近日，左其亭教授团队在区域水平衡理论方法方面取得突出研究进展，研究成果以题为“区域水平衡及失衡程度度量方法”发表在水利领域顶级期刊《水利学报》。该研究从五个维度刻画和描述了区域水平衡的四大平衡，提出了区域水平衡及失衡程度度量方法，以支撑水网工程建设优化和水资源均衡调控。论文第一作者为左其亭教授，郑州大学水利与交通学院为第一完成单位。《水利学报》创刊于1956年，是水利行业创刊最早、国内外最具影响的学术期刊，在国内水利工程类核心期刊中排第一位，被国内外多家检索系统收录，2023年度世界期刊影响力指数（WJCI）2.556，为中国第一、世界第三（全球共55种入选）。
左其亭教授团队从空间、时间、结构、过程、总量五个维度解构了区域人水系统的四大平衡，即反映水收入项和支出项定量关系的水收支平衡、体现经济社会供水量与需水量匹配关系的经济社会供需水平衡、结合经济社会-生态系统发展与用水定量关系的经济社会与生态用水平衡、表征人水系统发展状态的人水关系和谐平衡，分析了不同平衡的侧重点和特点，明确了量化研究的整体框架和思路，并提出了相应的水平衡度量方法。多角度解析了区域水平衡的失衡状态，提出四大平衡的失衡程度度量方法及区域水平衡的失衡程度综合度量方法。将所提方法应用于沁河流域，计算了该流域五地市各分区、2008—2020年各年的水平衡程度，验证了方法的科学性和适用性。研究成果为区域水平衡评估与调控提供了理论支撑，能够服务于国家或区域水平衡策略制定和水网工程规划。
研究和实现区域水平衡是国家发展重大需求和民族复兴重要手段，有助于保障国民经济和社会持续稳定发展，实现人与自然和谐相处，具有不可替代的战略意义。2020年8月，中国科协发布了十大前沿科学问题，其中之一就是“如何优化变化环境下中国水资源承载力，实现健康的区域水平衡状态”。2021年科技部设立了国家重点研发计划项目“区域水平衡机制与国家水网布局优化研究”。然而，目前针对区域水平衡机制和本构关系的研究尚处于起步阶段，区域水平衡研究的时空尺度、结构框架、涉及过程、数量关系等均需要系统梳理和阐述，量化评估区域水平衡状态和失衡程度，认识现阶段及未来的水平衡问题，需要具有针对性和适用性的方法体系，开展区域水平衡全面解构及定量表征研究具有重要意义和价值。
图文导读：
（一）区域水平衡五个维度解构
（1）总体阐述
区域水平衡以人水系统为研究对象，狭义上包括水收支平衡、经济社会供需水平衡、经济社会与生态用水平衡，广义上再增加人水关系和谐平衡。开展区域水平衡研究需明确一系列问题，主要症结为对于多要素参与、多过程耦合、多层次互馈的人水系统，需要用四大平衡刻画和表征水循环模式和水平衡机制。在研究分析和定量表征过程中，需要回答平衡量化的时空尺度问题、水资源供用需耗的结构问题、地表产流与河道汇流的过程问题、经济社会和生态用水分配比例或总量问题等，需要深挖区域水平衡机制和本构关系，从时空尺度的界定、结构的分析、过程的拆解和数量的关系进行论述。四大平衡在任意时域空间均可应用实践，但考虑研究意义和现实需求的差异，对不同时空尺度具有适宜性和偏向性。空间维度存在区域和流域两种尺度，区域有全球、国家、省市县级行政区等，流域可细分为1级、2级、……、n级流域。时间维度存在年代、年、月、日、小时、分钟等尺度，延伸出多年平均、年平均、月平均等尺度，还存在过去、现状和未来的时段选择问题。
（2）水收支平衡解构
涉及过程有降水、蒸散发、填洼、产流、汇流、排泄、下渗等，结构上包括水收入项、水支出项、水蓄变项。不同时空尺度的水收支平衡研究内容和侧重点有所不同，研究过程中部分要素和过程可以忽略或简化。实际上，由于现有科学认知和技术水平的限制，往往很难表现真实的水收支平衡，从结构项来看，一是难以完全摸清所有涉及要素，二是某些要素由于技术的限制无法被监测或观测，三是要素的真实数据无法获取或只能获得近似值。此外，水收支项的数量关系是平衡的外在表现，还需关注水分转换关系（如地表水-地下水的补排关系）、要素响应特征（如降水-径流、降水-蒸散发的响应关系）、过程演变规律（如坡面产流和河道汇流过程的平稳性）、水量分布状况（如径流在时空分布上的丰枯及不均匀性特征）等平衡的内在表现。
（3）经济社会供需水平衡解构
水资源供给侧（水源）包括地表水、地下水、外调水、其他水源，需求侧（用水户）包括生活（城镇居民和农村居民）、第一产业（农林牧渔）、第二产业（工业、建筑业）、第三产业（商饮业、服务业）。供给侧和需求侧之间存在复杂、联动的网络结构，研究中既要考虑供需两侧的数量平衡，也要保证结构的合理性和有效性，关注水资源在蓄-取-供-用-耗-排过程中的转化关系和流动特征，包括用水的损耗规律和效率特征、点到线和面的耗散结构的有序性、水资源开发利用对水系统的影响等。研究平衡还应水量水质并重，实现消除水量缺水和水质缺水的双重平衡。实现杠杆两端平衡需要兼顾工程措施和非工程措施，前者为缓解供需水冲突提供硬性保障，后者通过各种手段实现对供需水关系的弹性管控。
（4）经济社会与生态用水平衡解构
主体结构为经济社会用水端和生态用水端，不仅体现在两端用水的协调和权衡，而且内含生态需水和供水的平衡关系。在追求平衡的过程中需考虑各部门在用水时段上的协调，如农田灌溉用水随作物生长发育周期会有峰-谷的变化态势，而生态用水量在河谷林草育苗保种期、植被生长期等会有显著增加，需重视和保障河道内敏感期生态流量。过程维度包括经济社会取水和生态耗水、行业排污和水体纳污、生态流量的时间变化、水量交换等。平衡还需要考虑层次性，经济社会用水端可分为刚性、弹性和奢侈用水层次，用水效益随供水量增加而增长；生态用水端分为最小、适宜、最大用水层次，生境质量随供水量增加而改善。
（5）人水关系和谐平衡解构
人文系统和水系统相互作用形成平衡的结构，通过水循环进行过程连接和通量交换，自然因素和人为因素是主要影响因素。该平衡以狭义区域水平衡三大方面的实现为基础，还包括很多其他目标，如水与区域人口经济等相均衡，其关注人文系统水服务需求和区域水资源禀赋特征的关系。其不仅是狭义区域水平衡三大方面的综合，涉及范围更广、方面更多、内容更繁杂。平衡实现应从功能、效率、效益、安全等多角度出发，追求社会繁荣稳定、经济增长有序、资源安全供给、生态健康宜居等状态，是人文系统稳定发展、水系统健康发展、人水系统和谐发展的整体问题。应注意两个问题，一是在特定的时域空间上谈平衡状态的优劣，二是关注平衡循环演化的动态特征。
（二）区域水平衡度量方法
①水收支平衡方程：遵循水量平衡原理构建平衡的通用性方程，从系统观点出发，明确水收支要素及其本底状况即可量化平衡。水收支平衡程度通过对比蓄水变量与水资源总量进行度量，反映水资源禀赋的变化状况，明确制约平衡的原因和决定要素。
②经济社会供需水平衡方程：从供需双侧结构和数量关系出发，构建通用性经济社会供需水平衡方程，考虑水质的影响改进得到考虑水量-水质两方面的平衡方程。经济社会供需水平衡程度通过对比余缺水量与供水量进行表达。
③经济社会与生态用水平衡方程：采用二次平衡计算方法，一次平衡计算将经济社会和生态需水占比作为平衡点，对比实际用水占比和需水占比计算偏离平衡点的程度。兼顾需水时段、区域位置、供水重要性、发展倾斜性、用水效益等因素，对需水占比进行修正，作为二次平衡点。
④人水关系和谐平衡方程：将人水和谐平衡理论方法应用于人水关系和谐平衡定量表征，步骤包括：①确定平衡的五要素（参与者、目标、规则、因素和行为）；②结合对五要素的分析成果和研究区实际情况确定方程中的各个参数；③将参数代入人水关系和谐平衡方程进行求解。
（三）区域水平衡的失衡程度度量方法
失衡是平衡的对立面，失衡程度根据偏离理想平衡点的水平进行度量，过程中应考虑时空差异性、绝对性和相对性、方向性、弹性等特征。时空差异性表现为对不同的时域空间，相同的变化带来的后果并不一致。绝对性在于偏离既定的平衡点或区间就应判别为失衡，相对性在于失衡状态需以判别标准为基准进行度量。方向性体现在偏离平衡两端所代表的含义不同。弹性表现在应因地制宜制定判别标准，注重适应性而不能一概而论，且标准的分级可以适当笼统化。量化思路：利用模糊隶属函数/曲线将平衡偏差值进行映射统一，得到失衡指数，根据判别标准评判失衡状态。隶属函数曲线包括①直线型、②梯形、③抛物线型、④阶梯型等，根据研究实际选择合适的映射方式。鉴于不同失衡方向含义不一致、直接集成会导致相互抵消的问题，对失衡指数求绝对值得到失衡度，平衡度是失衡度的对立面，二者之和为1。集成失衡度得到整体视角下的区域水平衡的失衡度，平衡度的集成方式同失衡度。
（四）沁河流域实例研究
选取沁河流域开展实例应用，研究期为2008—2020年，空间分区为沁河流经的五地市，详细介绍代表年2019年沁河流域的研究结果。2019年，流域水收支失衡指数为-0.258，处于蓄水量减少的中度失衡状态；经济社会供需水失衡指数为-0.187，整体处于水资源短缺的轻度失衡状态，存在一定的用水缺口；经济社会与生态用水失衡指数为-0.564，处于生态端亏水的高度失衡状态；人水关系和谐失衡指数为-0.3，判别为水系统受损的中度失衡状态。流域水平衡的失衡度为0.327，判别沁河流域水平衡处于蓄水量减少、水资源短缺、生态端亏水、水系统受损的中度失衡状态。人水系统尚未达到相互协调的良好循环状态，存在水资源禀赋恶化、地下水超采严重、供需水矛盾突出、生态用水被挤占、部分河段污染严重等问题，后续应注重人类涉水行为的管理和调控，从多方协同的角度改善流域水平衡状态。
参考文献:
左其亭, 吴青松, 纪义虎, 等. 区域水平衡及失衡程度度量方法[J]. 水利学报, 2024, 55(1): 1-12.（ZUO Qiting, WU Qingsong, JI Yihu, et al. Methods for measuring regional water balance and imbalance degree[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2024, 55(1):1-12. (in Chinese)）
文章链接：https://doi.org/10.13243/j.cnki.slxb.20230491
