吳普特,高學(xué)睿,卓 拉,趙西寧,韓昕雪琦,安婷莉,高 潔2,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

自人類(lèi)誕生以來(lái),水資源一直支撐著人類(lèi)文明的發(fā)展,水問(wèn)題也一直伴隨在人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的每一個(gè)階段[1]。人類(lèi)文明的進(jìn)步史也是一部悠久的水利史[2],在一次次人與水的交互和博弈中,治水實(shí)踐與水科學(xué)認(rèn)識(shí)相互融合、螺旋式上升,正是在這一實(shí)踐與認(rèn)知過(guò)程中水文學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。水文學(xué)是研究地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律,并運(yùn)用這些規(guī)律為人類(lèi)服務(wù)的知識(shí)體系[3]。陸地水文學(xué)是目前發(fā)展最迅速、最豐富的水文學(xué)分支學(xué)科,其發(fā)展歷程大致可以分為4個(gè)階段,如圖1所示。

圖1 陸地水文學(xué)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)Fig.1 Developing history and trend of land hydrology

在600多年的發(fā)展歷程中,陸地水文學(xué)先后經(jīng)歷了啟蒙時(shí)期、奠基時(shí)期、理論發(fā)展時(shí)期和新發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)90年代以來(lái),基于水科學(xué)新概念的不斷涌現(xiàn)與認(rèn)知范式的變革,人-水關(guān)系逐漸成為水文學(xué)核心問(wèn)題,標(biāo)志著水文學(xué)進(jìn)入新發(fā)展時(shí)期。

1993年,英國(guó)學(xué)者Allan[4]創(chuàng)造性地提出虛擬水概念,揭示了商品貿(mào)易中的水科學(xué)問(wèn)題。瑞典水文學(xué)家Falkenmark[5]于1995年提出了“藍(lán)水”和“綠水”的概念,拓展了傳統(tǒng)水資源的內(nèi)涵。2002年,荷蘭學(xué)者Hoekstra等[6]提出了水足跡理論,構(gòu)建了自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)系統(tǒng)的水資源取用、轉(zhuǎn)化、消費(fèi)、污染的全過(guò)程評(píng)價(jià)體系,為水資源可持續(xù)利用研究提供了新的抓手。

2006年王浩等[7]提出“二元”水循環(huán)理論,揭示了強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)實(shí)體水資源系統(tǒng)的影響,2012年Sivapalan等[8]提出社會(huì)水文學(xué)概念,強(qiáng)調(diào)人類(lèi)活動(dòng)構(gòu)成了水循環(huán)過(guò)程另一新的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)因素,標(biāo)志著以人-水關(guān)系為主要研究對(duì)象的水文學(xué)正式上升到知識(shí)體系的高度,為理解和預(yù)測(cè)新時(shí)期人-水耦合系統(tǒng)及其協(xié)同進(jìn)化過(guò)程提供了學(xué)科基礎(chǔ)[9]。但“二元”水循環(huán)理論和社會(huì)水文學(xué)均聚焦于“自然-人工”系統(tǒng)中實(shí)體水的“產(chǎn)生-運(yùn)移-利用-轉(zhuǎn)化”過(guò)程,注重從實(shí)體水角度研究人-水系統(tǒng)中的水科學(xué)問(wèn)題,尚未將生產(chǎn)系統(tǒng)和消費(fèi)系統(tǒng)加以區(qū)分。

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快和區(qū)域間貿(mào)易規(guī)模的不斷擴(kuò)大,內(nèi)嵌于商品中的虛擬形態(tài)水資源通量越來(lái)越大,單純考慮實(shí)體水的理論方法似乎并不能完全解決當(dāng)前的水問(wèn)題,現(xiàn)有的以實(shí)體水為主要研究對(duì)象的陸地水文學(xué)學(xué)科體系亦不能完全滿(mǎn)足當(dāng)前的水資源開(kāi)發(fā)利用和可持續(xù)管理需求。虛擬水概念的誕生打破了傳統(tǒng)實(shí)體水安全保障認(rèn)知模式,但基于傳統(tǒng)學(xué)科認(rèn)知的局限性和復(fù)雜系統(tǒng)解析手段的缺陷,目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有完全建立基于實(shí)體水和虛擬水統(tǒng)一認(rèn)知的科學(xué)理論與方法體系。在貿(mào)易全球化背景下,全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的越來(lái)越多的水問(wèn)題迫使人們必須從更廣泛的視角、采用更全面的方法來(lái)應(yīng)對(duì)和調(diào)控。在此過(guò)程中,實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)過(guò)程的解析和模擬將成為現(xiàn)代水資源管理學(xué)科的重要研究任務(wù)。自2016年以來(lái)吳普特等[10-11]先后提出實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)理論基本框架和量化方法,為進(jìn)一步解析實(shí)體水和虛擬水循環(huán)、轉(zhuǎn)化、流動(dòng)作用機(jī)制、建立全過(guò)程量化方法提供了基本思路。上述研究為新時(shí)期水科學(xué)的發(fā)展指明了方向,為自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中水文過(guò)程的認(rèn)識(shí)開(kāi)展了重要的前期探索,催生了新的水文學(xué)分支(過(guò)程水文學(xué))的出現(xiàn)和發(fā)展。

1 過(guò)程水文學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵和主要特征

過(guò)程水文學(xué)是描述陸地上的水以實(shí)體水、虛擬水的形式,在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中循環(huán)轉(zhuǎn)化、耦合流動(dòng)過(guò)程與規(guī)律及其伴生效應(yīng)的一門(mén)交叉學(xué)科,涉及哲學(xué)、水文學(xué)、水資源學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、工程學(xué)、管理學(xué)等多學(xué)科知識(shí),作為陸地水文學(xué)學(xué)科的重要分支,是水科學(xué)知識(shí)體系伴隨人類(lèi)文明和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到新階段取得的新進(jìn)展和新成果。

1.1 過(guò)程水文學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵

過(guò)程水文學(xué)拓展了傳統(tǒng)水科學(xué)的認(rèn)知范疇。在人類(lèi)社會(huì)早期發(fā)展階段,地球上的水在重力和太陽(yáng)能的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)天然水文循環(huán)狀態(tài)[12],無(wú)論是區(qū)域間實(shí)體水調(diào)運(yùn)還是區(qū)域間虛擬水貿(mào)易的強(qiáng)度都極其微弱,實(shí)體水和虛擬水基本上在區(qū)域內(nèi)流動(dòng)運(yùn)移,很難發(fā)生跨區(qū)域的時(shí)空分離,實(shí)體水-虛擬水的耦合流動(dòng)效應(yīng)并不顯著(圖2)。

圖2 水資源的二維屬性發(fā)生時(shí)空分離示意圖Fig.2 Schematic diagram of temporal-spatial separation of two-dimensional properties of water resources

無(wú)論是早期經(jīng)典水文學(xué)還是現(xiàn)代社會(huì)水文學(xué),都聚焦于自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)系統(tǒng)中實(shí)體水的產(chǎn)生-運(yùn)移-利用-轉(zhuǎn)化規(guī)律。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高,特別是21世紀(jì)以來(lái),全球區(qū)域間的聯(lián)系更緊密,跨流域調(diào)水工程和跨區(qū)域商品貿(mào)易促使實(shí)體水和虛擬水在更廣時(shí)空尺度上流動(dòng),從而促使水資源的物理屬性(實(shí)體水)和貿(mào)易屬性(虛擬水)在時(shí)空上發(fā)生了分離,使得實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)效應(yīng)凸顯,水科學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)出新特征。過(guò)程水文學(xué)正是在實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌認(rèn)知和管理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科。

過(guò)程水文學(xué)以水在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中的流動(dòng)路徑與過(guò)程為基礎(chǔ),從以下3個(gè)層次揭示實(shí)體水-虛擬水在復(fù)雜系統(tǒng)中的循環(huán)轉(zhuǎn)化、耦合流動(dòng)和伴生效應(yīng):(a)水在“自然-人工”作用下形成以“降水-廣義水資源-取水-耗用水-退排水”為基本路徑的實(shí)體水循環(huán)特征;(b)水在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過(guò)程中被利用,形成以“實(shí)體水?dāng)z取-實(shí)體水消耗-虛擬水嵌入”的基本路徑;(c)在社會(huì)系統(tǒng)中嵌入產(chǎn)品的虛擬水作為社會(huì)消費(fèi)主要資源隨區(qū)域間商品流通形成“虛擬水流動(dòng)-虛擬水回用”的虛擬水運(yùn)輸路徑。

過(guò)程水文學(xué)的提出和發(fā)展拓寬了水科學(xué)認(rèn)知范疇,對(duì)研究復(fù)雜系統(tǒng)下的水資源利用規(guī)律具有獨(dú)特闡釋力,其研究重點(diǎn)是自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中的實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)過(guò)程與伴生效應(yīng),其研究范圍不僅局限于自然系統(tǒng)的水循環(huán)過(guò)程,而且進(jìn)一步延伸到經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng),研究的廣度進(jìn)一步深化。

1.2 過(guò)程水文學(xué)的主要特征

過(guò)程水文學(xué)堅(jiān)持實(shí)體水和虛擬水并重。傳統(tǒng)水科學(xué)的研究對(duì)象主要聚焦于實(shí)體水?；谏芷诶碚?實(shí)體水的耗散并不是水資源生命周期的結(jié)束[13]。在實(shí)體水耗散的同時(shí),水的價(jià)值內(nèi)嵌于產(chǎn)品中,以虛擬水的形式繼續(xù)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)中流動(dòng),服務(wù)于人類(lèi)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)。因此,在經(jīng)濟(jì)全球化背景下水科學(xué)研究應(yīng)創(chuàng)新傳統(tǒng)的研究范疇,從實(shí)體水和虛擬水2個(gè)維度才有可能完整認(rèn)識(shí)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)的水資源演化和運(yùn)移規(guī)律。過(guò)程水文學(xué)正是基于以上考慮,將傳統(tǒng)水科學(xué)研究對(duì)象進(jìn)行拓展,從實(shí)體水-虛擬水全生命周期新視角認(rèn)識(shí)水資源在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程。過(guò)程水文學(xué)發(fā)展了水科學(xué)理論,拓展了水文水資源的研究范圍,豐富了解決水問(wèn)題的方法與手段。

過(guò)程水文學(xué)堅(jiān)持以過(guò)程的觀點(diǎn)研究水科學(xué)問(wèn)題。過(guò)程水文學(xué)的核心理念來(lái)源于過(guò)程哲學(xué)。過(guò)程哲學(xué)堅(jiān)持以過(guò)程的觀點(diǎn)觀察自然、認(rèn)識(shí)世界,摒棄了舊唯物主義的實(shí)體觀,認(rèn)為宇宙的所有現(xiàn)實(shí)存在都是相互聯(lián)系的,而世界本質(zhì)上是一個(gè)不斷生成的動(dòng)態(tài)過(guò)程[14]。一直以來(lái),無(wú)論是水文預(yù)報(bào)還是水資源管理,主流觀點(diǎn)是通過(guò)概化的經(jīng)驗(yàn)性方法或趨勢(shì)分析對(duì)流域水文要素進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的用水量進(jìn)行預(yù)估,受到數(shù)據(jù)和方法的限制,在對(duì)其復(fù)雜系統(tǒng)的子過(guò)程及其機(jī)理研究方面仍有較大潛力可以挖掘。過(guò)程水文學(xué)將過(guò)程哲學(xué)思想引入水科學(xué)研究領(lǐng)域,堅(jiān)持以過(guò)程的觀點(diǎn),研究實(shí)體水-虛擬水在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)的循環(huán)轉(zhuǎn)化、耦合流動(dòng)規(guī)律,以期提出針對(duì)性調(diào)控方案,解決新時(shí)期出現(xiàn)的復(fù)雜水問(wèn)題。

過(guò)程水文學(xué)堅(jiān)持過(guò)程特征與伴生效應(yīng)統(tǒng)籌考慮。水文水資源過(guò)程及其伴生效應(yīng)是不可分割的有機(jī)整體。過(guò)程水文學(xué)不僅關(guān)注實(shí)體水-虛擬水在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中循環(huán)轉(zhuǎn)化及耦合流動(dòng)的規(guī)律與特征,更關(guān)注這一過(guò)程所形成的伴生效應(yīng),包括資源伴生效應(yīng)、環(huán)境生態(tài)伴生效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)伴生效應(yīng)等。資源伴生效應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)區(qū)域水文過(guò)程的影響,環(huán)境生態(tài)伴生效應(yīng)主要體現(xiàn)在水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀和水文化等方面,經(jīng)濟(jì)社會(huì)伴生效應(yīng)的表現(xiàn)形式是實(shí)體水與虛擬水的時(shí)空協(xié)同互饋演化過(guò)程,這一過(guò)程及其格局不僅與區(qū)域生產(chǎn)力布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局等諸多方面有關(guān),而且對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。過(guò)程水文學(xué)堅(jiān)持過(guò)程特征與伴生效應(yīng)統(tǒng)籌考慮,以期實(shí)現(xiàn)水資源利用在量、質(zhì)、效3個(gè)層面的預(yù)期目標(biāo),進(jìn)而為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 過(guò)程水文學(xué)學(xué)科框架與方法體系

過(guò)程水文學(xué)強(qiáng)調(diào)水的自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)屬性并重,重點(diǎn)研究在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中實(shí)體水與虛擬水轉(zhuǎn)化過(guò)程與機(jī)制、耦合流動(dòng)與伴生效應(yīng)以及水安全保障模式。

2.1 過(guò)程水文學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)

過(guò)程水文學(xué)是哲學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)學(xué)理論等多學(xué)科為基礎(chǔ)。

過(guò)程水文學(xué)基于過(guò)程哲學(xué)觀。過(guò)程哲學(xué)是后現(xiàn)代思想組成部分,承認(rèn)人類(lèi)與自然之間復(fù)雜的相互關(guān)系、承認(rèn)事物之間相互依賴(lài),認(rèn)為每一事物都是關(guān)系中的事物、環(huán)境中的事件[15]。過(guò)程哲學(xué)還原了現(xiàn)代自然系統(tǒng)與人類(lèi)活動(dòng)之間關(guān)系與發(fā)展的本質(zhì),同時(shí)也是生態(tài)學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)[16]。水資源作為生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵要素,過(guò)程哲學(xué)亦應(yīng)是解決水危機(jī)的基本哲學(xué)思想與世界觀。

過(guò)程水文學(xué)屬水文學(xué)分支學(xué)科。水文學(xué)研究地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律[17], 過(guò)程水文學(xué)將水循環(huán)從實(shí)體水維度拓展至實(shí)體水-虛擬水維度,力求通過(guò)解析實(shí)體水-虛擬水在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中循環(huán)轉(zhuǎn)化、耦合流動(dòng)與伴生效應(yīng),實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)調(diào)控與高效可持續(xù)利用的目的。

過(guò)程水文學(xué)是自然科學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)的交叉學(xué)科,其不局限于水文學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉形成的水資源經(jīng)濟(jì)學(xué)科的微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)思維[18],也不局限于生態(tài)學(xué)與社會(huì)學(xué)交叉形成的環(huán)境與自然資源社會(huì)學(xué)的定性主導(dǎo)思維[19],而是在以上已有交叉學(xué)科基礎(chǔ)上,從不同視角在不同時(shí)空尺度將水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與社會(huì)學(xué)同時(shí)交叉,系統(tǒng)地解決相應(yīng)過(guò)程水文學(xué)的科學(xué)問(wèn)題。

2.2 過(guò)程水文學(xué)的主要研究方向

圖3 實(shí)體水-虛擬水“二維三元”耦合流動(dòng)過(guò)程路徑結(jié)構(gòu)示意圖[20]Fig.3 Route and structure of coupled flow of physical water and virtual water

過(guò)程水文學(xué)的核心任務(wù)是進(jìn)一步發(fā)展實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)理論與方法(圖3),實(shí)現(xiàn)實(shí)體水調(diào)度與虛擬水貿(mào)易調(diào)控在水資源管理中的有機(jī)統(tǒng)一,保障自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中的水安全與水資源可持續(xù)利用。過(guò)程水文學(xué)聚焦以下4個(gè)主要研究方向:

a. 實(shí)體水-虛擬水循環(huán)轉(zhuǎn)化機(jī)理。水足跡是實(shí)體水-虛擬水循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程的主要量化指標(biāo)[11]。開(kāi)展多時(shí)空尺度水足跡精準(zhǔn)量化和過(guò)程模擬研究[21],揭示實(shí)體水-虛擬水循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程與機(jī)制是實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理的關(guān)鍵前置性工作。

b. 實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)過(guò)程。實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)格局日趨復(fù)雜,與區(qū)域水安全密切關(guān)聯(lián)。厘清區(qū)域用水單元全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)體水-虛擬水流動(dòng)過(guò)程與機(jī)理,建立通用解析方法,是實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理的重要基礎(chǔ)。

c. 實(shí)體水-虛擬水流動(dòng)伴生效應(yīng)。在解析實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上[22],進(jìn)一步評(píng)價(jià)實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)伴生的資源、環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng),構(gòu)建相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn),是建立區(qū)域?qū)嶓w水-虛擬水統(tǒng)籌配置與優(yōu)化的基本前提。

d. 實(shí)體水-虛擬水協(xié)同管理模式。創(chuàng)新傳統(tǒng)水資源管理方法,提出區(qū)域?qū)嶓w水-虛擬水統(tǒng)籌優(yōu)化協(xié)同管理新方法、形成多時(shí)空尺度綜合水安全保障模式是過(guò)程水文學(xué)理論與方法應(yīng)對(duì)區(qū)域水資源供需矛盾,實(shí)現(xiàn)新時(shí)期水資源可持續(xù)利用的科學(xué)方案[23]。

2.3 過(guò)程水文學(xué)的研究方法

過(guò)程水文學(xué)的方法體系借鑒多學(xué)科典型研究手段,主要包括實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、數(shù)值模擬及優(yōu)化調(diào)控等方法(圖4)。

圖4 過(guò)程水文學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)、研究重點(diǎn)與方法體系Fig.4 Discipline basis, research topics and method system of process hydrology

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。通過(guò)水文觀測(cè)、田間耗水測(cè)量、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等,探求微觀尺度實(shí)體水-虛擬水轉(zhuǎn)化過(guò)程及水資源消耗伴生效應(yīng),是實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)過(guò)程量化機(jī)理的重要研究手段。

數(shù)值模擬。結(jié)合水文模型、地理信息系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)學(xué)模型與社會(huì)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)宏觀多時(shí)空尺度水文過(guò)程定量解析,是實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)量化與伴生效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)[24]。

優(yōu)化調(diào)控?；谟蓪?shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬所解析的實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)對(duì)變化環(huán)境的反饋過(guò)程,形成實(shí)體水-虛擬水協(xié)同調(diào)控方法體系,是實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理的重要方法支撐。

3 過(guò)程水文學(xué)的科學(xué)價(jià)值

在高度市場(chǎng)化和經(jīng)濟(jì)全球化的背景下,單純依靠傳統(tǒng)的實(shí)體水調(diào)控與管理手段并不能完全解決區(qū)域甚至全球水問(wèn)題。實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理的科學(xué)理念雖然已經(jīng)逐漸成為水科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)話題和研究方向,但尚未形成統(tǒng)一的科學(xué)理論和方法體系,即學(xué)科體系,因而也很難為水資源利用管理提供堅(jiān)實(shí)的理論和方法依據(jù)。過(guò)程水文學(xué)拓展了傳統(tǒng)水科學(xué)的認(rèn)知范疇,從實(shí)體水-虛擬水2個(gè)維度拓展了水問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略與途徑,為今后從經(jīng)濟(jì)社會(huì)全產(chǎn)業(yè)鏈視角管理和調(diào)控水資源提供了科學(xué)理論和系統(tǒng)的方法手段,為解決自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中的水問(wèn)題提供了新視角和新理論,可有效應(yīng)對(duì)未來(lái)人類(lèi)面臨的新的水科學(xué)問(wèn)題。

傳統(tǒng)水科學(xué)主要聚焦于實(shí)體水循環(huán)和利用過(guò)程[25-26],過(guò)程水文學(xué)將實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌調(diào)控方法納入現(xiàn)有的水循環(huán)模擬和水資源管理方法體系中,構(gòu)建了“實(shí)體水模擬-虛擬水流動(dòng)-水資源評(píng)價(jià)-實(shí)體水和虛擬水統(tǒng)籌配置”為模式的新的科學(xué)方法框架,豐富了傳統(tǒng)的水資源規(guī)劃與調(diào)度方法體系。

過(guò)程水文學(xué)的核心目標(biāo)是通過(guò)創(chuàng)立和發(fā)展實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理與調(diào)控理論及方法體系,建立區(qū)域水安全保障新模式,目的是通過(guò)實(shí)體水和虛擬水的統(tǒng)籌優(yōu)化和調(diào)控,實(shí)現(xiàn)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水資源的競(jìng)爭(zhēng)性需求和可持續(xù)利用。過(guò)程水文學(xué)框架下,區(qū)域水安全保障模式可以用圖5來(lái)表達(dá)。

圖5 基于實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌的區(qū)域水安全保障模式Fig.5 Regional water security mode based on physical and virtual water coordination

自然系統(tǒng)中的水資源一部分進(jìn)入社會(huì)系統(tǒng),供給生態(tài)環(huán)境用水,另一部分進(jìn)入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)被生產(chǎn)活動(dòng)利用?？盗岬萚27]基于過(guò)程水文學(xué)理論,提出通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)-消費(fèi)結(jié)構(gòu)、合理控制經(jīng)濟(jì)社會(huì)的實(shí)體水消費(fèi)量以及統(tǒng)籌實(shí)體水和虛擬水的全口徑水資源優(yōu)化配置等多種措施,實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用方案,創(chuàng)立基于實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌調(diào)控的水安全保障新模式。

4 結(jié)論與展望

水科學(xué)的發(fā)展與人類(lèi)文明和社會(huì)生產(chǎn)力進(jìn)步息息相關(guān)。伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化,水在自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中循環(huán)、轉(zhuǎn)化、流動(dòng)過(guò)程日趨復(fù)雜。世紀(jì)之交,隨著虛擬水和水足跡概念的產(chǎn)生,水科學(xué)認(rèn)知范疇和知識(shí)體系進(jìn)一步拓展,單純依靠現(xiàn)行實(shí)體水調(diào)控與管理手段并不能完全解決區(qū)域水問(wèn)題。但基于傳統(tǒng)學(xué)科認(rèn)知的局限性和復(fù)雜系統(tǒng)解析手段的缺陷,目前學(xué)術(shù)界尚未建立實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌考慮的水科學(xué)理論與方法體系。

本研究在充分總結(jié)水科學(xué)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,依據(jù)實(shí)體水-虛擬水耦合流動(dòng)理論基本理論框架,指出過(guò)程水文學(xué)是揭示實(shí)體水-虛擬水在復(fù)雜系統(tǒng)中耦合流動(dòng)規(guī)律與伴生效應(yīng)的交叉學(xué)科,明確了過(guò)程水文學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵、主要特征、學(xué)科框架、學(xué)科基礎(chǔ)、方法體系和主要研究方向,初步形成了過(guò)程水文學(xué)的學(xué)科體系。最后,在明晰過(guò)程水文學(xué)科學(xué)價(jià)值的基礎(chǔ)上,認(rèn)為過(guò)程水文學(xué)的發(fā)展有望解決未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)面臨的水科學(xué)問(wèn)題。

伴隨著經(jīng)濟(jì)一體化和貿(mào)易全球化的發(fā)展,水問(wèn)題影響范圍已不再局限于一個(gè)流域或一個(gè)國(guó)家,水資源壓力將伴隨貿(mào)易活動(dòng)跨區(qū)域傳導(dǎo),由此帶來(lái)的水問(wèn)題僅僅依靠傳統(tǒng)的實(shí)體水規(guī)劃、調(diào)配和管理等手段難以有效解決。建立新的水科學(xué)研究范式,拓展傳統(tǒng)水科學(xué)研究?jī)?nèi)涵,構(gòu)建實(shí)體水-虛擬水統(tǒng)籌管理理論與方法體系,是新時(shí)期水科學(xué)領(lǐng)域重要的研究方向和命題。