基于生态水文理念的流域水资源规划研究*——以子牙河为例

傅长锋 李发文 于京要



基于生态水文理念的流域水资源规划研究*——以子牙河为例

傅长锋1李发文2于京要1

(1. 河北省水利水电勘测设计研究院 天津 300250; 2. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津 300072)

传统水资源规划一般仅关注水文循环中的“蓝水”资源, 忽视了占水文循环60%以上的“绿水”资源。基于生态水文理念来研究流域水资源规划方法, 可实现区域可持续发展。本文以子牙河流域为例, 从流域降雨着手, 剖析大气降水、蓝水和绿水转化过程, 构建基于生态水文理念下的流域水资源规划模型。通过调整种植结构、节水灌溉制度、产业结构、居民生活用水、养殖业用水等方案, 以及南水北调中线配套工程措施, 利用构建的流域水资源规划模型, 对各项规划措施进行模拟。结果表明: 75%保证率和50%保证率下, 自然植被耗水量分别为76.3亿m3和88.2亿m3, 农业生产耗水量分别为126.8亿m3和142.1亿m3。城市生活、工业生产、第三产业和农村生活耗水量均分别为7.9亿m3、2.6亿m3、3.1亿m3和3.3亿m3。相对于调整之前, 75%保证率下, 子牙河流域耗水量减少11.9亿m3, 50%保证率下减少13.2亿m3。其中, 占总耗水量最大的农业生产部门对耗水削减的贡献量最大, 达到了7.6亿m3(75%保证率)和8.8亿m3(50%保证率), 占总削减量的60%以上, 表明种植结构和节水灌溉制度的调整对减少子牙河流域耗水量起到了重要作用。本文研究成果可为流域水资源高效可持续利用提供必要的技术支撑。

生态水文 水资源规划 蓝水 绿水 蒸腾蒸发量 耗水量

人类对水资源的开发利用, 一直以来以农业、工业和生活用水为主, 掠夺性的开发地表水占用了水资源的生态空间, 这种传统水资源规划方法已不能满足流域内社会经济的协调发展。同时, 传统水资源管理是以工程水文技术为主, 但实际上, 水资源循环过程是水文与生态耦合过程, 水资源规划方法应建立在生态系统及其循环过程的水文学机制基础之上[1]。

生态水文学是在寻求解决合理持续利用水资源的实践中形成的一门交叉应用学科, 是实现水资源可持续利用的一种新方法[2]。其核心内容是将降水视为由人类与自然共同分享的淡水资源, 认为最根本的水资源是降水, 而不仅仅是河川径流[3]。将降水分为绿水和蓝水, 绿水是指陆地水文循环中的气态水流或总的蒸腾蒸发量, 它包括来自植物截留、地表、水面和土壤的非生产性蒸发和源自植物蒸腾、促进植物生长的生产性蒸腾, 显然源自降水的绿水支撑着陆地生态系统。蓝水是指陆地水循环中的液态水流, 它包括降水形成的地表径流和地下水补给, 即径流性水资源, 它是支撑水域生态系统的基本水源[4]。

传统水资源规划目的是控制水的需求, 并对有限的径流性水资源进行优化配置[5]。水资源评价通常是计算降水自然分割后产生的径流性水资源量, 即蓝水量。这种仅以流域出口处实测径流量为依据评价水资源, 可能忽略了上游降水量分割产生的那部分蓝水, 这些蓝水可能在到达流域出口之前已经转化为绿水, 这通常是流域内提取蓝水用于消耗性用水造成, 使得流域出口处测得的径流量远小于真实的水资源量。

水资源供需平衡分析是目前进行水资源规划和管理经常使用的分析方法[6]。但供需平衡中都没有对区域总耗水加以限制。虽然需水管理限制了从自然水体中取水的数量, 而且也迫使每种用途的用水效率得以提升, 但由于发展的需要, 人们可能会使用需水管理中节省下来的水或经过处理的再生水扩大经济规模, 从而可能使可利用的水资源消耗殆尽。本文采用生态水文的系统分析方法研究流域水资源规划方法。

1 基于生态水文理念下的流域水资源规划模型

1.1 生态水文循环的“三水”转化

从流域角度看, 水的循环模型呈多层平面立体结构。顶层为面雨量层; 第2层为地表植被层, 按植被覆盖度剖析林冠截留雨量、蒸腾蒸发水量等; 第3层为流域坡面汇流层, 依据地形、河网、湿地、水库坑塘分布, 剖析坡面产流、地表水的蓄变量等; 第4层浅层地下水层, 按地层土岩结构, 分析坡面水入渗、地下水潜流、潜水蓄存等[7]。各层水量在水势、风势、气压、日照、温度等流场作用下进行着“三水”转化(图1)。

“三水”即大气降水、蓝水和绿水。在生态水文循环过程中, 大气降水是源泉(雨量层), 也是“三水”中蓝水和绿水的来源。大气水分通过凝结等作用, 变为降水, 降水初期, 雨滴落在植被枝叶上(地表林冠层), 几乎完全被树冠截留, 在没有满足最大截留量之前, 植物下的地面, 仅能获得小量降水, 有一部分降水在降落过程中, 因与植物冲击而分裂, 有的落至地面, 有的在降落过程中被蒸发掉, 植物截留水量直到水滴重力超过表面张力时, 才下落至地面。降水到达地面后, 经过坡面汇流(流域坡面汇流层)转化为地表水, 其他部分下渗到地表以下, 一部分转化成土壤水, 当土壤水含量超过土壤持水能力时, 下渗水量在重力作用下转化为浅层地下水(浅层地下水层), 而另一部分成为非饱和土壤水, 或以土壤蒸发的形式变成绿水返回大气, 或被植物根系吸收以植物蒸腾的形式作为绿水返回大气。在生态水文循环中, 地表径流和地下水补给量即成为“三水”中的蓝水, 蓝水是社会经济系统和水域生态系统用水的来源, 社会经济系统通过取水、输水和用水, 将部分蓝水转化成绿水, 而水域生态系统通过蒸发将部分蓝水转化成绿水; 植物蒸腾量和植被截留、土壤、水面的蒸发量即成为“三水”中的绿水, 绿水在一定条件下凝结成降雨, 部分转化成蓝水。由此可见, 蓝水和绿水之间, 不同区域之间也不断产生水量和能量交换, 周而复始, 循环往复。

在上述生态水文循环过程中, 降水被分割为绿水和蓝水, 其中有两个关键分割点。第1个分割点位于土壤表面(上分割点), 将降水分割为地表径流(蓝水)和渗透到土壤中的土壤水; 第2分割点(下分割点)位于地表以下, 将土壤水分割为地下径流(蓝水)、土壤蒸发和植物蒸腾量(绿水)。降水的分割表明了在水循环中水和土壤紧密相关以及土壤水作为维持生物生长的水源的重要作用。在水文气象条件一定的情况下, 降水被分割过程主要受下垫面生物物理等自然因素和人为因素的双重影响。下垫面因素(土壤结构、特性和坡度、土壤含水量、植被种类)影响上分割点上产生的地表产流量。土壤中有机物的构成对土壤的蓄水能力有很大影响, 植物根系的分布和活力会影响下分割点划分植物吸收水分和地下水补给的比例。人为因素如农业耕作和城市不透水面积都会对降水分割绿水和蓝水有很大影响。

1.2 模型构建框架

基于生态水文理念下的流域水资源规划, 将传统水资源评价对象从径流性水资源转变成以降水为整体的水资源, 即从降水着手研究流域供需平衡, 涉及社会经济系统、水资源系统和生态环境系统。流域总水资源包括本地降水和外调水, 其通过生态水文循环的“三水”转化, 分割为绿水和蓝水, 蓝水提供社会经济系统和生态环境用水, 而绿水则来源于社会经济系统和生态环境系统的用水耗水。在此基础上, 依据流域蒸散发(ET)重构流域供需关系, 解析出流域发展存在的瓶颈, 从社会经济需水量规划和生态修复角度出发, 设置规划方案, 并核算方案的实施效果。流域水资源规划体系框架见图2所示。

1.3 模块功能及模型约束条件

1.3.1 模型的目标函数

流域需水量分为陆域生态环境需水、社会经济需水和水域生态环境需水, 其水量平衡方程为:

将公式(1)变化成公式(2):

由公式(2)可知, 要使流域社会经济用水需求与自然用水需求之间寻找平衡点, 必须调整社会经济、陆域生态环境和水域生态环境等3部分的需水量, 使流域水资源可持续, 即∆=0。即在供需达到平衡前提下, 通过调整社会经济用水需求与自然用水需求, 使水资源-社会经济-生态环境组成的复合系统达到良性循环状态。

基于生态水文的水资源与社会经济、生态环境协调发展规划, 就是要将流域内的蒸散发量, 即绿水量, 纳入到整个水资源开发利用范畴。而对ET控制, 主要就是在不突破流域ET总量的前提下, 通过调整ET在时空上的分配, 提高对ET利用的效率, 减少低效和无效的ET, 增加高效ET。合理设置目标ET是实现水资源可持续利用和社会经济与生态环境协调发展目标的关键环节。根据公式(2)可知, 要保持流域水资源可持续发展, 应保证流域供需平衡, 即∆=0。但流域往往对水资源需求过大, 供需失衡, 即∆<0, 导致地下水资源处于超采状态。为了达到水资源供需平衡, 需对流域耗水量进行削减。

根据式(2)可得:

地下水容许超采量为:

为了使地下水不超采,必须让ET削减量等于超采量,即容许超采量;为了维持河道水环境容量,要求保证一定的出境水量,一般都要求, 则, 即目标ET应小于当地降雨量是确定区域目标ET的一般原则。

在设定目标ET时还需考虑用水地块面积和非用水地块面积的比例关系。一般山区多为山林地或裸地, 用水地块面积较小。而平原区域用水活动集中, 用水地块面积较大。将区域划分为草丛、草甸、草原、灌丛、阔叶林、栽培植被、针叶林等7类植被, 则区域目标ET为:

1.3.2 水资源系统模块

1)降水

依据流域内雨量站获取流域的降雨量值, 采用反距离权重插值法对流域的降雨量值进行空间插值, 制得降雨量分布图, 获得流域的降雨量, 即总水资源量。

2)绿水

基于MODIS遥感叶面积指数的Penman-Monteith (P-M)模型公式(7)估算流域的植被蒸腾值。

其中c通过公式(8)计算[8-9]:

(8)

其中通过公式(9)计算:

其中α通过公式(10)计算:

(10)

土壤蒸发[8-9]:

陆域蒸散发量:

=c+s(12)

水面蒸发[10]:

式中符号、意义、单位见表1, 参数取值方法详见文献[9,11]。

表1 基于MODIS遥感叶面积指数的Penman-Monteith(P-M)模型的参数

1.3.3 社会经济系统模块

1)城镇和农村生活需水量

2)工业和第三产业需水量

工业需水是指工、矿企业在生产过程中的所需用水, 是城市用水的一个重要组成部分。工业需水量计算一般可采用定额法[12], 第三产业需水量的计算方法与工业需水量计算方法相同。

3)农业需水量

农业生产需水量计算依据农作物类型、生长期, 按灌溉作物和雨养农业分别计算农作物耗水ET。

1.3.4 生态环境系统模块

一般流域的生态环境需水划分为: 河道生态需水、城市水体需水、库塘湿地生态需水、植被生态需水和地下水回补需水5个部分[13], 是维护地表水体生态结构和功能所需要的水量。

1)河道生态需水量

采用历史流量资料法[14]计算河道生态需水量:

2)城市水体需水量

城市水体是一个城市生态环境的重要组成部分。城市水体需水量计算可采用人均定额法[14]。计算公式如下:

3)库塘湿地生态需水量

库塘湿地生态需水量按水面面积、降水量、水面蒸发量推求水面蒸发损失的水量, 计算公式为[15]:

库塘湿地年渗透量按照库区范围内单位面积每日损失1~2 mm深度的水量计算。

4)植被生态需水量

采用Penman-Monteith公式计算, 详见前述。只有维持好植被生态系统的稳定, 才能保持好流域生态环境, 经济社会才能可持续发展。

5)地下水回补需水量

计算时以实际开采量与允许开采量的差值作为回补地下水超采所需水量[16]。计算公式如下:

生态环境的耗水ET值依不同下垫面的土地类型按照公式(6)计算。

2 模型校验

依据上述原理构建生态水资源规划模型, 以子牙河流域为研究区域, 并选取2008年为基准年, 对模型进行参数校准、验证, 以确定其实用性。流域生态水资源规划模型参数主要是对Penman-Monteith (P-M)模型中参数和sx进行校验, 其余参数均可以通过遥感和水文气象数据进行推求。

2.1 数据来源

水文数据主要包括降水、径流实测数据, 来源于子牙河流域水文年鉴; 气象数据来自中国气象科学数据共享服务网和The National Centers for Environmental Prediction (NCEP)(国家中心环境预报)网站, 主要包括: 最高气温、最低气温、风速、相对湿度。遥感数据为2008年遥感基础数据(1 km×1 km), 来源于中国科学院遥感与数字地球研究所, 主要包括: 叶面积指数、地表反照率、地表覆盖; 社会经济资料来源于山西省统计年鉴和河北省统计年鉴。

根据子牙河流域及周边共409个降水测站, 插值得到降水量分布图(图3), 将降水作为流域的总水资源量。

2.2 模型校验

表2 2008年子牙河流域不同植被蒸散发模拟值

流域2008年降水量(图3)与蒸发量(图5)对比, 得出子牙河流域水资源盈亏情况。从整个流域角度分析降雨和蒸发, 整个子牙河全流域年降水量为534.9 mm, 平均蒸发量为449.3 mm, 山区平均蒸发量为417.6 mm, 平原区平均蒸发量为502.2 mm。

3 流域水资源规划及成果分析

3.1 流域水资源量

2008年子牙河流域平均降水量为257.66亿m3(534.9 mm), 平均实际ET为263.87亿m3(547.8 mm), 平均自然ET为216.42亿m3(449.3 mm), 平均人工ET为47.45亿m3(98.5 mm), 出境径流5.27亿m3, 由黄壁庄水库向北京应急供水2.18亿m3, 流域蓄水变化量为-13.66亿m3。流域供需严重不平衡, 地下水超采严重[17]。

3.2 流域水资源规划

3.2.1 流域水资源规划方案

子牙河流域水资源规划以2008年为基准年, 2020年为规划年, 规划中充分考虑南水北调受水区供水, 从降低流域耗水角度设置具体规划方案。

种植结构调整方面, 根据超采区地下水超采情况, 调整种植结构, 减少一年两熟区冬小麦种植面积34.67万hm2, 变一年两熟为一年1熟, 改种与当地雨热同期生长的玉米。种植结构调整地区主要集中于太行山前平原, 其中石家庄市总计调整种植面积9.80万hm2, 衡水总计调整8.27万hm2, 邯郸总计调整7.40万hm2, 邢台总计调整8.87万hm2, 沧州调整0.33万hm2。

节水灌溉制度调整方面, 通过构建高效节水灌溉工程体系, 到2020年, 发展节水灌溉面积63.33万hm2, 达到100.00万hm2, 节水灌溉面积占灌溉面积的比例由目前的52%提高到82%。

产业结构调整方面, 根据《河北省大气污染防治行动计划实施方案》(中共河北省委、河北省人民政府, 2013), 到2014年淘汰水泥落后产能6 100万t,到2017年削减全省钢铁产能6 000万t, 全部淘汰10万kW以下常规燃煤机组。子牙河流域各工业区将重点发展生物、新能源、新材料、信息工程等战略性新兴产业, 同时对传统产业实施技术改造, 促进产品升级。预计到2020年子牙河流域工业产值增加值将达到8 750亿元, 工业万元产值增加值取水量为15 m3×万元-1, 工业需水量将达到13.1亿m3。

居民生活用水方面, 城镇生活用水考虑到2020年发展生态经济的要求, 需要大力推动生活市政节水, 努力使城镇人均生活用水降低到河北省平均水平的下限。预计到2020年人均生活用水降低到115 L×人-1×d-1, 则城镇生活需水量将达到4.7亿m3。另外, 随着城市化发展, 通过在农村实施计量取水, 预测到2020年农村生活人均用水降低到65 L×人-1×d-1, 农村生活需水量则降低到3.3亿m3。养殖业将实现规模化养殖, 努力降低耗水, 预计养殖业用水将控制在1.8亿m3以内。

另外, 充分利用南水北调中线配套工程, 加快推进石津干渠、赞善干渠、民有干渠等水厂以上配套工程建设和受水区各城镇地表水厂、配套管网建设。至2020年全部供水目标实现水源切换, 并向生态、农业相机补水, 替换地下水开采。至2020年, 预计南水北调中线工程对子牙河流域多年平均分水量将达到14.0亿m3。另外, 2014年南水北调水进京, 黄壁庄水库作为北京的应急水源地也将停止供水, 缓解子牙河流域地下水超采问题。

3.2.2 流域水资源规划方案实施效果分析

综合考虑各项规划方案, 在考虑节水因素和流域广义水资源总量的条件下, 预计75%保证率下2020年总耗水将达到220.0亿m3, 50%保证率下总耗水将达到247.2亿m3。

方案实施后, 子牙河流域农业生产耗水量依然占比最大, 在75%和50%两项保证率下农业生产耗水量占总耗水量的比例均超过为55%, 如图6所示。因此, 流域节水重点在农业, 农业节水潜力巨大[18]。

结果表明, 75%保证率和50%保证率下, 自然植被耗水量分别为76.3亿m3和88.2亿m3, 农业生产耗水量分别为126.8亿m3和142.1亿m3。两项保证率下, 城市生活、工业生产、第三产业和农村生活耗水量均分别为7.9亿m3、2.6亿m3、3.1亿m3和3.3亿m3。

结果表明, 各项规划措施实施后, 相对于调整之前, 75%保证率下, 子牙河流域耗水量减少11.9亿m3, 50%保证率下减少13.2亿m3。统计各用水部门的耗水量削减情况(图7)。可知方案实施后, 占总耗水量最大的农业生产部门对耗水削减的贡献量也最大, 达7.6亿m3(75%保证率)和8.8亿m3(50%保证率), 占总削减量的60%以上, 表明种植结构和灌溉制度的调整对减少子牙河流域耗水量起到了重要作用。

图7 子牙河流域规划年各用水部门耗水削减量图

Fig. 7 The water consumption reduction chart of different water sections of Ziya River basin

4 结论

1)本文基于生态水文学理念, 提出了高效可持续的水资源规划。长期以来, 水资源的开发利用主要考虑农业、工业和生活用水等方面的经济效益, 过量的开发河流水和占用水资源的生态空间, 而对在维护生态环境平衡所需要的用水方面则没有得到足够的重视。正是由于这种忽视, 在水资源的开发利用过程中, 已经产生了水环境、水生生态严重破坏的不良后果。这种传统意义的水资源规划已不能满足流域内社会经济的协调发展。本文将绿水概念引入到水资源评价中, 通过对水资源-社会经济-生态环境复合系统统合分析, 提出了以流域降水为区域水资源总量, 进而构建了流域水资源、生态环境和社会经济需水之间的耦合关系, 消除水资源对经济、社会、环境的消极影响, 同时促进相互协同关系, 从而实现协调发展和良性循环。

2)本文从流域角度, 将整个流域生态水文循环过程划分为面雨量分布层、地表林冠层、流域坡面汇流层和浅层地下水层。各层水量在水势、风势、气压、日照、温度等流场作用下进行着大气降水、蓝水和绿水“三水”转化。从流域生态水资源现状出发, 构建基于生态水文理念下的流域水资源规划模型, 模型包括水资源系统模块、社会经济系统模块和生态环境系统模块。其中绿水计算是流域水资源规划模型的核心模块, 采用基于MODIS遥感叶面积指数的Penman-Monteith模型计算流域绿水, 并按植被在流域的空间差异性进行参数优化率定, 实现了从单点的传统蒸散发模型到大尺度流域蒸散发模型的转变, 得出土壤蒸散发系数和植被气孔导度两个关键参数的时空变化规律。

3)本文以子牙河流域为例, 选取2008年为基准年, 对模型进行参数校准和验证, 不同类型植被的月蒸发模拟值与实测值相对误差均在7%以内, 模型具有较好的模拟精度。通过调整种植结构、节水灌溉制度、产业结构、居民生活用水、养殖业用水等方案, 以及南水北调中线配套工程措施, 利用构建的流域水资源规划模型, 对各项规划措施进行模拟。结果表明: 75%保证率和50%保证率下, 自然植被耗水量分别为76.3亿m3和88.2亿m3, 农业生产耗水量分别为126.8亿m3和142.1亿m3。城市生活、工业生产、第三产业和农村生活耗水量均分别为7.9亿m3、2.6亿m3、3.1亿m3和3.3亿m3。相对于调整之前, 75%保证率下, 子牙河流域耗水量减少11.9亿m3, 50%保证率下减少13.2亿m3。其中, 占总耗水量最大的农业生产部门对耗水削减的贡献量最大, 达到7.6亿m3(75%保证率)和8.8亿m3(50%保证率), 占总削减量的60%以上, 表明种植结构和节水灌溉制度的调整对减少子牙河流域耗水量起到了重要作用。

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Water resources planning driven by eco-hydrology theorem: A case study of Ziya River basin*

FU Changfeng1, LI Fawen2, YU Jingyao1

(1. Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower, Tianjin 300250, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Traditional water resources planning usually focuses on “blue water” in the hydrologic cycle, ignoring “green water” which accounts for over 60% of the hydrologic cycle. The method of water resources planning at watershed scale based on the concept of eco-hydrology involves a comprehensive analysis of a combined system composed of water resources, social economy and ecological environment through water consumption management to attain sustainable regional development. This paper, from the precipitation of watershed, analyzed the conversion of precipitation from “blue water” to “green water” and constructed a watershed-scale water resources planning model based on the concept of eco-hydrology that contained water resources system module, social economy system module and ecological environment system module. The computation of “green water”, which is the core module of the water resources planning model, adopted the Penman-Monteith model based on the Leaf Area Index (LAI) of MODIS remote sensing and optimized parameters based on the spatial differences of vegetation in the watershed. The “green water” computation was achieved through the transformation of water from the traditional evapotranspiration model at a single-point scale to a multiple-point scale of the watershed evapotranspiration model. Also the processes spatial and temporal variations of two key parameters, including soil evapotranspiration coefficient and vegetation stomatal conductance, were established. Finally, the model was used to simulate water resources planning in a watershed, which involving the actual water consumption by vegetation ecology, residential use, industrial production, food production and different trees/grass. By using Ziya River basin as a case study and 2008 as the reference year, the paper calibrated and verified the parameters of the model and the relative error between the monthly simulated and measured evaporation of different vegetation types (7%), which proved that the model had an acceptable simulation accuracy. By matching planting structure, water-saving irrigation regime, industrial structure, residential water use and aquaculture water use with engineering measures of the middle line of the South-to-North Water Transfer Project, the constructed water resources planning model was used to quantify different planning measures. The results showed that under 50%–75% rate of assurance, water use by natural vegetation was 8.82–7.63 billion m3, that by agriculture was 14.21–12.68 billion m3and those by urban life, industrial production, tertiary industry and rural life were respectively 0.79, 0.26, 0.31 and 0.33 billion m3. Water consumption in Ziya River basin dropped by 1.19 billion m3under 75% assurance rate and by 1.32 billion m3under 50% assurance rate after the implementation of the planning measures. Agricultural production (as the largest water consumer) contributed the most to the water consumption cut, which reached 0.76 billion m3under 75% assurance rate and 0.88 billion m3under 50% assurance rate after using the planning measures. This was at least 60% of the total water consumption cut, indicating that the adjustment of planting structure and irrigation pattern was critical in cutting down water consumption in Ziya River basin. The results of the study provided necessary technical support for the efficient and sustainable utilization of water resources in watershed.

Eco-hydrology; Water resources planning; Blue water; Green water; Evapotranspiration; Water consumption

, FU Changfeng, E-mail: fcf_tj@sina.com

TV212

A

1671-3990(2016)12-1722-10

2016-06-18 接受日期: 2016-08-19

* 河北省水利科研计划项目(HS2007-43)和国家自然科学基金项目(51579169)资助

swDOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160548

* Funded by the Water Conservancy Scientific Research Project of Hebei Province of China (HS2007-43) and the National Natural Science Foundation of China (51579169)

傅长锋, 主要从事水利工程规划设计工作。E-mail: fcf_tj@sina.com

Received Jun. 18, 2016; accepted Aug. 19, 2016