水-能源-碳排放复杂关系研究进展及展望

系统梳理水-能-碳复杂关系的概念内涵,认为其本质是水资源、能源以及碳排放在整个产品生命周期过程 中的相互关系。回顾了复杂关系的近今进展,可将评估方法归纳为基于耦合关联视角的评估、基于整体协同视角 的评估、基于风险与韧性视角的评估以及基于土地利用视角的综合评估。在此基础上,建议未来应重点关注 4 个 前沿议题,即基于水-能-碳承载力的国土空间优化研究、水-能-碳视角下资源消耗与经济增长脱钩分析、水-能-碳 复杂关系确定性与不确定性量化分析以及水-能-碳工程措施助力“负排放”,旨在通过水-能-碳系统协同管理推动 绿色高质量发展。     

干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟研究框架

干旱区流域水资源短缺与生态恶化问题日趋严重,水文-生态过程耦合分析与模拟问题是实现干旱区流域水安全与生态安全亟待解决的核心科学问题。在总结国内外水文-生态过程耦合研究现状的基础上,探讨当前干旱区流域水文-生态过程耦合研究面临的关键科学问题,初步提出干旱区流域水文-生态过程耦合研究框架,包括水文-生态过程的作用机制、耦合关系和耦合模拟研究,旨在为干旱区流域水文-生态耦合研究提供参考。     

“双碳”战略下水循环响应与需水情势变化

通过对相关文献的研究梳理，基于“双碳”战略任务要求与实施路径，对“双碳”战略下水循环响应与需水情 势变化等进行深入探析。研究表明，水、碳循环在自然界通过植物光合作用和蒸散发紧密相连，在经济社会中通 过水资源与能源的供-用-耗-排过程密切相关。“双碳”战略实施对水资源供、需两端均产生一定影响，供给端主 要表现在降水、径流的时空分布变化，需求端主要表现在产业结构、布局的调整以及伴生的需水变化。针对“双 碳”战略下的水-碳天然循环变化及其影响应进一步加强研究并制定适应性措施，同时加强经济社会领域水资源 与能源供-用-耗-排过程的主动调节，为“双碳”目标实现和经济社会高质量发展提供支撑。     

流域水系统理论及其在我国的实践

针对变化环境的水循环与水安全问题,对水系统的基本概念、理论与意义进行了介绍,指出了以多学科视角,将自然科学和社会科学相融合以研究变化环境下的水问题是当前国际地球系统水科学发展前沿。分析了水系统研究的难点与水-社会-生态关联性研究的发展趋势,强调了水系统的耦合与解耦、水系统模型的敏感性、水系统的监测等方面研究的重要性,探讨了自然系统和人类系统间的协同演变及其集合响应机制研究于构建水系统耦合模型的必要性。以淮河、鄱阳湖、汉江为例,从不同的角度论述了水系统理论在我国水问题研究中的实践与指导意义,并认为水系统理论的进一步研究应加强内在机理及概化准确性等方面的研究,构建水系统模拟平台,增强水系统模型对气候及环境变化的适应性,加强在变化环境下流域水资源可持续利用规划与决策管理中应用推广。     

湄公河-洞里萨湖河湖关系与水文情势驱动响应研究——关键科学问题与技术实现路径

湄公河与洞里萨湖河湖关系是世界上著名江湖关系的典型代表，同时受上游来流、下游潮汐、区域风浪、洪泛区调蓄等影响，水情叠加互馈效应(遭遇、倒灌、补水、漫滩、顶托、调蓄)巨大，水文过程集成度高。从河湖水文情势变化规律、河湖耦合水文水动力学模型、河湖水量交换关系及水情驱动机制3个方面阐述了湄公河-洞里萨湖河湖关系与水文情势驱动响应机理研究进展，并研究了其关键科学问题与技术实现路径。结果表明：(1)湄公河与洞里萨湖水文-水动力作用机理复杂且尚不明晰，成为制约湄公河和洞里萨湖综合治理的瓶颈问题；(2)未来亟需加强研究的重点方向主要包括构建湄公河与洞里萨湖大型连通水网水文-水动力耦合模型，精细模拟河湖水情组合叠加效应的时空量演变特征，定量揭示洞里萨湖河湖互相转换特性，理清河湖交互规律的宏微观格局，定量评估径流、潮汐、风浪遭遇组合对河湖水量交换的影响量，阐明河湖水情-水动力条件-水通量交互-湖区水文节律的驱动机制和耦合协变响应规律，以及创建河湖水量交换关系内涵变化量与洞里萨湖全区域全过程水文情势变化量的定量关系知识图谱。研究成果对丰富江湖关系内涵、指导柬埔寨洪旱灾害应对、提高水文预报精度、确保河湖健康具有极其重要的科学理论意义和实践应用价值。     

黄河流域水-能源-环境系统动态耦合协调发展研究

为研究水、能源与环境子系统之间的耦合协调关系及动态演变特征,基于2010—2019年黄河流域9个省(区)的面板数据,建立水-能源-环境系统的耦合协调评价指标体系,通过熵权法、耦合协调模型定量分析水-能源-环境系统与子系统之间的耦合协调发展水平。结果表明：在研究期内,黄河流域水-能源-环境系统一直处于高水平耦合状态,耦合协调度在波动中上升,经历初级、中级协调两个阶段并有向良好协调类型演进的趋势,但三者之间的耦合协调关系仍存在较大上升空间;水资源子系统起主导作用,并且2016年之后的发展速度明显快于能源子系统和环境子系统。建议针对当地情况,通过跨部门合作提升滞后子系统的发展水平,实现资源子系统与环境子系统的持续协调发展。     

西部干旱区流域水循环关键科学问题研究框架

水问题是我国西部干旱区实施大开发战略必须首先解决的重大科技问题,流域水循环研究是解决西部干旱区水问题的科学基础和前提条件。本文在总结西部干旱区流域水循环研究进展的基础上,探讨了当前干旱区水循环研究面临的关键科学问题,核心是:变化环境下流域水循环演变规律、土壤盐渍化机理、生态需水计算以及耦合模型尺度转换等问题。结合西部实施大开发战略的水资源合理配置、水资源开发利用与生态、环境相互间协调发展等国家重大需求,初步提出干旱区流域水循环研究框架,旨在为干旱区流域水循环研究提供参考。     

黄河流域水-能源-粮食安全系统的耦合协调发展研究

为探究黄河流域水-能源-粮食安全系统协调发展对推动流域人地关系协调、高质量发展的意义,以黄河流域水-能源-粮食安全系统为核心,构建流域水-能源-粮食安全系统综合指数,采用主成分分析法计算各指标权重,利用耦合协调度模型对2007-2017年黄河流域水-能源-粮食安全系统耦合协调度进行测算,并对2018-2027年流域耦合...     

"人-水-地"和谐的治水理念——以江汉平原防洪减灾为例

 从狭义和广义两个角度对“人-水-地”和谐的治水理念进行了概述;结合江汉平原防洪减灾的实际,分别从我国国情、江河治理的基础、洪水发生的原因 3 个方面阐述了“人-水-地”和谐是实现科学治水的需要。基于新的治水理念,对“人-水-地”和谐思想在防洪减灾中的应用进行了探讨,提出治水的关键是协调人类活动与洪水储蓄的空间关系,治水的前提是查明流域地质环境与水文演化规律。     

宁夏沿黄城市带碳水足迹及其关联关系研究

减碳、节水是黄河流域可持续发展面临的重要问题。从水资源生态及碳足迹角度出发,将区域水碳关系进行耦合研究,有助于揭示水资源质量与碳排放之间的关系,为宁夏沿黄城市带实现生态环境保护可持续均衡发展提供指导。基于水资源生态足迹与碳足迹理论,从时空分布差异、水碳关联性特征入手,计算并分析了2010—2019年宁夏沿黄城市带4个中心城市的碳足迹、水资源生态足迹及其时空变化趋势。结果表明：区域内已经形成了以吴忠市-银川市为重心的碳排放和水生态压力区,且与经济高度发展区域有空间重合,但不同地区由于产业结构及资源条件的不同,碳排放与水资源的关联性差异明显,其中水质生态足迹与碳足迹之间的关联性更显著,呈现出水、碳、环境、产业等发展的区域不均衡性。     

生态水文双向耦合模型的研发与应用:Ⅱ.模型应用

陆地生态水文过程的耦合集中体现在水碳循环的相互作用与反馈,研究这种耦合关系以及变化环境下水文、能量通量、碳收支过程的响应特征对于理解生态水文过程的作用机理具有重要意义。本研究基于构建的生态水文双向紧密耦合模型DTVGM-CASACNP,选取Ameriflux Duke森林生态系统站点,验证了该耦合模型的适用性。结果表明,该模型在水、能量通量及碳通量的模拟方面均取得了较好的效果。水碳耦合关系结果表明植被生产力与蒸散发具有较强的正相关关系;气孔对蒸腾的调控结果显示在冬季蒸腾受到气孔的控制作用强,在夏季蒸腾受到外界环境因子的控制作用更强;日内变化中日间蒸腾受到环境因子的控制作用较夜间高。双倍CO_2浓度条件下,植物蒸腾减小,但截留蒸发增加,感热通量增加显著,碳汇作用将加强。     

WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的设计、实现与验证

为实现WaSSI-C(Water Supply Stress Index-C)模型地理信息系统(GIS)可视化模拟系统,为区域水碳资源分析和模拟决策提供模型工具,在解析WaSSI-C模型理论框架和运行机理的基础上,对模型计算过程进行模块化分解和结构化设计;采用C/S模式构建软件体系架构,基于时空数据模型设计E-R模型图,并应用Geodatabase空间数据库与SQLite关系型数据库联合管理模型参数和时空数据;在.Net开发环境下,基于ArcGIS Engine二次开发组件,使用C#语言进行混合编程,实现WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的功能,进而以焉耆盆地为试验对象进行应用验证。结果表明:系统同时支持文本和空间数据格式输入,能够在GIS可视化环境下自动化输出研究区月尺度蒸散、径流和总生态系统生产力等水碳耦合过程变量的模拟地图,系统模拟结果率定期R²和NS均值分别为0.83和0.81,验证期两指标均值分别为0.8和0.76,总体上显示出良好的模拟效果。系统具有简单易用、运算效率高、普适性强等特点,可为相关领域研究提供有力工具支撑,也可为生态学、水文学等专业领域模型可视化研究提供借鉴思路。     

作物生长田间水分平衡的系统模拟

以作物生长模型MACROS(L1D)为基础，建立了土壤水分运动和作物生长耦合关系综合模拟系统. 着重介绍了SPAC体系水分运动子模型，并对土壤水分运动模拟的结果和各类参数的灵敏度等进行了分析.最后，应用该模拟系统对南方多雨地区冬小麦田土壤水分平衡和土壤渍害的发生过程进行了模拟分析。     

河口湿地生态需水研究框架及关键问题

针对河口湿地生态需水研究现状,构建河口湿地生态需水研究的基本框架,包括生态环境保护目标的确定,水与生态相互作用的定性和定量分析,以及河口湿地生态补水配置方案的优选。目前湿地需水计算的常规方法已无法满足河口湿地生态需水计算要求,对多种湿地需水计算方法进行整合研究,建立基于统一物理机制的生态水文耦合模型,以及考虑变化环境下的河口湿地生态需水响应成为研究的关键问题。     

基于联系数和耦合协调度的水资源空间均衡评价方法

为定量分析评价水资源空间均衡状况和空间差异,采用联系数和耦合协调度相结合的方法对区域水资源空间均衡进行评价.综合考虑水资源-经济社会-生态环境的复合关系,构建了由水资源承载支撑力和承载压力2个系统、15个评价指标组成的水资源空间均衡评价指标体系,并采用基于加速遗传算法的模糊层次分析法计算了评价指标权重,提出了基于联系数...     

闸库调度下太子河流域水量水质模拟及响应研究

鉴于太子河流域水资源调控程度高、水污染严重、河流健康状况日趋恶化等特点,在综合考虑各种因素的基础上.采用一维水量水质耦合模型,模拟了太子河典型年的水动力和水质时空分布,系统分析了水文与污染负荷耦合的环境过程.在此基础上,根据太子河流域现状提出不同库群调度方案,评估了各方案下太子河的水质响应过程及其对沿程各站点水质环境的影响.     

生态水文双向耦合模型的研发与应用:Ⅰ模型原理与方法

陆地生态水文耦合的关键过程是以植被气孔行为调控的植物蒸腾-光合作用的双向耦合,并共同影响着水、能量通量、碳的收支平衡,构建陆地生态水文双向紧密耦合模型是研究其相互作用与反馈的重要基础。本研究基于分布式时变增益模型(DTVGM),改进并发展了其中水、能量通量、光合作用及植物生长等关键模块,耦合以CASACNP为基础的生物地球化学模型,提出了耦合模型的架构、模拟方法及模型主要原理和计算方法,构建了一个耦合陆面水文与生物地球化学循环的生态水文双向紧密耦合模型,为陆面水文-生物地球化学过程的模拟及应用提供基础。     

干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析

针对水土环境生态安全受多因素耦合影响而难以定量揭示的难题,为定量评估干旱区人工绿洲水土环境生态安全状态及其分异特征,以甘肃省景电一期灌区为研究对象,以压力-状态-响应模型(press-state-response,PSR)为理论依据,提出了以3个要素18个指标所组成的水土环境生态安全评价指标体系。在将源数据进行差分变换与岭回归分析的基础上,基于熵权法对各指标的权重进行了客观分析,同时引入物元分析理论,有效解决了评价指标之间的模糊性与不相容问题,通过构造水土环境生态安全评价的经典物元与节域物元,分析各指标对应评价等级的关联度,构建了基于PSR模型及物元分析的干旱区人工绿洲水土环境生态安全评判模型,并对1994年、2006年、2018年水土环境生态安全进行了定量化评价。结果表明:研究区1994年、2006年、2018年水土环境生态安全综合评判等级分别为Ⅳ级、Ⅲ级与Ⅱ级,水土环境整体表现出健康化发展,但是随着人类生产活动的发展,一些潜在的风险正在逐步显现,土壤盐渍化进程的加剧对水土资源的威胁是研究区水土环境向良性发展的关键制约因素。研究成果可为干旱区人工绿洲生态系统寻求生产需求与生态保护之间的平衡机制提供理论依据。     

苏州城市化与水资源环境耦合关系时序特征研究

运用耦合协调度模型及评价指标体系,测度了苏州市2006～2015年间城市化与水资源环境耦合协调发展的时序特征。研究结果表明:(1)苏州市城市化综合指数总体呈现出较明显的增长趋势,人口、经济、空间和社会城市化等4项指数为总体升高的趋势,但是空间城市化与社会城市化指数相对而言波动较大;(2)水资源环境综合水平呈现为波动上升的趋势,但是水资源水平、水资源压力和水资源保护指数的波动较大;(3)城市化与水资源环境的耦合关系经历了早期低水平耦合后期高水平耦合的变化过程,二者的协调度也经历了初期协调性弱,而后过渡期磨合,并进入到协调发展的过程;(4) 2006～2008年和2009～2015年分别为城市化滞后于水资源环境发展、水资源环境滞后于城市化发展的两大阶段。目前,城市化与水资源环境已进入到优质协调发展阶段。明晰苏州城市化与水资源环境耦合的合关系,对促进该地区可持续发展具有重要的意义和参考价值。