王浩水資源全過程動態(tài)評價理論方法與實踐

全球變化與生態(tài)水文過程水資源全過程動態(tài)評價理論方法與實踐

2009年9月武漢王浩院士中國水利水電科學研究院TelaxellPhonemail:wanghao@2009水資源與可持續(xù)發(fā)展高層論壇2009水資源與可持續(xù)發(fā)展高層論壇結論與展望變化環(huán)境下水資源評價革新的實踐需求匯報提綱水資源全過程動態(tài)評價理論方法與實踐水資源全過程動態(tài)評價理論與方法水資源全過程動態(tài)評價應用實踐前言

1988年《水資源評價活動—國家評估手冊》中規(guī)定：水資源評價是指對資源的來源、范圍、可依賴程度和質量進行確定，據(jù)此評估水資源利用和控制可能性。聯(lián)合國科教文組織UNESCO世界氣象組織(WMO)水資源評價的概念什么是水資源評價？1992年修改為為了水的利用和管理，對水資源的來源、范圍、可依賴程度和質量進行確定，據(jù)此評估水資源利用、控制和長期發(fā)展的可能性聯(lián)合國科教文組織UNESCO世界氣象組織(WMO)水資源評價的概念水資源評價的概念有什么發(fā)展？前言按流域或地區(qū)對水資源的數(shù)量、質量、時空分布特征和開發(fā)利用條件作出全面的分析估價，是水資源規(guī)劃、開發(fā)、利用、保護和管理的基礎工作，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供水決策依據(jù)中國資源科學百科全書·水資源學水資源評價的概念水資源評價對可持續(xù)發(fā)展有什么作用？前言水資源評價的重要性水資源評價的重要性基礎資源戰(zhàn)略資源時空分布不均水資源短缺水生態(tài)/環(huán)境惡化天然條件現(xiàn)代化進程水問題解決問題的思路、方法和理念改變滿足國家需求地表水地表水地下水地表水土壤水地下水水資源評價前言數(shù)量評價質量評價效率評價人類活動水資源評價有那些難點？從影響因素看：氣候變化和人類活動驅動下墊面條件變化劇烈用水急劇增加氣候逐漸變暖局地微地勢和地貌改變，影響流域產(chǎn)匯流過程影響了包氣帶特性，地表水地下水水量交換特性引起降水、徑流及蒸發(fā)的時空分布特性改變水資源評價主要存在的難點如何評價人類活動影響下的水資源演變從研究對象看：水的流動性和不斷循環(huán)轉化從觀測手段看：復雜性和不確定性變化環(huán)境下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了深刻變化（1）水資源評價理論與方法革新的實踐需求全球變化和日趨增強的人類水土資源開發(fā)活動，改變了水循環(huán)及伴生水化學、水生態(tài)及水沙過程演變的動力學機制，水循環(huán)速率加快，水循環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增強，干旱洪澇等極值過程發(fā)生頻率加大。水資源評價理論與方法革新的實踐需求變化環(huán)境下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了深刻變化（2）全球水循環(huán)速率顯著加快，降水的時空結構、過程及特性均發(fā)生了深刻變化我國“北旱南澇”的整體態(tài)勢加劇干旱發(fā)生風險高于洪澇發(fā)生風險;部分地區(qū)干旱與洪澇并存全球水循環(huán)“北旱南澇”情勢干旱洪澇成災面積水資源評價理論與方法革新的實踐需求變化環(huán)境使得水資源系統(tǒng)發(fā)生改變（1）全球變化和人類活動從供水、需水及水資源配置與調度等方面深刻影響到水資源系統(tǒng)。水資源評價理論與方法革新的實踐需求變化環(huán)境使得水資源系統(tǒng)發(fā)生改變（2）全球變化和人類活動的影響下，流域或區(qū)域水資源的構成、數(shù)量、質量特征均發(fā)生了深刻變化；且其演變的不確定性特征在增強。需對水資源進行全過程動態(tài)評價。水資源評價理論與方法革新的實踐需求變化環(huán)境使得水資源系統(tǒng)發(fā)生改變（3）我國1949～2005年用水量變化隨著人類水土資源開發(fā)活動的深入，水資源需求呈快速增長趨勢；提高水資源利用效率與效益，壓縮需求，開展節(jié)水防污型社會建設是變化環(huán)境下水問題綜合應對的核心，而水資源效率與效益評價則是其首要基礎。水資源評價理論與方法革新的實踐需求水資源評價歷史演變及特征—國外情況(1)對比項UNESCO美國俄羅斯英國日本評價對象河川徑流量地下水資源量河川徑流量河川徑流量地下水動態(tài)河川徑流量地下水動態(tài)水資源賦存量（理論最大可利用量）評價模式水質/水量分離地表/地下分離水質/水量分離單一地表水評價水質/水量分離單一地表水評價水質/水量分離單一地表水評價水質/水量分離地表/地下分離評價手段實測匯總分析為主要手段，提出模型開發(fā)實測匯總分析為主要手段觀測信息登記與調查統(tǒng)計監(jiān)測信息統(tǒng)計與調查統(tǒng)計實測匯總與水收支分析為主要手段，提出模型開發(fā)時空單元空間流域行政區(qū)或流域行政區(qū)或流域行政區(qū)或流域行政區(qū)或流域時間年年年年年人類活動影響處理方式還原方法還原方法提出一致性處理還原方法還原方法還原方法水資源評價歷史演變及特征—國外情況(2)水資源評價理論與方法革新的實踐需求水資源評價歷史演變及特征—國內(nèi)情況(1)水資源評價理論與方法革新的實踐需求對比項國內(nèi)現(xiàn)行評價方法評價對象原來只評價地表水和地下水，目前開始評價國民經(jīng)濟可利用量評價模式分離評價模式，地表－地下水/水量－水質，未涉及效用評價定量手段以“實測－還原－匯總”為基本過程，含經(jīng)驗成分時空單元空間流域套行政區(qū)時間年人類活動影響不能考慮單項人類活動影響，通過還原消除人類活動影響或通過一致性處理進行修正水資源評價歷史演變及特征—國內(nèi)情況(2)水資源評價理論與方法革新的實踐需求水文站（實測）水文站（天然）還原修正多年徑流深等值線圖出入境水量主要控制站月年徑流量代表站天然徑流月分配計算分區(qū)天然年徑流流域三級區(qū)地級行政區(qū)參數(shù)特征值一元靜態(tài)模式：實測——還原——建模——調控現(xiàn)狀水資源評價及存在問題（1）水資源評價理論與方法革新的實踐需求現(xiàn)狀水資源評價及存在問題（2）水資源評價理論與方法革新的實踐需求全過程動態(tài)水資源評價是重大實踐需求水資源評價理論與方法革新的實踐需求傳統(tǒng)水資源評價理論與方法難以系統(tǒng)、客觀地描述變化環(huán)境下水資源的演變特征，也不能滿足變化環(huán)境下水問題綜合應對的實踐需求，尚待對水資源演變驅動機制進行系統(tǒng)剖析的基礎上，進行全過程動態(tài)評價。天然循環(huán)系統(tǒng)人工側支系統(tǒng)蒸發(fā)蒸騰積雪融雪

產(chǎn)流地下水坡地匯流田間灌溉水庫池塘下水道渠道輸水河網(wǎng)匯流

入滲能量平衡土壤水引水工程人工排水地下抽水城市供水污水處理水資源全過程動態(tài)評價理論基礎—“自然-人工”二元水循環(huán)理論水資源全過程動態(tài)評價理論與方法基于“二元”模式的水資源評價總體框架水資源全過程動態(tài)評價理論與方法水資源全過程動態(tài)評價體系結構（1）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法自然屬性有效性水資源屬性社會屬性經(jīng)濟屬性環(huán)境屬性評價準則可控性可再生性廣義水資源狹義水資源國民經(jīng)濟可利用量評價口徑水資源全過程動態(tài)評價體系結構（2）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法工程開發(fā)消耗量徑流開源潛力生態(tài)需水通量非徑流性有效水分通量無效降水量年降水通量水資源潛力有效降雨通量廣義水資源量徑流通量狹義水資源量允許耗用通量國民經(jīng)濟可利用量工程耗用通量工程控制量不同口徑的水循環(huán)通量

不同口徑資源的層次化構成

層次化水資源定義水資源全過程動態(tài)評價體系結構（3）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—總體框架水資源全過程動態(tài)評價理論與方法以降水為基礎，按照四水轉化的結構，分析降水轉化結構中不同組成的資源屬性。在降水通量下的平衡方程式為：P=R＋En＋Ug＋Qc±△V

EgEsuD多年平均＝0P=R＋D＋Esu

地表蒸散發(fā)狹義水資源

可見廣義水資源量主要是區(qū)分出地表蒸散發(fā)的有效和無效數(shù)量與效率評價—廣義水資源評價（1）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法耕地蒸發(fā)林地蒸發(fā)草地蒸發(fā)居工地蒸發(fā)水域蒸發(fā)未利用土地蒸發(fā)根據(jù)土地利用分類山地水田丘陵水田平原水田山地旱地丘陵旱地平原水田農(nóng)村城市蒸發(fā)分類水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—廣義水資源評價（2）有效蒸發(fā)耕地蒸發(fā)林地蒸發(fā)草地蒸發(fā)冠層截留蒸發(fā)植被蒸騰地表截留蒸發(fā)土壤蒸發(fā)水域蒸發(fā)河渠湖泊水庫坑塘灘涂灘地居工地蒸發(fā)未利用土地蒸發(fā)沼澤地水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—廣義水資源評價（3）無效蒸發(fā)林地蒸發(fā)草地蒸發(fā)植被大棵間地表截留蒸發(fā)植被大棵間土壤蒸發(fā)水域蒸發(fā)永久性冰川雪地未利用土地蒸發(fā)沙地戈壁鹽堿地裸土地裸巖石礫地其他未利用土地水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—廣義水資源評價（4）Ws＝（R＋Rg）＋（Ep＋Ess＋Ees）式中：Ws－廣義水資源量；R－地表水資源量；Rg－不重復的地下水資源量；Ep－冠層截流有效蒸發(fā)量；Ess－地面截流有效蒸發(fā)量；Ees－與地表地下不重復的土壤水有效蒸發(fā)量。有效蒸發(fā)狹義水資源水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—廣義水資源評價（5）

狹義水資源評價的口徑與傳統(tǒng)水資源評價口徑一致，指當?shù)亟邓纬傻牡乇?、地下產(chǎn)水總量（不包括區(qū)外來水量）。

水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—狹義義水資源評價

在自然和經(jīng)濟條件允許的情況下，狹義水資源中能夠被工程系統(tǒng)一次性開發(fā)利用的最大潛在量。水資源全過程動態(tài)評價理論與方法

國民經(jīng)濟可利用量等于狹義水資源量扣除基本生態(tài)需水量，同時考慮工程控制能力。Wsn＝Wr－Wen其中：Wen＝max(Wjn1,Wss1,Wxhi)＋max(Wjn2,Wss2,Wxh2)＋???＋max(Wjn12,Wss12,Wxh12)式中：Wen－年生態(tài)環(huán)境需水量；Wjni－年內(nèi)第i月的河道生態(tài)基流需水量；Wssi－年內(nèi)第i月的河道輸沙需水量；Wxhi－年內(nèi)第i月的汛期棄水量（非汛期則取0）。數(shù)量與效率評價—國民經(jīng)濟可利用量評價水資源全過程動態(tài)評價理論與方法數(shù)量與效率評價—效率評價水量水質聯(lián)合評價水資源全過程動態(tài)評價理論與方法效益評價—總體框架水資源全過程動態(tài)評價理論與方法效益評價—經(jīng)濟用水效益水資源全過程動態(tài)評價理論與方法經(jīng)濟系統(tǒng)水資源投入占用產(chǎn)出模型效益評價—生態(tài)效益評價（1）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法效益評價—生態(tài)效益評價（2）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法生態(tài)系統(tǒng)水資源投入占用產(chǎn)出模型全過程動態(tài)評價方法特點(1)水資源全過程動態(tài)評價理論與方法以降水為對象包括徑流和土壤水動態(tài)反映人類活動對水資源的擾動有能量轉化和水動力學機制采用分布式和集總式相結合的模擬方式同時監(jiān)測降水、蒸發(fā)、徑流、蓄變量水量水質聯(lián)合評價水量、水質、效率、效益統(tǒng)一評價全過程動態(tài)評價方法特點(2)水資源全過程動態(tài)評價理論與方法水資源全過程動態(tài)評價理論與方法評價工具（1）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法評價工具（2）項目指標二元模型國內(nèi)外同類先進模型功能天然水循環(huán)過程模擬能

大多數(shù)都能人工側支水循環(huán)模擬能

不能二元水循環(huán)耦合模擬能

不能考慮空間變異能

有些能下墊面變化影響分析能

很少能人工取用水影響分析能

不能徑流性水資源評價能

能（大多限于天然模擬）全口徑水資源評價能

很少能水資源動態(tài)評價能

很少能性

能模擬精度高有高有低（人類影響劇烈地區(qū)大多較低）計算速度快有快有慢（物理模型大多計算速度較慢）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法流域二元水循環(huán)模型與國內(nèi)外同類先進模型功能參數(shù)對比水資源全過程動態(tài)評價理論與方法評價工具—分布式水文模型水平結構垂直結構采用具有自主知識產(chǎn)權的WEP-L模型，本模型已在黃河流域、海河流域、松遼流域、黑河流域、長江上游地區(qū)及南水北調中線水源區(qū)得到應用。水資源全過程動態(tài)評價理論與方法集總式水資源配置模型（1）水資源全過程動態(tài)評價理論與方法集總式水資源配置模型（2）應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價在國家973項目課題“黃河流域水資源演變規(guī)律與二元演化模型”的支持下，創(chuàng)建了水資源全過程評價理論與方法，并對黃河流域水資源進行了全過程動態(tài)評價。該項成果已獲得國家科學技術進步二等獎。應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（1）應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（2）應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（3）水文氣象信息應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（4）下墊面信息應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（5）社會經(jīng)濟用水信息不考慮取用水：1956～2000年主要斷面年徑流量模擬偏差為-0.2%~-4.9%；模型Nash效率系數(shù)為0.722~0.819。耦合取用水：1956～2000年主要斷面年徑流量模擬偏差為-6.7%～1.5%;模型Nash效率系數(shù)為0.613～0.821。應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（6）模型校驗結果應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（7）水資源評價結果（A)應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（8）水資源評價結果（B)應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（9）水資源評價結果（C)應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（10）水資源評價結果（D)應用案例應用案例一：黃河流域水資源全過程動態(tài)評價（11）水資源評價結果（E)應用案例流域水循環(huán)水平通量減少，垂直通量增加徑流性水資源減少，有效的廣義水資源量增加河道徑流量減少，不重復的地下水資源量增加干流中下游徑流量減少，支流就地利用量增加隨著人類活動的持續(xù)，上述演變趨勢將加劇通