環(huán)境數(shù)學(xué)論文翻譯.docVIP

水資源管理新時(shí)代:從干式向濕式節(jié)水David Seckler摘要:這篇文章主要講述了在水資源領(lǐng)域近期對水政策,規(guī)劃以及項(xiàng)目具有實(shí)質(zhì)性并有實(shí)踐意義的發(fā)展.但根據(jù)Keller, Keller, and Seckler 1995,其中的一些概念和其實(shí)際意義似乎很難被水資源領(lǐng)域的專家們所理解,更不能掌握運(yùn)用.這篇文章具有延展意義總結(jié)了Keller, Keller, and Seckler 1995文章中的論點(diǎn)希望通過討論使得更加清楚.效率目前尋求新的淡水水源供給非常困難.所以人們更加傾注于需求管理,以期望提高水利用效率從而更有效的節(jié)水來滿足未來的水需求.提出需水管理的建議者指出在發(fā)達(dá)國家能源部門通過提高能源的利用率大大的避免需求增長獲得成功因此他們認(rèn)為自然或者物理physical水利用效率提高可以通過減少單位產(chǎn)出用水量.相似,經(jīng)濟(jì)效率提高可以通過水從低價(jià)值向高價(jià)值再分配!確實(shí),農(nóng)業(yè)灌溉用水消耗世界供水總量的80%,并且傳統(tǒng)的自流澆灌(漫灌)的用水效率僅有40%但是噴灌系統(tǒng)的用水效率通常達(dá)到70%,滴灌系統(tǒng)的用水效率可以達(dá)到90%但在水資源領(lǐng)域,效率是一個(gè)非常奇妙,捉摸不定的概念.為了真正的理解,我們必須首先了解流域的基本特征.因此,這樣似乎看來在目前大約至少有1/2的灌溉用水可以通過提高利用效率節(jié)約下來!流域當(dāng)在流域從水源地取用一單位水調(diào)運(yùn)用于某一方面,在這其中發(fā)生三個(gè)過程:第一部分由于水面蒸發(fā)或者是植物蒸散發(fā)損失于大氣中,第二部分,水的運(yùn)輸過程中除了蒸發(fā)剩余流進(jìn)地表或地下區(qū)域,這部分水有可能排入大海或者大峽谷,或者類似的接收器中,進(jìn)入這部分的水不能被再獲取或者再利用,這部分的水是系統(tǒng)真正的損失.另外情況:排水回歸于河流或者其它能過獲取或者作為新的水源供給進(jìn)行再利用的地表或者地下區(qū)域這種在物理意義上不是真正的損失和浪費(fèi)!第三種情況:排泄水被污染,這部分水在其被利用過程中吸收或者沉積污染物質(zhì),由于蒸發(fā),污染物濃度增加,因此,在水資源循環(huán)過程中或者是系統(tǒng)再生循環(huán)利用,這部分最終由于污染嚴(yán)重而不能利用從而必須排泄到不可再利用的接收器中! 當(dāng)水比較充足時(shí)候,當(dāng)流域開放不是一個(gè)問題.在開放的狀態(tài)下,可利用的水流出流域(包括河口)進(jìn)入不可再利用的接收器中,甚至在旱季!對于開放系統(tǒng),唯一問題就是為了滿足新的需求來獲取和分配水資源有效利用.但是對于某一流域人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增長,流域逐漸從開放狀態(tài)向閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變,在閉合狀態(tài)下,旱季時(shí)候所有的全部可利用水都要被獲取和使用,大部分水資源用于蒸發(fā)消耗或者是污染過于嚴(yán)重不能夠再利用.這就引發(fā)了大量的整個(gè)流域水平上的head ender-tail ender問題,流域下游末端用水戶逐漸獲得的水越來越少,并且水質(zhì)越來越差,美國科羅拉多流域就是這樣的情況.體進(jìn)入墨西哥已經(jīng)污染的非常嚴(yán)重以至于大量的具有脫鹽能力的工廠修建來滿足墨西哥人的河岸水權(quán),在旱季,在科羅拉多河入海以前斷流在墨西哥沙漠中水資源利用效率關(guān)于水資源利用效率概念主要問題是基于供給的,在輸水過程中蒸發(fā)和排水都是被認(rèn)為不高效的!對于那部分排水中可利用的那部分水對于上述水資源利用效率不做出貢獻(xiàn)為了克服水資源利用效率概念中的容易混淆的部分,專業(yè)人士目前區(qū)別的real water savings and paper water savings正如他們在談到科羅拉多流域時(shí)所講到通過一個(gè)小例子說明:濕式和干式節(jié)水的區(qū)別 根據(jù)美國電視盛行播出的廣告:如果我當(dāng)刷牙的時(shí)候關(guān)閉水龍頭,我將每周能夠節(jié)約40加侖的水,相似的,小流量的馬桶和淋浴能夠節(jié)水達(dá)到50%讓我們來認(rèn)真看這個(gè)例子,通過關(guān)閉水龍頭,在流域系統(tǒng)中我在在水源處節(jié)約了40加侖的水可以用作其他用途.但是,當(dāng)在我還沒有關(guān)閉水龍頭時(shí)候,我先前擁有水已經(jīng)消耗(利用)了怎么辦?這部分水向下游排泄,然后去向哪里了呢?如果這40加侖的水被下游的用戶獲取和利用,對于該流域總的供水量是不變的對于農(nóng)業(yè)灌溉干式和濕式節(jié)水區(qū)別變得更加復(fù)雜!假設(shè)一組農(nóng)戶,農(nóng)民A在其耕地上使用1000單位的水,用水效率為50%這意味著500個(gè)單位的水用于蒸發(fā),主要滿足莊稼的蒸散發(fā),另外500個(gè)單位通過地表或地下滲漏排泄出去!但假設(shè)第二組農(nóng)戶,農(nóng)民B獲取到農(nóng)戶A排水并且以用水效率50%灌溉到他們的耕地上!那么從A獲取的500個(gè)單位水中有250個(gè)單位用于蒸發(fā),另外250個(gè)排泄.現(xiàn)在系統(tǒng)A和B的整個(gè)灌溉效率1000取水750個(gè)單位得到利用,用水效率為75%.如果加入第三組農(nóng)戶C,利用農(nóng)戶B的排水.如果不考慮流域的最終水的污染,則縱觀整個(gè)系統(tǒng)將要達(dá)到100%.從這個(gè)理由看,如果流域內(nèi)所有的農(nóng)戶采用用水效率為70%的噴灌系統(tǒng),只有水的分配,但是總的供水或者是灌溉面積 沒有變化!結(jié)論當(dāng)流域變得閉合時(shí),從定義上看,用水效率更高!這就是為什么提高用水效率潛力很低的原因,在未來水的稀缺程度將比目前更加嚴(yán)峻,將稱為未來水資源管理新時(shí)代的核心問題!認(rèn)真的研究和發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)創(chuàng)造一些濕式節(jié)水并且避免通過驅(qū)逐紅鯡魚這種干式節(jié)水的方法.增加濕式節(jié)水的可以從以下四個(gè)原則入手: 增加單位蒸發(fā)水量的產(chǎn)出 減少可利用水進(jìn)入不可回收的接水器內(nèi) 減少水污染 從用水價(jià)值產(chǎn)出低地區(qū)調(diào)水到用水價(jià)值高的地區(qū)!增加單位蒸發(fā)水量的產(chǎn)出 減少可利用水進(jìn)入不可回收的接水器內(nèi) 減少水污染 從用水價(jià)值產(chǎn)出低地區(qū)調(diào)水到用水價(jià)值高的地區(qū)!在向濕式節(jié)水的轉(zhuǎn)變中還需要很大的努力,清楚的看到一些全球一些快速發(fā)展的國家在發(fā)展過程中仍然需要額外的水!在水資源管理的新時(shí)代的另外一個(gè)挑戰(zhàn):以一種比過去更加科學(xué)合理的方式從全局的技術(shù)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì),社會(huì)以及環(huán)境各個(gè)方面實(shí)施工程!引言在幾周以前我碰到世界銀行副總裁和(CGIAR).國際農(nóng)業(yè)磋商研究組主席Ismail Serageldin,他搖晃我說到,以他判斷,水資源問題將成為21世紀(jì)全球主要問題之一!盡管我也認(rèn)為水資源非常重要,但我沒有想到會(huì)如此重要!但當(dāng)考慮亞洲各個(gè)國家實(shí)際的人口(特別中國),非洲以及中東將在下世紀(jì)人口將為現(xiàn)在的2到3倍,由此而來這些國家的自然,經(jīng)濟(jì).環(huán)境壓力需要更多的供水需求,現(xiàn)在認(rèn)為Serageldin的觀點(diǎn)的非常的正確的!我相信,舉個(gè)例子,在撒哈拉以南非洲國家由于其水權(quán)體制的不穩(wěn)定導(dǎo)致社會(huì)和政治的動(dòng)蕩!在北非,誒及政府以及公開和反復(fù)威脅講到如果必要時(shí)會(huì)采取戰(zhàn)爭方式保護(hù)尼羅河流域的供水!伴隨著上訴宣言,蘇丹政府的一位官員威脅講到會(huì)通過以為聲明的方式破壞尼羅河向誒及的供水!相似,關(guān)于水權(quán)引發(fā)的沖突在巴基斯坦和以色列之間也日漸加劇.另外一些問題是,印度未來糧食安全依賴額外灌溉面積的增加!確實(shí),在亞洲谷物糧食增產(chǎn)70%是因?yàn)?0世紀(jì)60年代后期耕地上綠色革命.但是印度最大灌溉工程, he Sardar Sarovar Project, 印度納爾默達(dá)水壩工程,已經(jīng)面臨從環(huán)境界的阻撓反對,世界銀行已經(jīng)停止對其進(jìn)行資助.盡管該工程的社會(huì)和環(huán)境問題確實(shí)存在,但是我相信他們可以很好的管理,世界組織應(yīng)當(dāng)幫助印度和面臨類似困難的其他國家.從全球的角度看,我所擔(dān)心的是所謂世界糧食儲(chǔ)備能力的下降,當(dāng)前達(dá)到歷史最低!在綠色革命初期,潛在糧食產(chǎn)量和實(shí)際糧食產(chǎn)量的差距達(dá)到歷史最高點(diǎn),巨大的差距是由于高產(chǎn)品種的潛力沒有被挖掘,以及無極化肥使用和灌溉面積的快速增長!目前,但是這個(gè)差距正在減小. 目前許多國家由于大量使用化肥和全球的灌溉面積減少,高產(chǎn)品種的實(shí)產(chǎn)已經(jīng)最大生產(chǎn)潛力!隨著灌溉發(fā)展投資的減少,居民生活和工業(yè)用水增加慢慢超過農(nóng)業(yè)灌溉用水,農(nóng)業(yè)用水必須調(diào)出越來越多的水來供上述部分,以及環(huán)境用水,所以灌溉面積和灌溉質(zhì)量都在下降!上述所有的因素都減小了供給彈性和削弱了目前糧食常量應(yīng)對全球諸如氣候或者是導(dǎo)致糧食嚴(yán)重短缺隨機(jī)或者突然事件的能力.(Journal, 11 July 1995, p. A2). 由于美國,俄羅斯,中國的氣候問題,依據(jù)二十世紀(jì)六十年代政府跟蹤,分析家們預(yù)期明年世界糧食總供給量下降百分之一208,000,000噸.因此,基于上述問題,水資源管理的新時(shí)代全世界面臨越來越多的問題!但是此時(shí),我也想強(qiáng)調(diào)在未來水資源管理中應(yīng)當(dāng)發(fā)展和創(chuàng)造一些新的概念一解決上述問題!我相信解決問題的最好方法是精確的了解什么問題,什么不是問題!本文的第一部分,我將嘗試定義詳細(xì)說明我所看到水資源管理的一般普遍存在的問題,并闡述這些問題比我們一般認(rèn)識(shí)到的更嚴(yán)峻!并且一旦我們清楚的認(rèn)識(shí)這個(gè)問題罵我麻將能夠避免驅(qū)逐紅鯡魚,我們更應(yīng)當(dāng)關(guān)注富有創(chuàng)造和創(chuàng)新能夠解決實(shí)際問題的方法.這也是本文第二部分的主題!國際灌溉管理研究司司長非常感謝Henrik von Loesch在對文章撰寫總結(jié)和美國國際開發(fā)署環(huán)境政策和培訓(xùn)工程,福特基金,國際灌溉管理研究所對本文研究的技術(shù)支持!我同時(shí)感謝以下同事對本文提出建設(shè)性建議,第一部分-水資源管理的問題流域:水源,接收器和再生循環(huán)為了真正理解水資源管理的問題,首先應(yīng)當(dāng)將一個(gè)流域看作一個(gè)整體單元!目前我們有一些大家都了解關(guān)于流域的性質(zhì),就是把流域想成個(gè)整體,這樣會(huì)引發(fā)一系列關(guān)于水資源管理驚人的和違反直覺的結(jié)論水源,接收器,再生循環(huán)的生態(tài)學(xué)概念能夠很有效幫助理解流域!某一流域的水源有以下幾個(gè)方面(1)當(dāng)前降雨和過去降雨(以融雪和冰的形式存在),水庫,湖泊地表水和土壤水,以及含水層的地下水(b)從豐水區(qū)調(diào)水至缺水區(qū),(c)海水淡化如果不考慮長期的氣候變化,流域的以過去和現(xiàn)在降水多年平均供水量是恒定的!因此,除非技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上允許調(diào)水和海水淡化,否則隨著人口和經(jīng)濟(jì)行為的增長,供給越來越不能滿足需求!如果在由于季節(jié)不同水的供給和需求發(fā)生劇烈變化,這個(gè)問題變得更加尖銳!在濕潤季節(jié)需求相對較小而來水比較充裕!此時(shí)水的邊際效益為0或者是負(fù),從洪水到漫灌引起的鹽漬化!在旱季情況相反,對枯水期人均需水和供水量的國家已經(jīng)估計(jì)和驗(yàn)證的,例如世界資源研究所(1994)是通過對最枯季節(jié)供水情況下考慮,而不是億多年平均的情況.所謂”水沉”(a)水面蒸發(fā)和植物蒸散發(fā)(b)從地表或者地下徑流可利用的水回流入?；蛘呤莾?nèi)陸?；蛘啕}性含水層.(c)由于鹽分過高或者是有毒元素導(dǎo)致地表水不可以被利用一個(gè)非常重要往往容易被忽視的事實(shí)是:在水源和接水器直接循環(huán)水量是實(shí)際存在的!由于存在循環(huán),供水時(shí)候從兩個(gè)不同的組成階段考慮是非常有益的,起初水的供給來源來自于過去和現(xiàn)在的降水,流域間水運(yùn)移,海水淡化.二級(jí)供水設(shè)施為對起初供水的再循環(huán)利用.當(dāng)一單位供給原水被引用進(jìn)行效益利用,發(fā)生四個(gè)過程 一部分是蒸發(fā)和損失到大氣中 剩余存在的從用水點(diǎn)排泄到系統(tǒng)中其他地表或者地下區(qū)域. 在用水和排水過程中鹽分和污染物的累積 由于污染物的富集以及蒸發(fā)存在導(dǎo)致排水過程中污染物濃度增加.從用水點(diǎn)排泄的水,這部分排水可能直接進(jìn)去接水器中,例如海洋.但更多情況下是回歸到地表或者地下水系統(tǒng)稱為二次供水水源.來自于排水的二次水源往往水質(zhì)比初次供水水質(zhì)好,因?yàn)樵谒睦眠^程中污染物富集和比起起初徑流量減少,耗水導(dǎo)致溶于水的污染物濃度顯著增加! 另一方面,如果污染了的排水與未受污染或者污染較輕的水混合,供水的總的污染物濃度下降,即使兩個(gè)河流混合污染物量沒有變化,但是混合后水體可以被利用! 這種混合對于有毒物質(zhì)不起作用,例如不降解的重金屬.但是例如從灌區(qū)排出的高含鹽水如果有目的的混合含鹽低的水混合即可重新成為灌溉水.相似,從市政用水與市政供水相混合處理排放進(jìn)行循環(huán)利用.美國許多城市對其排水進(jìn)行高比例的循環(huán)利用.包括飲用水方面一小部分.流域應(yīng)當(dāng)包括河口,河口用水效益作為水利用效益的一部分.但是由于比較復(fù)雜就不考慮這部分了.開放和閉合流域隨著流域人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的快速增長,流域從開放的狀態(tài)變?yōu)殚]合(封閉)的狀態(tài),在開放狀態(tài)的初期,即使在枯水季節(jié)仍能夠滿足需水,初級(jí)淡水供給流經(jīng)流域進(jìn)入海洋.隨著流域內(nèi)國家的發(fā)展,水的供給變得越來越緊張!大部分的初級(jí)供水引用進(jìn)行滿足,并且大部分的排水被引用和再利用.旱季枯水期流入sink水量逐漸變小,水質(zhì)變差,最終,在枯水期上游蒸發(fā)下游斷流,或者污染過于嚴(yán)重不能夠再利用.此時(shí),流域完全閉合,例如流域沒有再可以被利用了! 一個(gè)閉合的流域有可能重新開放,對于多年平均的供水,通過調(diào)水和海水淡化, 對于季節(jié)性供水,可以臨時(shí)通過水庫或者含水層和土壤剖面從濕潤季節(jié)向干燥季流域可能變?yōu)殚_放狀態(tài).節(jié)直接調(diào)水.但是那些傳統(tǒng)的水資源開發(fā)方法最終收到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境變量的限定,并且實(shí)際情況下流域變得永久的閉合.尼羅河流域,中東其他流域已經(jīng)或者將要成為完全閉合,亞洲的主要流域也出現(xiàn)類似情況. 流域接近閉合時(shí),大部分會(huì)發(fā)生head ender-tail ender問題,在流域下游末端取水者獲取的水越來越少,水質(zhì)也越來越差,全球超過20%的人口居住于沿岸地區(qū),在流域的下游農(nóng)業(yè)人口密度高并且擁有最肥沃的土地.這樣就導(dǎo)致一些問題,例如, 位于尼羅河河口附近Manzalla lake 村莊由于水污染,導(dǎo)致預(yù)期壽命僅僅為38歲!流域局部和全球的水資源利用效率一個(gè)總所周知的最優(yōu)化方法就是可能在全局或整個(gè)系統(tǒng)次優(yōu)的情況下獲得的局部最優(yōu)解.這種情況在流域下很容易發(fā)生,特別是在閉合流域內(nèi).因此這是一個(gè)復(fù)雜甚至是違背直覺的事情,所以我們還是從一個(gè)簡單的例子或者是腦力想象上來開始.根據(jù)一個(gè)正在美國電視臺(tái)播放的廣告,如果當(dāng)我刷牙的時(shí)候關(guān)閉水龍頭,我將一周節(jié)約40加侖的水資源.相似的如果馬桶或者淋浴采用小流量,同樣能達(dá)到節(jié)水效果,很明顯通過一些簡單的小設(shè)施能夠節(jié)約可觀量的水可以滿足未來的需求,因此可以減少或者消除一些未來水資源開發(fā)工程.從這個(gè)角度看,結(jié)合水價(jià)和其他激勵(lì)政策能夠提高水資源利用效率,一批學(xué)者主張?jiān)谒Y源管理采用需水管理,反對那些提倡水資源開發(fā)工程的供水管理學(xué)派.當(dāng)然,對于局部的水資源利用效率需水管理的觀點(diǎn)是行之有效的.利用更少的水同樣可以完成刷牙.這種提高水資源利用效率的方法是通過減少刷牙實(shí)際用水用于其他用途.或者當(dāng)刷牙者數(shù)量的增加,不用通過增加供水只要通過提高現(xiàn)有刷牙者用水效率能夠滿足增加者的需求,但是這對于整個(gè)流域全局的水平上來說,就是無效的,水資源利用效率還會(huì)高嗎?當(dāng)水流出水龍頭,就會(huì)向下排泄.由于主要通過管道系統(tǒng)排水,排水的蒸發(fā)很少.雖然表面看不見這部分但是在系統(tǒng)中仍然存在.在刷牙的例子中,局部水資源利用效率的提高主要是通過減少排水,對于全局的水資源利用效率在這種節(jié)水方法中主要依賴用水改變后是否影響排水.如果上述情況發(fā)生在出?？谔?例如,刷牙的排水直接進(jìn)入海洋,那么排水就是實(shí)際上真正損失,關(guān)閉水龍頭真正是節(jié)水提高水資源利用效率但是如果在更多情況下,排水回歸到下游取水區(qū),被下游的用水戶獲取并且再利用.此時(shí)水資源利用效率的提高只是表面的或者紙上談兵.盡管刷牙的水減少了,這一維上是節(jié)水了,但是如果不節(jié)約的話,同樣數(shù)量的水會(huì)排到下游的取水區(qū),因此,整個(gè)流域的供水量不發(fā)生變化. 這個(gè)心理實(shí)驗(yàn)可以使我們更加理解水資源利用效率這個(gè)概念.首先,它顯示在水資源管理中”組合問題”的作用,各個(gè)部分是正確,整體并不是一定正確,對于這個(gè)部分和整體看似自相矛盾其實(shí)的原因不是很神秘,它其實(shí)僅僅是由于各個(gè)部分的內(nèi)在聯(lián)系,組分不同的組合會(huì)產(chǎn)生整體水平的新現(xiàn)象,(也可以叫做規(guī)模效應(yīng)或者突現(xiàn)性) (Seckler 1992; Keller, Keller, and Seckler 1995).通過農(nóng)業(yè)灌溉的例子可以簡要的闡釋上述作用,假設(shè)一組農(nóng)民,為A組引用1000單位水澆灌耕地,灌溉效率為50%.這意味著500個(gè)單位的水用于蒸發(fā),主要滿足莊稼的蒸散發(fā),另外500個(gè)單位通過地表或地下滲漏排泄出去!但假設(shè)第二組農(nóng)戶,農(nóng)民B獲取到農(nóng)戶A排水并且以用水效率50%灌溉到他們的耕地上!那么從A獲取的500個(gè)單位水中有250個(gè)單位用于蒸發(fā),另外250個(gè)排泄.現(xiàn)在系統(tǒng)A和B的整個(gè)灌溉效率1000取水750個(gè)單位得到利用,用水效率為75%如果加入第三組農(nóng)戶C,利用農(nóng)戶B的排水.如果不考慮流域的最終水的污染,則縱觀整個(gè)系統(tǒng)將要達(dá)到100%.從這個(gè)理由看,如果流域內(nèi)所有的農(nóng)戶采用用水效率為70%的噴灌系統(tǒng),只有水的分配,但是總的供水或者是灌溉面積 沒有變化!第二,在這個(gè)例子中顯示了水資源管理的新時(shí)代我們必須集中于達(dá)到真正而不是表面的節(jié)水,正如加利福尼亞中所說的要達(dá)到濕式節(jié)水而不是干式節(jié)水如果節(jié)水方法僅僅是簡單減少某一方面的用水, 下游通過排水仍能使用,這僅僅是干式節(jié)水,但是如果排水直接進(jìn)去海洋,那么上述節(jié)水就是濕式節(jié)水.通過定義,閉合流域中所有可利用的排水已經(jīng)被有效的利用了,因此通過減少排水這種提高水資源利用效率的方法僅僅是干式節(jié)水方法.另一方面,在開放的系統(tǒng)中可利用的排水損失在海洋中,減少這種排水才能算是濕式節(jié)水,真正的提高水資源利用效率.Keller and Keller (1995)創(chuàng)造出一個(gè)非常很重要的有效的農(nóng)業(yè)灌溉效率這一新定義,這一定義考慮了再回收利用和污染的影響. Willardson, Allen, and Frederiksen (1994)建議廢除掉農(nóng)業(yè)灌溉效率一詞,同時(shí)不必關(guān)心基于分?jǐn)?shù)的是水資源利用效率. Frederiksen and Perry (1995)通過一些運(yùn)用流域水資源利用效率運(yùn)用到世界各地得出重要結(jié)果來進(jìn)行水資源分析.總之,提高全局的水資源利用效率可以依據(jù)流域是否閉合來判斷能否通過減少排水的損失真正提高水資源利用效率.增加單位蒸發(fā)水量的產(chǎn)出: 從用水價(jià)值產(chǎn)出低地區(qū)調(diào)水到用水價(jià)值高的地區(qū)! 減少水污染 減少可利用水進(jìn)入不可回收的接水器內(nèi) 從用水價(jià)值產(chǎn)出低地區(qū)調(diào)水到用水價(jià)值高的地區(qū)!在農(nóng)業(yè)灌溉管理的新時(shí)代,通過這四種方法有機(jī)會(huì)增加相同用水糧食產(chǎn)量.對于城市生活和工業(yè)用水大部分真正損失是直接排水進(jìn)入河流,因?yàn)橛谐?0%的人口居住在沿海地區(qū),水資源利用效率應(yīng)當(dāng)從這個(gè)角度看是非常重要的.未來的需水和供水用新的思路考慮水資源其中一個(gè)重要的結(jié)果是關(guān)于整個(gè)流域,這個(gè)傳統(tǒng)概念用于過去和現(xiàn)在供水和需水的預(yù)測上,在未來會(huì)變得非常模糊.大部分?jǐn)?shù)據(jù)是基于分配到各個(gè)部門的水量,所有部門的需水之和就是總的需水量.但是這種供水分析沒有明確告訴我們初級(jí)供水量.因?yàn)榇蟛糠炙囊檬窃倩厥沼盟?從世界資源研究所公布數(shù)據(jù)很難確定實(shí)際的供水和需水?dāng)?shù)據(jù).清楚得看出,我們需要一個(gè)凈引用水概念,我們需要一個(gè)混合詞以區(qū)別是在書寫,更重要是裂解上節(jié)水中濕式和干式方法的區(qū)別,由于上述原因,我大膽的打算重新定義水資源消耗這一概念,它是人們在使用中由于各種原因?qū)е碌乃繐p失,在這定義下耗水包括: (a)水的蒸發(fā)消耗(蒸發(fā)的本意)(b)水沉進(jìn)入不可回收接收器中(c) 由于污染導(dǎo)致水體不可再利用.以上三個(gè)方面,很難估計(jì)由于污染導(dǎo)致水的消耗,如果是徹底被污染,也就是完全不能利用,如果被污染的水排到第二種情況的接水器中算是第二種情況的耗水.但是如果當(dāng)鹽分濃度沒有達(dá)到農(nóng)作物承受的閾值,只是僅僅減少相同量下的產(chǎn)量,這一部分水不能通過自然方法測得,只有通過經(jīng)濟(jì)方法計(jì)算.但是,在以上情況下,僅僅是由于濃度原因?qū)е滤w污染發(fā)生損失,我們可以通過Keller and Keller (1995),獨(dú)創(chuàng)的方法,通過需要淡水量來稀釋會(huì)原始污染濃度所需水量來計(jì)算損失消耗水量.這是制定水污染稅收的基礎(chǔ),例如,可以通過淡水邊際效益乘以所需達(dá)到排水水質(zhì)所需要的稀釋水量來計(jì)算稅收.在重金屬元素或者其他禁止進(jìn)入水體的有毒元素污染情況下,以上方法行不通.但是從總體角度看, 盡管比較粗糙,這種方法還是提供一種合理普通形式的污染下測量耗水量的方法.通過以上的定義,在定義較明確的前提下,可以討論各個(gè)部門的耗水量,并對實(shí)際耗水量進(jìn)行計(jì)算,這個(gè)提供一種一種過少是真正的濕式水量需要滿足各個(gè)部門的真正需要水量.未來需水 我估計(jì)全球耗水量的需求從歷史上來看大約每年增長2%,每三十五年翻倍,世界80%水資源開發(fā)中的農(nóng)業(yè)用水占好睡總量的80%.因此,需水量就是糧食需求量的函數(shù),因?yàn)榇蟛糠质軞g迎的雨養(yǎng)和灌溉需水農(nóng)業(yè)區(qū)域已經(jīng)開發(fā)基本完畢,城市和工業(yè)需水,主要是經(jīng)濟(jì)增長的函數(shù),在發(fā)展中國家系數(shù)較高,特別是在過去的亞洲.大量農(nóng)業(yè)用水被引用到居民生活和工業(yè)部門,因此在發(fā)展中國家產(chǎn)糧能力逐漸下降!幸運(yùn)的是,向城市用水和工業(yè)部門引水比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于農(nóng)業(yè)灌溉用水.因此,通過適當(dāng)?shù)乃幚砗凸芾硎侄?這些部門的大部分排水可以被再獲得和再利用.真正節(jié)水潛力是對沿海城市區(qū)域,排水直接進(jìn)入海洋,耗水率達(dá)到100%. 但是在一些地方,用水量急劇增加,甚至在幾年前都搞不清,現(xiàn)在稱為最大需水量,這就是環(huán)境部門.這個(gè)部門的蓄水只要目的保持它原本的自然狀態(tài),來保護(hù)野生動(dòng)物的棲息,美學(xué)和娛樂以及類似的目的.例如,在加利福尼亞大量農(nóng)業(yè)用水調(diào)用來供給城市和工業(yè)以及生態(tài)環(huán)境用水.的確,目前在加利福尼亞,環(huán)境部分的引水量最多,占全國總引水量的45%,農(nóng)業(yè)灌溉用水42% (Department of Water Resources 1994),其他部門用水為8%不幸的是,環(huán)境部門由于河流出流進(jìn)入不可回收利用的接水器中以及河流,湖泊,濕地,淺流高蒸發(fā)量,所以耗水量非常高.據(jù)估計(jì),例如尼羅河50%的水量消耗于below Timbuktu in Mal大型濕地的蒸發(fā),這些濕地為鳥類以及野生動(dòng)物遷徙的棲息地,但是對于炎熱的地區(qū)未來是否能夠承受如此大的環(huán)境耗水量在水的政治經(jīng)濟(jì)學(xué)這一方面,可以看出,從其他的部門取水主要是通過水資源開發(fā)工程來增加供水.環(huán)境需水主要為保持其自然狀態(tài)反對水資源開發(fā)工程的建設(shè).境部門的行政權(quán)利在未來越來越難確保上馬新的水資源開發(fā)供水工程來滿足增長的需求水向權(quán)利機(jī)構(gòu)引取越來越難., 第二部分:增加水的生產(chǎn)能力本文的這一部分主要關(guān)注增加農(nóng)業(yè)灌水的產(chǎn)出能力的具體方法.首先我們對灌溉的基本原理進(jìn)行簡單的回顧.蒸發(fā): Eto and Eta 在農(nóng)業(yè)灌溉用水一部分用于灌渠和排水渠或田地區(qū)域的水面蒸發(fā),但是更大一部分用于植物蒸騰作用.某地蒸發(fā)量主要取決于該地的潛在蒸發(fā)(Eto),主要是與該區(qū)域某時(shí)間的氣候條件相關(guān)例如熱量,風(fēng)速,濕度 (Eto)通?？梢岳盟嬲舭l(fā)估計(jì).不同農(nóng)作物以及農(nóng)作物不同生長期的實(shí)際蒸散發(fā)量(Eta)是不同的,某一特定農(nóng)作物的的蒸散發(fā)量是通過(Eto)乘以系數(shù)得到(Eta),表一顯示了一些主要作物在相同Eto下不同季節(jié)的作物的參數(shù).TABLE 1. Seasonal Crop Coefficients. CropConditionCrop Condition Moista Dryb Moista Dryb Olive 橄欖0.40 0.60 Sugar beet 甜菜0.80 0.90 Safflower 紅花0.65 0.70 Citrus (weeds) 有籽柑橘0.85 0.90 Grape 葡萄0.55 0.75 Cotton 棉花0.80 0.90 Citrus (no weeds)無籽柑橘 0.65 0.75 Green bean 綠豆0.85 0.90 Fresh pepper 鮮胡椒0.70 0.80 Wheat 小麥0.80 0.90 Groundnut 落花生0.75 0.80 Dry onion 干洋蔥0.80 0.90 Green onion 綠蔥0.65 0.80 Grain maize 細(xì)粒玉米0.75 0.90 Cabbage 卷心菜0.70 0.80 Tobacco 煙草0.85 0.95 Dry bean 干豆0.70 0.80 Potato 土豆0.70 0.95 Tropical banana 熱帶香蕉0.70 0.80 Fresh pea 鮮豌豆0.80 0.95 Sunflower 向日葵0.75 0.85 Sweet maize 甜玉米0.80 0.95 Watermelon 西瓜0.75 0.85 Sugarcane 甘蔗0.85 1.05 Sorghum 高粱0.75 0.85 Alfalfa 紫花苜蓿0.85 1.05 Tomato 西紅柿0.75 0.90 Rice水稻 1.05 1.20 Soybean 大豆0.75 0.90 a)High humidity (RHmin 70%) and low wind ( 5 m/s).b)Low humidity (RHmin 5 m/s). Source: Hargreaves and Samani 1986. 關(guān)于灌溉方面一個(gè)比較奇怪的現(xiàn)象就是:從水蒸氣向大氣擴(kuò)散算作損失的角度看某一地區(qū)的Eta較大時(shí)候,看起來不好,但是這樣比較好,因?yàn)檫@部分是農(nóng)作物真正的用水量. 不到1%的耗水量用作作物的生長用水,其余部分用來控制作物的溫度.就如同人類或者其他動(dòng)物出汗,住屋通過蒸發(fā)來散熱!Eta這種好處和壞處的混合使得在通過降低耗水量來提高灌溉水產(chǎn)出能力上出現(xiàn)一些問題.例如,很容易認(rèn)為我們可以通過將低Eta的作物取代高Eta的作物的話,耗水量就能減少.以上這個(gè)觀點(diǎn)有兩個(gè)問題,第一正如表一所示,在相同的Eto情況下主要作物之間的Eta的第二,作物的產(chǎn)量和Eta是高度相關(guān)的:相同的因素, 能量輻射,通過熱量和Eta影響產(chǎn)量,(在比較適宜的水份,肥料和其他投入情況下),這是一個(gè)典型的多重共線性問題,(盡管由于不同的氣候因素諸如云和風(fēng),蒸發(fā)量與輻射能量相關(guān)性不同)盡管確實(shí)小麥較水稻的單位產(chǎn)量耗水量小,甜菜的小于甘蔗.這個(gè)原因不是由于Eta,而是因?yàn)镋to. 小麥和甜菜是cool-weather冷涼秋季作物,而水稻大部分長在hot season熱季(Eto),對于甘蔗生長期為12到18個(gè)月經(jīng)過整個(gè)夏季,季節(jié)間的(Eto),的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不同作物間Eta的差別因此,在一些地區(qū),在熱季時(shí),水比較稀缺,可以通過用冷涼的秋季作物替代熱季生長作物可以減少相當(dāng)一部分的耗水量(只要輻射能量和產(chǎn)量大致相同).或者是通過從高Eto地區(qū)的作物生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈虴to的地區(qū),同樣達(dá)到節(jié)約耗水的效果.例如,在風(fēng)速較平和而不是在大風(fēng)地區(qū)種植作物,此外由于大部分的樹由于葉片表面積大和生長的較高,所處的位置(例如風(fēng)能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā))該高度的風(fēng)速是地表風(fēng)速的幾倍,所以蒸發(fā)耗水較多.對位于阿斯旺高壩以下的尼羅河流域的作物系統(tǒng)進(jìn)行研究表明如果作物不是在尼羅河上游盧克索地區(qū)夏季和多風(fēng)季節(jié)生長,而是在尼羅河下游較涼爽和風(fēng)速較小的地區(qū)生長一些作物,該系統(tǒng)中耗水量可以減小10%.如同,美國或者歐洲在土地退化規(guī)劃land-retirement plans中對于不能種植農(nóng)作物的農(nóng)民給予經(jīng)濟(jì)上補(bǔ)助.上述尼羅河上游的農(nóng)民在不能耕種期間也應(yīng)當(dāng)給予經(jīng)濟(jì)上的補(bǔ)助.也就是意味著對這些農(nóng)民不能進(jìn)行甘蔗種植進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助.目前就存在一個(gè)主要的挑戰(zhàn)就是那就農(nóng)業(yè)研究者和作物栽培專家研發(fā)出一些能夠生長在涼爽季節(jié)的作物例如小麥,大麥,甜菜,更適應(yīng)涼爽季節(jié)的玉米和生長期為9個(gè)月甘蔗,這樣就前面方法更加有效可行.同樣我們可以選育那些在炎熱多風(fēng)地區(qū)Eta較小的經(jīng)濟(jì)作物,在炎熱和風(fēng)速較大的地區(qū)例如仙人掌是否應(yīng)當(dāng)不再種植.在熱帶很多地區(qū),伴隨炎熱天氣會(huì)相應(yīng)有較多的降雨,由于在水稻能都很好的利用雨水,在炎熱潮濕的季節(jié),種植水稻的水資源利用效率是比較高的.水資源利用由于在地表灌溉系統(tǒng)中,由于灌溉用水的保證率較低常常導(dǎo)致水的生產(chǎn)能力大大下降.在農(nóng)作物播種和生長初期澆水,但是再到后面(特別是最后幾次澆灌) (especially in the tails of the system)的輪灌作物經(jīng)常被省去,甚至是在作物生長的關(guān)鍵階段,這樣會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量銳減.該問題一方面是因?yàn)楣芾聿划?dāng),一部分時(shí)因?yàn)閷τ谵r(nóng)民產(chǎn)量受供水影響效應(yīng)增大.這個(gè)可以通過修建沿灌區(qū)備用的管道來在臨時(shí)缺水時(shí)提供及時(shí)的供水補(bǔ)給.在排水的利用方面,水分配和供水不可靠性等問題非常尖銳,大多灌溉用水是次生的地表或者是地下供水.但是由于管理不當(dāng),相當(dāng)一部分的直接排放到當(dāng)?shù)氐牡慕铀髦?如果排水的水質(zhì)較好或者是不是排入到海洋中,這些水能夠用于灌溉種植水稻和大麻的大部分地區(qū)很少用這種方法灌溉,但是這是一個(gè)鹽性接水器,排水會(huì)導(dǎo)致內(nèi)澇和鹽漬化問題.相似的,由于缺乏關(guān)注和管理,較好水質(zhì)的排水往往直接排入海中.在新時(shí)代,主要任務(wù)之一是積極主動(dòng)將排水作為二次供水管理,因?yàn)樵S多流域僅僅是濕式節(jié)水.在過去幾十年在許多灌溉區(qū)域糧食增產(chǎn)可觀.,相應(yīng)的蒸散量也增加.在這方面,容易引起人猜想的是:盡管作物所需Eta和糧食增產(chǎn)關(guān)系不是完全清楚,但是Eta是其必要條件.如果上述是成立的話,灌溉區(qū)域的缺水壓力會(huì)越來越大,這個(gè)會(huì)使人們廣泛認(rèn)為灌溉系統(tǒng)性能較差.下游末端取水者將面臨更多的問題,他們可以需要更多的水.進(jìn)行水管理,增加其生產(chǎn)能力我們需要認(rèn)真考慮關(guān)于政策和管理的問題.一個(gè)問題是通過更好的聯(lián)合用水(通過幾次專門的超灌補(bǔ)給含水層)來減小供水的不穩(wěn)定性以及通過抽水引入渠道系統(tǒng)和私人管道在流域內(nèi),另一種增加供水是通過用可以減輕土壤侵蝕草代替數(shù)目來減少蒸發(fā)損失.除非對灌區(qū)提供額外的水,通過對灌水較少的地區(qū)進(jìn)行更加可靠的供水,通過鞏固該區(qū)域就能增加水的生產(chǎn)能力.但是這會(huì)嚴(yán)重影響灌溉效益的分配.,明顯這種選擇在特定的時(shí)間和地點(diǎn)必須在決策前做充分的準(zhǔn)備.另外一種真正節(jié)水的方式是通過對退耕地的管理(C. Perry, personal communication, 1995).對裸露的土地仍然能夠從地下兩米地下水通過毛細(xì)作用來進(jìn)行蒸發(fā).土壤剖面汲取淺層地下水補(bǔ)充土壤含水量這個(gè)過程也會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)一部分的水損失. Perry估計(jì)到在阿斯旺高壩以下的尼羅河流域,有30億方水(總灌溉水量7%)由于這種方式損失.同樣在許多發(fā)展中國家休耕地上常常長滿雜草.這不僅僅保證雜草的下一季生長,而且這些雜草從地下土壤水和高水位地下水汲取水份.如果退耕地不生長任何東西,并且松軟的土壤覆蓋這樣的話土壤水能夠保存下來.考慮減小農(nóng)業(yè)灌溉的蒸散發(fā)量,可以將蒸散發(fā)分為蒸發(fā)和蒸騰,盡管可能需要更多的耐熱的,蒸騰量少的作物,但是這個(gè)完成這個(gè)非常困難.但是對于蒸發(fā)用水量來說,主要決定于田地的蒸發(fā)濕度,這個(gè)是很好控制的.正如比表一顯示:水稻和其他作物在種植季節(jié)的Eta區(qū)別主要是由于在植被植被覆蓋錢蒸發(fā)的損失.一項(xiàng)國際灌溉灌溉管理研究所關(guān)于干燥水稻種子在馬來群島Muda灌區(qū)工程的研究顯示,通過減少水稻田地前期移植可以節(jié)水25%以上一些是對排水的表面上的節(jié)水,但是其中一些無疑是真正意義上從減小蒸發(fā)損失來節(jié)水.國際水稻研究所關(guān)于發(fā)芽水稻種植的研究得出相似的結(jié)果.有趣的是,農(nóng)民對水稻不進(jìn)行移植不是為了節(jié)水而是為了減少勞動(dòng)力高資金投入同樣可以通過滴灌系統(tǒng)減少田地的蒸發(fā)損失滴灌將水直接灌溉到作物根部這部分蒸發(fā)量僅僅對應(yīng)的是Eta.噴灌系統(tǒng)就沒有如此高效.事實(shí)上,這種噴灌通過細(xì)小個(gè)水顆粒穿過熱空氣是最容易增大蒸發(fā)損失.大家認(rèn)為噴灌系統(tǒng)是對的水的高效利用,認(rèn)為水的均勻分散,減小了 排水的損失.這個(gè)措施就是表面的節(jié)水方式.但是目前向下的滴灌系統(tǒng)還是減少相當(dāng)量的蒸發(fā)損失在水況較好,水體和土壤含鹽量較少的時(shí)候,滲灌可以使灌溉水有高效生產(chǎn)能力.但是在河流上修建攔河壩,水位提升到植物根部.這使得灌溉由于蒸發(fā)損失水量減少,并且存儲(chǔ)了一定量的地下水.很多人不大了解,在誒及,一部分作物Eta耗水量是通過漫灌(滲灌)滿足的,相似的在印度尼西亞通過修建攔河壩抬高水位來減少水稻田地向下游的排水量.在存在水體鹽分過高的問題,水份的生產(chǎn)能力可以通過控制灌溉裝置以及其他形式的承壓管道聯(lián)合管井,可以降低水位并且使得鹽分沉積在作