虚拟水在解决农业生产和粮食安全问题中的作用研究

随着人口增长和经济发展,水资源问题日益突出,农业用水和粮食安全问题已经成为全球关注的重要问题.本文简要回顾了虚拟水的内涵及其国内外研究现状,分析了我国的农业用水和粮食安全问题,根据粮食进口变动趋势和国内外粮食生产条件估算出2010年和2020年我国进口的虚拟水量分别为88×10⁹m³和95×10⁹m3³,并提出了通过进口虚拟水解决我国农业和粮食问题,从而实现我国水资源的可持续利用.     

黄土高原地区森林植被生态需水研究

水土流失是黄土高原面临的主要生态问题,而退耕还林还草、恢复植被是治理水土流失、改善生态环境的必然选择.但黄土高原位于干旱半干旱地区,水资源匮乏是影响该地区植被生态建设的根本因子.因此,植被生态需水研究对于该地区的生态环境建设具有极其重要的意义.本文根据最新遥感图像资料,在GIS支持下,计算了黄土高原地区现有林地生长季的最小生态需水量和适宜生态需水量,其结果分别为262.49×10⁸ m³和421.34×10⁸ m³.除去降雨对林地耗水的补给外,以最小生态需水量为标准,则黄土高原地区在生长季发生水分亏缺的林地面积为7 639.09 km²,占现有林地总面积的9.1%,亏缺水量为4.77×10⁸ m³;以适宜生态需水量为标准,则有57.7%的现有林地在生长季中发生水分亏缺,亏缺水量为58.55×10⁸ m³.     

基于生态目标的河道生态环境需水量计算

以生态目标的确定为基础,通过建立目标参数与径流间的关系计算得到河道生态环境需水量.其中生态目标由关键期生态目标和时间变化目标2部分组成.考虑不同功能生态环境需水量间的兼容性,以最高等级为标准确定关键期生态目标.采用河道多年平均天然径流量年内时间变化率作为生态环境需水量时间变化目标.海河流域永定河官厅水库下游河道计算中,以生态、生产需水矛盾最突出的4月生物繁殖初始时期对流速的要求作为关键期生态目标,根据河道断面实测资料确定目标参数与径流间的关系.计算结果表明,最小、适宜以及理想等级年度生态环境需水量分别为1.56×10⁸m³,5.97×10⁸m³和11.02×10⁸m³,分别占河道天然径流量的7.19%,27.51%和50.78%,年内汛期8月及春季生物繁殖期(4月～6月)需水量需分别达到年度总量的20%.     

关于海滦河平原的缺水和引水问题

海滦河平原属半干旱半湿润季风气侯区。平原上的水来自当地的降水和上游山区的径流。特点是:降水量少,分布不均,年内、年际变化大;径流开发条件复杂,难以充分利用。海滦河平原平均降水量579mm,6—9月占78％。按平原面积14×10⁴km²,耕地1.3亿亩和二年三熟的作物覆盖率计,各种降水年型耕地上得到的降水总量和降水可供水量见表1。海滦河流域平均年径流量291.8×10⁸m³,其中来自上游山区212.9×10⁸m³,占     

生物质燃烧对东南亚及中国南方对流层臭氧含量影响的模拟研究

利用区域气候和大气化学模式系统,对2000年春季生物质燃烧排放影响东南亚及中国南部地区对流层臭氧含量进行模拟研究.结果表明,春季东南亚和南亚的生物质燃烧不仅影响源区对流层臭氧含量,而且对处于环流下游的中国南部地区也有显著作用;燃烧源区主要影响对流层低层,下游地区则影响对流层中低层.在源区引起的对流层臭氧总浓度增加达2.1×10^-1g/m²,对下游的中国南部地区增加量为9.0～12.0×10^-2g/m²;源区大气低层1000～900hPa的臭氧含量可增加36×10^-9m³/m³ 以上,而在中国南部750～700hPa高度上空的增加达15×10^-9m³/m³.     

北京市虚拟水消费与贸易

北京市作为水资源极度紧缺的城市,亟需提高水资源的利用效率。本文基于多尺度投入产出分析模型,对2012年北京市虚拟水消费及贸易情况进行了核算与分析,并与2007年的结果进行了比较。计算结果表明：2012年北京市消费引发的虚拟水用量高达139.5亿m³,是基于生产的直接实体用水量（35.9亿m³）的3.89倍;对比2007年,虚拟水消费增长（23.7%）远比直接用水增长（11.8%）快。北京市使用的全部水资源中仅有5%由北京本地供应,有超过3/5从国内其他省市调入,约35%从世界其他国家进口。与此相对应,这些水资源有1/5被北京本地消费使用,约3/4被调出到国内其他省市,6%被出口至其他国家。与2007年相比,2012年北京市国内虚拟水贸易由净调入转为净调出,净调出量为2007年净调入量的1.1倍;而国际虚拟水贸易由净出口转为净进口,净进口量为2007年净出口量的837.2倍。北京市2012年净输入虚拟水资源103.6亿m³（全部来源于国际贸易）,有效地避免了对本地水资源的过度开采。与此同时,北京市通过转口贸易的形式将大量进口的虚拟水调出到了中国其他省市,为缓解国内水资源紧张局面作出了贡献。未来北京市应当在考虑能源矿产供应安全及消化国内过剩产能的前提下有策略性地增加矿产、能源、建筑和交通运输设备等部门部分产品的进口,以达到节约我国水资源及全球范围内水资源高效利用的目的。     

车辆限行对道路和施工扬尘排放的影响

采用降尘法对道路和施工扬尘排放进行连续监测,通过限行之前和限行期间数据分析,研究了“好运北京”体育赛事期间机动车交通限行措施对道路和施工扬尘的消减情况、道路和施工扬尘对北京大气环境颗粒物的贡献率、道路和施工扬尘源占本地颗粒物排放总量的比重.结果表明,车辆限行措施对降低道路和施工扬尘的效果明显;环路限行期间降尘量平均值为0.27 g·(m²·d)^-1,限行之前1个月和限行之前7d降尘量平均值为0.81和0.59 g·(m²·d)^-1,主干道和次干道限行期间降尘量平均值为0.21 g·(m²·d)^-1,限行之前1个月和限行之前7 d降尘量平均值为0.54和0.58 g·(m²·d)^-1,道路降尘量下降了60%～70%;限行期间民用建筑施工降尘量平均值为0.27 g·(m²·d)^-1,限行之前20 d为1.15 g·(m²·d)^-1,限行期间公用建筑施工降尘量平均值为1.06 g·(m²·d)^-1,限行之前20 d为1.55 g·(m²·d)^-1,施工降尘下降30%～47%;道路和施工扬尘是北京市颗粒物污染的主要来源,其对环境PM₁₀的贡献率为21%～36%;当本地污染源PM₁₀排放量占环境总量的50%和70%时,道路和施工扬尘PM₁₀排放量分别占本地污染源的42%～72%和30%～51%.     

膜序批式间歇反应器的膜污染特性及控制

采取厌-好氧交替运行、实验室人工配水的方式,连续运行300 d,研究膜序批式间歇反应器运行过程的膜污染特性及其控制.结果表明,在运行初期的75 d内,污泥处于絮体状,SVI值64.6～110.6 　mL·g^-1,膜污染呈快速指数增长趋势,TMP平均增长速率为0.309　kPa·d^-1,膜阻力变化在0.393×10¹¹～1.298×10¹¹ m^-1·d^-1之间,比膜通量从4.4 　L·(m²·h·kPa)^-1下降为0.52 　L·(m²·h·kPa)^-1,75　d时的临界膜通量为20 　L·(m²·h)^-1.从75～120　d对系统进行了调控,反应器培养出好氧颗粒污泥,SVI值逐渐下降,从170　d开始,SVI一直保持在40 　mL·g^-1左右,污泥粒径逐渐增大,220　d时污泥粒径分布大多在500～1 000　μm.120～300　d运行过程中的膜污染呈缓慢增长趋势,TMP平均增长率仅为0.062 　kPa·d^-1,膜阻力变化率在0.291×10¹¹～0.404×10¹¹m^-1·d^-1,比膜通量从4.4 　L·(m²·h·kPa)^-1下降为1.4 　L·(m²·h·kPa)^-1,220 d时的临界膜通量为40 　L·(m²·h)^-1.这些数据表明好氧颗粒污泥的培养对减缓膜污染发生具有极大作用.曝气强度为100 m³·(m²·h)^-1时,比膜通量最大,曝气强度为69 m³·(m²·h)^-1时,膜污染速率最小.     

估算天津环境中γ-HCH归宿的逸度模型

以全天津市为研究区域,利用稳态假设的逸度模型,用Matlab软件计算了γ-HCH(林丹)在环境各相中的浓度和相间迁移通量.γ-HCH在天津气、水、土壤、沉积物、鱼、作物、蔬菜各相中的浓度分别为1.57×10^-11、7.95×10^-7、1.17 × 10^-4、4.58×10^-4、6.03×10^-4、1.60×10^-4和6.42×10^-5mol/m³,在数量级上与实测值吻合很好.估算结果表明农业施用和农药厂废水是该地区环境中γ-HCH最主要的来源,最大的汇是土壤和沉积相(占环境中总量的99%),最主要的迁移过程是水-沉、气-土的扩散和沉降,土壤和沉积物中的降解是γ-HCH消失的最主要途径.     

北京大气PM10中水溶性氯盐的观测研究

氯盐是大气气溶胶中重要水溶性无机盐,对2004年全年北京大气可吸入颗粒中氯盐的变化进行了监测,结果表明北京大气中可溶性氯盐的年均值在(3.1±1.7)μg·m^-3,采暖期平均浓度为(4.6±2.1)μg·m^-3,非采暖期平均浓度为(2.6±1.6)μg·m^-3.最低值出现在5月,为(1.3±0.8)μg·m^-3;最高值出现在12月,为(5.8±5.3)μg·m^-3.日变化在秋冬季多为白天浓度低,晚上浓度高,夏春季多呈现上午高,下午低的特征;季节变化呈现秋冬季高,春夏季低的特点.     

北京市农作物虚拟水含量分布

采用灌溉定额法对北京市各区县粮食虚拟水含量和蔬菜虚拟水含量历年的分布进行了计算和分析,并将其与北京市地下水资源分布和开采状况进行了现状对比.结果表明:①各区县粮食虚拟水含量总体上均呈下降趋势,但延庆县的粮食生产会给当地地下水资源带来较大的压力;②顺义区、大兴区,平谷区蔬菜历年的虚拟水含量总体呈增长趋势,在全市蔬菜虚拟水总量中所占的比例依次逐渐增大,而海淀区、丰台区、朝阳区蔬菜历年的虚拟水含量在全市所占的比例呈逐渐减小趋势;③北京地区历年的粮食虚拟水含量总和整体呈现下降趋势,蔬菜虚拟水含量总和略呈增长趋势,但是二者虚拟水含量的总和呈现下降趋势,这与北京市近年来的农业种植结构调整政策是相符合的.     

甘肃省2003年的水足迹评价

水足迹是指在一定的物质生活水平下,维持一定人群消费所需要的总的水资源数量。由于考虑了社会经济系统中虚拟水的消费量,水足迹真实地反映了一个地区人类消费对水资源的占有情况,为水资源科学管理提供了一个新的方法。论文引入了水足迹的概念和计算方法及其相关评价指标,计算分析了2003年甘肃省的水足迹。结果表明,甘肃省2003年的水足迹总量为226.67×10^{8,/sup>m3,人均水足迹878m3,水足迹占总可更新水资源的26%,水资源消费自给率为99.52%,如此高的水资源消费占用比例和自给率,对甘肃省生态环境造成了巨大的压力。}     

基于水劣化足迹的城市发展的水环境效应评价——以北京市为例

水劣化足迹是反映污染物排放对水质影响程度的一种评价方法和指标.为了评估和揭示北京市城市发展的水环境效应,本文基于水劣化足迹评价的方法框架,发展和完善相关模型和参数,选取关键污染因子,对北京市2004—2013年水体酸化足迹、水体富营养化足迹和水体生态毒性足迹进行了评价,进而对水劣化足迹与部分城市发展指标的相关关系进行了分析.结果显示:12004—2013年北京市水酸化足迹逐年减小,由2004年的19.1×107kg SO_2eq减少到2013年的8.7×107kg SO_2eq,污染排放对水体酸化的影响有所减弱;2水体富营养化足迹在2004—2009年和2010—2013年两个时间段内总体均呈现减少趋势,但后一时间段内水体富营养化绝对值总体高于前一时间段.2004—2009年,水体富营养化足迹减少了约1.5×10~7kg NO_3eq,而从2010—2013年减少了约0.8×107kg NO_3~-eq;2011年至2013年期间,基于新增污染物(氨氮、总氮和总磷)计算的水体富营养化足迹减少了2.4×10~7kg NO_3eq.从其组成来看,水体富营养化的关键因素为总磷;3选取铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)、砷(As)5种重金属污染物,对北京市2011—2013年的水体生态毒性足迹进行评价发现,水体生态毒性足迹从4234.7×106m3H_2O eq增加到4653.1×106m3H2O eq.从其组成来看,重金属水体生态毒性足迹的关键污染因子为镉(Cd);4水劣化足迹与城市发展特征指标的关系分析显示,人口数量增速减缓、产业结构调整(第二产业向第三产业转化)以及农业化肥用量的减少,对于水劣化足迹的改善有积极作用.     

Modeling and simulation of industrial water demand of Beijing municipality in China

Statistic and econometric regression models were established in this study to analyze and predict industrial water demand, water deficits, and their future uncertainty in Beijing—a Chinese city with a severe water stress problem. A forecasting model was selected based on a modeling evaluation by comparing predictions with observations. Four scenarios were designed to simulate and analyze the future uncertainty of industrial water demand and the water deficit of Beijing. The modeling results for industrial water demand suggested that Beijing industry would face a water deficit between 3.06 × 10⁸ m³ in 2008 and 2.77×10⁸ m³ in 2015, though its industrial water demand would decrease from 6.31×10⁸ m³ to 4.84 ×10⁸ m³ during this period of time. Results from simulated scenario illustrated that, due to the extreme water scarcity situation, industry in Beijing would still face a serious water deficit problem even with a very optimistic scenario for the future.     

京津冀水源涵养生态服务供体区与受体区范围的划分

京津冀水资源问题已经严重制约区域经济发展,定量分析研究区水源涵养生态服务供受关系,有助于深刻理解区域上下游之间的生态联系,促进区域生态公平,实现区域社会持续健康发展.利用降水储量法、水量平衡法及水源涵养生态服务供体区与受体区划分方法,分析2000-2010年京津冀净水源涵养量空间格局,划分研究区水源涵养生态服务供体区和受体区范围.结果表明:①冀北燕山山区净水源涵养量最高,年均值为65.24~81.35 mm,其次是冀西太行山山区,年均值为46.47~61.28 mm;净水源涵养量负值区主要分布在东部沿海和大中小城市,年均值为-130.46~-152.39 mm.②水源涵养生态服务供体区占研究区面积的41.42%,单位面积（m2,下同）平均净供水量为0.03~0.07 m3;水源涵养生态服务平衡区面积占25.01%;水源涵养生态服务受体区面积占33.57%,单位面积平均净需水量为0.18~0.41 m3,是供体区供水能力的6倍左右.③从流域来看,滦河流域的承德市为天津市、秦皇岛市及唐山市供应水资源,年均供水总量为23.7×108 m3;永定河流域的张家口市为北京市供应水资源,年均供水总量为5.3×108 m3;大清河流域的保定市为北京市及天津市西南部供应水资源,年均供水总量为8.2×108 m3;但子牙河流域和漳卫河流域供水能力严重不足.研究显示,燕山山区和太行山山区为水源涵养生态服务供体区,东部沿海和大中小城市为主要水源涵养生态服务受体区,水源涵养生态服务供体区净水源涵养能力不能满足水源涵养生态服务受体区需水量,整个研究区供受关系严重失衡.      

虚拟水研究与应用进展

虚拟水是解决水资源短缺和粮食安全问题的新途径,是目前国际新兴的研究热点。文中系统地阐述了虚拟水的概念和内涵,归纳总结了关于产品的虚拟水含量的计算方法,包括基于不同产品类型区别计算的方法和产品生产树的方法。并且介绍了虚拟水的应用情况,还对今后的研究方向进行了探讨。     

投入产出法在虚拟水消费与贸易研究中的新应用

虚拟水是缓解水资源危机的一种途径。投入产出法是研究虚拟水的主要方法之一,可分为单区域投入产出模型（SRIO）和多区域投入产出模型（MRIO）。鉴于SRIO 和MRIO单独应用时存在一定局限性,论文提出同时运用单区域投入产出表和多区域投入产出表研究虚拟水,即：利用SRIO 计算完全用水系数,并直接利用单区域投入产出表区分本地水足迹与外来水足迹,再根据多区域投入产出表分析区域间的虚拟水贸易。广东省的案例研究显示：①2007 年广东省水足迹为333.9×10⁸ m³,其中本地水足迹223.6×10⁸ m³,外来水足迹110.3×10⁸ m³;②广东省同年虚拟水输出量445.4×10⁸ m³,输入量454.1×10⁸ m³,其虚拟水的外部来源主要是湖南、广西和浙江。结果表明以上方法可全面计算完全用水系数,有效区分本地水足迹与外来水足迹,揭示区域间的虚拟水贸易关系,为水资源管理决策提供方法支持。     

白洋淀湿地不同时空水生植物生态需水规律研究

在对白洋淀典型水生植物的蒸腾量实地监测的基础上,确定了不同时间和空间下水生植物的蒸散系数,对白洋淀湿地基于现状和恢复目标下的植物生态需水量进行了等级划分和计算.研究结果表明,6～9月综合蒸散系数为3.21、6.24、6.02和1.86.水生植物需水量的时间分布规律为7月>8月>6月>9月,空间分布规律为陆地>水陆过渡带>水中.现状条件下,白洋淀水生植物6～9月的最小需水量分别为0.49×108m3、0.80×108m3、0.60×108m3、0.16×108m3,分别占湿地最小生态需水量的44%、56%、49%、50%(未包含湿地土壤需水量),与湿地最小生态需水量对应的最低生态水位为7.50m、7.50m、7.50m、6.30m.基于生态恢复目标,计算得到6～9月的水生植物最小生态需水量分别为0 56×108m3、0.91×108m3、0.69×108m3、0.19×108m3,为湿地最小生态需水量的30%、41%、35%、21%.对比白洋淀水生植物生态需水量的实际值和计算值发现,白洋淀水生植物的生态需水量在6～9月间分别是计算值的5.75倍、6.42倍、5.00倍和2.29倍.