水资源开发利用条件下的流域水循环研究

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摘要：针对高强度水资源开发利用条件下流域水循环研究存在的问题，从认知、试验、理论、方法四个层次探讨了适应水资源开发利用条件的流域水循环的研究方法，构建了一个以水资源配置模型与水循环模型耦合为核心，以流域供需水分析和流域生态、环境、经济综合评价为响应的多目标调控模型。利用该模型，对黄河流域水资源进行了合理配置计算。结果表明，现状条件下黄河流域缺水严重；而在未来情境下缺水将更加严重，大力节水能够较大程度缓解缺水状况。

关键词：自然-人工复合水循环；WACM模型；水资源配置；水循环模型；黄河流域

中图分类号：TV211文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）01-0044-06

1研究背景

变化环境是指由人类活动和自然过程相互交织的系统驱动所引起的一系列陆地、大气与水循环的变化[1]。随着人类活动和气候变化，人工因素对自然水循环系统的干扰愈来愈烈，特别是高强度的水资源开发利用，如人类的取水、用水、耗水、排水、调水等行为，对整个水循环过程产生了巨大的影响[2]。

经过几十年的发展和研究，学者们对于流域水文循环的研究越来越深入和细致，特别是从20世纪90年代开始涌现的分布式流域水文模型，如MIKE-SHE模型[3]、VIC模型等[4]，使得研究者可使其与气候模型（GCM“全球气候模式”）结合，开展气候条件变化下的流域水循环研究[5-6]。但是，这类研究重心放在气候变化对于水循环的影响研究方面，而在重点考虑人类活动影响条件下，特别是高强度水资源开发利用条件下的流域水循环研究方面，仍存在着诸多不足和问题。

（1）取用水总量与耗水总量关系不清楚。取用水总量易于观测和计量，方便管理，但无法反应水的资源消耗本质；而耗水总量能体现水资源的真正资源消耗量，但难以核算和管理。取用水总量与耗水总量关系密切，但缺乏成熟明确的量化表达式，仅凭经验来估算耗排水量，不够科学合理。同时，耗水总量管理方法在管理中缺失，致使取用水管理与耗水管理不相协调，取水许可方法受到限制。

（2）地表、地下用水总量与耗水总量关系不清楚。水循环过程中，地表水和地下水转化频繁，地表水与地下水之间的转化关系还未能清晰定量化。如水管理实践中往往将从河道或湖泊附近的取水井抽取的水量归为地下水统计，而实际中水是从河道渗透来的河水，其水源的归类还存在争议。因而地表地下用水总量与耗水总量的关系难以确定。同时，地下水资源的调控中，仅仅从人工地下水取用量的角度研究，人工取用地下水与地下水位的联系尚无考虑，且潜水和承压水也未能区分，由此更加难以确定其耗水关系。

（3）当地水、外调水用水总量与耗水总量关系不清楚。外调水与当地水往往通过共同的取用水设施向用水户供水，在没有明晰当地用水与耗水之间的关系之前，难以确定当地水、外调水用水总量与耗水总量之间的定量关系和转化规律，给总量控制的管理带来不便。

（4）地表水与地下水、当地水与外调水之间循环转化关系不清楚。外调水在输送及使用的过程中都可能与当地地表、地下水产生水量转化，同时当地地表水和地下水之间也在不断的转化。对于上述转化过程，其转化的具体路径、时空分布、变化特征都很难进行定量的描述，各种水源之间的循环转化关系不清楚。

（5）水循环过程中的供-用-耗-排-补-转化关系不清楚。以往常用“供-用-耗-排”来描述供用水的循环转化过程，这种提法主要是从地表水系统出发总结出来的；如果从整个水资源系统来看该提法则不够全面，应该修改为“供-用-耗-排-补-转化”，考虑水的回补与转化过程才更能够反映供用水之后整个水资源系统的变化过程，或者说水循环的变化过程。目前还很难给出水循环过程中供-用-耗-排-补-转化之间的定量关系。

（6）水资源高效利用条件下水的供-用-耗-排-补-转化关系变化。在水资源高效利用条件下，采用节水措施或者节水工艺，取水量减小，输水过程、用水过程也随之发生变化，则必然引起水资源的耗、排、补及转化过程发生改变，但目前还很难对这一过程展开有效的定量化研究。

本文将以“自然-人工”复合作用下的流域水循环机理和模型为基础，对水资源开发利用条件下的流域水循环过程展开研究，提出一种基于水资源配置的流域水循环研究方法，并以黄河流域为例进行实践应用。

2流域水循环研究的科学方法

流域自然-人工复合水循环理论[7]是解决高强度水资源开发利用条件下水循环问题的基础核心。对于上述存在问题，按照科学认知、现场实验、理论探究、解决方法四个步骤，形成一个从水循环机理认知到水循环观测实验，再到流域区域自然-人工复合水循环理论研究，最后利用水资源分配与循环转化模拟模型[8]（Water Allocation and Cycle Model ，即WACM）进行模拟计算。

2.1水循环机理的科学认知

流域水循环的客观存在是水循环研究的现实基础。在自然-人工复合作用下的流域水循环及其伴生过程中（如图1），水资源配置的结果控制着人工水循环过程，而水资源配置对应的缺水问题实际上是水的自然过程与人工过程演变失衡的结果，两者相互关联，相互作用。在目前的水循环过程中，由于受到变化环境中气候因素、下垫面因素变化，特别是人类活动影响下，流域水循环理论系统已呈现出新的规律和特点，因此不能再仅以单纯的自然水循环系统和人工水循环系统说明流域的水分演变过程和“四水”转化规律[9]，而应研究人工和自然综合因素作用下的自然-人工复合水循环系统，这既适应社会经济的发展，又满足生态建设的需求。