社会水循环系统演化机制与过程模拟研究——以海河流域为例

海河流域是我国人类活动影响最为集中、各类水问题最为突出、且在全国经济社会发展格局中占有重要战略地位的水资源区。针对当前国内外社会水循环研究严重不足，本项目以海河流域典型地区为例，采用理论完善、知识创新和实证分析相结合的方法，从系统构建社会水循环理论体系入手，分大（流域）、中（城市和农村）、小（灌区、用水单元）三个空间尺度，开展社会水循环的结构、过程、水量水质演变的驱动机制、演变机理与变化规律研究；同时结合社会水循环与自然水循环的耦合机理与互动关系，以及不同尺度的机理与规律研究，开展社会水循环模拟模型研究，探索不同尺度社会水循环的尺度转化机制和社会水循环效率评价方法，丰富完善"自然－社会"二元水循环模式理论方法，推进有中国特色的现代水科学和技术创新体系的发展，同时为研究区节水防污型社会建设和需水管理调控实践提供科技支撑。

自人类社会开发利用水资源以来，耦合于“降水-产流-蒸发-排泄”自然主循环的社会侧枝水循环便开始形成，它以“取-供-用-排”为基本环节。随着经济社会需水和社会水循环通量的增加，社会水循环通量的保障及相应的生态环境外部性问题开始显现，成为当前水资源主要矛盾。本项目在分析“自然-社会”二元水循环认知模式和耦合机制的基础上，对社会水循环系统结构和特征进行了解析，提出社会水循环的二维动力机制是用水需求及对应的“社会势”，后者是一个由区位、经济、政策和技术等多元变量耦合形成的系统参量。提出社会水循环调控的标的是内部的安全性和外部的低影响性，调控的关键环节是取水端、用水过程和排水端，调控的路径是总量控制与定额管理相结合。在对社会水循环通量演化机制进行研究的基础上，对包括径流性水资源和有效降水在内的社会水循环通量及其演化规律进行了评价和分析。在对工业、农业、生活、第三产业和人工生态等行业用水过程分析基础上，深入解析了各行业用水需水基本原理和节水减污的调控机制。研发了流域、行政区域、城市单元等不同尺度社会水循环过程模拟模型，在海河流域的相关单元进行了实证研究，对海河流域、天津市和典型城市单元的社会水循环过程进行了系统模拟，根据模型各自的定位，其中流域和区域社会水循环模拟模型是嵌套于分布式自然水循环的半分布式模拟模型，城市单元社会水循环模拟模型分为两部分，一是城市供水调度模拟模型，力图通过供水过程精细化过程模拟提高水量、水压和水质保证率，并降低供水能耗与水耗；二是城市水文模型与城市排水体系耦合的城市排水调度模拟模型，力图通过城市排水过程的精细化模拟，为城市排水调控提供决策支持，以降低城市雨洪灾害风险。最后基于上述三个尺度社会水循环模拟，提出了相应尺度社会水循环调控的方案和阈值。.本研究意义有三，一是在学科层面首次明确了水文学和水资源学研究对象的差异，即水文学研究的对象是自然水循环，水资源学研究的对象是社会水循环；二是在基础科学层面，初步形成了社会水循环及其调控的基础理论构架，构建了流域、行政区域和城市单元三个尺度社会水循环的模拟模型，是社会水循环基础研究的整体突破；三是在应用层面上，提出的社会水循环及其调控模式为国家最严格水资源管理制度设计提供了科学基础，分行业用水原理广泛应用于节水型社会建设的路径选择中，流域和区域社会水循环调控阈值被国家最严格水资源管理制度考核方案采用。