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第1章 科学发展视域下的海河流域水资源问题诊断1

1.1 海河流域概况1

1.1.1 自然地理条件1

1.1.2 水文气象4

1.2 海河流域人类活动特点7

1.2.1 人口密度大，城镇化率较高7

1.2.2 经济发展迅速，区域间发展不均衡8

1.2.3 水资源需求量大，供给不足8

1.2.4 水利工程发达，用水量大，水资源开发利用强度高9

1.2.5 节水工作较好，用水效率相对较高9

1.3 海河流域面临的主要水问题10

1.3.1 水资源短缺，供需矛盾突出10

1.3.2 水污染严重，水环境恶化10

1.3.3 河道干涸，功能退化11

1.3.4 入海水量锐减，河口生态环境退化12

1.3.5 湿地大幅度减少，生物多样性衰退12

1.3.6 地下水严重超采，地面沉降严重13

第2章 “自然－社会”水循环模式与水资源系统演变机理14

2.1 变化环境下流域自然水循环演化14

2.1.1 流域自然水循环定义14

2.1.2 流域自然水循环演化16

2.2 社会水循环系统过程及其演变16

2.2.1 社会水循环系统及其特征16

2.2.2 社会水循环驱动力与演化机理17

2.2.3 分行业社会水循环过程与机理18

2.2.4 社会水循环模拟理论与描述方法20

2.3 二元水循环耦合机制与模式21

2.3.1 流域二元水循环的科学内涵21

2.3.2 “自然－社会”二元水循环耦合机制与认知模式23

2.3.3 “自然－社会”二元水循环系统演化模式动力学描述24

2.3.4 流域二元水循环过程的模拟28

2.4 二元模式下的水循环演变机理30

2.4.1 万年尺度水循环演化规律的研究30

2.4.2 千年尺度水循环演化规律研究31

2.4.3 百年尺度水循环演化规律研究31

第3章 水循环演化驱动下的流域水生态与环境演变机理33

3.1 海河流域水景观生态系统演变机理33

3.1.1 流域生态系统类型与水分补给模式33

3.1.2 不同垂直梯度流域生态系统类型分布特征35

3.1.3 基于景观指数的生态系统空间格局分析38

3.2 典型流域生态水文演变特征及其驱动机制42

3.2.1 白洋淀水文演变特征及驱动机制42

3.2.2 白洋淀水文变化对湿地生态系统的影响机制47

3.2.3 白洋淀水文变化对生态系统服务功能的影响及机制55

3.3 海河流域主要污染物分布特征58

3.3.1 有机污染物（POPs）58

3.3.2 无机污染物（重金属）60

3.3.3 新型污染物61

3.3.4 小结62

3.4 典型单元污染物分布规律63

3.4.1 湖泊——白洋淀63

3.4.2 水库——西大洋水库63

3.4.3 城市——北京市64

3.4.4 小结65

第4章 海河流域水循环及其伴生过程综合模型系统构建67

4.1 变化环境下流域水循环及伴生过程耦合机制67

4.1.1 流域水循环、水环境与水生态三大系统相互作用机制67

4.1.2 流域水循环及其伴生过程耦合模型框架68

4.1.3 流域水循环及其伴生过程模型之间的耦合69

4.2 “水－生态－环境”信息集成和时空展布71

4.2.1 基础信息采集71

4.2.2 数据处理与加工72

4.3 二元循环耦合过程系统模拟75

4.3.1 流域二元循环耦合过程系统模拟模型框架75

4.3.2 WEP-L模型78

4.3.3 MODFLOW模型79

4.3.4 ROWAS模型80

4.3.5 DAMOS模型81

4.4 流域生态过程描述与模拟81

4.4.1 流域生态水文模型构建82

4.4.2 流域分布式作物生长模型的构建86

4.4.3 植被生态模型构建87

4.5 流域水环境过程描述与模拟模型91

4.5.1 流域地表水质模型91

4.5.2 流域地下水质模型93

4.5.3 基于水动力学的河湖水系水质模拟95

4.6 水循环及其伴生过程系统构建99

4.6.1 总体框架99

4.6.2 综合模拟系统界面与功能101

4.7 模型系统校验与评估107

4.7.1 二元水循环模型验证107

4.7.2 水环境模型验证110

4.7.3 生态模型验证116

第5章 海河流域水资源系统评价及其演变规律研究128

5.1 海河流域水量平衡与水资源评价128

5.1.1 海河流域水量平衡128

5.1.2 海河流域水资源评价128

5.2 海河流域水资源演变规律研究130

5.2.1 水资源历史演变130

5.2.2 海河流域水资源演变规律分析131

5.3 海河流域水资源演变归因分析133

5.3.1 基于指纹的归因方法133

5.3.2 归因情景设置134

5.3.3 地表水资源量演变的归因分析135

5.3.4 狭义水资源量演变的归因分析137

5.4 海河流域水资源情景仿真预测139

5.4.1 气候变化预测139

5.4.2 情景设定143

5.4.3 水量调控下的水资源演变规律预测146

5.4.4 气候变化下的水资源演变预测147

第6章 海河流域水生态与环境演变规律与评价151

6.1 海河流域水生态演变规律151

6.1.1 海河流域生态敏感性空间格局分析151

6.1.2 海河流域农业生态演变规律155

6.1.3 自然植被生态演变规律158

6.2 海河流域水环境演变规律162

6.2.1 海河流域水污染排放和水环境现状162

6.2.2 海河流域地表水环境演变规律163

6.2.3 海河流域地下水环境变化规律165

6.2.4 典型流域水环境演变过程与归因分析166

6.3 海河流域水环境和生态演变预测167

6.3.1 海河流域水环境演变趋势预测167

6.3.2 海河流域生态演变趋势预测169

第7章 基于均衡理论的海河流域水循环综合调控模式171

7.1 用水强竞争地区的流域水循环调控基础分析171

7.1.1 流域水循环的多维属性和临界特征171

7.1.2 流域多维临界调控的准则和决策机制171

7.1.3 多维临界调控的决策机制172

7.1.4 多维临界调控整体调控技术框架174

7.1.5 模型体系174

7.2 海河流域水循环系统均衡调控理论与模式177

7.2.1 多维均衡调控目标函数177

7.2.2 多维效益关系分析178

7.2.3 水资源环境经济效益分析179

7.2.4 多维均衡调控方案设置与评价182

7.2.5 多维均衡临界调控阈值185

7.2.6 多维理想点与均衡协调模式189

7.3 海河流域水循环调控体系构架与基本途径194

7.3.1 国家需求和关键任务分析194

7.3.2 总量控制策略与方案195

7.3.3 多维均衡调控的生态环境效应197

第8章 水资源利用效率评价方法与海河流域用水效率度量205

8.1 水资源利用效率与效益评价方法205

8.1.1 相关研究进展与趋势206

8.1.2 评价方法体系210

8.2 海河流域水资源利用效率与效益评价235

8.2.1 土壤水资源及其消耗效率评价235

8.2.2 社会经济用水效率效益评价239

8.2.3 生态用水效率效益评价251

8.3 海河流域高效用水的重点与环节分析254

8.3.1 农业高效用水255

8.3.2 工业和生活高效用水256

第9章 海河流域农业高效用水原理与节水模式258

9.1 现状农业用水与需水分析258

9.1.1 海河流域农业用水特征258

9.1.2 主要作物需水量的变化规律259

9.1.3 海河流域农业节水发展262

9.1.4 海河流域节水灌溉分区264

9.2 海河流域农业用水解析及高效利用原理268

9.2.1 土壤墒情的遥感监测与地面验证268

9.2.2 海河流域冬小麦的水分与养分吸收过程271

9.2.3 冬小麦的土壤水通量过程与地下水利用273

9.2.4 交替滴灌条件下葡萄根系水分通量过程273

9.2.5 土壤水分运动的多尺度数值模拟方法281

9.2.6 交替灌水对作物根系氮素吸收的补偿效应281

9.2.7 非充分灌溉下主要作物耗水与需水规律283

9.2.8 节水措施下的作物水分利用率与产量响应287

9.3 海河流域农业用水效率控制红线制定288

9.3.1 海河流域农业用水效率评价288

9.3.2 农业用水效率的尺度效应及其机理289

9.3.3 农业用水效率尺度转换关系290

9.3.4 不同尺度农业节水潜力评价方法291

9.3.5 海河流域农业节水潜力评估295

9.4 海河流域农业节水模式与途径296

9.4.1 平原区农业节水措施296

9.4.2 山地旱农区集蓄径流节水技术307

第10章 海河流域城市节水减排机制与高效利用310

10.1 海河流域城市用水发展与现状分析310

10.1.1 海河流域饮用水源水质状况310

10.1.2 海河流域城市用水特征311

10.2 基于二元水循环的可持续城市水系统理论312

10.2.1 基于二元循环的可持续城市水系统理论框架312

10.2.2 多尺度城市水资源利用效率评价理论与方法314

10.2.3 可持续城市水系统规划设计运行理论316

10.3 海河流域城市节水与安全用水模式与途径319

10.3.1 海河流域城市生活用水节水潜力分析与管理对策320

10.3.2 海河流域工业用水节水潜力分析与管理对策324

10.3.3 海河流域城市雨水利用潜力分析与未来发展重点328

第11章 海河流域水资源综合调控方案与管理红线制定334

11.1 海河流域水循环多维整体调控措施与方案334

11.1.1 经济社会发展、生态环境保护及其水资源需求预测334

11.1.2 多维临界调控方案的比选与评价339

11.1.3 调控方案风险分析341

11.2 海河流域水循环多维整体调控总量控制指标分析342

11.2.1 总量控制策略342

11.2.2 总量控制指标选取343

11.2.3 地表水取水总量344

11.2.4 地下水开采总量345

11.2.5 ET总量及国民经济用水总量346

11.2.6 排污总量350

11.2.7 入海水量352

11.2.8 生态用水总量指标353

11.3 海河流域水资源综合管理三条红线细化指标356

11.3.1 用水总量指标细化356

11.3.2 用水效率与水功能区达标率分解360

第12章 海河流域“水资源－生态－环境”综合调控建议368

12.1 存在问题分析368

12.1.1 海河流域面临的主要问题368

12.1.2 经济社会发展对海河水利保障的新要求370

12.1.3 海河流域水利保障工作的指导思想、基本原则、目标和任务371

12.2 调控措施建议373

12.2.1 大力开展节水与非常规水源利用373

12.2.2 完善流域水资源配置工程体系376

12.2.3 大力做好水资源保护工作381

12.2.4 全面开展河流湿地的水生态修复385

12.3 管理政策建议389

12.3.1 严格控制用水总量增长389

12.3.2 加强水功能区监督管理和水生态修复392

12.3.3 加强水利信息化建设，完善流域水资源监测网394

12.3.4 提高水利的社会管理和公共服务能力395

第13章 成果创新与未来展望399

13.1 成果创新总结399

13.1.1 强人类活动影响下的流域水循环与水资源演变机理399

13.1.2 水循环伴生的流域水化学与生态过程演化机理401

13.1.3 流域二元水循环及其伴生过程综合模拟与预测技术403

13.1.4 海河流域水资源与生态环境演变规律404

13.1.5 海河流域多尺度水资源高效利用机制与标准406

13.1.6 海河流域水循环多维临界整体调控理论、阈值与模式410

13.2 未来研究展望413

13.2.1 海河流域未来需要关注的水问题413

13.2.2 与本书内容相关的新生科学增长点414

13.2.3 资源领域水资源保障科技发展思路414

13.2.4 国际水文发展十年计划415

参考文献417

索引419