《虚拟水核算理论、方法及应用》

中国面临着水资源短缺、水生态损害和水环境污染的治水新问题,为经济社会发展提供水资源保障亟需水资源管理的科技创新。虚拟水理论从全新的视角刻画区域虚拟水的生产、转化、流动和消费过程,对评价区域水资源承载能力,提高水资源管理水平具有重要价值。该成果采用“参数核算—方法改进—特征分析—扩展应用”的逻辑思路开展研究。首先分析了虚拟水核算基础参数——区域蒸散量、干燥度指数等的时空演变规律及影响因素,在气候变化模式适用性评估的基础上,揭示了主要农作物类型全生育期作物需水量对气候变化的响应机理;其次开展了虚拟水核算方法改进与转化运移特征评估,为区域产业结构调整提供依据;最后,将虚拟水理论拓展应用到区域水资源可持续利用评价、水安全评价、产业与用水部门协同度评估等领域,为区域适水发展提供参考依据。取得的主要成果如下:

(1)虚拟水核算基础参数研究:科学分析了各水资源一级区潜在蒸散量的时空分布规律,依据潜在蒸散量及降水之间相互关系,在解析蒸发悖论、干燥度等要素指标时空演变特征的基础上,定性构建了影响潜在蒸散量的指标体系,定量评价了各指标的作用,探讨了蒸散量与温度、降水的相互耦合过程;基于气候变化情景和模式较多的现状,采用偏相关方法分析冬小麦、夏玉米等主要农作物蓝水需水量的敏感气象因子,进而分析不同气候变化模式的模拟精度,探讨气候变化模式对不同区域、不同作物虚拟水核算的适用性,探明了不同区域、不同农作物类型全生育期作物需水量对气候变化的响应程度及其机理,有针对性地提出缓解水资源压力的政策措施。

(2)虚拟水核算方法改进与转化运移特征评估:对农业虚拟水核算方法进行改进,提出了水量平衡法及非充分灌溉下的虚拟水生产总量计算方法,结果表明在估算区域虚拟水总量时宜采用水量平衡法,在详细计算各地虚拟水差异时宜采用双作物系数法;基于投入-产出方法分析了不同产业部门之间的虚拟水转化运移特征,评价了不同产业部门用水效率、虚拟水在区域内各部门之间的转化运移特征、区域同外部之间的虚拟水贸易特征,阐明了区域虚拟水转化运移规律;采用纵向集成算法和假设抽取法,分析了不同部门之间的用水关联特性,成果对区域产业结构调整和水资源管理政策制定提供参考依据。

(3)虚拟水理论拓展应用:基于对区域虚拟水生产、消费与水资源之间的关系分析,建立了经济压力指数和社会压力指数构成的区域水资源承载状态评价指标体系,对区域水资源可持续利用水平进行评价;从虚拟水视角构建区域水资源系统动力学模型,综合考虑供水、需水各要素的相互影响和制约关系,模拟水资源承载力对不同关键可控因子变化的响应程度,探索缓解水资源压力的切实可行措施;从区域水安全、经济安全、粮食安全角度出发,构建区域水安全指标体系,提出了提高农业水安全的优化方案;基于用水效率及协同学理论构建了虚拟水产业系统协同度模型,科学评价了区域虚拟水与产业系统间的协同程度,进而提出区域产业结构调整的方向建议。

该研究共发表论文29篇,其中SCI/EI检索期刊论文9篇,出版专著2部,研究成果已应用于《郑州市人民政府关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》和河南省人民胜利渠管理局有关灌区合理配水方案制定以及用水和种植结构调整中,产生了突出的社会经济效益。

成果说明

研究成果已应用于郑州市供水节水中心起草的《郑州市人民政府关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》文件中,并在河南省人民胜利渠管理局渠井结合灌区和井灌区合理配水方案制定、用水和种植结构调整中进行了成功应用,产生了突出的社会经济效益。

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