基于水量—水质的多核多级城市群水代谢系统健康诊断与预测

作     者：文静 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：杨盈;程秀梅

授予年度：2024年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：多区域投入产出模型 水量-水质联合 水代谢系统 健康现状及预测 粤港澳大湾区城市群 

摘      要：水量和水质作为水资源的重要属性,是制约区域水系统可持续发展的关键因素。城市群作为社会经济活动典型区域,消耗大量的淡水资源,并随之排放水体污染物,容易发生水量型和水质型缺水。此外,城市群内多核心、多级别的城市间产业贸易会导致水资源转移,水环境压力等问题。这迫使城市群需要深入评估依赖资源代谢过程的水系统健康状况。然而,目前研究存在两个主要问题:一方面,由于核算不同级别城市间代谢水流的方法存在数据难以获取的问题,现有研究缺乏对不同等级城市的水代谢系统健康状况进行深入剖析;另一方面,兼顾水量-水质要素的水代谢系统健康评估及预测仍有待进一步研究。基于此,本研究构建了一套基于水量-水质联合视角的多核多级城市群水代谢系统健康诊断及预测模型。具体包括三方面内容:首先,提出一个适用于含有不同政体级别的多区域投入产出表数据处理框架,编制了城市群投入产出表,并结合生态网络分析法模拟城市群水代谢系统,深入探讨了系统的水消耗特征;在此基础上,利用生态网络分析法构建活力-组织力-恢复力-协作力的健康诊断体系,阐明了水量水质联合代谢的系统健康现状,进而识别了影响系统的关键代谢节点;最后,依据各城市未来宏观经济规划、水资源量质刚性约束以及代谢现状,预测了不同贸易情景下大湾区城市群未来水代谢系统的健康状况。为了验证该方法的有效性,将其应用于中国典型的多核多级城市群(粤港澳大湾区城市群)进行案例研究。主要研究结果如下: (1)水消耗特征表明,大湾区城市群整体的水质型用水是水量型用水的2.7倍,澳门、珠海及佛山存在明显的水质型缺水压力。城市群整体约60%虚拟水处于出口状态,城市群的第一产业,服务业,以及轻工业、石化产业、电子制造业、建筑业作为联系其他部门的主要关键枢纽,对重构城市水资源利用结构有重要的影响。城市消费性需求和生产性供给表明城市间联系不够密切,水代谢系统存在单一节点水质型短缺负担和区域资源不平等性。 (2)健康现状诊断表明,联合水量水质后,芬恩循环指数减小(FCI=10.4%),代谢系统的活力被削弱。珠三角地区的第一产业、电气水供应业和建筑业表现尤为突出。珠三角地区第一产业对维持代谢系统的组织结构发挥着重要作用,而轻工业和建筑业对系统更为依赖。由于水质因素,其他制造业(深圳、江门、惠州和东莞),电子机械工业(肇庆和澳门),石化产业(广州),电气水供应业(东莞)、采矿业(珠海)的系统组织力表现薄弱。特别是,无论是否考虑水质因素,珠三角地区处于高弹性代谢状态,而港澳地区处于高脆弱性代谢状态。大湾区水代谢系统稳健性数值为0.26,恢复力有待提高。协作力层面,香港、广州、深圳的建筑业、电气水供应业和金属制造业是剥夺其他部门水资源的重点部门,系统剥削关系占比为52.4%,水代谢系统的协作力负向发展。总体而言,代谢系统存在水质型用水流失至城市群外,并且污染严重部门的依赖强度削弱了代谢系统的活力和组织力。城市群代谢稳健性低,呈现出更明显的剥削关系,代谢系统的恢复力和协作力有待提高。 (3)健康预测趋势表明,在传统贸易情景下,2017年、2025年和2030年的系统FCI值分别为10.4%、9.5%、9.4%,系统活力呈现出平缓下降的趋势;城市的自我调节能力波动较大,系统共生关系占比相对稳定(分别为13.51%、14.08%、14.05%),但剥削关系稳定上升,系统的健康发展受限。然而,在优化贸易情景下,2025年和2030年的系统FCI值分别为11.40%、11.24%,系统活力得到提升,自我调节能力呈现平稳上升趋势,代谢系统组织力更优,系统共生关系增强(分别为14.51%和14.70%),恢复力也持续加强,大湾区城市群水代谢系统整体的健康水平得到了改善。 本研究建议GBA相关部门支持污染密集型部门引进技术改进并严格控制出口产品的生产过程,以改善水质型缺水的现象。此外,针对临海位置的香港、澳门和珠海,建议合理使用海水资源替代品,增加本地的水资源禀赋,以提高代谢系统的健康。本研究阐明了水量水质对水代谢系统现状健康及发展趋势的影响,能够为大湾区未来制定水资源可持续发展战略提供更全面的见解。