缺水胁迫区水系统优化调控理论与模式

赵 勇，常奂宇，2，李海红，秦长海，何 凡，曲军霖

(1.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；2.天津师范大学 京津冀生态文明发展研究院，天津 300387)

1 研究背景

随着经济社会用水规模的不断扩大和水资源开发利用能力的显著提升，人类活动对自然水循环的扰动越来越强烈，水循环转化逐渐由自然驱动为主转变为自然-社会共同驱动，并形成了以水循环为纽带的庞大且相互作用关系复杂的水系统。

2005年地球系统科学联盟(ESSP)提出“全球水系统计划”[1]，该计划中对水系统的定义是：以水循环为纽带的人文过程、物理过程、生物地球化学过程相互连接与作用的大系统。而人类活动则是水、养分和能源循环、地表演化等相互作用过程变化的核心驱动力，在人类活动影响下，水系统开始出现显著和快速的变化[2]。由于与人类活动关系密切，水系统相关研究得到了国内外众多学者的关注，且出现了许多类似的概念，如人水耦合系统[3]、人与自然耦合系统(CHANS)[4]、社会水文学[5]、自然-社会二元水循环[6]等，虽然表述方式存在差异，但核心内容都是反映了人类活动影响下的社会“取水-给水-用水-排水-污水回用-再生利用”过程与自然水循环在时间和空间上的相互关系。由于社会水循环和自然水循环是水系统最重要的两个部分，早期往往将这两个子系统分开进行研究，但随着对水系统认识的不断深入，以及人类活动对自然水循环过程影响越来越强烈，社会水系统和自然水系统的耦合作用越来越密切，如人类取用水和退排水直接影响河流水量平衡结果[7]、生态用水和生产用水冲突[8]等，因此越来越多的学者将社会水循环和自然水循环作为一个耦合的水系统进行研究。如自然-社会二元水循环理论[9]，通过“实测-分离-耦合-建模-调控”学科范式实现自然水循环和社会水循环过程耦合模拟，并在海河流域[10-11]、黄河流域[12-13]、辽河流域[14]、新疆绿洲区[15]等人类影响剧烈的流域或区域得到了广泛应用；而社会水文学概念[5]，则侧重于研究人水耦合系统演变规律和互馈机制，在澳大利亚[16]、美国[17]、中国[18-19]、澜湄流域[20]等地区得到了广泛应用；国际水文科学协会10年科学计划(2013—2022年)提出“万物皆流”(Panta Rhei-Everything Flows)为研究计划的主题[21]；左其亭[22]提出人水系统、人水关系等概念，加深了对水系统理论的认识。与此同时，为了定量分析研究水系统，国内外开发了许多相关模型，如以自然水循环过程为基础，通过耦合人类活动进行水系统分析，包括在SWAT模型中加入人类活动影响模块[23]、嵌合水资源配置模块[24]，在WEAP模型中增加自然水循环过程[25]，直接开发自然-社会二元水循环模拟模型(NADUWA3E[26]、WAS[7]、WACM[27])、长江模拟器[28]等，此外，还有通过社会学理念方法进行研究，如采用系统动力学[29]、主体模型[30]、水经济模型[31]等。

上述研究大多聚焦于人工取用水对自然水循环过程的影响，而水系统往往伴随有生态、环境、经济社会等要素演进机制和状态特征。特别是在水资源短缺地区，水系统将面临多方面的问题，如在黄河流域和海河流域，由于水土资源不匹配[32]，该地区生活、生产以及生态需水往往受限或受阻[33-36]，而不同用水部门间也呈现相互竞争关系[37-38]；与此同时，缺水地区往往依赖超采地下水、超量使用地表水来支撑经济社会发展，但由此引发的地下水位下降、地面沉降、河道断流等都将加剧生态问题，并伴随湿地退化、水生生物减少等生态健康破坏等现象[39-42]，此外受水体污染带来的水质型缺水也进一步恶化了缺水地区的供水安全[43]；因此在供水短缺和生态破坏等多重因素影响下，随着人(经济社会系统)、水(自然水系统)、生态(生态与环境系统)深度耦合，缺水地区的经济社会发展和生态环境健康将受到严重的缺水胁迫影响。本文以京津冀地区作为典型的缺水胁迫区研究案例，解析缺水胁迫区水系统耦合和竞争特征，诊断水系统健康状态及其演变成因，探讨水系统优化调控模式和目标路径，以期构建缺水胁迫区水系统优化调控理论模式，促进实现人-水-生态和谐可持续发展。

2 缺水胁迫区水系统内涵与特点

2.1 水系统内涵解析水系统是以水循环为纽带由自然水系统与社会水系统共同构成的人-水-生态耦合系统，在水系统内部，生态环境、经济社会、自然水循环、社会水循环四大子系统之间存在复杂的多维交互效应和正负互馈机制；在水系统外部，受到人类活动和气候变化双重影响。水系统内涵框架如图1所示。图中，自然水系统由自然水循环及其伴生的生态环境子系统构成。生态环境包含生态系统中的生物部分，也包含非生物物质。其中生物部分包括生物的形态、生理和分布等，稳定性、活力、可恢复性是表征自然水系统健康的重要指标；非生物物质则以水循环为纽带，随着水的循环转化在空间上重新分配。社会水系统由社会水循环及其驱动的经济社会子系统构成。社会水循环是指水分在经济社会系统中调蓄、输配、用耗、排放、回用等过程，是为实现水的特定经济社会服务功能的赋存、运移和转化的过程。经济社会是社会水循环的驱动因素，直接影响到自然水系统与社会水系统的相互关系，以至演进过程与规律。

图1 水系统内涵框架

水系统内部各子系统间存在着相互耦合、相互竞争、相互制约的关系。通过水资源“取用”和“退排”过程，实现自然水系统和社会水系统相互耦合；生态环境的维护和经济社会的发展都需要水资源支撑，经济社会内部不同行业和区域也有各自水资源需求，存在相互竞争的关系；自然水循环过程为生态环境提供物质支撑，而社会水循环受经济社会驱动，直接影响着自然水循环过程，过度“取用”和“退排”水资源也会破坏自然水循环过程，影响自然水循环服务功能，从而形成相互制约的关系。

2.2 缺水胁迫区经济社会发展和维持生态健康离不开水资源的支撑，随着社会水系统通量不断增大，如果接近甚至超过自然水系统的更新能力和承载范围，将会对生态环境健康造成负面影响，相比于一般缺水地区，缺水胁迫区因水资源严重透支带来水资源短缺、水环境污染和水生态受损等问题，进而抑制以水为支撑的经济社会正常发展，呈现显著的缺水胁迫现象。缺水胁迫的根本原因是外界条件变化改变了原有的水循环过程，导致经济社会或生态环境水资源供应不足，造成水资源各项服务功能发生退化或受到损害。引起缺水胁迫的原因可分为自然因素和人类活动因素，自然因素主要是由于自然条件变化使得水资源服务功能下降，主要包括气候变化、枯水和自然灾害等；人类活动因素则是由于人类活动导致水资源供给能力下降，主要包括人类活动导致的水资源衰减、经济社会水资源需求、水资源开发利用能力、节水技术水平、污染物排放强度和引调水能力变化等。

京津冀是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳人口最多的地区之一，也是典型的缺水胁迫区，以不到全国1%的水资源，承载了全国8%的人口、8.2%的灌溉面积和8.5%的经济量[44]。由于长期受缺水胁迫，京津冀已经成为我国乃至全世界人类活动对水循环扰动最强烈、水资源承载压力最大、水生态系统受损程度最严重的地区，也是全国地下水超采问题最为严重的地区，导致了地面沉降、海水入侵等一系列生态环境问题[35]。强人类活动影响下开展水系统优化调控与水网工程布局既是支撑京津冀协调发展的重大现实需求，也可为其他缺水地区水资源可持续发展提供路径选择和政策借鉴。

2.3 缺水胁迫区水系统特点在自然和社会双重作用下，缺水胁迫区水系统呈现深度耦合、强烈竞争和系统失衡三大现象。(1)深度耦合，反映了缺水胁迫区各子系统之间的深度联系。经济社会发展对水的依赖性增强，自然水系统与社会水系统交互通量越来越大，存在频繁且紧密的物质信息交换，大部分自然水循环通量被引入到社会水系统，河湖水系水量主要来自于社会水系统排水过程。核心判别指标是高水资源开发利用率，例如京津冀地区，本底水资源有限，经济社会用水需求规模大，水资源开发利用率甚至超过100%[34]。(2)强烈竞争，反映了缺水胁迫区用水的主要矛盾。由于水资源有限，社会水系统内部各区域和各行业之间存在强烈用水竞争，例如北京市密云水库，兴建之初供京津冀两市一省经济社会用水，1982年起，由于北京市用水紧张，停止向天津、河北供水，仅供北京城市生活、工业用水。对于缺水胁迫区，用水竞争不仅仅体现在社会水系统内部，还体现在自然与社会水系统之间的强烈竞争，通过超采地下水、挤占河湖生态用水，增加社会水系统通量，以满足生存和发展的需要。(3)系统失衡，反映了深度耦合和强烈竞争的无序调控结果，表现在水循环失衡、供需失衡和生态失衡三个方面。水循环失衡主要体现在自然水系统水文过程紊乱，主要表征有：一是强人类活动改变了下垫面条件，影响降水产流过程，导致降水产流能力降低。二是大量水库、闸坝等水利工程建设，阻碍河道汇流过程，显著降低了河流的纵向连通性，导致河网的片段化和破碎化，甚至断流干涸。三是地下水持续超采导致地下水位大幅度下降，包气带厚度显著增加，使得地下水与河流的纵向联系丧失，并大大延长了降水入渗补给地下水的补给路径和时间，减少了降水入渗补给量。四是地下水位大幅度下降，形成了地下水降落漏斗，造成了地下水流场紊乱，导致原本沿地形从上游流向下游的地下水，形成了围绕局地开采漏斗的汇流过程[39]。

供需失衡主要体现在经济社会系统受到缺水胁迫。由于水利工程能力显著增强，破坏性缺水问题得到大幅度缓解，但是隐形的发展约束型缺水突出，集中表现在城市人口、灌溉面积、产业选择与布局等受到影响。例如北京市从2006年开始，利用5年时间将年用水量高达5000多万m3的首钢搬迁至唐山市沿海地区，以缓解北京市紧张的用水形势。河北省近些年农业播种面积持续缩减，2019年较2000年减少了10%。这些都是为了适应供需失衡采取的经济结构调整措施。

生态失衡主要体现在自然水系统严重受损。由于自然水系统通量大幅度降低，导致自然河湖面积萎缩严重，水生生物生境遭到破坏，河流流量、流速显著下降，水体自净能力降低，而社会水系统排放量增加也会导致水环境质量下降。南水北调中线工程大规模通水前，京津冀地区55条主要河流中，年均断流166天，断流河段长度占39%；白洋淀、衡水湖、七里海、北大港、南大港、团泊洼等主要湖泊面积较1950年代减少了70%，河湖生物栖息地大量丧失；入海水量仅为1960年代的1/3，河口地区生物多样性锐减；地下水累计超采超过1500亿m3[45]。

3 缺水胁迫区水系统多稳态演进模式与特征

3.1 水系统多稳态演进模式缺水胁迫区水系统存在非稳态和稳态之间交替演进的规律。水系统稳态是指水系统在组成、结构和功能上处于相对稳定的状态，此时，自然水系统处于健康状态，经济社会得以平稳和可持续发展。与稳态相对的，则是非稳态，是指由于自身内部要素的变化或者受到外部的扰动影响，在强烈竞争和深度耦合作用下，水系统在组成、结构和功能上呈现失衡或者非健康的状态，自然水系统受到损害，经济社会可持续发展用水需求无法得到有效保障，发生系统失衡现象。

多稳态则是指特定条件下，水系统在不同阶段可能出现多种组成、结构和功能完全不同的稳定状态。随着外因与内在条件的变化，水系统呈现多稳态演进特征，即稳态与非稳态演变转换发生，并伴随着经济社会从低阶向高阶的发展。缺水胁迫区水系统多稳态演进过程如图2所示，图中纵坐标分别反映了自然水循环通量和社会水循环通量的变化情况，假定水系统初始处于稳态A点，则整个水系统呈现稳态-非稳态-稳态交替演进的过程。

图2 缺水胁迫区水系统多稳态演进过程

(1)稳态下降过程(曲线ABC)。在水系统未受到资源约束情景下，随着经济社会发展，社会水循环通量逐渐增加，自然和社会水循环耦合不断增强，自然水循环通量逐渐被挤占，生态系统健康状态开始下降(A′B′C′)，但仍处于生态系统健康红线范围之内，即此时可以维持河湖生态水量和健康地下水位。当社会水循环通量达到本地资源承载红线约束时(C、C′点)，即经济社会用水量达到本地水资源承载能力时，水系统进入稳态和非稳态临界点。

(2)失稳破坏过程(曲线CD)。在水系统进入临界点C点后，受经济社会发展规模扩大影响，社会水循环通量进一步增长，逐渐超出本地资源承载能力，将出现社会供需失衡，生态系统的健康也将会遭受破坏，出现生态系统失衡，如图中橙色区域所示，整个水系统呈现失稳破坏状态。而地下水位下降等生态系统失衡问题在长期作用下会引发地面沉降等难以逆转的破坏，最终导致生态系统健康红线产生不可恢复的破坏变化。

(3)失稳恢复过程(曲线DJ/DEG/DFH)。水系统失稳后，为了恢复水系统健康，不得不采取需求侧和供给侧联合调控措施，控制用水需求，降低本地供水量(包括本地地表水、地下水以及过境水)，并通过引入外调水、扩大非常规水利用增加资源承载能力。其中经济社会需水总量变化如曲线DJ所示，实体水(外调水、非常规水和本地水之和)供水量变化如曲线DEG所示，本地供水量变化如曲线DFH所示。可以看出，在D点以后，通过虚拟水战略，降低实体水开发利用量；通过外调水提升水资源承载能力，保障生态健康需水量，降低地表、地下等本地供水量。通过需求侧-供给侧联合调控可以使社会水循环通量控制在资源承载红线之内，对应EG/FH过程，使生态系统恢复到健康状态，并最终在G/H点恢复水系统稳态。

(4)新稳态过程(曲线GI/HK)。随着降低社会水循环通量和改善生态系统，使之分别处于资源承载红线和生态健康红线之内，水系统则实现了从非稳态向稳态恢复的过程，进入新的稳态。

3.2 水系统多稳态演进特征缺水胁迫区水系统发展演进过程具有渐变性、突变性和破坏性三方面特征。(1)具有韧性特征，是个渐变过程。水系统具有一定的韧性(恢复力)，当受到轻微扰动时，水系统能够实现自我修复。但是当水系统向失衡过渡时，由于迟滞效应，经济社会对水系统平衡破坏往往缺乏及时反馈作用，水系统的演进和失衡是逐步缓慢发生的，影响程度和破坏深度也是逐步发展渐变的过程，不是一蹴而就。(2)具有临界特征，存在突变过程。水系统状态由平衡到失衡存在突变临界点，一旦突破临界点，水系统状态就发生了质的改变，水资源短缺、水生态环境恶化问题将集中爆发，导致河道断流、湖泊干涸、水环境污染等失衡问题。例如经济社会水系统通量逐渐增加，河湖生态用水逐渐减小，当减小到最小生态需水时，就会带来突变性影响，严重破坏河湖生态环境。同样，地下水持续开采导致地下水位下降，当下降到地下水最大补给能力水位以后，地下水资源补给通量也将显著衰减。(3)具有破坏性，存在无法恢复的不可逆过程。部分水系统失衡产生的生态环境问题可通过后期治理得到修复，如地下水位下降、河湖断流、地表水环境污染等，但是诸如地下水开采导致的地面沉降等问题，则是难以逆转的或者需要长期治理才能得到缓解，呈现不可逆性。因此需要坚决遏制不可逆的系统演变，逐步修复可逆的演变过程。

3.3 京津冀水系统演进过程评价为定量解析缺水胁迫区水系统多稳态演进过程，研究以京津冀为典型区，分别构建自然水系统稳态指数和社会水系统稳态指数来综合评估水系统状态，水系统状态评价指标如表1所示。研究时段为1956—2020年，相关经济社会数据和水资源数据来源于《中国统计年鉴》、京津冀三省市统计年鉴和水资源公报、《海河流域水资源及其开发利用调查评价》[46]等，考虑京津冀三省市在面积上的差异，为了方便不同地区的对比，因此对于水资源量等资源型指标采用单元面积的资源量进行计算，表中健康等级阈值上下限值根据对应指标长系列的最大值和最小值取整设置。

表1 水系统状态评价指标

自然、社会水系统稳态指数是由单项指标健康分值、指标权重共同决定，如式(1)。考虑自然水系统和社会水系统同等重要，因此对于整个水系统稳态指数采用二者的平均值计算。

(1)

式中：Hj为区域水系统第j项稳态指数，处于[0，10]之间，参照评价标准即可确定水系统健康等级状态；Pij为指标i第j项计算分值；Wi为指标i权重值，通过层次分析法确定。

Pij的评估分为两种属性，健康等级随着指标特征值增大而增大的称为正向指标(+)，比如单位面积水资源量，其得分计算如式(2)所示；健康等级随着指标特征值增大而减小的称为负向指标(-)，如地下水埋深，其得分计算如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：Xij为指标i第j项的统计值；Skup为Xij在健康等级s下的上限值；Sklow为Xij在健康等级s下的下限值；Kup为健康等级s的上限值；Klow为健康等级s的下限值。

研究以北京市、天津市、河北省行政区为单元，评估了1956—2020年京津冀水系统稳态指数的时间演化特征，结果如图3所示。可以看出，1956—2020年京津冀地区经济社会一直处于稳定发展状态(图3(c))，对应自然水系统稳态指数则处于迅速下降和缓慢回升状态，在2000年代达到最低后开始逐步回升，与此同时，社会水系统稳态指数经历约20年下降后，在1980年代开始进入上升状态，并且在2000年以后加速增长。从整个水系统稳态指数来看(图3(b))，京津冀地区由于经济社会面临缺水胁迫与强烈竞争，稳态指数从1956年开始一直呈现显著的下降趋势，表明水系统进入了稳态下降和失稳破坏过程，并在1990年代和2000年代之间达到最低，水系统持续处于失衡状态。为了改变水系统失衡状态，近20年来，京津冀地区实施了一系列重要的水资源管理和调整措施，如大幅度调整产业结构，通过减少水资源密集型产业，降低了对水资源的过度需求；推动各行业深度节水，通过引入先进的水资源管理技术和节水措施，有效提高了用水效率；实施京津冀功能区化规划，规划不同区域的功能，如对生态环境敏感的区域采取更加严格的水资源保护和利用措施；以及强化外调水与非常规水利用，显著增加了京津冀地区的水资源供应。通过这一系列措施，京津冀稳态指数开始呈现上升的趋势，水系统发展进入失稳恢复过程，特别是2014年南水北调中线一期工程通水后，为京津冀提供了大量的水资源，为水系统状态向好发展提供了有力支撑。但从整体来看，京津冀地区水系统仍未达到健康水平，其中北京市、天津市水系统改善幅度明显优于河北省。

图3 京津冀水系统演进过程评价结果

4 缺水胁迫区水系统优化调控模式与措施

4.1 调控目标：自然社会水系统健康京津冀地区在1956—2020年水系统稳态指数呈现快速下降和缓慢回升的变化，主要是受到生态系统严重破坏、经济社会用水需求激增等因素影响，因此对于京津冀地区，自然社会水系统健康核心是实现三大目标，维持河湖生态水量、恢复健康地下水位和保障经济社会合理用水需求，通过修复自然水循环健康和基本服务功能，支撑经济社会高质量发展。

(1)自然水系统健康。自然水系统具有资源、生态和环境功能。对于京津冀地区，自然水系统健康的核心表征指标是维持河湖生态水量和健康地下水位。①河湖生态水量是保护河湖生物多样性、维持河湖生态健康的客观需要，是维系生态系统平衡的基本需水量。生态水量主要取决于河湖生态系统组成结构和外界环境保护要求两方面因素，考虑京津冀区域特征和河湖生态环境保护需求，设定层次化生态需水目标和生态耗水率指标，根据“十三五”国家重点研发计划项目“京津冀水资源安全保障技术研发集成与示范应用”研究成果[45]，在多年平均地表水资源量情况下，最小生态需水为河湖不断流，生态耗水率为40%；适宜生态需水对应的生态耗水率为50%；理想生态需水对应的生态耗水率为60%。②健康地下水位是指维护地下水服务功能的水位，具体是由一系列不同功能地下水位目标构成的复合生态水位。在京津冀地区应用评价中，根据地下水位波动变化对生态环境的影响，考虑健康地下水位维持地表水体健康补给、植被健康、遏制海水入侵、控制盐渍化、城镇建筑物安全、地下含水层调蓄和地下水最大补给等七类功能，按照空间分区、功能分类、水位分限、管控分段的思路确定健康浅层地下水位，京津冀健康地下水位上限平均埋深为4.5 m，健康地下水位下限平均埋深为6.5 m[47]，存在显著的空间差异性。

(2)社会水系统健康。健康的社会水系统是指能够满足经济社会发展的合理用水需求，包括提供稳定的供水能力、可靠的调控能力和有效的应急能力等。对社会水系统而言，健康调控的基本目标就是提升经济社会系统的安全性，提升水系统安全保障能力。对于京津冀地区，社会水系统健康调控，就是要破解区域水资源约束瓶颈，以水资源的可持续利用支撑经济可持续发展，实现对经济系统的正向驱动和支持保障。社会水系统健康的关键判别指标是经济社会合理用水需求得到保障，包含两层含义：一是经济社会用水需求是合理的，即经济社会发展规模、结构以及用水效率和效益应当与水资源条件相匹配；二是采取有效举措保障合理的需求，包括通过修建蓄、引、提、调水工程增加当地和外调水量，加大再生水、海水和微咸水等非常规水资源利用量，以及提高降水有效利用等。

4.2 调控模式：“高内聚-低耦合”解耦式调控要实现水系统健康，缺水胁迫区要通过社会水系统的调控，将水资源过度开发利用所造成的外部性影响在经济社会系统内消化，以维系整个水系统的整体健康。所谓“高内聚”是指社会水系统内部要实现高内聚发展，即社会水系统通过延长水循环路径、加大水重复利用等强化系统内部之间的关联，实现节约集约式发展。所谓“低耦合”是指通过降低经济社会发展取用水通量，减小自然水系统和社会水系统之间的取排交换通量，弱化二者之间的耦合程度，从而降低社会水系统对自然水系统的扰动。

对于京津冀缺水胁迫区，虽然近二十多年通过采取水资源管理和调整措施改善了水系统状态，但水系统整体仍处于非稳态，因此仍需要加强供需双向的调控，如图4所示。一方面要强化需求侧层次化调控，在优化产业结构和种植结构、构建高效循环用水体系等基础上，进一步促进社会水系统高内聚式发展，降低对自然水系统的扰动。另一方面在供给侧要实施供水体系的适配性优化。扩大虚拟水利用，增加外调水输入，优化实体水供给，构建京津冀一体化水网布局体系，提升资源承载能力，修复自然水系统。

图4 京津冀水系统供需双向调控路径

4.3 需求侧：“保障刚性-压缩弹性-抑制奢侈”层次化调控由1956—2020年京津冀水系统演进过程评价结果可知，经济社会需水缺水与不同行业用水强烈竞争是威胁水系统健康的重要原因，而产业结构调整、各行业深度节水等需求侧调控显著改善了京津冀水系统稳态状态。因此在缺水胁迫区，避免经济社会用水过快增长是社会水系统调控的重要任务。对于生活需水、工业需水和农业需水，作为经济社会需水的主要组成部分，均是有层次的，根据需求必要性、紧迫程度以及不同行业需水机理和特点，将经济社会需水分为刚性、弹性和奢侈需水三个层次，绘制需水层次化调控理论示意图[48]，如图5所示。其中刚性需水指满足文明生活和良性生产的基本用水；弹性需水是指不影响服务功能情况下，通过节水技术进步和科学调控可节约的用水；奢侈需水是指不产生服务功能或超出承载能力的用水。基于层次化需水理论，提出需水层次化调控模式，即：保障刚性需求、压缩弹性需求、抑制奢侈需求，实现发展和保护兼顾。

图5 需水层次化调控理论示意

在现有水资源管理和调整措施基础上，需要对京津冀生活、工业和农业需水进一步开展层次化调控：对于家庭生活用水[49]，系统调研了北京、天津、石家庄、唐山、张家口、保定、沧州、邯郸、昌黎、张北、容城、正定等京津冀地区12个城市2100个家庭生活用水，定量解析了饮用、烹饪、洗漱、环境清洁、洗澡、洗衣、冲厕等七种用水行为，揭示了家庭生活和各用水行为的用水比例。将不影响家庭居民生活质量，可通过推广节水器具、改变用水习惯、优化水价机制等节约的水量界定为弹性用水，其余水量为刚性用水，发现京津冀居民家庭生活刚性用水占比79%，弹性用水占比为21%。

对于工业用水，研究以用水效率水平来界定层次化需求，万元工业增加值用水量达到国内先进水平的界定为刚性需求，低于国内平均水平的界定为奢侈需求，弹性需求介于两者之间。调研评价了钢铁、火电、石油和化学4个高用水行业，结果显示弹性与奢侈用水占比分别为7.5%、15.3%、26.9%和26.8%[45]。表明不同行业仍有一定效率提升空间，需要通过调整产业结构、发展低耗水产业、更新生产设备、提高生产工艺、增加行业用水率等措施，压缩弹性和抑制奢侈用水需求。

对于农业用水，研究基于京津冀水资源紧缺实际，将奢侈用水界定为超出水资源承载能力且高于保障食物需要的用水量，弹性用水为界于水资源承载范围内与保障食物安全之间的用水量，并以172个县域为单位，进行层次化用水评价[50]。评价结果表明：2018年京津冀农业刚性、弹性和奢侈用水分别占54.4%、21.4%和24.2%；灌溉用水超过承载力的区县有117个，占68%；存在奢侈用水的区县有96个，占56%。未来需要适度控制灌溉规模、适水种植、推广高效节水灌溉技术和最优灌溉模式等提高水分生产效率，压缩弹性和抑制奢侈用水需求。

4.4 供给侧：“自然水网-人工水网-虚拟水网”适配性优化2014年南水北调中线一期工程通水有效支撑了京津冀水系统状态向好的发展。在本地自然水系统、外流域/区域引调水工程等自然水网和人工水网基础上，需要进一步考虑粮食和商品贸易等带来的虚拟水，形成“自然水网-人工水网-虚拟水网”适配性优化。

缺水胁迫区“自然水网-人工水网-虚拟水网” 适配性优化模式如图6所示。①经济社会总供水曲线为ABFH，经济社会发展需要水资源支撑保障，既来自于实体水，也包括粮食和商品贸易伴生的虚拟水，具有实体水和虚拟水两个维度。②实体水供水曲线为ABCDG，由于受本地水资源限制，缺水胁迫区可以通过贸易增加虚拟水输入，减少实体水的消耗，虚拟水量如图中BDGHF围成的黄色区域所示。③本地水供水曲线为ABCDE，当缺水胁迫区本地水资源开发利用量超过资源承载红线后，将引起水系统水循环失衡、供需失衡和生态失衡等问题，在需求侧层次化调控基础上，可以增加虚拟水输入量，也可以实施跨流域跨区域调水，提高资源承载能力，恢复生态健康，对应本地供水将在D点达到峰值，并逐渐下降到本地资源承载红线之下。根据1956—2020年京津冀水系统演进过程评价结果可知，京津冀地区现状水资源开发利用过度，水系统处于t2—t3阶段，因此三网适配性优化的关键在于优化虚拟水网和人工水网。

图6 “自然水网-人工水网-虚拟水网”适配性优化示意

对于虚拟水网，实施虚拟水战略是京津冀产业结构调整和种植结构优化、实现经济社会适水发展的主要措施，也是恢复区域水系统健康的重要举措。基于秦长海等[51]研究成果分析京津冀与外部地区、京津冀内部虚拟水演变格局，发现2017年京津冀地区虚拟水输入量为822.0亿m3，输出量为739.5亿m3，净输入量为82.6亿m3，因此通过虚拟水战略可以极大缓解京津冀地区经济社会对实体水用水需求的压力。

人工水网是指在自然水网的基础上，通过建设引调水工程、河湖水系连通工程、供水渠系工程、控制性调蓄工程等各类水利工程形成具有水资源配置、防洪减灾等多种功能的水网体系。对于人工水网，2020年京津冀地区总供水量为251.2亿m3，其中外调水供水量60.6亿m3，占24.1%，由南水北调中线、引黄入冀补淀和引滦入唐、引滦入津等流域外和流域内调水工程构成的人工水网，已经成为京津冀水安全保障的重要措施。未来京津冀要以漳卫河、子牙河、黑龙港、大清河、永定河、北三河、滦河等天然水系为基础，以南水北调中线和东线工程、万家寨引水工程、引黄入冀补淀工程等国家级调水工程为主动脉，统筹考虑南水北调受水区、滦河区、山丘区、坝上地区和地表水、地下水、再生水、引江水、引黄水、淡化海水、雨水、微咸水八大水源，以地表水库和湖泊湿地为调蓄节点，形成集水资源保障、水生态修复、防洪减灾等功能于一体的水网体系，整体构建“三线七河、四区八源”京津冀一体化水网布局，如图7所示，保障区域水安全。

图7 京津冀“三线七河、四区八源”一体化水网布局示意

5 结论

在缺水胁迫影响下，区域经济社会发展和生态健康将受到显著制约，本文以京津冀为缺水胁迫区典型案例，解析了缺水胁迫区水系统内涵与特点，开展了区域水系统演变模式研究，并提出了水系统优化调控模式和目标路径，主要结论如下：

(1)水系统是以水循环为纽带由自然水系统与社会水系统共同构成的人-水-生态耦合系统，子系统间存在复杂的多维交互效应和正负互馈机制，在缺水胁迫区，受子系统间深度耦合和强烈竞争的无序调控影响，水系统将会出现水循环失衡、供需失衡和生态失衡三方面失衡。

(2)缺水胁迫区水系统呈现稳态-非稳态-稳态交替演进的规律，具有渐变性、突变性和破坏性三方面特征。基于水系统稳态指数评估的京津冀1956—2020年水系统演进过程表明，京津冀水系统呈现稳态下降、失稳破坏和失稳恢复的演进过程，符合缺水胁迫区水系统多稳态演进模式。

(3)以自然社会水系统健康为缺水胁迫区调控目标，提出“高内聚-低耦合”解耦式调控模式。结合京津冀实际情况，提出在需求侧开展“保障刚性-压缩弹性-抑制奢侈”层次化调控，在供给侧开展“自然水网-人工水网-虚拟水网”适配性优化，实现自然水循环健康和基本服务功能的修复，以支撑经济社会高质量发展。

本文的研究成果有助于客观认识水系统发展演变，有助于遵循基本发展规律提出有效的针对缺水胁迫区水系统优化调控的方法。