近15年海河流域水资源变化及基于耗水理念的流域节水管理建议

马 欢，高建文，宋秋波，雷慧闽 ，李彦东，梅传书

（1.水利部海河水利委员会，300170，天津；2.天津市中水科技咨询有限责任公司，300170，天津；3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084，北京）

海河流域属资源性缺水流域，流域多年平均降雨量548 mm，水资源总量为370亿m3，人均水资源占有量仅270 m3，现状水资源开发利用率已超过100%，大大超过了水资源承载能力。推进流域节水工作是贯彻习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水方针的重要任务，也是海河流域提升流域管理水平的重要抓手。近年实施的GEF（全球环境基金）海河流域水资源与水环境综合管理项目 （简称GEF海河项目）和海河流域水循环演变规律与水资源高效利用项目（“973”项目）将基于蒸散发（ET）的耗水管理理念引入了流域管理工作中，为流域节水管理工作提供了新思路，为实施水利行业强监管提供了新手段。本文基于2002—2016年海河流域水资源开发利用情况和水循环要素分析，提出了进一步推进基于ET的海河流域水资源管理特别是节水管理的建议。

一、基于ET的水资源管理理念及ET数据生产

1.基于ET的水资源管理理念

在流域水循环过程中，水在太阳辐射与重力作用下，以蒸发、降水、径流等形式周而复始地往返于大气、陆地和海洋之间。降水落到地面，或产生径流，或渗入地下变为土壤水和地下水，除消耗于蒸发和蒸腾重返大气外，其余汇流入海。地表径流、土壤水和地下水在一定条件下可相互转化，这些转化只是改变了水的存在场所和形式，并非水量的减少。而水分的蒸发蒸腾可以导致水资源量的减少，只有控制水资源的消耗，才能真正节约水资源。ET是蒸散发（Evapotranspiration）的简称，是 Evaporation（土壤蒸发）和 Transpiration（植被蒸腾）的总和，基于ET的水资源管理理念也称作耗水管理，基于ET的节水理念也称作“真实”节水。

传统的水资源管理是以地表和地下水资源量为核心，围绕供水、用水而展开的，而对于流域水循环而言，在不考虑外调水条件下，降水是流域的全部水资源来源，也被称为广义水资源，地表及地下水资源量仅占其中一小部分，基于ET的水资源管理理念是一种“大水资源”管理。

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。基于耗水理念的节水管理，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的用水消耗效用进行水资源量的节约。

2.ET数据生产

作为资源性缺水地区，ET是海河流域最重要的水量消耗项，ET数据监测是水资源管理的重要参考指标。按照GEF海河项目的总体部署，海委进行了遥感监测ET中心建设，利用遥感技术监测ET，生产了海河流域2002—2016年遥感监测ET数据，并于2017年编制了《海河流域蒸发蒸腾耗水量监测2016年成果报告》，本文使用的遥感监测ET数据来源于此。

遥感监测ET数据采用遥感和地理信息系统，结合野外地面验证、抽样调查等手段，以全流域的MODIS卫星遥感影像、中高分辨率GF/TM8影像和地面气象数据为输入数据，由技术人员利用已经开发完成并通过本地化改进的蒸散发计算模型（ETWatch模型），最终获得流域各年度逐月和全年的蒸散发量分布数据。地面观测验证利用已建成的馆陶站和大兴站2个地面观测站点，基于大孔径闪烁仪（LAS）等地面观测设备，获得2个验证点覆盖约1 km2内的蒸散发量及相关参量（如气象数据等）高频次、长时间序列实时观测数据，为遥感模型提供必要的标定参数和检验依据。

二、海河流域水资源条件及变化情况

1.多年平均水资源概况

根据国务院2013年批复的《海河流域水资源综合规划》，海河流域1956—2000年平均年降水量为535 mm，其中山区523 mm，平原 552 mm。受气候、地形等因素的影响，海河流域降水量时空变化较大。降水量年内分配不均匀，全年75%～85%的降水量集中在汛期（6—9月）。

表1 2002—2016年海河流域水资源量统计

海河流域1956—2000年平均年地表水资源量为216亿m3，折合径流深67.5 mm，径流系数0.126。其中山区 164亿 m3，占 75.9%；平原 52亿m3，占24.1%。海河流域1956—2000年平均年水资源总量为370亿m3，产水系数（水资源总量与降水量的比值）0.22。

海河流域1956—1979年平均年浅层地下水资源量为 268亿m3，1980—2000年平均年浅层地下水资源量为 235亿 m3，较 1956—1979年系列减少了33亿m3。

海河流域1956—2000年平均年入海水量101亿m3，占同期平均地表水资源量的46.8%，约80%集中在汛期。近几十年来海河流域入海水量变化较大，总体上呈递减趋势。

海河流域是全国各流域中人均水资源量最少的流域。按现状水平年（2007年）总人口计，海河流域人均水资源量只有270 m3，全国人均水资源量2 109 m3，海河流域占全国平均的

12.8%。

2.近15年水资源概况

根据2002—2016年海河流域水资源公报数据，对海河流域近15年水资源情况进行分析，如表1所示。

通过表1可以得出，近15年海河流域平均年降水量515 mm，地表水资源量133亿m3，水资源总量290亿m3，较1956—2000年系列分别减少20 mm、83亿m3和80亿m3，减少比例分别为3.7%、38.4%和21.6%。地下水资源量228亿m3，较1980—2000年系列减少7亿m3。入海水量年际波动较大，平均入海水量41亿m3，较1956—2000年系列减少60亿m3。

近15年海河流域年均径流系数仅为 0.081，年均产流系数 0.18，较1956—2000年系列明显降低，特别是径流系数减少明显。这是由于流域下垫面发生了明显变化，地下水水位下降，土壤蓄水能力增加，导致地表产流能力降低。海河流域水资源量的减少，必将导致流域水资源供需矛盾进一步加剧，也对流域节水工作提出了更高要求。

三、海河流域近15年水资源供需情况分析

根据2002—2016年海河流域水资源公报，对海河流域近15年水资源供需情况进行分析，如表2所示。

通过表2可以得出，流域供水以地下水为主，年平均地下水供水量占总供水量的63.2%，年均当地地表水和跨流域调水供水量分别占总供水量的22.2%和11.8%。非常规水等其他水源供水量稳步增加。2014年南水北调中线通水后，跨流域调水量有所增加，地下水供水量有所减少。

在用水方面，工农业用水量均呈减少趋势，生活用水稳步增加。近15年年均总用水量375亿m3，其中工业用水占14.4%，农业用水占66.9%，生活用水占15.8%，生态环境用水占2.9%。农业用水占流域总用水量的2/3，农业节水仍是海河流域节水的主要潜力所在。近15年中，生态环境用水量稳步提升，到2016年增加至26亿m3，体现出对生态环境的补偿作用。

表2 2002—2016年海河流域供用水量统计

四、海河流域近15年水循环要素分析

根据2002—2016年海河流域水资源公报数据和遥感监测ET数据，对近15年海河流域水循环要素进行分析，如表3所示。

从表3可以看出，在海河流域水循环各要素中，降水和蒸散发量是占比最高的两项，蒸散发量与降水量相当，并体现出一致性，即降水量越高的年份，ET值一般也越高。降雨量受不同年份的气象因素影响，年际变化量较大；ET作为地表总水资源 （包括降水、地表水、地下水）的一个长时间、速率相对缓慢的自然与人为因素共同作用的消耗过程，变幅较小，年际离散程度小于降雨量。在连续干旱年份如2005—2007年，ET量大于降雨量，浅层地下水量持续减少。

近15年中，海河流域水库蓄变量受降水影响明显，丰水年蓄水增加，枯水年蓄水减少，而地下水蓄变量仅在少数几个丰水年有所增加，总体呈减少趋势，年均减少21亿m3，说明海河流域地下水超采问题仍十分严峻。从水量平衡角度来看，在降水和跨流域调入水量一定的情况下，只有减少ET量，才能真正增加流域存蓄的水资源量，促进地下水水位回升和入海水量增加。

表3 海河流域水循环要素分析

五、开展基于耗水理念的海河流域节水管理建议

从前文可知，在海河流域水循环过程中，蒸散发量与降水量相当，从降低ET角度开展节水，潜力巨大，节水思路更清晰。在措施层面，一方面要尽量减少降雨等自然过程中产生的ET，另一方面要减少或控制农业灌溉等人类活动新增加的ET。在管理手段层面，可以通过完善ET监测能力，为用水总量和用水效率考核提供新的支撑，为实施水利行业强监管提供辅助手段。

1.建立以减少ET为目标的节水管理理念

目前的流域水资源管理主要是围绕水资源量和供用水量，这只是水循环的一部分，从水循环全过程角度开展水资源管理，可以拓展管理范畴，为节水管理提供更深层次的理论支撑。海河流域近15年的年均降水量1 645亿 m3， 年均 ET值 1 638亿 m3，年均水资源总量290亿m3，年均供用水量375亿m3，其中，水资源总量仅占降水量的17.6%，供用水量占降水量的22.8%，而蒸散发量与降水量相当，围绕降低ET开展节水工作，潜力巨大。

面对严峻的缺水形势，海河流域采取了有力措施进行节水，目前海河流域工业、生活、农业节水在全国处于领先水平，但仍存在地下水超采严重等问题。为保持河口生态和生物多样性，规划要求入海水量要有所增加，从水循环角度看，在降水量、跨流域调水量不变前提下，保障水资源可持续利用的有效途径就是降低ET。

2.采用修建地下水库等储水措施

从水循环角度看，将降水及时储存在地下，可以有效减少ET。与地表水库相比，地下水库不仅可以有效减少蒸散发，且不占用土地资源，受污染的风险较低，可将多余地表水转入地下，进行多年调节。在海河流域，随着地下水开采强度的不断增大而引发的地下水水位下降、大面积的降落漏斗问题日趋严重，海河流域平原区已经成为全国最大的“漏斗区”。根据相关研究，从水文地质、补给水源、取水条件等方面考虑，海河流域平原区建设地下水库比较理想的是山前冲洪积扇地区和岩溶介质区共8个区域，库区总面积约为3 332 km2，调蓄总库容约为50亿m3。可以利用汛期滞洪水、汛前水库弃水、南水北调水、河道水等多种形式蓄水，作为调蓄水源。

海绵城市建设也可以理解为地下水库的一种形式，从减少ET的角度，要大力推进海绵城市建设，在降雨期间让更多的雨水及时入渗储存，以减少ET损失。要将地下水储水或输水设施与地表水入渗系统相结合，将入渗的雨水有效存储起来。在海河流域，北京和天津均为2016年第二批海绵城市试点城市，应结合海绵城市建设，促进海河流域ET耗水控制水平提升。

3.推广基于耗水的农业节水措施

海河流域农业用水占流域总用水量的2/3，农业节水仍是流域节水的主要方面。开展农业节水，要推广真实节水理念和技术，从减少ET的角度探索节水措施，包括节水灌溉、秸秆覆盖保墒等。从减少ET的角度来看，漫灌使得大部分水转化为土壤水，最终消耗于蒸发，喷灌在灌溉过程中蒸发损失较大，滴灌是更高效的节水灌溉方式。在节水灌溉方面，以色列的经验值得我们借鉴。以色列作为一个2/3国土面积是沙漠的农业国家，蒸散发量显著，其90%以上的农田都已应用自动滴灌技术，可以有效降低ET，提高水资源利用效率。

在秸秆覆盖保墒节水技术方面，在太行山山前平原冬小麦-夏玉米种植区的相关研究表明，将收割后的冬小麦秸秆覆盖夏玉米农田后，与不覆盖相比，在整个夏玉米生长期内，减少了50mm的棵间蒸发量。海河流域玉米种植面积约8 827万亩（约合588.47万hm2，2015年统计数据），以此研究成果进行估计，若全部推广秸秆覆盖保墒技术，仅玉米生长期即可节约29亿m3的棵间蒸发量。

种植节水型作物也是有效的节水措施，海河流域作为资源性缺水地区，应进一步减少水稻种植面积，培育节水高产型的小麦、玉米品种，适当将小麦、玉米改种为棉花等节水作物。在地下水超采地区，可采用免耕、休耕方式，减少ET，节约水资源。

4.在生态建设等工作中融入ET节水理念

通过ET监测，可推算出各类土地利用类型的耗水情况，结合各地水资源条件，为流域生态建设提供决策建议，在一定的水资源条件下，找到适宜的生态建设方案。

海河流域是我国水土流失严重区域之一，水土流失类型多、面积大、分布广、危害重、治理难度大。根据全国第二次水土流失遥感调查成果，海河流域20世纪末水土流失面积10.55万km2，其中山区水土流失面积10.39万km2。根据遥感监测ET数据，海河流域近15年林地蒸散发量明显大于草地，山区水土保持措施应以封禁为主，依靠大自然自我修复改善山区生态环境，植树造林、种草应进行水量平衡分析，按枯水年降水分析植被生长条件，选择耐旱和ET量小的品种。

城市大水面和湿地对于满足人们亲水需要以及调节小气候等方面具有重要作用，分配一定水量保证城市水面和湿地用水需求是必要的，但根据近15年遥感监测ET成果，水体和湿地的年均蒸散发量分别达到748 mm和630 mm，而同期年均降水量仅为515 mm，因此海河流域水资源条件不足以支持大面积的水面和湿地，不能以超采地下水为代价恢复湿地。根据海河流域水资源状况，可结合跨流域调水，保护白洋淀、千顷洼等大型湿地。

5.探索基于ET管理的水资源强监管手段

ET是水循环的主要消耗项，也应成为水资源管理的重要控制因素。我国目前实行最严格水资源管理制度，对用水总量和效率实行考核制度，但考核方式上以各省份上报数据为主，缺乏更为客观的监测数据。随着“水利行业强监管”要求的提出，用水监测计量工作的重要性更加明显，遥感ET监测技术的日臻完善可为区域耗水监测提供重要的技术支撑，并为区域用水量考核和强化水资源监管提供辅助手段。

海委自2002年开始生产遥感监测ET数据，积累了大量的ET监测成果，并在海河流域水资源管理工作中引入了ET控制理念，例如2013年批复的《海河流域综合规划（2012—2030年）》，第一次将ET作为控制指标，起到了导向性作用。遥感估算蒸散发技术仍在不断改进中，蒸散发估算的不确定性仍较大，如何将ET管理应用到流域管理实践中仍需探索。在现阶段，可以选取代表性区域进行试点研究，通过加强地面观测站建设，对遥感监测ET进行校准，提高其数据精度，并在遥感估算蒸散发技术更加成熟后，探索建立一套基于ET的水资源考核方法体系。