跨区域水资源代谢网络模拟与可持续利用路径联动优化

Under the increasingly close cooperation of industry distribution, inter-regional water resources management can regulate economic and social activities of regions, and at the same time achieve the optimization of water resource system. From a societal metabolism perspective, this study will quantify the directions and magnitudes of water supply, water use, sewage treatment and wastewater reuse and other water metabolic flows, and identify the network topology based on the nodes comprised by sectors and develop the inter-regional water metabolic network model, and we will simulate the cycling-accumulation effect among sectors in the model. Based on the two modules of water network model, that is metabolic structural module and functional module, we will establish a comprehensive evaluation index system for inter-regional water resources metabolism, and assess the metabolic efficiency, low-carbon and sustainability performance of water use system. Building on the interaction among different optimization goals, different sectors and different regions, we will propose an interactive optimization scheme for low-carbon sustainable path for inter-regional water resources systems, thus promoting the coordinated development of regional ecosystem, economy and society.

在日益紧密的产业布局合作下，跨区域水资源管理可在统筹各地经济社会活动的同时，实现对水资源利用的系统优化。本研究基于经济社会代谢的角度，核算供水、用水、污水处理和污水回用等水资源代谢方向和流量，识别各取水-用水部门为节点组成的水资源代谢网络拓扑结构，构建水代谢网络跨区域模型，模拟水代谢部门间的循环-累积效应，根据水代谢结构模块和功能模块，建立水资源代谢综合评价指标体系，测度水资源代谢效率和低碳可持续性表现，基于不同优化目标、部门间、地区间的联动关系，提出跨区域水资源系统的低碳可持续路径联动优化方案，促进区域生态经济社会协调发展。

新常态下，城市化加速和人均消费快速增加成为了经济发展的双驱动，工业、农业和居民需水量将继续攀升，产生诸如局部水资源短缺、部门间用水冲突以及碳排放增加等问题。全球化下跨区域贸易的增多，将加剧局部的水资源保护与优化调控的压力。在这一形势下，寻求跨区域尺度下的水资源低碳可持续利用的协同路径具有十分重要的科学和现实意义。. 本研究从代谢系统入手，提出了基于全生命周期角度资源代谢核算框架，显著地拓展了现有的社会代谢研究框架。该方法框架定义了经济社会系统内水资源代谢类别与用途，揭示了经济社会活动与水代谢系统的相互作用，确定了各部门间、地区之间和跨区域边界的水资源流动方向。以粤港澳大湾区城市群为案例，核算了多地贸易相关产品和服务的隐含水资源输入输出流量，追踪量化了各部门水资源利用全生命过程中产生的能耗和碳排放。结合多区域投入产出分析和生态网络分析，系统评估了跨区域各部门水代谢控制关系和低碳可持续表现，并将之拓展到全国省际尺度，提出了跨区域联动下的水资源代谢优化路径和策略。课题组充分完成了预期的研究目标，取得主要科学进展包括：（1）识别了跨区域水资源流动模式与机制，建立了水资源代谢核算框架与方法；（2）构建了跨区域水资源代谢耦合网络模型，进行了时空尺度上的隐含水资源流动模拟追踪；（3）揭示了直接-间接-作用下的各部门间水资源代谢控制-依赖关系，评估水资源利用环节的低碳表现与可持续性；（4）完成了多目标多情景分析和联动优化方法的构建，提出了水资源低碳可持续利用的多地协同管控策略与建议，为我国城市和区域水资源保护提供决策参考。. 所取得的项目成果以论著、咨询报告和政府部门应用采纳等形式展示。依托项目在Nature Communications、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Environmental Science & Technology等领域主流期刊发表论文17篇（第一/通讯作者发表15篇，合作发表2篇），撰写的相关咨询报告被多个省市级管理决策部门采纳应用，在国际期刊作为客座主编组织3期特刊，培养了副教授1名、讲师1名和硕士生3名。