近15年海河流域水資源變化及基于耗水理念的流域節(jié)水管理建議

馬 歡，高建文，宋秋波，雷慧閩 ，李彥東，梅傳書(shū)

（1.水利部海河水利委員會(huì)，300170，天津；2.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，300170，天津；3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084，北京）

海河流域?qū)儋Y源性缺水流域，流域多年平均降雨量548 mm，水資源總量為370億m3，人均水資源占有量?jī)H270 m3，現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用率已超過(guò)100%，大大超過(guò)了水資源承載能力。推進(jìn)流域節(jié)水工作是貫徹習(xí)近平總書(shū)記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水方針的重要任務(wù)，也是海河流域提升流域管理水平的重要抓手。近年實(shí)施的GEF（全球環(huán)境基金）海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目 （簡(jiǎn)稱(chēng)GEF海河項(xiàng)目）和海河流域水循環(huán)演變規(guī)律與水資源高效利用項(xiàng)目（“973”項(xiàng)目）將基于蒸散發(fā)（ET）的耗水管理理念引入了流域管理工作中，為流域節(jié)水管理工作提供了新思路，為實(shí)施水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管提供了新手段。本文基于2002—2016年海河流域水資源開(kāi)發(fā)利用情況和水循環(huán)要素分析，提出了進(jìn)一步推進(jìn)基于ET的海河流域水資源管理特別是節(jié)水管理的建議。

一、基于ET的水資源管理理念及ET數(shù)據(jù)生產(chǎn)

1.基于ET的水資源管理理念

在流域水循環(huán)過(guò)程中，水在太陽(yáng)輻射與重力作用下，以蒸發(fā)、降水、徑流等形式周而復(fù)始地往返于大氣、陸地和海洋之間。降水落到地面，或產(chǎn)生徑流，或滲入地下變?yōu)橥寥浪偷叵滤挠谡舭l(fā)和蒸騰重返大氣外，其余匯流入海。地表徑流、土壤水和地下水在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化，這些轉(zhuǎn)化只是改變了水的存在場(chǎng)所和形式，并非水量的減少。而水分的蒸發(fā)蒸騰可以導(dǎo)致水資源量的減少，只有控制水資源的消耗，才能真正節(jié)約水資源。ET是蒸散發(fā)（Evapotranspiration）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是 Evaporation（土壤蒸發(fā)）和 Transpiration（植被蒸騰）的總和，基于ET的水資源管理理念也稱(chēng)作耗水管理，基于ET的節(jié)水理念也稱(chēng)作“真實(shí)”節(jié)水。

傳統(tǒng)的水資源管理是以地表和地下水資源量為核心，圍繞供水、用水而展開(kāi)的，而對(duì)于流域水循環(huán)而言，在不考慮外調(diào)水條件下，降水是流域的全部水資源來(lái)源，也被稱(chēng)為廣義水資源，地表及地下水資源量?jī)H占其中一小部分，基于ET的水資源管理理念是一種“大水資源”管理。

在節(jié)水理念上，傳統(tǒng)水資源管理通常是指通過(guò)修建科學(xué)合理的水利工程、水資源管理工程等手段，來(lái)提高水資源的利用效率，其衡量指標(biāo)側(cè)重于不同措施實(shí)施前后源頭取水量和末端用水量間的水量變化。基于耗水理念的節(jié)水管理，是從水資源消耗效用出發(fā)，不僅重視循環(huán)末端的節(jié)水量，而且依據(jù)水循環(huán)過(guò)程中每一環(huán)節(jié)的用水消耗效用進(jìn)行水資源量的節(jié)約。

2.ET數(shù)據(jù)生產(chǎn)

作為資源性缺水地區(qū)，ET是海河流域最重要的水量消耗項(xiàng)，ET數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是水資源管理的重要參考指標(biāo)。按照GEF海河項(xiàng)目的總體部署，海委進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)ET中心建設(shè)，利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)ET，生產(chǎn)了海河流域2002—2016年遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)，并于2017年編制了《海河流域蒸發(fā)蒸騰耗水量監(jiān)測(cè)2016年成果報(bào)告》，本文使用的遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)來(lái)源于此。

遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)采用遙感和地理信息系統(tǒng)，結(jié)合野外地面驗(yàn)證、抽樣調(diào)查等手段，以全流域的MODIS衛(wèi)星遙感影像、中高分辨率GF/TM8影像和地面氣象數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，由技術(shù)人員利用已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成并通過(guò)本地化改進(jìn)的蒸散發(fā)計(jì)算模型（ETWatch模型），最終獲得流域各年度逐月和全年的蒸散發(fā)量分布數(shù)據(jù)。地面觀測(cè)驗(yàn)證利用已建成的館陶站和大興站2個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)，基于大孔徑閃爍儀（LAS）等地面觀測(cè)設(shè)備，獲得2個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)覆蓋約1 km2內(nèi)的蒸散發(fā)量及相關(guān)參量（如氣象數(shù)據(jù)等）高頻次、長(zhǎng)時(shí)間序列實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為遙感模型提供必要的標(biāo)定參數(shù)和檢驗(yàn)依據(jù)。

二、海河流域水資源條件及變化情況

1.多年平均水資源概況

根據(jù)國(guó)務(wù)院2013年批復(fù)的《海河流域水資源綜合規(guī)劃》，海河流域1956—2000年平均年降水量為535 mm，其中山區(qū)523 mm，平原 552 mm。受氣候、地形等因素的影響，海河流域降水量時(shí)空變化較大。降水量年內(nèi)分配不均勻，全年75%～85%的降水量集中在汛期（6—9月）。

表1 2002—2016年海河流域水資源量統(tǒng)計(jì)

海河流域1956—2000年平均年地表水資源量為216億m3，折合徑流深67.5 mm，徑流系數(shù)0.126。其中山區(qū) 164億 m3，占 75.9%；平原 52億m3，占24.1%。海河流域1956—2000年平均年水資源總量為370億m3，產(chǎn)水系數(shù)（水資源總量與降水量的比值）0.22。

海河流域1956—1979年平均年淺層地下水資源量為 268億m3，1980—2000年平均年淺層地下水資源量為 235億 m3，較 1956—1979年系列減少了33億m3。

海河流域1956—2000年平均年入海水量101億m3，占同期平均地表水資源量的46.8%，約80%集中在汛期。近幾十年來(lái)海河流域入海水量變化較大，總體上呈遞減趨勢(shì)。

海河流域是全國(guó)各流域中人均水資源量最少的流域。按現(xiàn)狀水平年（2007年）總?cè)丝谟?jì)，海河流域人均水資源量只有270 m3，全國(guó)人均水資源量2 109 m3，海河流域占全國(guó)平均的

12.8%。

2.近15年水資源概況

根據(jù)2002—2016年海河流域水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)海河流域近15年水資源情況進(jìn)行分析，如表1所示。

通過(guò)表1可以得出，近15年海河流域平均年降水量515 mm，地表水資源量133億m3，水資源總量290億m3，較1956—2000年系列分別減少20 mm、83億m3和80億m3，減少比例分別為3.7%、38.4%和21.6%。地下水資源量228億m3，較1980—2000年系列減少7億m3。入海水量年際波動(dòng)較大，平均入海水量41億m3，較1956—2000年系列減少60億m3。

近15年海河流域年均徑流系數(shù)僅為 0.081，年均產(chǎn)流系數(shù) 0.18，較1956—2000年系列明顯降低，特別是徑流系數(shù)減少明顯。這是由于流域下墊面發(fā)生了明顯變化，地下水水位下降，土壤蓄水能力增加，導(dǎo)致地表產(chǎn)流能力降低。海河流域水資源量的減少，必將導(dǎo)致流域水資源供需矛盾進(jìn)一步加劇，也對(duì)流域節(jié)水工作提出了更高要求。

三、海河流域近15年水資源供需情況分析

根據(jù)2002—2016年海河流域水資源公報(bào)，對(duì)海河流域近15年水資源供需情況進(jìn)行分析，如表2所示。

通過(guò)表2可以得出，流域供水以地下水為主，年平均地下水供水量占總供水量的63.2%，年均當(dāng)?shù)氐乇硭涂缌饔蛘{(diào)水供水量分別占總供水量的22.2%和11.8%。非常規(guī)水等其他水源供水量穩(wěn)步增加。2014年南水北調(diào)中線通水后，跨流域調(diào)水量有所增加，地下水供水量有所減少。

在用水方面，工農(nóng)業(yè)用水量均呈減少趨勢(shì)，生活用水穩(wěn)步增加。近15年年均總用水量375億m3，其中工業(yè)用水占14.4%，農(nóng)業(yè)用水占66.9%，生活用水占15.8%，生態(tài)環(huán)境用水占2.9%。農(nóng)業(yè)用水占流域總用水量的2/3，農(nóng)業(yè)節(jié)水仍是海河流域節(jié)水的主要潛力所在。近15年中，生態(tài)環(huán)境用水量穩(wěn)步提升，到2016年增加至26億m3，體現(xiàn)出對(duì)生態(tài)環(huán)境的補(bǔ)償作用。

表2 2002—2016年海河流域供用水量統(tǒng)計(jì)

四、海河流域近15年水循環(huán)要素分析

根據(jù)2002—2016年海河流域水資源公報(bào)數(shù)據(jù)和遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)，對(duì)近15年海河流域水循環(huán)要素進(jìn)行分析，如表3所示。

從表3可以看出，在海河流域水循環(huán)各要素中，降水和蒸散發(fā)量是占比最高的兩項(xiàng)，蒸散發(fā)量與降水量相當(dāng)，并體現(xiàn)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氣象因素影響，年際變化量較大；ET作為地表總水資源 （包括降水、地表水、地下水）的一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、速率相對(duì)緩慢的自然與人為因素共同作用的消耗過(guò)程，變幅較小，年際離散程度小于降雨量。在連續(xù)干旱年份如2005—2007年，ET量大于降雨量，淺層地下水量持續(xù)減少。

近15年中，海河流域水庫(kù)蓄變量受降水影響明顯，豐水年蓄水增加，枯水年蓄水減少，而地下水蓄變量?jī)H在少數(shù)幾個(gè)豐水年有所增加，總體呈減少趨勢(shì)，年均減少21億m3，說(shuō)明海河流域地下水超采問(wèn)題仍十分嚴(yán)峻。從水量平衡角度來(lái)看，在降水和跨流域調(diào)入水量一定的情況下，只有減少ET量，才能真正增加流域存蓄的水資源量，促進(jìn)地下水水位回升和入海水量增加。

表3 海河流域水循環(huán)要素分析

五、開(kāi)展基于耗水理念的海河流域節(jié)水管理建議

從前文可知，在海河流域水循環(huán)過(guò)程中，蒸散發(fā)量與降水量相當(dāng)，從降低ET角度開(kāi)展節(jié)水，潛力巨大，節(jié)水思路更清晰。在措施層面，一方面要盡量減少降雨等自然過(guò)程中產(chǎn)生的ET，另一方面要減少或控制農(nóng)業(yè)灌溉等人類(lèi)活動(dòng)新增加的ET。在管理手段層面，可以通過(guò)完善ET監(jiān)測(cè)能力，為用水總量和用水效率考核提供新的支撐，為實(shí)施水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管提供輔助手段。

1.建立以減少ET為目標(biāo)的節(jié)水管理理念

目前的流域水資源管理主要是圍繞水資源量和供用水量，這只是水循環(huán)的一部分，從水循環(huán)全過(guò)程角度開(kāi)展水資源管理，可以拓展管理范疇，為節(jié)水管理提供更深層次的理論支撐。海河流域近15年的年均降水量1 645億 m3， 年均 ET值 1 638億 m3，年均水資源總量290億m3，年均供用水量375億m3，其中，水資源總量?jī)H占降水量的17.6%，供用水量占降水量的22.8%，而蒸散發(fā)量與降水量相當(dāng)，圍繞降低ET開(kāi)展節(jié)水工作，潛力巨大。

面對(duì)嚴(yán)峻的缺水形勢(shì)，海河流域采取了有力措施進(jìn)行節(jié)水，目前海河流域工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)節(jié)水在全國(guó)處于領(lǐng)先水平，但仍存在地下水超采嚴(yán)重等問(wèn)題。為保持河口生態(tài)和生物多樣性，規(guī)劃要求入海水量要有所增加，從水循環(huán)角度看，在降水量、跨流域調(diào)水量不變前提下，保障水資源可持續(xù)利用的有效途徑就是降低ET。

2.采用修建地下水庫(kù)等儲(chǔ)水措施

從水循環(huán)角度看，將降水及時(shí)儲(chǔ)存在地下，可以有效減少ET。與地表水庫(kù)相比，地下水庫(kù)不僅可以有效減少蒸散發(fā)，且不占用土地資源，受污染的風(fēng)險(xiǎn)較低，可將多余地表水轉(zhuǎn)入地下，進(jìn)行多年調(diào)節(jié)。在海河流域，隨著地下水開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大而引發(fā)的地下水水位下降、大面積的降落漏斗問(wèn)題日趨嚴(yán)重，海河流域平原區(qū)已經(jīng)成為全國(guó)最大的“漏斗區(qū)”。根據(jù)相關(guān)研究，從水文地質(zhì)、補(bǔ)給水源、取水條件等方面考慮，海河流域平原區(qū)建設(shè)地下水庫(kù)比較理想的是山前沖洪積扇地區(qū)和巖溶介質(zhì)區(qū)共8個(gè)區(qū)域，庫(kù)區(qū)總面積約為3 332 km2，調(diào)蓄總庫(kù)容約為50億m3?？梢岳醚雌跍樗?、汛前水庫(kù)棄水、南水北調(diào)水、河道水等多種形式蓄水，作為調(diào)蓄水源。

海綿城市建設(shè)也可以理解為地下水庫(kù)的一種形式，從減少ET的角度，要大力推進(jìn)海綿城市建設(shè)，在降雨期間讓更多的雨水及時(shí)入滲儲(chǔ)存，以減少ET損失。要將地下水儲(chǔ)水或輸水設(shè)施與地表水入滲系統(tǒng)相結(jié)合，將入滲的雨水有效存儲(chǔ)起來(lái)。在海河流域，北京和天津均為2016年第二批海綿城市試點(diǎn)城市，應(yīng)結(jié)合海綿城市建設(shè)，促進(jìn)海河流域ET耗水控制水平提升。

3.推廣基于耗水的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施

海河流域農(nóng)業(yè)用水占流域總用水量的2/3，農(nóng)業(yè)節(jié)水仍是流域節(jié)水的主要方面。開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，要推廣真實(shí)節(jié)水理念和技術(shù)，從減少ET的角度探索節(jié)水措施，包括節(jié)水灌溉、秸稈覆蓋保墑等。從減少ET的角度來(lái)看，漫灌使得大部分水轉(zhuǎn)化為土壤水，最終消耗于蒸發(fā)，噴灌在灌溉過(guò)程中蒸發(fā)損失較大，滴灌是更高效的節(jié)水灌溉方式。在節(jié)水灌溉方面，以色列的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。以色列作為一個(gè)2/3國(guó)土面積是沙漠的農(nóng)業(yè)國(guó)家，蒸散發(fā)量顯著，其90%以上的農(nóng)田都已應(yīng)用自動(dòng)滴灌技術(shù)，可以有效降低ET，提高水資源利用效率。

在秸稈覆蓋保墑節(jié)水技術(shù)方面，在太行山山前平原冬小麥-夏玉米種植區(qū)的相關(guān)研究表明，將收割后的冬小麥秸稈覆蓋夏玉米農(nóng)田后，與不覆蓋相比，在整個(gè)夏玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，減少了50mm的棵間蒸發(fā)量。海河流域玉米種植面積約8 827萬(wàn)畝（約合588.47萬(wàn)hm2，2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），以此研究成果進(jìn)行估計(jì)，若全部推廣秸稈覆蓋保墑技術(shù)，僅玉米生長(zhǎng)期即可節(jié)約29億m3的棵間蒸發(fā)量。

種植節(jié)水型作物也是有效的節(jié)水措施，海河流域作為資源性缺水地區(qū)，應(yīng)進(jìn)一步減少水稻種植面積，培育節(jié)水高產(chǎn)型的小麥、玉米品種，適當(dāng)將小麥、玉米改種為棉花等節(jié)水作物。在地下水超采地區(qū)，可采用免耕、休耕方式，減少ET，節(jié)約水資源。

4.在生態(tài)建設(shè)等工作中融入ET節(jié)水理念

通過(guò)ET監(jiān)測(cè)，可推算出各類(lèi)土地利用類(lèi)型的耗水情況，結(jié)合各地水資源條件，為流域生態(tài)建設(shè)提供決策建議，在一定的水資源條件下，找到適宜的生態(tài)建設(shè)方案。

海河流域是我國(guó)水土流失嚴(yán)重區(qū)域之一，水土流失類(lèi)型多、面積大、分布廣、危害重、治理難度大。根據(jù)全國(guó)第二次水土流失遙感調(diào)查成果，海河流域20世紀(jì)末水土流失面積10.55萬(wàn)km2，其中山區(qū)水土流失面積10.39萬(wàn)km2。根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)，海河流域近15年林地蒸散發(fā)量明顯大于草地，山區(qū)水土保持措施應(yīng)以封禁為主，依靠大自然自我修復(fù)改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境，植樹(shù)造林、種草應(yīng)進(jìn)行水量平衡分析，按枯水年降水分析植被生長(zhǎng)條件，選擇耐旱和ET量小的品種。

城市大水面和濕地對(duì)于滿足人們親水需要以及調(diào)節(jié)小氣候等方面具有重要作用，分配一定水量保證城市水面和濕地用水需求是必要的，但根據(jù)近15年遙感監(jiān)測(cè)ET成果，水體和濕地的年均蒸散發(fā)量分別達(dá)到748 mm和630 mm，而同期年均降水量?jī)H為515 mm，因此海河流域水資源條件不足以支持大面積的水面和濕地，不能以超采地下水為代價(jià)恢復(fù)濕地。根據(jù)海河流域水資源狀況，可結(jié)合跨流域調(diào)水，保護(hù)白洋淀、千頃洼等大型濕地。

5.探索基于ET管理的水資源強(qiáng)監(jiān)管手段

ET是水循環(huán)的主要消耗項(xiàng)，也應(yīng)成為水資源管理的重要控制因素。我國(guó)目前實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，對(duì)用水總量和效率實(shí)行考核制度，但考核方式上以各省份上報(bào)數(shù)據(jù)為主，缺乏更為客觀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著“水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”要求的提出，用水監(jiān)測(cè)計(jì)量工作的重要性更加明顯，遙感ET監(jiān)測(cè)技術(shù)的日臻完善可為區(qū)域耗水監(jiān)測(cè)提供重要的技術(shù)支撐，并為區(qū)域用水量考核和強(qiáng)化水資源監(jiān)管提供輔助手段。

海委自2002年開(kāi)始生產(chǎn)遙感監(jiān)測(cè)ET數(shù)據(jù)，積累了大量的ET監(jiān)測(cè)成果，并在海河流域水資源管理工作中引入了ET控制理念，例如2013年批復(fù)的《海河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》，第一次將ET作為控制指標(biāo)，起到了導(dǎo)向性作用。遙感估算蒸散發(fā)技術(shù)仍在不斷改進(jìn)中，蒸散發(fā)估算的不確定性仍較大，如何將ET管理應(yīng)用到流域管理實(shí)踐中仍需探索。在現(xiàn)階段，可以選取代表性區(qū)域進(jìn)行試點(diǎn)研究，通過(guò)加強(qiáng)地面觀測(cè)站建設(shè)，對(duì)遙感監(jiān)測(cè)ET進(jìn)行校準(zhǔn)，提高其數(shù)據(jù)精度，并在遙感估算蒸散發(fā)技術(shù)更加成熟后，探索建立一套基于ET的水資源考核方法體系。