區(qū)域碳水耦合模擬與基于低碳模式的水資源合理配置研究.pdf

1、在氣候變化背景下，人類和生態(tài)系統(tǒng)的水平衡及碳平衡已成為首要環(huán)境問(wèn)題。氣候變化深刻影響到水循環(huán)多過(guò)程及其多向反饋?zhàn)饔脵C(jī)制，進(jìn)一步加劇水資源供需矛盾，不斷加劇生態(tài)用水與生態(tài)用地被擠占的嚴(yán)峻形勢(shì)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的碳捕獲能力降低;另外，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)化石燃料的需求量也呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致碳排放量增加。碳排放量的增加和碳捕獲量的減少綜合致使碳的凈排放量增加。雖然國(guó)內(nèi)外的碳減排技術(shù)和增匯技術(shù)相繼實(shí)施，逐漸趨向于“減源增匯”的態(tài)勢(shì)，但還沒(méi)達(dá)到碳的凈排放量

2、為負(fù)值的理想狀態(tài)，這是由于減“源”與增“匯”措施相分離。以碳排放與社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水、碳捕獲與生態(tài)需水之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，基于低碳發(fā)展模式的水資源合理配置將碳的凈排放過(guò)程與水資源系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，合理壓縮社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水即實(shí)施節(jié)水措施來(lái)降低社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水，通過(guò)水資源和碳的凈排放聯(lián)合配置抑制碳排放、提高生態(tài)系統(tǒng)供水的保障程度，進(jìn)而增強(qiáng)碳的捕獲能力，該技術(shù)將成為革新傳統(tǒng)水資源開(kāi)發(fā)利用的新方式和減緩及適應(yīng)氣候變化的有力工具。
　　 本文基于“自然-

3、人工”水循環(huán)與碳循環(huán)辨識(shí)了區(qū)域碳水耦合作用機(jī)制，提出基于低碳模式的水資源合理配置內(nèi)涵、總體任務(wù)、基本特征、目標(biāo)與原則。在上述理論支撐下，構(gòu)建碳水耦合概念系統(tǒng)，繪制碳水耦合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖;利用碳水耦合模型和野外原型觀測(cè)技術(shù)定量化化識(shí)別碳水耦合機(jī)制，并預(yù)測(cè)未來(lái)需水量和碳排放量;構(gòu)建不同水平年的水資源合理配置方案集，采用基于低碳模式的水資源合理配置模型對(duì)各方案進(jìn)行模擬，對(duì)比模擬結(jié)果，提出推薦方案及其保障措施，在水資源配置理論與技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

4、
　　 本研究拓展了水資源配置理論，與傳統(tǒng)理論有所不同的是，基于低碳模式的水資源合理配置以區(qū)域碳水耦合機(jī)制為基礎(chǔ)，即以“自然-人工”二元水循環(huán)與碳循環(huán)為主線，將碳循環(huán)耦合到水資源系統(tǒng)中，重點(diǎn)關(guān)注社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與碳排放、生態(tài)環(huán)境用水與碳捕獲之間的關(guān)系，拓展了傳統(tǒng)模式的研究范疇;在設(shè)置總體目標(biāo)時(shí)，不僅考慮傳統(tǒng)模式中的缺水量因素，還考慮了碳的凈排放量，并將低碳性納入配置原則中?；诘吞寄Ｊ降乃Y源合理配置在考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)

5、結(jié)合供水模式、用水模式和工程供水過(guò)程等措施來(lái)抑制區(qū)域碳“源”、提高碳“匯”用水的保障程度。上述理論以區(qū)域碳水耦合作用機(jī)制識(shí)別技術(shù)與基于低碳模式的水資源合理配置技術(shù)為支撐，在這兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。
　　 區(qū)域碳水耦合作用機(jī)制識(shí)別技術(shù)通過(guò)構(gòu)建流域碳水耦合概念系統(tǒng)，將每個(gè)模擬單元分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，前者主要模擬人工水循環(huán)與碳排放過(guò)程，后者則重點(diǎn)模擬自然水循環(huán)與碳捕獲過(guò)程。結(jié)合野外原型觀測(cè)、地理信息技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)

6、，利用區(qū)域碳水耦合模擬整體識(shí)別碳循環(huán)與水循環(huán)的時(shí)空演變特征，以及關(guān)注單方水的碳排放效益、碳捕獲效益與碳的凈排放效益演變，可更直觀地反應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中碳循環(huán)與水循環(huán)要素之間的關(guān)系，以克服以往碳水耦合研究對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的考慮不足和將“碳源”與“碳匯”割裂分析的問(wèn)題。
　　 基于低碳模式的水資源合理配置技術(shù)的核心是配置模型，該模型不僅在目標(biāo)函數(shù)中加入碳的凈排放量，還在約束條件中加入碳平衡條件、碳水關(guān)系指數(shù)與水利工程的碳排

7、放效益指數(shù)，采用基于理想點(diǎn)和遺傳算法的多目標(biāo)規(guī)劃求解法進(jìn)行求解?；诘吞寄Ｊ降乃Y源合理配置方案在保障經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)速率的同時(shí)，通過(guò)內(nèi)部節(jié)水與外調(diào)水措施滿足區(qū)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)需水要求，尤其是生態(tài)環(huán)境方面，并在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)水、供水模式、水利工程布局等方面提出保障措施。
　　 在以上基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)下，以白洋淀流域?yàn)榘袇^(qū)開(kāi)展實(shí)例研究，具體研究成果如下:
　　 (1)白洋淀流域碳水耦合機(jī)制識(shí)別
　　 利用區(qū)域碳水耦合模型

8、對(duì)白洋淀流域碳循環(huán)與水循環(huán)進(jìn)行模擬，取得了良好的效果，進(jìn)而識(shí)別二者的演變規(guī)律及碳水耦合定量化關(guān)系，結(jié)果表明:流域2005-2010年碳排放量和碳的凈排放量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，但碳捕獲量變化趨勢(shì)不顯著，整體呈現(xiàn)碳源;1997-2010年的降水不能滿足蒸散發(fā)要求;雖然流域2005-2010年的供水和用水量均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，但是，在沒(méi)有考慮河道內(nèi)需水和濕地生態(tài)適宜需水的基礎(chǔ)上，流域仍呈現(xiàn)多年缺水狀態(tài);單方水的碳排放和碳的凈排放效益呈顯著增加

9、態(tài)勢(shì)，但碳捕獲效益變化不顯著。
　　 (2)白洋淀流域未來(lái)碳排放與需水預(yù)測(cè)
　　 在明確未來(lái)人口發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速率、生產(chǎn)總值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消耗及其結(jié)構(gòu)等要素變化基礎(chǔ)上，計(jì)算各類能源的消費(fèi)量，結(jié)合不同能源的碳排放系數(shù)預(yù)測(cè)區(qū)域未來(lái)碳排放量，并根據(jù)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的定額用水量或推算定額計(jì)算生產(chǎn)需水、生活需水和生態(tài)需水，對(duì)流域需水進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:與低碳發(fā)展模式相比，外延式發(fā)展模式下流域2015年、202

10、0年和2030年的碳排放量分別增加19.3Mt、64.1Mt和319.1Mt;在不考慮河道內(nèi)和濕地生態(tài)需水情況下，總需水量將分別增加12.7億m3、15.3億m3和21.6億m3。
　　 (3)不同水平年的白洋淀流域配置推薦方案
　　 與現(xiàn)狀年相比，2010年的推薦方案碳排放玲和碳的凈排放量分別降低了3.6％和63.02％，但缺水率高達(dá)10.9％，仍不能滿足流域現(xiàn)狀的需水要求，需外調(diào)水補(bǔ)充供水，且區(qū)域碳捕獲能力也沒(méi)有增加

11、。與外延式發(fā)展情景方案相比，2015年的推薦方案中的缺水率與碳的凈排放量分別降低了26.1％和81％左右，流域供水和需水均為41.85億m3，缺水率為0，但流域仍表現(xiàn)為碳源。2020年，若社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展按照外延式發(fā)展，需采用高節(jié)水方案，缺水率降低30.7％，碳排放與碳的凈排放分別降低11.9％和13.5％，碳捕獲量增加3.7％。若社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展按照低碳發(fā)展模式發(fā)展，則采用中節(jié)水方案，缺水率亦降低30.7％，碳排放與碳的凈排放分別降低60.1