“供水-发电-环境”相互作用关系的自适应建模与非平衡相变条件

The contradictions between the utilization of runoff from Yellow River and Haihe Basin and environment have come through generation, evolution, activation, degradation and adjustment phases. In order to achieve the sustainable utilization of water resource and clean energy, this study focus on the basic theory of water-power-environment Nexus (WPEN) problem. Taking Ihasa river basin of Yarlung zangbo river as study area, the coupling mechanism, the feedback regulation mechanism and the catalytic mechanism of WPEN are investigated under the condition of cascade reservoirs development, and the water-power-environment (WPE) multi-agent system model (WPE-MAS) is established based on the physical process of coupling carbon-nitrogen-energy-water cycle. Most importantly, the adaptive function of WPEN is derived and the dynamic equations of WPEN are explored. Generally, the achievements of this study will not only illustrate the property of WPEN and fill the gap in the field of theory for coupling WPE, but also provide technical support for planning and management of cascade reservoirs projects.

径流利用与环境之间的矛盾通常经历孕育、发展、激化、退化以及调整与再生六个阶段。为避免西南河流源区径流利用步入后三个阶段，项目围绕强人类活动形成的多阻断巨型水库群系统供水发电与环境相互作用关系问题开展基础理论研究，以雅鲁藏布江的拉萨河流域为研究区域，以梯级开发条件下拉萨河流域供水-发电-环境相互作用关系为研究对象，旨在突破常规供水发电与环境单向耦合或者双向松散耦合的径流利用理论缺陷，分析供水-发电-环境相互作用的耦合机制、反馈调节机制和自催化机制，研究并建立以碳-氮-能量-水耦合循环等自然物理过程为基础，同时考虑多利益相关主体演化博弈的自适应模型（WPE-MAS），构建供水与发电与河库等系统水环境演替之间的自适应映射关系，建立供水-发电-环境互馈关系耦合动力学方程。项目的开展对梯级开发方案制定具有重要的现实意义，对揭示“供水-发电-环境”相互作用机理（NEXUS）具有重要理论价值。

本项目通过历时四年的野外观测、科学探索和技术创新，形成了针对西南河流源区供水-发电-环境互馈系统（WPES）的整体框架与模型体系，它既考虑了碳-水-能量耦合循环自然关联性，又考虑了供用水子系统之间社会关联性。项目开展了WPES的关联性、自适应性、突变性和拉萨河流域供水-发电-环境互馈系统四方面的研究内容，并组织7次野外科考，累计发表第一标注SCI论文41篇，获得国家发明专利授权2项，取得软件著作权3项，培养研究生8名。.主要成果包括以下四个方面：（1）关联性方面，建立了碳-水-能量耦合最优气孔-光合-蒸腾模型，描述了供水-发电-环境互馈系统的自然关联性；构建了供用水社会关联性的生态关系网络和能-水耦合关系CGE-NW模型，描述了供水-发电-环境互馈系统的社会关联性，揭示了能-水关系耦合特征；基于气候模式WRF模型，量化了水电梯级开发对流域局部区域气温和通量的影响。（2）自适应性方面，以自适应理论和二层规划理论为基础，模拟了城市用水自适应机制和家庭用水自适应行为特征以及水库调度多层决策主体之间的领导-服从关系，揭示了传统方法高估需水的内在成因，突破了传统水库调度成果难以应用于实际的调度原则限制；（3）突变性方面，基于能值理论、生态网络理论和投入产出关系，构建了既反映自然-社会二元水循环过程中的各类供用水子系统之间水量平衡关系，又反映社会经济各部门虚拟水利用关系的生态网络，定量分析了供水-发电-环境互馈网络系统指标，评价了互馈关系与水（能）资源利用可持续性，预测了未来情景下的WPES突变性；（4）雅鲁藏布江拉萨河流域互馈系统实例研究方面，基于野外观测与梯级水库修建前后遥感解译，以及对拉萨河中下游流域河流水体、底泥、土壤、土壤退化斑块中生源物质、环境激素、微生物群落的时空变化规律分析，量化了梯级发电对生源物质和微生物的拦截作用与累积效应，发现了直孔水库修建后下游河床粒度沿程恢复特征以及拉萨河辫状河流湿地对于梯级水库修建运行响应具有较短的松弛时间和相似的演变轨迹特征，揭示了拉萨河流域农业灌溉对流域局部气候环境影响的新机制，即青稞等农作物灌溉引起的冷却效应导致了拉萨河流域用水与用电需求的变化，从而解析了流域水电梯级开发与灌区供水对生态环境状况的影响， .本项目各研究目标均己达成，并培养了一批优秀的青年科研人才，多人次发表高水平学术论文。