1、地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023流域“自然社会”二元水循环与水资源研究王 浩，牛存稳，赵 勇（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）摘要：随着人类文明的进步，用水量持续增加，流域水循环受高强度人类活动的影响越来越深刻，呈现出复杂的“自然社会”二元特征。本文阐述了流域“自然社会”二元水循环理论的提出、科学问题和框架体系，并从二元水循环的视角剖析了水资源“资源、环境、生态、社会、经济”五维属性的科学内涵，提出了基于二元水循环理论的关键技术，总结了水资源研究的前
2、沿方向和发展趋势。本文可为流域水循环研究、水文地理研究、水文水资源学科发展起到推动作用，为国家水安全保障、国家水网建设等重大实践提供技术支撑。关键词：社会水循环；二元水循环；水文学；水资源研究；水安全保障；国家水网DOI:10.11821/dlxb2023070021 引言水圈是一个复杂的系统，在不同强度和范围内与地球系统各圈层相互作用1。水循环的动力过程贯穿各圈层系统，是塑造地表环境的基本营力，是联系地球系统各圈层的纽带，使各圈层之间相互联系、相互转化2。在全球范围内社会系统与地球系统交织在一起，人类活动成为改变水循环的主要驱动力，形成了天然循环与人工循环此消彼长的二元动态水循环过程3-4，
3、并以流域为基本空间单元，演变为流域“自然社会”二元水循环系统。在长期解决生产实际问题的过程中，水文学研究的内容不断丰富，研究范畴不断拓展，开展了水文分析与计算、流域水文模拟、水利水电工程设计等方面的工作，并产生了经典的产汇流理论，单位线、水量平衡等重要规律，逐步形成了一门系统完整的科学体系。从研究自然水循环逐步发展起来形成的水文学，主要包括水文测验、水文预报和水文计算（测、报、算）等内容。伴随水循环过程，人类社会从事各种开发利用活动，形成水资源。为了科学利用水资源，着眼可持续发展，实现水资源的永续利用，水资源研究加强了基础监测，开展了水资源评价和配置，在此过程中注重水资源的节约和保护，实施调度
4、和管理，编制水资源保护规划、供水规划、水资源综合规划，用于指导区域水资源在当前以及今后一段时间内的合理利用，并产生了供需分析、三次平衡等基础理论，形成了水资源领域的理论框架和技术体系。收稿日期：2023-03-08;修订日期：2023-07-16基金项目：国家重点研发计划(2021YFC3201105)Foundation:National Key R&D Program of China,No.2021YFC3201105作者简介：王浩(1953-),男,北京人,正高级工程师,中国工程院院士,博士生导师,主要从事水文学与水资源研究。E-mail:通讯作者：牛存稳(1979-),男,河南滑县人
5、,正高级工程师,主要从事水文学与水资源研究。E-mail:1599-1607页地 理 学 报78卷2 流域“自然社会”二元水循环2.1 二元水循环的提出由于人类活动的影响，水循环各基本环节均发生了非平稳性变化，改变了水文系列的一致性，人为地割裂二者之间的联系必然难以准确描述人工扰动下的水循环过程5。由于气候变化以及水循环的地表、地下和土壤过程的非稳态性，造成了传统的水文一致性假定发生了动摇，过去认为系列越长越好，实际上长系列代表不了现实和未来的情况，因此学科范式有待改变。基于上述认知，1999年王浩等首次提出了“自然社会”二元水循环模式，并开始了系统研究。2000年“九五”国家重点科技攻关项目
6、“西北地区水资源合理配置和承载能力研究”评价了内陆干旱区的“天然人工”二元水循环模式，并完成基于二元模式的水资源评价、配置和承载能力研究，在此过程中影响和带动了国内二元水循环研究的开展。2.2 二元水循环过程自然水循环过程：在太阳辐射和地心引力等自然驱动力的作用下，地球上各种形态的水通过蒸发蒸腾、水汽输送、凝结降水、植被截留、地表填洼、土壤入渗、地表径流、地下径流、湖泊海洋蓄积等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。社会水循环过程：人类为实现特定的经济社会服务功能，如生活、生产、人工生态等，从自然水循环的一点或多点取水，散布到整个有人类经济活动的地方，从而改变自然水循环的路径和结构，水
7、分不断地在经济社会系统中的耗散、运移、转化的过程。二元水循环过程：在自然和人工的双驱动力作用下，水循环的动力条件、结构、特性和参数，均呈现出明显的二元演化特征。这种在自然界和人类社会中同时存在，在陆地地表不断发生的水汇集和耗散的过程被称为二元水循环过程。凡是有人类活动的区域均呈现出自然水循环和社会水循环交织的复杂过程。自然水循环包括水汽输送、地表循环、土壤过程和地下过程等四大过程，流域是自然水循环的基本单元；社会水循环包括取水、输水、用水、排水、污水处理、再生回用等六大过程，城市和农村是社会水循环的两大基本单元。自然水循环的四大过程和社会水循环的六大过程共同组成了真实的流域水循环过程。2.3
8、二元水循环理论流域“自然社会”二元水循环研究围绕三大基本科学问题展开，包括自然水循环和人工侧支水循环的相互作用、“自然社会”二元水循环的伴生过程，及其空间格局、时间过程和多重机理的正负反馈等。流域“自然社会”二元水循环理论，是一种对现代环境下水循环系统的科学认知模式，即“实测分离耦合建模调控”二元动态模式，旨在揭示“自然”和“社会”双重驱动力影响下的流域水循环演化机理和综合效应，研发显式考虑人类活动影响的流域水循环及其伴生过程的高精度定量模拟工具，实现对变化环境下流域水循环演变和各分项贡献率的归因分析，不同情景仿真模拟实现对水资源演变预测，不同下垫面的精细描述实现水资源动态评价，支撑流域系统治
9、理和整体调控。二元水循环理论的创新性主要体现在：发展了流域水循环的“实测分离耦合建模调控”二元动态学科范式，解决了尺度转换难题，研发了模型工具，实现了强人类活动影响的水循环过程模拟；突破了流域水资源的静态评价，实现了全口径层次化水资源动态评价；考虑水资源的多维属性，通过多目标均衡效应的分析，实现水资源利用效率从低效向高效转化，支撑流域水资源多维临界整体调控和流域综合治理。16007期王 浩 等：流域“自然社会”二元水循环与水资源研究3 水资源的五维属性水循环使地球上各种形式的水以不同的周期或速率更新，形成各种可供人类开发利用的水资源，并使其具有可再生性。伴随着流域“自然社会”二元水循环过程，水
10、资源发挥着其特有的属性。自然水循环是水的汇集和自净过程，使水资源发挥生态属性；社会水循环是水的耗散和污染过程，使水资源发挥资源、环境、经济、社会属性。3.1 水资源的定义“水资源”作为名词首次出现是做为政府管理的机构名称，源于美国地调局（USGS）设立“水资源处”6。联合国教科文组织（UNESCO）和世界气象组织（WMO）定义，“水资源”是“可供利用或有可能被利用、具有足够数量和可用质量、并为适应特定地区的水需求而能长期供应的水源”。国内学术界对水资源有过不同的定义，例如刘昌明7提出“从自然资源的观念出发，水资源可定义为与人类生产与生活有关的天然水源”。陈梦熊7提出“一切具有利用价值，包括各种
11、不同来源或不同形式的水，均属水资源范畴”。总结学术界对水资源定义的认识和讨论，其关注点可归纳为水资源的有效性、可控性和可再生性三方面。本文认为，水资源是对人类社会经济发展和生态环境保护具有效用的淡水资源，其来源为大气降水，赋存形态为地表水、土壤水和地下水，在数量上为扣除降水期蒸发的总降水量，通过天然水循环不断得到补充和更新，同时受到开发利用的人工调控和其他人类活动等的影响。3.2 水资源的五大属性水资源的五大属性关联伴生，每一维属性都对应水循环过程中相应子系统的特征。每一个属性决定着该子系统主要的服务功能，并且与其他子系统存在一定的关联性。伴随流域“自然社会”二元水循环产生的一切水资源问题，背
12、后的科学基础，形成的基本认知和基础理论，以及提出的解决方案等都是围绕水资源的五大属性来展开的。3.2.1 资源属性水资源作为一种资源，首先发挥的就是资源本身的属性。资源属性是指水循环的时空量质、循环特征及可再生能力，体现水的有限性和竞争性；发挥资源属性的目标是水循环的可再生性维持；调控思路是基于水量平衡的水资源决策机制，维持流域水循环稳定或可再生性；实现途径有水源涵养、合理开发地表、地下水资源等；调控方向是水循环本身的稳定健康，确保自然水循环过程尽量不受人类社会各项开发利用活动的过度干扰；相关的工作有水资源监测、水循环模拟、水资源评价等8。3.2.2 环境属性环境属性是指水在循环过程中带来各项
13、水化学指标的变化并可能影响其自身功能，体现水循环的自净性；发挥环境属性的目标是水体环境状况良好；调控思路是基于维系水体功能的环境决策机制，实施水量水质联合配置调度、废污水达标排放等措施；实现途径有减少污染物产生量，加大废污水处理力度，源头减排、过程控制、末端治理的水环境治理等；调控方向是维持区域水环境质量，减缓人类活动造成环境污染，尽量避免破坏生态系统健康、人类审美和社会公平；相关的工作有水环境监测、水资源保护、水资源调度等。3.2.3 生态属性生态属性是指天然条件下水资源的生态服务功能，体现在生物量和多样性；发挥生态属性的目标是修复受损生态系统、保护健康水生态系统；调控思路是基于保障生态功能
14、良好的生态决策机制，保持重点生态系统的稳定性和多样性，满足关键控制断面生态流量目标要求，确保适宜的生态地下水位；实现途径有保证生态用水量不低1601地 理 学 报78卷于其合理的阈值等；调控方向是系统的持续性，在生态系统的极底限、底限和适宜的需求之间，寻求水循环的生态系统价值和经济系统价值的平衡，达到合适的理想点；相关的工作有水资源保护、水资源调度等。3.2.4 经济属性经济属性是指水资源作为商品或者生产要素发挥经济价值的属性，可用货币衡量或者等量量化，体现水资源的高效性；发挥经济属性的目标是提高用水效益、降低用水成本；调控思路是基于效益最优的经济决策机制，使水资源由低效率、低效益行业向高效率
15、、高效益行业流转；实现途径有提高用水效率、加大再生水回用、水向高效益部门流转等；调控方向是效率优先，在当前的基本社会伦理和哲学框架下，追求用水效率和效益最大化；相关的工作有水资源节约、水资源配置等。3.2.5 社会属性社会属性是指水资源通过各种形式的开发利用活动融入到社会发展与文明，与其他自然资源一样成为服务社会发展的控制性要素，体现水资源的公平性；发挥社会属性的目标是提高供水保证程度、维护社会用水公平；调控思路是基于公平的社会决策机制，确保弱势群体和公益性行业的基本用水；实现途径有提高供水能力、保障弱势群体和公益行业基本用水等；调控方向是保障公平，主要包括现状利用水平和未来发展潜力的平衡、不
16、同区域之间的平衡，不同用水户之间的公平、城市和农村之间的公平等；相关的工作有水资源配置、水资源管理等。4 水资源领域研究4.1 水资源研究的发展水资源研究是从观测社会水循环逐步发展起来的。从美国地质调查局水资源处的成立开始认识到社会水循环的问题，到工业革命兴起不断发展。中国最早于1950年在哈尔滨工业大学开始设置“给水及上下水道”专业，1952年哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学首批开设给水排水专业8，从给水、污水处理、排水等过程研究水循环。20世纪中期以后水资源学已被承认10。1922年建立的国际水文科学协会（IAHS），在1972年的章程中谈到该协会的宗旨是“为促进水文学作为地球科学和水资源学的一个方面来进行研究”，在这里水资源学和地球科学一样都作为学科的代表而并列；1972年建立的国际水资源协会（IWRA）就是以水资源学为研究对象的学术团体。从20世纪中期开始，随着中国社会经济的快速发展，面临的水问题越来越突出，国家越来越重视对水资源的科学规划和统筹管理，学者们也越来越关注水资源的科学原理。一方面，随着一些新理论和边缘学科的不断渗透，丰富了水资源研究的基础理论；另一方面，由于人类