水质和水量协同作用下的流域水资源安全操作空间分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐宇翾 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 马廷 |
| 关键词 | 安全操作空间 水环境 协同作用 人类活动 气候变化 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 在气候变化和人类活动影响加剧的双重作用下，水资源供给不足、水质污染以及水生态系统退化等问题日益严峻，水安全已成为一项紧迫的全球挑战。中国作为人口大国，人均可用水量较少，水资源供需矛盾日益突出。尽管中国已经采取了一系列有关水环境保护的政策措施，并取得了一定成效，但水环境治理仍面临着巨大挑战。当前关于水资源承载力、水资源配置以及水环境容量等的研究尚未明确给出科学合理的人类地表水消耗量与污染排放量的范围。因此基于对水质及水量的时空趋势分析，合理且高效的规划人类活动是维持和改善水生态环境、实现水资源可持续利用的关键路径。 鉴于此，本文围绕水环境及人类社会可持续发展应当遵守的边界范围展开研究，旨在为水资源管理提供科学依据。本文的主要研究内容和结论如下： （1）基于多源异构大数据，构建了1km格网尺度的人类用水需求、地表水消耗及污染物排放数据，并对数据精度进行了验证。结果表明，各部门人类活动的用水需求、地表水消耗与污染排放空间化效果较好。2003-2022年，我国用水结构变化显著，农业和工业用水占比下降，生活和生态补偿用水占比上升。长三角工业用水集中，华北平原生态补偿用水显著上升。污染排放方面，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）与氨氮（Ammonia Nitrogen，NH₃-N）分别下降了58.9%和77.5%，生活和工业减排贡献最大。农业面源污染占比上升，但总量下降，仅水产部门排放量增加。 （2）基于人类地表水消耗、污染排放与地表水污染物浓度的驱动关系，结合安全操作空间的边界条件，提出耦合水质和水量的地表水安全操作空间概念，构建水质和水量协同作用下的二维水安全操作空间评估框架，并在此框架下分析了2003-2022年黄河流域三个子流域基于NH₃-N的地表水安全操作空间，以验证该二维框架的有效性。研究发现：2003-2022年，黄河流域人类活动用水均未超出仅考虑水量的安全界限，但在考虑水质和水量协同作用下的安全操作空间时，部分年份人类活动超出限制，表明水质和水量协同作用下的评估框架更具约束性。在安全操作空间边界上，人类用水与污染排放存在制约关系。 （3）在目标水质约束下，构建了2008-2022年中国十个一级流域和各省份的耦合水质和水量的水安全操作空间。研究发现：2008-2022年，全国十个一级流域的人类活动均未超出仅考虑水量定义的安全操作边界，但黄河、海河等流域则出现了人类活动超出水质和水量协同作用下的水安全操作空间。耦合水质和水量的二维水安全操作空间范围呈现显著区域分异。长江、海河和松花江流域基于COD与NH₃-N安全操作空间范围显著增加。考虑人类活动后，大部分流域基于NH₃-N的实际安全操作空间范围显著扩大，所有流域基于COD的实际安全操作空间范围均显著增加，各流域水资源短缺情况显著改善。污染排放和用水对占用安全操作空间的相对贡献下降，特别在农业和生活部门。在省级尺度分析中，人类活动总体保持在基于水量的安全操作空间内，但是河北、山西等地的人类耗水和污染排放多次超出水质和水量协同作用下的安全操作空间。安全操作空间范围仅在河北、吉林和山东等地呈现显著上升趋势。各省水资源短缺情况显著改善，但山西省仍面临持续性水资源短缺问题。 （4）不同结合共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）和典型浓度路径（Representative Concentration Pathways，RCPs）的情景下，中国多个流域和省份的水资源安全操作空间存在显著差异。流域尺度上，人类活动基本保持在仅考虑水量的安全操作空间和基于NH₃-N的二维水安全操作空间内，松花江和黄河流域在SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下多次超出基于COD的安全操作空间，仅珠江流域在SSP3-7.0情景下安全操作空间范围上升但实际安全操作空间未显著增加。耦合水质和水量的水资源短缺指数在大多数流域呈下降趋势，仅在SSP1-2.6情景下各流域水资源短缺指数均小于1。省级尺度上，江苏、宁夏、上海、天津和新疆长期面临地表水消耗超出仅考虑水量的安全操作空间的风险，新疆、上海和宁夏等省份在三种情景下多次超出考虑水质的安全操作空间。多数省份的地表水安全操作空间在不同情景下主要呈现显著增加趋势，水质和水量的综合短缺情况普遍有所改善。农业和生活部门是水安全操作空间占用和压缩的主要驱动因素，农业部门在NH₃-N约束下以耗水为主，在COD约束下以污染排放为主；生活部门主要受污染排放驱动，工业部门则以耗水为主，且在SSP5-8.5情景下耗水贡献率显著上升。 与前人的研究相比，论文的创新点主要有以下两个方面： （1）相较于原有仅考虑水量的安全操作空间研究框架，本研究基于人类用水、污染排放与地表水污染物浓度的驱动关系，构建了更为严格的耦合水质和水量的二维水安全操作空间，突破了以往将安全操作空间边界设定为单一固定值的做法，为中国乃至全球水环境形势严峻地区的水资源研究提供了新视角。 （2）不同于传统以结果为导向的水环境评价视角，本研究突破了传统评价体系停留在问题提出阶段的局限。基于“安全操作空间”框架，直观地构建出能够维持人类社会和水环境可持续发展的人类活动范围，从而实现前瞻性的人类活动规划，降低水资源管理的应急性与滞后性。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 171 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217350]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 徐宇翾. 水质和水量协同作用下的流域水资源安全操作空间分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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