基于海河流域经济社会发展及与水资源相关的生态环境现状问题，论述海河流域水资源、经济、社会、生态、环境五个维度各自和相互之间可持续发展目标下的协调与整体调控决策过程和决策方法。提出了高强度人类活动影响下的海河流域多维整体临界调控的知识理论体系和海河流域多维临界调控理论框架、调控准则和调控方法；分析提炼了多维调控的表征体系及关键指标，形成了流域水循环多维临界整体调控阈值分析计算方法，评估了各关键指标的理想点和阈值，提出流域水循环多维临界整体调控阈值分析计算方法；提出了水循环系统五维三层次递进（水循环再生维持能力、经济社会发展与水生态环境保护平衡模式、提高水资源保障能力）方案设置技术与方案集，提出了海河流域水循环多维临界整体调控的水资源高效利用与管理模式；创建了五维临界调控的决策机制，根据多维之间价值均衡关系提出了流域综合效益平衡下的总量控制指标，预测了南水北调工程通水后海河流域生态环境效应。

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　　随着可持续发展理论被广泛认可.在流域水资源规划和管理中越来越重视经济-环境-社会协调发展的理念.其理论和实践相对以往出现了显著变化.对水循环和水资源系统多维属性的认识推动了水资源的管理决策从以单一的经济为主向经济社会?生态环境等并重的方向发展.水资源相关决策的科学化迫切需要在规划理论?决策方法和定量手段上实现一系列的突破.因而对水循环进行多角度研究和调控成为水资源管理的必然趋势.水循环多维临界调控正是针对水资源决策的多目标特性和复杂性日趋增加.在水资源相关伴生问题越来越得到重视的背景下逐渐发展起来的.具有鲜明的时代特征。
　　水循环多维临界调控是针对水资源开发利用与保护的决策方式.按照自然规律和经济规律对流域水循环及其影响水循环的自然?社会?经济和生态诸因素进行整体分析.遵循水平衡机制?经济机制和生态机制提出决策方法和相应措施.实现流域整体的综合社会福利最大化。
　　1.1.2水循环多维系统的临界特征
　　按照可再生资源维持可持续性的一般原则.可再生资源的使用速度不应超过其再生速度.否则将会削减自然资本存量.即再生资源的利用具有由平衡到不平衡状态转移的临界点.水资源属于可再生资源.水循环及其伴生过程所形成的系统也随之具有可再生资源的特征.因而也具有多维临界的特征。
　　赫尔曼.戴利(HermanDaly)1991年提出维持可持续性的三条原则:①使用可再生资源的速度不超过其再生速度.②使用不可再生资源的速度不超过其可再生替代物的开发速度.③污染物排放速度不超过环境的自净容量.水资源作为一种可再生资源.其可持续性的维持需要符合以上三条原则。
　　水资源的紧缺已成为限制社会发展的主要因子之一.作为人们生活和生产用水的主要来源.水资源的过度利用超过了水循环的更新能力.这已成为引发各种水问题的主要原因.尤其在海河流域.地下水的超采致使地下水位明显下降.形成巨型漏斗.出现枯竭状态.河道水量过程难以维持.导致地表生态恶化?海水入侵?地面沉降等一系列灾难性后果.对区域的可持续发展构成威胁.因此.水资源的开发利用存在可持续性维持的临界状态.水资源开发直接影响经济发展的可持续性.经济发展需要维持一定的水量需求和增长空间.水资源短缺会形成对经济增长的制约.水量分配的不均衡性会影响社会公平.水循环自身可持续能力和经济增长以及社会公平的维持之间存在此消彼长的竞争关系.因此.在水循环临界状态的基础上经济维和社会维也存在其自身的临界状态。
　　流域生态用水关系到流域内生态系统的稳定性.当用于生态的水量低于生物需求的最低值时.系统生态不能维持.环境也存在水体自净能力维持的临界状态.因此.水循环中生态维和环境维也存在临界状态的转换.生态和环境水量也需要临界调控。
　　水循环的五种基本属性关联伴生.每一维属性对应着相应的子系统特征.某一属性的破坏不仅影响与其伴生的资源服务功能.而且还会给其他属性功能的实现带来负面影响.对该子系统和其他子系统产生不可逆转的破坏.因此.作为每一维的特性其代表性指标在一定范围之内时.系统可以维持正常的运行和发展.而突破一定范围则会引起各种变化.最终形成不可持续的后果。
　　水循环的五维特征伴随水资源可持续的维持均存在临界状态的转换.目前.对巨系统的研究尚处于从定性到定量的综合研究过程中.实现精确预测和控制还面临着许多困难.对多维临界调控的研究还需进一步深入.以实现在五维效益转换量化分析基础上的临界调控措施。
　　1.1.3多维调控决策
　　1.1.3.1水循环及其伴生过程
　　(1)天然水循环过程
　　从地球系统来看.水循环是气候和生物圈长期相互作用的结果.天然水循环实际就是在气候?地理以及区域生物圈等自然要素控制和影响下的大气水?地表水?土壤水和地下水的转换过程.天然水循环是自然系统长期进化的产物.同时也为其他众多的生态系统平衡提供了基础。
　　(2)水循环与经济社会的相互作用
　　水资源是支撑区域社会经济发展最为重要的一个基本要素.而社会生产力水平的提高也影响到了天然水循环过程.因此二者形成了相互影响的关系.这种关系对缺水地区更为明显.随着生产能力的增强?用水需求的增加.经济活动对天然水循环的影响也逐渐增大.而区域水资源条件也演变成为影响甚至限制区域经济社会发展的重要因素.因此水与经济社会相互作用的关系成为研究水资源问题不可忽略的因素.
　　从区域经济社会发展与水循环演变过程分析.二者存在相互作用的机制和规律.社会经济增长和人类生活水平提高所导致的对水需求的增长是人类改变水循环的直接动力.人类通过改变天然水循环系统以满足提高社会生产能力的需求.最终又通过水的供用耗排过程影响自然环境.这使得天然水循环受到人类活动的严重干扰.而人类其他大规模的改造自然的活动又将引起区域局部气候的变化以及地理地质条件的改变.这些均可对水循环过程.包括水量?水质和水资源的时空分布产生重大影响.
　　(3)地表水和地下水取用水系统与水量转化过程
　　地表水和地下水是经济用水的最主要来源.也是人类活动改变天然水循环的主要对象.天然水循环过程中地表径流与地下水存在密切的转换关系.人工用水强化了这种转换关系.图1-1给出了地表水系统水量转化过程.而图1-2给出了地下水系统水量转化过程.
　　地表径流经工程调控后供给用水户.未利用的地表径流和水利工程弃水排向下游断面.地表水工程是系统的重要调控手段.在地表水利用过程中.下游断面的出流量和过程以及对用水户的供水过程是系统目标.在地表水量的传递过程中存在对地下水的渗漏补给和蒸发等过程.地下水与地表水之间的转换关系包括天然的补排关系以及由人工用水形成的补排关系.
　　(4)水环境演变过程
　　在人类剧烈活动影响下的水环境伴随水循环过程呈现出两种演变趋势.一方面是经济社会发展导致用水量和污染负荷排放量同步增加.另一方面是流域水循环改变引起河道径流过程改变.河道径流的流量?流速以及水量时空分布变化导致污染物迁移转化规律的演变.以海河流域为例.二元水循环驱动下的水体污染和环境污染演变出现强烈的变化.表现出不同地表?地下水体单元及流域水污染的综合性特征.因此.水环境的演变需要研究
　　图1-1地表水系统水量转化过程示意图
　　图1-2地下水系统水量转化过程示意图
　　水循环系统演化驱动下的海河流域水污染演变规律.评估水环境系统的关键影响指标和可恢复性.依据水环境承载能力制定科学的水环境保护目标.分析水污染防治调控方案以及与保护目标相适应的水循环调控阈值标准和实施方案.
　　(5)水生态演变过程
　　流域水生态的最大决定性因素是天然降水.驱动水生态演变的主要动力是水循环过程中蒸发?径流等垂直和水平方向水量过程的变化.水资源开发利用强度的增加导致水循环各分支通量的变化.进而胁迫原有天然水循环主导方式下的流域水生?湿生生态系统演化.人类活动下与水生态相关的演变途径包括:①农田灌溉面积发展?城市化以及种植结构和方式的改变影响了区域土地利用格局.改变了产汇流的下垫面.改变了流域生态本底和区域生态链物质能量交互途径.②用水耗水导致水循环在结构?过程上发生改变.使得地表径流减少?入海水量降低.长期水分亏缺对河流?湖泊?湿地和河口等重要生态系统造成影响.③地下水位变化改变地表水地下水水量交换过程.使得地下水生态系统驱动条件发生变化并出现适应性演变。
　　水生态演变过程具有累积效应.不同生态系统在流域水循环结构大幅度改变之后.水分条件与流域生态效应演变机理的关系变得十分复杂.对生态演变机理的分析需要明确水循环的生态服务功能.评估生态系统的可恢复性.在此基础上制定合理的生态修复目标.如湿地面积?生态基流和地下水位等.分析影响生态演变的控制性阈值.提出与水分条件相适应的流域合理生态调控修复方案。
　　1.1.3.2多维调控的决策需求
　　明确水循环的多维属性和相关过程后.需要根据各维属性的调控目标提出决策需求.最终得出综合的调控方式.
　　(1)针对资源维的水平衡决策
　　对于资源属性.其调控目标是水循环的稳定性和可再生性.具有天然主循环和人工侧支循环二元结构的流域水资源演化不仅构成了经济社会发展的资源基础.是生态环境的控制因素.同时也是诸多水问题的共同症结所在.因此.水资源可持续利用是确保经济社会和生态环境的可持续发展的前提.分析水量在各维服务目标之间的合理均衡是资源维调控的决策需求。
　　(2)针对经济维的成本收益决策
　　水循环调控的经济决策机制根据社会净福利最大和边际成本替代这两个准则确定合理的水量供需.在宏观层次.抑制水资源需求需要付出代价.增加水资源供给也要付出代价.两者间的平衡应以更大范围内的全社会总代价最小(社会净福利最大)为准则.在微观层次.需要分析投入与产出效益之间的经济平衡关系.以决策综合效益最大化为原则.不同水平上抑制需求的边际成本在变化.增加供给的边际成本也在变化.二者的平衡应以边际成本相等或大体相当为准则。
　　(3)针对社会维的公平性需求
　　社会决策机制的核心是体现水资源分配利用的公平性.包括水量配置区域间的公平性?时间上的公平性?行业间的公平性以及代际公平性.通过社会决策机制.实现社会的均衡发展.同时满足资源战略性储备.为实现可持续开发利用留有余地。
　　(4)针对生态维的可持续发展需求
　　水循环调控的生态决策机制核心是水资源利用的可持续性.在保证水循环过程的稳定健康基础上实现流域内部的经济用水和生态用水的总体合理配置格局.同时在水资源系统运行调度中尽量考虑对生态保护目标和水量需求的满足。
　　(5)针对环境维的水量水质联合配置
　　环境属性的核心是关注水环境质量对社会的综合效益.水质的控制和水量调控必须联合进行.通过调控使得控制断面水环境和水功能区划满足水环境要求.同时.环境决策机制中还包括对水污染损失的衡量?废污水处理和再生水利用的边际成本和效益对水量在行业区域间分配的影响。
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