水资源系统

第一章　绪　论

第一节　基本概念梳理

一、水

水作为一种地球上形成的天然产物，同时也作为一种自然资源和环境要素，与土壤、岩石、大气、生物等共同构成了地球五大圈层。通常水由氢和氧两种元素组成，在地球上广泛分布于海洋、江河、溪泉、湖泊、沼泽、冰川、雪山、大气、土壤、岩石、生物体中，主要以液、固、气三态以及临界态形式存在并在一定条件下相互转换。水是地球上绝大多数生命体赖以生存的基础。

二、水环境

从环境科学角度讲，将“环境”视为以人为中心的与其关系关联的周围事物的总和。水环境是指以水为载体的水体中生命物质与非生命物质构成的体系。通常水环境包括诸如河流、沼泽、自然和人工湖库、地下水、冰川、海洋等包含在水体中的悬浮物、溶解物、底泥。甚至还包括水生生物和微生物，甚至与水体本身密切关联的周边一定范围内的陆域。从环境角度研究，水的结构、特性和水体循环运动对人类生活及环境有重大作用和影响，一些污染物质在水中的迁移、转化、降解与整个水环境密切联系。污染物由水中转向底泥的过程视为为水的自净过程，但从整个水环境看，这种转移却可能使该水体成为次生污染源，在一定条件下污染物又会释放出来。

三、水资源

水资源一词由来已久，但对其内涵的明确，因不同视角和不同功用而各异。归结起来主要由于:(1)其多样化的表现形态(如固态、液态、气态、临界态等);(2)形成或汇集的不同途径(如水汽凝结、地表径流、地下径流、冰雪融水等);(3)水对社会的发展形成的基本约束(如对土地的生产力、工业生产因子、能源资源以及人类的健康的影响);(4)水资源的开发利用所受诸多制约因素(受自然因素、社会因素、经济因素、环境因素的影响);(5)水作为研究对象涉及的不同学科门类(如数学、物理学、化学、生物学、地学、气象学、水文学、地质学、环境学、经济学、社会学等)。对水资源的几种权威的说法有:

1894年，美国地质调查局(USGS)水资源处的主要职责是观测地表河川径流与地下水。这里，“水资源”仅涉及陆地表面的地表水和地下水。

K.P.Kalinin为英国大百科全书撰写的词条“水资源”解释为:“水资源是自然界一切形态的水，包括气态、液态和固态形式的水”。

1977年，联合国教科文组织(UNESCO)提出的建议:“将水资源定义为，可资利用或可能被利用的水源”。

《中华人民共和国水法》中定义水资源，包括地表水和地下水。

《中国大百科全书》中，1987年叶永毅撰写的词条中，水资源被定义为“地球表层可供人类利用的水，包括水量(水质)、水域和水能资源，一般指每年可更新的水量资源”。

《中国大百科全书》(水利卷)，1992年，陈志恺撰写的词条中，水资源被视作“自然界各种形态(气态、固态或液态)的天然水，并将可供人类利用的水资源作为供评价的水资源”。

当今国内外对水资源的定义在不断丰富，通常我们理解的水资源更侧重于水量、水能的开发和利用，而将水环境作为单独地一方面进行研究考虑和实际的管理。姜文来等人的研究注意到了水资源不仅仅包括上述，还应包括水质资源，实际的人们对水资源的开发利用会出现，诸如:

对水资源缺乏统一的调用管理而造成的人为条件下的水资源短缺;

对水环境主要从被动地污染治理的角度考虑，而缺乏统一的管理，产生了如，上游的水用户仅关注水的利用，其利用后的污染和影响未作有效的考虑，下游用户要对水污染和不良影响的消除做出必要的环保投入;

水资源的开发利用中产生的其他一些次生环境问题(水库建设周边生态环境的影响、水库调蓄水中动植物的变化、调水工程受水区用水量变化对辖区水体环境的影响等)。

水资源定义的内涵不断充实，外延也随着人们的理论研究与实践认识不断拓展。这里研究认为，当环境中的水被视为影响人类生存、生活、生产的活动范畴内，并能够为人们经济社会发展需要和加以利用之后，即被认为是水资源;其不仅仅包括水量、水能、水质，还应考虑包括水体中的动植物、微生物和无机环境，涉及包括水体本身和水体周边一定范围内，在水的开发利用时可能产生影响的其他环境要素。

四、生态经济系统

生态经济系统，也称为，自然-人工生态经济复合系统或生态经济复合系统。其是以人类为中心，与之活动密切关联的自然生态环境系统与人工生态经济社会系统相互交错与叠加、相互作用与影响，物质、能量、信息、价值等随时间的推移不断流动、交换、转化、演替的复杂的巨系统。人工生态经济社会系统是依托于自然生态环境系统随着人类社会的发展不断构建和完善的衍生的子系统，在现阶段，因人类生活的需要，人工经济社会系统中包含一部分原先自然生态环境系统经过人工改造后的人工生态环境。

因此，目前的对生态经济系统的研究主要针对的是包含人工生态环境、经济、社会、人口等要素在内，甚至包括已纳入人类研究范围内的人工-自然复合系统。

Q(生态经济系统)是关于R(自然资源)，En(生态环境)，P(人口)、S(社会)、Ec(经济)的随时间t累积变化的函数，可表达为:

通过物质流动、能量转化和信息交换，将系统中各要素有机地联系起来。

五、水资源系统

水资源系统是以水资源开发、利用、保护为主的贯穿于生态经济系统中的动态、开放、有序的系统(图1-1)。水资源利用活动包括围绕水资源开发、利用和管理而展开的行为，可分为直接和间接两种:直接方面包括直接调节、控制和利用水资源的活动;间接方面指对水资源的特性与运动产生影响的活动。

水资源系统具有整体性、多相性、多维性、层次性、协同性、有序性、地域性、开放性、动态性、周期循环性等特点。其除具有通过自然界水文循环获得的可再生和更新补充功能外，更由于其气态和液态时在势能的推动下具有较大的流动性，从而连成一个整体，以致在一个点的扰动会影响周围和其下游。水资源系统的这种流动性导致了其在自然生态环境和人类经济社会系统之间的不断流动，在人类经济社会系统内，经济社会发展、城乡居民生活、人工生态环境之间也会不断地流动和转化，完成系统之间和系统内部各子系统之间的物质和能量的传递与转换，同时也承载着相关的信息和价值的交换。

图1-1　水资源系统与生态经济系统和外界环境之间的关系示意图

由此可看出，正因为水资源系统的复杂性，对水资源系统进行系统理论与实证研究，推动水资源在生态经济系统内的科学、合理利用与管理非常必要。

第二节　篇章体系与工作路线

一、篇章体系结构

本研究将对水资源循环经济利用与管理进行系统分析，具体的研究体系结构包括十一章(图1-2)，其中，主要内容分为上、中、下三篇(共九章)。各篇内容具体如下:

上篇——理论方法篇，包括:

第二章　水资源调用管理的相关文献综述，主要概述了国内外和甘肃省的水资源特点及水资源调用管理具体的工程实践情况，并对当前与水资源调用管理相关研究进行了归纳，找出尚待研究的空白之处，基于作者知识背景，提出本文中理论研究的主要方向和重点。

图1-2　篇章体系结构图

第三章　水资源系统“易”理论的原型，基于前期研究，筛选出并对“易学”哲学思想、二元水循环机理、系统(熵与耗散结构)理论、可持续发展理论、生命周期管理理论、生态经济与循环经济理论、环境风险管理理论、生态水利建设与河流健康维护理论等八种理论进行原型解析，提炼出其中的精髓，通过系统整合和有机融合，构建水资源系统“易”理论。

第四章　水资源系统“易”理论的经济原理与研究方法，首先从整体的时空四维视角对水资源系统的运行进行了图景展示和原理推演;对水资源系统与经济社会系统和自然生态环境之间相互作用关系通过向量投影进行剖析;对三者之间的熵的周期演化进行了阐释;还对水资源的使用价值从生命周期角度进行了分析，以及水资源稀缺的二重属性和水资源供需的市场机制与均衡分析;基于水资源“易”理论，给出了水资源的分类和诠释了水资源系统的运行特点;最后对水资源利用与管理的现代技术方法进行概述。

中篇——系统模拟篇，包括:

第五章　研究背景与区域水资源调用情势分析，以引洮工程为例，根据有关资料，分别对引洮工程研究区内的调水区和受水区的水资源数量和质量和开发利用情况进行了描述，并对受水区供水与用水的平衡和近年的受水区的水环境质量做了主要污染因子的加权污染负荷分析。

第六章　区内典型水资源系统“易”理论SD建模仿真，基于第五章的初步分析确定以安定区为主要实证仿真研究对象，基于“易”理论原理和系统动力学的建模方法，结合安定区调研情况和有关研究成果，构建安定区水资源系统的SD模型，对安定区2009～2050年水资源系统中水资源盈亏和水环境风险调控两个模块分别进行动态模拟并对模拟结果进行分析。

第七章　基于“易”理论的研究区水资源系统管理框架设计，基于水资源系统“易”理论，运用系统动力学方法对其进行建模与仿真，根据研究区的特点，从水资源循环经济利用和水环境风险防控角度，对研究区水资源系统提出了调控管理策略，并根据未来发展趋势，设计了研究区水资源系统管理GIS基础平台。

下篇——应用实例篇，包括:

第八章　工业水资源循环经济管理实例，对企业层面循环经济，即清洁生产的原理进行了对比剖析后，结合作者亲身曾经的岗位工作，将循环经济的管理理念运用到其中，对工业企业水资源系统进行优化决策设计，为企业水资源的循环经济管理提供案例佐证。

第九章　农村水资源循环经济管理实例，针对农村水资源保护和水污染防治的突出问题，结合实地调研情况，抓住西北典型农村地区的水资源利用与管理的关键问题，即，水源地保护与污水处理，通过系统论证，提出相应的解决对策，为协调农村人畜饮水和农村面源污染的有效解决提供了新的解决路径。

第十章　城市水资源循环经济管理实例，基于水资源系统“易”理论，结合研究课题，系统地对西北干旱半干旱地区之一——张掖市水资源进行了论证，将水资源统一管理的先进理念和“虚拟水”等理论、以及国家节水技术政策要求等引入其中，延展了水资源循环经济利用与管理理论。同时，从城市生产、生活、生态用水和地下水、地表水的开采利用与保护管理等不同层面进行分析并提出相应的对策建议，为区域水资源的可持续利用与管理提供了有益的参考。

二、科研工作路线

自2009年9月确定选题后，本研究总体上依循“前期研究和理论构建是基础、踏勘调研和资料分析计算是关键、成果总结撰写和完善是目标”的技术路线(图1-3)，采取进度控制与目标管理的方法，分阶段实施，历经20个月，至2011年4月完成最终的研究成果。

图1-3　科研工作路线图

研究各阶段的主要工作任务如下:

2009.09～2010.01，确定选题，并拟定初步的研究计划之后，在理论研究阶段，对有关的基础理论、原理与技术方法等进行了大量文献的研究和分析，逐步构建起“易”理论的基本框架;

2010.02～2010.06，不断丰富完善“易”理论，并明确实证研究的对象、范围和制定详细的研究提纲，初步构建SD模型框架;

2010.03～2010.08，在理论研究的同时，依托“引洮工程对区域生态与环境影响的研究”、“华池县农村环境综合整治”、“张掖市循环经济发展规划”等相关课题进行了实地调研和水资源、水环境等基础资料、数据的采录等工作;

2010.09～2010.11，对研究区的资料数据进行预处理、数据分析，并对模型进行反复调试与动态仿真，并对研究结果进行分析;

2010.12～2011.04，对理论与实证研究的全部内容进行汇总、整理，撰写和修改完善，对重点研究成果进行初步总结;

2011.09～2012.12，完成对最终成果的梳理、汇总、编撰与出版各项工作。

第三节　研究意义、技术方法与创新之处

一、研究意义

本研究将“易学”思想等八种理论系统整合、有机地融合，为目前的水资源系统管理理论与实践提供了新的思路。本研究将“易学”的思想理论作为统领整个研究的红线，用系统动力学方法，对研究区典型水资源系统进行了模拟与分析，为研究区今后更好地整合和充分利用各种水资源，科学合理地利用之，展示了整个水资源系统运行趋势;并通过提出相应的调控管理策略，明确了未来如何更有效地确保研究区水资源系统健康稳定运行的总体措施;设计了水资源系统管理GIS基础平台为实现水资源现代化、动态化、实时化、精细化、定量化管理提供了技术保障。综合来看，本文的理论研究成果对国内外水资源系统的研究提供了全新的研究思路和视角;实证研究成果为引洮工程投运后，确保研究区水资源“取、调、用、排”之间的动态平衡和健康协调，确保研究区水资源系统安全、稳定、可持续运行与管理提供了重要的科学依据和技术支撑。

二、技术方法

在研究过程中，采用了实地踏勘、现场调查、统计分析、定量计算等方法对基础数据进行采集、整理、初步加工后，进行后续研究。其中，根据构建的水资源系统“易”理论对其原理进行了时空四维的解构和对系统间相互作用的关系进行建模与分析，对水资源的使用价值进行了生命周期分析;运用系统动力学方法对研究区水资源系统建模与仿真，并设计相应的水资源系统管理GIS平台。

三、创新之处

本研究是基于作者十余年来对学习、工作和生活等所遇到的实际问题的反复思考、亲身体验和不断总结，并在作者查阅和研读了大量相关文献后，提炼与升华，具有独创性的理论与实证研究。本研究创新之处主要在以下四方面:

思路融合的创新

本研究将华夏文明的总源头——“易学”思想作为本研究的出发点和理论基石，结合现代水资源调用管理的研究方法，耦合融通后，创设水资源系统“易”理论，对当今人类经济社会的可持续发展，尤其是对支撑人类社会可持续发展的水资源如何做到科学、合理、有序、高效的开发和利用是一次开创性、探索性的研究。可以说，本研究将悠久华夏文明中的思想文化精华与现代的科学理论与技术方法有机融合，凸显了人文地理学在新时期将地区的人文哲学要素与自然科技要素紧密关联的研究方向，也诠释了水资源系统与人类经济社会和自然生态环境之间相互关联影响、相互动态演化、相互对立统一的辩证唯物主义哲学观。这里，将传统文化与现代科技融合，对现代水资源系统研究是一次大胆的尝试。

理论构建的创新

在理论部分，基于“易学”中有关“一阴一阳之谓道”、“生生之谓易”、“通变致久”、“时与中”的辩证法思想融合其他有关的理论耦合后，构建具有相互作用、对立统一，相互对称、动态均衡，相互交织、耦合关联，相互转化、循环再生特点的水资源系统“易”理论。自然生态环境是大背景，人类经济社会系统是其中的子系统，水资源系统在二者之间承担着物质、能量、信息等转运载体的角色，在二者之间运动、演变。在实证部分，运用系统动力学理论重点对研究区的水资源系统建模与仿真，探索科学、合理、有序、高效地水资源利用和环境风险调控模式。本研究谋篇布局中，理论与实证交相呼应也体现了“易学”哲学思想;另外，从理论构建和演绎的以及运用系统动力学的实证整个过程都无处不体现着水资源系统的“易”理论的特点。这在国内外同类研究中是具有首创性。

系统模拟的创新

这里将“易学”等八种理论与现代水资源系统研究有机整合，运用系统动力学(System Dynamics，SD)理论与方法，充分考虑水资源系统的特点，从“取”、“调”、“用”、“排”的系统整体角度，对水资源系统与生态经济系统和外界自然环境进行考虑，分别构建了水资源供需盈亏平衡和水环境风险调控模型，且两个模型耦合相关成为一个动态的系统。基于仿真结果，提出了水资源系统调控管理的策略，并结合引洮工程实际，用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)，设计出适合研究区的水资源系统管理GIS基础平台。基于“易”理论，将其应用于实证研究过程，这在国内外水资源相关的研究中尚未发现。

应用实例的创新

在应用实例部分，结合作者工作和科研的实际，将水资源循环经济利用与管理的理论分别贯穿应用到工业水资源利用与管理、农村(业)水资源利用与管理、城市水资源利用与管理之中，可以较好地说明水资源利用与管理的重点领域中的效果，并且定性论述与定量分析相结合，图文并茂相展示，这在同类文献中尚不多见，对我国相关研究如何更好的将将理论的先进性、方法的实用性、技术的可操作性有机统一做出了示范。

综上所述，水资源系统“易”理论的构建及其演绎既是本研究中的核心部分，也就是本研究的最重要的理论创新部分。