二元水循环条件下水资源管理理念的初步探索＊

王 浩 杨贵羽

①中国工程院院士,②高级工程师,中国水利水电科学研究院,北京100038

＊国家重点基础研究发展计划(No.2006CB403404和2006CB403405);国家自然基金创新研究群体科学基金项目(No.50721006);国家“十一五”科技支撑计划资助项目 (No.2006BAB06B06)资助

二元水循环条件下水资源管理理念的初步探索＊

王 浩①杨贵羽②

①中国工程院院士,②高级工程师,中国水利水电科学研究院,北京100038

＊国家重点基础研究发展计划(No.2006CB403404和2006CB403405);国家自然基金创新研究群体科学基金项目(No.50721006);国家“十一五”科技支撑计划资助项目 (No.2006BAB06B06)资助

耗水管理 七大总量控制 流域水资源管理 “自然-人工”二元水循环

中国存在水资源短缺、水生态退化以及水环境恶化等问题,一方面是由于中国水资源本底差的客观条件,另一方面是由于水资源管理的不完善。为此,本文针对后者,结合“自然-人工”二元水循环过程,对现代环境下的流域/区域水资源管理作了新的探索,提出“以耗水(ET)管理为核心,七大总量控制为约束”的水资源管理新理念。通过与传统水资源管理的对比,论述了在二元水循环条件下开展“以耗水(ET)管理为核心,七大总量控制为约束”的水资源管理的重要性;同时,通过分析实施耗水和七大总量控制指标的现代先进的技术说明了开展的可行性。

1 引 言

“流域水资源管理”是对流域水资源供给与需求关系的协调过程,是以追求可利用水资源的最大效益,实现流域人水和谐、经济系统和生态环境系统和谐发展为最终目标的水资源统一调控和协调管理。但是,在不同的社会发展阶段,由于现实的供给条件与社会经济发展和生态环境保护需求的不同,有关流域水资源管理的内容各有侧重。随着水资源管理实践的深入,水资源管理理念从20世纪60年代之前的“以需定供”转向20世纪中后期的“以供定需”。“以需定供”重在对供水水源的管理,是以工程建设为重点,充分挖掘水资源的可供给量,来满足社会经济发展的需求,在一定程度上体现为水资源管理以需求为主导的特点;而“以供定需”则将需水管理作为水资源管理的重点,开始强调节约用水,即在提高水资源利用效率的基础上,考虑水资源供给的可能性进行生产力布局的调整,强调了资源的合理开发利用,成为目前世界各国普遍采用的水资源管理方式。这种管理方式强调了水资源保护,着眼于有限水资源供给条件下的水资源优化配置。然而,随着高强度人类活动的影响和自然来水的减少,水资源的供需矛盾日益凸显,水资源短缺已成为全球性问题,并引发了一系列的生态环境问题。从表面来看,中国的水危机属于资源性危机,但必须认识到水资源管理的不完善也进一步加剧了这一危机。为此,笔者针对高强度人类活动影响下的流域/区域的水资源问题,结合“自然-人工”二元水循环过程,对现代环境下的流域/区域水资源管理作了新的探索,提出“以ET管理为核心,以七大总量控制为约束”的水资源管理新理念。

2 流域二元水循环特点

水资源管理的目标是保证健康水循环条件下水资源的合理开发利用,全面剖析流域水循环对水资源管理具有重要的意义。目前水循环呈现出“自然-人工”二元特性,且随着人类活动强度和广度的增加,人类活动对自然水循环过程的影响逐渐增强,二元特性更加明显。人类活动一方面通过直接作用(如水库坑塘的修建,跨流域调水工程以及人工取用水等环节),使水循环系统的结构和循环路径发生改变;另一方面,通过间接的方式(如森林砍伐、土地利用、温室及其他排放等)改变下垫面或局地气候,从而影响水循环的诸要素。有关水循环的二元特性集中的表现在循环驱动力、循环结构和循环参数三方面：

在循环结构方面,由以“降水-坡面-河道-地下”为基本循环环节的“一元”自然水循环结构,转向包括流域/区域“取水-用水(耗水)-排水-再生利用”人工水循环环节以及水资源开发利用变化对自然水循环的影响等在内的“自然-社会”二元水循环特性(如图1)。

在循环驱动力方面,已由过去一元自然驱动(包括太阳能和重力势能)演变为现在的“天然-人工”二元驱动(除自然驱动力外,还包括蓄引提水所附加的人工能量以及全球气候变化导致温度变化而引起的能量的改变)。

图1 “自然-社会”二元水循环的基本过程与耦合关系

在循环参数方面：由于下垫面变化和土地利用方式的改变以及城市化进程,使得土壤孔隙和持水结构发生改变,进而导致蒸发、径流、下渗等水文特性参数随之发生改变。与此同时,水资源开发利用与社会经济活动也影响着水循环参数。

在此过程中,流域/区域水资源的补给和消耗也发生了较大改变,与此相伴而生的天然生态退化和人工生态发展使水污染和环境污染加剧。其中耗水量和污染物的排放量直接关系着流域水资源的数量和质量,而耗水量又是其中最核心的环节,发生在水循环的不同环节。尽管随着用水方式的改变,水资源消耗的结构和形式也变得愈加复杂,但绝大部分的水资源仍以蒸发蒸腾(ET)的形式散失到大气,只有极少部分被产品带走。目前的水资源管理主要集中于对水量需求的管理上,特别是对水循环单环节水量的管理,这在一定程度上体现了对耗水的管理,但是这类需水管理的耗水是依据基于水量平衡估算的,难以满足日益复杂的实践需求,需要结合水循环全过程,从需水本质——耗水出发的深入研究。

另外,在现代二元水循环过程中,仅依靠区域水量平衡进行水资源消耗量的估算已远远不能满足人们对水循环消耗项的全面认识,更不能针对性地进行调控。同时,伴随着全球气候的变化,能量条件也发生了明显变化。能量循环作为水循环的主要驱动力,在作用水循环的同时,也受到水循环过程的影响,其耦合作用在当前气候条件下变得更加复杂,使得仅依靠能量平衡原理计算水量的主要消耗项——蒸发蒸腾难以反映实际情况。为此,在水资源匮乏程度日益加剧的今天,仅重视开源,即增加陆地水系统的输入和用水过程末端的节水,已无法全面提高水资源在其动态转化过程中的效用。只有重视水循环过程中的每一个环节,充分考虑水循环的每一个分过程——大气过程、地表过程、土壤过程以及地下过程的消耗转化,才能实现“真实”节水[1]的目的。与此同时,伴随着水循环,水污染也能够从根本上加以有效控制。

为此,结合全球环境基金 GEF项目——海河流域水资源与水环境综合规划与管理项目和海河流域水循环演变规律与水资源高效利用(“973”项目),中国水科院水资源所对二元水循环驱动下的流域/区域水资源管理进行了探讨,提出了“以耗水管理为核心,七大总量控制为约束”的水资源管理的理念,认为立足于水循环全过程,深入开展以区域耗水——蒸发蒸腾量(ET)管理为核心,以量、质和效总量控制为约束的水资源需求管理,将有利于从根本上提高水资源的利用效率,缓解区域水资源的供需矛盾,进而保障流域人水和谐发展。

3 “以耗水管理为核心,以七大总量控制为约束”的水资源管理理念

3.1 “耗水管理”的内涵

耗水管理是以区域/流域总的水资源消耗为对象的需求管理,是建立在区域水资源的供给和消耗关系的基础之上,以有限水资源的可消耗量为上限,在保证基础产业,特别农业基本效益的前提下,采取各种工程或非工程措施,最终实现水资源的高效利用。

由于水资源的消耗是一个动态过程,发生在自然-人工二元水循环的各个环节,集中的体现为蒸发蒸腾和被生命体消耗或产品带走的水总量,且以蒸发蒸腾形式消耗的水量占有绝对大的比重。另外,由于蒸发蒸腾不仅包括水循环环节的蒸发蒸腾,如植被截留蒸发量、植被蒸腾量、土壤蒸发量和水面蒸发量,而且也涉及水循环过程、能量循环过程和物质循环过程,并伴随着物理反应、化学反应和生物反应,能够较为全面的体现水资源在其动态转化过程中的消耗结构。因此,有关“耗水管理”,常常简称为“ET管理”,其实质是对传统水资源管理需求侧进行更深层次的调控和管理,也是对水循环过程中水资源消耗过程的管理。

3.2 “七大总量”控制指标

由于水资源短缺引发了一系列与水相关的生态问题和环境问题,要实现可持续发展的水资源利用,必须维持水资源、水生态和水环境的和谐发展。因此,在提高以水资源利用效率为核心的水资源管理的基础上,综合考虑水资源量、质、效三个方面,结合水资源管理的“三条红线”(明确水资源开发利用红线,严格实行用水总量控制;明确水功能区限制纳污红线,严格控制入河排污总量;和明确用水效率控制红线,坚决遏制用水浪费),从社会水循环过程的“取水-用水-耗水-排水”四大环节进一步细化,提出了以下“七大总量”控制指标。具体指标为：

①结合区域/流域水资源的最大可消耗量约束下的地表水取水总量控制;②结合区域/流域水资源的最大可消耗量约束下的地下水可开采量控制;③结合区域/流域合理用水结构的国民经济用水量控制;④结合区域/流域合理用水结构的生态环境用水量控制;⑤结合区域/流域用水结构的水资源消耗量控制;⑥维护上下游、左右岸和干支流用水关系的出境水量/入海水量控制;⑦维护区域水环境而确定的排污总量控制。

4 开展“ET管理”的水资源管理的重要性和可行性分析

4.1 重要性分析

由以上“水资源消耗(ET)为核心、以七大总量控制为约束”的水资源管理内涵可见,开展相应的水资源管理,是一种坚持“节流优先、治污为本;统筹经济社会发展与水资源的开发利用和保护;协调好生产、生活和生态用水”为原则的水资源综合管理;是对传统水资源管理有益必要的补充。集中的体现在“节水”理念和管理对象上。

在“节水”理念上：传统水资源管理通常是指通过修建科学合理的水利工程、水资源管理工程等手段,来提高水资源的利用效率。其衡量的指标侧重于不同措施实施前后源头取水量和末端用水量间的水量变化,即节水量的多少。对水循环(自然和社会)过程中的消耗量并没有进一步依据消耗效用进行区分,即对消耗的有益与否的关注较少;从而使得“节水”重在水量的量值,而对水资源消耗效用的认识相对薄弱,特别是在输水过程中,这一点体现最为明显。在水资源的实际消耗过程中,尽管农业灌溉中提出的不同的灌溉制度在一定程度上体现了通过“ET管理”理念提高耗水效率的内涵,但是,其管理的程度和涉及的范围既不深入也不系统,更未能将水资源消耗作为水资源合理配置的基础。

以“ET管理”为核心的水资源管理理念中的“节水”,是从水资源消耗效用出发,不仅重视循环末端的节水量,而且依据水循环过程中每一环节中用水量的消耗效用进行的水资源量的节约。因此,只有依据相关原则明确水资源在循环过程中的消耗结构和相应的消耗效用,以减少无效消耗量,提高有效消耗为目的,才能立足于水循环系统,使区域有限的水资源利用效率最大化,才能明确区域水资源高效利用下水资源的净亏缺量,明确供水与耗水之间“真实”的节水量。因此,实行以“ET管理”为核心的水资源管理,对区域水资源的合理利用具有重要意义。

在管理对象上,传统管理以“供需平衡”为核心,仅重视水循环过程中径流量的管理。对于在农业生产和生态环境保护方面发挥重要作用的非径流性水资源如土壤水却并不涉及。以“ET管理”为核心的水资源管理,则是立足于水循环全过程,是以全部水汽通量为对象的水资源利用与管理。同时,“七大总量控制为约束”的水资源管理,不仅重视水量的节约,而且伴随着水循环过程,加强了对水质的管理,这有利于水量水质的综合管理。

总之,传统的节水理念更多地体现为水循环末端用水量的节约,而以“ET管理”为核心的节水则是对区域/流域水资源量的节约,后者是对前者在节水,提高水资源利用效率方面有益的补充,是对水循环过程中水资源消耗过程的一种管理;结合“七大总量控制指标”又可很好地指导未来区域/流域水量水质综合管理。因此,在现代环境下,针对水资源短缺以及水环境恶化日益严重的情势,立足于水循环过程,进行以水资源消耗为核心,以七大总量控制为约束的水资源管理,不仅有利于提高径流性水资源的利用效率,而且对进一步开源,充分利用非径流性水资源具有重要的作用;不仅有利于水量的合理利用,而且对水环境保护也具有重要的作用。

4.2 可行性分析

尽管在区域/流域水循环过程中,在有限补给的基础上,合理调控区域/流域的蒸发蒸腾量,提高其消耗效用,必然会减少水资源的需求,实现“真实”节水的目的。但是,由于蒸发蒸腾作为水循环中的一个过程量,受到自然和人类活动等众多因素的影响,区域/流域蒸发蒸腾结构和效用不仅变得越加复杂,而且鉴别的难度也进一步提高。要实现以“ET管理”为核心的水资源管理,为水资源的高效利用提供切实的指导,就必须对复杂的蒸发蒸腾结构和效用做出精确评价。在此过程中,随着现代科技手段的发展,特别是“3S”技术和分布式水文模型技术和水质模拟模型的出现,为以“ET管理”为核心的现代水资源管理提供了极其重要的技术支撑手段。因为,遥感技术和反演模型[2-6]的进一步发展,其对蒸发蒸腾的反演精度的改善有较大的促进;同时,新发展起来的分布式水文模拟技术[7],特别是分布式物理水文模型,能够克服遥感反演蒸发蒸腾缺乏直接考虑水循环过程的缺点,且二者通过多种数据的有机结合(数据同化技术、下垫面参数反演)将对提高复杂下垫面条件下的蒸发蒸腾的模拟精度有积极作用。因此,与遥感相结合,分布式物理水文模型对区域以“ET管理”为核心水资源管理的实现提供了新的技术支撑。同时,耦合于水循环模型中的宏观水质模拟模型也为污染的控制提供了重要的技术支撑。

5 结 论

面对复杂的水循环过程以及水资源和水环境所面临的问题,文章立足于水资源的动态转化形式——水循环,在全面剖析现代环境下的水循环“自然-人工”二元特性的基础上,提出立足于水循环过程,开展以“ET管理为核心,以七大总量控制为约束”的水资源管理理念;并通过与传统水资源管理比较说明了开展以“耗水管理为核心,七大总量控制为约束”的水资源管理的重要性,通过分析实施耗水和七大总量控制指标的现代先进的技术说明了开展的可行性。

(2010年4月6日收到)

[1]沈振荣,汪林,于福亮,等.节水新概念——真实节水的研究与应用[M].中国水利水电出版社,2000.

[2]DOU GLAS J H,PAUL J P,EDWARD H B,et al.Estimating cotton evapotranspiration crop coefficients with a multispectral vegetation index[J].Irrigation Science,2003,22(2)：95-104.

[3]SU Z.The surface energy balance system(SEBS)for estimation of turbulent heat fluxes[J].Hydrology and Earth System Sciences,2002,6(1)：85-99.

[4]BASTIAANSSEN W G M,MENENTI M,FEDDES R A,et al.The surface energy balance algorithm for land(SEBAL)：Part1 formulation[J].J of Hydr,1998,212-213：198-212.

[5]BASTIAANSSEN W G M,PELGRUM H,WANG J,et al.A remote sensing surface energy balance algorithm for land(SEBAL),part2 ：Validation[J].J of Hydr,1998,212-213 ：213-229.

[6]CHEN J,CHEN X,JU W,et al.Distributed hydrological model for mapping evapotranspiration using remote sensing inputs[J].Journal of Hydrology,2005,305：15-35.

[7]JIA Y W,WANG H,ZHOU Z,et al.Development of the WEP-L distributed hydrological model and dynamic assessment of water resources in the Yellow River Basin[J].Journal of Hydrology,2006,331：606-629.

(责任编辑：温文)

Preliminary Study on New Concept of Water Resources Management Under Dualistic Water Cycle Condition

WAN G Hao①,YAN G Gui-yu②
①CAE Member,②Senior Engineer,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China

The main reasons leading to the questions including shortage of water resources,degradation of ecology and deterioration of water environment are the following two aspects：one is the lower natural water resources;the other is faulty of water resource management.Therefore,to the later,the authors preliminarily study a new concept of water resources under currency situation associating with“natural-artificial”dualistic water cycle process,and provide a new concept named core of water consumption and the constrains of the seven total amount controlling index.Meanwhile,the importance and feasibility of the new concept of water resources management are analyzed by comparing with the traditional water resources management and associating with the advantage technology.

consumption management,seven total amount controlling index,water resources management,“natural-artificial”dualistic water cycle

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.002