二元水循環條件下水資源管理理念的初步探索＊

王 浩 楊貴羽

①中國工程院院士,②高級工程師,中國水利水電科學研究院,北京100038

＊國家重點基礎研究發展計劃(No.2006CB403404和2006CB403405);國家自然基金創新研究群體科學基金項目(No.50721006);國家“十一五”科技支撐計劃資助項目 (No.2006BAB06B06)資助

二元水循環條件下水資源管理理念的初步探索＊

王 浩①楊貴羽②

①中國工程院院士,②高級工程師,中國水利水電科學研究院,北京100038

＊國家重點基礎研究發展計劃(No.2006CB403404和2006CB403405);國家自然基金創新研究群體科學基金項目(No.50721006);國家“十一五”科技支撐計劃資助項目 (No.2006BAB06B06)資助

耗水管理 七大總量控制 流域水資源管理 “自然-人工”二元水循環

中國存在水資源短缺、水生態退化以及水環境惡化等問題,一方面是由于中國水資源本底差的客觀條件,另一方面是由于水資源管理的不完善。為此,本文針對后者,結合“自然-人工”二元水循環過程,對現代環境下的流域/區域水資源管理作了新的探索,提出“以耗水(ET)管理為核心,七大總量控制為約束”的水資源管理新理念。通過與傳統水資源管理的對比,論述了在二元水循環條件下開展“以耗水(ET)管理為核心,七大總量控制為約束”的水資源管理的重要性;同時,通過分析實施耗水和七大總量控制指標的現代先進的技術說明了開展的可行性。

1 引 言

“流域水資源管理”是對流域水資源供給與需求關系的協調過程,是以追求可利用水資源的最大效益,實現流域人水和諧、經濟系統和生態環境系統和諧發展為最終目標的水資源統一調控和協調管理。但是,在不同的社會發展階段,由于現實的供給條件與社會經濟發展和生態環境保護需求的不同,有關流域水資源管理的內容各有側重。隨著水資源管理實踐的深入,水資源管理理念從20世紀60年代之前的“以需定供”轉向20世紀中后期的“以供定需”。“以需定供”重在對供水水源的管理,是以工程建設為重點,充分挖掘水資源的可供給量,來滿足社會經濟發展的需求,在一定程度上體現為水資源管理以需求為主導的特點;而“以供定需”則將需水管理作為水資源管理的重點,開始強調節約用水,即在提高水資源利用效率的基礎上,考慮水資源供給的可能性進行生產力布局的調整,強調了資源的合理開發利用,成為目前世界各國普遍采用的水資源管理方式。這種管理方式強調了水資源保護,著眼于有限水資源供給條件下的水資源優化配置。然而,隨著高強度人類活動的影響和自然來水的減少,水資源的供需矛盾日益凸顯,水資源短缺已成為全球性問題,并引發了一系列的生態環境問題。從表面來看,中國的水危機屬于資源性危機,但必須認識到水資源管理的不完善也進一步加劇了這一危機。為此,筆者針對高強度人類活動影響下的流域/區域的水資源問題,結合“自然-人工”二元水循環過程,對現代環境下的流域/區域水資源管理作了新的探索,提出“以ET管理為核心,以七大總量控制為約束”的水資源管理新理念。

2 流域二元水循環特點

水資源管理的目標是保證健康水循環條件下水資源的合理開發利用,全面剖析流域水循環對水資源管理具有重要的意義。目前水循環呈現出“自然-人工”二元特性,且隨著人類活動強度和廣度的增加,人類活動對自然水循環過程的影響逐漸增強,二元特性更加明顯。人類活動一方面通過直接作用(如水庫坑塘的修建,跨流域調水工程以及人工取用水等環節),使水循環系統的結構和循環路徑發生改變;另一方面,通過間接的方式(如森林砍伐、土地利用、溫室及其他排放等)改變下墊面或局地氣候,從而影響水循環的諸要素。有關水循環的二元特性集中的表現在循環驅動力、循環結構和循環參數三方面：

在循環結構方面,由以“降水-坡面-河道-地下”為基本循環環節的“一元”自然水循環結構,轉向包括流域/區域“取水-用水(耗水)-排水-再生利用”人工水循環環節以及水資源開發利用變化對自然水循環的影響等在內的“自然-社會”二元水循環特性(如圖1)。

在循環驅動力方面,已由過去一元自然驅動(包括太陽能和重力勢能)演變為現在的“天然-人工”二元驅動(除自然驅動力外,還包括蓄引提水所附加的人工能量以及全球氣候變化導致溫度變化而引起的能量的改變)。

圖1 “自然-社會”二元水循環的基本過程與耦合關系

在循環參數方面：由于下墊面變化和土地利用方式的改變以及城市化進程,使得土壤孔隙和持水結構發生改變,進而導致蒸發、徑流、下滲等水文特性參數隨之發生改變。與此同時,水資源開發利用與社會經濟活動也影響著水循環參數。

在此過程中,流域/區域水資源的補給和消耗也發生了較大改變,與此相伴而生的天然生態退化和人工生態發展使水污染和環境污染加劇。其中耗水量和污染物的排放量直接關系著流域水資源的數量和質量,而耗水量又是其中最核心的環節,發生在水循環的不同環節。盡管隨著用水方式的改變,水資源消耗的結構和形式也變得愈加復雜,但絕大部分的水資源仍以蒸發蒸騰(ET)的形式散失到大氣,只有極少部分被產品帶走。目前的水資源管理主要集中于對水量需求的管理上,特別是對水循環單環節水量的管理,這在一定程度上體現了對耗水的管理,但是這類需水管理的耗水是依據基于水量平衡估算的,難以滿足日益復雜的實踐需求,需要結合水循環全過程,從需水本質——耗水出發的深入研究。

另外,在現代二元水循環過程中,僅依靠區域水量平衡進行水資源消耗量的估算已遠遠不能滿足人們對水循環消耗項的全面認識,更不能針對性地進行調控。同時,伴隨著全球氣候的變化,能量條件也發生了明顯變化。能量循環作為水循環的主要驅動力,在作用水循環的同時,也受到水循環過程的影響,其耦合作用在當前氣候條件下變得更加復雜,使得僅依靠能量平衡原理計算水量的主要消耗項——蒸發蒸騰難以反映實際情況。為此,在水資源匱乏程度日益加劇的今天,僅重視開源,即增加陸地水系統的輸入和用水過程末端的節水,已無法全面提高水資源在其動態轉化過程中的效用。只有重視水循環過程中的每一個環節,充分考慮水循環的每一個分過程——大氣過程、地表過程、土壤過程以及地下過程的消耗轉化,才能實現“真實”節水[1]的目的。與此同時,伴隨著水循環,水污染也能夠從根本上加以有效控制。

為此,結合全球環境基金 GEF項目——海河流域水資源與水環境綜合規劃與管理項目和海河流域水循環演變規律與水資源高效利用(“973”項目),中國水科院水資源所對二元水循環驅動下的流域/區域水資源管理進行了探討,提出了“以耗水管理為核心,七大總量控制為約束”的水資源管理的理念,認為立足于水循環全過程,深入開展以區域耗水——蒸發蒸騰量(ET)管理為核心,以量、質和效總量控制為約束的水資源需求管理,將有利于從根本上提高水資源的利用效率,緩解區域水資源的供需矛盾,進而保障流域人水和諧發展。

3 “以耗水管理為核心,以七大總量控制為約束”的水資源管理理念

3.1 “耗水管理”的內涵

耗水管理是以區域/流域總的水資源消耗為對象的需求管理,是建立在區域水資源的供給和消耗關系的基礎之上,以有限水資源的可消耗量為上限,在保證基礎產業,特別農業基本效益的前提下,采取各種工程或非工程措施,最終實現水資源的高效利用。

由于水資源的消耗是一個動態過程,發生在自然-人工二元水循環的各個環節,集中的體現為蒸發蒸騰和被生命體消耗或產品帶走的水總量,且以蒸發蒸騰形式消耗的水量占有絕對大的比重。另外,由于蒸發蒸騰不僅包括水循環環節的蒸發蒸騰,如植被截留蒸發量、植被蒸騰量、土壤蒸發量和水面蒸發量,而且也涉及水循環過程、能量循環過程和物質循環過程,并伴隨著物理反應、化學反應和生物反應,能夠較為全面的體現水資源在其動態轉化過程中的消耗結構。因此,有關“耗水管理”,常常簡稱為“ET管理”,其實質是對傳統水資源管理需求側進行更深層次的調控和管理,也是對水循環過程中水資源消耗過程的管理。

3.2 “七大總量”控制指標

由于水資源短缺引發了一系列與水相關的生態問題和環境問題,要實現可持續發展的水資源利用,必須維持水資源、水生態和水環境的和諧發展。因此,在提高以水資源利用效率為核心的水資源管理的基礎上,綜合考慮水資源量、質、效三個方面,結合水資源管理的“三條紅線”(明確水資源開發利用紅線,嚴格實行用水總量控制;明確水功能區限制納污紅線,嚴格控制入河排污總量;和明確用水效率控制紅線,堅決遏制用水浪費),從社會水循環過程的“取水-用水-耗水-排水”四大環節進一步細化,提出了以下“七大總量”控制指標。具體指標為：

①結合區域/流域水資源的最大可消耗量約束下的地表水取水總量控制;②結合區域/流域水資源的最大可消耗量約束下的地下水可開采量控制;③結合區域/流域合理用水結構的國民經濟用水量控制;④結合區域/流域合理用水結構的生態環境用水量控制;⑤結合區域/流域用水結構的水資源消耗量控制;⑥維護上下游、左右岸和干支流用水關系的出境水量/入海水量控制;⑦維護區域水環境而確定的排污總量控制。

4 開展“ET管理”的水資源管理的重要性和可行性分析

4.1 重要性分析

由以上“水資源消耗(ET)為核心、以七大總量控制為約束”的水資源管理內涵可見,開展相應的水資源管理,是一種堅持“節流優先、治污為本;統籌經濟社會發展與水資源的開發利用和保護;協調好生產、生活和生態用水”為原則的水資源綜合管理;是對傳統水資源管理有益必要的補充。集中的體現在“節水”理念和管理對象上。

在“節水”理念上：傳統水資源管理通常是指通過修建科學合理的水利工程、水資源管理工程等手段,來提高水資源的利用效率。其衡量的指標側重于不同措施實施前后源頭取水量和末端用水量間的水量變化,即節水量的多少。對水循環(自然和社會)過程中的消耗量并沒有進一步依據消耗效用進行區分,即對消耗的有益與否的關注較少;從而使得“節水”重在水量的量值,而對水資源消耗效用的認識相對薄弱,特別是在輸水過程中,這一點體現最為明顯。在水資源的實際消耗過程中,盡管農業灌溉中提出的不同的灌溉制度在一定程度上體現了通過“ET管理”理念提高耗水效率的內涵,但是,其管理的程度和涉及的范圍既不深入也不系統,更未能將水資源消耗作為水資源合理配置的基礎。

以“ET管理”為核心的水資源管理理念中的“節水”,是從水資源消耗效用出發,不僅重視循環末端的節水量,而且依據水循環過程中每一環節中用水量的消耗效用進行的水資源量的節約。因此,只有依據相關原則明確水資源在循環過程中的消耗結構和相應的消耗效用,以減少無效消耗量,提高有效消耗為目的,才能立足于水循環系統,使區域有限的水資源利用效率最大化,才能明確區域水資源高效利用下水資源的凈虧缺量,明確供水與耗水之間“真實”的節水量。因此,實行以“ET管理”為核心的水資源管理,對區域水資源的合理利用具有重要意義。

在管理對象上,傳統管理以“供需平衡”為核心,僅重視水循環過程中徑流量的管理。對于在農業生產和生態環境保護方面發揮重要作用的非徑流性水資源如土壤水卻并不涉及。以“ET管理”為核心的水資源管理,則是立足于水循環全過程,是以全部水汽通量為對象的水資源利用與管理。同時,“七大總量控制為約束”的水資源管理,不僅重視水量的節約,而且伴隨著水循環過程,加強了對水質的管理,這有利于水量水質的綜合管理。

總之,傳統的節水理念更多地體現為水循環末端用水量的節約,而以“ET管理”為核心的節水則是對區域/流域水資源量的節約,后者是對前者在節水,提高水資源利用效率方面有益的補充,是對水循環過程中水資源消耗過程的一種管理;結合“七大總量控制指標”又可很好地指導未來區域/流域水量水質綜合管理。因此,在現代環境下,針對水資源短缺以及水環境惡化日益嚴重的情勢,立足于水循環過程,進行以水資源消耗為核心,以七大總量控制為約束的水資源管理,不僅有利于提高徑流性水資源的利用效率,而且對進一步開源,充分利用非徑流性水資源具有重要的作用;不僅有利于水量的合理利用,而且對水環境保護也具有重要的作用。

4.2 可行性分析

盡管在區域/流域水循環過程中,在有限補給的基礎上,合理調控區域/流域的蒸發蒸騰量,提高其消耗效用,必然會減少水資源的需求,實現“真實”節水的目的。但是,由于蒸發蒸騰作為水循環中的一個過程量,受到自然和人類活動等眾多因素的影響,區域/流域蒸發蒸騰結構和效用不僅變得越加復雜,而且鑒別的難度也進一步提高。要實現以“ET管理”為核心的水資源管理,為水資源的高效利用提供切實的指導,就必須對復雜的蒸發蒸騰結構和效用做出精確評價。在此過程中,隨著現代科技手段的發展,特別是“3S”技術和分布式水文模型技術和水質模擬模型的出現,為以“ET管理”為核心的現代水資源管理提供了極其重要的技術支撐手段。因為,遙感技術和反演模型[2-6]的進一步發展,其對蒸發蒸騰的反演精度的改善有較大的促進;同時,新發展起來的分布式水文模擬技術[7],特別是分布式物理水文模型,能夠克服遙感反演蒸發蒸騰缺乏直接考慮水循環過程的缺點,且二者通過多種數據的有機結合(數據同化技術、下墊面參數反演)將對提高復雜下墊面條件下的蒸發蒸騰的模擬精度有積極作用。因此,與遙感相結合,分布式物理水文模型對區域以“ET管理”為核心水資源管理的實現提供了新的技術支撐。同時,耦合于水循環模型中的宏觀水質模擬模型也為污染的控制提供了重要的技術支撐。

5 結 論

面對復雜的水循環過程以及水資源和水環境所面臨的問題,文章立足于水資源的動態轉化形式——水循環,在全面剖析現代環境下的水循環“自然-人工”二元特性的基礎上,提出立足于水循環過程,開展以“ET管理為核心,以七大總量控制為約束”的水資源管理理念;并通過與傳統水資源管理比較說明了開展以“耗水管理為核心,七大總量控制為約束”的水資源管理的重要性,通過分析實施耗水和七大總量控制指標的現代先進的技術說明了開展的可行性。

(2010年4月6日收到)

[1]沈振榮,汪林,于福亮,等.節水新概念——真實節水的研究與應用[M].中國水利水電出版社,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.

(責任編輯：溫文)

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