水资源和能源是保证社会经济发展和人民生活重要的物质基础,直接关系到国家安全、社会稳定和资源的可持续发展。在气候变化、快速的城市化、社会经济发展和人口增长的背景下,水资源、能源供需矛盾愈发凸显。在全球各项体系日益复杂并且相互关联的背景下,未来风险冲击可能性的增加对社会经济的长期稳定可持续发展提出了严峻的挑战。水资源与能源之间存在着不可分割的相互依存、相互制约关系。传统的水资源、能源规划往往将两个系统分开,导致以牺牲一方的资源来谋求另一方的发展,这种决策方法已不能满足的现状需求。本文通过科学解析水资源与能源纽带关系,构建水与能源耦合系统仿真模型和综合风险评估方法,以北京市为例,实证研究了典型年水资源系统的能耗量,能源生产的用水量和外部能源供应引起的虚拟水转移量,并对北京市水与能源耦合系统的变化趋势以及气候变化下耦合系统的响应进行了仿真模拟,分别设置了社会维度、经济维度、技术维度、政策维度的调控方案,并对各调控方案的有效性和能水节约的协同性进行了评价。通过优选的Frank Copula函数构建耦合系统的二维连接函数,对水与能源耦合系统的综合短缺风险进行了评估。论文的主要结论包括以下几个方面:(1)基于物理过程、系统学基本模式、纽带关系属性,从多角度科学解析了水与能源纽带关系。水资源和能源之间存在多个角度的纽带关系。从物理过程而言,在生产阶段,能源的开采、提取和生产伴随着水资源的使用和消耗,同时水生产过程,即制水环节需要消耗能源来达到用水标准。在运输阶段,能源是水资源的取水、输配水、排水过程中的动力保障,水资源的运输过程的每个环节均伴随着能源的消耗。在终端使用阶段,生活部门的水与能源关系体现在水为载体,能源为动力进行的耦合,其目的是为维持正常生活提供服务。工业部门常常将水作为冷却剂、化石燃料作为动力参与工业生产。从系统学的基本模式来看,水与能源之间的因果反馈关系可归纳为增强回路、成长上限、事与愿违和富者愈富和四种模式。从纽带关系的属性而言,水与能源耦合关系在环境、社会、经济、技术与政策维度具有明显的属性。(2)定量计算了北京市的水与能源纽带关系本文从水资源系统的能耗量、能源生产的用水量及外调能源供应引起的虚拟水转移量三个方面定量化的计算了北京市水与能源的纽带关系。研究结果表明:在基准情景下,2017年北京市水资源利用总过程的能源消耗量为678.06万吨标准煤,约占2017年北京市能源消费总量(7132.84万吨标准煤)的9.51%。其中,用水环节的能耗最大,占总过程能耗的92.08%。2017年能源生产及外调能源生产用水总量为4.92亿m3,其中本地生产用水量为2.02亿m3、外调能源生产用水量为2.90亿m3。能源生产用水量占全市总用水量的5.1%,占工业用水量的57.7%,北京市能源生产部门是工业用水大户。2012年北京市外调能源供应引起的虚拟水流入量总计5.03亿m3,其中,电力、热力的生产和供应业(2.11亿m3)是虚拟水流入量最多的能源行业,占能源行业总量的42%,并且北京市外调能源供应引起的虚拟水流入量较多的省份主要来自于水资源匮乏的北方省份。(3)对北京市水与能源耦合系统的演变趋势进行了仿真模拟,并对各个维度调控方案有效性及能水节约的协同性进行了评价。基于构建的系统动力学的水与能源耦合系统仿真模型的预估结果表明:在基准情景下,到2035年北京市总需水量达67亿m3,相较于基准年2017年增长了1.7倍;能源需求总量到达11130.3万吨标准煤,相较于基准年增长1.49倍,总能耗在2030年后增长趋于稳定状态;水资源利用过程能耗达949.6万吨标准煤,约占社会总能耗的8.53%,相较于基准年增长了 1.52倍;能源生产用水量在达11.7亿m3,约占社会总用水量的17.5%,相较于基准年增长了 2.4倍。不同的维度的调控方案的具有不同的节水、节能效果,对比来说,社会维度、经济维度、技术维度和政策维度—供电结构调整具有能水协同节约效果,社会维度和经济维度措施的能水协同节约效果最为明显,政策维度—再生水回用及南水北调措施虽然缓解了本地的水资源供需矛盾,但一定程度上增加了能源系统的负担。(4)对北京市水与能源耦合系统的综合短缺风险进行了评估基于优选的边缘分布函数和耦合系统的Frank Copula二维连接函数计算了水与能源耦合系统的综合短缺风险。结果表明,到2035年北京市水资源子系统的短缺风险将达到0.90,能源子系统的短缺风险将达到0.87,水与能源耦合系统的短缺风险为0.86。政策维度—再生水回用措施的落实对于水资源子系统短缺风险的改善最为有效,社会维度政策和政策维度-南水北调为主的措施次之;而经济维度政策的落实对能源子系统短缺风险的改善最为有效,社会维度和技术维度-节能措施次之;对于水与能源耦合系统而言,经济维度政策对于其短缺风险的降低最为有利,社会维度和政策维度-再生水回用为主的政策次之。政策维度-再生水为主的措施落实后,水资源子系统的短缺风险下降到了 0.70,经济维度措施落实后,能源子系统的短缺风险降到了 0.71,耦合系统的短缺风险降到了 0.68。论文的研究成果为水与能源纽带关系研究提供了新的视角,为水与能源的协调可持续与风险管理提供技术支撑,对提高区域内的水资源和能源保障率具有实践价值。