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水文循环是地球上最主要的物质循环和能量流动的转化方式之一,自人类社会开始开发利用水资源,天然的一元水循环结构被打破,形成了“自然-社会”二元水循环结构。城市水循环是社会水循环占主导的循环,城市社会水循环的不同方式和不同状态决定了城市水资源的利用效率。城市社会水循环的驱动力是指驱动城市社会水循环过程、结构、状念及通量变化的各种作用力的总和。城市社会水循环的动力机制指城市社会水循环驱动力的作用过程及机理。研究城市水循环的动力机制,有助于优化调整城市水循环系统的结构,有助于明晰城市社会水循环管理的基本过程和重点环节,从而为城市社会水循环调控措施以及途径的选取提供依据。
论文在综合已有研究的基础上,针对我国的城市水循环系统的实际情况,进一步界定城市社会水循环的概念、内涵、结构、功能及过程;通过分析国内外城市社会水循环系统时间及空间的演变规律,针对决定城市社会水循环系统的结构、功能及通量的关键因素,提出城市社会水循环的驱动机制包括城市水需求驱动机制、城市空间驱动机制及城市水管理驱动机制,初步建立城市社会水循环驱动机制的框架;同时,将各个机制进行分解,具体为:城市水需求驱动机制包括生活用水驱动、生产用水驱动及生态用水驱动;城市空间驱动机制包括城市水循环系统演化的聚集机制、城市水循环系统演化的扩散机制;城市水管理驱动机制包括城市用水分配的公平机制、城市用水分布的极化机制及城市社会水循环系统安全保障机制;借鉴城市地理学、环境学、经济学、社会学、管理学等多学科知识,建立了基于生活水平变化的生活需水量模型(RWD Model)、基于工业化水平的工业需水量模型(IWD Model)、城市用水聚集度模型(UWA Model)、用水的扩散模型(UWUD Model)、基于基尼系数的用水公平性分析模型(UWED model)、用水极化分析模型(PUWD model)、城市社会水循环安全模型(SUWC model)模型,用以分析城市需水、城市空间变动及城市管理对城市社会水循环通量、结构及状态的驱动作用。
以济南为实例,分析济南市城市社会水循环的演进规律、驱动机制等。结果表明:2020济南市的城市总需水量(包括生活需水量和工业需水量)为5.719亿m3,比2007年增长67.6%,生活及工业需水量分别为2.985亿m3和2.743亿m3,城市需水量将促使城市社会水循环通量显著增加;研究区2004年~2008年间UWA指数(城市用水空间聚集度指数)呈现明显的震荡上升趋势,对于不同用水类别,其空间聚集程度的大小排序为:高用水量>低用水量>中低用水量>中高用水量>中用水量:UWUD指数(城市用水的空间扩散度指数)呈现震荡下降的趋势,对于不同用水类别,空间散布程度的大小排序为:中高用水量>中低用水量>中用水量>高用水量>低用水量;生活用水不公平指数的变化呈现一个明显的峰型结构,但不公平指数总体水平不高;工业用水分布处于较高的不均衡状态但极化程度呈下降趋势;2001年~2007年间济南市社会水循环系统总体安全状态不高,变化范围为0.06~0.28,呈现锯齿状波动,其中2003年最高为0.28,安全状态相对最好。
同时,在需水量模型构建过程中,引入粗糙集理论(Rough set)对城市社会水循环通量的主要驱动因子进行识别,有效识别出影响城市生活需水量和工业需水量的最小约简;针对城市社会水循环安全评价存在的评价客体的过渡性、评价标准的浮动性等特点,引入Vague集理论进行城市社会水循环系统安全状态的评价,从而有效避免评价主体对于评价结果的干预,使评价结果更为客观。
论文对于城市社会水循环概念、内涵、结构、功能及、过程及驱动机制的探索将为建立城市社会水循环的相关学科体系、完善相关的研究方法提供依据和借鉴。