项目名称 干旱区水权转移效应及其水资源可持续利用规划应用基础 资助类别 国家自然科学基金重大研究计划重点项目 项目负责人 王忠静教授 依托单位 清华大学 合作单位 中国水利水电科学研究院瑞典隆德大学 项目摘要 水权转移既是干旱区环境变迁人类影响因素的焦点,也是水资源规划的核心,还是流域水资源管理 的中心内容之一。本项目从考察干旱区水权转移及相应生态环境演化历史入手,划分不同阶段水权转移及 其生态环境特征,研究水资源利用、生态环境演化、绿洲稳定间作用机制,建立以流域尺度水循环、生态 环境及社会经济耦合系统为基础的流域演化模型,初步提出以水权转移为核心的干旱区水资源规划理论的 应用基础 项目背景及意义 水不仅是支撑地球上各种生命形式存在的基础之一,更是人类社会发展不可替代的基础条 件,纵观全人类社会的发展,都与水资源分布及其利用形式紧密相连,人类漫长的“逐水而居” 发展历史,就是对这一问题的真实写照。在干旱地区,由于其生态环境的脆弱性和人类生存条 件的恶劣性,水更成为维系人类社会经济活动和生态环境的纽带,而绿洲则是这些地区人类生 存乃至一切生命存在的最主要区域和表现形式。这些区域内,人类经济社会活动的80%以上集 中在绿洲区内,我国西部干旱内陆河区,这一比例将超过85%,北非尼罗河流域埃及境内,这 比例更上升到90%以上。 长期以来,干旱区的社会发展和经济增长都是伴随着对水资源的开发利用而进行的,水资 源开发利用方式经历了从单纯利用地表水、联合利用地表地下水到强调提高水资源利用效率的 个开发利用的发展阶段,这些措施在极大地改变着流域水资源循环规律的同时,也促进和影
项目名称： 干旱区水权转移效应及其水资源可持续利用规划应用基础 资助类别： 国家自然科学基金重大研究计划重点项目 项目负责人： 王忠静 教授 依托单位： 清华大学 合作单位： 中国水利水电科学研究院 瑞典隆德大学 项目摘要： 水权转移既是干旱区环境变迁人类影响因素的焦点，也是水资源规划的核心，还是流域水资源管理 的中心内容之一。本项目从考察干旱区水权转移及相应生态环境演化历史入手，划分不同阶段水权转移及 其生态环境特征，研究水资源利用、生态环境演化、绿洲稳定间作用机制，建立以流域尺度水循环、生态 环境及社会经济耦合系统为基础的流域演化模型，初步提出以水权转移为核心的干旱区水资源规划理论的 应用基础。 项目背景及意义 水不仅是支撑地球上各种生命形式存在的基础之一，更是人类社会发展不可替代的基础条 件，纵观全人类社会的发展，都与水资源分布及其利用形式紧密相连，人类漫长的“逐水而居” 发展历史，就是对这一问题的真实写照。在干旱地区，由于其生态环境的脆弱性和人类生存条 件的恶劣性，水更成为维系人类社会经济活动和生态环境的纽带，而绿洲则是这些地区人类生 存乃至一切生命存在的最主要区域和表现形式。这些区域内，人类经济社会活动的 80%以上集 中在绿洲区内，我国西部干旱内陆河区，这一比例将超过 85%，北非尼罗河流域埃及境内，这 一比例更上升到 90%以上。 长期以来，干旱区的社会发展和经济增长都是伴随着对水资源的开发利用而进行的，水资 源开发利用方式经历了从单纯利用地表水、联合利用地表地下水到强调提高水资源利用效率的 3 个开发利用的发展阶段，这些措施在极大地改变着流域水资源循环规律的同时，也促进和影
响着区域社会经济发展以及生态环境格局,绿洲结构从天然绿洲过渡到半天然绿洲甚至发展为 人工绿洲 然而,随着人们对水资源的需求和开发利用日益提高,世界许多地区特别是干旱地区的水 资源出现严重短缺,产生了水资源过度开发的状况,引发了一系列社会问题,如地下水降低 植被退化、河道断流、绿洲搬家以至绿洲消亡等。近些年来,这些干旱区发生的问题已开始扩 散到半干旱区域,如黄河断流即是显著的征兆之一。如何在水资源短缺地区保证水资源的可持 续利用和生态环境与社会经济的稳定,是当今的硏究热点之一。随着我国西部开发战略,能否 回答好这一涉及自然科学和社会科学的复杂问题,是关系着西部开发的成败与可持续发展的基 础科学问题。 自九十年代中起,先后有多项国家级科学研究项目针对上述问题展开:国家“九五”科技 攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”对此设计了6个课题20个专题,开展 了西部水资源问题的第一次联合攻关:正在执行的中国工程院“西北地区水资源配置、生态环 境建设和可持续发展研究”国家重大咨询项目,设计了9个课题,加强了西部开发中几个最紧 迫的水资源问题技术与政策研究:国家重点基础研究发展项目(“973”)也开展了“中国西 部干旱区生态环境演化与调控研究”,将焦点集中在干旱区生态环境问题。 目前国家自然科学基金委员会“中国西部生态和环境科学研究计划”,则将全球环境变化 与人类活动影响下的西部水资源可持续利用问题,将西部水资源环境问题从专门领域扩展到地 球圈层脆弱性的科学范围,更加关注其中基础科学问题和领域研究的交叉、集成与协调,期望 实现从“过程认识”到“地球管理”的飞跃 本申请项目,正是从这一基本思想出发,从关注干旱区水权转移入手,考察水资源开发利 用对水权改变的本质特征,研究水资源再分布引导的水循环方式和生态环境变化过程机理,研 究人类社会发展引导的水资源利用方式与程度改变及其水资源再分布过程,耦合水循环系统 社会经济系统及生态环境系统相互作用关系,建立可逐级描述流域演化过程流域综合动力模 型,并在历史调查的实证分析和机理过程仿真分析的基础上,研究流域尺度水资源开发利用的 水权转移内涵,研究不同条件下伴随水资源开发利用的水权转移阶段特征及其经济社会和生态 环境效应,建立相应的分析评价方法和评价体系,用水资源规划的视角加以归纳总结,丰富干 旱区水资源规划理论的水权转移效应分析基础,为实现西部水资源可持续利用与管理,为西部 大开发背景下的干旱区社会经济可持续发展提供科学支撑
响着区域社会经济发展以及生态环境格局，绿洲结构从天然绿洲过渡到半天然绿洲甚至发展为 人工绿洲。 然而，随着人们对水资源的需求和开发利用日益提高，世界许多地区特别是干旱地区的水 资源出现严重短缺，产生了水资源过度开发的状况，引发了一系列社会问题，如地下水降低、 植被退化、河道断流、绿洲搬家以至绿洲消亡等。近些年来，这些干旱区发生的问题已开始扩 散到半干旱区域，如黄河断流即是显著的征兆之一。如何在水资源短缺地区保证水资源的可持 续利用和生态环境与社会经济的稳定，是当今的研究热点之一。随着我国西部开发战略，能否 回答好这一涉及自然科学和社会科学的复杂问题，是关系着西部开发的成败与可持续发展的基 础科学问题。 自九十年代中起，先后有多项国家级科学研究项目针对上述问题展开：国家“九五”科技 攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”对此设计了 6 个课题 20 个专题，开展 了西部水资源问题的第一次联合攻关；正在执行的中国工程院“西北地区水资源配置、生态环 境建设和可持续发展研究”国家重大咨询项目，设计了 9 个课题，加强了西部开发中几个最紧 迫的水资源问题技术与政策研究；国家重点基础研究发展项目（“973”）也开展了“中国西 部干旱区生态环境演化与调控研究”，将焦点集中在干旱区生态环境问题。 目前国家自然科学基金委员会“中国西部生态和环境科学研究计划”，则将全球环境变化 与人类活动影响下的西部水资源可持续利用问题，将西部水资源环境问题从专门领域扩展到地 球圈层脆弱性的科学范围，更加关注其中基础科学问题和领域研究的交叉、集成与协调，期望 实现从“过程认识”到“地球管理”的飞跃。 本申请项目，正是从这一基本思想出发，从关注干旱区水权转移入手，考察水资源开发利 用对水权改变的本质特征，研究水资源再分布引导的水循环方式和生态环境变化过程机理，研 究人类社会发展引导的水资源利用方式与程度改变及其水资源再分布过程，耦合水循环系统、 社会经济系统及生态环境系统相互作用关系，建立可逐级描述流域演化过程流域综合动力模 型，并在历史调查的实证分析和机理过程仿真分析的基础上，研究流域尺度水资源开发利用的 水权转移内涵，研究不同条件下伴随水资源开发利用的水权转移阶段特征及其经济社会和生态 环境效应，建立相应的分析评价方法和评价体系，用水资源规划的视角加以归纳总结，丰富干 旱区水资源规划理论的水权转移效应分析基础，为实现西部水资源可持续利用与管理，为西部 大开发背景下的干旱区社会经济可持续发展提供科学支撑
本申请项目将以西部资源开发中水资源利用战略与流域管理理论为核心,以干旱区水资源 持续利用规划应用基础理论为目标,涉及如下科学问题: 1)西北干旱区人类以水权转移为表象的水资源开发利用历史调查,实证分析这种水权转 移的社会经济效果及生态环境效应; 2)农田尺度水循环过程的植物耗水机理,灌区尺度水循环过程的生态耗水特性,流域尺 度水循环过程绿洲耗水及其稳定性研究 3)流域尺度宏观经济水资源生态环境耦合系统研究,分析人类活动与环境持续利用与发 展的宏观调控机制 4)干旱区水资源规划中以水权转移的经济社会与生态环境效应分析基础理论和应用研究。 本申请项目将利用经济社会发展、水权转移、水循环变化、水资源再分布、生态环境改变 a经济社会调整的纽带,从以下几方面联系和继承已经启动和完成的研究成果: 1)系统总结和完善本申请集体及合作伙伴在干旱区水资源问题的机理模型与宏观调控分 析模型的研究成果 2)系统总结和吸收相关课题和计划的研究成果,包括本次西部研究计划的中间成果 3)充分利用本研究计划的数据共享机制 4)其它相关的研究计划和生产实践成果,包括人文历史研究成果。 本申请项目将在系统分析理论指导下,利用模型整合技术和耦合技术,进行综合性研究 除回答本申请项目关注的科学问题外,还将为西部计划的“协调”“综合”技术路线,提供流 域尺度研究实例 本申请项目问题分析及国内外研究现状 流域系统定义及其演化动 中国西部干旱区流域生态环境问题,是表层地球环境脆弱性的一个具体表现方面。这个问 题在一定程度上,可以概括为以水循环系统、生态环境系统、经济社会系统密切相关且相互作 用的复杂系统演化问题。从宏观表象上讲,可以将其描述为:流域水循环与分布,养育着干旱 区唯一适合人类社会(规模)生存的绿洲:以绿洲为基础的干旱区经济社会发展,持续改变着 流域水循环方式和水资源分布:水循环方式和水资源分布的改变,不断影响着绿洲环境状态, 进而影响着经济社会的发展及其水资源开发利用状态,形成复杂的动力演化过程。本申请称之 为流域系统综合动力过程
本申请项目将以西部资源开发中水资源利用战略与流域管理理论为核心，以干旱区水资源 可持续利用规划应用基础理论为目标，涉及如下科学问题： 1）西北干旱区人类以水权转移为表象的水资源开发利用历史调查，实证分析这种水权转 移的社会经济效果及生态环境效应； 2）农田尺度水循环过程的植物耗水机理，灌区尺度水循环过程的生态耗水特性，流域尺 度水循环过程绿洲耗水及其稳定性研究； 3）流域尺度宏观经济水资源生态环境耦合系统研究，分析人类活动与环境持续利用与发 展的宏观调控机制； 4）干旱区水资源规划中以水权转移的经济社会与生态环境效应分析基础理论和应用研究。 本申请项目将利用经济社会发展、水权转移、水循环变化、水资源再分布、生态环境改变 à经济社会调整的纽带，从以下几方面联系和继承已经启动和完成的研究成果： 1）系统总结和完善本申请集体及合作伙伴在干旱区水资源问题的机理模型与宏观调控分 析模型的研究成果； 2）系统总结和吸收相关课题和计划的研究成果，包括本次西部研究计划的中间成果； 3）充分利用本研究计划的数据共享机制； 4）其它相关的研究计划和生产实践成果，包括人文历史研究成果。 本申请项目将在系统分析理论指导下，利用模型整合技术和耦合技术，进行综合性研究， 除回答本申请项目关注的科学问题外，还将为西部计划的“协调”“综合”技术路线，提供流 域尺度研究实例。 本申请项目问题分析及国内外研究现状 流域系统定义及其演化动力 中国西部干旱区流域生态环境问题，是表层地球环境脆弱性的一个具体表现方面。这个问 题在一定程度上，可以概括为以水循环系统、生态环境系统、经济社会系统密切相关且相互作 用的复杂系统演化问题。从宏观表象上讲，可以将其描述为：流域水循环与分布，养育着干旱 区唯一适合人类社会（规模）生存的绿洲；以绿洲为基础的干旱区经济社会发展，持续改变着 流域水循环方式和水资源分布；水循环方式和水资源分布的改变，不断影响着绿洲环境状态， 进而影响着经济社会的发展及其水资源开发利用状态，形成复杂的动力演化过程。本申请称之 为流域系统综合动力过程
在近地层和流域尺度上,不考虑气候变迁和流域间物质能量交换时,即流域尺度流域系统 封闭条件下,流域系统综合动力过程有三种原动力:太阳能量和地球重力为基础的水循环动力 太阳辐射和植被光和为基础的绿洲生长动力,人类经济社会发展利用与改造自然的能动力。三 种动力相互作用、相互影响,决定着流域系统状态和的演化方向。再次假定流域尺度封闭条件 下,考察系统每一次平衡的的打破,都可以归结为人类社会发展的要求,人的能动性为始动力。 本申请称之为干旱流域系统演化的元动力。 在水资源为主要制约条件的干旱区绿洲经济社会,元动力的第一冲动将尝试提高水资源利 程度或改变水资源利用方式,打破水资源制约的瓶颈。瓶颈的打破本质上意味着现状水资源 分布状态将改变,水资源将在人与自然之间、人与人之间、生态与生态间重新分布,也即流域 各主(客)体的实际水权将发生改变,随之流域系统将朝适应水资源新分布状态方向演化。因 闭流域系统的流域演化,取决于流域各主(客)体实际水权再分布,即水权转移。 显性水权、隐性水权、实际水权及其意义 考察西部灌溉农业以后的绿洲水资源开发利用方式及其经济社会及生态环境效应,可以发现各种各 样水权分配的规定和改变水权的方式,其中有二种最引普遍:一种是清朝康熙年间,年羹尧在河西走廊诸 流域制定的水杈分配制度。制度规定,流域上、中、下游各县在一年内按时间段取水,下游取水时间段内, 上游禁止取水。从历史上看,这种方式是西北地区近现代使用最长的水权分配方式,仍有流域沿用至今(河 西走廊讨赖河流域):另一种则是现在常用的按量划分的水权分配方式,即根据流域水资源量,遵照 原则,按量分配。这种方式虽然直接规定了上、中、下游各用水单位的分配水量,在多年实践中,却很少 有流域取得满意结果。 通过对上述现象的分析,本申请认为上述水权分配可以化为二类,显性水权和隐性水权。显性水权 直接规定了水量,隐性水权仅规定了可得到水量的时间。从理论和历史的角度分析不同水权制度的实践结 果,可以发现,理论上先进的显性水权分配实践中往往达不到预期效果,用户不满意度高。隐性水权分配 科学性较差,但在实践中得到(群众)广泛认可,特别是下游用户。 研究上述现象的内涵可以发现,显性水权分配虽然将天气及水文的不确定性包含在规定水量中,但 人们对水文过程的随机性的期望控制能力与用户对履行水权中分配水量承诺要求在实践中反差太大,更为 关键的是,显形水权并没有计入人类活动的不确定性,也没有考虑显形水权分配引起的水循环系统一系列 改变及其实际水量分布。这种水权规定的水量与实际得到水量的差异,本申请称之为显性水权与实际(质) 水权差:隐性水权虽然没有科学计算基础,而实际水权分配权利交给水文与气象的随机现象本身,或称为
在近地层和流域尺度上，不考虑气候变迁和流域间物质能量交换时，即流域尺度流域系统 封闭条件下，流域系统综合动力过程有三种原动力：太阳能量和地球重力为基础的水循环动力， 太阳辐射和植被光和为基础的绿洲生长动力，人类经济社会发展利用与改造自然的能动力。三 种动力相互作用、相互影响，决定着流域系统状态和的演化方向。再次假定流域尺度封闭条件 下，考察系统每一次平衡的的打破，都可以归结为人类社会发展的要求，人的能动性为始动力。 本申请称之为干旱流域系统演化的元动力。 在水资源为主要制约条件的干旱区绿洲经济社会，元动力的第一冲动将尝试提高水资源利 用程度或改变水资源利用方式，打破水资源制约的瓶颈。瓶颈的打破本质上意味着现状水资源 分布状态将改变，水资源将在人与自然之间、人与人之间、生态与生态间重新分布，也即流域 各主（客）体的实际水权将发生改变，随之流域系统将朝适应水资源新分布状态方向演化。因 此，封闭流域系统的流域演化，取决于流域各主（客）体实际水权再分布，即水权转移。 显性水权、隐性水权、实际水权及其意义 考察西部灌溉农业以后的绿洲水资源开发利用方式及其经济社会及生态环境效应，可以发现各种各 样水权分配的规定和改变水权的方式，其中有二种最引普遍：一种是清朝康熙年间，年羹尧在河西走廊诸 流域制定的水权分配制度。制度规定，流域上、中、下游各县在一年内按时间段取水，下游取水时间段内， 上游禁止取水。从历史上看，这种方式是西北地区近现代使用最长的水权分配方式，仍有流域沿用至今（河 西走廊讨赖河流域）；另一种则是现在常用的按量划分的水权分配方式，即根据流域水资源量，遵照一定 原则，按量分配。这种方式虽然直接规定了上、中、下游各用水单位的分配水量，在多年实践中，却很少 有流域取得满意结果。 通过对上述现象的分析，本申请认为上述水权分配可以化为二类，显性水权和隐性水权。显性水权 直接规定了水量，隐性水权仅规定了可得到水量的时间。从理论和历史的角度分析不同水权制度的实践结 果，可以发现，理论上先进的显性水权分配实践中往往达不到预期效果，用户不满意度高。隐性水权分配 科学性较差，但在实践中得到（群众）广泛认可，特别是下游用户。 研究上述现象的内涵可以发现，显性水权分配虽然将天气及水文的不确定性包含在规定水量中，但 人们对水文过程的随机性的期望控制能力与用户对履行水权中分配水量承诺要求在实践中反差太大，更为 关键的是，显形水权并没有计入人类活动的不确定性，也没有考虑显形水权分配引起的水循环系统一系列 改变及其实际水量分布。这种水权规定的水量与实际得到水量的差异，本申请称之为显性水权与实际（质） 水权差；隐性水权虽然没有科学计算基础，而实际水权分配权利交给水文与气象的随机现象本身，或称为
交给“上帝”,显然,对随机事件讲,用水户感觉上是公平的。隐性水权的分配方式,实质上就是实际水 权的分配 流域系统的演化取决于实际发生的水资源再分布状态,也即实际水权分布。隐性水权的虽然包含实 际水权的内涵,但自身仍是不确定的,在人类生产力对流域水资源有很强调控能力情况下,这种水权分配 显然制约生产力发展。目前水资源规划及水资源配置理论中对水权的分配,都是显性水权的分配, 握实际发生的水权转移。 因此如何在制定显性水权分配的同时,预测实际水权转移及其生态环境效应,预见流域演化方向,实现对 流域系统的宏观调控,是干旱区水资源规划理论与方法面临的挑战,是干旱区水资源可持续利用及流域管 理理论面临的挑战,本申请项目期望对此方面有所进步 需进一步说明的是:本申请所提出的水权转移的研究,针对的是由于水权转移所引起的水资源分布变化以 及由此产生的生态环境变化问题,属自然科学范畴,是水资源宏观调控和流域管理的基础,是社会科学范 畴中水资源产权及对应意义下的水权交易的科学基础。 干旱区流域宏观经济水资源生态环境耦合系统 要实现水资源规划阶段设计显性水权转移的同时对实际水权转移的预测,必须对显性水权转移所引 起的水循环改变、水资源再分布以及经济社会和生态环境效应进行系统分析及合理评价,需要对流域系统 内部各系统自身规律及系统间作用机制的研究,建立可逐级描述流域系统综合动力过程的模型,本申请称 之为流域综合动力模型。 流域综合动力模型包括以下几个基础科学问题和关键技术 干旱区水循环机理及水文过程 包括农田尺度一维SPAC/ GSPAC系统模型、灌区尺度准二维/二维SVAT系统模型、绿洲及流 域尺度水循环及水资源配置模型等。一维SPAC模型已经有比较广泛的基础,准二维SVAT也有一定探讨, 绿洲及流域尺度水循环模型及水资源配置模型,已有许多可用模型。对上述机理及模型的改进和整理,是 现在面临的重要研究内容。对二维SVAT模型,各国学者正在尝试不同途经解决,如借助陆面过程研究方 法,借助遥感技术辅助分析等,但这是国际上的公认得难点,短时难以突破。 干旱区流域水循环与生态耗水机劊及其环境效应问题。 水循环及生态耗水可分为山区产流区过程和平原绿洲区过程二部分。在考虑流域封闭系统情 况下,山区产流区水循环过程与生态耗水可认为具有水文统计规律,一般可直接引用。对平原区部分,又 可归结为二维/准二维SVAT系统问題。对我国西部干旱区流域水循环及生态耗水的环境效应的分析,其实 践意义上的中心问题是绿洲稳定性问题,在季风胁迫下的绿洲稳定性,直接关系着西部地区承载能力
交给“上帝”，显然，对随机事件讲，用水户感觉上是公平的。隐性水权的分配方式，实质上就是实际水 权的分配。 流域系统的演化取决于实际发生的水资源再分布状态，也即实际水权分布。隐性水权的虽然包含实 际水权的内涵，但自身仍是不确定的，在人类生产力对流域水资源有很强调控能力情况下，这种水权分配 显然制约生产力发展。目前水资源规划及水资源配置理论中对水权的分配，都是显性水权的分配，无法把 握实际发生的水权转移。 因此如何在制定显性水权分配的同时，预测实际水权转移及其生态环境效应，预见流域演化方向，实现对 流域系统的宏观调控，是干旱区水资源规划理论与方法面临的挑战，是干旱区水资源可持续利用及流域管 理理论面临的挑战，本申请项目期望对此方面有所进步。 需进一步说明的是：本申请所提出的水权转移的研究，针对的是由于水权转移所引起的水资源分布变化以 及由此产生的生态环境变化问题，属自然科学范畴，是水资源宏观调控和流域管理的基础，是社会科学范 畴中水资源产权及对应意义下的水权交易的科学基础。 干旱区流域宏观经济水资源生态环境耦合系统 要实现水资源规划阶段设计显性水权转移的同时对实际水权转移的预测，必须对显性水权转移所引 起的水循环改变、水资源再分布以及经济社会和生态环境效应进行系统分析及合理评价，需要对流域系统 内部各系统自身规律及系统间作用机制的研究，建立可逐级描述流域系统综合动力过程的模型，本申请称 之为流域综合动力模型。 流域综合动力模型包括以下几个基础科学问题和关键技术： ⚫ 干旱区水循环机理及水文过程。 包括农田尺度一维 SPAC/GSPAC 系统模型、灌区尺度准二维/二维 SVAT 系统模型、绿洲及流 域尺度水循环及水资源配置模型等。一维 SPAC 模型已经有比较广泛的基础，准二维 SVAT 也有一定探讨， 绿洲及流域尺度水循环模型及水资源配置模型，已有许多可用模型。对上述机理及模型的改进和整理，是 现在面临的重要研究内容。对二维 SVAT 模型，各国学者正在尝试不同途经解决，如借助陆面过程研究方 法，借助遥感技术辅助分析等，但这是国际上的公认得难点，短时难以突破。 ⚫ 干旱区流域水循环与生态耗水机制及其环境效应问题。 水循环及生态耗水可分为山区产流区过程和平原绿洲区过程二部分。在考虑流域封闭系统情 况下，山区产流区水循环过程与生态耗水可认为具有水文统计规律，一般可直接引用。对平原区部分，又 可归结为二维/准二维 SVAT 系统问题。对我国西部干旱区流域水循环及生态耗水的环境效应的分析，其实 践意义上的中心问题是绿洲稳定性问题，在季风胁迫下的绿洲稳定性，直接关系着西部地区承载能力