Page 32 - 2022年第53卷第6期

水特征，实现多水源向多用户水资源配置。生活污水、工业废水全部收集处理，并根据污水处理厂处
理能力，一部分废污水提标转化为再生水回用，剩余部分排入河道；（ ３）层次化需水模块：根据不同
行业需水机理和特点，将生活、工业需水分为刚性、弹性和奢侈需水三个层次，其中刚性需水指满足
文明生活和良性生产的基本用水，弹性需水指满足经济、社会快速发展所需的水量，奢侈需水指超出
合理需求的用水 ［２８］ ，为需水层次化调控提供数据支撑；（４）粮食生产模块：基于地区粮食安全要求和
粮食自给率保障水平，确定粮食贸易量和本地粮食产量，并通过种植结构、灌溉效率、灌溉面积等确
定农业需水量；（５）能源消耗模块：根据不同水源向不同用水户配置情况，计算社会水循环对应的取
水、供水、用水、排水与污水处理等全过程的能源消耗量。
由图 ２可知，水－ 粮－ 能－ 生协同调控模型的功能特点主要为：１）水 － 粮 － 能 － 生耦合系统交互核心
为自然－ 社会水循环过程，保障粮食安全的供水、实现健康水循环的生态补水离不开水资源配置，同
时社会水循环从自然水循环取水，通过水资源配置后又转化为退排水量进入河道，存在动态互馈的关
系，而社会水循环在取水、供水、用水和排水与污水处理全过程均依靠能源进行驱动。２）耦合系统内
部本地水和外调水混合、实体水和虚拟水结合，其中外调水调入和调出直接影响区域水资源可利用量情
况；粮食贸易伴随的虚拟水引入则加强了水－ 粮－ 能－ 生耦合系统应对水资源短缺风险的能力。３）水－ 粮－
能－ 生各系统间相互制约，互相联动，如水资源系统通过补水恢复生态系统，带来地下水位回升，从
而减少取水耗能。

３ 模型主要计算原理

３．１ 自然水循环产汇流模拟 自然水循环过程包括降水过程、地表产流过程、壤中流过程、地下径流
过程、蒸散发过程与河道汇流过程，该部分采用 ＧＷＡＳ模型自带的产流模拟模块和河道汇流模块实
现，通过该部分模拟，可以为水资源调配模块实时提供水资源量结果，同时输出河道断面生态流量和
入海水量等生态系统参数。
３．２ 生活工业层次化需水预测 本文将生活和工业需水分为刚性、弹性和奢侈三个层次，以京津冀居
民用水行为调查和工业结构与用水效率统计数据为基础，采用概率密度统计方法和基于物理机制的用
水行为层次区间，对生活和工业采用层次化需水预测方法 ［２９］ 。
Ｗ＿ｄｍｄ ＝ Ｗ＿ｄｏｍ ＋ Ｗ＿ｄｏｍ ＋ Ｗ＿ｄｏｍ ｌｕｘ （１）
ｆｌｅｘ
ｒｉｇ
ｄｏｍ
Ｗ＿ｄｍｄ ＝ Ｗ＿ｉｎｄ ＋ Ｗ＿ｉｎｄ ＋ Ｗ＿ｉｎｄ （２）
ｉｎｄ
ｌｕｘ
ｆｌｅｘ
ｒｉｇ
式中：Ｗ＿ｄｍｄ 为生活需水；Ｗ＿ｄｍｄ 为工业需水；ｒｉｇ、ｆｌｅｘ、ｌｕｘ分别为刚性、弹性和奢侈需水。
ｄｏｍ ｉｎｄ
在需水层次化调控时，刚性需水在水源充足条件下全部满足，不参与优化配置；弹性和奢侈需水
参与优化配置，其中弹性需水优先保障，在配置后仍有水源富裕条件下，再对奢侈需水进行配置。
３．３ 生态需水计算 生态系统需水包括河湖生态需水、健康地下水位保障需水、入海水量约束和河道
外生态需水。
（１）河湖生态需水。对于区域不同阶段生态保护与经济社会发展的平衡关系，生态需水可分为最
小需水、适宜需水和理想需水，分别对应保障生态系统生物生存和生态环境质量的最小需水量、促进
生态系统良性发展的需水量和生态系统发展不受水资源量约束的需水量 ［３０］ 。考虑到京津冀地区极度缺
水，本文中河湖生态最小需水包括弥补蒸发和渗漏损失水量，和维持水体自净能力的最小需水量，适
宜和理想需水相对比最小生态需水，主要体现在更高的水体自净能力和河道两岸绿化带等景观需水。
Ｑ ＝ Ｑ＋ Ｑ＋ Ｑ＋ Ｑ （３）
ｚ ｓ ｉ Ｏ
式中：Ｑ为生态需水总量；Ｑ为蒸发需水量；Ｑ为渗漏需水量；Ｑ为维持水体自净能力需水量；Ｑ 为
ｚ ｓ ｉ Ｏ
河道两岸绿化带等景观需水。
（ ２）健康地下水位。京津冀平原属于强人类活动地区，地下水位恢复和保持目标不仅要考虑自然
生态，还需考虑人类活动和社会发展的需求。健康地下水位是以保障生态健康为导向，以地下水获得
最大补给为基础，以降低对经济社会发展用水影响为要求，由一系列不同类型地下水位服务功能目标

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