水資源配置中的生態(tài)環(huán)境需水若干問題討論

1、水資源配置中的生態(tài)環(huán)境水資源配置中的生態(tài)環(huán)境需水若干問題討論需水若干問題討論劉昌明劉昌明中國科學(xué)院地理與資源研究所中國科學(xué)院地理與資源研究所北京師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院北京師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院中國水分條件中國水分條件自然分帶自然分帶中國水量平衡結(jié)構(gòu)（各地近中國水量平衡結(jié)構(gòu)（各地近100個(gè)流域繪制）個(gè)流域繪制）A = 1EcologicallyVulnerableRegionsEcologicallyStableRegions深圳深圳中國的生態(tài)環(huán)境地帶分異性中國的生態(tài)環(huán)境地帶分異性北方北方生態(tài)生態(tài)-環(huán)境問題環(huán)境問題南方南方環(huán)境環(huán)境-生態(tài)問題生態(tài)問題 水土流失加大水土流失加大荒漠化面積增加荒漠化面

2、積增加草地退化嚴(yán)重草地退化嚴(yán)重植被覆蓋率減少植被覆蓋率減少蒸騰耗水蒸騰耗水蒸發(fā)耗水蒸發(fā)耗水生 態(tài) 環(huán) 境 需 水 最最小小生生態(tài)態(tài)環(huán)環(huán)境境需需水水 生生態(tài)態(tài)環(huán)環(huán)境境需需水水 生生存存閾閾值值 良良好好狀狀態(tài)態(tài) 生態(tài)環(huán)境需水曲線生態(tài)環(huán)境需水曲線 生態(tài)環(huán)境需水概念與計(jì)算的討論生態(tài)水量名詞界定生態(tài)水量名詞界定一、一、生態(tài)需水：生態(tài)需水：在現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)下，維系生態(tài)在現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)下，維系生態(tài)環(huán)境功能的水量。環(huán)境功能的水量。二、二、生態(tài)用水：生態(tài)用水：在現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)下，維系生態(tài)在現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)下，維系生態(tài)環(huán)境功能的實(shí)際發(fā)生的用水（引水和提水）量。環(huán)境功能的實(shí)際發(fā)生的用水（引水和提水）

3、量。三、三、生態(tài)耗水：生態(tài)耗水：對(duì)水資源而言，是在維系現(xiàn)狀和未來對(duì)水資源而言，是在維系現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)生態(tài)環(huán)境功能用水過程中散失的水量。特定目標(biāo)生態(tài)環(huán)境功能用水過程中散失的水量。四、四、生態(tài)供水：生態(tài)供水：提供維系現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)生態(tài)環(huán)提供維系現(xiàn)狀和未來特定目標(biāo)生態(tài)環(huán)境功能的降水性和徑流性（包括地下徑流）的水量。境功能的降水性和徑流性（包括地下徑流）的水量。 其它不同的用詞：其它不同的用詞：1 1、最小生態(tài)需水量、最小生態(tài)需水量維護(hù)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)功能不繼續(xù)維護(hù)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)功能不繼續(xù)退化。在已經(jīng)形成退化。在已經(jīng)形成“三生三生”用水用水矛盾、相互競爭的我國北方地區(qū)，矛盾、相互競爭的我國北方地區(qū)，

4、重視生態(tài)需水，不擠占生態(tài)用水，重視生態(tài)需水，不擠占生態(tài)用水，預(yù)留最小生態(tài)需水量，應(yīng)成為水預(yù)留最小生態(tài)需水量，應(yīng)成為水資源合理配置的一條原則。資源合理配置的一條原則。 2、適宜生態(tài)需水量：適宜生態(tài)需水量：以生態(tài)系統(tǒng)的水、熱條件最佳匹配為標(biāo)準(zhǔn)。如，區(qū)域植被，其生態(tài)需水定量是由能量（凈輻射Rn）換算的水分當(dāng)量（通過除以蒸發(fā)潛熱L）與水分收入（P）相等作為計(jì)算基礎(chǔ) 3，流域的生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算流域生態(tài)環(huán)境需水量為河道內(nèi)流域生態(tài)環(huán)境需水量為河道內(nèi)需水與河道外需水兩大部分匯需水與河道外需水兩大部分匯總。也可以由河道內(nèi)、外生態(tài)總。也可以由河道內(nèi)、外生態(tài)功能用水的各個(gè)方面來分項(xiàng)計(jì)功能用水的各個(gè)方面來分項(xiàng)計(jì)算，

5、然后按水循環(huán)集成模型來算，然后按水循環(huán)集成模型來計(jì)算計(jì)算 4、關(guān)于河道外的生態(tài)用水問題。、關(guān)于河道外的生態(tài)用水問題。從河道引出的水量，主要是生活從河道引出的水量，主要是生活與生產(chǎn)用水，過去并未專門劃分生態(tài)與生產(chǎn)用水，過去并未專門劃分生態(tài)用水的計(jì)算，但是河流中的水量來自用水的計(jì)算，但是河流中的水量來自河道外的流域面積。其流域內(nèi)的土地河道外的流域面積。其流域內(nèi)的土地覆蓋與土地利用實(shí)際要影響匯入河道覆蓋與土地利用實(shí)際要影響匯入河道中的水量，包括綠化林草及水土保中的水量，包括綠化林草及水土保持，主要為持，主要為雨水性雨水性的水利用，其利用的水利用，其利用會(huì)影響進(jìn)入河道水量的減少會(huì)影響進(jìn)入河道水量的減少

6、多年平均區(qū)域水量平衡公式：多年平均區(qū)域水量平衡公式： P+RP+R入入= ET+W= ET+W生產(chǎn)生產(chǎn)+W+W生活生活+R+R出出 式中：式中：P P為降水和冰雪融水；為降水和冰雪融水； R R入入為為地表地下地表地下入境徑流；入境徑流； ETET為植物蒸散發(fā)；為植物蒸散發(fā)； WW生產(chǎn)生產(chǎn)為生產(chǎn)用水；為生產(chǎn)用水； WW生活生活為生活用水；為生活用水； R R出出為出境為出境地表地下地表地下徑流。徑流。 ET = ETET = ET P P + ET+ ET R R =P + RP + R式中：式中： ETET P P 為植物從降水中消耗的蒸散發(fā)；為植物從降水中消耗的蒸散發(fā)； ETET R R

7、為植物從徑流中消耗的蒸散發(fā)，即生態(tài)需水量；為植物從徑流中消耗的蒸散發(fā)，即生態(tài)需水量； 為植物蒸散發(fā)占降水的比例系數(shù)；為植物蒸散發(fā)占降水的比例系數(shù)；為植物蒸散發(fā)為植物蒸散發(fā)利用徑流的比例系數(shù)。利用徑流的比例系數(shù)。地帶劃分地帶劃分高山冰雪高山冰雪森林草地森林草地牧場牧場礫、沙、洪積扇礫、沙、洪積扇荒（灌從）漠帶荒（灌從）漠帶地表水轉(zhuǎn)化地下水地表水轉(zhuǎn)化地下水潛水出露潛水出露人工綠洲，農(nóng)田人工綠洲，農(nóng)田工農(nóng)業(yè)、人居用水工農(nóng)業(yè)、人居用水天然綠帶，胡楊天然綠帶，胡楊梭梭梭梭鹽沼濕地鹽沼濕地尾閭湖泊尾閭湖泊沙漠沙漠生態(tài)用水生態(tài)用水山區(qū)生態(tài)用水（山區(qū)生態(tài)用水（1 )荒漠灌叢用水荒漠灌叢用水 （2 )人工綠洲用

8、水人工綠洲用水 （3）天然綠帶用水天然綠帶用水 （4）湖沼用水湖沼用水 （4）用水用水 （5）內(nèi)陸區(qū)生態(tài)用水圖示內(nèi)陸區(qū)生態(tài)用水圖示地帶劃分地帶劃分高山冰雪高山冰雪森林草地森林草地牧場牧場礫、沙、洪積扇礫、沙、洪積扇荒（灌叢）漠帶荒（灌叢）漠帶地表水轉(zhuǎn)化地下地表水轉(zhuǎn)化地下水水潛水出露潛水出露人工綠洲，農(nóng)田人工綠洲，農(nóng)田工農(nóng)業(yè)、人居用水工農(nóng)業(yè)、人居用水天然綠洲帶，胡楊天然綠洲帶，胡楊梭梭梭梭鹽沼濕地鹽沼濕地尾閭湖泊尾閭湖泊沙漠沙漠生態(tài)需水計(jì)算基本方法生態(tài)需水計(jì)算基本方法天然綠洲帶水量平衡：天然綠洲帶水量平衡：P4 + (RS3 + RG3) = ET4 + ET(湖湖,沼沼)天然綠洲帶生態(tài)用水：天

9、然綠洲帶生態(tài)用水：ET4 + ET(湖湖,沼沼) = P4 + (RS3 + RG3)ETR= (RS3 + RG3), ETP= P4 鹽沼濕地鹽沼濕地 地下水位地下水位尾閭湖泊尾閭湖泊 湖泊湖泊水位水位山區(qū)水量平衡：山區(qū)水量平衡： P1 + GL ( 冰雪融水冰雪融水) = ET1 + RS1 + RG1 ET1 = (P1 + GL ) -（ RS1 + RG1 ）山區(qū)生態(tài)用水：山區(qū)生態(tài)用水： ETR=0,ETP= ET1 山前水量平衡：山前水量平衡： P2 + （ RS1 + RG1 ）= ET2 + （ RS2 + RG2 ） ET2 = P2 + （ RS1 + RG1 ） - （

10、 RS2 + RG2 ）山前荒漠灌木生態(tài)用水：山前荒漠灌木生態(tài)用水：ETR= R,ETP= ET2 -R,人工綠洲量水量平衡：人工綠洲量水量平衡： P3 + （ RS2 + RG2)=W(生活生活)+ W(生產(chǎn)生產(chǎn))+RS3 + RG3 + ET3ET3 = P3 + （ RS2 + RG2) W(生活生活)+ W(生產(chǎn)生產(chǎn)) +RS3 + RG3 人工綠洲生態(tài)用水：人工綠洲生態(tài)用水：歸入社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水歸入社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水內(nèi)陸區(qū)生態(tài)用水圖示內(nèi)陸區(qū)生態(tài)用水圖示山區(qū)水量平衡：山區(qū)水量平衡： P1 + GL ( 冰雪融水冰雪融水) = ET1 + RS1 + RG1 ET1 = (P1 + GL ) -（

11、 RS1 + RG1 ）山區(qū)生態(tài)用水：山區(qū)生態(tài)用水： ETR=0, ETP= ET1山前水量平衡：山前水量平衡： P2 + （ RS1 + RG1 ）= ET2 + （ RS2 + RG2 ） ET2 = P2 + （ RS1 + RG1 ） - （ RS2 + RG2 ）山前荒漠灌木生態(tài)用水：山前荒漠灌木生態(tài)用水：ETR= R, ETP= ET2 -R,人工綠洲量水量平衡：人工綠洲量水量平衡： P3 + （ RS2 + RG2)=W(生活生活)+ W(生產(chǎn)生產(chǎn))+RS3 + RG3 + ET3 ET3 = P3 + （ RS2 + RG2) W(生活生活)+ W(生產(chǎn)生產(chǎn)) +RS3 + R

12、G3 人工綠洲生態(tài)用水：歸入社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水人工綠洲生態(tài)用水：歸入社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水天然綠洲帶水量平衡：天然綠洲帶水量平衡： P4 + (RS3 + RG3) = ET4 + ET(湖湖,沼沼)天然綠洲帶生態(tài)用水：天然綠洲帶生態(tài)用水： ET4 + ET(湖湖,沼沼) = P4 + (RS3 + RG3) ETR= (RS3 + RG3), ETP= P4 鹽沼濕地鹽沼濕地 地下水位；地下水位；尾閭湖泊尾閭湖泊 湖泊湖泊水位水位 生態(tài)用水（生態(tài)用水（）W（河道外用水）（河道外用水）W（河道內(nèi)用水）（河道內(nèi)用水） W W( (河流聯(lián)系濕地河流聯(lián)系濕地用水用水)河道（段）內(nèi)水量平衡：河道（段）內(nèi)水量平衡： 上

13、游上游 下游下游河道（段）內(nèi)生態(tài)用水：水生物，河道（段）內(nèi)生態(tài)用水：水生物，輸沙，生態(tài)基流，滲流等輸沙，生態(tài)基流，滲流等 上游上游 下游下游河流聯(lián)系濕地河流聯(lián)系濕地水量平衡：水量平衡： 上游上游 W W(生活生活)+(生產(chǎn)生產(chǎn)) 下游下游河流聯(lián)系濕地生態(tài)河流聯(lián)系濕地生態(tài)用水：用水：湖沼蒸發(fā)，河道水位湖沼蒸發(fā)，河道水位W W (生活生活) (生產(chǎn)生產(chǎn)) 上游上游河道外水量平衡：河道外水量平衡：(生活生活)+(生產(chǎn)生產(chǎn))河道外生態(tài)用水（包含生態(tài)建設(shè)）：河道外生態(tài)用水（包含生態(tài)建設(shè)）：(生活生活)(生產(chǎn)生產(chǎn)) 外流區(qū)生態(tài)用水圖示外流區(qū)生態(tài)用水圖示河道外水量平衡：河道外水量平衡：(生活生活)+(生產(chǎn)生

14、產(chǎn))河道外生態(tài)用水（包含生態(tài)建設(shè)）：河道外生態(tài)用水（包含生態(tài)建設(shè)）：(生活生活)(生產(chǎn)生產(chǎn))河道（段）內(nèi)水量平衡：河道（段）內(nèi)水量平衡： 上游上游 下游下游河道（段）內(nèi)生態(tài)用水：水生物，輸沙，生態(tài)基流，滲流等河道（段）內(nèi)生態(tài)用水：水生物，輸沙，生態(tài)基流，滲流等 上游上游 下游下游河流聯(lián)系濕地河流聯(lián)系濕地水量平衡：水量平衡： 上游上游 W W(生活生活)+(生產(chǎn)生產(chǎn)) 下游下游河流聯(lián)系濕地生態(tài)河流聯(lián)系濕地生態(tài)用水：湖沼蒸發(fā)，河道水位用水：湖沼蒸發(fā)，河道水位W W (生活生活) (生產(chǎn)生產(chǎn)) 上游上游南方濕潤地區(qū)的環(huán)境生態(tài)問題- 河道外生態(tài)用水主要是雨水利用，與生活和工農(nóng)業(yè)用水矛盾不大；- 但是水

15、環(huán)境的污染容易發(fā)生。河湖水環(huán)境的污染會(huì)引起對(duì)水生生物與人類健康的巨大影響。 -因此，南方濕潤地區(qū)與北方資源型缺水不同，往往是 水質(zhì)型缺水。關(guān)于調(diào)水配置問題關(guān)于調(diào)水配置問題 調(diào)水配置不僅是資源型地區(qū)的 缺水問題。濕潤地區(qū)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)集中發(fā) 展，超出水資源承載力時(shí)，也有 調(diào)水配置的需要。如東深工程。 l 因?yàn)榭缌饔蛘{(diào)水工程會(huì)引起水量平衡要素和它們的對(duì)比關(guān)系發(fā)生變化，最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)改變。l 可以從來解決如何控制水量平衡要素及其對(duì)比關(guān)系變化的適宜度。l 自然地帶性規(guī)律的理論研究表明，自然地帶的劃分可采用輻 射干燥指數(shù) 表示，Rn為凈太陽輻射，L為蒸發(fā)潛熱， P為降水量。l 實(shí)際上該式是蒸發(fā)能力與降水

16、量之比，因?yàn)樵跓崃科胶庵校?其中 代表蒸發(fā)能力的。l 考慮到地表產(chǎn)生徑流的條件因地貌、土壤等地理?xiàng)l件而異， 為了排除這種差別，可以用區(qū)域濕潤度表達(dá)式來表示： WhPRs，因此可以得出調(diào)水工程規(guī)模有效控制意義的指 標(biāo)Cr，即：（Cr水分適宜度，E0近似于水面蒸發(fā)）： 從理論上看：v當(dāng) E0/Wh1 時(shí)，表示地區(qū)干旱，需要補(bǔ)水。v當(dāng) E0/Wh 1 時(shí)的地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)水 （ T），使水量輸入?yún)^(qū)的水分適宜度向1轉(zhuǎn)化，即： 通過跨流域調(diào)水使水分適宜度Cr 1 1，從而改善調(diào)入?yún)^(qū)農(nóng) 業(yè)生態(tài)條件 。根據(jù)方程（1）和（2），可以得到：1/0TWEChr（2）PTEPTPE0/1/ 式中：E為蒸散發(fā)量，為徑流系數(shù)

17、。目前廣大缺水地區(qū)的 值已經(jīng)受人類活動(dòng)的影響，數(shù)量有限的地表徑流已被充分利用，使 值改變， 0或 0，在這種條件下的適宜調(diào)水量的比值T/P和干燥指數(shù)E0/P有如下關(guān)系 ：-(T/P) 1 - (E0/P) (T/P) (E0/P) 1 （3) 在城市（工礦區(qū)，由于用水集中，調(diào)入水量由城市水資源的 供需平衡b來確定，E0與p有供需平衡b與水量S來取代，即-(T/P) 1 - (b/S) (T/S) (b/S) 1 (4) 在城市地區(qū)的b值的計(jì)算是以當(dāng)?shù)厮Y源的供需平衡為根據(jù)， 其中包括城市生態(tài)與環(huán)境用水。對(duì)于城市廢水r的回收和再利 用，應(yīng)充b或E0中扣除，即 br 或 E0r。以上分析表明：區(qū)域

18、降水量與蒸發(fā)量是計(jì)算調(diào)入?yún)^(qū)適宜調(diào)水量的基本判定的參數(shù)，意義可以歸納為：l 調(diào)入?yún)^(qū)的調(diào)入水量是對(duì)區(qū)域水分不足的補(bǔ)充，在調(diào)入調(diào)入?yún)^(qū)的調(diào)入水量是對(duì)區(qū)域水分不足的補(bǔ)充，在調(diào)入水量前必需充分利用當(dāng)?shù)厮捌渌鞣N水源水量前必需充分利用當(dāng)?shù)厮捌渌鞣N水源l 水分和能量對(duì)利用調(diào)控維持區(qū)域生態(tài)平衡具有重要作水分和能量對(duì)利用調(diào)控維持區(qū)域生態(tài)平衡具有重要作用。配置用。配置適宜的水量即排水少，可以控制面源污染。l 城市與工業(yè)廢水的回收、處理、利用既有助于節(jié)水又城市與工業(yè)廢水的回收、處理、利用既有助于節(jié)水又有利于環(huán)境保護(hù)，節(jié)水是有利于環(huán)境保護(hù)，節(jié)水是“一箭雙雕一箭雙雕”。維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，除考慮維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，

19、除考慮區(qū)域水資源的供需平衡外，還區(qū)域水資源的供需平衡外，還應(yīng)綜合考慮區(qū)域應(yīng)綜合考慮區(qū)域水能平衡、水水能平衡、水鹽平衡、水沙平衡和水量平衡鹽平衡、水沙平衡和水量平衡及供需平衡及供需平衡以維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)必以維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)必須的水量。須的水量。 水能（熱）平衡：水能（熱）平衡： 根據(jù)能量守恒原理，地表能量的收支保持平衡關(guān)系。在能量與水分平衡中，最大項(xiàng)之一是汽化的潛熱（L）。按能量守恒，連續(xù)方程為： 水量平衡方程：E = P R 水分與能量之間存在著密切關(guān)聯(lián)。水分與能量聯(lián)系方程，即水、能（熱）平衡方程， 按水量單位計(jì)算時(shí)有： P R =（Rn H G）/586； 按能（熱）量單位（用cal/g）計(jì)算時(shí)：

20、586 ( P R）= Rn H G。00PLEGHRn 在水利應(yīng)用上采用水、熱指標(biāo)，即輻射干燥指數(shù)：Rn/LP。 實(shí)際上Rn/L是蒸發(fā)能力與降水量之比，Rn/L代表了蒸發(fā)能力的上限值PE（PERn/L）。 區(qū)域濕潤度Wh表達(dá)式：Wh=P- Rs。 由此得出指標(biāo)Cr（水分適宜度），即： Cr = Rn/L(P- Rs) = PE/Wh E0/Wh 當(dāng)E0/Wh，表明地區(qū)干旱，需要補(bǔ)水（引水灌溉）； 當(dāng)E0/Wh時(shí)的補(bǔ)水（T），使水量輸入?yún)^(qū)的水分適宜度向著1轉(zhuǎn)化，即： Cr = E0/（Wh）1。 水鹽平衡水鹽平衡 區(qū)域水鹽平衡方程可用下式表示 SB=1W1+2W2-3W3-Si+SrM鹽分平衡所需的排水量粗略的估算可有兩種方法：n根據(jù)入海水文測站的觀測資料，以河流離子徑流除