基于生態(tài)水文理念的流域水資源規(guī)劃研究*——以子牙河為例

傅長鋒 李發(fā)文 于京要

?

基于生態(tài)水文理念的流域水資源規(guī)劃研究*——以子牙河為例

傅長鋒1李發(fā)文2于京要1

(1. 河北省水利水電勘測設計研究院 天津 300250; 2. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津 300072)

傳統(tǒng)水資源規(guī)劃一般僅關注水文循環(huán)中的“藍水”資源, 忽視了占水文循環(huán)60%以上的“綠水”資源?；谏鷳B(tài)水文理念來研究流域水資源規(guī)劃方法, 可實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。本文以子牙河流域為例, 從流域降雨著手, 剖析大氣降水、藍水和綠水轉(zhuǎn)化過程, 構建基于生態(tài)水文理念下的流域水資源規(guī)劃模型。通過調(diào)整種植結(jié)構、節(jié)水灌溉制度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構、居民生活用水、養(yǎng)殖業(yè)用水等方案, 以及南水北調(diào)中線配套工程措施, 利用構建的流域水資源規(guī)劃模型, 對各項規(guī)劃措施進行模擬。結(jié)果表明: 75%保證率和50%保證率下, 自然植被耗水量分別為76.3億m3和88.2億m3, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量分別為126.8億m3和142.1億m3。城市生活、工業(yè)生產(chǎn)、第三產(chǎn)業(yè)和農(nóng)村生活耗水量均分別為7.9億m3、2.6億m3、3.1億m3和3.3億m3。相對于調(diào)整之前, 75%保證率下, 子牙河流域耗水量減少11.9億m3, 50%保證率下減少13.2億m3。其中, 占總耗水量最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門對耗水削減的貢獻量最大, 達到了7.6億m3(75%保證率)和8.8億m3(50%保證率), 占總削減量的60%以上, 表明種植結(jié)構和節(jié)水灌溉制度的調(diào)整對減少子牙河流域耗水量起到了重要作用。本文研究成果可為流域水資源高效可持續(xù)利用提供必要的技術支撐。

生態(tài)水文 水資源規(guī)劃 藍水 綠水 蒸騰蒸發(fā)量 耗水量

人類對水資源的開發(fā)利用, 一直以來以農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水為主, 掠奪性的開發(fā)地表水占用了水資源的生態(tài)空間, 這種傳統(tǒng)水資源規(guī)劃方法已不能滿足流域內(nèi)社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。同時, 傳統(tǒng)水資源管理是以工程水文技術為主, 但實際上, 水資源循環(huán)過程是水文與生態(tài)耦合過程, 水資源規(guī)劃方法應建立在生態(tài)系統(tǒng)及其循環(huán)過程的水文學機制基礎之上[1]。

生態(tài)水文學是在尋求解決合理持續(xù)利用水資源的實踐中形成的一門交叉應用學科, 是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的一種新方法[2]。其核心內(nèi)容是將降水視為由人類與自然共同分享的淡水資源, 認為最根本的水資源是降水, 而不僅僅是河川徑流[3]。將降水分為綠水和藍水, 綠水是指陸地水文循環(huán)中的氣態(tài)水流或總的蒸騰蒸發(fā)量, 它包括來自植物截留、地表、水面和土壤的非生產(chǎn)性蒸發(fā)和源自植物蒸騰、促進植物生長的生產(chǎn)性蒸騰, 顯然源自降水的綠水支撐著陸地生態(tài)系統(tǒng)。藍水是指陸地水循環(huán)中的液態(tài)水流, 它包括降水形成的地表徑流和地下水補給, 即徑流性水資源, 它是支撐水域生態(tài)系統(tǒng)的基本水源[4]。

傳統(tǒng)水資源規(guī)劃目的是控制水的需求, 并對有限的徑流性水資源進行優(yōu)化配置[5]。水資源評價通常是計算降水自然分割后產(chǎn)生的徑流性水資源量, 即藍水量。這種僅以流域出口處實測徑流量為依據(jù)評價水資源, 可能忽略了上游降水量分割產(chǎn)生的那部分藍水, 這些藍水可能在到達流域出口之前已經(jīng)轉(zhuǎn)化為綠水, 這通常是流域內(nèi)提取藍水用于消耗性用水造成, 使得流域出口處測得的徑流量遠小于真實的水資源量。

水資源供需平衡分析是目前進行水資源規(guī)劃和管理經(jīng)常使用的分析方法[6]。但供需平衡中都沒有對區(qū)域總耗水加以限制。雖然需水管理限制了從自然水體中取水的數(shù)量, 而且也迫使每種用途的用水效率得以提升, 但由于發(fā)展的需要, 人們可能會使用需水管理中節(jié)省下來的水或經(jīng)過處理的再生水擴大經(jīng)濟規(guī)模, 從而可能使可利用的水資源消耗殆盡。本文采用生態(tài)水文的系統(tǒng)分析方法研究流域水資源規(guī)劃方法。

1 基于生態(tài)水文理念下的流域水資源規(guī)劃模型

1.1 生態(tài)水文循環(huán)的“三水”轉(zhuǎn)化

從流域角度看, 水的循環(huán)模型呈多層平面立體結(jié)構。頂層為面雨量層; 第2層為地表植被層, 按植被覆蓋度剖析林冠截留雨量、蒸騰蒸發(fā)水量等; 第3層為流域坡面匯流層, 依據(jù)地形、河網(wǎng)、濕地、水庫坑塘分布, 剖析坡面產(chǎn)流、地表水的蓄變量等; 第4層淺層地下水層, 按地層土巖結(jié)構, 分析坡面水入滲、地下水潛流、潛水蓄存等[7]。各層水量在水勢、風勢、氣壓、日照、溫度等流場作用下進行著“三水”轉(zhuǎn)化(圖1)。

“三水”即大氣降水、藍水和綠水。在生態(tài)水文循環(huán)過程中, 大氣降水是源泉(雨量層), 也是“三水”中藍水和綠水的來源。大氣水分通過凝結(jié)等作用, 變?yōu)榻邓? 降水初期, 雨滴落在植被枝葉上(地表林冠層), 幾乎完全被樹冠截留, 在沒有滿足最大截留量之前, 植物下的地面, 僅能獲得小量降水, 有一部分降水在降落過程中, 因與植物沖擊而分裂, 有的落至地面, 有的在降落過程中被蒸發(fā)掉, 植物截留水量直到水滴重力超過表面張力時, 才下落至地面。降水到達地面后, 經(jīng)過坡面匯流(流域坡面匯流層)轉(zhuǎn)化為地表水, 其他部分下滲到地表以下, 一部分轉(zhuǎn)化成土壤水, 當土壤水含量超過土壤持水能力時, 下滲水量在重力作用下轉(zhuǎn)化為淺層地下水(淺層地下水層), 而另一部分成為非飽和土壤水, 或以土壤蒸發(fā)的形式變成綠水返回大氣, 或被植物根系吸收以植物蒸騰的形式作為綠水返回大氣。在生態(tài)水文循環(huán)中, 地表徑流和地下水補給量即成為“三水”中的藍水, 藍水是社會經(jīng)濟系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)用水的來源, 社會經(jīng)濟系統(tǒng)通過取水、輸水和用水, 將部分藍水轉(zhuǎn)化成綠水, 而水域生態(tài)系統(tǒng)通過蒸發(fā)將部分藍水轉(zhuǎn)化成綠水; 植物蒸騰量和植被截留、土壤、水面的蒸發(fā)量即成為“三水”中的綠水, 綠水在一定條件下凝結(jié)成降雨, 部分轉(zhuǎn)化成藍水。由此可見, 藍水和綠水之間, 不同區(qū)域之間也不斷產(chǎn)生水量和能量交換, 周而復始, 循環(huán)往復。

在上述生態(tài)水文循環(huán)過程中, 降水被分割為綠水和藍水, 其中有兩個關鍵分割點。第1個分割點位于土壤表面(上分割點), 將降水分割為地表徑流(藍水)和滲透到土壤中的土壤水; 第2分割點(下分割點)位于地表以下, 將土壤水分割為地下徑流(藍水)、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰量(綠水)。降水的分割表明了在水循環(huán)中水和土壤緊密相關以及土壤水作為維持生物生長的水源的重要作用。在水文氣象條件一定的情況下, 降水被分割過程主要受下墊面生物物理等自然因素和人為因素的雙重影響。下墊面因素(土壤結(jié)構、特性和坡度、土壤含水量、植被種類)影響上分割點上產(chǎn)生的地表產(chǎn)流量。土壤中有機物的構成對土壤的蓄水能力有很大影響, 植物根系的分布和活力會影響下分割點劃分植物吸收水分和地下水補給的比例。人為因素如農(nóng)業(yè)耕作和城市不透水面積都會對降水分割綠水和藍水有很大影響。

1.2 模型構建框架

基于生態(tài)水文理念下的流域水資源規(guī)劃, 將傳統(tǒng)水資源評價對象從徑流性水資源轉(zhuǎn)變成以降水為整體的水資源, 即從降水著手研究流域供需平衡, 涉及社會經(jīng)濟系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。流域總水資源包括本地降水和外調(diào)水, 其通過生態(tài)水文循環(huán)的“三水”轉(zhuǎn)化, 分割為綠水和藍水, 藍水提供社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境用水, 而綠水則來源于社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的用水耗水。在此基礎上, 依據(jù)流域蒸散發(fā)(ET)重構流域供需關系, 解析出流域發(fā)展存在的瓶頸, 從社會經(jīng)濟需水量規(guī)劃和生態(tài)修復角度出發(fā), 設置規(guī)劃方案, 并核算方案的實施效果。流域水資源規(guī)劃體系框架見圖2所示。

1.3 模塊功能及模型約束條件

1.3.1 模型的目標函數(shù)

流域需水量分為陸域生態(tài)環(huán)境需水、社會經(jīng)濟需水和水域生態(tài)環(huán)境需水, 其水量平衡方程為:

將公式(1)變化成公式(2):

由公式(2)可知, 要使流域社會經(jīng)濟用水需求與自然用水需求之間尋找平衡點, 必須調(diào)整社會經(jīng)濟、陸域生態(tài)環(huán)境和水域生態(tài)環(huán)境等3部分的需水量, 使流域水資源可持續(xù), 即?=0。即在供需達到平衡前提下, 通過調(diào)整社會經(jīng)濟用水需求與自然用水需求, 使水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境組成的復合系統(tǒng)達到良性循環(huán)狀態(tài)。

基于生態(tài)水文的水資源與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃, 就是要將流域內(nèi)的蒸散發(fā)量, 即綠水量, 納入到整個水資源開發(fā)利用范疇。而對ET控制, 主要就是在不突破流域ET總量的前提下, 通過調(diào)整ET在時空上的分配, 提高對ET利用的效率, 減少低效和無效的ET, 增加高效ET。合理設置目標ET是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展目標的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)公式(2)可知, 要保持流域水資源可持續(xù)發(fā)展, 應保證流域供需平衡, 即?=0。但流域往往對水資源需求過大, 供需失衡, 即?<0, 導致地下水資源處于超采狀態(tài)。為了達到水資源供需平衡, 需對流域耗水量進行削減。

根據(jù)式(2)可得:

地下水容許超采量為:

為了使地下水不超采,必須讓ET削減量等于超采量,即容許超采量;為了維持河道水環(huán)境容量,要求保證一定的出境水量,一般都要求, 則, 即目標ET應小于當?shù)亟涤炅渴谴_定區(qū)域目標ET的一般原則。

在設定目標ET時還需考慮用水地塊面積和非用水地塊面積的比例關系。一般山區(qū)多為山林地或裸地, 用水地塊面積較小。而平原區(qū)域用水活動集中, 用水地塊面積較大。將區(qū)域劃分為草叢、草甸、草原、灌叢、闊葉林、栽培植被、針葉林等7類植被, 則區(qū)域目標ET為:

1.3.2 水資源系統(tǒng)模塊

1)降水

依據(jù)流域內(nèi)雨量站獲取流域的降雨量值, 采用反距離權重插值法對流域的降雨量值進行空間插值, 制得降雨量分布圖, 獲得流域的降雨量, 即總水資源量。

2)綠水

基于MODIS遙感葉面積指數(shù)的Penman-Monteith (P-M)模型公式(7)估算流域的植被蒸騰值。

其中c通過公式(8)計算[8-9]:

(8)

其中通過公式(9)計算:

其中α通過公式(10)計算:

(10)

土壤蒸發(fā)[8-9]:

陸域蒸散發(fā)量:

=c+s(12)

水面蒸發(fā)[10]:

式中符號、意義、單位見表1, 參數(shù)取值方法詳見文獻[9,11]。

表1 基于MODIS遙感葉面積指數(shù)的Penman-Monteith(P-M)模型的參數(shù)

1.3.3 社會經(jīng)濟系統(tǒng)模塊

1)城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活需水量

2)工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水量

工業(yè)需水是指工、礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中的所需用水, 是城市用水的一個重要組成部分。工業(yè)需水量計算一般可采用定額法[12], 第三產(chǎn)業(yè)需水量的計算方法與工業(yè)需水量計算方法相同。

3)農(nóng)業(yè)需水量

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量計算依據(jù)農(nóng)作物類型、生長期, 按灌溉作物和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)分別計算農(nóng)作物耗水ET。

1.3.4 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)模塊

一般流域的生態(tài)環(huán)境需水劃分為: 河道生態(tài)需水、城市水體需水、庫塘濕地生態(tài)需水、植被生態(tài)需水和地下水回補需水5個部分[13], 是維護地表水體生態(tài)結(jié)構和功能所需要的水量。

1)河道生態(tài)需水量

采用歷史流量資料法[14]計算河道生態(tài)需水量:

2)城市水體需水量

城市水體是一個城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。城市水體需水量計算可采用人均定額法[14]。計算公式如下:

3)庫塘濕地生態(tài)需水量

庫塘濕地生態(tài)需水量按水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量推求水面蒸發(fā)損失的水量, 計算公式為[15]:

庫塘濕地年滲透量按照庫區(qū)范圍內(nèi)單位面積每日損失1~2 mm深度的水量計算。

4)植被生態(tài)需水量

采用Penman-Monteith公式計算, 詳見前述。只有維持好植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定, 才能保持好流域生態(tài)環(huán)境, 經(jīng)濟社會才能可持續(xù)發(fā)展。

5)地下水回補需水量

計算時以實際開采量與允許開采量的差值作為回補地下水超采所需水量[16]。計算公式如下:

生態(tài)環(huán)境的耗水ET值依不同下墊面的土地類型按照公式(6)計算。

2 模型校驗

依據(jù)上述原理構建生態(tài)水資源規(guī)劃模型, 以子牙河流域為研究區(qū)域, 并選取2008年為基準年, 對模型進行參數(shù)校準、驗證, 以確定其實用性。流域生態(tài)水資源規(guī)劃模型參數(shù)主要是對Penman-Monteith (P-M)模型中參數(shù)和sx進行校驗, 其余參數(shù)均可以通過遙感和水文氣象數(shù)據(jù)進行推求。

2.1 數(shù)據(jù)來源

水文數(shù)據(jù)主要包括降水、徑流實測數(shù)據(jù), 來源于子牙河流域水文年鑒; 氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)和The National Centers for Environmental Prediction (NCEP)(國家中心環(huán)境預報)網(wǎng)站, 主要包括: 最高氣溫、最低氣溫、風速、相對濕度。遙感數(shù)據(jù)為2008年遙感基礎數(shù)據(jù)(1 km×1 km), 來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所, 主要包括: 葉面積指數(shù)、地表反照率、地表覆蓋; 社會經(jīng)濟資料來源于山西省統(tǒng)計年鑒和河北省統(tǒng)計年鑒。

根據(jù)子牙河流域及周邊共409個降水測站, 插值得到降水量分布圖(圖3), 將降水作為流域的總水資源量。

2.2 模型校驗

表2 2008年子牙河流域不同植被蒸散發(fā)模擬值

流域2008年降水量(圖3)與蒸發(fā)量(圖5)對比, 得出子牙河流域水資源盈虧情況。從整個流域角度分析降雨和蒸發(fā), 整個子牙河全流域年降水量為534.9 mm, 平均蒸發(fā)量為449.3 mm, 山區(qū)平均蒸發(fā)量為417.6 mm, 平原區(qū)平均蒸發(fā)量為502.2 mm。

3 流域水資源規(guī)劃及成果分析

3.1 流域水資源量

2008年子牙河流域平均降水量為257.66億m3(534.9 mm), 平均實際ET為263.87億m3(547.8 mm), 平均自然ET為216.42億m3(449.3 mm), 平均人工ET為47.45億m3(98.5 mm), 出境徑流5.27億m3, 由黃壁莊水庫向北京應急供水2.18億m3, 流域蓄水變化量為-13.66億m3。流域供需嚴重不平衡, 地下水超采嚴重[17]。

3.2 流域水資源規(guī)劃

3.2.1 流域水資源規(guī)劃方案

子牙河流域水資源規(guī)劃以2008年為基準年, 2020年為規(guī)劃年, 規(guī)劃中充分考慮南水北調(diào)受水區(qū)供水, 從降低流域耗水角度設置具體規(guī)劃方案。

種植結(jié)構調(diào)整方面, 根據(jù)超采區(qū)地下水超采情況, 調(diào)整種植結(jié)構, 減少一年兩熟區(qū)冬小麥種植面積34.67萬hm2, 變一年兩熟為一年1熟, 改種與當?shù)赜隉嵬谏L的玉米。種植結(jié)構調(diào)整地區(qū)主要集中于太行山前平原, 其中石家莊市總計調(diào)整種植面積9.80萬hm2, 衡水總計調(diào)整8.27萬hm2, 邯鄲總計調(diào)整7.40萬hm2, 邢臺總計調(diào)整8.87萬hm2, 滄州調(diào)整0.33萬hm2。

節(jié)水灌溉制度調(diào)整方面, 通過構建高效節(jié)水灌溉工程體系, 到2020年, 發(fā)展節(jié)水灌溉面積63.33萬hm2, 達到100.00萬hm2, 節(jié)水灌溉面積占灌溉面積的比例由目前的52%提高到82%。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整方面, 根據(jù)《河北省大氣污染防治行動計劃實施方案》(中共河北省委、河北省人民政府, 2013), 到2014年淘汰水泥落后產(chǎn)能6 100萬t,到2017年削減全省鋼鐵產(chǎn)能6 000萬t, 全部淘汰10萬kW以下常規(guī)燃煤機組。子牙河流域各工業(yè)區(qū)將重點發(fā)展生物、新能源、新材料、信息工程等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè), 同時對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實施技術改造, 促進產(chǎn)品升級。預計到2020年子牙河流域工業(yè)產(chǎn)值增加值將達到8 750億元, 工業(yè)萬元產(chǎn)值增加值取水量為15 m3×萬元-1, 工業(yè)需水量將達到13.1億m3。

居民生活用水方面, 城鎮(zhèn)生活用水考慮到2020年發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟的要求, 需要大力推動生活市政節(jié)水, 努力使城鎮(zhèn)人均生活用水降低到河北省平均水平的下限。預計到2020年人均生活用水降低到115 L×人-1×d-1, 則城鎮(zhèn)生活需水量將達到4.7億m3。另外, 隨著城市化發(fā)展, 通過在農(nóng)村實施計量取水, 預測到2020年農(nóng)村生活人均用水降低到65 L×人-1×d-1, 農(nóng)村生活需水量則降低到3.3億m3。養(yǎng)殖業(yè)將實現(xiàn)規(guī)?；B(yǎng)殖, 努力降低耗水, 預計養(yǎng)殖業(yè)用水將控制在1.8億m3以內(nèi)。

另外, 充分利用南水北調(diào)中線配套工程, 加快推進石津干渠、贊善干渠、民有干渠等水廠以上配套工程建設和受水區(qū)各城鎮(zhèn)地表水廠、配套管網(wǎng)建設。至2020年全部供水目標實現(xiàn)水源切換, 并向生態(tài)、農(nóng)業(yè)相機補水, 替換地下水開采。至2020年, 預計南水北調(diào)中線工程對子牙河流域多年平均分水量將達到14.0億m3。另外, 2014年南水北調(diào)水進京, 黃壁莊水庫作為北京的應急水源地也將停止供水, 緩解子牙河流域地下水超采問題。

3.2.2 流域水資源規(guī)劃方案實施效果分析

綜合考慮各項規(guī)劃方案, 在考慮節(jié)水因素和流域廣義水資源總量的條件下, 預計75%保證率下2020年總耗水將達到220.0億m3, 50%保證率下總耗水將達到247.2億m3。

方案實施后, 子牙河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量依然占比最大, 在75%和50%兩項保證率下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量占總耗水量的比例均超過為55%, 如圖6所示。因此, 流域節(jié)水重點在農(nóng)業(yè), 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大[18]。

結(jié)果表明, 75%保證率和50%保證率下, 自然植被耗水量分別為76.3億m3和88.2億m3, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量分別為126.8億m3和142.1億m3。兩項保證率下, 城市生活、工業(yè)生產(chǎn)、第三產(chǎn)業(yè)和農(nóng)村生活耗水量均分別為7.9億m3、2.6億m3、3.1億m3和3.3億m3。

結(jié)果表明, 各項規(guī)劃措施實施后, 相對于調(diào)整之前, 75%保證率下, 子牙河流域耗水量減少11.9億m3, 50%保證率下減少13.2億m3。統(tǒng)計各用水部門的耗水量削減情況(圖7)?？芍桨笇嵤┖? 占總耗水量最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門對耗水削減的貢獻量也最大, 達7.6億m3(75%保證率)和8.8億m3(50%保證率), 占總削減量的60%以上, 表明種植結(jié)構和灌溉制度的調(diào)整對減少子牙河流域耗水量起到了重要作用。

圖7 子牙河流域規(guī)劃年各用水部門耗水削減量圖

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

4 結(jié)論

1)本文基于生態(tài)水文學理念, 提出了高效可持續(xù)的水資源規(guī)劃。長期以來, 水資源的開發(fā)利用主要考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水等方面的經(jīng)濟效益, 過量的開發(fā)河流水和占用水資源的生態(tài)空間, 而對在維護生態(tài)環(huán)境平衡所需要的用水方面則沒有得到足夠的重視。正是由于這種忽視, 在水資源的開發(fā)利用過程中, 已經(jīng)產(chǎn)生了水環(huán)境、水生生態(tài)嚴重破壞的不良后果。這種傳統(tǒng)意義的水資源規(guī)劃已不能滿足流域內(nèi)社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。本文將綠水概念引入到水資源評價中, 通過對水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境復合系統(tǒng)統(tǒng)合分析, 提出了以流域降水為區(qū)域水資源總量, 進而構建了流域水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟需水之間的耦合關系, 消除水資源對經(jīng)濟、社會、環(huán)境的消極影響, 同時促進相互協(xié)同關系, 從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展和良性循環(huán)。

2)本文從流域角度, 將整個流域生態(tài)水文循環(huán)過程劃分為面雨量分布層、地表林冠層、流域坡面匯流層和淺層地下水層。各層水量在水勢、風勢、氣壓、日照、溫度等流場作用下進行著大氣降水、藍水和綠水“三水”轉(zhuǎn)化。從流域生態(tài)水資源現(xiàn)狀出發(fā), 構建基于生態(tài)水文理念下的流域水資源規(guī)劃模型, 模型包括水資源系統(tǒng)模塊、社會經(jīng)濟系統(tǒng)模塊和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)模塊。其中綠水計算是流域水資源規(guī)劃模型的核心模塊, 采用基于MODIS遙感葉面積指數(shù)的Penman-Monteith模型計算流域綠水, 并按植被在流域的空間差異性進行參數(shù)優(yōu)化率定, 實現(xiàn)了從單點的傳統(tǒng)蒸散發(fā)模型到大尺度流域蒸散發(fā)模型的轉(zhuǎn)變, 得出土壤蒸散發(fā)系數(shù)和植被氣孔導度兩個關鍵參數(shù)的時空變化規(guī)律。

3)本文以子牙河流域為例, 選取2008年為基準年, 對模型進行參數(shù)校準和驗證, 不同類型植被的月蒸發(fā)模擬值與實測值相對誤差均在7%以內(nèi), 模型具有較好的模擬精度。通過調(diào)整種植結(jié)構、節(jié)水灌溉制度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構、居民生活用水、養(yǎng)殖業(yè)用水等方案, 以及南水北調(diào)中線配套工程措施, 利用構建的流域水資源規(guī)劃模型, 對各項規(guī)劃措施進行模擬。結(jié)果表明: 75%保證率和50%保證率下, 自然植被耗水量分別為76.3億m3和88.2億m3, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量分別為126.8億m3和142.1億m3。城市生活、工業(yè)生產(chǎn)、第三產(chǎn)業(yè)和農(nóng)村生活耗水量均分別為7.9億m3、2.6億m3、3.1億m3和3.3億m3。相對于調(diào)整之前, 75%保證率下, 子牙河流域耗水量減少11.9億m3, 50%保證率下減少13.2億m3。其中, 占總耗水量最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門對耗水削減的貢獻量最大, 達到7.6億m3(75%保證率)和8.8億m3(50%保證率), 占總削減量的60%以上, 表明種植結(jié)構和節(jié)水灌溉制度的調(diào)整對減少子牙河流域耗水量起到了重要作用。

References

[1] 汪黨獻, 王浩, 倪紅珍, 等. 水資源與環(huán)境經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展模型及其應用研究[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2011 Wang D X, Wang H, Ni H Z, et al. Water Resources and the Harmonious Development of Environmental Economy and Its Application[M]. Beijing: China Water Power Press, 2011

[2] Zalewski M. Ecohydrology —The scientific background to use ecosystem properties as management tools toward sustainability of water resources[J]. Ecological Engineering, 2000, 16(1): 1–8

[3] 李小雁. 流域綠水研究的關鍵科學問題[J]. 地球科學進展, 2008, 23(7): 707–712 Li X Y. Key scientific issues for green water research in the watershed[J]. Advances in Earth Science, 2008, 23(7): 707–712

[4] Falkenmark M, Rochstrom J. Balancing Water for Humans and Nature: The New Approach in Ecohydrology[M]. London, UK: Earthscan, 2004

[5] 王浩, 秦大庸, 王建華. 流域水資源規(guī)劃的系統(tǒng)觀與方法論[J]. 水利學報, 2002(8): 1–6 Wang H, Qin D Y, Wang J H. Concept of system and methodology for river basin water resources programming[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002(8): 1–6

[6] 賈長青. 拉林河流域水資源供需平衡分析與水量分配研究[D].長春: 吉林大學, 2013 Jia C Q. Co-ordination analysis of water resources supply and demand and water allocation research for Lalin River basin[D]. Changchun: Jilin University, 2013

[7] 傅長鋒. 子牙河流域生態(tài)水資源規(guī)劃模型研究及應用[D]. 天津: 天津大學, 2012 Fu C F. Research and application on ecology and plan mathematic model for water resources of Ziyahe Drainage Area[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012

[8] Leuning R, Zhang Y Q, Rajaud A, et al. A simple surface conductance model to estimate regional evaporation using MODIS leaf area index and the Penman-Monteith equation[J]. Water Resources Research, 2008, 44(10): W10419

[9] Li F W, Cao R X, Zhao Y, et al. Remote sensing Penman- Monteith model to estimate catchment evapotranspiration considering the vegetation diversity[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2015, doi: 10.1007/s00704-015-1628-2

[10] 付學功, 董曉麗. 彭曼(Penman)公式在河北平原的應用[J]. 河北水利科技, 1995, 16(2): 8–12 Fu X G, Dong X L. Applying Penman method in Hebei Plain[J]. Hebei Hydrological Technology, 1995, 16(2): 8–12

[11] 穆冬靖. 基于生態(tài)水文理念下的流域水資源評價研究[D]. 天津: 天津大學, 2013 Mu D J. Evaluation of basin water resources based on principles of eco-hydrology[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013

[12] 中華人民共和國水利部. SL 429—2008 水資源供需預測分析技術規(guī)范[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 2009 The Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. SL 429—2008 The Water Resources Supply and Demand Forecast Analysis Technical Specification[S]. Beijing: China Water & Power Press, 2009

[13] 劉天琦, 何俊仕, 董克寶, 等. 蒲河流域生態(tài)環(huán)境需水研究[J].長江流域資源與環(huán)境, 2014, 23(5): 708–713 Liu T Q, He J S, Dong K B, et al. An assessment on the environmental water flow requirement of the Pu River[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2014, 23(5): 708–713

[14] Tharme R E. A global perspective on environmental flow assessment: Emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for river[J]. River Research and Applications, 2003, 19(5/6): 397–411

[15] 楊軍, 于蘇俊. 基于盲數(shù)理論的水庫生態(tài)需水量化分析[J]. 水資源保護, 2008, 24(6): 36–39 Yang J, Yu S J. Quantitative analysis of ecological water requirement for reservoirs based on blind number theory[J]. Water Resources Protection, 2008, 24(6): 36–39

[16] 馮平, 肖麗英, 林超. 地下水生態(tài)需水量的估算方法及其恢復問題的研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2005, 19(6): 102–107 Feng P, Xiao L Y, Lin C. Studies on the estimation methods of water demand for groundwater eco-environment and its restoration problems[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2005, 19(6): 102–107

[17] 韓玉, 楊曉琳, 陳源泉, 等. 基于水足跡的河北省水資源安全評價[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2013, 21(8): 1031–1038 Han Y, Yang X L, Chen Y Q, et al. Assessment of water resources in Hebei Province based on water footprint[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(8): 1031–1038

[18] 郭進考, 史占良, 何明琦, 等. 發(fā)展節(jié)水小麥緩解北方水資源短缺——以河北省冬小麥為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2010, 18(4): 876–879 Guo J K, Shi Z L, He M Q, et al. Development of water- saving wheat cultivars to limit water shortage in North China —A case study of Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco- Agriculture, 2010, 18(4): 876–879

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

* 河北省水利科研計劃項目(HS2007-43)和國家自然科學基金項目(51579169)資助

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)

傅長鋒, 主要從事水利工程規(guī)劃設計工作。E-mail: fcf_tj@sina.com

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