《广义水资源优化配置理论与实践》围绕广义水资源优化配置这一核心命题，系统构建了贯通“三网三流”的理论框架与方法体系。《广义水资源优化配置理论与实践》以我国北方缺水地区典型工业基地为研究场景，突破传统“就水论水”的管理局限，将虚拟水纳入水资源统一配置范畴，阐明实体水与虚拟水在供水网络、产品网络、交通网络中的耦合转化机理与双向反馈机制。主要内容包括：多产品水足迹精准量化理论与双尺度核算模型、产品水足迹定额与广义节水潜力判别方法、实体水-虚拟水协同优化配置模型及嵌套循环求解算法，并以宁东能源化工基地为例开展实证研究，揭示虚拟水对区域水资源压力的调节作用及互补替代规律，提出兼顾年度计划与中长期规划的广义水资源统筹配置策略。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究进展 3
1.3 现有研究存在的问题与不足 10
1.4 研究内容与章节安排 11
第2章 广义水资源优化配置理论 14
2.1 理论框架构建 14
2.2 多产品水足迹精准量化原理 17
2.3 实体水？虚拟水协同优化 23
2.4 本章小结 27
第3章 多产品水足迹精准量化模型构建 28
3.1 水足迹精准量化模型构建 28
3.2 模型计算逻辑与特殊问题处理 34
3.3 基于水足迹的耗水评估与节水潜力识别 36
3.4 本章小结 41
第4章 多产品水足迹精准量化实证研究 43
4.1 研究区域与数据 43
4.2 多产品关系表征与参数矩阵构建 49
4.3 水足迹精准量化结果分析 52
4.4 产品水足迹定额与节水潜力分析 63
4.5 本章小结 68
第5章 实体水？虚拟水协同配置模型构建 70
5.1 模型架构与求解方法 70
5.2 水资源供给侧优化配置模块构建 74
5.3 水资源需求侧优化配置模块构建 83
5.4 本章小结 87
第6章 实体水？虚拟水协同配置实证研究 89
6.1 模型情景设置与计算条件 89
6.2 供给侧模块计算结果分析 96
6.3 需求侧优化模块结果分析 112
6.4 实体水？虚拟水协同配置效果评估 124
6.5 本章小结 126
第7章 面向工业基地的广义水资源配置策略 128
7.1 广义水资源协同配置规律 128
7.2 广义水资源配置策略体系 135
7.3 本章小结 136
第8章 结论与展望 137
8.1 研究结论 137
8.2 研究创新点 139
8.3 研究展望 140
参考文献 141
附录 148

第1章 绪论
　　1.1 研究背景和意义 1
　　水资源是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源。当前，全球正面临日益严峻的水危机，水资源短缺、时空分布不均与污染加剧等问题相互交织，对粮食安全、产业布局和生态安全构成多重挑战。我国人均水资源量仅为世界平均水平的四分之一，且南北分布极不均衡，资源性缺水、工程性缺水与水质性缺水并存，水资源已成为制约高质量发展的刚性约束。长期以来，水资源管理研究及实践主要聚焦于地表水、地下水及非常规水等实体水的开发、调配与节约，强调物理水循环过程中的供给保障与效率提升。然而，随着全球化深入和产业链分工细化，大量水资源以虚拟水形式隐含于产品与服务之中，并通过贸易在国家、区域及经济主体间大规模流动。这种“看不见的水”虽不具备水的物理形态，却深刻影响着区域水资源的实际消耗与承载压力，而传统就水论水的管理模式仅关注实体水循环，难以捕捉虚拟水流动引发的隐性水转移，无法识别通过贸易优化水资源空间配置的潜力。因此，亟须突破传统的水资源管理理念，将实体水与虚拟水纳入统一框架，构建广义视角下的水资源管理新模式。
　　在农业与工业两大用水部门中，虚拟水流动极为频繁。我国每年进口大量水资源密集型农产品，尽管“进口水资源”并非这一贸易行为的核心驱动因素，但在有效填补国内农产品供给缺口的同时，也在客观上显著缓解了本土水资源压力。以大豆为例，2024年我国大豆进口量达1.05亿t；若依据主产区内蒙古在灌溉保证率为85%条件下的种植用水定额进行测算，相当于节约了本地蓝水约1700亿m3，占当年全国总用水量的28.68%。不同于农业产品之间相对*立的特性，工业部门的虚拟水流动机制更为复杂——在原材料进口与制成品出口驱动下，虚拟水形成跨区域双向流动；尤其是各行业间技术经济联系紧密，上下游高度关联；在初级加工到终端制造的整个生产链条中，上下游产品生产环节复杂交织，持续嵌入并转移巨量虚拟水，彻底重构了以实体水为主的水资源利用格局。因此，在产品全生命周期视角下，产业链通过复杂的投入产出关系深度耦合，叠加活跃的商品贸易活动，共同构建起一个跨越区域边界、结构高度复杂的虚拟水网络通道，这为广义视角下的水资源规划与配置提供了广阔的优化空间。
　　更深层次的矛盾在于我国工业空间布局与水资源禀赋的不匹配性突出。2024年，工业用水量占全国总用水量的16.38%，作为第二大用水主体，其产能高度集中于北方及东部沿海缺水区域，如京津冀地区、新疆天山北坡经济带，以及宁夏宁东、陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯为核心的中国能源化工“金三角”地区等。这些区域集中了全国72.60%以上的煤炭等化石资源储量，现代煤化工等高耗水行业产能占全国总量的83.60%，但水资源仅占全国总量的7.20%（国家统计局能源统计司，2025）。化石能源开发的高强度工业用水需求与区域水资源短缺形成尖锐对立，产业规模化发展持续逼近水承载力的刚性约束边界。在此现实困境下，广义水资源管理理念展现出关键价值：它突破实体水调控的物理边界，通过解析虚拟水流动的路径与驱动机制，量化虚拟水对区域水安全的隐性支撑作用，推动实体水与虚拟水的协同优化配置，为资源型缺水地区的产业？水系统失衡提供系统性破解路径。
　　然而，现有研究多局限于多尺度虚拟水流动格局量化或单一部门/产品水足迹核算，尚未建立可支撑规划实践的广义水资源协同配置理论体系（徐梓曜，2024）。受制于生产工艺异质性与产业网络复杂关联特性，当前方法难以在生产系统内部实现实体水与虚拟水的系统性统筹，且需在三个方面实现突破：①构建耦合产业网络拓扑结构的广义水资源管理理论，精准量化产品全生命周期水耗特征，奠定广义水资源优化配置的理论基石；②推动配置单元向微观用水主体精准下沉，通过耦合实体水网络优化调度与虚拟水贸易流动网络，解析虚拟水对区域水压力的动态调节机制；③突破传统单向用水模式，刻画循环利用型水源（如再生水）、生产伴生型水源（如矿井水）等非常规水源利用中主体的供？用双重角色，完整模拟取—供—用—耗—排—回用全链条水循环过程，揭示水资源系统双向反馈机制。
　　基于此，本书旨在构建实体水？虚拟水协同优化理论框架及量化模型，通过解析产业网络中虚拟水流动的拓扑特征及其对实体水的替代效应，定量评估虚拟水流动对区域经济？水系统的耦合影响，为缺水地区提供水？能？物料多生产要素协同配置的决策方案。本书不仅将完善水资源管理理论体系，更可为优化资源空间开发格局、驱动产业结构绿色低碳转型提供科学依据。在水资源刚性约束持续强化与“双碳”目标纵深推进的双重背景下，发展广义水资源协同配置策略，对保障国家水安全、促进区域协调发展、实现资源全要素高效集约利用具有重大理论创新价值与实践指导意义。
　　1.2 国内外研究进展
　　水资源配置是水利工作中至关重要的环节，是均衡水与发展的关键措施。水资源配置研究在实践需求和理论创新驱动下，得以不断丰富和发展。纵观水资源配置研究成果，为解决缺水地区水资源供需失衡这一主要矛盾，水资源配置口径不断扩大，从起初可控的地表水和地下水等径流性水资源，扩大至包括再生水、矿井水、土壤水、海水淡化等非径流性水资源，*后逐渐拓展为考虑虚拟水的广义水资源配置。
　　1.2.1 传统水资源配置研究进展
　　传统意义上水资源优化配置的水源范围主要包括地表水和地下水两种常规水源。水资源配置的科学研究工作起源于20世纪40年代美国科学家Masse等提出的水库调度问题（赵勇等，2009）。我国水资源配置研究起步相对较晚，1983年，“六五”计划期间才*次引入水资源综合利用和配置概念。然而，在我国严峻水资源问题亟须解决的“需求牵引”下，经过40年的发展，我国水资源配置研究工作已成为水资源规划管理的核心内容，并成为水文水资源学科的一个重要分支，直接影响到经济、社会、环境和生态诸多方面（王浩和游进军，2016）。围绕以地表水为主的传统水资源配置阶段，国内外研究大致经历了三个时期：就水论水配置时期、以宏观经济为导向的配置时期和面向可持续发展的配置时期。
　　就水论水配置实质上是基于“以需定供”的水资源管理理念，这一时期多以水量*大为配置原则，依靠兴建水利工程、增加供水能力等工程和技术手段，以满足社会经济发展对水资源不断增长的需求。在这一阶段的早期，水资源研究与调配实践是以水库为核心开展水量调度工作。1953年，美国陆**程兵团（USACE）研发了以水量*大化为目标的水资源调配模型，并将其应用于密苏里河流域六座水库的水量联合调度（李雪萍，2002）。20世纪60~70年代，随着计算机科学和技术的快速兴起，包括我国著名运筹学专家吴沧浦在内的国内外研究人员，将不同求解算法和技术运用于水资源系统的开发与水库运行研究当中，研究问题逐步从水库年度调节（吴沧浦，1960）发展到水库水量优化调配（Hall and Buras，1961），再到水库群多目标优化调度（Liang et al.，1996）。总的来说，这些研究注重的是水资源量的追求和水资源在时空上的调配，属于相对粗放型的水资源利用方式。
　　20世纪80~90年代，在就水论水时期，区域水量配置的概念开始萌芽，研究思路逐步转向将水量配置融入流域自然水循环体系，学界开始涌现出针对地表水文过程与地下水的动态转化关系的相关研究，并*次构建了地表水？地下水耦合的优化配置模型（Willis et al.，1989）、地表？地下水资源系统多目标配置模型等（谢新民等，1994）；随后，大气水、地表水、土壤水、地下水相互转化的实验性研究（张德祯和徐世民，1993）和机理性研究（沈振荣，1992）在“以需定供”模式下被应用于地下水和地表水联合配置。总而言之，就水论水配置时期主要关注确定性的水资源分配问题，虽然已形成流域范围水资源配置的概念，但对影响配置的社会经济因素缺乏互动性分析，忽略了这些因素与水资源分配之间的相互影响关系，配置模式已难以解决日益严重的水资源短缺和用水竞争加剧的问题。
　　20世纪90年代中后期至2000年前后，随着经济社会发展，用水竞争越发激烈，就水论水的管理模式已难以满足所有用水需求。水资源系统与社会经济系统之间的复杂交织作用使研究人员意识到，水资源优化配置理论需要跳出单纯考虑水资源系统的局限，将水资源系统视为区域自然？社会？经济动态协同系统中的一个子系统。这种基于宏观经济导向的水资源配置实质上就是将水量配置问题与经济产业结构和生产力布局优化调整相结合，进一步扩大了水资源配置的分析视角（王浩和游进军，2016）。从经济学角度来看，这一研究理念认为宏观经济在受到产业结构、消费结构、投入产出结构、技术和政策等内部因素制约的同时，也会受到水资源等自然资源外部因素的制约（王浩和游进军，2016）。因此，这一时期研究模型构建多以水资源在内的多重外部因素为约束条件，以经济效益*大化（Huete，1987；刘健民等，1993）、经济产值*大化（Pearson and Walsh，1982）、经济成本*小化（Nishikawa，1998）等为优化目标。随后，为了更好地揭示水资源与社会经济之间的复杂关系，研究人员试图采用更多复杂分析方法开展水资源配置研究，将机器学习算法（贺北方等，2002）、复杂适应系统理论（赵建世等，2002）、多目标风险决策分析（顾文权等，2008）等方法引入考虑经济*优的水资源配置模型。通过不断积累，逐步形成以社会经济发展需求为导向的流域、区域整体水资源配置理念。然而，因时代背景需求存在局限性，这一时期的水资源配置研究和实践较少将生态环境要素纳入分析范畴。
　　进入21世纪，为了应对水资源过度开发利用引起的河道流量衰减甚至断流、地下水含量降低、水质恶化和生态损坏等一系列问题，越来越多的研究单纯考虑经济效益*优，转向综合考虑三个协调关系的水资源配置模式：水资源开发利用？社会经济发展？生态环境保护相协调、当前与未来发展用水需求相协调、水资源自然时空分布与经济产业结构和生产力相协调。在这一时期，生态需水分析和生态承载力分析是区域水资源配置的重要基础性工作，经过多年演化逐渐形成三类生态水量配置研究方法。①基于一定配置规则对区域生活、生产和生态用水进行合理配置。例如，甘治国等（2008）基于控制水利工程运行规则和用水户受水优先次序，开发了考虑天然？人工二元耦合地下水资源在水网中转化过程的区域水资源配置模拟模型；尹明万等（2004）提出了适用于大型复杂水资源系统的水资源规则化配置模型构建方法。②将生态需求作为约束条件设置到水资源优化配置模型中。例如，Hu等（2016）以*低生态用水需求为模型约束，构建了经济效益*大和配水公平性*大的双目标配置模型。③采用一个综合多目标模型来权衡生态和经济用水效益。例如，Liu等（2010）以经济效益*大、社会满意度*大和污水量*小为优化目标，构建了包括水库联合运行、咸潮分析、经济分析、水生态需求以及水源配置四个模块的配置模型；Wang等（2022）耦合了粒子群优化算法和模拟退火算法，试图在经济效益*大、区域缺水*小和重要区域排污*小三个目标中寻求全局*优解。在实际应用中，为实现可持续发展的水资源优化配置，需要同时考虑河道内和河道外两个方面的生态需求，这在一定程度上增加了决策变量的复杂程度，一些研究人员试图基于博弈论解决流域水资源配置问题（彭祥和胡和平，2006；冯文琦和纪昌明，2006）。目前，面向可持续发展的配置在水生态效益评价、水生态服务功能和生态需水机理分析等方面还存在不足，是未来传统水资源配置研究发展的方向（王浩和游进军，2016）。
　　1.2.2 多水源水资源配置研究进展 5
　　“开源”和“节流”并举是当前全球应对水资源危机的主要路径。为了分析流域或区域水资源开发利用状态，王浩等（2003）提出了水资源三次平衡思想。其中，一次平衡是基于当前水资源开发利用模式及外延式增长用水需求所进行的分析，它充分揭示了既不“开源”也不“节流”条件下水资源与需水的匹配程度；二次平衡是立足于当地水资源，