“雙碳”目標下水資源行為調控研究框架及展望

左其亭，吳青松，馬軍霞，張志卓，李 赫

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室，河南 鄭州 450001； 3.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

在全球氣候變化對人類生存發展構成威脅愈發嚴重的時代背景下，發展低碳經濟、構建低碳排放的未來發展模式，成為越來越多國家的愿景與共識[1]?！半p碳”目標，即實現“碳達峰”和“碳中和”的合稱，其具體內容為中國的二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，并爭取在2060年前實現碳中和，是中國應對變化環境所提出的中長期國家戰略[2]。該戰略目標由習近平主席2020年9月22日在第75屆聯合國大會上提出，隨后在2021年10月12日《生物多樣性公約》第十五次締約方大會領導人峰會上提出要構建起碳達峰、碳中和“1+N”政策體系，形成了國際廣泛共識[3]。水資源是人類生存和延續的物質基礎，也是經濟社會發展和生態環境保護的關鍵支撐，水資源領域是落實“雙碳”目標、調控人水關系、支撐可持續發展的重點領域之一[4-5]。開展水資源行為對“雙碳”目標作用的理論基礎及科學調控方法研究是現階段我國科學研究的重大需求，對“雙碳”戰略的順利實施具有重要的意義。

水資源行為，即與水資源開發、配置、利用、保護等相關的一系列活動統稱，其與“雙碳”目標的實現有著密切的聯系[6]。具體地說，污水回用、節水、水力發電等水資源行為有利于形成綠色低碳的發展模式，但水資源過度開發利用等行為也可能導致水土流失、水體污染、生態破壞等問題，對“雙碳”目標的實現帶來嚴重負面影響[7-8]?；谏鲜霰尘昂托枨?，左其亭等[9]分析了“雙碳”目標內涵及實現途徑，對“雙碳”目標相關的水資源行為進行了初步梳理，提出了“雙碳”目標下我國水利發展新征程戰略布局，闡述了節水優先、清潔水能、國家水網、生態水利、智慧水利和科技興水等六大戰略。當前，國內外針對水-碳系統之間的聯系和相互作用關系已開展了較多研究，取得了系列研究成果，但同時也存在一些問題。在水-碳互饋關系方面，主要從模型構建[10]、量化分析[11]等方面展開研究，涉及國家、流域、區域等不同尺度[12-13]，雖研究成果較為豐富，但結合水循環和碳循環理論分析二者互饋關系的研究不足，缺乏對“雙碳”目標下水資源行為的梳理，水資源行為對“雙碳”目標的作用機理仍有待探索。在水資源行為對碳排放作用方面，結合碳足跡、水足跡、碳排放強度的研究成果，對降低碳排放提供了多視角的解決方案[14-15]，對我國實現“雙碳”目標具有借鑒價值。近年來在水資源行為對碳排放作用方面的研究逐漸增加[7, 16]，但水資源行為對碳排放作用定量描述的系統研究仍相對缺乏，需進一步深入研究。此外，針對水資源行為調控和水-碳調控模型，國內外學者也開展了一些研究[17-18]，涉及水資源多目標優化、綜合管理、科學調配等方面[19-20]，包括水-碳耦合機制的理論研究[21]及水-碳耦合模型的實踐應用[22]等，但結合減碳、固碳需求，對“雙碳”目標下水資源行為調控的系統性和針對性研究缺乏，基于“雙碳”目標構建水資源行為調控模型，是亟待研究的重點方向。

綜上，針對“雙碳”目標下水資源行為作用機理和定量描述以及面向“雙碳”目標的水資源行為科學調控等尚缺乏研究，這正是中國貫徹新發展理念、解決水碳矛盾、實現綠色低碳發展模式的難點問題?；诖?，本文提出“雙碳”目標下水資源行為調控研究框架，并展望未來研究方向，以期促進以水減碳思路的形成，為后續“雙碳”目標下水資源研究提供參考。

1 研究框架及主要內容

1.1 研究框架

總體思路：基于水循環和碳循環理論明晰水-碳互饋關系，系統梳理與“雙碳”目標相關的水資源行為，揭示“雙碳”目標下水資源行為作用機理；研究確定水資源行為對“雙碳”目標作用函數，定量評估水資源行為作用；構建面向“雙碳”目標的水資源行為調控模型，通過模型求解來確定水資源行為調控方案，提出“雙碳”目標下水資源行為調控支撐體系。研究框架如圖1所示。

圖1 “雙碳”目標下水資源行為調控研究框架Fig.1 Research framework of water resource behavior regulation under carbon peak and carbon neutrality goals

1.2 主要內容

1.2.1“雙碳”目標下水資源行為作用機理研究

以水循環和碳循環理論為基礎，分析復雜的水-碳互饋關系，系統研究水資源行為對“雙碳”目標的作用機理，重點研究：①基于水循環和碳循環理論的水-碳互饋關系分析。立足于連接水-碳系統的水循環和碳循環過程，考慮系統間各要素相互關系的復雜性、聯動性和變化性，構建水-碳系統相互交織的關聯性網絡結構，從直接和間接兩個角度揭示多層次水-碳互饋關系，辨識影響二者互饋關系的主要因子。②“雙碳”目標下水資源行為系統梳理。整理總結當前水資源行為，結合水-碳互饋關系分析結果，從水資源開發、配置、利用、保護等方面出發，篩選出與“雙碳”目標相關性較強的水資源行為，根據作用大小、方式、方向、特點等規則對各種行為進行梳理。③水資源行為對“雙碳”目標作用機理研究。從正負兩個方面出發，考慮氣候變化和人類活動等多重驅動因素，分析上述梳理的各種水資源行為對“雙碳”目標的作用特征和影響機制，研究并總結變化環境下二者作用的動態演變規律，多尺度揭示水資源行為對“雙碳”目標的作用機理。

1.2.2“雙碳”目標下水資源行為作用量化研究

在分析水資源行為對“雙碳”目標作用機理的基礎上，開展水資源行為對“雙碳”目標作用量化研究，重點研究：①水資源行為對“雙碳”目標作用函數確定。針對與“雙碳”目標相關的水資源行為，以二氧化碳排放為衡量標準，重點關注水資源行為實施到二氧化碳排放的多環節轉化關系，研究確定水資源行為對“雙碳”目標作用函數。②“雙碳”目標下水資源行為作用定量評估?；谘芯康玫降淖饔煤瘮?，實現單個水資源行為對“雙碳”目標作用量化，針對國家、區域、流域等不同尺度，考慮水資源行為間復雜的相互關系，明確多種水資源行為作用的疊加效應，研究基于作用函數的水資源行為對“雙碳”目標作用量化方法，從系統的角度實現不同尺度下水資源行為對“雙碳”目標作用定量評估。③內嵌“碳排放”模塊的水循環模型二次開發?；谒Y源行為對“雙碳”目標作用機理與水循環、碳循環物理機制，對傳統水循環模型進行二次開發，在模型中嵌入“碳排放”模塊，定量模擬自然水循環和社會水循環過程中各種水資源行為對“雙碳”目標的作用。

1.2.3“雙碳”目標下水資源行為調控模型與支撐體系研究

基于上述研究，考慮水資源、經濟社會、生態環境等多方面約束，以構建面向“雙碳”目標的水資源行為調控模型為核心，重點研究：①“雙碳”目標下水資源行為調控模型構建。結合水資源行為作用定量評估結果，識別制約“雙碳”目標實現的關鍵水資源行為，綜合考慮減少碳源、增加碳匯兩個方面，確定“雙碳”目標下水資源行為調控準則與表征指標、目標函數及約束條件等，構建水資源行為調控模型。②“雙碳”目標下水資源行為調控模型求解及效果評價。以模型構建為基礎，結合隨機森林、多目標迭代、支持向量機等尋優算法，研究水資源行為的最優參數組合，從而確定調控指標的最優值，為制定水資源行為調控方案提供參考。結合“雙碳”目標下水資源行為作用量化研究成果，通過對比調控前后的作用評估結果，對構建的調控模型進行效果評估。③“雙碳”目標下水資源行為調控支撐體系。從水-碳系統的全局視角出發，研究構建面向“雙碳”目標的水資源行為調控支撐體系，包括工程、政策、制度、行政、投資、技術、管理等方面，保障水資源行為調控方案的順利實施。

2 關鍵問題及研究方法

2.1 關鍵問題

a.水資源行為與“雙碳”目標相互關系及作用機理問題。水-碳系統間存在著復雜、聯動、變化的相互關系，在水資源行為實施到二氧化碳排放的多環節轉化過程中，由于關聯結構的復雜性使得二者的關系難以表述，明晰水資源行為對“雙碳”目標作用機理，是進行“雙碳”目標下水資源行為作用量化研究的理論基礎和重要支撐，是亟須解決的關鍵問題。

b.水資源行為對“雙碳”目標作用函數確定及定量評估問題。在定性表征水-碳互饋關系的基礎上，需要量化各種水資源行為對“雙碳”目標所起的作用。水資源行為對“雙碳”目標作用函數，能夠直觀反映作用大小、方式、方向、特點等以及隨時間變化的規律，是對水資源行為作用量化的重要基礎。針對不同研究尺度，定量描述水資源行為對“雙碳”目標的作用也是研究的重點和需要攻克的難點。

c.面向“雙碳”目標的水資源行為調控機制及定量描述問題。水資源行為受經濟社會、生態環境等多方面因素的共同影響，行為間存在著復雜的相互作用關系，在水資源行為作用量化的基礎上，進行水資源行為調控是助力“雙碳”目標實現的有效途徑。但如何在考慮多重驅動因素的作用下，揭示滿足“雙碳”目標的水資源行為調控機制并對其進行定量描述，是進行水資源行為調控的前提和亟待解決的關鍵問題。

2.2 主要研究方法及討論

2.2.1水資源行為對“雙碳”目標作用機理研究方法

應用于水資源行為對“雙碳”目標作用機理研究的方法眾多，包括實驗分析、觀測統計、定性分析、定量計算等，也可以多種方法組合應用，一般應具有把握重點、整體考慮、系統識別的優勢和特點。其中，實驗方法主要是通過測定元素、分子等的數量在物質遷移轉化過程中的變化，明確其在起始端(行為實施)到末尾端(碳排放)的轉化過程，進而實現機理研究。觀測統計方法是根據在過程中觀察到的現象、數據、規律等，得到現實資料進行統計分析，總結得出一般性和普遍性的特征。定性分析主要是基于現有的水-碳互饋理論和認知，構建能夠反映真實轉化過程的經驗性概念模型等，從二者的內在規律性出發開展研究。定量計算方法是目前最為常用，也更容易實施和達到研究目標的手段，其主要是通過量化要素之間的轉換關系，分析并總結出二者之間具有本質性的作用機理。雖然當前針對作用機理的研究方法和手段較為豐富，但如何將其較好地應用于水資源行為對“雙碳”目標作用機理研究，是目前急需攻克的問題。

在現有基礎上發展水資源行為對“雙碳”目標作用機理研究的嵌入式系統動力學方法[23]，構建水-碳系統的關聯性網絡結構，能夠動態模擬各種驅動因素影響下的水-碳互饋關系及演變規律。其主要內容包括確定系統邊界、分析因果關系、模型建立、參數估計、模型檢驗、情景模擬等[24]；應用的難點在于，一是明確水-碳系統要素之間的因果關系并進行定量表征，二是模型精度的校正以及根據模擬結果對一般性規律進行總結。此外，在系統梳理水資源行為的基礎上，可以采用和諧辨識方法[4]，從水資源開發、配置、利用、保護等方面出發，識別水資源行為對“雙碳”目標作用的主要影響因素，研究變化環境下的動態演變規律和作用機制，從而揭示水資源行為對“雙碳”目標的作用機理。其難點在于針對不同的問題選取合適的和諧辨識方法，以及結合辨識結果從定性和定量兩個角度闡明水資源行為的作用機理。

2.2.2水資源行為對“雙碳”目標作用量化方法

a.基于作用函數的水資源行為對“雙碳”目標作用量化方法。目前已有許多量化水資源行為對碳排放作用的方法[7,25]，包括碳足跡法、碳收支核算方法、全生命周期法、質量平衡法、投入產出法等，能夠在一定程度上滿足研究需求。上述方法應用的核心在于確定水資源行為和碳排放量的函數關系，通過數學方程來量化二者之間的轉換過程。但在實際情況中，有些水資源行為與碳排放是間接相關的，且轉換關系復雜，作用函數的精度大幅影響著結果的可靠性，需在已有基礎上進一步完善研究。此外，水資源行為是相互影響的，針對國家、區域、流域等尺度進行量化時，并不是簡單求和的關系，應考慮各種行為作用的疊加效應以避免重復計算，基于此，需要改進已有的定量評估方法，提出更為精確的基于作用函數的水資源行為對“雙碳”目標作用定量化計算方法，以應對不同尺度的水資源行為作用量化問題。

b.水資源行為對“雙碳”目標作用綜合評估方法。綜合評估是指運用系統、規范的方法對多個指標或系統進行整體性評價[26]，已廣泛應用于評價水資源承載力、水質狀況、水資源利用效率、水安全和河流健康等。當前常用的綜合評估方法包括和諧評估方法、灰色關聯分析、模糊物元法、減法集對勢、云模型、相對差異函數等，這些方法同樣可以應用于水資源行為對“雙碳”目標作用綜合評估，通過構建指標體系、指標量化、指標集成、結果判別等步驟實現研究目標。以左其亭等[27]提出的和諧評估方法中最常用的“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”方法為例，其應用的大致流程是：①構建全面反映水資源行為對“雙碳”目標作用的指標體系，并確定指標的節點值；②按照單指標量化、多指標綜合、多準則集成的步驟，對指標體系進行逐層集成和綜合，得到最終的量化結果；③結合既定的判別標準，確定水資源行為對“雙碳”目標作用的總體水平。上述研究的難點在于，一是構建系統、全面、科學、有效的指標體系，二是合理確定指標節點值和評判標準。

c.基于水循環模型的水資源行為對“雙碳”目標作用模擬方法。隨著水科學及相關學科的發展，水循環的物理機制逐漸清晰，對水循環的模擬也愈發成熟，水循環過程已在眾多模型中得到有效體現[28]。一些代表性模型，例如：SWAT(soil and water assessment tool)、MIKE SHE、IHDM(institute of hydrology distributed model)、TOPMODEL(topography-based hydrological model)、SWMM(storm water management model)等分布式流域水文模型，VIC(variable infiltration capacity)、SiB(simple biosphere model)、ISBA(interactions between the soil-biosphere-atmosphere)等陸面過程模擬模型，以及WEP(water and energy transfer processes)模型和GBHM(geomorphology-based hydrological model)模型，為水循環要素過程模擬研究提供了重要平臺，也為水資源行為對“雙碳”目標作用量化研究打下了堅實基礎[29]。但是，上述模型大多聚焦于水循環模擬，并未涉及碳循環過程，還無法直接實現水資源行為對“雙碳”目標作用的量化模擬。參考人水關系模擬模型的設計思路[4]，基于水資源行為對“雙碳”目標的作用機理，融合水-碳耦合物理機制和能量交換過程，將“碳排放”模塊嵌入到現有水循環模擬的成熟模型中去，在進行水循環過程模擬的同時，實現水循環過程中各種水資源行為對“雙碳”目標作用的模擬，將是對傳統水循環模型的重要改進和創新，也將成為“雙碳”目標下水資源行為調控研究的有力工具。實現上述模型二次開發的難點在于，一是水-碳耦合系統物理機制的概化描述，二是碳循環過程參數的設計和率定。

2.2.3“雙碳”目標下水資源行為調控模型構建方法

基于水資源行為對“雙碳”目標作用機理和作用量化研究進行系統優化，針對現存問題采用水資源行為調控措施提升水資源領域對減少碳排放的作用，對現狀及未來的情形做出有效的判斷，是實現以水減碳目的和水-碳系統協同發展的重要手段，對制定綜合發展規劃、水資源開發與保護、產業結構調整和布局等具有重要參考價值。目前調控模型的構建方案和求解方法較多，可以應用于“雙碳”目標下水資源行為調控模型構建，大體思路是判斷系統是否達到各參與方暫時都能接受的平衡狀態，明確當前平衡狀態與“雙碳”目標的差距，確定模型邊界條件、調控準則、目標函數和約束條件等，構建面向“雙碳”目標的水資源行為調控模型，通過尋優算法求解模型的最優情景，得到優選的行為調控方案。例如，應用左其亭[30]提出的和諧論理論方法，以水資源行為與“雙碳”目標和諧度最大為目標函數，以水資源-經濟社會-生態環境多維臨界閾值及互饋關系方程、水循環和碳循環方程等為約束，構建面向“雙碳”目標的水資源行為多維臨界和諧調控模型，結合優化算法進行求解，并通過對比調控前后的和諧度進行模型檢驗。其中，模型構建過程中需考慮現狀水平、未來需求、人為和自然因素影響等多個方面，這是確保模型科學性和有效性的關鍵環節，也是模型實現的難點問題[31]。

3 研究展望

3.1 進一步揭示水資源行為對“雙碳”目標作用機理

目前針對水-碳互饋關系已取得一些研究成果，但水系統和碳系統本身都是十分復雜的系統，其耦合而成的水-碳系統及內部相互關系的復雜性，決定了二者之間的作用機理是需要長期探索的問題[32]。在低碳排放的大背景下，有必要開展水資源行為與“雙碳”目標關系的系統分析，進一步研究水資源行為對“雙碳”目標作用機理，夯實水資源行為作用量化和調控的理論基礎?？梢詮囊韵?個方面入手：①系統梳理與“雙碳”目標相關的水資源行為，明確二者是直接還是間接相關，存在的因果關系，以及二者之間的轉化節點；②針對不同的時間和空間尺度，準確構建起水資源行為和碳排放之間的聯系；③考慮耦合系統的復雜性，注重多學科理論和方法組合應用，從定性和定量結合的角度展開研究。在當前的基礎上深化研究，通過多尺度、多方面、多層次的分析全面揭示水資源行為對“雙碳”目標作用機理。

3.2 深入研究水資源行為對“雙碳”目標作用定量計算評估

由于行為之間的聯動效應，取、供、用、耗、排等各種水資源行為在一定程度上會對碳排放產生作用，準確量化作用的大小是需要深入研究的課題[33]。目前針對水資源行為對碳排放作用評估方法已有一些探討，但考慮到水-碳系統間復雜的互饋關系，需要深入開展水資源行為對“雙碳”目標作用定量計算評估的系統研究。重點考慮3個方向：①從作用量化的角度，水資源行為和碳排放之間的函數關系至關重要，不同的水資源行為對應的函數關系差異較大，需要針對性研究能夠準確反映多環節轉化過程的作用函數，其中可能需要運用實驗、統計、模擬等多種技術手段。對于某些定性措施的水資源行為，量化其對“雙碳”目標作用，并從整體的角度量化國家/省(市)/流域尺度的水資源行為作用，均是下一步的重要研究方向。②從綜合評估的角度，目前的評估方法很多，但水資源行為對“雙碳”目標作用評估方面，有待形成涵蓋指標體系、評價方法和評價標準等的完善方法體系，其中多指標綜合評估只是一個方面，還需要拓展研究具有普適性的評估方法，以及針對特定問題的評估方法。③從模型二次開發角度，目前尚未有水循環模型能夠定量模擬不同水資源行為對“雙碳”目標作用，需盡快嵌入水-碳互饋的物理機制，設計基于水循環過程的“碳排放”模塊，并與傳統水文模型、水資源模型、水環境模型等相耦合，這也是未來研究的重要方向。

3.3 亟待開展面向“雙碳”目標的水資源行為調控理論、方法、模型的研究

目前多目標優化、水資源綜合管理、水資源優化調配等方面的大量研究能夠為水資源行為調控研究提供豐富的理論和方法借鑒，但缺乏滿足“雙碳”目標的水資源行為調控理論、方法和模型的研究，而該方面也是當前亟待解決的多學科交叉問題[34]。實現面向“雙碳”目標的水資源行為科學調控，需從以下3個方面加強研究：①進一步開展“雙碳”目標下水資源行為調控的專門理論研究，提出涵蓋指導思想、基本原則、遵循規律、研究對象、研究目標等的理論框架體系，為后續的水資源行為調控提供理論支撐；②創新面向“雙碳”目標的水資源行為調控方法，借鑒現有調控方法，注重多學科方法交叉運用，結合研究內容的特點，深入創新面向“雙碳”目標的水資源行為調控方法，研發配套調控軟件系統；③加強研究“雙碳”目標下水資源行為調控模型，用于給出最優參數組合對應的調控方案，具體內容包括模型目標函數的設定、約束條件的選擇、復雜模型求解與調控方案制定、模型精度提高和適應性優化等。

3.4 進一步探索“雙碳”目標下水資源行為調控應用實踐

“雙碳”目標下水資源行為調控的系列理論方法，最終都是為了指導生產實踐，制定考慮“雙碳”目標需求的變化環境下水資源開發利用規劃和政策。因此，需要加強“雙碳”目標下水資源行為調控應用實踐[35]，重點關注以下方面：①開展水資源行為作用機理實踐研究，作用機理研究作為當下熱點，除理論研究外，需結合實例分析各種水資源行為對碳排放作用的機制及規律；②進一步開展水資源行為作用量化方法的應用研究，水資源行為作用的定量評估十分重要，但當前量化方法的應用還存在諸多短板，需加強針對性應用研究；③深化水資源行為調控模型的應用研究，選取研究區構建調控模型，結合實例對模型進行改進和校正，得到契合實際的水資源行為調控方案，為解決水碳矛盾現實問題提供方向和措施；④加強水資源行為調控方案在水資源規劃、管理、配置、調度中的應用，上述內容是水資源學科的重要組成部分，也是水利事業的重要工作內容[36]，應充分發揮調控方案在水利工作中的參考和應用價值；⑤開展“雙碳”目標下水資源行為調控支撐體系的應用實踐，科學合理、有針對性的支撐體系是實現水資源行為調控的必要保障，需推動支撐體系應用于面向“雙碳”目標的水資源行為調控實踐。

4 結 語

立足于“雙碳”目標的國家戰略需求，構建了“雙碳”目標下水資源行為調控研究框架，闡明了其涵蓋的3方面主要內容；提出了“雙碳”目標下水資源行為調控亟待解決的3個關鍵問題，并從多個角度探討了關鍵問題的主要研究方法；在此基礎上，考慮現狀和未來發展需求，從水資源行為作用機理、定量評估、調控模型、應用實踐4個方面給出了研究展望，為后續“雙碳”目標下水資源研究提供參考?！半p碳”目標下水資源行為調控涉及學科眾多、內容紛雜，牽涉不同學科的理論基礎和技術方法，在水資源領域落實“雙碳”目標需要解決的問題遠不止于此。在今后的研究中，將重點針對“雙碳”目標下水資源行為作用機理、作用函數確定、調控模型構建等開展研究。