京津冀区域水循环系统解析

第1章 绪论 1.1 区域概况 1.1.1 自然地理 1. 地理位置 京津冀地区包括北京市、天津市以及河北省，是中国的“首都经济圈”，位于113°E～119°E，36°N～42°37′N。区域总面积为21.8万km2，占全国陆地面积的2.29%。京津冀地区东临渤海，南面华北平原，西倚太行山脉，北靠燕山山脉。地处海河流域，属半湿润半干旱的大陆性季风气候，多年平均气温为12.0 ℃，日照充足，四季分明，降水时空分布不均。西北部和北部地区为山地与高原，地形较高，南部和东部地势较为平坦，整体地形由西北向东南逐渐过渡为平原，地势呈西北高东南低分布。 2. 水资源概况 京津冀地区属于资源型缺水区域，人均水资源量仅为全国平均水平的1/9，是水资源严重短缺地区。由于工农业和城镇化的发展，大量开采地下水，水资源过度开发，京津冀地区的水生态环境长期处于严重超载状态，已造成地下水位下降、生态恶化、漏斗面积不断增加等多种生态环境问题。京津冀地区所处的海河流域是我国七大流域之一，海河水系是华北地区*大的水系，*终注入渤海。 京津冀地区降水年内分布不均，夏季受周边海洋气团影响，降水较多，降水量占全年的70%以上，且多暴雨。夏季降水量年际变化也很大，导致旱涝灾害频发。春季、秋季和冬季降水量较少，且春季、冬季比较干燥。京津冀地区地处我国东部沿海，受东亚季风影响，北部地区由东南向西部方向降水量逐渐减少，张家口地区降水量*少；南部地区降水量向四周递增，邢台、邯郸、衡水等一带少雨；西北部因地势高，夏季湿度减少，邻近沙漠雨水少。由于靠近渤海，受海岸线与夏季来自海上东南季风的影响，燕山以南多雨区雨量充足。 1.1.2 社会经济概况 京津冀位于华北地区，不仅仅是我国的政治文化中心，也是中国经济*发达的地区之一。2018年年末总人口数接近1.13亿人，占该年全国年末总人口数的8.08%。其中城镇人口7424万人，乡村人口3846万人，城镇化率约为65.9%。截至2018年，京津冀地区生产总值达到86 139.89亿元，人均生产总值达10.29万元。京津冀地区是全国主要高新技术和重工业基地，以汽车工业、机械工业、钢铁工业、电子工业为主。北京、天津、河北的人均生产总值差异较大，北京、天津均达到12万元以上，河北仅不到5万元，表明京津冀三地经济发展水平存在一定差距，内部分化严重。北京、天津第三产业增加值占比*高，城镇化水平相对较高，河北是我国的农业大省，**产业仍占据较大比重。然而京津冀地区多年平均水资源量不足全国的0.7%，水资源极其短缺，且用水结构不合理。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 自然水循环研究进展 1. 自然水循环 受太阳辐射和地心引力等影响，水通过土壤蒸发和植物蒸腾、输送、凝结降水、下渗和径流等环节，在各种水体之间进行着连续不断的运动，这种运动过程称为水循环（黄智卿和曾纯，2019），水循环或水汽输送的研究*早可追溯到1894年(尹泽疆，2018)。自然水循环过程主要包括降水、蒸发、入渗、径流、植被截留等。科学分析自然水循环的演变规律，对各个环节的演变规律进行研究，国内外学者在这方面取得了丰硕的成果。Dirmeyer等（2014）计算了降水水汽输送的直线距离，并得到了水汽输送距离500～4000 km的全球分布规律；Almazroui等（2017）说明了在气候变化影响下， 未来降水量将会增加，有更持久的湿润时间，并且能够补给地下水。国内研究的一个侧重点是气候变化对水循环演变规律的影响，赵娜娜等（2019）为探索未来气候变化情景下若尔盖高寒湿地水文过程和水循环演变规律，探讨了2020～2050年不同气候变化情景下若尔盖湿地流域径流变化趋势以及气候变化对湿地径流的影响；王东升等（2019）利用青藏高原东南边缘核心区迪庆地区3个站的蒸发皿蒸发、降水、径流深观测资料，分析了各要素年内、年际变化规律，并探讨了区域蒸发、降水、径流深的相关关系。 2. 水循环模拟 在水循环模拟研究中，水文模型模拟是水循环研究的主要过程。水文模型以整个水循环系统为研究对象，可以模拟流域内时空连续的流域蒸散发等水循环要素（占车生等，2015），主要包括TOPMODEL（Beven and Kirkby，1979；梁国华等，2019）、SHE（Abbott et al.，1986）、VIC（邓鹏和黄鹏年，2018）、SWAT（周铮等，2020）、GSFLOW（Markstrom et al.，2008）等水文模型。基于这些水文模型，国内外水文学者对水循环开展了大量模拟研究，大多集中在模拟水循环要素以及水循环要素演变规律等方面。Wang等（2017）利用VIC模型和14个全球气候模型（GCMs)预测，研究了湘江流域未来几十年的水资源变化趋势，结果表明，湘江流域将会经历21世纪20年代降水减少，30年代降水增加的过程，湘江流域可能会因气候变化而缺水；Huntington等（2018）利用美国本土的空间分布水平衡模型对提出的表征陆地水循环强度的定量框架进行了说明，定义了一种新的水循环强度指标；Githui等（2009）利用SWAT模型模拟了维多利亚湖流域未来气候变化下的径流变化规律，评估了维多利亚湖流域未来潜在的气候变化及其对河流流量的影响，结果表明，该流域降水增加使地表径流呈显著增加趋势。 国内水循环模拟模型已成为一个研究热点，占车生等（2015）对水文模型的蒸散发数据同化研究进行了总结，系统分析了利用当前各种通用水文模型进行蒸散发同化的可行性，并提出了一种基于分布式时变增益模型（DTVGM）的易于操作且具有水循环物理机制的蒸散发同化新方案；丁相毅等（2010）将WEP-L分布式水文模型与全球气候模式耦合，模拟了海河流域历史30年(1961～1990年)和未来30年(2021～2050年)降水、蒸发、径流等主要水循环要素的变化规律，并分析了气候变化对海河流域水资源的影响；骆月珍等（2019）以富春江水库控制流域为研究区域，利用SWAT模型，对富春江水库控制流域进行了逐日径流模拟，探讨了流域2008～2016年径流变化及水量平衡过程。无论是何种模拟类型，分布式水文模型均需将研究区离散成的小空间单元，进而完成了模拟整个研究区的水循环过程（刘欢等，2019）。 1.2.2 二元水循环研究进展 基于人类活动的影响，水循环实际包括自然水循环和社会水循环两部分，二元水循环是两者的耦合，是对自然-人工二元驱动力作用下水循环系统的抽象概括（王喜峰，2016；邹进，2019）。迄今为止，国内学者对二元水循环进行了大量研究，取得了丰硕的成果，主要体现在二元水循环概念与模式、模型的构建与应用以及基于二元水循环的水资源研究与评价几个方面。例如，秦大庸等（2014）构建了流域自然-社会二元水循环理论框架，并以海河流域为研究对象，探讨了典型流域水资源演变规律以及流域二元水循环模式与概念模型；王浩和贾仰文（2016）从水循环的驱动力、演变效应和结构等方面，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-社会二元水循环理论与研究方法。在此基础上，国内学者开展了基于二元模式的水资源研究与评价，陈丽等（2017）利用二元水循环过程，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模型评价该地区的耕地水源涵养功能；邹进等（2014）在二元水循环理论的基础上，提出承载单元的概念，并以此为研究对象，建立了质量能构架下水资源承载力的评价指标体系，综合评价水资源承载力；魏娜等（2015）以二元水循环理论为基础，构建了用水总量与用水效率多重调控机制，通过改进水资源配置模型建立了水源-用户供水优化模型，并以渭河流域为例进行了应用分析。在二元水循环模型研发与应用研究方面，贾仰文等（2010）以具有水循环自然-人工二元特性的海河流域为研究对象，开发了由分布式流域水循环(WEP)模型、多目标决策分析(DAMOS)模型和水资源合理配置(ROWAS)模型这3个模型耦合而成的流域二元水循环模型；贺华翔等（2013）基于二元水循环理论，描述了污染物产生、入河过程机理，对流域分布式水质（WEQ）模型进行了改进；王浩等（2013）根据流域水循环演变自然-社会二元特性，以海河流域为研究对象，建立了流域二元水循环及其伴生过程综合模拟平台，并以此为工具预估了水资源、水生态和水环境的未来演变情势；邵薇薇等（2013）提出了海河流域农田综合二元水循环模式，并研究了海河流域农田水循环的水平衡要素，根据该水循环模式以及水平衡要素的通量研究，提出了调控措施。 国外学者还未提出“二元水循环”相关概念，但对社会水循环以及自然水循环系统与社会水循环系统或人工水循环系统的相互作用以及协同演化问题进行了研究，Lu等（2016）介绍了社会水循环以及自然水循环与社会水循环耦合，探讨了两者的耦合模式和驱动机制，水量和水质的演变过程并构建了社会水循环模型，在此基础上对相关的理论研究进行了回顾，并对未来的研究方向进行了预测；Linton和Budds（2014）提出了水文社会循环的概念，作为理论和分析水-社会关系的一种方式；Viglione等（2014）从社会水文学的角度论述了应当如何对待洪水风险问题，探讨了在洪水风险中社区保持较高风险意识的能力、集体愿意承受风险的态度以及对降低风险措施的信任度。 1.2.3 京津冀水循环研究进展 京津冀地区是我国北方地区*大、发展程度*高的经济核心区，以北京为核心向天津、河北辐射，但京津冀地区的水资源状况不容乐观。国内外对水循环的研究较多，但针对京津冀地区的水循环研究相对较少。国外主要围绕京津冀地区解决水资源短缺以及水资源与其他资源联系等方面进行研究，Li等（2019）通过建立多城市、多目标的优化模型，研究了在水资源约束下京津冀地区的产业结构优化、潜在利益和节水效益；Tian等（2019）建立了三级城市水足迹模型，通过将三级投入产出模型纳入城市群水足迹中，根据行业和地区从其他地区的进出口情况，分析了行业和地区在供水网络中的作用，以重新平衡水资源的使用并减少水的短缺；Zeng等（2019）以京津冀地区为实际案例，发展水资源分配和粮食生产优化，以支持京津冀地区协同发展。 国内学者从京津冀水循环要素、水资源和水环境等角度开展了大量研究，在水循环要素的研究上，李鹏飞等（2015）通过彭曼公式计算了京津冀地区近50年的气温、降水以及潜在蒸散量，深入研究了水循环要素的时空分布特征；在水资源和水环境的研究上，主要研究了京津冀地区的水资源保护与管理（李宝珍和李海桐，2016;赵勇和翟家齐，2017）、水污染的防护与治理（李晨子和王斌，2019；周潮洪和张凯，2019）等，以期解决京津冀地区的水资源短缺和水环境问题。 目前，对于二元水循环的探究，尚没有相关的基础数学表达式，特别是在二元驱动力的描述应用上。由于缺乏数学物理基础公式，二元水循环在应用上会遇到困难，无法定量分析驱动力。因此，需要提出二元水循环社会端的数学表达，寻求社会端驱动的切入点，并结合自然端的太阳辐射及重力驱动，探究水资源的二元循环数学物理基础。二元水循环的演变是对气候变化和人类活动的响应，明确水循环要素及水资源环境、经济、社会与资源属性等演变规律，是提出适合社会经济发展的水资源保护措施的基础。 本书在揭示京津冀强人类活动区水循环全过程演变机理、过程与规律是水资源安全诊断以及提出健康水循环模式与评判标准的基础上，定量分析二元水循环驱动力迫切需要其关键过程的数学表达，为京津冀水资源科学调控和安全保障提供理论依据与技术支撑。 1.3 技术路线 本书在介绍京津冀地区的区域概况、水资源本底条件和区域发展需求的基础上，结合国内外的研究方向和技术进展，对京津冀区域的水循环状况进行了系统解析。具体研究内容如下：