城市水土资源耦合网络模拟与优化配置研究

The rapid development of urbanization enlarges the contradiction between the demand and supply of water and land resources gradually. Due to the intertwined relationship between water and land resources, great efforts are need to coordinate the water conservation and intensive use of land resources. This study investigates the nexus effects between water-land resources among different sectors in urban socio-economic network. Using ecological network analysis, the urban water-land nexus network model is constructed to analyze the nexus effects among water and land by quantifying the direct and indirect interactions within sub-systems. It evaluates the efficiency and resilience of water-land utilization from network structure and function perspective. Based on the simulation of water-land nexus mechanism, it detects the key nexus driving factors. The linkage analysis is used to evaluate the linkage effects of water-land nexus driven by the trade activities. It calculates the amplification effect of socio-economic network on resource nexus and identifies the key sectors and critical pathways of water-land nexus network. Multi-dimensional scenarios are conducted with different urban social economic level and resource utilization mode. Finally, the water-land resources coordinative management plan will be outlined based on the network optimization model, under the constraint conditions of the minimum water consumption, the lowest ecological land area and the minimum economic development level.

城市化的快速发展使得水土资源需求与供给之间的矛盾逐渐加大，亟需协同实现水资源保护与土地资源集约利用。本研究分析城市社会经济系统中行业间水-土耦合协同关系，基于生态网络分析构建城市水-土耦合网络模型，量化各部门直接、间接水资源消耗与土地资源利用间的匹配关系，探究各部门水-土直接、间接耦合效应，从结构和功能角度识别水-土资源利用效率与韧性，模拟水-土资源开发利用的耦合机制并揭示关键驱动因子；进而采用关联度分析法，量化贸易驱动下的水-土耦合关联效应，识别社会经济网络对资源耦合的放大效应，揭示水-土资源耦合的关键节点和路径；构建城市社会经济水平与资源利用的多维度情景，考虑最低用水量、最低生态用地面积、最低经济发展水平等约束条件，采用网络优化模型设计城市经济发展与水-土资源综合利用的匹配模式，最终提出城市水-土资源协同优化管理方案。

城市化的快速发展使得水土资源需求与供给之间的矛盾逐渐加大，亟需协同实现水资源保护与土地资源集约利用。研究选取位于我国干旱半干旱区的祁连山黑河流域典型城市作为研究案例，首先模拟量化城市社会经济系统中水循环过程以及土地利用的结构组成，模拟测算实体水、虚拟水资源流转过程；进而基于生态网络分析构建城市水-土耦合网络模型，量化各部门直接、间接水资源消耗与土地资源利用间的匹配关系，探究各部门水-土直接、间接耦合效应，从结构和功能角度识别水-土资源利用鲁棒性；引入由于农业种植活动引起的土壤流失过程，将其纳入区域水-土耦合的考量之中，结合贸易关联度模型，分析黑河流域11个市县的水资源、土地利用、土壤流失间的耦合关联强度，识别水-土资源耦合的关键与脆弱路径；设置多情景分析模型，分析农业生产、能源生产、工业活动以及居民生活过程中水资源与土地资源的开发与利用规模对城市水-土耦合系统的影响，结合网络优化模型，综合调控农业、工业与居民活动的水资源消费过程与土地利用规划；最终为水-土资源协同优化配置提供理论基础，实现城市社会经济生态系统可持续发展。研究成果主要以论文和会议报告形式在国内外发表。本项目已在国内外权威期刊上发表有关此方面的SCI论文7篇，包括Science子刊（Science Advances）、Applied Energy等国际环境管理主流Top期刊。依托该项目，项目负责人获得4项科研奖励，共参与国内外学术会议15次，目前已培养1名硕士研究生，指导2名本科生共3次获获北京市级大学生创新创业训练计划资助。