转化、运动规律及水资源合理开发利用基础理论并指导相关业务（如水资源节约、开发、利用、保护、规划、管理）的知识体系；欧阳芬等12提出，水文水资源学包括水文学和水资源学两方面，二者自成体系、相互独立、相互联系、密不可分，虽然其发展各不相同，但却共同构成了水资源可持续利用的科学基础14。4.3 水资源研究与水文学的联系流域“自然社会”二元水循环是水文学和水资源研究之间的联系纽带，二元水循环把复杂的问题简单化、简单的问题深刻化，大道至简，通过解析、分析、定量耦合支撑水资源管理的决策落实。对于水文学研究的自然水循环，是降水的汇聚过程，发挥自净作用，水往低处流，其运动主要靠重力势能，关注可再生性维持，在水资源研究中尽量将时间过程坦化、与国民经济用水过程相协调。对于水资源关注的社会水循环，是散流过程，发挥服务功能，清水进万家，其运动主要靠电力势能，但同时也可能污染的作用，要研究高效用水过程，尽量保持用水过程的净化。水资源研究尚未形成以知识为纽带的完整科学体系，水资源自然属性的研究是水文学在水文循环领域的延伸。水文学最早是地理学的一个分支15，是水资源学的基础16，水资源的基本认识，源于水文学中的水循环基本认知，水资源的基本理论源于水文学的理论支撑，水资源工作的主要内容是水文学的具体应用和生动实践。4.4 水资源研究的前沿方向和发展趋势水资源研究的难点和前沿热点问题包括水体的固液气三态转化和水热耦合、基于水体流动性的循环过程、流域水循环的四水转化特性、自然水循环系统的极值性和不确定性、人类用水的稳定性和确定性、用水竞争和协调性、水资源系统的多目标多属性、复杂巨系统、数学模型和大数据智慧化耦合等。水资源学领域重点关注的学科前沿问题会随着科学技术的发展而不断变化18。流域水循环的“自然社会”二元演变是导致近年来水问题和水危机的本质原因17。随着中国经济社会不断发展，水安全中的老问题仍有待解决，水资源短缺、水生态损害、水环境污染的新问题越来越突出，新老水问题交织，水安全保障、国家水网、河湖生态环境复苏、数字孪生水利、水资源节约集约利用、体制机制法治管理等国家重大需求越来越迫切，对水资源的“安全化、高效化、生态化、智慧化”要求越来越高。安全化包括水资源安全、防洪抗旱安全和水利工程安全，水旱灾害防御，工程抗震、抗泥石流、土坝漫顶等；高效化包括水资源集约节约利用、水利工程高效运行，水资源刚性约束、“四水四定”、非常规水资源优化配置、水资源利用从低效向高效转化等；生态化包括水利工程生态化、河湖生态健康和流域系统治理，山水林田湖草生命共同体，绿色施工、过鱼设施，生态基流保障、增殖放流、人造脉冲，地下水含水层保护修复等；智慧化包括监测监控智慧化、调度管理智慧化以及行业融合发展智慧化，关注“天地空”一体化感知，防洪和水资源的“四预”、调度决策、智慧控制，行业内纵向贯通行业间横向融合等。基于水资源“四化”的要求，充分发挥流域“自然社会”二元水循环理论的先发优势，进一步研发新技术、新产品，助力以中国式现代化全面推进中华民族伟大1603地 理 学 报78卷复兴提供水安全保障的总体目标，全面提升国家在水旱灾害防御、水资源集约节约、水资源优化配置、大江大河生态保护等方面的治理能力，优化水治理体系。全球水资源问题协作的重点包括气候变化对水资源的影响、人类活动对水资源的影响、社会水文科学、水资源价值量的核算、基于二元水循环理论的水资源资产化管理19、“水粮食能源”协调发展、水资源分配系统的水质安全与公共健康、山地水资源与可持续发展20、SGDs之水目标的实现等。4.5 二元水循环模拟与调控关键技术二元水循环研究采用原型观测、物理模型和数学模型等多种方法齐步并举。数学模型方面，二元模型由分布式流域水循环模拟模型、水资源合理配置模型和多目标决策支持模型耦合而成，可从宏观、中观和微观在不同时空尺度紧密耦合，层层递进，相互反馈，实现“自然社会”二元水循环过程的全面模拟21-22。基于自然、社会二元驱动下流域水循环、水环境与水生态三大系统内在动力学演化机理，充分考虑水循环、水环境和水生态三大系统之间物质与能量交换关系，将集总式水资源配置模型刻画的灌区、工业、城市等社会水循环系统与分布式水文模型刻画的自然水循环系统进行耦合，应用GIS技术、组件技术、数据同化、Eclipse RCP技术、大规模优化模型求解、多模型耦合等先进技术，建立考虑人类活动影响下自然水循环与社会水循环相互影响及反馈的综合模拟平台NADUWA3E（图1）23。基于模型平台，可设定不同的CO2排放、经济活动宏观调控、土地利用格局、水资源开发利用、污染排放控制等情景，对未来气候变化、水资源、水环境及生态的演变趋势进行定量仿真预测，为流域水资源综合调控政策制定提供支撑。基于二元水循环理论，分析城市水资源配置系统结构，构建考虑水资源质、量均衡的城市用水优化配置模型，对用水系统的结构调整、系统发展提供参考意见24。图1流域二元水循环模型NADUWA3E结构Fig.1Framework of Natural-Artificial DUalistic water cycle modelconsidering economy,environment and ecology16047期王 浩 等：流域“自然社会”二元水循环与水资源研究二元水循环理论指导下的水资源应用以流域水循环过程模拟与调控为主线，涵盖6大方面，包括水资源的评价和配置、节约和保护、调度和管理，实现水资源的“监测模拟评价预测配置调度控制管理”8个环节的全链条应用，具体有社会水循环的水资源取用耗排全过程监测、流域水循环通量演进解析、变化环境下水循环演变规律和归因分析、水资源全口径层次化动态评价、多水源多用户精细化的水资源配置、半干旱半湿润流域河流生态流量分析、水资源承载机理和阈值制定技术、水资源多目标综合调度、水资源价值核算与定价、生态保护和高质量发展、水资源水环境综合管理、未来预测与水循环调控方案25、智慧水务、水轮机闸泵阀等水机群安全与高效运行控制、系统化智慧化流域综合治理等，为水文过程非一致性条件下的水资源动态评价、规划和管理提供支撑。5 总结展望中国的水循环研究引起了国内外的广泛关注，如Sivapalan等26论述了社会水文学（Sociohydrology），Viglione 等27从社会水文学模拟的视角探讨了如何对待洪水风险。2013年国际水文科学协会IAHS国际水文十年计划将“处于变化中的水文科学与社会系统”确定为未来十年的研究主题28，“自然社会”二元水循环的思想得到吸纳，推动了国际水文科学的发展。历经二十多年不懈的攻关探索，二元水循环理论不仅在中国水安全保障中发挥了重要科技支撑作用，而且成为国际研究热点，使中国的水资源基础理论引领世界。在未来的发展上，需要进一步完善“自然社会”水循环各个分支研究，如进一步界定以水循环综合效应为基础的低效和高效分析手段，如开展国家水资源承载能力优化、重要江河水源涵养区水源涵养能力提升与风险综合调控29、地下水污染治理等方面研究，提高应用能力，形成系统产品，支撑水资源“四预”等，提高综合协同预测预报水平和调控能力，服务国家重大战略的实施。参考文献(References)1 Liu Changming,Zhou Chenghu,Yu Jingjie,et al.China Hydro-geography.Beijing:Science Press,2014.刘昌明,周成虎,于静洁,等.中国水文地理.北京:科学出版社,2014.2 Liu Changming,Liu Xuan,Yang Yafeng,et al.A discussion on 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