在气候变化背景下,人类和生态系统的水平衡及碳平衡已成为首要环境问题。气候变化深刻影响到水循环多过程及其多向反馈作用机制,进一步加剧水资源供需矛盾,不断加剧生态用水与生态用地被挤占的严峻形势,导致生态系统的碳捕获能力降低；另外,社会经济发展对化石燃料的需求量也呈现增加态势,导致碳排放量增加。碳排放量的增加和碳捕获量的减少综合致使碳的净排放量增加。虽然国内外的碳减排技术和增汇技术相继实施,逐渐趋向于“减源增汇”的态势,但还没达到碳的净排放量为负值的理想状态,这是由于减“源”与增“汇”措施相分离。以碳排放与社会经济用水、碳捕获与生态需水之间的关系为基础,基于低碳发展模式的水资源合理配置将碳的净排放过程与水资源系统联系起来,合理压缩社会经济系统用水即实施节水措施来降低社会经济需水,通过水资源和碳的净排放联合配置抑制碳排放、提高生态系统供水的保障程度,进而增强碳的捕获能力,该技术将成为革新传统水资源开发利用的新方式和减缓及适应气候变化的有力工具。本文基于“自然-人工”水循环与碳循环辨识了区域碳水耦合作用机制,提出基于低碳模式的水资源合理配置内涵、总体任务、基本特征、目标与原则。在上述理论支撑下,构建碳水耦合概念系统,绘制碳水耦合系统网络图；利用碳水耦合模型和野外原型观测技术定量化化识别碳水耦合机制,并预测未来需水量和碳排放量；构建不同水平年的水资源合理配置方案集,采用基于低碳模式的水资源合理配置模型对各方案进行模拟,对比模拟结果,提出推荐方案及其保障措施,在水资源配置理论与技术方面实现了创新。本研究拓展了水资源配置理论,与传统理论有所不同的是,基于低碳模式的水资源合理配置以区域碳水耦合机制为基础,即以“自然-人工”二元水循环与碳循环为主线,将碳循环耦合到水资源系统中,重点关注社会经济用水与碳排放、生态环境用水与碳捕获之间的关系,拓展了传统模式的研究范畴；在设置总体目标时,不仅考虑传统模式中的缺水量因素,还考虑了碳的净排放量,并将低碳性纳入配置原则中。基于低碳模式的水资源合理配置在考虑社会经济发展的基础上,重点结合供水模式、用水模式和工程供水过程等措施来抑制区域碳“源”、提高碳“汇”用水的保障程度。上述理论以区域碳水耦合作用机制识别技术与基于低碳模式的水资源合理配置技术为支撑,在这两个方面实现技术创新。区域碳水耦合作用机制识别技术通过构建流域碳水耦合概念系统,将每个模拟单元分为社会经济与生态环境系统,前者丰要模拟人工水循环与碳排放过程,后者则重点模拟自然水循环与碳捕获过程。结合野外原型观测、地理信息技术与数值模拟技术的综合优势,利用区域碳水耦合模拟整体识别碳循环与水循环的时空演变特征,以及关注单方水的碳排放效益、碳捕获效益与碳的净排放效益演变,可更直观地反应社会经济系统与生态环境系统中碳循环与水循环要素之间的关系,以克服以往碳水耦合研究对社会经济系统的考虑不足和将“碳源”与“碳汇”割裂分析的问题。基于低碳模式的水资源合理配置技术的核心是配置模型,该模型不仅在目标函数中加入碳的净排放量,还在约束条件中加入碳平衡条件、碳水关系指数与水利工程的碳排放效益指数,采用基于理想点和遗传算法的多目标规划求解法进行求解。基于低碳模式的水资源合理配置方案在保障经济的稳定增长速率的同时,通过内部节水与外调水措施满足区域的长远需水要求,尤其是生态环境方面,并在产业结构、节水、供水模式、水利工程布局等方面提出保障措施。在以上基础理论与关键技术指导下,以白洋淀流域为靶区开展实例研究,具体研究成果如下：(1)白洋淀流域碳水耦合机制识别利用区域碳水耦合模型对白洋淀流域碳循环与水循环进行模拟,取得了良好的效果,进而识别二者的演变规律及碳水耦合定量化关系,结果表明：流域2005-2010年碳排放量和碳的净排放量呈现逐年增加的趋势,但碳捕获量变化趋势不显著,整体呈现碳源；1997-2010年的降水不能满足蒸散发要求；虽然流域2005-2010年的供水和用水量均呈现持续下降趋势,但是,在没有考虑河道内需水和湿地生态适宜需水的基础上,流域仍呈现多年缺水状态；单方水的碳排放和碳的净排放效益呈显著增加态势,但碳捕获效益变化不显著。(2)白洋淀流域未来碳排放与需水预测在明确未来人口发展、城镇化水平、经济增长速率、生产总值、产业结构、能源消耗及其结构等要素变化基础上,计算各类能源的消费量,结合不同能源的碳排放系数预测区域未来碳排放量,并根据未来发展规划、相关标准中的定额用水量或推算定额计算生产需水、生活需水和生态需水,对流域需水进行预测。结果表明：与低碳发展模式相比,外延式发展模式下流域2015年、2020年和2030年的碳排放量分别增加19.3Mt、64.1Mt和319.1Mt；在不考虑河道内和湿地生态需水情况下,总需水量将分别增加12.7亿m3、15.3亿m3和21.6亿m3。(3)不同水平年的白洋淀流域配置推荐方案与现状年相比,2010年的推荐方案碳排放玲和碳的净排放量分别降低了3.6%和63.02%,但缺水率高达10.9%,仍不能满足流域现状的需水要求,需外调水补充供水,且区域碳捕获能力也没有增加。与外延式发展情景方案相比,2015年的推荐方案中的缺水率与碳的净排放量分别降低了26.1%和81%左右,流域供水和需水均为41.85亿m3,缺水率为0,但流域仍表现为碳源。2020年,若社会经济发展按照外延式发展,需采用高节水方案,缺水率降低30.7%,碳排放与碳的净排放分别降低11.9%和13.5%,碳捕获量增加3.7%。若社会经济发展按照低碳发展模式发展,则采用中节水方案,缺水率亦降低30.7%,碳排放与碳的净排放分别降低60.1%和74.9%,碳捕获量增加4.3%。2030年,在社会经济的低碳发展模式下,与外延式情景配置方案相比,流域推荐方案的缺水率与碳的净排放量将分别降低40.3%和112.6%,流域总体呈现碳汇。在白洋淀流域的应用研究不仅能够为水资源与生态环境保护规划提供直接支持,还能够为地下供水、南水北调和引黄工程的供水过程提供依据,具有较为显著的实践意义。