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基于ET的水资源水环境综合规划研究(周祖昊,王浩,秦大庸,桑学锋,游进军,张瑞美)

时间:2022-02-24 15:13:51 浏览量:
 

 

 

摘要:本文基于耗水控制理念从真实节水的角度探讨了区域水资源水环境综合规划的理论内涵,建立了基于ET的区域水资源水环境综合规划研究框架。重点包括规划原则与目标、基础模型、资源-生态-环境-社会-经济五大评价体系、评估准则、量化方法及规划指标等。

 

关键词:ET;水资源;水环境;综合规划

 

1引言

 

水资源问题已成为21世纪全球关注的热点,随着人口的不断增长和经济的快速发展,以水资源匮乏和生态环境污染为特征的水危机已成为区域社会经济持续发展的重要制约因素,流域或区域的水资源规划管理也逐渐成为国内外研究的重点。

 

国内外水资源规划发展历程不尽相同,但大体类似,大致可分为六个阶段:(1)“就水论水”的水资源规划[1]。这个阶段属于起步阶段,水资源规划考虑的关系相对简单,主要以水为核心和约束条件,以追求经济效益最大化或者缺水最少为目的,探索水资源如何满足经济发展需要[2-4]。(2)基于宏观经济的水资源规划[5-7]。由于水资源开发与区域经济特点和发展模式非常密切,Booker [5]等人将水资源管理与社会经济的发展综合考虑,许新宜、王浩[7]等人重点研究了水资源与宏观国民经济之间相互影响、相互制约的关系,提出了基于宏观经济的水资源合理配置理论方法,力图实现宏观经济和水资源合理利用的协调发展。(3)面向生态的水资源规划。随着世界性人口爆炸和社会经济快速发展,水资源开发强度越来越大,水资源的过度开发带来了各种生态恶化问题,比如河道断流、湿地萎缩、地下水出现漏斗等等。随着人类生态保护意识的提高,生态系统和社会经济系统同等重要地纳入到水资源规划中来[8-11]。(4)广义水资源规划。20世纪90年代以来,水资源危机逐渐成为世界性难题,在水资源缺乏地区,提高降水的利用效率日益得到重视。因此,蓝水资源(狭义水资源,即地表水和地下水资源)和绿水资源(或称广义水资源,即能被生态系统和经济系统直接利用的降水)的概念被提出来了[12]。在此理论基础之上,有学者提出了狭义水资源和广义水资源统一配置的水资源配置体系[13-14]。(5)基于ET(耗水)的水资源规划。以往的水资源配置主要将多种可利用水源在区域间和部门间进行调配,缺乏对水资源可消耗总量的控制。David[15]等首次提出节水中的可回收水和不可回收水概念;Keller[16]等提出了“真实节水”系列概念,强调从整个水循环不可回收的水量中进行节水(而不仅限于用水过程中的节水),引发了“人们对水资源高效利用的新思考”[17]。这一思想起先用于农业灌溉用水管理中[18-19],后被在世界银行GEF海河项目中用于流域或区域水资源规划和管理实践[17-18,20-23]。(6)水资源与水环境综合规划[1]。水资源的数量和质量都是其重要属性,两大属性密不可分,只有将水资源的数量和质量管理结合起来,才能实现水资源的科学管理。如果要实现水资源的良性循环和可持续利用,须将供水、用水、排水和污染防治等与水有关的各个方面有机结合起来。目前,国内外学者主要在分质供水、保证环境流量、基于水资源配置模型的水质水量“双总量”控制等方面进行了一些研究[24-29],研究对象和研究方式进行了大量简化。

 

国内外水资源规划主要发展脉络可归纳为三个方面:(1)规划的对象不断拓展。从最初的地表水量分配为主发展到地表水和地下水联合调度配置[2-3,26],从对当地常规水资源(地表水和地下水)进行分配发展到对常规水源和非常规水源(再生水、海水、微咸水、雨水蓄积)及外调水的统一调配[27-28],从对狭义水资源(蓝水)的分配发展到狭义水资源(蓝水)和广义水资源(绿水)统一分配[12],从对供水量的配置发展到对取水量与耗水量的统一分配[15,19-22],从对水资源量的分配发展到水量水质联合配置[23-25];(2)规划的目标不断拓展。从单一的供水效益最大化发展到对流域水资源管理目标的多属性识别[5-7],从而提出社会、经济、资源、环境、生态多维调控目标下的水资源合理配置[8-10, 29]。(3)规划的理念不断发展。在生产力发展水平低下的时代,各部门竞争用水的矛盾并不突出,水资源的本底条件并不成为开发利用的制约性因素,水资源管理的理念是“以需定供”[30]。随着人类用水量越来越大,区域之间、行业之间、人类和自然之间竞争用水的矛盾越来越突出,水资源对社会发展、生态保护的制约作用越来越显著,水资源管理的理念逐渐转变成为“以供定需”[30],但主要是“控制取水”,即首先根据水资源可持续利用的要求确定可利用的水资源量(取水量),然后根据水资源条件确定未来社会经济发展规模和生态保护目标[5-7]。随着全球水资源危机的到来,水资源紧缺形势越来越严重,一些学者认识到,控制取水并不能真正解决水资源问题,必须坚持“以供定需,控制耗水”的水资源管理理念,才能真正实现水资源的可持续利用[13-21]。

 

目前基于ET的水资源规划和水资源水环境综合才刚刚起步。传统的水资源管理注重取水控制,基于“真实节水”对ET(耗水)总量进行控制的理论、方法及技术措施体系尚在研究之中。水资源与水环境综合规划主要从水资源配置过程中考虑环境问题的角度出发开展了一些工作,没有真正体现水资源和水环境综合的理念。只有从水循环过程及伴随水循环的污染物迁移转化过程内在作用关系的基础出发,将水资源合理配置与污染治理紧密联系起来,才能真正实现水资源量和质的科学管理。本文以基于ET的水资源规划和水资源与水环境综合规划的理念为指导,初步构建了基于ET的水资源与水环境综合规划体系,包括规划理念、调控机制、规划原则、规划目标、决策思路及技术路线。

 

2基于ET的水资源水环境综合规划理论内涵

 

基于ET的水资源水环境综合规划理论内涵包括两个部分:

 

2.1基于ET的水资源规划理论内涵

 

ET是英文蒸发和蒸腾的合写词,表示水通过一切形式由液态转化成气态的过程。在我国世行贷款开展节水灌溉项目中,世行提出以“真实节水”为手段,实现项目区农业增产增收和水资源可持续利用的目标[32]。“真实节水”的含义为减少项目区ET消耗量,只有减少水分的蒸发蒸腾,才是区域水资源量的真正节约。

 

基于ET的水资源规划与传统的水资源规划是有区别的。传统的水资源管理,注重取水管理,节水的效果主要由取水量的减少来衡量,取水的减少量等同于节约的水量。因此在进行水资源规划时,主要在区域间和部门间分配各种可利用的水源,缺乏对ET总量的分配和控制。其结果是,发达地区或者强势部门通过提高水的重复利用率和消耗率,在不突破许可取水量的限制的条件下,将消耗更多的水量(增加ET),在区域/流域水资源条件(区域/流域总的可消耗ET)基本不变的情况下,这就意味着欠发达地区或者弱势部门如农业、生态等部门可使用的水资源将被挤占。越是在水资源紧缺的地区,这种矛盾越是突出。因此,按照传统水资源规划理念,水资源利用的公平性并不能真正得到保证,生态系统的安全也并不能真正得到保障。所以,只有对ET进行控制才能真正实现流域/区域水资源的可持续利用。对ET进行控制,不仅需要从流域/区域整体对ET进行控制,还需要对局部区域的ET进行分别控制。否则,即使整个流域/区域 ET得到控制,由于局部的ET控制没有实现,可能会造成局部的水资源问题。

 

与传统取水控制一样,对ET的控制并不意味着社会发展停滞不前。在不突破流域/区域ET总量的前提下,通过调整ET在时空上和部门间的分配,通过提高各部门ET利用的效率,减少低效和无效ET,增加高效ET,仍然能够促进经济发展和社会进步。

 

因此基于ET的水资源规划理念包括两层含义:(1)控制ET总量。从流域/区域整体控制住总的ET量,确保流域/区域总ET不超过可消耗ET,实现水资源的可持续利用。(2)提高ET效率。从流域/区域整体提高水分生产水平,促进社会经济持续发展。基于ET水资源规划首先要根据水资源本底条件确定流域/区域可消耗ET量,然后从广义水资源角度出发,在综合考虑自然水循环的“地表-地下-土壤-植被”四水转化过程中产生的ET和社会水循环的“供水-用水-耗水-排水”过程中产生的ET的基础上,进行各区域、各部门ET的分配,确保区域总ET(自然ET和社会ET)不超过可消耗ET的要求。

 

2.2水资源和水环境综合规划理念

 

水量水质联合配置的研究在近年得到了重视,从配置模拟计算的角度分析,水量水质联合配置存在三个层次。第一个层次是基于分质供水的水量配置;其次是在水循环基础上添加污染排放和控制等要素,实现在水量过程模拟基础上的水质过程分析,进而进行水量配置;第三个层次就是在动态联合水量和水质实现时段内紧密耦合的动态模拟。目前的研究主要还集中在第一个层次,对于第二层次有所涉及,但是还不够系统,需要作更深层面的研究,到第三个层次才真正属于水资源与水环境综合规划的范畴。

 

水资源与水环境综合规划理念包括两层含义:(1)水资源与水环境综合规划要考虑两者之间相互影响的关系。从供水来说,由于不同用户对水质的要求不同,所以水资源配置需要综合考虑用户要求和水体水质条件,实现分质供水、优水优供;而要达到水体水质要求,污染排放应该按照水体水质要求进行严格控制,确保水质安全。从污染控制来说,一方面需要根据不同水体对水质的要求,按照环境容量大小进行削减,实现总量控制基础上的达标排放;另一方面,在水资源配置过程中要留足环境容量,以使得污染削减的代价切实可行;这两方面须综合考虑,确定最佳平衡点。(2)水资源规划与水环境规划要基于水循环与污染迁移转化基础。水循环和伴随水循环的污染物迁移转化过程密不可分,这是水资源具有量和质两方面属性的基础,也是水资源与水环境综合规划的基础。因此,只有在充分分析水循环过程与污染物迁移转化过程的基础上,才能保证水资源与水环境规划的科学性。

 

3基于ET的区域水资源水环境综合规划调控机制

 

作为自然资源的水首先具有自然属性,同时具备为所在生态系统中承担功能的生态属性,在人类社会对水资源进行开发利用之后之外增加了社会属性、经济属性和环境属性。因此,在现代水循环结构中,水资源具有自然、社会、经济、生态和环境五维属性。在水的资源、生态、社会、经济、环境五维属性之间充斥着矛盾与竞争,基于ET的水资源与水环境综合规划应当以ET为核心,针对不同维的需求建立相应的决策机制。

 

(1)以ET(耗水)为中心的水平衡机制。流域水资源演化是诸多水问题产生的共同症结所在,过多的ET(耗水)是造成水资源短缺、水生态退化的关键因素,因此基于ET的水资源与水环境综合规划首先要遵循ET为中心的水平衡机制。

 

水平衡决策机制包括三个层次:第一个层次是流域/区域整体的水量平衡机制,是流域/区域总来水量(包括降水量和从流域外流入本流域的水量)、蒸腾蒸发量(即净耗水量)、排水量(即排出流域之外的水量)之间的水量平衡,其目标是以水量平衡为条件界定满足流域/区域水循环稳定健康的经济和生态总可耗水量。第二个层次是资源量平衡机制,包括径流性水资源量、经济用水耗水量和排水量之间的平衡关系进行分析,其目标是界定满足流域/区域水循环稳定健康的国民经济取用水量、可消耗水量。第三个层次是社会水循环水量平衡,分析计算各种水源对国民经济各部门之间、不同时段的供用耗排水平衡,其目标是界定满足流域/区域水循环稳定健康的国民经济各部门取用水量、可消耗水量。

 

(2)以可持续为中心的生态决策机制。生态决策机制的核心是水资源利用的可持续性,要求在实现经济用水高效和公平的同时,需要考虑水循环系统本身健康和对相关水生态系统的支撑。

 

在水资源紧缺地区,社会经济用水和生态环境用水竞争强烈,必须在经济社会发展与生态环境保护之间确定合理的平衡点。将水资源开发利用、社会经济发展、生态环境保护放在流域水资源演变和生态环境变化的统一背景下进行研究,以流域为基础, 以经济建设和生态安全为出发点,根据水分条件与生态系统结构的变化机理,在竞争性用水的条件下,通过比较和权衡,确定合理的生态系统耗水量和国民经济耗水量,既能使生态系统保持相对稳定和功能的协调,又能使经济建设受到较小的影响。

 

(3)以公平为核心的社会决策机制。社会决策机制的核心是水量分配和污染治理的公平性,包括区域间的公平性、时间段上的公平性、行业间的公平性、代际间的公平性。通过社会决策机制能体现水资源配置和污染治理对不同地区、行业和群体利益的协调,保障社会发展的均衡性。

 

(4)以边际成本和社会净福利为中心的经济决策机制。经济决策机制体现水资源和水环境调控的高效原则,水资源合理配置与污染控制的经济决策机制是根据社会净福利最大和边际成本替代两个准则确定合理的水资源配置指标和污染控制指标。

 

经济决策机制包括宏观和微观两个层面。在宏观经济层次,抑制水资源需求、降低ET(降低水资源消耗)和减少污染产生需要付出代价,增加水资源供给、增加可消耗ET(从外部调水、增加海水利用)和加大污染治理力度也要付出代价,两者间的平衡应以更大范围内的全社会总代价最小(社会净福利最大)为准则。在微观经济层次,不同水平上抑制水资源需求、降低ET和减少污染产生的边际成本在变化,不同水平上增加水资源供给、增加可消耗ET和加大污染治理力度的边际成本也在变化,二者的平衡应以边际成本相等或大体相当为准则,从用水、耗水及治污产生的效益和社会福利基础上分析水资源和水环境调控的方向,通过不同的水资源利用方式和污染控制方式实现在公平基础上对水资源更高效的利用和水污染的防治。

 

(5)以水量水质联合配置为中心的环境决策机制。环境决策机制的核心是关注水环境质量对社会的综合效益。通过环境决策机制能在水量水质演化的基础上提出水环境承载能力下的行业最大可排水量准则,控制断面水环境要求以及水功能区划要求的水量利用和污水排放双重控制。同时,还需要在配置决策中量化水污染损失,确定污染负荷排放以及污水处理再利用的阈值指标。

 

4基于ET的水资源水环境综合规划原则及规划目标

 

4.1规划原则

 

水资源与水环境的开发、利用、治理、配置、节约和保护等活动,以水资源的可持续性、高效性、公平性和系统性为原则进行科学综合规划。(1)可持续性原则表现在为实现水资源的可持续利用,区域发展模式要适应当地水资源条件,水资源开发利用必须保持区域的水土平衡、水盐平衡、水沙平衡、水化学平衡和水生态平衡。(2)高效性原则是通过各种措施提高参与生活、生产和生态过程的水量及其有效程度,增加对降水的直接利用;减少水资源转化过程和用水过程中的无效蒸发,提高水资源利用效率及效益,增加单位供水量对农作物、工业产值和GDP的产出;减少水污染,增加有效水资源量,特定水质等级的水只能用于符合供水标准的用途。(3)公平性原则具体表现在增加地区之间、近期和远期之间、用水目标之间、用水人群之间对水量和水环境容量的公平分配。(4)系统性原则表现在对地表水和地下水统一分配,对当地水和过境水统一分配,对原生性水资源和再生性水资源统一分配,对降水性水资源和径流性水资源统一分配。考虑问题时不仅要将水量平衡和水环境容量平衡联系起来,还要将流域水资源循环转化过程和国民经济用水的供、用、耗、排过程联系起来,用系统的原则来指导水资源的合理利用。

 

4.2规划目标

 

基于ET的区域水资源水环境的综合规划是从广义水资源的角度来进行区域ET总量控制及定额管理,主要体现在资源、生态、环境、社会、经济等五大目标上。(1)资源目标主要反映在满足一定约束条件下通过区域水资源的高效利用使水循环系统达到最好的补给排泄状态;(2)环境目标主要为通过控制区域污染物的排放,达到区域水环境质量最好;(3)生态目标体现在陆域生态系统和海域生态系统状态最好,如水生态达到水生态功能区划要求,近海岸生态得到改善。(4)社会目标是为实现现代社会整体高速发展,在水资源水环境综合规划中要体现稳定、和谐的理念,主要体现为保证人饮安全,实现区域间供水公平;(5)经济目标主要为实现区域粮食不减产,农民不减收,经济效益最大。

 

5基于ET的水资源水环境综合规划决策思路

 

5.1决策方法

 

水资源与水环境系统属于典型的复杂巨系统,水资源与水环境综合规划属于半结构化的多层次、多目标、多决策者的决策问题。国内外对此类半结构化问题进行了大量研究,提出了很多求解方法,大体可以分为两类:一类是优化方法,即在一定的约束条件下通过设定某种寻优规则,对设定的目标进行自动寻优的方法,如线性规划、非线性规划、动态规划、大系统优化、多目标决策以及近些年发展起来的神经网络、遗传算法等等;另一类是模拟方法,即在计算机上模拟系统行为的方法,这种方法结合人工优选,可以获得决策问题的满意解。

 

优化方法和模拟方法各有优缺点,主要包括以下五个方面[33]:(1)优化方法可以自动寻找问题的最优解,而模拟技术只能提供系统对特定输入的响应;(2)优化方法是一种全面搜索方法,而模拟技术仅对部分方案进行模拟;(3)优化方法一般需对模型结构和系统约束作出简化假设,因此复杂的问题的仿真效果将受到较大影响,而模拟模型对模型简化较少,对复杂问题的仿真性能要强得多;(4)优化方法寻优规则事先设定,不易结合专家知识和经验,而模拟方法能更加方便地融合专家知识和经验,因此更加灵活、适应性更强;(5)优化方法需要反复迭代,计算量大,对复杂问题计算效率较低,模拟方法可以通过人工优选去掉劣等方案,大大缩小寻优的范围。

 

基于ET的水资源与水环境综合规划涉及到社会、经济、资源、环境、生态五大系统,同时又关系到多个目标、多个准则、不同层次多个利益主体之间的博弈和权衡,而且基于水资源与水环境综合规划理念要求规划过程要在详细进行水质水量耦合模拟的基础之上进行。如果采用优化方法,不仅多种目标、多种准则之间、多个决策者之间的权衡难以合理表现,构建模型时复杂的水循环及污染迁移转化关系也要作大量简化,势必影响规划的合理性,而且规划问题的决策变量众多,解空间太大,优化工作的计算量也是难以忍受的。因此,在如此复杂的规划问题决策过程中,推荐采用模拟方法,以便结合专家经验和领导意图进行可行的决策。

 

5.2决策思路

 

主要分为“方案设置-情景模拟-方案评价-方案推荐”四个步骤,具体包括:

 

(1)方案设置。针对流域/区域水资源和水环境中存在的问题,分析提出各种可能的解决方案,包括水资源利用方案及流域/区域目标ET(在某个水平年允许消耗的ET)方案、有利于控制ET的节水方案、水生态修复方案、水环境修复方案,然后对各类方案进行组合筛选,形成备选的综合规划方案集。

 

(2)情景模拟。根据流域/区域水循环和水环境特点,构建“地表水-土壤水-地下水-植被水”耦合模拟、“自然-人工”水循环耦合模拟、水量和水质耦合模拟的分布式模型系统(详见《基于ET的水资源水环境综合规划研究(Ⅱ)- 模型》),对备选的综合规划方案进行详细模拟,计算各种备选方案情景下,水循环和污染迁移转化过程的情况,包括水循环过程中自然和社会ET各项分量、河道断面流量、地下水位变化、各水源供水量、各部门用水量等指标,以及污染迁移转化过程中污染产生量、入河量、河道断面水质等指标,为规划方案评价优选提供基础。

 

(3)方案评价。首先根据基于ET的水资源与水环境综合规划原则,对规划的五大目标细化成五大类指标体系(见表1)。方案评价就是在情景模拟的基础上,对细化指标进行量化,然后进行比较优选。在细化指标中,一部分属于强约束,比如流域/区域总ET应小于目标ET限制、地下水开采应小于目标开采量等等,这部分指标必须满足要求,否则方案属于不可行方案;还有一部分属于可以进行权衡的指标,如各种生态用水量、经济效益等等,不同的方案可以在这些指标上进行权衡,选出较好的方案作为推荐方案。

 

(4)方案推荐。根据推荐的方案,提出各推荐方案对应的水资源与水环境综合规划指标,作为水资源与水环境综合管理的依据。

 

6基于ET的水资源水环境综合规划指标

 

进行区域水资源水环境综合管理时,需要根据优选推荐出来的方案,进一步提出不同单元、不同部门、不同水源量化控制指标,通过这些指标实现ET控制及水资源与水环境协调持续发展。本文根据基于ET的水资源与水环境综合规划要求,提出七项规划指标(七大总量控制),这七项指标是:(1)ET总量控制指标,包括生活、一产、二产、三产和生态系统ET控制指标,确保流域/区域整体及局部ET不超过目标ET要求,各用水部门ET不超过目标ET要求,实现水资源可持续利用;(2)地表水取水总量控制指标,包括生活、一产、二产、三产和生态系统地表水取水量控制指标,确保地表水不被过度引用,保证河流健康;(3)地下水开采总量控制指标,包括生活、一产、二产、三产地下水开采量指标,确保流域/区域整体及局部地下水超采得到控制并逐步实现采补平衡;(4)国民经济用水总量控制指标,包括生活、一产、二产、三产用水指标,确保各部门用水不超过分配的份额;(5)生态用水总量控制指标,包括河道内、河道外用水控制指标,河道外用水进一步细化为城镇绿化、城镇河湖、林草、河湖湿地用水控制指标,确保城镇生态逐步达到宜居要求,河道内生态、河湖湿地生态系统逐步得到修复;(6)排污总量控制指标,包括点源和非点源排污控制指标,点源又可细化为城镇生活和城镇二三产排污量等指标,非点源又可细化为农业、畜禽养殖、农村生活、城镇径流排污量等指标,确保河流水质逐步达到水功能区划标准;(7)重要断面水质水量控制指标,包括行政区界断面(省界、地市界、县界)及入海断面的水量水质控制指标,保证行政区之间协调发展,保证近岸海域生态安全。

 

7基于ET的水资源水环境综合规划技术路线

 

开展基于ET的水资源水环境综合规划,总体上按照“信息采集-模型构建-方案制定-支撑管理”的思路进行(见图1)。具体包括以下七个步骤:(1)进行现状分析,即开展流域/区域社会经济调查、水资源量调查、用水和耗水(ET)调查、水生态调查、排污和水质调查,从ET控制的角度揭示水资源管理中存在的问题,同时揭示水环境和水生态问题;(2)构建规划模型,即根据基于ET的水资源与水环境综合规划的原则、目标要求,构建体现基于ET的水资源规划理念和水资源与水环境综合规划理念的规划模型,提出基于水循环与污染迁移转化动态耦合模拟基础上的决策思路;(3)进行方案分析,即通过对各种水资源利用及ET控制方案、控制ET的节水方案、水生态修复方案、水环境修复方案进行分析,综合形成备选的规划方案集;(4)开展情景模拟,即在基于ET的水资源和水环境综合规划模型基础,计算各种备选方案情景下水循环和污染迁移转化的情况,为进行规划方案评价优选提供基础;(5)进行方案评价,即在情景模拟的基础上,根据基于ET水资源与水环境综合规划原则和规划目标,对各种备选方案进行比选,提出各方都满意的推荐方案;(6)制定规划指标,即按照推荐方案,提出各推荐方案对应的七大总量控制指标,作为水资源与水环境综合管理的依据。

 

8结论

 

本文建立的基于ET的区域水资源水环境综合规划是基于ET的水资源,以“耗水”替代“取水”,以有限水资源消耗量为上限条件,以耗水量控制为基础,最终实现区域水资源高效利用;是水资源量节约,更注重资源性节水。

 

本文建立的基于ET的水资源与水环境综合规划框架实现了天然水循环和人工水循环、国民经济用水和生态环境用水、国民经济内部各用水户以及水量和水质的一体化控制,并建立了区域水资源与水环境综合规划的评价指标及方法,提出了用于区域水资源水环境综合规划的七大控制指标。可实现水资源在社会经济和生态环境系统中高效利用,以满足区域社会经济可持续发展及生态环境和谐发展。

 

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