水资源配置中的生态环境需水若干问题讨论

水资源配置中的生态环境需水若干问题讨论,刘昌明中国科学院地理与资源研究所北京师范大学资源与环境学院,中国水分条件自然分带,中国水量平衡结构（各地近100个流域绘制）,A=1,EcologicallyVulnerableRegions,EcologicallyStableRegions,深圳,中国的生态环境地带分异性北方生态-环境问题南方环境-生态问题,由于“人-水”竞争激烈，挤占了维系生态系统客观需求的水量，造成了生态系统严重退化,水土流失加大,荒漠化面积增加,草地退化严重,植被覆盖率减少,水是核心问题,地带性降水补给混合补给非地带性来水径流补给,蒸腾耗水,水与植被（生态质量）的制约关系,河道功能需水要求,蒸发耗水,生态环境需水,生态环境需水曲线,生态环境需水概念与计算的讨论,生态水量名词界定,一、生态需水：在现状和未来特定目标下，维系生态环境功能的水量。二、生态用水：在现状和未来特定目标下，维系生态环境功能的实际发生的用水（引水和提水）量。三、生态耗水：对水资源而言，是在维系现状和未来特定目标生态环境功能用水过程中散失的水量。四、生态供水：提供维系现状和未来特定目标生态环境功能的降水性和径流性（包括地下径流）的水量。,其它不同的用词：1、最小生态需水量维护现有生态系统功能不继续退化。在已经形成“三生”用水矛盾、相互竞争的我国北方地区，重视生态需水，不挤占生态用水，预留最小生态需水量，应成为水资源合理配置的一条原则。,2、适宜生态需水量：以生态系统的水、热条件最佳匹配为标准。如，区域植被，其生态需水定量是由能量（净辐射Rn）换算的水分当量（通过除以蒸发潜热L）与水分收入（P）相等作为计算基础,3，流域的生态环境需水量计算流域生态环境需水量为河道内需水与河道外需水两大部分汇总。也可以由河道内、外生态功能用水的各个方面来分项计算，然后按水循环集成模型来计算,4、关于河道外的生态用水问题。从河道引出的水量，主要是生活与生产用水，过去并未专门划分生态用水的计算，但是河流中的水量来自河道外的流域面积。其流域内的土地覆盖与土地利用实际要影响汇入河道中的水量，包括绿化林草及水土保持，主要为雨水性的水利用，其利用会影响进入河道水量的减少,多年平均区域水量平衡公式：P+R入=ET+W生产+W生活+R出式中：P为降水和冰雪融水；R入为地表地下入境径流；ET为植物蒸散发；W生产为生产用水；W生活为生活用水；R出为出境地表地下径流。ET=ETP+ETR=P+R式中：ETP为植物从降水中消耗的蒸散发；ETR为植物从径流中消耗的蒸散发，即生态需水量；为植物蒸散发占降水的比例系数；为植物蒸散发利用径流的比例系数。,地带划分,高山冰雪森林草地牧场,砾、沙、洪积扇荒（灌从）漠带地表水转化地下水,潜水出露人工绿洲，农田工农业、人居用水,天然绿带，胡杨梭梭,盐沼湿地尾闾湖泊,沙漠,生态用水,山区生态用水（1),荒漠灌丛用水（2),人工绿洲用水（3）,天然绿带用水（4）,湖沼用水（4）,用水（5）,内陆区生态用水图示,地带划分,高山冰雪森林草地牧场,砾、沙、洪积扇荒（灌丛）漠带地表水转化地下水,潜水出露人工绿洲，农田工农业、人居用水,天然绿洲带，胡杨梭梭,盐沼湿地尾闾湖泊,沙漠,生态需水计算基本方法,天然绿洲带水量平衡：P4+(RS3+RG3)=ET4+ET(湖,沼)天然绿洲带生态用水：ET4+ET(湖,沼)=P4+(RS3+RG3)ETR=(RS3+RG3),ETP=P4盐沼湿地地下水位尾闾湖泊湖泊水位,山区水量平衡：P1+GL(冰雪融水)=ET1+RS1+RG1ET1=(P1+GL)-（RS1+RG1）山区生态用水：ETR=0,ETP=ET1,山前水量平衡：P2+（RS1+RG1）=ET2+（RS2+RG2）ET2=P2+（RS1+RG1）-（RS2+RG2）山前荒漠灌木生态用水：ETR=R,ETP=ET2-R,人工绿洲量水量平衡：P3+（RS2+RG2)=W(生活)+W(生产)+RS3+RG3+ET3ET3=P3+（RS2+RG2)W(生活)+W(生产)+RS3+RG3人工绿洲生态用水：归入社会经济用水,内陆区生态用水图示,山区水量平衡：P1+GL(冰雪融水)=ET1+RS1+RG1ET1=(P1+GL)-（RS1+RG1）山区生态用水：ETR=0,ETP=ET1山前水量平衡：P2+（RS1+RG1）=ET2+（RS2+RG2）ET2=P2+（RS1+RG1）-（RS2+RG2）山前荒漠灌木生态用水：ETR=R,ETP=ET2-R,人工绿洲量水量平衡：P3+（RS2+RG2)=W(生活)+W(生产)+RS3+RG3+ET3ET3=P3+（RS2+RG2)W(生活)+W(生产)+RS3+RG3人工绿洲生态用水：归入社会经济用水天然绿洲带水量平衡：P4+(RS3+RG3)=ET4+ET(湖,沼)天然绿洲带生态用水：ET4+ET(湖,沼)=P4+(RS3+RG3)ETR=(RS3+RG3),ETP=P4盐沼湿地地下水位；尾闾湖泊湖泊水位,生态用水（）,W（河道外用水）,W（河道内用水）,W(河流联系湿地用水),河道（段）内水量平衡：上游下游河道（段）内生态用水：水生物，输沙，生态基流，渗流等上游下游,河流联系湿地水量平衡：上游W(生活)+(生产)下游河流联系湿地生态用水：湖沼蒸发，河道水位W(生活)(生产)上游,河道外水量平衡：(生活)+(生产)河道外生态用水（包含生态建设）：(生活)(生产),外流区生态用水图示,河道外水量平衡：(生活)+(生产)河道外生态用水（包含生态建设）：(生活)(生产)河道（段）内水量平衡：上游下游河道（段）内生态用水：水生物，输沙，生态基流，渗流等上游下游河流联系湿地水量平衡：上游W(生活)+(生产)下游河流联系湿地生态用水：湖沼蒸发，河道水位W(生活)(生产)上游,南方湿润地区的环境生态问题-河道外生态用水主要是雨水利用，与生活和工农业用水矛盾不大；-但是水环境的污染容易发生。河湖水环境的污染会引起对水生生物与人类健康的巨大影响。因此，南方湿润地区与北方资源型缺水不同，往往是水质型缺水。,关于调水配置问题,调水配置不仅是资源型地区的缺水问题。湿润地区由于社会经济集中发展，超出水资源承载力时，也有调水配置的需要。如东深工程。,因为跨流域调水工程会引起水量平衡要素和它们的对比关系发生变化，最终导致生态系统改变。,可以从水文学的观点提出指标来解决如何控制水量平衡要素及其对比关系变化的适宜度。,自然地带性规律的理论研究表明，自然地带的划分可采用辐射干燥指数Rn/(LP)表示，Rn为净太阳辐射，L为蒸发潜热，P为降水量。,实际上该式是蒸发能力与降水量之比，因为在热量平衡中，其中PE=Rn/L代表蒸发能力的上限值。,考虑到地表产生径流的条件因地貌、土壤等地理条件而异，为了排除这种差别，可以用区域湿润度表达式来表示：WhPRs，因此可以得出调水工程规模有效控制意义的指标Cr，即：（Cr水分适宜度，E0近似于水面蒸发）：,从理论上看：当E0/Wh1时，表示地区干旱，需要补水。当E0/Wh1时的地区进行补水（T），使水量输入区的水分适宜度向1转化，即：,式中：E为蒸散发量，为径流系数。,目前广大缺水地区的值已经受人类活动的影响，数量有限的地表径流已被充分利用，使值改变，0或0，在这种条件下的适宜调水量的比值T/P和干燥指数E0/P有如下关系：(T/P)1-(E0/P)(T/P)(E0/P)1（3)在城市（工矿区，由于用水集中，调入水量由城市水资源的供需平衡b来确定，E0与p有供需平衡b与水量S来取代，即-(T/P)1-(b/S)(T/S)(b/S)1(4)在城市地区的b值的计算是以当地水资源的供需平衡为根据，其中包括城市生态与环境用水。对于城市废水r的回收和再利用，应充b或E0中扣除，即br或E0r。,以上分析表明：区域降水量与蒸发量是计算调入区适宜调水量的基本判定的参数，意义可以归纳为：调入区的调入水量是对区域水分不足的补充，在调入水量前必需充分利用当地水及其它各种水源水分和能量对利用调控维持区域生态平衡具有重要作用。配置适宜的水量即排水少，可以控制面源污染。城市与工业废水的回收、处理、利用既有助于节水又有利于环境保护，节水是“一箭双雕”。,维持生态系统的平衡，除考虑区域水资源的供需平衡外，还应综合考虑区域水能平衡、水盐平衡、水沙平衡和水量平衡及供需平衡以维护生态系统必须的水量。,水能（热）平衡：根据能量守恒原理，地表能量的收支保持平衡关系。在能量与水分平衡中，最大项之一是汽化的潜热（L）。按能量守恒，连续方程为：水量平衡方程：E=PR水分与能量之间存在着密切关联。水分与能量联系方程，即水、能（热）平衡方程，按水量单位计算时有：PR=（RnHG）/586；按能（热）量单位（用cal/g）计算时：586(PR）=RnHG。,在水利应用上采用水、热指标，即辐射干燥指数：Rn/LP。实际上Rn/L是蒸发能力与降水量之比，Rn/L代表了蒸发能力的上限值PE（PERn/L）。区域湿润度Wh表达式：Wh=P-Rs。由此得出指标Cr（水分适宜度），即：Cr=Rn/L(P-Rs)=PE/WhE0/Wh当E0/Wh，表明地区干旱，需要补水（引水灌溉）；当E0/Wh时的补水（T），使水量输入区的水分适宜度向着1转化，即：Cr=E0/（Wh）1。,水盐平衡,区域水盐平衡方程可用下式表示SB=1W1+2W2-3W3-Si+SrM盐分平衡所需的排水量粗略的估算可有两种方法：根据入海水文测站的观测资料，以河流离子径流除以离子总量，可近似推求盐分平衡相应的排水量。如：海滦河平原全区约为140亿立方米；把平原的来水量与入海水量的差值作为盐分平衡的排水量，即减少的入海水量。显然，这种估计比前一种估算要大70亿立方米。总的说来，维持盐分平衡的排水量应为140亿立方米以上。,水沙平衡,水沙平衡主要指河、渠的冲淤平衡。为了输沙排沙需要一定的水量，称为沙量平衡用水量。引黄灌溉的水量与沙量存在以下经验关系：Si0.023D0.00557以上表明，每引1亿立方米的水，就要引进285.7万立方米的泥沙。这部分泥沙主要沉积在引黄灌区的渠道内和承接引黄尾水的天然河道内。加上其他河流带进的泥沙，估计黄河平原年均泥沙沉积量在3.3亿吨以上。根据黑龙港流域南排河年淤积量与年泄水量的关系分析得知，河道年淤积量与年泄水量（年径流量）呈反比关系。当年泄水量等于9亿立方米左右时，河道出现冲淤平衡。至于沙量平衡用水量的计算，十分复杂且观测资料不足，尚不能精确的