缺水脅迫區水系統優化調控理論與模式

趙 勇，常奐宇，2，李海紅，秦長海，何 凡，曲軍霖

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.天津師范大學 京津冀生態文明發展研究院，天津 300387)

1 研究背景

隨著經濟社會用水規模的不斷擴大和水資源開發利用能力的顯著提升，人類活動對自然水循環的擾動越來越強烈，水循環轉化逐漸由自然驅動為主轉變為自然-社會共同驅動，并形成了以水循環為紐帶的龐大且相互作用關系復雜的水系統。

2005年地球系統科學聯盟(ESSP)提出“全球水系統計劃”[1]，該計劃中對水系統的定義是：以水循環為紐帶的人文過程、物理過程、生物地球化學過程相互連接與作用的大系統。而人類活動則是水、養分和能源循環、地表演化等相互作用過程變化的核心驅動力，在人類活動影響下，水系統開始出現顯著和快速的變化[2]。由于與人類活動關系密切，水系統相關研究得到了國內外眾多學者的關注，且出現了許多類似的概念，如人水耦合系統[3]、人與自然耦合系統(CHANS)[4]、社會水文學[5]、自然-社會二元水循環[6]等，雖然表述方式存在差異，但核心內容都是反映了人類活動影響下的社會“取水-給水-用水-排水-污水回用-再生利用”過程與自然水循環在時間和空間上的相互關系。由于社會水循環和自然水循環是水系統最重要的兩個部分，早期往往將這兩個子系統分開進行研究，但隨著對水系統認識的不斷深入，以及人類活動對自然水循環過程影響越來越強烈，社會水系統和自然水系統的耦合作用越來越密切，如人類取用水和退排水直接影響河流水量平衡結果[7]、生態用水和生產用水沖突[8]等，因此越來越多的學者將社會水循環和自然水循環作為一個耦合的水系統進行研究。如自然-社會二元水循環理論[9]，通過“實測-分離-耦合-建模-調控”學科范式實現自然水循環和社會水循環過程耦合模擬，并在海河流域[10-11]、黃河流域[12-13]、遼河流域[14]、新疆綠洲區[15]等人類影響劇烈的流域或區域得到了廣泛應用；而社會水文學概念[5]，則側重于研究人水耦合系統演變規律和互饋機制，在澳大利亞[16]、美國[17]、中國[18-19]、瀾湄流域[20]等地區得到了廣泛應用；國際水文科學協會10年科學計劃(2013—2022年)提出“萬物皆流”(Panta Rhei-Everything Flows)為研究計劃的主題[21]；左其亭[22]提出人水系統、人水關系等概念，加深了對水系統理論的認識。與此同時，為了定量分析研究水系統，國內外開發了許多相關模型，如以自然水循環過程為基礎，通過耦合人類活動進行水系統分析，包括在SWAT模型中加入人類活動影響模塊[23]、嵌合水資源配置模塊[24]，在WEAP模型中增加自然水循環過程[25]，直接開發自然-社會二元水循環模擬模型(NADUWA3E[26]、WAS[7]、WACM[27])、長江模擬器[28]等，此外，還有通過社會學理念方法進行研究，如采用系統動力學[29]、主體模型[30]、水經濟模型[31]等。

上述研究大多聚焦于人工取用水對自然水循環過程的影響，而水系統往往伴隨有生態、環境、經濟社會等要素演進機制和狀態特征。特別是在水資源短缺地區，水系統將面臨多方面的問題，如在黃河流域和海河流域，由于水土資源不匹配[32]，該地區生活、生產以及生態需水往往受限或受阻[33-36]，而不同用水部門間也呈現相互競爭關系[37-38]；與此同時，缺水地區往往依賴超采地下水、超量使用地表水來支撐經濟社會發展，但由此引發的地下水位下降、地面沉降、河道斷流等都將加劇生態問題，并伴隨濕地退化、水生生物減少等生態健康破壞等現象[39-42]，此外受水體污染帶來的水質型缺水也進一步惡化了缺水地區的供水安全[43]；因此在供水短缺和生態破壞等多重因素影響下，隨著人(經濟社會系統)、水(自然水系統)、生態(生態與環境系統)深度耦合，缺水地區的經濟社會發展和生態環境健康將受到嚴重的缺水脅迫影響。本文以京津冀地區作為典型的缺水脅迫區研究案例，解析缺水脅迫區水系統耦合和競爭特征，診斷水系統健康狀態及其演變成因，探討水系統優化調控模式和目標路徑，以期構建缺水脅迫區水系統優化調控理論模式，促進實現人-水-生態和諧可持續發展。

2 缺水脅迫區水系統內涵與特點

2.1 水系統內涵解析水系統是以水循環為紐帶由自然水系統與社會水系統共同構成的人-水-生態耦合系統，在水系統內部，生態環境、經濟社會、自然水循環、社會水循環四大子系統之間存在復雜的多維交互效應和正負互饋機制；在水系統外部，受到人類活動和氣候變化雙重影響。水系統內涵框架如圖1所示。圖中，自然水系統由自然水循環及其伴生的生態環境子系統構成。生態環境包含生態系統中的生物部分，也包含非生物物質。其中生物部分包括生物的形態、生理和分布等，穩定性、活力、可恢復性是表征自然水系統健康的重要指標；非生物物質則以水循環為紐帶，隨著水的循環轉化在空間上重新分配。社會水系統由社會水循環及其驅動的經濟社會子系統構成。社會水循環是指水分在經濟社會系統中調蓄、輸配、用耗、排放、回用等過程，是為實現水的特定經濟社會服務功能的賦存、運移和轉化的過程。經濟社會是社會水循環的驅動因素，直接影響到自然水系統與社會水系統的相互關系，以至演進過程與規律。

圖1 水系統內涵框架

水系統內部各子系統間存在著相互耦合、相互競爭、相互制約的關系。通過水資源“取用”和“退排”過程，實現自然水系統和社會水系統相互耦合；生態環境的維護和經濟社會的發展都需要水資源支撐，經濟社會內部不同行業和區域也有各自水資源需求，存在相互競爭的關系；自然水循環過程為生態環境提供物質支撐，而社會水循環受經濟社會驅動，直接影響著自然水循環過程，過度“取用”和“退排”水資源也會破壞自然水循環過程，影響自然水循環服務功能，從而形成相互制約的關系。

2.2 缺水脅迫區經濟社會發展和維持生態健康離不開水資源的支撐，隨著社會水系統通量不斷增大，如果接近甚至超過自然水系統的更新能力和承載范圍，將會對生態環境健康造成負面影響，相比于一般缺水地區，缺水脅迫區因水資源嚴重透支帶來水資源短缺、水環境污染和水生態受損等問題，進而抑制以水為支撐的經濟社會正常發展，呈現顯著的缺水脅迫現象。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過程，導致經濟社會或生態環境水資源供應不足，造成水資源各項服務功能發生退化或受到損害。引起缺水脅迫的原因可分為自然因素和人類活動因素，自然因素主要是由于自然條件變化使得水資源服務功能下降，主要包括氣候變化、枯水和自然災害等；人類活動因素則是由于人類活動導致水資源供給能力下降，主要包括人類活動導致的水資源衰減、經濟社會水資源需求、水資源開發利用能力、節水技術水平、污染物排放強度和引調水能力變化等。

京津冀是我國經濟最具活力、開放程度最高、創新能力最強、吸納人口最多的地區之一，也是典型的缺水脅迫區，以不到全國1%的水資源，承載了全國8%的人口、8.2%的灌溉面積和8.5%的經濟量[44]。由于長期受缺水脅迫，京津冀已經成為我國乃至全世界人類活動對水循環擾動最強烈、水資源承載壓力最大、水生態系統受損程度最嚴重的地區，也是全國地下水超采問題最為嚴重的地區，導致了地面沉降、海水入侵等一系列生態環境問題[35]。強人類活動影響下開展水系統優化調控與水網工程布局既是支撐京津冀協調發展的重大現實需求，也可為其他缺水地區水資源可持續發展提供路徑選擇和政策借鑒。

2.3 缺水脅迫區水系統特點在自然和社會雙重作用下，缺水脅迫區水系統呈現深度耦合、強烈競爭和系統失衡三大現象。(1)深度耦合，反映了缺水脅迫區各子系統之間的深度聯系。經濟社會發展對水的依賴性增強，自然水系統與社會水系統交互通量越來越大，存在頻繁且緊密的物質信息交換，大部分自然水循環通量被引入到社會水系統，河湖水系水量主要來自于社會水系統排水過程。核心判別指標是高水資源開發利用率，例如京津冀地區，本底水資源有限，經濟社會用水需求規模大，水資源開發利用率甚至超過100%[34]。(2)強烈競爭，反映了缺水脅迫區用水的主要矛盾。由于水資源有限，社會水系統內部各區域和各行業之間存在強烈用水競爭，例如北京市密云水庫，興建之初供京津冀兩市一省經濟社會用水，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、工業用水。對于缺水脅迫區，用水競爭不僅僅體現在社會水系統內部，還體現在自然與社會水系統之間的強烈競爭，通過超采地下水、擠占河湖生態用水，增加社會水系統通量，以滿足生存和發展的需要。(3)系統失衡，反映了深度耦合和強烈競爭的無序調控結果，表現在水循環失衡、供需失衡和生態失衡三個方面。水循環失衡主要體現在自然水系統水文過程紊亂，主要表征有：一是強人類活動改變了下墊面條件，影響降水產流過程，導致降水產流能力降低。二是大量水庫、閘壩等水利工程建設，阻礙河道匯流過程，顯著降低了河流的縱向連通性，導致河網的片段化和破碎化，甚至斷流干涸。三是地下水持續超采導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系喪失，并大大延長了降水入滲補給地下水的補給路徑和時間，減少了降水入滲補給量。四是地下水位大幅度下降，形成了地下水降落漏斗，造成了地下水流場紊亂，導致原本沿地形從上游流向下游的地下水，形成了圍繞局地開采漏斗的匯流過程[39]。

供需失衡主要體現在經濟社會系統受到缺水脅迫。由于水利工程能力顯著增強，破壞性缺水問題得到大幅度緩解，但是隱形的發展約束型缺水突出，集中表現在城市人口、灌溉面積、產業選擇與布局等受到影響。例如北京市從2006年開始，利用5年時間將年用水量高達5000多萬m3的首鋼搬遷至唐山市沿海地區，以緩解北京市緊張的用水形勢。河北省近些年農業播種面積持續縮減，2019年較2000年減少了10%。這些都是為了適應供需失衡采取的經濟結構調整措施。

生態失衡主要體現在自然水系統嚴重受損。由于自然水系統通量大幅度降低，導致自然河湖面積萎縮嚴重，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，而社會水系統排放量增加也會導致水環境質量下降。南水北調中線工程大規模通水前，京津冀地區55條主要河流中，年均斷流166天，斷流河段長度占39%；白洋淀、衡水湖、七里海、北大港、南大港、團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；入海水量僅為1960年代的1/3，河口地區生物多樣性銳減；地下水累計超采超過1500億m3[45]。

3 缺水脅迫區水系統多穩態演進模式與特征

3.1 水系統多穩態演進模式缺水脅迫區水系統存在非穩態和穩態之間交替演進的規律。水系統穩態是指水系統在組成、結構和功能上處于相對穩定的狀態，此時，自然水系統處于健康狀態，經濟社會得以平穩和可持續發展。與穩態相對的，則是非穩態，是指由于自身內部要素的變化或者受到外部的擾動影響，在強烈競爭和深度耦合作用下，水系統在組成、結構和功能上呈現失衡或者非健康的狀態，自然水系統受到損害，經濟社會可持續發展用水需求無法得到有效保障，發生系統失衡現象。

多穩態則是指特定條件下，水系統在不同階段可能出現多種組成、結構和功能完全不同的穩定狀態。隨著外因與內在條件的變化，水系統呈現多穩態演進特征，即穩態與非穩態演變轉換發生，并伴隨著經濟社會從低階向高階的發展。缺水脅迫區水系統多穩態演進過程如圖2所示，圖中縱坐標分別反映了自然水循環通量和社會水循環通量的變化情況，假定水系統初始處于穩態A點，則整個水系統呈現穩態-非穩態-穩態交替演進的過程。

圖2 缺水脅迫區水系統多穩態演進過程

(1)穩態下降過程(曲線ABC)。在水系統未受到資源約束情景下，隨著經濟社會發展，社會水循環通量逐漸增加，自然和社會水循環耦合不斷增強，自然水循環通量逐漸被擠占，生態系統健康狀態開始下降(A′B′C′)，但仍處于生態系統健康紅線范圍之內，即此時可以維持河湖生態水量和健康地下水位。當社會水循環通量達到本地資源承載紅線約束時(C、C′點)，即經濟社會用水量達到本地水資源承載能力時，水系統進入穩態和非穩態臨界點。

(2)失穩破壞過程(曲線CD)。在水系統進入臨界點C點后，受經濟社會發展規模擴大影響，社會水循環通量進一步增長，逐漸超出本地資源承載能力，將出現社會供需失衡，生態系統的健康也將會遭受破壞，出現生態系統失衡，如圖中橙色區域所示，整個水系統呈現失穩破壞狀態。而地下水位下降等生態系統失衡問題在長期作用下會引發地面沉降等難以逆轉的破壞，最終導致生態系統健康紅線產生不可恢復的破壞變化。

(3)失穩恢復過程(曲線DJ/DEG/DFH)。水系統失穩后，為了恢復水系統健康，不得不采取需求側和供給側聯合調控措施，控制用水需求，降低本地供水量(包括本地地表水、地下水以及過境水)，并通過引入外調水、擴大非常規水利用增加資源承載能力。其中經濟社會需水總量變化如曲線DJ所示，實體水(外調水、非常規水和本地水之和)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點以后，通過虛擬水戰略，降低實體水開發利用量；通過外調水提升水資源承載能力，保障生態健康需水量，降低地表、地下等本地供水量。通過需求側-供給側聯合調控可以使社會水循環通量控制在資源承載紅線之內，對應EG/FH過程，使生態系統恢復到健康狀態，并最終在G/H點恢復水系統穩態。

(4)新穩態過程(曲線GI/HK)。隨著降低社會水循環通量和改善生態系統，使之分別處于資源承載紅線和生態健康紅線之內，水系統則實現了從非穩態向穩態恢復的過程，進入新的穩態。

3.2 水系統多穩態演進特征缺水脅迫區水系統發展演進過程具有漸變性、突變性和破壞性三方面特征。(1)具有韌性特征，是個漸變過程。水系統具有一定的韌性(恢復力)，當受到輕微擾動時，水系統能夠實現自我修復。但是當水系統向失衡過渡時，由于遲滯效應，經濟社會對水系統平衡破壞往往缺乏及時反饋作用，水系統的演進和失衡是逐步緩慢發生的，影響程度和破壞深度也是逐步發展漸變的過程，不是一蹴而就。(2)具有臨界特征，存在突變過程。水系統狀態由平衡到失衡存在突變臨界點，一旦突破臨界點，水系統狀態就發生了質的改變，水資源短缺、水生態環境惡化問題將集中爆發，導致河道斷流、湖泊干涸、水環境污染等失衡問題。例如經濟社會水系統通量逐漸增加，河湖生態用水逐漸減小，當減小到最小生態需水時，就會帶來突變性影響，嚴重破壞河湖生態環境。同樣，地下水持續開采導致地下水位下降，當下降到地下水最大補給能力水位以后，地下水資源補給通量也將顯著衰減。(3)具有破壞性，存在無法恢復的不可逆過程。部分水系統失衡產生的生態環境問題可通過后期治理得到修復，如地下水位下降、河湖斷流、地表水環境污染等，但是諸如地下水開采導致的地面沉降等問題，則是難以逆轉的或者需要長期治理才能得到緩解，呈現不可逆性。因此需要堅決遏制不可逆的系統演變，逐步修復可逆的演變過程。

3.3 京津冀水系統演進過程評價為定量解析缺水脅迫區水系統多穩態演進過程，研究以京津冀為典型區，分別構建自然水系統穩態指數和社會水系統穩態指數來綜合評估水系統狀態，水系統狀態評價指標如表1所示。研究時段為1956—2020年，相關經濟社會數據和水資源數據來源于《中國統計年鑒》、京津冀三省市統計年鑒和水資源公報、《海河流域水資源及其開發利用調查評價》[46]等，考慮京津冀三省市在面積上的差異，為了方便不同地區的對比，因此對于水資源量等資源型指標采用單元面積的資源量進行計算，表中健康等級閾值上下限值根據對應指標長系列的最大值和最小值取整設置。

表1 水系統狀態評價指標

自然、社會水系統穩態指數是由單項指標健康分值、指標權重共同決定，如式(1)?？紤]自然水系統和社會水系統同等重要，因此對于整個水系統穩態指數采用二者的平均值計算。

(1)

式中：Hj為區域水系統第j項穩態指數，處于[0，10]之間，參照評價標準即可確定水系統健康等級狀態；Pij為指標i第j項計算分值；Wi為指標i權重值，通過層次分析法確定。

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

(2)

(3)

式中：Xij為指標i第j項的統計值；Skup為Xij在健康等級s下的上限值；Sklow為Xij在健康等級s下的下限值；Kup為健康等級s的上限值；Klow為健康等級s的下限值。

研究以北京市、天津市、河北省行政區為單元，評估了1956—2020年京津冀水系統穩態指數的時間演化特征，結果如圖3所示?？梢钥闯?，1956—2020年京津冀地區經濟社會一直處于穩定發展狀態(圖3(c))，對應自然水系統穩態指數則處于迅速下降和緩慢回升狀態，在2000年代達到最低后開始逐步回升，與此同時，社會水系統穩態指數經歷約20年下降后，在1980年代開始進入上升狀態，并且在2000年以后加速增長。從整個水系統穩態指數來看(圖3(b))，京津冀地區由于經濟社會面臨缺水脅迫與強烈競爭，穩態指數從1956年開始一直呈現顯著的下降趨勢，表明水系統進入了穩態下降和失穩破壞過程，并在1990年代和2000年代之間達到最低，水系統持續處于失衡狀態。為了改變水系統失衡狀態，近20年來，京津冀地區實施了一系列重要的水資源管理和調整措施，如大幅度調整產業結構，通過減少水資源密集型產業，降低了對水資源的過度需求；推動各行業深度節水，通過引入先進的水資源管理技術和節水措施，有效提高了用水效率；實施京津冀功能區化規劃，規劃不同區域的功能，如對生態環境敏感的區域采取更加嚴格的水資源保護和利用措施；以及強化外調水與非常規水利用，顯著增加了京津冀地區的水資源供應。通過這一系列措施，京津冀穩態指數開始呈現上升的趨勢，水系統發展進入失穩恢復過程，特別是2014年南水北調中線一期工程通水后，為京津冀提供了大量的水資源，為水系統狀態向好發展提供了有力支撐。但從整體來看，京津冀地區水系統仍未達到健康水平，其中北京市、天津市水系統改善幅度明顯優于河北省。

圖3 京津冀水系統演進過程評價結果

4 缺水脅迫區水系統優化調控模式與措施

4.1 調控目標：自然社會水系統健康京津冀地區在1956—2020年水系統穩態指數呈現快速下降和緩慢回升的變化，主要是受到生態系統嚴重破壞、經濟社會用水需求激增等因素影響，因此對于京津冀地區，自然社會水系統健康核心是實現三大目標，維持河湖生態水量、恢復健康地下水位和保障經濟社會合理用水需求，通過修復自然水循環健康和基本服務功能，支撐經濟社會高質量發展。

(1)自然水系統健康。自然水系統具有資源、生態和環境功能。對于京津冀地區，自然水系統健康的核心表征指標是維持河湖生態水量和健康地下水位。①河湖生態水量是保護河湖生物多樣性、維持河湖生態健康的客觀需要，是維系生態系統平衡的基本需水量。生態水量主要取決于河湖生態系統組成結構和外界環境保護要求兩方面因素，考慮京津冀區域特征和河湖生態環境保護需求，設定層次化生態需水目標和生態耗水率指標，根據“十三五”國家重點研發計劃項目“京津冀水資源安全保障技術研發集成與示范應用”研究成果[45]，在多年平均地表水資源量情況下，最小生態需水為河湖不斷流，生態耗水率為40%；適宜生態需水對應的生態耗水率為50%；理想生態需水對應的生態耗水率為60%。②健康地下水位是指維護地下水服務功能的水位，具體是由一系列不同功能地下水位目標構成的復合生態水位。在京津冀地區應用評價中，根據地下水位波動變化對生態環境的影響，考慮健康地下水位維持地表水體健康補給、植被健康、遏制海水入侵、控制鹽漬化、城鎮建筑物安全、地下含水層調蓄和地下水最大補給等七類功能，按照空間分區、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)社會水系統健康。健康的社會水系統是指能夠滿足經濟社會發展的合理用水需求，包括提供穩定的供水能力、可靠的調控能力和有效的應急能力等。對社會水系統而言，健康調控的基本目標就是提升經濟社會系統的安全性，提升水系統安全保障能力。對于京津冀地區，社會水系統健康調控，就是要破解區域水資源約束瓶頸，以水資源的可持續利用支撐經濟可持續發展，實現對經濟系統的正向驅動和支持保障。社會水系統健康的關鍵判別指標是經濟社會合理用水需求得到保障，包含兩層含義：一是經濟社會用水需求是合理的，即經濟社會發展規模、結構以及用水效率和效益應當與水資源條件相匹配；二是采取有效舉措保障合理的需求，包括通過修建蓄、引、提、調水工程增加當地和外調水量，加大再生水、海水和微咸水等非常規水資源利用量，以及提高降水有效利用等。

4.2 調控模式：“高內聚-低耦合”解耦式調控要實現水系統健康，缺水脅迫區要通過社會水系統的調控，將水資源過度開發利用所造成的外部性影響在經濟社會系統內消化，以維系整個水系統的整體健康。所謂“高內聚”是指社會水系統內部要實現高內聚發展，即社會水系統通過延長水循環路徑、加大水重復利用等強化系統內部之間的關聯，實現節約集約式發展。所謂“低耦合”是指通過降低經濟社會發展取用水通量，減小自然水系統和社會水系統之間的取排交換通量，弱化二者之間的耦合程度，從而降低社會水系統對自然水系統的擾動。

對于京津冀缺水脅迫區，雖然近二十多年通過采取水資源管理和調整措施改善了水系統狀態，但水系統整體仍處于非穩態，因此仍需要加強供需雙向的調控，如圖4所示。一方面要強化需求側層次化調控，在優化產業結構和種植結構、構建高效循環用水體系等基礎上，進一步促進社會水系統高內聚式發展，降低對自然水系統的擾動。另一方面在供給側要實施供水體系的適配性優化。擴大虛擬水利用，增加外調水輸入，優化實體水供給，構建京津冀一體化水網布局體系，提升資源承載能力，修復自然水系統。

圖4 京津冀水系統供需雙向調控路徑

4.3 需求側：“保障剛性-壓縮彈性-抑制奢侈”層次化調控由1956—2020年京津冀水系統演進過程評價結果可知，經濟社會需水缺水與不同行業用水強烈競爭是威脅水系統健康的重要原因，而產業結構調整、各行業深度節水等需求側調控顯著改善了京津冀水系統穩態狀態。因此在缺水脅迫區，避免經濟社會用水過快增長是社會水系統調控的重要任務。對于生活需水、工業需水和農業需水，作為經濟社會需水的主要組成部分，均是有層次的，根據需求必要性、緊迫程度以及不同行業需水機理和特點，將經濟社會需水分為剛性、彈性和奢侈需水三個層次，繪制需水層次化調控理論示意圖[48]，如圖5所示。其中剛性需水指滿足文明生活和良性生產的基本用水；彈性需水是指不影響服務功能情況下，通過節水技術進步和科學調控可節約的用水；奢侈需水是指不產生服務功能或超出承載能力的用水?；趯哟位杷碚?，提出需水層次化調控模式，即：保障剛性需求、壓縮彈性需求、抑制奢侈需求，實現發展和保護兼顧。

圖5 需水層次化調控理論示意

在現有水資源管理和調整措施基礎上，需要對京津冀生活、工業和農業需水進一步開展層次化調控：對于家庭生活用水[49]，系統調研了北京、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12個城市2100個家庭生活用水，定量解析了飲用、烹飪、洗漱、環境清潔、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量，可通過推廣節水器具、改變用水習慣、優化水價機制等節約的水量界定為彈性用水，其余水量為剛性用水，發現京津冀居民家庭生活剛性用水占比79%，彈性用水占比為21%。

對于工業用水，研究以用水效率水平來界定層次化需求，萬元工業增加值用水量達到國內先進水平的界定為剛性需求，低于國內平均水平的界定為奢侈需求，彈性需求介于兩者之間。調研評價了鋼鐵、火電、石油和化學4個高用水行業，結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]。表明不同行業仍有一定效率提升空間，需要通過調整產業結構、發展低耗水產業、更新生產設備、提高生產工藝、增加行業用水率等措施，壓縮彈性和抑制奢侈用水需求。

對于農業用水，研究基于京津冀水資源緊缺實際，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與保障食物安全之間的用水量，并以172個縣域為單位，進行層次化用水評價[50]。評價結果表明：2018年京津冀農業剛性、彈性和奢侈用水分別占54.4%、21.4%和24.2%；灌溉用水超過承載力的區縣有117個，占68%；存在奢侈用水的區縣有96個，占56%。未來需要適度控制灌溉規模、適水種植、推廣高效節水灌溉技術和最優灌溉模式等提高水分生產效率，壓縮彈性和抑制奢侈用水需求。

4.4 供給側：“自然水網-人工水網-虛擬水網”適配性優化2014年南水北調中線一期工程通水有效支撐了京津冀水系統狀態向好的發展。在本地自然水系統、外流域/區域引調水工程等自然水網和人工水網基礎上，需要進一步考慮糧食和商品貿易等帶來的虛擬水，形成“自然水網-人工水網-虛擬水網”適配性優化。

缺水脅迫區“自然水網-人工水網-虛擬水網” 適配性優化模式如圖6所示。①經濟社會總供水曲線為ABFH，經濟社會發展需要水資源支撐保障，既來自于實體水，也包括糧食和商品貿易伴生的虛擬水，具有實體水和虛擬水兩個維度。②實體水供水曲線為ABCDG，由于受本地水資源限制，缺水脅迫區可以通過貿易增加虛擬水輸入，減少實體水的消耗，虛擬水量如圖中BDGHF圍成的黃色區域所示。③本地水供水曲線為ABCDE，當缺水脅迫區本地水資源開發利用量超過資源承載紅線后，將引起水系統水循環失衡、供需失衡和生態失衡等問題，在需求側層次化調控基礎上，可以增加虛擬水輸入量，也可以實施跨流域跨區域調水，提高資源承載能力，恢復生態健康，對應本地供水將在D點達到峰值，并逐漸下降到本地資源承載紅線之下。根據1956—2020年京津冀水系統演進過程評價結果可知，京津冀地區現狀水資源開發利用過度，水系統處于t2—t3階段，因此三網適配性優化的關鍵在于優化虛擬水網和人工水網。

圖6 “自然水網-人工水網-虛擬水網”適配性優化示意

對于虛擬水網，實施虛擬水戰略是京津冀產業結構調整和種植結構優化、實現經濟社會適水發展的主要措施，也是恢復區域水系統健康的重要舉措?；谇亻L海等[51]研究成果分析京津冀與外部地區、京津冀內部虛擬水演變格局，發現2017年京津冀地區虛擬水輸入量為822.0億m3，輸出量為739.5億m3，凈輸入量為82.6億m3，因此通過虛擬水戰略可以極大緩解京津冀地區經濟社會對實體水用水需求的壓力。

人工水網是指在自然水網的基礎上，通過建設引調水工程、河湖水系連通工程、供水渠系工程、控制性調蓄工程等各類水利工程形成具有水資源配置、防洪減災等多種功能的水網體系。對于人工水網，2020年京津冀地區總供水量為251.2億m3，其中外調水供水量60.6億m3，占24.1%，由南水北調中線、引黃入冀補淀和引灤入唐、引灤入津等流域外和流域內調水工程構成的人工水網，已經成為京津冀水安全保障的重要措施。未來京津冀要以漳衛河、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，以南水北調中線和東線工程、萬家寨引水工程、引黃入冀補淀工程等國家級調水工程為主動脈，統籌考慮南水北調受水區、灤河區、山丘區、壩上地區和地表水、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，以地表水庫和湖泊濕地為調蓄節點，形成集水資源保障、水生態修復、防洪減災等功能于一體的水網體系，整體構建“三線七河、四區八源”京津冀一體化水網布局，如圖7所示，保障區域水安全。

圖7 京津冀“三線七河、四區八源”一體化水網布局示意

5 結論

在缺水脅迫影響下，區域經濟社會發展和生態健康將受到顯著制約，本文以京津冀為缺水脅迫區典型案例，解析了缺水脅迫區水系統內涵與特點，開展了區域水系統演變模式研究，并提出了水系統優化調控模式和目標路徑，主要結論如下：

(1)水系統是以水循環為紐帶由自然水系統與社會水系統共同構成的人-水-生態耦合系統，子系統間存在復雜的多維交互效應和正負互饋機制，在缺水脅迫區，受子系統間深度耦合和強烈競爭的無序調控影響，水系統將會出現水循環失衡、供需失衡和生態失衡三方面失衡。

(2)缺水脅迫區水系統呈現穩態-非穩態-穩態交替演進的規律，具有漸變性、突變性和破壞性三方面特征?；谒到y穩態指數評估的京津冀1956—2020年水系統演進過程表明，京津冀水系統呈現穩態下降、失穩破壞和失穩恢復的演進過程，符合缺水脅迫區水系統多穩態演進模式。

(3)以自然社會水系統健康為缺水脅迫區調控目標，提出“高內聚-低耦合”解耦式調控模式。結合京津冀實際情況，提出在需求側開展“保障剛性-壓縮彈性-抑制奢侈”層次化調控，在供給側開展“自然水網-人工水網-虛擬水網”適配性優化，實現自然水循環健康和基本服務功能的修復，以支撐經濟社會高質量發展。

本文的研究成果有助于客觀認識水系統發展演變，有助于遵循基本發展規律提出有效的針對缺水脅迫區水系統優化調控的方法。