自然－社会系统水资源评价理论与方法

第1章绪言 1.1研究背景与意义 水资源已经成为影响全球经济与社会可持续发展的关键因素（Vrsmarty et al.，2010；Hoekstra，2014）。其中，水资源短缺问题在中国地区尤为严重，2011年中央一号文件将水安全提升到国家安全的战略高度。2015年，国务院正式发布《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），要求控制用水总量、提高用水效率、科学保护水资源。因此，科学评价自然-社会系统下区域水资源情况，揭示强人类活动下水与社会经济相互作用关系，对于实现水资源高效利用，保障我国粮食安全、经济可持续发展和生态安全具有重要的理论意义与实用价值。 传统水资源评价主要以径流性水资源（蓝水）为研究对象，鲜有研究考虑自然-社会系统下全部有效水量及其利用效率问题（Falkenmark and Rockstrm，2006；贾仰文等，2006；Schyns et al.，2015）。瑞典科学家Falkenmark首次提出了绿水和蓝水的概念：绿水指源于降水、存储于非饱和土壤中并通过植被蒸散消耗的水；而蓝水则是指储存在江、河、湖、湿地及浅层地下水中的水资源（Falkenmark，1997）。蓝绿水概念的提出，将水资源的研究范畴逐渐从传统的蓝水资源拓展到广义的蓝绿水资源（Falkenmark and Rockstrm，2006；Oki and Kanae，2006）。此后，包含蓝水和绿水的广义水资源评价逐渐在学术界得到认可并发展起来（Falkenmark and Rockstrm，2006；程国栋和赵文智，2006；贾仰文等，2006；李小雁，2008；马育军等，2010；徐宗学和左德鹏，2013；Schyns et al.，2015）。 随着社会经济发展，人与水资源相互作用关系也发生了深刻的变化（Nilsson et al.，2005；Oki and Kanae，2006；夏军等，2006；Destouni et al.，2013），人类通过农业种植、经济生产消费、抽取地下及地表水等方式完成对水资源在社会系统中的再分配，水资源也通过蒸腾、蒸发、入渗等诸多生态系统过程参与经济生产。因此，自然-社会系统下的水资源短缺评价正逐步成为当今水文水资源领域研究的重点和热点方向。2013年，国际水文科学协会（International Association of Hydrological Sciences，IAHS）启动了2013～2022年十年水文计划——Panta Rhei，主题是“处于变化中的水文科学与社会系统”。该计划的引领性论文明确指出，目前国际上多数研究由于没有充分考虑水与社会经济系统的相互作用关系，难以成功应用于自然-社会系统下的水资源研究（Montanari et al.，2013）。近年来国内外学者在“自然-社会”二元驱动的水资源理论、方法和应用方面的研究取得了很大的进展（王浩等，2013）。尽管如此，在社会水文学以及水与社会系统相互作用关系等领域的基础研究还非常薄弱（Sivapalan et al.，2012；Montanari et al.，2013；王浩等，2013）。 目前的水资源研究存在如下问题：①大多数水资源研究仍聚焦蓝水却往往忽略了绿水（Falkenmark and Rockstrm，2006；Schyns et al.，2015）。然而，绿水是农业用水的主体，直接影响着全球的粮食安全，并在虚拟水贸易中占据主导地位（Liu，2009）。因此，综合考虑蓝水-绿水的水资源评价是今后水资源研究的关键和热点方向（Falkenmark and Rockstrm，2006；Wagener et al.，2010；Schyns et al.，2015）。②大多数水资源研究仅考虑了实体水通量（尤其是蓝水），对研究区内外的水资源联系，尤其是对通过产品贸易而产生的“虚拟水”通量的研究还非常欠缺（Yang et al.，2013；Zhao et al.，2015）。虚拟水是指生产商品和服务所需要的水资源，是以虚拟的形式包含在产品中看不见的水。在自然-社会系统中，尤其在社会经济系统中，大量的水资源是以虚拟水的形式流动的。虚拟水流动机理研究是“撬动社会水循环研究的一个支点，是真正深入认知社会水循环驱动机制和演变规律的切入点”（龙爱华等，2011）。缓解水资源短缺，保障区域水安全，需要全面考虑蓝绿水和虚拟水，以支撑社会经济可持续发展。 面向国家和区域水安全重大需求，阐明强人类活动背景下蓝绿水的时空分布特征和演变规律，揭示实体水-虚拟水的转化规律和驱动机制，既是发展完善自然-社会系统下水资源评价理论方法的需要，也可为缓解区域水资源短缺，实现水资源高效利用和实施*严格水资源管理提供科学依据。 1.2创新性构思 自然-社会系统下水资源评价是实现水资源高效利用，保障水安全和生态安全的重要理论基础，也是国际水文科学协会十年水文计划——Panta Rhei的重要研究方向。本书立足“强人类活动下水足迹演变规律”和“虚拟水贸易驱动机制”两大关键科学问题，紧密围绕“资源禀赋-开发利用-环境影响-应对策略”这条主线，开展自然-社会系统下水资源评价理论与方法研究，并在我国不同空间尺度进行应用，总体思路如图1-1所示。 “资源禀赋”旨在摸清水资源的“家底”，评价蓝绿水资源的空间分布格局；“开发利用”旨在阐明水足迹和虚拟水贸易时空演变规律与驱动机制，重点回答两个关键科学问题；“环境影响”重点探讨水足迹环境可持续性，并构建水量型缺水和水质型缺水评价理论方法体系，揭示水资源短缺的空间分布格局；“应对策略”是研究的“出口”，探讨产业结构调整的“以水定产”策略以及水资源可持续研究的产生和使用范式转变，阐明水资源短缺应对策略和水资源可持续利用的实现途径，技术路线如图1-2所示。 本书通过构建水-经济-环境耦合模型，丰富和发展了自然-社会系统下的水资源评价理论与方法，从科学层面上回答以上两个科学问题，在应用层面上为应对区域水资源短缺和水资源的可持续利用提供了理论依据和技术支撑。本书所发展的理论与方法不仅适用于案例区，而且同样适用于其他国家和地区。 1.3研究内容 1）蓝绿水资源空间分布格局：研发水与生态系统模拟器(Water And ecosYstem Simulator，WAYS)，结合野外观测和遥感数据，模拟蓝绿水资源禀赋，阐明蓝绿水空间分布格局，从而为水足迹、虚拟水和水资源短缺评价提供数据基础。 2）水足迹时空演变与驱动机制：基于多区域投入产出表，构建自然-社会系统下的水-经济耦合模型，模拟社会经济系统下蓝绿灰水足迹的空间分布格局和历史演变趋势；采用结构分解分析法，厘清不同驱动因素对水足迹的贡献，阐明蓝绿水足迹演变的自然-人文驱动机制。 3）水足迹环境可持续性评价：在蓝绿灰三种类型水足迹时空演变分析基础上，构建环境可持续性分析框架和指标体系，分析水足迹环境可持续性时空分布特征，并阐明水足迹对河流、地下水及水质的影响，以及随着社会经济用水增长所导致的河流环境流“量”和“质”的变化。 4）虚拟水贸易及其驱动机制：结合区域间投入产出（input-output，IO）分析方法，发展水-经济耦合模型，核算各地区各产业部门虚拟水贸易，厘清虚拟水贸易的产业分布特征；识别引起虚拟水贸易的关键部门及其产业链，采用基于比较优势的经济学方法，揭示社会经济系统中虚拟水贸易的驱动机理。 5）水量型与水质型缺水评价：综述国内外近40年水资源短缺的研究进展，在水资源量、水足迹和环境流研究的基础上，构建综合考虑水量、水质和生态的三维水资源短缺评价理论体系，以水量型缺水和水质型缺水为重点，分析两种类型水资源短缺的空间分布格局，探讨水资源短缺的生态环境影响。 6）水资源经济-社会-环境权衡分析：以京津冀为典型区域，构建水-经济-环境耦合模型，设置不同产业结构调整情景，分析水资源刚性约束条件下产业结构调整的经济、社会和环境影响，阐明水资源利用的经济-社会-环境协同和权衡关系，提出京津冀地区应对水资源短缺的“以水定产”策略。 7）水资源可持续利用：提出水资源可持续知识的产生和使用范式转变，从传统的单学科线性“树状”模型转变为跨学科的“网状”模型，以应对水资源短缺问题，实现水资源可持续利用。