水资源配置中的生态环境需水若干问题讨论

1、水资源配置中的生态环境水资源配置中的生态环境需水若干问题讨论需水若干问题讨论刘昌明刘昌明中国科学院地理与资源研究所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北京师范大学资源与环境学院中国水分条件中国水分条件自然分带自然分带中国水量平衡结构（各地近中国水量平衡结构（各地近100个流域绘制）个流域绘制）A = 1EcologicallyVulnerableRegionsEcologicallyStableRegions深圳深圳中国的生态环境地带分异性中国的生态环境地带分异性北方北方生态生态-环境问题环境问题南方南方环境环境-生态问题生态问题 水土流失加大水土流失加大荒漠化面积增加荒漠化面

2、积增加草地退化严重草地退化严重植被覆盖率减少植被覆盖率减少蒸腾耗水蒸腾耗水蒸发耗水蒸发耗水生 态 环 境 需 水 最最小小生生态态环环境境需需水水 生生态态环环境境需需水水 生生存存阈阈值值 良良好好状状态态 生态环境需水曲线生态环境需水曲线 生态环境需水概念与计算的讨论生态水量名词界定生态水量名词界定一、一、生态需水：生态需水：在现状和未来特定目标下，维系生态在现状和未来特定目标下，维系生态环境功能的水量。环境功能的水量。二、二、生态用水：生态用水：在现状和未来特定目标下，维系生态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。环境功能的实际发生的用水（引水和提水）

3、量。三、三、生态耗水：生态耗水：对水资源而言，是在维系现状和未来对水资源而言，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。特定目标生态环境功能用水过程中散失的水量。四、四、生态供水：生态供水：提供维系现状和未来特定目标生态环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。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：其它不同的用词：1 1、最小生态需水量、最小生态需水量维护现有生态系统功能不继续维护现有生态系统功能不继续退化。在已经形成退化。在已经形成“三生三生”用水用水矛盾、相互竞争的我国北方地区，矛盾、相互竞争的我国北方地区，

4、重视生态需水，不挤占生态用水，重视生态需水，不挤占生态用水，预留最小生态需水量，应成为水预留最小生态需水量，应成为水资源合理配置的一条原则。资源合理配置的一条原则。 2、适宜生态需水量：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需水与河道外需水两大部分汇总。也可以由河道内、外生态总。也可以由河道内、外生态功能用水的各个方面来分项计功能用水的各个方面来分项计算，

5、然后按水循环集成模型来算，然后按水循环集成模型来计算计算 4、关于河道外的生态用水问题。、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中的水量，包括绿化林草及水土保持，主要为持，主要为雨水性雨水性的水利用，其利用的水利用，其利用会影响进入河道水量的减少会影响进入河道水量的减少

6、多年平均区域水量平衡公式：多年平均区域水量平衡公式： P+RP+R入入= ET+W= ET+W生产生产+W+W生活生活+R+R出出 式中：式中：P P为降水和冰雪融水；为降水和冰雪融水； R R入入为为地表地下地表地下入境径流；入境径流； ETET为植物蒸散发；为植物蒸散发； WW生产生产为生产用水；为生产用水； WW生活生活为生活用水；为生活用水； R R出出为出境为出境地表地下地表地下径流。径流。 ET = ETET = ET P P + ET+ ET R R =P + RP + R式中：式中： ETET P P 为植物从降水中消耗的蒸散发；为植物从降水中消耗的蒸散发； ETET R R

7、为植物从径流中消耗的蒸散发，即生态需水量；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；为植物蒸散发占降水的比例系数；为植物蒸散发为植物蒸散发利用径流的比例系数。利用径流的比例系数。地带划分地带划分高山冰雪高山冰雪森林草地森林草地牧场牧场砾、沙、洪积扇砾、沙、洪积扇荒（灌从）漠带荒（灌从）漠带地表水转化地下水地表水转化地下水潜水出露潜水出露人工绿洲，农田人工绿洲，农田工农业、人居用水工农业、人居用水天然绿带，胡杨天然绿带，胡杨梭梭梭梭盐沼湿地盐沼湿地尾闾湖泊尾闾湖泊沙漠沙漠生态用水生态用水山区生态用水（山区生态用水（1 )荒漠灌丛用水荒漠灌丛用水 （2 )人工绿洲用

8、水人工绿洲用水 （3）天然绿带用水天然绿带用水 （4）湖沼用水湖沼用水 （4）用水用水 （5）内陆区生态用水图示内陆区生态用水图示地带划分地带划分高山冰雪高山冰雪森林草地森林草地牧场牧场砾、沙、洪积扇砾、沙、洪积扇荒（灌丛）漠带荒（灌丛）漠带地表水转化地下地表水转化地下水水潜水出露潜水出露人工绿洲，农田人工绿洲，农田工农业、人居用水工农业、人居用水天然绿洲带，胡杨天然绿洲带，胡杨梭梭梭梭盐沼湿地盐沼湿地尾闾湖泊尾闾湖泊沙漠沙漠生态需水计算基本方法生态需水计算基本方法天然绿洲带水量平衡：天然绿洲带水量平衡：P4 + (RS3 + RG3) = ET4 + ET(湖湖,沼沼)天然绿洲带生态用水：天

9、然绿洲带生态用水：ET4 + ET(湖湖,沼沼) = P4 + (RS3 + RG3)ETR= (RS3 + RG3), ETP= P4 盐沼湿地盐沼湿地 地下水位地下水位尾闾湖泊尾闾湖泊 湖泊湖泊水位水位山区水量平衡：山区水量平衡： P1 + GL ( 冰雪融水冰雪融水) = ET1 + RS1 + RG1 ET1 = (P1 + GL ) -（ RS1 + RG1 ）山区生态用水：山区生态用水： 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 ）山前荒漠灌木生态用水：山前荒漠灌木生态用水：ETR= R,ETP= ET2 -R,人工绿洲量水量平衡：人工绿洲量水量平衡： P3 + （ RS2 + RG2)=W(生活生活)+ W(生产生产)+RS3 + RG3 + ET3ET3 = P3 + （ RS2 + RG2) W(生活生活)+ W(生产生产) +RS3 + RG3 人工绿洲生态用水：人工绿洲生态用水：归入社会经济用水归入社会经济用水内陆区生态用水图示内陆区生态用水图示山区水量平衡：山区水量平衡： P1 + GL ( 冰雪融水冰雪融水) = ET1 + RS1 + RG1 ET1 = (P1 + GL ) -（

11、 RS1 + RG1 ）山区生态用水：山区生态用水： 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 ）山前荒漠灌木生态用水：山前荒漠灌木生态用水：ETR= R, ETP= ET2 -R,人工绿洲量水量平衡：人工绿洲量水量平衡： P3 + （ RS2 + RG2)=W(生活生活)+ W(生产生产)+RS3 + RG3 + ET3 ET3 = P3 + （ RS2 + RG2) W(生活生活)+ W(生产生产) +RS3 + R

12、G3 人工绿洲生态用水：归入社会经济用水人工绿洲生态用水：归入社会经济用水天然绿洲带水量平衡：天然绿洲带水量平衡： P4 + (RS3 + RG3) = ET4 + ET(湖湖,沼沼)天然绿洲带生态用水：天然绿洲带生态用水： ET4 + ET(湖湖,沼沼) = P4 + (RS3 + RG3) ETR= (RS3 + RG3), ETP= P4 盐沼湿地盐沼湿地 地下水位；地下水位；尾闾湖泊尾闾湖泊 湖泊湖泊水位水位 生态用水（生态用水（）W（河道外用水）（河道外用水）W（河道内用水）（河道内用水） W W( (河流联系湿地河流联系湿地用水用水)河道（段）内水量平衡：河道（段）内水量平衡： 上

13、游上游 下游下游河道（段）内生态用水：水生物，河道（段）内生态用水：水生物，输沙，生态基流，渗流等输沙，生态基流，渗流等 上游上游 下游下游河流联系湿地河流联系湿地水量平衡：水量平衡： 上游上游 W W(生活生活)+(生产生产) 下游下游河流联系湿地生态河流联系湿地生态用水：用水：湖沼蒸发，河道水位湖沼蒸发，河道水位W W (生活生活) (生产生产) 上游上游河道外水量平衡：河道外水量平衡：(生活生活)+(生产生产)河道外生态用水（包含生态建设）：河道外生态用水（包含生态建设）：(生活生活)(生产生产) 外流区生态用水图示外流区生态用水图示河道外水量平衡：河道外水量平衡：(生活生活)+(生产生

14、产)河道外生态用水（包含生态建设）：河道外生态用水（包含生态建设）：(生活生活)(生产生产)河道（段）内水量平衡：河道（段）内水量平衡： 上游上游 下游下游河道（段）内生态用水：水生物，输沙，生态基流，渗流等河道（段）内生态用水：水生物，输沙，生态基流，渗流等 上游上游 下游下游河流联系湿地河流联系湿地水量平衡：水量平衡： 上游上游 W W(生活生活)+(生产生产) 下游下游河流联系湿地生态河流联系湿地生态用水：湖沼蒸发，河道水位用水：湖沼蒸发，河道水位W W (生活生活) (生产生产) 上游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

15、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。 l 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。l 可以从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。l 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 表示，Rn为净太阳辐射，L为蒸发潜热， P为降水量。l 实际上该式是蒸发能力与降水

16、量之比，因为在热量平衡中， 其中 代表蒸发能力的。l 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：v当 E0/Wh1 时，表示地区干旱，需要补水。v当 E0/Wh 1 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： 通过跨流域调水使水分适宜度Cr 1 1，从而改善调入区农 业生态条件 。根据方程（1）和（2），可以得到：1/0TWEChr（2）PTEPTPE0/1/ 式中：E为蒸散发量，为径流系数

17、。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

18、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：l 调入区的调入水量是对区域水分不足的补充，在调入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量前必需充分利用当地水及其它各种水源l 水分和能量对利用调控维持区域生态平衡具有重要作水分和能量对利用调控维持区域生态平衡具有重要作用。配置用。配置适宜的水量即排水少，可以控制面源污染。l 城市与工业废水的回收、处理、利用既有助于节水又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，节水是有利于环境保护，节水是“一箭双雕一箭双雕”。维持生态系统的平衡，除考虑维持生态系统的平衡，

19、除考虑区域水资源的供需平衡外，还区域水资源的供需平衡外，还应综合考虑区域应综合考虑区域水能平衡、水水能平衡、水盐平衡、水沙平衡和水量平衡盐平衡、水沙平衡和水量平衡及供需平衡及供需平衡以维护生态系统必以维护生态系统必须的水量。须的水量。 水能（热）平衡：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 = P R 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： P R =（Rn H G）/586； 按能（热）量单位（用cal/g）计算时：

20、586 ( P R）= Rn H G。00PLEGHRn 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/Wh E0/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：n根据入海水文测站的观测资料，以河流离子径流除