左其亭教授团队在《水利学报》发表区域水平衡与国家水网研究成果
近日，左其亭教授团队在区域水平衡理论方法与国家水网布局优化研究方面取得突出研究进展，研究成果以题为“基于区域水平衡的国家水网构建规划与效益评估框架”发表在水利领域顶级期刊《水利学报》。该研究基于区域水平衡理论与国家水网构建关联关系，明确了基于区域水平衡的国家水网构建原则，提出了基于区域水平衡的国家水网构建规划，梳理并总结了基于区域水平衡的国家水网构建效益评估框架及方法。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。2024年，入选中国科技期刊卓越行动计划二期“中文领军期刊”项目，世界期刊影响力指数（WJCI）2.817，位于Q1区，居水利工程学科期刊世界第一位。
左其亭教授团队基于国家水网构建背景和区域水平衡理论，系统分析了国家水网构建和区域水平衡的关联关系，提出了基于区域水平衡的国家水网构建原则，并从规划目标、关键内容、支撑体系等方面详细介绍了国家水网构建规划框架。提出了基于区域水平衡的国家水网构建效益评估框架，系统梳理了效益评估研究涉及维度与主要内容，将相关研究方法归纳为综合评价方法、相关分析方法、耦合度量方法、定量计算方法、模型模拟方法和综合应用方法，并展望了效益评估研究的应用前景。研究成果可为进一步完善区域水平衡理论和优化国家水网构建规划提供理论支撑。
实现健康的区域水平衡是保障国家水安全和高质量发展的关键，而构建安全可靠、智慧高效的国家水网是优化区域水平衡的关键举措。因此，基于区域水平衡开展国家水网构建既是当前学术研究的热点问题，也是国家水利事业发展的关键科学难题。自“十四五”国家重点研发计划设立“区域水平衡机制与国家水网布局优化研究”项目以来，水利工作者围绕区域水平衡和国家水网开展了大量的研究。然而，当前国家水网构建在构建原则、工程规划及效益评估等重要内容尚待深化，对于水网工程“为什么建、能不能建、如何建”等关键决策问题缺乏坚实的理论支撑与量化依据，难以形成科学清晰的战略共识。亟需结合区域水平衡理论方法，明确国家水网构建原则，规划构建蓝图，开展效益评估方法探索，从而推动水网工程高质量发展。
图文导读
（一） 基于区域水平衡的国家水网构建原则
基于区域水平衡的国家水网构建原则
国家水网构建原则是以“四水四定”为约束，以人水系统多过程耦合协同为基础，以多层级水平衡控制为核心，以资源空间均衡为任务，以保障水安全为目标，以支撑高质量发展为动力。
①“四水四定”原则：这是国家水网构建的约束性原则。国家水网构建需要紧密围绕“四水四定”原则展开，这不仅有助于实现健康的水平衡状态，还能有效提升区域水安全保障能力，促进人与自然和谐共生。
②人水系统多过程耦合协同原则：这是国家水网构建的基本遵循。即考虑水循环流畅性，精细调控物质循环，维持生物过程健康稳定，促进人文过程和谐共生。
③多层级水平衡控制原则：这是国家水网构建的核心要义。强调基于区域水平衡的国家水网构建，其工程规划需以水收支动态平衡为基础，精准匹配经济社会用水需求，协调人类与生态用水关系，促进人与自然和谐共生。
④资源空间均衡原则：这是国家水网构建的重要任务。推动水资源空间均衡调配，促进水土资源协调匹配，提升用水效率，保障区域发展机会公平，降低工程风险，维护生态承载力。
⑤水安全保障原则：这是国家水网构建的基本目标。以区域水平衡调控为驱动，以水利工程构建为路径，提升水资源调蓄与供给能力，有效防控水灾害，保护修复生态环境，为经济社会发展提供坚实的水安全保障。
⑥高质量发展原则：这是国家水网构建的内生动力。依托智能技术构建安全、绿色、智慧、融合的现代化水利基础设施体系，精准调控水资源，提高资源供给的均衡性和稳定性，以确保水资源开发与生态系统保护相协调，支撑区域高质量发展。
（二） 基于区域水平衡的国家水网构建规划
基于区域水平衡的国家水网构建规划框架
（1）规划目标与框架
国家水网构建规划应在遵循构建原则的前提下，通过规划水网构建布局，应对气候变化和人类活动带来的复杂挑战，实现多重目标功能。具体包括：优化配置水资源、优化多层次区域水平衡状态、强化防洪减灾能力、保障生态安全、促进经济繁荣、弘扬水文化。
（2）关键内容
①工程建设：构建水网主骨架动脉，织密多层级水网体系，打牢水源调蓄工程。
②机制运行：四级水网协同联动，全周期动态管理。
③资源配置：空间均衡调配格局构建，多水源统筹高效利用吗，多目标协同精准调度。
④生态治理：筑牢防灾生态屏障，水源涵养与水土保持，地下水超采综合治理。
⑤数字化建设：水网多过程模拟器构建，风险预警系统构建，数字化水网建设。
⑥制度保障：水权交易市场培育，生态补偿制度完善。
（3）支撑体系
①技术方法体系：集成先进监测与感知技术构建全方位监测网络，开发高精度模拟模型为水网运行提供科学决策依据；应用智能调度与优化技术实现水资源高效配置，推动数字孪生水网建设；提升管理效能，加强跨区域协调与信息共享，促进协同治理，并注重技术创新与示范应用以推动数字水网迭代升级。
②制度管理体系：建立健全完善的政策法规体系，明确水网规划、建设、管理及运营的标准与规范，确保工程安全与高效运行；强化水权市场改革，完善水价形成机制，发挥价格杠杆调节作用，促进水资源节约与高效利用；建立跨区域协调机制，促进水网工程区“一主四域”协同治理。
③人才培养体系：注重培养跨学科、复合型的水利人才。通过整合高校、科研机构及水利行业资源，构建涵盖水利工程、生态学、信息学、计算机科学、经济学等多学科的课程体系，培养具备深厚理论基础与实践能力的专业人才。同时，强化科技创新与成果转化激励，为水网构建提供持续的技术支持与人才保障。
④学科建设体系：构建多学科交叉融合体系，深化区域水平衡理论研究，加强自然科学与社会科学的结合，引入生态水文学与生态工程学理论，应用信息科学与大数据技术分析，并强化经济学与社会学分析，积极发展人水关系学。
（三） 基于区域水平衡的国家水网构建规划
基于区域水平衡的国家水网效益评估框架 
（1）评估框架
国家水网构建效益评估的本质，是对国家水网构建在优化区域水平衡状态、促进水资源优化配置、提升水安全保障能力、实现经济社会与生态协调发展等方面所取得的成效进行全面、系统的评价与分析。这一评估过程不仅关注国家水网在物理层面的构建情况，更深入到水资源配置、水安全保障、经济社会发展和生态保护等多个维度，全面评估国家水网构建所带来的综合效益。
在开展具体评估工作时，需对国家水网构建从时间、空间、系统、要素等多个维度进行深入剖析。同时，采用相应的量化方法对国家水网构建的综合效益、要素适配性分析、定量计算以及模型模拟等关键科学问题进行定量分析与评估，从而为提升国家水网构建质量和效益提供科学依据。
（2）评估维度
①时间维度：代际、年际、年内或更短时间尺度。
②空间维度：流域尺度/区域尺度。
③系统维度：水资源系统，经济社会系统，生态系统
④要素维度：水、城、地、人、产、绿六大要素。
（3）评估内容
①国家水网效益综合评价：从多个维度对国家水网构建及区域水平衡状态进行全面综合的评估，以量化水网工程整体的效益。主要包含区域水平衡状态、水网工程连通性与功能性、水安全程度、水资源配置效益、经济社会效益、生态效益、工程建设成本等方面。
②水网工程影响因素与关键节点辨识：对水网工程效益影响的自然或人文因素进行辨识，包括分析水资源供需矛盾、水质污染、生态用水挤占等失衡要素，以及识别水源地、调水工程、蓄水工程及排水管网等关键节点。
③水平衡与水网工程适配性分析：针对工程区水资源禀赋、经济社会供需关系、生态保护任务和工程建设成本，结合国家水网构建的总体目标和功能定位，对区域水平衡状况、水网工程功能效益以及水网工程建设成本与经济效益的匹配关系进行量化分析，以解释区域水平衡与国家水网构建的协同与矛盾。
④水网效益要素关键阈值确定：要素既是定量表征水网效益的重要指标，也是开展相关研究的基础。主要是基于数学或物理公式计算水平衡状态及水网综合效益的关键要素阈值，为水资源的合理配置和国家水网构建提供量化依据。
⑤智能国家水网模拟器构建：通过对特定条件下水循环过程、气候变化、生物群落演替以及人类活动进行仿真模拟，从而模拟和预测区域水平衡演变趋势。同时，结合现代信息技术，构建智能国家水网模拟器，实现水网工程运行状态的实时监控与预警，以及不同调度方案下的水网效益评估，为优化水网工程构建提供工具。
（4）评估方法
①综合评价方法：通过确定合理的评估指标体系和各评估维度权重值，对系统的整体结果进行综合评估，应用于评估国家水网综合效益。
②相关分析方法：通过定量探究研究对象的各个参数与变量间的相互关系，揭示其内在联系并明确要素贡献，应用于水网工程影响因素与关键节点辨识。
③耦合度量方法：通过定量分析这些系统间的耦合关系，揭示多个系统间的匹配关系及相互影响，主要用于探究水平衡与水网工程之间的匹配关系。
④定量计算方法：依据数学或物理公式，对水网效益要素关键阈值进行精确量化以提供明确的数值结果。
⑤模型模拟方法：通过构建动态模拟模型对水网工程运行下的水循环过程、生物演变过程、经济社会发展趋势进行仿真模拟，以明晰不同构建方案下区域水平衡及国家水网效益变化趋势。
⑥综合应用方法：国家水网构建效益评估是一个复杂、系统的研究问题，除了针对具体研究采用相应的方法进行评估外，也可以通过多种方法相互配合实现对水网工程效益的全面分析。具体来说，定量计算方法和模型模拟方法可实现对水平衡及水网工程参与要素的定量核定，为相关研究提供数据支撑；综合评价方法则是进一步从宏观视角对国家水网构建的整体效益进行综合评估；而相关分析方法和耦合度量方法则是在此基础上深入分析影响效益的关键因素及工程各参与部分的作用机制为改善区域水平衡状态和国家水网构建规划提供科学依据。
（5）应用前景
在区域水平衡理论研究中的应用前景：一方面，针对国家水网效益评估的研究实践将进一步丰富和完善区域水平衡理论方法体系，以反映区域水平衡的真实变化特征；另一方面，基于效益评估需求的水网模拟模型可对区域水平衡及人水系统多过程耦合作用进行更精准的模拟和研判；此外，效益评估研究可推动区域水平衡理论与相关领域的的交叉融合，如气候变化、工程运行、经济规律等，扩展区域水平衡理论方法的应用范围。
在国家水网构建实践中的应用前景：一方面，效益评估结果可以为水网的科学规划、优化运行及政策制定提供有力依据；另一方面，效益评估的研究需求推动水网运行监测技术的研发与应用，提高监测数据的准确性和实时性，为效益评估提供更为可靠的数据支持，助力数字孪生流域的构建。
