流域水资源开发阈值模型及其在黄河流域的应用

流域水资源开发阈值是流域水资源合理利用的基础和流域生态系统健康的保证。随着水资源短缺引起的 问题日益突出, 人们对水资源开发阈值的认识也在不断加深, 从最初的“水资源总量”、“可利用量”和“可供水量” 等, 到考虑生态需水和水质保护的水资源可利用量。本文在这些理念的基础上, 提出一种新的流域水资源开发阈值 及其计算模型, 即考虑水资源量、不可利用的洪水量、被污染水量、生态需水量及重复计算水量, 综合计算流域水资 源开发阈值。黄河流域作为我国水资源严重短缺地区, 水资源开发面临严峻挑战。以黄河流域为例, 运用该阈值模 型对黄河流域水资源开发阈值进行初步计算, 得到开发阈值多年平均约为238 亿m3, 占黄河天然径流量的40%左 右, 符合国际公认的流域水资源开发标准。     

黄河流域水资源未来变化趋势分析

黄河水资源贫乏，气候暖干化将进一步加剧水资源的供需矛盾，分析水资源的变化趋势对其合理开发利用等方面具有重要意义。根据黄河的产流特点和水平衡原理，建立了月水文模型，用来模拟天然水 资源的变化；依据假定的暖干化气候方案和气候模型的输出结果，采用水文模拟途径，分析了黄河上中游主要产流区水资源对气候变化的响应及其变化趋势。     

黄河流域水资源演化模式分析

应用EMD-Hilbert变换方法分析花园口以上降水和天然径流近50年的资料系列。结果表明：黄河流域降水演化模式可由4个内在模函数以及一个单调递减的趋势项表示,而天然径流的演化则由3个基本模态和一个单调递减的趋势组成。黄河流域降水和天然径流的演化模式存在一定的相关关系,但两者之间并非一一对应的关系。从时间上看,不论是内在模函数还是趋势项,相对于降水,天然径流都表现出滞后的特点,一定程度上反映了下垫面调蓄作用对径流演化过程的影响。此外,从降水和天然径流内在模函数的周期可以推测黄河流域的水资源演化可能与大气低频振荡有关。     

西北干旱区水资源转化与开发利用模型

干旱地区的内陆河发源于山区,在山前平原地区受干旱气候、地质地貌结构和岩性的影响,地表水与地下水之间具有大数量转化的特点。根据水量平衡原理,通过对西北干旱区内陆河流域山前平原地区河水、地下水、泉水相互转化机制的研究和分析,建立了模拟与计算相结合,兼有预测性质的水资源转化与开发利用模型。模型概念明确,形式简单,所需资料容易获得。在新疆乌鲁木齐河流域实际应用结果表明,模拟的流域最大可能引水量和水资源净可利用量,都远比现状实际引水量和水资源净利用量小得多,水资源开发利用明显过度,每年超采地下水１．２×１０８ｍ３,与当地水文地质部门计算结果非常一致,效果较好。另外,模型预测结果还表明,对于处在完成地表水与地下水联合开发利用阶段的,类似乌鲁木齐河流域的内陆河流域来说,可用水资源的开发已达到极限,再采用传统的提高地表渠系利用率的方法,已不可能增加流域的可用水资源量。这不仅从理论上解决了,水利和水文地质部门长期以来有关地表水和地下水到底如何开发才算合理的争论;也证实了,这样做的结果不但在经济上得不偿失,而且将破坏流域已建有的地下水开采和供水系统,有可能造成更大的经济、社会和生态损失。     

新疆中小型流域水资源规划与管理模型的研究（一）

本文重点分析了新疆中小型河流属於山区融雪型河流的特征,即在区域上,西多东少,北多南少,平原小於山区;在时间上,夏丰冬枯,春秋平。地下水主要埋藏在山前平原第四系冲洪积含水层中,两大盆地四周广为分布,储水构造大、埋藏浅、水量丰富、水质优良;其时间上是春丰秋枯、冬夏平。据此,采用系统分析理论和方法,建立地表水和地下水系统分配优化模型。并通过模型求解和灵敏度检验,达到了对水资源合理开发和有效利用的目的。     

基于多维调控方案的黄河流域水资源可承载程度评价

在黄河流域多维临界调控模型得到的水资源配置结果的研究基础上,从调控方案所实现的经济效果、社会效果和生态环境效果三个层次建立了评价黄河水资源可承载程度的指标体系,并构造了水资源可承载程度的模糊综合评价模型;最后应用该评价模型对黄河流域2010和2020水平年共27个调控方案进行了水资源可承载程度分析评价,可为黄河流域水资源可持续开发利用提供决策参考。     

基于SD模型的黄河流域生态环境与社会经济发展可持续性模拟

要实现黄河流域生态保护和高质量发展,需解决流域生态环境与社会经济发展的可持续问题。运用系统动力学方法,构建社会、经济、资源与环境4个子系统,设计维持现状、优先发展社会、优先发展经济、优先节约资源、优先保护环境以及协同发展6个情景,在对不同情景进行模拟仿真的基础上,探寻实现黄河流域生态环境与社会经济可持续发展的最优方案。结果表明：在协同发展情景中,黄河流域的社会经济得到较快发展,总人口和国内生产总值（GDP）于2030年将分别增长10.93%和499.05%;资源的使用效率得到提高,单位GDP水耗和能耗于2030将分别下降78.31%和68.16%;污染物的排放量可有效降低,工业化学需氧量（COD）排放量和工业二氧化硫（SO₂）排放量于2030将分别下降80.64%和80.17%。相较于其他情景,协同发展是黄河流域实现生态环境与社会经济可持续发展的最优方案。     

干旱区水资源对城市化约束强度的综合评价模型

Water has become a key restricting factor of the urbanization process in developing arid areas. Based on qualitative and quantitative methods, we constructed an integrated indicator system to assess the status of water resources and urbanization system in arid area, and established an AHP model reformed by entropy technology to evaluate the temporal and spatial variations of water resources constraint intensity on urbanization. This model is applied to the Hexi Corridor, a typical arid area in NW China. Results show that, water resources constraint intensity on urbanization in the Hexi Corridor is bigger in the east and smaller in the west. It has changed from the less strong constraint type into the strong constraint type from 1985 to 2005, yet it decreased appreciably in recent years. At present, most areas in the Hexi Corridor belong to the less strong or strong constraint type. Through rational adjustment of water resources and urbanization system, the Hexi Corridor can still promote water resources sustainable utilization and accelerate the urbanization process. This study suggests that the integrated assessment model of water resources constraint intensity on urbanization is an effective method to analyze the conflicts between water resources and urbanization system in arid area. Foundation: Knowledge Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences, No.KZCX2-YW-307-02; China Postdoctoral Science Foundation; K. C. Wong Education Foundation, Hong Kong Author: Bao Chao (1978–), Ph.D, specialized in urbanization and water sustainable utilization.     

黄河流域水资源利用与经济增长脱钩及影响因素分解

水资源是黄河流域生态保护和高质量发展的最大刚性约束,识别流域水资源利用变化驱动因素具有重要意义。首先从结构视角测度黄河流域水足迹变化,进而基于Tapio脱钩模型与Kaya-LMDI分解模型,解析水足迹与经济增长脱钩状态,并从技术效应、结构效应、规模效应、禀赋效应、城市化效应和人口效应识别水资源利用变化驱动因素。研究发现：(1)黄河流域水足迹总体呈现上升趋势,农业水足迹占比高达85%,用水结构与产业结构倒挂问题突出。(2)黄河流域上下游水资源量与水足迹空间分布不匹配,中下游面临更严重水资源约束。(3)水足迹与经济增长关系主要表现为弱脱钩,但2015—2019年各省区开始向强脱钩转变。(4)规模效应、城市化效应和人口效应对水足迹变化起拉动作用,技术效应、结构效应和禀赋效应对水足迹变化起抑制作用,但仍有提升潜力,各省区影响因素存在一定差异。为此,需要强化水资源利用技术研发与推广,推动农业集约式发展,提升农业用水效率,进一步优化产业结构和新型城镇化建设,缓解水资源约束困境,推动黄河流域经济高质量发展。     

黄河流域水资源利用与经济增长脱钩及影响因素分解

水资源是黄河流域生态保护和高质量发展的最大刚性约束,识别流域水资源利用变化驱动因素具有重要意义。首先从结构视角测度黄河流域水足迹变化,进而基于Tapio脱钩模型与Kaya-LMDI分解模型,解析水足迹与经济增长脱钩状态,并从技术效应、结构效应、规模效应、禀赋效应、城市化效应和人口效应识别水资源利用变化驱动因素。研究发现：(1)黄河流域水足迹总体呈现上升趋势,农业水足迹占比高达85%,用水结构与产业结构倒挂问题突出。(2)黄河流域上下游水资源量与水足迹空间分布不匹配,中下游面临更严重水资源约束。(3)水足迹与经济增长关系主要表现为弱脱钩,但2015—2019年各省区开始向强脱钩转变。(4)规模效应、城市化效应和人口效应对水足迹变化起拉动作用,技术效应、结构效应和禀赋效应对水足迹变化起抑制作用,但仍有提升潜力,各省区影响因素存在一定差异。为此,需要强化水资源利用技术研发与推广,推动农业集约式发展,提升农业用水效率,进一步优化产业结构和新型城镇化建设,缓解水资源约束困境,推动黄河流域经济高质量发展。     

水资源经济政策CGE模型及在北京市的应用

水资源经济政策的研究对于解决突出的水问题具有重要意义,本文采用2002 年北京市投入产出表和有关 的水资源公报等数据,通过单列水行业和废污水行业建立了基于一般均衡理论的水资源经济CGE(Computable General Equilibrium)模型和相应的42×53 多部门水资源投入产出表,利用GEMPACK 软件包,对北京市水资源经济 政策进行了模拟和分析。模拟显示,当水价增加10%时,行业产出和销售量变化呈现不同的特点和变动趋势;当水 量增加10%时,造成行业产出的变化和销售量的变动也值得深虑。该成果可为制定和实施水资源政策提供决策参 考及模拟平台。     

黄河流域城镇土地经济密度多尺度空间格局及影响因素分析

基于2018年多时空高分辨率全球城市边界解译数据,从省域、市级和县区级3个尺度测算黄河流域城镇土地经济密度,并综合应用泰尔指数、空间自相关分析、地理探测器探等方法探讨其空间格局及影响因素。研究结果显示：① 黄河流域城镇土地经济密度总体不高,在县区尺度上68.3%的县区土地经济密度低于平均水平,空间分布总体上呈东高西低的态势,高土地经济密度的县区主要集中在以郑州为中心的中原城市群和山东沿海地区;在市级尺度上,57.5%的城市土地经济密度低于平均值,空间分布上集中在中下游地区,空间分布不均衡,以河南省最为显著。② 黄河流域城镇土地经济密度在地市尺度和县区尺度都表现为显著的空间正相关,其中高值集聚区（HH）集中在中原城市群和山东半岛城市群,低值集聚区（LL）集中在陕、甘、宁等西部地区,低值异质区镶嵌分布在中原城市群和山东半岛城市群周围。不同尺度上的空间集聚区的空间分布范围也表现一定的差异,在县区尺度表现出了局部性和分散性特征。③ 人均GDP、人口规模、地方财政科技教育投入、二三产业劳动力密度、区位质量指数等对黄河流域城镇土地经济密度影响较大。同时在黄河流域上游、中游和下游地区表现一定的差异性,总体来说,资本投入强度、人均GDP和区位质量指数对于上游、中游和下游的城镇土地经济密度都有较高的解释能力。     

可变下渗容量模型及其在黄河流域的应用

陆、气耦合是实现气候变化影响评价的关键,首先介绍了土壤-植物-大气输移方案(surface vegetation atmosplletie transfer schemes,简称SVATS)中具有国际可比性的可变下渗容量模型(Variable Infiltration Capacity,简称VIC模型).将黄河流域划分为432个50 km×50 km正交网格,由108个雨量站1960-1970年的逐日降水量资料插补到各个网格,根据土壤、植被分布资料,确定了各网格的土壤和植被参数,基于15个子流域的水文率定,将水文参数移植到相似区域,进而模拟了黄河流域径流量的空间分布;对典型支流及区间径流量的模拟效果表明,VIC模型具有较好的径流模拟能力,可用于分析、评价环境变化对流域河川径流的影响.     

绿洲发展的水资源总供给与总需求模型

从绿洲发展的主要制约因素———水资源的总供给与总需求出发,建立了绿洲发展水资源的总供给模型、总需求模型以及总供给—总需求模型,并以此来阐述我国西北干旱地区不同绿洲的发展状况以及同一条内陆河流域上、中、下游绿洲所存在的问题。     

复杂流域水资源变化模拟的自适应系统识别单元模型

针对复杂流域水资源变化模拟这一难点问题,基于单元模型思想,依据水量平衡原理,采用水文系统识别方法,提出了自适应系统识别单元模型(ASIU),并在塔里木河流域进行应用检验。该模型方法集单元模型方法、水量平衡模型方法、水文系统识别方法之优点,能实时“自适应”模拟复杂流域水资源系统变化。通过应用实例分析,可以看出该模型方法具有显著的“自适应”、“适用于复杂流域”的优点,可为复杂流域水量调度和水资源管理提供基础模型和数据,具有重要的理论及应用意义。     

基于模糊综合评价模型的中亚水资源开发潜力评估

定量评估水资源开发潜力对掌握区域水资源开发现状、提高水资源利用率具有重要意义。通过选取水资源利用率、灌溉率、地表水控制率、人均占有水量、重复利用率、生活用水定额、供水量模数、生态环境用水率等8个重要指标,借助模糊综合评价模型对中亚五国水资源开发潜力进行定量分析。结果表明:中亚地区整体水资源开发利用处于中级阶段,开发潜力综合评分值为0.502 7,表明开发潜力较大。其中,哈萨克斯坦水资源综合评分值最高,为0.712 4,有很大的开发潜力,但要注意摒弃不合理的水资源利用方式;吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦综合评分值分别为0.591 1、0.488 7,有较大的开发潜力,但应注意由广度开发逐渐向深度开发转变。下游国家土库曼斯坦和乌兹别克斯坦处于开发利用的高级阶段,综合评分值分别为0.352 6、0.315 0,水资源开发潜力较小。今后应注意发展节水型经济,注重水资源综合管理。     

黄河流域经济联系及其网络结构演变研究

黄河流域经济联系的强化及其网络结构的合理化构建,对于黄河流域生态保护与高质量发展国家战略的顺利实施具有重要意义。本文选取2006、2010、2014和2018年4个时间截面,应用修正引力模型测度黄河流域90个地市间的经济联系强度,分析其总体格局的发展演化,并运用社会网络分析法探究其网络结构演变态势。结果表明：①黄河流域经济联系水平显著提升,但地区差异显著,且经济联系强度高值的空间分布相对稳定,逐步形成以三级经济联系串联多个网络高值集聚中心的“东北-西南”轴向分布格局;②黄河流域网络密度总体呈上升态势,东、中、西地区内部及区际经济联系发展较不均衡;③流域内各地市度数中心性整体有所提高,其高值覆盖范围不断向西、向北推进,西部边缘地带则形成连片中心性低值区;④研究时段内,黄河流域内部具有明显的集群现象,但各层级子群内部构成变化较大。     

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。     

水资源约束下的张掖绿洲城镇发展模式初步研究

水资源是绿洲城镇存在和发展的重要约束因子,它影响到绿洲城镇的产业结构、空间格局、规模等级及生态环境。张掖绿洲城镇水资源紧缺,利用结构不合理,经济效益低下。选择合理的绿洲城镇发展模式,可使水资源的持续利用和绿洲城镇的快速发展达到良性循环。本文以提高水资源经济效益和绿洲城镇健康发展为模式选择的约束条件,提出了节水防污型城镇模式、商贸枢纽型城镇模式、特色农业型城镇模式及生态型城镇模式。