趙 勇，常奐宇，2，李海紅，秦長(zhǎng)海，何 凡，曲軍霖

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.天津師范大學(xué) 京津冀生態(tài)文明發(fā)展研究院，天津 300387)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水規(guī)模的不斷擴(kuò)大和水資源開(kāi)發(fā)利用能力的顯著提升，人類活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)的擾動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)烈，水循環(huán)轉(zhuǎn)化逐漸由自然驅(qū)動(dòng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀?社會(huì)共同驅(qū)動(dòng)，并形成了以水循環(huán)為紐帶的龐大且相互作用關(guān)系復(fù)雜的水系統(tǒng)。

2005年地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟(ESSP)提出“全球水系統(tǒng)計(jì)劃”[1]，該計(jì)劃中對(duì)水系統(tǒng)的定義是：以水循環(huán)為紐帶的人文過(guò)程、物理過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程相互連接與作用的大系統(tǒng)。而人類活動(dòng)則是水、養(yǎng)分和能源循環(huán)、地表演化等相互作用過(guò)程變化的核心驅(qū)動(dòng)力，在人類活動(dòng)影響下，水系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)顯著和快速的變化[2]。由于與人類活動(dòng)關(guān)系密切，水系統(tǒng)相關(guān)研究得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，且出現(xiàn)了許多類似的概念，如人水耦合系統(tǒng)[3]、人與自然耦合系統(tǒng)(CHANS)[4]、社會(huì)水文學(xué)[5]、自然-社會(huì)二元水循環(huán)[6]等，雖然表述方式存在差異，但核心內(nèi)容都是反映了人類活動(dòng)影響下的社會(huì)“取水-給水-用水-排水-污水回用-再生利用”過(guò)程與自然水循環(huán)在時(shí)間和空間上的相互關(guān)系。由于社會(huì)水循環(huán)和自然水循環(huán)是水系統(tǒng)最重要的兩個(gè)部分，早期往往將這兩個(gè)子系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行研究，但隨著對(duì)水系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及人類活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)過(guò)程影響越來(lái)越強(qiáng)烈，社會(huì)水系統(tǒng)和自然水系統(tǒng)的耦合作用越來(lái)越密切，如人類取用水和退排水直接影響河流水量平衡結(jié)果[7]、生態(tài)用水和生產(chǎn)用水沖突[8]等，因此越來(lái)越多的學(xué)者將社會(huì)水循環(huán)和自然水循環(huán)作為一個(gè)耦合的水系統(tǒng)進(jìn)行研究。如自然-社會(huì)二元水循環(huán)理論[9]，通過(guò)“實(shí)測(cè)-分離-耦合-建模-調(diào)控”學(xué)科范式實(shí)現(xiàn)自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)過(guò)程耦合模擬，并在海河流域[10-11]、黃河流域[12-13]、遼河流域[14]、新疆綠洲區(qū)[15]等人類影響劇烈的流域或區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用；而社會(huì)水文學(xué)概念[5]，則側(cè)重于研究人水耦合系統(tǒng)演變規(guī)律和互饋機(jī)制，在澳大利亞[16]、美國(guó)[17]、中國(guó)[18-19]、瀾湄流域[20]等地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用；國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)10年科學(xué)計(jì)劃(2013—2022年)提出“萬(wàn)物皆流”(Panta Rhei-Everything Flows)為研究計(jì)劃的主題[21]；左其亭[22]提出人水系統(tǒng)、人水關(guān)系等概念，加深了對(duì)水系統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，為了定量分析研究水系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了許多相關(guān)模型，如以自然水循環(huán)過(guò)程為基礎(chǔ)，通過(guò)耦合人類活動(dòng)進(jìn)行水系統(tǒng)分析，包括在SWAT模型中加入人類活動(dòng)影響模塊[23]、嵌合水資源配置模塊[24]，在WEAP模型中增加自然水循環(huán)過(guò)程[25]，直接開(kāi)發(fā)自然-社會(huì)二元水循環(huán)模擬模型(NADUWA3E[26]、WAS[7]、WACM[27])、長(zhǎng)江模擬器[28]等，此外，還有通過(guò)社會(huì)學(xué)理念方法進(jìn)行研究，如采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[29]、主體模型[30]、水經(jīng)濟(jì)模型[31]等。

上述研究大多聚焦于人工取用水對(duì)自然水循環(huán)過(guò)程的影響，而水系統(tǒng)往往伴隨有生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等要素演進(jìn)機(jī)制和狀態(tài)特征。特別是在水資源短缺地區(qū)，水系統(tǒng)將面臨多方面的問(wèn)題，如在黃河流域和海河流域，由于水土資源不匹配[32]，該地區(qū)生活、生產(chǎn)以及生態(tài)需水往往受限或受阻[33-36]，而不同用水部門間也呈現(xiàn)相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[37-38]；與此同時(shí)，缺水地區(qū)往往依賴超采地下水、超量使用地表水來(lái)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，但由此引發(fā)的地下水位下降、地面沉降、河道斷流等都將加劇生態(tài)問(wèn)題，并伴隨濕地退化、水生生物減少等生態(tài)健康破壞等現(xiàn)象[39-42]，此外受水體污染帶來(lái)的水質(zhì)型缺水也進(jìn)一步惡化了缺水地區(qū)的供水安全[43]；因此在供水短缺和生態(tài)破壞等多重因素影響下，隨著人(經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng))、水(自然水系統(tǒng))、生態(tài)(生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng))深度耦合，缺水地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康將受到嚴(yán)重的缺水脅迫影響。本文以京津冀地區(qū)作為典型的缺水脅迫區(qū)研究案例，解析缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)耦合和競(jìng)爭(zhēng)特征，診斷水系統(tǒng)健康狀態(tài)及其演變成因，探討水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式和目標(biāo)路徑，以期構(gòu)建缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控理論模式，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)人-水-生態(tài)和諧可持續(xù)發(fā)展。

2 缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)內(nèi)涵與特點(diǎn)

2.1 水系統(tǒng)內(nèi)涵解析水系統(tǒng)是以水循環(huán)為紐帶由自然水系統(tǒng)與社會(huì)水系統(tǒng)共同構(gòu)成的人-水-生態(tài)耦合系統(tǒng)，在水系統(tǒng)內(nèi)部，生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、自然水循環(huán)、社會(huì)水循環(huán)四大子系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的多維交互效應(yīng)和正負(fù)互饋機(jī)制；在水系統(tǒng)外部，受到人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響。水系統(tǒng)內(nèi)涵框架如圖1所示。圖中，自然水系統(tǒng)由自然水循環(huán)及其伴生的生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成。生態(tài)環(huán)境包含生態(tài)系統(tǒng)中的生物部分，也包含非生物物質(zhì)。其中生物部分包括生物的形態(tài)、生理和分布等，穩(wěn)定性、活力、可恢復(fù)性是表征自然水系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)；非生物物質(zhì)則以水循環(huán)為紐帶，隨著水的循環(huán)轉(zhuǎn)化在空間上重新分配。社會(huì)水系統(tǒng)由社會(huì)水循環(huán)及其驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)構(gòu)成。社會(huì)水循環(huán)是指水分在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)中調(diào)蓄、輸配、用耗、排放、回用等過(guò)程，是為實(shí)現(xiàn)水的特定經(jīng)濟(jì)社會(huì)服務(wù)功能的賦存、運(yùn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程。經(jīng)濟(jì)社會(huì)是社會(huì)水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)因素，直接影響到自然水系統(tǒng)與社會(huì)水系統(tǒng)的相互關(guān)系，以至演進(jìn)過(guò)程與規(guī)律。

圖1 水系統(tǒng)內(nèi)涵框架

水系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間存在著相互耦合、相互競(jìng)爭(zhēng)、相互制約的關(guān)系。通過(guò)水資源“取用”和“退排”過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自然水系統(tǒng)和社會(huì)水系統(tǒng)相互耦合；生態(tài)環(huán)境的維護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展都需要水資源支撐，經(jīng)濟(jì)社會(huì)內(nèi)部不同行業(yè)和區(qū)域也有各自水資源需求，存在相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系；自然水循環(huán)過(guò)程為生態(tài)環(huán)境提供物質(zhì)支撐，而社會(huì)水循環(huán)受經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)，直接影響著自然水循環(huán)過(guò)程，過(guò)度“取用”和“退排”水資源也會(huì)破壞自然水循環(huán)過(guò)程，影響自然水循環(huán)服務(wù)功能，從而形成相互制約的關(guān)系。

2.2 缺水脅迫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維持生態(tài)健康離不開(kāi)水資源的支撐，隨著社會(huì)水系統(tǒng)通量不斷增大，如果接近甚至超過(guò)自然水系統(tǒng)的更新能力和承載范圍，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境健康造成負(fù)面影響，相比于一般缺水地區(qū)，缺水脅迫區(qū)因水資源嚴(yán)重透支帶來(lái)水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)受損等問(wèn)題，進(jìn)而抑制以水為支撐的經(jīng)濟(jì)社會(huì)正常發(fā)展，呈現(xiàn)顯著的缺水脅迫現(xiàn)象。缺水脅迫的根本原因是外界條件變化改變了原有的水循環(huán)過(guò)程，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)社會(huì)或生態(tài)環(huán)境水資源供應(yīng)不足，造成水資源各項(xiàng)服務(wù)功能發(fā)生退化或受到損害。引起缺水脅迫的原因可分為自然因素和人類活動(dòng)因素，自然因素主要是由于自然條件變化使得水資源服務(wù)功能下降，主要包括氣候變化、枯水和自然災(zāi)害等；人類活動(dòng)因素則是由于人類活動(dòng)導(dǎo)致水資源供給能力下降，主要包括人類活動(dòng)導(dǎo)致的水資源衰減、經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源需求、水資源開(kāi)發(fā)利用能力、節(jié)水技術(shù)水平、污染物排放強(qiáng)度和引調(diào)水能力變化等。

京津冀是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最具活力、開(kāi)放程度最高、創(chuàng)新能力最強(qiáng)、吸納人口最多的地區(qū)之一，也是典型的缺水脅迫區(qū)，以不到全國(guó)1%的水資源，承載了全國(guó)8%的人口、8.2%的灌溉面積和8.5%的經(jīng)濟(jì)量[44]。由于長(zhǎng)期受缺水脅迫，京津冀已經(jīng)成為我國(guó)乃至全世界人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)擾動(dòng)最強(qiáng)烈、水資源承載壓力最大、水生態(tài)系統(tǒng)受損程度最嚴(yán)重的地區(qū)，也是全國(guó)地下水超采問(wèn)題最為嚴(yán)重的地區(qū)，導(dǎo)致了地面沉降、海水入侵等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[35]。強(qiáng)人類活動(dòng)影響下開(kāi)展水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控與水網(wǎng)工程布局既是支撐京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展的重大現(xiàn)實(shí)需求，也可為其他缺水地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展提供路徑選擇和政策借鑒。

2.3 缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)特點(diǎn)在自然和社會(huì)雙重作用下，缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)呈現(xiàn)深度耦合、強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)和系統(tǒng)失衡三大現(xiàn)象。(1)深度耦合，反映了缺水脅迫區(qū)各子系統(tǒng)之間的深度聯(lián)系。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水的依賴性增強(qiáng)，自然水系統(tǒng)與社會(huì)水系統(tǒng)交互通量越來(lái)越大，存在頻繁且緊密的物質(zhì)信息交換，大部分自然水循環(huán)通量被引入到社會(huì)水系統(tǒng)，河湖水系水量主要來(lái)自于社會(huì)水系統(tǒng)排水過(guò)程。核心判別指標(biāo)是高水資源開(kāi)發(fā)利用率，例如京津冀地區(qū)，本底水資源有限，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求規(guī)模大，水資源開(kāi)發(fā)利用率甚至超過(guò)100%[34]。(2)強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)，反映了缺水脅迫區(qū)用水的主要矛盾。由于水資源有限，社會(huì)水系統(tǒng)內(nèi)部各區(qū)域和各行業(yè)之間存在強(qiáng)烈用水競(jìng)爭(zhēng)，例如北京市密云水庫(kù)，興建之初供京津冀兩市一省經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，1982年起，由于北京市用水緊張，停止向天津、河北供水，僅供北京城市生活、工業(yè)用水。對(duì)于缺水脅迫區(qū)，用水競(jìng)爭(zhēng)不僅僅體現(xiàn)在社會(huì)水系統(tǒng)內(nèi)部，還體現(xiàn)在自然與社會(huì)水系統(tǒng)之間的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)超采地下水、擠占河湖生態(tài)用水，增加社會(huì)水系統(tǒng)通量，以滿足生存和發(fā)展的需要。(3)系統(tǒng)失衡，反映了深度耦合和強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)序調(diào)控結(jié)果，表現(xiàn)在水循環(huán)失衡、供需失衡和生態(tài)失衡三個(gè)方面。水循環(huán)失衡主要體現(xiàn)在自然水系統(tǒng)水文過(guò)程紊亂，主要表征有：一是強(qiáng)人類活動(dòng)改變了下墊面條件，影響降水產(chǎn)流過(guò)程，導(dǎo)致降水產(chǎn)流能力降低。二是大量水庫(kù)、閘壩等水利工程建設(shè)，阻礙河道匯流過(guò)程，顯著降低了河流的縱向連通性，導(dǎo)致河網(wǎng)的片段化和破碎化，甚至斷流干涸。三是地下水持續(xù)超采導(dǎo)致地下水位大幅度下降，包氣帶厚度顯著增加，使得地下水與河流的縱向聯(lián)系喪失，并大大延長(zhǎng)了降水入滲補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給路徑和時(shí)間，減少了降水入滲補(bǔ)給量。四是地下水位大幅度下降，形成了地下水降落漏斗，造成了地下水流場(chǎng)紊亂，導(dǎo)致原本沿地形從上游流向下游的地下水，形成了圍繞局地開(kāi)采漏斗的匯流過(guò)程[39]。

供需失衡主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)受到缺水脅迫。由于水利工程能力顯著增強(qiáng)，破壞性缺水問(wèn)題得到大幅度緩解，但是隱形的發(fā)展約束型缺水突出，集中表現(xiàn)在城市人口、灌溉面積、產(chǎn)業(yè)選擇與布局等受到影響。例如北京市從2006年開(kāi)始，利用5年時(shí)間將年用水量高達(dá)5000多萬(wàn)m3的首鋼搬遷至唐山市沿海地區(qū)，以緩解北京市緊張的用水形勢(shì)。河北省近些年農(nóng)業(yè)播種面積持續(xù)縮減，2019年較2000年減少了10%。這些都是為了適應(yīng)供需失衡采取的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整措施。

生態(tài)失衡主要體現(xiàn)在自然水系統(tǒng)嚴(yán)重受損。由于自然水系統(tǒng)通量大幅度降低，導(dǎo)致自然河湖面積萎縮嚴(yán)重，水生生物生境遭到破壞，河流流量、流速顯著下降，水體自凈能力降低，而社會(huì)水系統(tǒng)排放量增加也會(huì)導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降。南水北調(diào)中線工程大規(guī)模通水前，京津冀地區(qū)55條主要河流中，年均斷流166天，斷流河段長(zhǎng)度占39%；白洋淀、衡水湖、七里海、北大港、南大港、團(tuán)泊洼等主要湖泊面積較1950年代減少了70%，河湖生物棲息地大量喪失；入海水量?jī)H為1960年代的1/3，河口地區(qū)生物多樣性銳減；地下水累計(jì)超采超過(guò)1500億m3[45]。

3 缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)模式與特征

3.1 水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)模式缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)存在非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)之間交替演進(jìn)的規(guī)律。水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)是指水系統(tǒng)在組成、結(jié)構(gòu)和功能上處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)，自然水系統(tǒng)處于健康狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)得以平穩(wěn)和可持續(xù)發(fā)展。與穩(wěn)態(tài)相對(duì)的，則是非穩(wěn)態(tài)，是指由于自身內(nèi)部要素的變化或者受到外部的擾動(dòng)影響，在強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)和深度耦合作用下，水系統(tǒng)在組成、結(jié)構(gòu)和功能上呈現(xiàn)失衡或者非健康的狀態(tài)，自然水系統(tǒng)受到損害，經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展用水需求無(wú)法得到有效保障，發(fā)生系統(tǒng)失衡現(xiàn)象。

多穩(wěn)態(tài)則是指特定條件下，水系統(tǒng)在不同階段可能出現(xiàn)多種組成、結(jié)構(gòu)和功能完全不同的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著外因與內(nèi)在條件的變化，水系統(tǒng)呈現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)特征，即穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)演變轉(zhuǎn)換發(fā)生，并伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)從低階向高階的發(fā)展。缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)過(guò)程如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)分別反映了自然水循環(huán)通量和社會(huì)水循環(huán)通量的變化情況，假定水系統(tǒng)初始處于穩(wěn)態(tài)A點(diǎn)，則整個(gè)水系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)-非穩(wěn)態(tài)-穩(wěn)態(tài)交替演進(jìn)的過(guò)程。

圖2 缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)過(guò)程

(1)穩(wěn)態(tài)下降過(guò)程(曲線ABC)。在水系統(tǒng)未受到資源約束情景下，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，社會(huì)水循環(huán)通量逐漸增加，自然和社會(huì)水循環(huán)耦合不斷增強(qiáng)，自然水循環(huán)通量逐漸被擠占，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)開(kāi)始下降(A′B′C′)，但仍處于生態(tài)系統(tǒng)健康紅線范圍之內(nèi)，即此時(shí)可以維持河湖生態(tài)水量和健康地下水位。當(dāng)社會(huì)水循環(huán)通量達(dá)到本地資源承載紅線約束時(shí)(C、C′點(diǎn))，即經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量達(dá)到本地水資源承載能力時(shí)，水系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)臨界點(diǎn)。

(2)失穩(wěn)破壞過(guò)程(曲線CD)。在水系統(tǒng)進(jìn)入臨界點(diǎn)C點(diǎn)后，受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模擴(kuò)大影響，社會(huì)水循環(huán)通量進(jìn)一步增長(zhǎng)，逐漸超出本地資源承載能力，將出現(xiàn)社會(huì)供需失衡，生態(tài)系統(tǒng)的健康也將會(huì)遭受破壞，出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)失衡，如圖中橙色區(qū)域所示，整個(gè)水系統(tǒng)呈現(xiàn)失穩(wěn)破壞狀態(tài)。而地下水位下降等生態(tài)系統(tǒng)失衡問(wèn)題在長(zhǎng)期作用下會(huì)引發(fā)地面沉降等難以逆轉(zhuǎn)的破壞，最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康紅線產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞變化。

(3)失穩(wěn)恢復(fù)過(guò)程(曲線DJ/DEG/DFH)。水系統(tǒng)失穩(wěn)后，為了恢復(fù)水系統(tǒng)健康，不得不采取需求側(cè)和供給側(cè)聯(lián)合調(diào)控措施，控制用水需求，降低本地供水量(包括本地地表水、地下水以及過(guò)境水)，并通過(guò)引入外調(diào)水、擴(kuò)大非常規(guī)水利用增加資源承載能力。其中經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水總量變化如曲線DJ所示，實(shí)體水(外調(diào)水、非常規(guī)水和本地水之和)供水量變化如曲線DEG所示，本地供水量變化如曲線DFH所示?？梢钥闯?，在D點(diǎn)以后，通過(guò)虛擬水戰(zhàn)略，降低實(shí)體水開(kāi)發(fā)利用量；通過(guò)外調(diào)水提升水資源承載能力，保障生態(tài)健康需水量，降低地表、地下等本地供水量。通過(guò)需求側(cè)-供給側(cè)聯(lián)合調(diào)控可以使社會(huì)水循環(huán)通量控制在資源承載紅線之內(nèi)，對(duì)應(yīng)EG/FH過(guò)程，使生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到健康狀態(tài)，并最終在G/H點(diǎn)恢復(fù)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。

(4)新穩(wěn)態(tài)過(guò)程(曲線GI/HK)。隨著降低社會(huì)水循環(huán)通量和改善生態(tài)系統(tǒng)，使之分別處于資源承載紅線和生態(tài)健康紅線之內(nèi)，水系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)恢復(fù)的過(guò)程，進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。

3.2 水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)特征缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)發(fā)展演進(jìn)過(guò)程具有漸變性、突變性和破壞性三方面特征。(1)具有韌性特征，是個(gè)漸變過(guò)程。水系統(tǒng)具有一定的韌性(恢復(fù)力)，當(dāng)受到輕微擾動(dòng)時(shí)，水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)。但是當(dāng)水系統(tǒng)向失衡過(guò)渡時(shí)，由于遲滯效應(yīng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水系統(tǒng)平衡破壞往往缺乏及時(shí)反饋?zhàn)饔?，水系統(tǒng)的演進(jìn)和失衡是逐步緩慢發(fā)生的，影響程度和破壞深度也是逐步發(fā)展?jié)u變的過(guò)程，不是一蹴而就。(2)具有臨界特征，存在突變過(guò)程。水系統(tǒng)狀態(tài)由平衡到失衡存在突變臨界點(diǎn)，一旦突破臨界點(diǎn)，水系統(tǒng)狀態(tài)就發(fā)生了質(zhì)的改變，水資源短缺、水生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題將集中爆發(fā)，導(dǎo)致河道斷流、湖泊干涸、水環(huán)境污染等失衡問(wèn)題。例如經(jīng)濟(jì)社會(huì)水系統(tǒng)通量逐漸增加，河湖生態(tài)用水逐漸減小，當(dāng)減小到最小生態(tài)需水時(shí)，就會(huì)帶來(lái)突變性影響，嚴(yán)重破壞河湖生態(tài)環(huán)境。同樣，地下水持續(xù)開(kāi)采導(dǎo)致地下水位下降，當(dāng)下降到地下水最大補(bǔ)給能力水位以后，地下水資源補(bǔ)給通量也將顯著衰減。(3)具有破壞性，存在無(wú)法恢復(fù)的不可逆過(guò)程。部分水系統(tǒng)失衡產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題可通過(guò)后期治理得到修復(fù)，如地下水位下降、河湖斷流、地表水環(huán)境污染等，但是諸如地下水開(kāi)采導(dǎo)致的地面沉降等問(wèn)題，則是難以逆轉(zhuǎn)的或者需要長(zhǎng)期治理才能得到緩解，呈現(xiàn)不可逆性。因此需要堅(jiān)決遏制不可逆的系統(tǒng)演變，逐步修復(fù)可逆的演變過(guò)程。

3.3 京津冀水系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程評(píng)價(jià)為定量解析缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)過(guò)程，研究以京津冀為典型區(qū)，分別構(gòu)建自然水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)和社會(huì)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)來(lái)綜合評(píng)估水系統(tǒng)狀態(tài)，水系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。研究時(shí)段為1956—2020年，相關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)和水資源數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、京津冀三省市統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)、《海河流域水資源及其開(kāi)發(fā)利用調(diào)查評(píng)價(jià)》[46]等，考慮京津冀三省市在面積上的差異，為了方便不同地區(qū)的對(duì)比，因此對(duì)于水資源量等資源型指標(biāo)采用單元面積的資源量進(jìn)行計(jì)算，表中健康等級(jí)閾值上下限值根據(jù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)長(zhǎng)系列的最大值和最小值取整設(shè)置。

表1 水系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

自然、社會(huì)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)是由單項(xiàng)指標(biāo)健康分值、指標(biāo)權(quán)重共同決定，如式(1)?？紤]自然水系統(tǒng)和社會(huì)水系統(tǒng)同等重要，因此對(duì)于整個(gè)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)采用二者的平均值計(jì)算。

(1)

式中：Hj為區(qū)域水系統(tǒng)第j項(xiàng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)，處于[0，10]之間，參照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即可確定水系統(tǒng)健康等級(jí)狀態(tài)；Pij為指標(biāo)i第j項(xiàng)計(jì)算分值；Wi為指標(biāo)i權(quán)重值，通過(guò)層次分析法確定。

Pij的評(píng)估分為兩種屬性，健康等級(jí)隨著指標(biāo)特征值增大而增大的稱為正向指標(biāo)(+)，比如單位面積水資源量，其得分計(jì)算如式(2)所示；健康等級(jí)隨著指標(biāo)特征值增大而減小的稱為負(fù)向指標(biāo)(-)，如地下水埋深，其得分計(jì)算如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：Xij為指標(biāo)i第j項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)值；Skup為Xij在健康等級(jí)s下的上限值；Sklow為Xij在健康等級(jí)s下的下限值；Kup為健康等級(jí)s的上限值；Klow為健康等級(jí)s的下限值。

研究以北京市、天津市、河北省行政區(qū)為單元，評(píng)估了1956—2020年京津冀水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)的時(shí)間演化特征，結(jié)果如圖3所示。可以看出，1956—2020年京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)一直處于穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)(圖3(c))，對(duì)應(yīng)自然水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)則處于迅速下降和緩慢回升狀態(tài)，在2000年代達(dá)到最低后開(kāi)始逐步回升，與此同時(shí)，社會(huì)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)經(jīng)歷約20年下降后，在1980年代開(kāi)始進(jìn)入上升狀態(tài)，并且在2000年以后加速增長(zhǎng)。從整個(gè)水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)來(lái)看(圖3(b))，京津冀地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)面臨缺水脅迫與強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)，穩(wěn)態(tài)指數(shù)從1956年開(kāi)始一直呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，表明水系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)下降和失穩(wěn)破壞過(guò)程，并在1990年代和2000年代之間達(dá)到最低，水系統(tǒng)持續(xù)處于失衡狀態(tài)。為了改變水系統(tǒng)失衡狀態(tài)，近20年來(lái)，京津冀地區(qū)實(shí)施了一系列重要的水資源管理和調(diào)整措施，如大幅度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少水資源密集型產(chǎn)業(yè)，降低了對(duì)水資源的過(guò)度需求；推動(dòng)各行業(yè)深度節(jié)水，通過(guò)引入先進(jìn)的水資源管理技術(shù)和節(jié)水措施，有效提高了用水效率；實(shí)施京津冀功能區(qū)化規(guī)劃，規(guī)劃不同區(qū)域的功能，如對(duì)生態(tài)環(huán)境敏感的區(qū)域采取更加嚴(yán)格的水資源保護(hù)和利用措施；以及強(qiáng)化外調(diào)水與非常規(guī)水利用，顯著增加了京津冀地區(qū)的水資源供應(yīng)。通過(guò)這一系列措施，京津冀穩(wěn)態(tài)指數(shù)開(kāi)始呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，水系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入失穩(wěn)恢復(fù)過(guò)程，特別是2014年南水北調(diào)中線一期工程通水后，為京津冀提供了大量的水資源，為水系統(tǒng)狀態(tài)向好發(fā)展提供了有力支撐。但從整體來(lái)看，京津冀地區(qū)水系統(tǒng)仍未達(dá)到健康水平，其中北京市、天津市水系統(tǒng)改善幅度明顯優(yōu)于河北省。

圖3 京津冀水系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果

4 缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式與措施

4.1 調(diào)控目標(biāo)：自然社會(huì)水系統(tǒng)健康京津冀地區(qū)在1956—2020年水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)快速下降和緩慢回升的變化，主要是受到生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求激增等因素影響，因此對(duì)于京津冀地區(qū)，自然社會(huì)水系統(tǒng)健康核心是實(shí)現(xiàn)三大目標(biāo)，維持河湖生態(tài)水量、恢復(fù)健康地下水位和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)合理用水需求，通過(guò)修復(fù)自然水循環(huán)健康和基本服務(wù)功能，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

(1)自然水系統(tǒng)健康。自然水系統(tǒng)具有資源、生態(tài)和環(huán)境功能。對(duì)于京津冀地區(qū)，自然水系統(tǒng)健康的核心表征指標(biāo)是維持河湖生態(tài)水量和健康地下水位。①河湖生態(tài)水量是保護(hù)河湖生物多樣性、維持河湖生態(tài)健康的客觀需要，是維系生態(tài)系統(tǒng)平衡的基本需水量。生態(tài)水量主要取決于河湖生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境保護(hù)要求兩方面因素，考慮京津冀區(qū)域特征和河湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求，設(shè)定層次化生態(tài)需水目標(biāo)和生態(tài)耗水率指標(biāo)，根據(jù)“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“京津冀水資源安全保障技術(shù)研發(fā)集成與示范應(yīng)用”研究成果[45]，在多年平均地表水資源量情況下，最小生態(tài)需水為河湖不斷流，生態(tài)耗水率為40%；適宜生態(tài)需水對(duì)應(yīng)的生態(tài)耗水率為50%；理想生態(tài)需水對(duì)應(yīng)的生態(tài)耗水率為60%。②健康地下水位是指維護(hù)地下水服務(wù)功能的水位，具體是由一系列不同功能地下水位目標(biāo)構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)水位。在京津冀地區(qū)應(yīng)用評(píng)價(jià)中，根據(jù)地下水位波動(dòng)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，考慮健康地下水位維持地表水體健康補(bǔ)給、植被健康、遏制海水入侵、控制鹽漬化、城鎮(zhèn)建筑物安全、地下含水層調(diào)蓄和地下水最大補(bǔ)給等七類功能，按照空間分區(qū)、功能分類、水位分限、管控分段的思路確定健康淺層地下水位，京津冀健康地下水位上限平均埋深為4.5 m，健康地下水位下限平均埋深為6.5 m[47]，存在顯著的空間差異性。

(2)社會(huì)水系統(tǒng)健康。健康的社會(huì)水系統(tǒng)是指能夠滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的合理用水需求，包括提供穩(wěn)定的供水能力、可靠的調(diào)控能力和有效的應(yīng)急能力等。對(duì)社會(huì)水系統(tǒng)而言，健康調(diào)控的基本目標(biāo)就是提升經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的安全性，提升水系統(tǒng)安全保障能力。對(duì)于京津冀地區(qū)，社會(huì)水系統(tǒng)健康調(diào)控，就是要破解區(qū)域水資源約束瓶頸，以水資源的可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的正向驅(qū)動(dòng)和支持保障。社會(huì)水系統(tǒng)健康的關(guān)鍵判別指標(biāo)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)合理用水需求得到保障，包含兩層含義：一是經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求是合理的，即經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模、結(jié)構(gòu)以及用水效率和效益應(yīng)當(dāng)與水資源條件相匹配；二是采取有效舉措保障合理的需求，包括通過(guò)修建蓄、引、提、調(diào)水工程增加當(dāng)?shù)睾屯庹{(diào)水量，加大再生水、海水和微咸水等非常規(guī)水資源利用量，以及提高降水有效利用等。

4.2 調(diào)控模式：“高內(nèi)聚-低耦合”解耦式調(diào)控要實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)健康，缺水脅迫區(qū)要通過(guò)社會(huì)水系統(tǒng)的調(diào)控，將水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用所造成的外部性影響在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)內(nèi)消化，以維系整個(gè)水系統(tǒng)的整體健康。所謂“高內(nèi)聚”是指社會(huì)水系統(tǒng)內(nèi)部要實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚發(fā)展，即社會(huì)水系統(tǒng)通過(guò)延長(zhǎng)水循環(huán)路徑、加大水重復(fù)利用等強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)部之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約集約式發(fā)展。所謂“低耦合”是指通過(guò)降低經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展取用水通量，減小自然水系統(tǒng)和社會(huì)水系統(tǒng)之間的取排交換通量，弱化二者之間的耦合程度，從而降低社會(huì)水系統(tǒng)對(duì)自然水系統(tǒng)的擾動(dòng)。

對(duì)于京津冀缺水脅迫區(qū)，雖然近二十多年通過(guò)采取水資源管理和調(diào)整措施改善了水系統(tǒng)狀態(tài)，但水系統(tǒng)整體仍處于非穩(wěn)態(tài)，因此仍需要加強(qiáng)供需雙向的調(diào)控，如圖4所示。一方面要強(qiáng)化需求側(cè)層次化調(diào)控，在優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植結(jié)構(gòu)、構(gòu)建高效循環(huán)用水體系等基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)社會(huì)水系統(tǒng)高內(nèi)聚式發(fā)展，降低對(duì)自然水系統(tǒng)的擾動(dòng)。另一方面在供給側(cè)要實(shí)施供水體系的適配性優(yōu)化。擴(kuò)大虛擬水利用，增加外調(diào)水輸入，優(yōu)化實(shí)體水供給，構(gòu)建京津冀一體化水網(wǎng)布局體系，提升資源承載能力，修復(fù)自然水系統(tǒng)。

圖4 京津冀水系統(tǒng)供需雙向調(diào)控路徑

4.3 需求側(cè)：“保障剛性-壓縮彈性-抑制奢侈”層次化調(diào)控由1956—2020年京津冀水系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果可知，經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水缺水與不同行業(yè)用水強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)是威脅水系統(tǒng)健康的重要原因，而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、各行業(yè)深度節(jié)水等需求側(cè)調(diào)控顯著改善了京津冀水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。因此在缺水脅迫區(qū)，避免經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水過(guò)快增長(zhǎng)是社會(huì)水系統(tǒng)調(diào)控的重要任務(wù)。對(duì)于生活需水、工業(yè)需水和農(nóng)業(yè)需水，作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水的主要組成部分，均是有層次的，根據(jù)需求必要性、緊迫程度以及不同行業(yè)需水機(jī)理和特點(diǎn)，將經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水分為剛性、彈性和奢侈需水三個(gè)層次，繪制需水層次化調(diào)控理論示意圖[48]，如圖5所示。其中剛性需水指滿足文明生活和良性生產(chǎn)的基本用水；彈性需水是指不影響服務(wù)功能情況下，通過(guò)節(jié)水技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)調(diào)控可節(jié)約的用水；奢侈需水是指不產(chǎn)生服務(wù)功能或超出承載能力的用水?；趯哟位杷碚?，提出需水層次化調(diào)控模式，即：保障剛性需求、壓縮彈性需求、抑制奢侈需求，實(shí)現(xiàn)發(fā)展和保護(hù)兼顧。

圖5 需水層次化調(diào)控理論示意

在現(xiàn)有水資源管理和調(diào)整措施基礎(chǔ)上，需要對(duì)京津冀生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水進(jìn)一步開(kāi)展層次化調(diào)控：對(duì)于家庭生活用水[49]，系統(tǒng)調(diào)研了北京、天津、石家莊、唐山、張家口、保定、滄州、邯鄲、昌黎、張北、容城、正定等京津冀地區(qū)12個(gè)城市2100個(gè)家庭生活用水，定量解析了飲用、烹飪、洗漱、環(huán)境清潔、洗澡、洗衣、沖廁等七種用水行為，揭示了家庭生活和各用水行為的用水比例。將不影響家庭居民生活質(zhì)量，可通過(guò)推廣節(jié)水器具、改變用水習(xí)慣、優(yōu)化水價(jià)機(jī)制等節(jié)約的水量界定為彈性用水，其余水量為剛性用水，發(fā)現(xiàn)京津冀居民家庭生活剛性用水占比79%，彈性用水占比為21%。

對(duì)于工業(yè)用水，研究以用水效率水平來(lái)界定層次化需求，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的界定為剛性需求，低于國(guó)內(nèi)平均水平的界定為奢侈需求，彈性需求介于兩者之間。調(diào)研評(píng)價(jià)了鋼鐵、火電、石油和化學(xué)4個(gè)高用水行業(yè)，結(jié)果顯示彈性與奢侈用水占比分別為7.5%、15.3%、26.9%和26.8%[45]。表明不同行業(yè)仍有一定效率提升空間，需要通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展低耗水產(chǎn)業(yè)、更新生產(chǎn)設(shè)備、提高生產(chǎn)工藝、增加行業(yè)用水率等措施，壓縮彈性和抑制奢侈用水需求。

對(duì)于農(nóng)業(yè)用水，研究基于京津冀水資源緊缺實(shí)際，將奢侈用水界定為超出水資源承載能力且高于保障食物需要的用水量，彈性用水為界于水資源承載范圍內(nèi)與保障食物安全之間的用水量，并以172個(gè)縣域?yàn)閱挝?，進(jìn)行層次化用水評(píng)價(jià)[50]。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：2018年京津冀農(nóng)業(yè)剛性、彈性和奢侈用水分別占54.4%、21.4%和24.2%；灌溉用水超過(guò)承載力的區(qū)縣有117個(gè)，占68%；存在奢侈用水的區(qū)縣有96個(gè)，占56%。未來(lái)需要適度控制灌溉規(guī)模、適水種植、推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)和最優(yōu)灌溉模式等提高水分生產(chǎn)效率，壓縮彈性和抑制奢侈用水需求。

4.4 供給側(cè)：“自然水網(wǎng)-人工水網(wǎng)-虛擬水網(wǎng)”適配性優(yōu)化2014年南水北調(diào)中線一期工程通水有效支撐了京津冀水系統(tǒng)狀態(tài)向好的發(fā)展。在本地自然水系統(tǒng)、外流域/區(qū)域引調(diào)水工程等自然水網(wǎng)和人工水網(wǎng)基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步考慮糧食和商品貿(mào)易等帶來(lái)的虛擬水，形成“自然水網(wǎng)-人工水網(wǎng)-虛擬水網(wǎng)”適配性優(yōu)化。

缺水脅迫區(qū)“自然水網(wǎng)-人工水網(wǎng)-虛擬水網(wǎng)” 適配性優(yōu)化模式如圖6所示。①經(jīng)濟(jì)社會(huì)總供水曲線為ABFH，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要水資源支撐保障，既來(lái)自于實(shí)體水，也包括糧食和商品貿(mào)易伴生的虛擬水，具有實(shí)體水和虛擬水兩個(gè)維度。②實(shí)體水供水曲線為ABCDG，由于受本地水資源限制，缺水脅迫區(qū)可以通過(guò)貿(mào)易增加虛擬水輸入，減少實(shí)體水的消耗，虛擬水量如圖中BDGHF圍成的黃色區(qū)域所示。③本地水供水曲線為ABCDE，當(dāng)缺水脅迫區(qū)本地水資源開(kāi)發(fā)利用量超過(guò)資源承載紅線后，將引起水系統(tǒng)水循環(huán)失衡、供需失衡和生態(tài)失衡等問(wèn)題，在需求側(cè)層次化調(diào)控基礎(chǔ)上，可以增加虛擬水輸入量，也可以實(shí)施跨流域跨區(qū)域調(diào)水，提高資源承載能力，恢復(fù)生態(tài)健康，對(duì)應(yīng)本地供水將在D點(diǎn)達(dá)到峰值，并逐漸下降到本地資源承載紅線之下。根據(jù)1956—2020年京津冀水系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果可知，京津冀地區(qū)現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)度，水系統(tǒng)處于t2—t3階段，因此三網(wǎng)適配性優(yōu)化的關(guān)鍵在于優(yōu)化虛擬水網(wǎng)和人工水網(wǎng)。

圖6 “自然水網(wǎng)-人工水網(wǎng)-虛擬水網(wǎng)”適配性優(yōu)化示意

對(duì)于虛擬水網(wǎng)，實(shí)施虛擬水戰(zhàn)略是京津冀產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)適水發(fā)展的主要措施，也是恢復(fù)區(qū)域水系統(tǒng)健康的重要舉措?；谇亻L(zhǎng)海等[51]研究成果分析京津冀與外部地區(qū)、京津冀內(nèi)部虛擬水演變格局，發(fā)現(xiàn)2017年京津冀地區(qū)虛擬水輸入量為822.0億m3，輸出量為739.5億m3，凈輸入量為82.6億m3，因此通過(guò)虛擬水戰(zhàn)略可以極大緩解京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)實(shí)體水用水需求的壓力。

人工水網(wǎng)是指在自然水網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)建設(shè)引調(diào)水工程、河湖水系連通工程、供水渠系工程、控制性調(diào)蓄工程等各類水利工程形成具有水資源配置、防洪減災(zāi)等多種功能的水網(wǎng)體系。對(duì)于人工水網(wǎng)，2020年京津冀地區(qū)總供水量為251.2億m3，其中外調(diào)水供水量60.6億m3，占24.1%，由南水北調(diào)中線、引黃入冀補(bǔ)淀和引灤入唐、引灤入津等流域外和流域內(nèi)調(diào)水工程構(gòu)成的人工水網(wǎng)，已經(jīng)成為京津冀水安全保障的重要措施。未來(lái)京津冀要以漳衛(wèi)河、子牙河、黑龍港、大清河、永定河、北三河、灤河等天然水系為基礎(chǔ)，以南水北調(diào)中線和東線工程、萬(wàn)家寨引水工程、引黃入冀補(bǔ)淀工程等國(guó)家級(jí)調(diào)水工程為主動(dòng)脈，統(tǒng)籌考慮南水北調(diào)受水區(qū)、灤河區(qū)、山丘區(qū)、壩上地區(qū)和地表水、地下水、再生水、引江水、引黃水、淡化海水、雨水、微咸水八大水源，以地表水庫(kù)和湖泊濕地為調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，形成集水資源保障、水生態(tài)修復(fù)、防洪減災(zāi)等功能于一體的水網(wǎng)體系，整體構(gòu)建“三線七河、四區(qū)八源”京津冀一體化水網(wǎng)布局，如圖7所示，保障區(qū)域水安全。

圖7 京津冀“三線七河、四區(qū)八源”一體化水網(wǎng)布局示意

5 結(jié)論

在缺水脅迫影響下，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)健康將受到顯著制約，本文以京津冀為缺水脅迫區(qū)典型案例，解析了缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)內(nèi)涵與特點(diǎn)，開(kāi)展了區(qū)域水系統(tǒng)演變模式研究，并提出了水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式和目標(biāo)路徑，主要結(jié)論如下：

(1)水系統(tǒng)是以水循環(huán)為紐帶由自然水系統(tǒng)與社會(huì)水系統(tǒng)共同構(gòu)成的人-水-生態(tài)耦合系統(tǒng)，子系統(tǒng)間存在復(fù)雜的多維交互效應(yīng)和正負(fù)互饋機(jī)制，在缺水脅迫區(qū)，受子系統(tǒng)間深度耦合和強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)序調(diào)控影響，水系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)水循環(huán)失衡、供需失衡和生態(tài)失衡三方面失衡。

(2)缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)-非穩(wěn)態(tài)-穩(wěn)態(tài)交替演進(jìn)的規(guī)律，具有漸變性、突變性和破壞性三方面特征?；谒到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)評(píng)估的京津冀1956—2020年水系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程表明，京津冀水系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下降、失穩(wěn)破壞和失穩(wěn)恢復(fù)的演進(jìn)過(guò)程，符合缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)演進(jìn)模式。

(3)以自然社會(huì)水系統(tǒng)健康為缺水脅迫區(qū)調(diào)控目標(biāo)，提出“高內(nèi)聚-低耦合”解耦式調(diào)控模式。結(jié)合京津冀實(shí)際情況，提出在需求側(cè)開(kāi)展“保障剛性-壓縮彈性-抑制奢侈”層次化調(diào)控，在供給側(cè)開(kāi)展“自然水網(wǎng)-人工水網(wǎng)-虛擬水網(wǎng)”適配性優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)自然水循環(huán)健康和基本服務(wù)功能的修復(fù)，以支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

本文的研究成果有助于客觀認(rèn)識(shí)水系統(tǒng)發(fā)展演變，有助于遵循基本發(fā)展規(guī)律提出有效的針對(duì)缺水脅迫區(qū)水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控的方法。