面向生态管理和不确定性的水资源评价

第1章　绪论 1.1　水资源概况 1.1.1　水资源含义 水资源是稀缺资源之一，是人类及一切生物赖以生存的不可缺少的重要物质，也是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源，同土地、能源等构成人类经济与社会发展的基本条件。水资源系统是在一定区域内由可为人类利用的各种形态的水所构成的统一体。各类水源之间相互联系，并且可以在一定的条件下相互转化。在自然因素与人类活动的影响下，自然界各种形态的水处于不断运动与相互转换之中。水资源系统内的主要水源为大气水、地表水、土壤水和地下水，以及经处理后的污水和从系统外调入的水。 随着时代的进步，水资源的概念与内涵也在不断丰富和发展。美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）较早地采用了水资源的概念，并于1894年成立了水资源处，主要负责观测地表河川径流和地下水。此后，由于对水资源研究的深入，研究者需要对水资源的内涵做出明确的界定。《大不列颠百科全书》将水资源解释为“全部自然界任何形态的水，包括气态水、液态水和固态水的总量”，这一解释赋予了水资源十分广泛的含义。1963年英国的《水资源法》把水资源定义为：“（地球上）具有足够数量的可用水。”在不考虑水环境污染的条件下，《水资源法》对水资源的定义比《大不列颠百科全书》的定义更明确，突出了水资源应能满足人类生产生活所需量的要求。在联合国教育、科学及文化组织（United Nations Educational，Scientific and Cultural Organization，UNESCO）（以下简称联合国教科文组织）和世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）共同制定的《水资源评价活动：国家能力评估手册》中，定义水资源为：“可以利用或有可能被利用的水源，具有足够数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用。”这一定义比《水资源法》对水资源的定义更加明确，既强调了水资源的数量，又强调了水资源的质量，同时具备数量与质量（即可利用性）才能称为水资源。1988年 7月1日起施行的《中华人民共和国水法》将水资源认定为“地表水和地下水”。《环境科学词典》在1994 年定义水资源为“特定时空下可利用的水，是可再利用资源，不论其质与量，水的可利用性是有限制条件的”。《中国大百科全书》在不同的卷册中对水资源也给予了不同的解释。例如，在大气科学、海洋科学、水文科学卷中，水资源被定义为“地球表层可供人类利用的水，包括水量（水质）、水域和水能资源，一般指每年可更新的水量资源”；在水利卷中，水资源被定义为“自然界各种形态（气态、固态或液态）的天然水，并将可供人类利用的水资源作为供评价的水资源”。 水资源是一个看似简单实则复杂的概念，人们对水资源的概念与内涵有不尽相同的认知。水资源包含的种类繁多，并且处于动态变化的过程中，各种类型的水体之间可以相互转化；水资源支持的用途繁多，不同的用途对水资源的质量与数量的要求也不同；水资源的水质与水量在一定的条件下是可以改变的；此外，水资源的开发与利用还与地区的经济技术、社会条件、环境条件等因素有关。 综上所述，水资源可以被理解为是人类长期生存、生活和生产活动中所需要的各种水，既包括数量和质量含义，又包括其使用价值和经济价值。一般认为，水资源的概念具有广义和狭义之分。 狭义上的水资源是指一种可以再生的（逐年可得到恢复和更新），参与自然界水文循环的，在一定的经济技术条件下能够供人类连续使用（不断更新又不断供给使用），总是变化着的淡水资源。 广义上的水资源是指在一定的经济技术条件下能够直接或间接使用的各种水和水中物质，在社会生活和生产中具有使用价值与经济价值的水都可被称为水资源。广义上的水资源强调了水资源的经济、社会和技术属性，突出了社会、经济和技术发展水平对于水资源开发利用的制约与促进。Allan[3]于1993年在伦敦大学亚非学院研讨会上提出了虚拟水（virtual water）的概念，用于指代在生产产品和服务中需要的水量，又称嵌入水和外生水，相较于通常看得见的水，虚拟水是看不见的水。2000 年以后虚拟水已拓展出了虚拟水贸易和战略方面的研究领域。虚拟水概念与水足迹（water footprint）概念紧密相关。Aldaya等在 2002年基于虚拟水提出了水足迹这一概念，用以描述一个国家、一个地区或一个人在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源数量，其可以用于计算消费者消耗的水资源数量和产生的污水量。根据不同的类型，水足迹又可分为蓝水足迹（蓝水足迹是指产品在其供应链中对蓝水，即地表水和地下水资源的消耗，消耗是指流域内可利用的地表水和地下水的损失）、绿水足迹（绿水足迹是指对绿水即不会成为径流的雨水资源的消耗）、灰水足迹（灰水足迹是与污染有关的指标，定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染物负荷吸收同化所需的淡水的体积）。Hoekstra和Hung首次发布了《水足迹评价手册》，其后水足迹相关研究和应用引起了世界范围内的关注。 可见，随着经济技术水平的不断发展，水资源的范畴也进一步扩大，工业污水和生活污水也构成水资源的重要组成部分，可以通过对污水进行处理，使之实现循环再利用，用以弥补水资源的短缺，从根本上解决长期困扰国民经济发展的水资源短缺问题。此外，除水资源的实用价值外，人们还强调水资源的经济价值，利用市场理论与经济杠杆调配水资源的开发与利用，实现经济、社会与环境效益的统一。 本书所探讨的水资源范围比较宽泛，不仅涉及淡水资源，在某些问题中，还涉及广义的水资源。 1.1.2　全球水资源状况 水是生命之源，它覆盖了地球表面约3/4的面积，地球上的水总体积约有 13.86亿km3，然而，在水资源中只有2.5%是淡水，有3500万km3，淡水中 98.8%是冰和地下水，只有不到0.3%的淡水在河流、湖泊和大气中。若除去无法取用的冰川和高山顶上的冰冠，以及分布在盐碱湖和内海的水量，陆地上淡水湖和河流的水量不到地球总水量的1%[6]。 大气中的水通过雨、雪的形式降落到地面，但2/3左右的水为植物蒸腾和地面蒸发所消耗，可用于人类生活、生产活动的淡水资源每人每年约为1万m3。虽然水是一种地球上*丰富的化合物，但是淡水资源极其有限。在全部水资源中，97.5%是咸水，无法饮用。在余下的2.5%的淡水中，有87%是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪。人类真正能够利用的是江河湖泊及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.25%左右，而且分布不均。约65%的水资源集中在不到10个国家，而约占世界人口总数40%的80个国家和地区却严重缺水。世界各国和地区拥有水资源的数量差别很大，*主要的原因是地理环境不同。 随着经济的不断发展，人们对淡水的需求不断增加，工业化和城市化的迅速发展给人类社会带来了巨大的用水压力，淡水资源短缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。根据2019年3月19日联合国水机制（UN-Water）发布的《2019 年世界水资源发展报告》，到2050年将有超过20亿人生活在水资源严重短缺的国家，约40亿人每年至少有1个月的时间遭受严重缺水的困扰，且将会有22个国家面临严重的水压力风险。随着需水量不断增长以及气候变化影响愈加显著，水资源面临的压力还将持续升高，将会影响水资源的可持续利用，并增加使用者之间的潜在风险冲突[7]。 1.1.3　中国水资源状况 据统计，我国多年平均降水量约6190km3，折合降水深度为648mm，与全球陆地降水深度800mm相比低约20%。2018年，我国水资源总量27462.5亿m3，与多年平均值基本持平。其中，地表水资源量26323.2亿m3，地下水资源量8246.5亿m3，地下水与地表水资源不重复量为1139.3亿m3，仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚，但人均占有水资源量不足世界人均占有量的1/4，相当于美国的1/6，俄罗斯和巴西的1/12，加拿大的1/50，排在世界的第121位。从表面看，我国淡水资源相对比较丰富，属于丰水国家。但我国人口基数和耕地面积基数大，人均和亩 均量相对较小，已经被联合国列为13个贫水国家之一，按照联合国环境署的标准，我国属于状况*为严峻的水资源脆弱国家[8]。 我国水资源的突出问题可以概括为以下四点：一是供?需矛盾非常尖锐。预计到2030年，中国人口接近16×108的高峰时，预计的用水量已接近合理利用水量的上限[9]。二是我国水资源分布不均匀，不仅时空分布不均，且水资源的分布与人口、耕地的分布不相适应。从全国的层面来看，多半地区的降水量低于全国的年平均降水水平，仅为世界年平均降水量的4/5，其中有 40%的国土降水量在400mm以下。从客观的角度来看，南北方的水资源分配也存在差异。南方水资源多，水资源占全国总量的54.7%，但耕地少，耕地面积占全国的35.9%；北方则是人多地多，水资源量却不到全国的1/5。考虑到水资源在地理分布上的特点，通过跨流域调水工程实施南水北调是具有资源条件的，即可以通过调水的方法使水资源在地区间得到重新分配。另外，我国水资源在时间上具有鲜明的年际变化和年内变化特点，历史上连丰年与连枯年的出现，以及全国夏季降水多集中在6～9月，降水量占全年的60%～80%之多，一年内水资源主要补给期也是在夏季，因此需要人们兴建水利工程，以拦蓄和调节水资源。例如，兴建地面或地下水库，实行水资源地上与地下联合调蓄，解决水资源在时间上的重新分配问题。三是洪涝干旱灾害等水问题突出。水问题发生的特点逐步从局部性、自然性、偶然性事件向大范围、高强度、持续性的水资源灾害和危机方向发展，洪涝干旱等极值过程发生频率增大[9]。四是多地水资源过度开发，污染严重，引发了一系列生态与环境问题。我国水资源本身的水质很好，但由于经济发展速度过快，人们对水资源保护的重视力度不够，人为污染导致水质下降，水资源保护问题十分紧迫。我国河流的天然水质很好，但矿化度大于1g/L的河水分布面积仅为全国面积的13.4%[6]，且这些河流主要分布在我国西北人口密集程度低的地区。随着人口不断增长和工业的迅速发展，废水、污水的排放量增长也很快，由于*初对环境保护问题的忽视，水体受到了较严重的污染，尤其是人口密集、工业发达的城市，其河流污染程度更高。由于过度开采地下水及对水质的保护不足，一些城市的地下水也受到了污染，北方城市较为严重。因此，治理污染源，保护重点供水系统的水源，提高水质监测水平，已成为当前迫切的任务。我国涵养水源的森林覆盖率低，水土流失严重，河流水库的泥沙问题也比较突出。因此在水资源评价与管理中，考虑可持续发展、生态环境保护是长久的主题。 1.2　水资源管理 管理包含为了实现某种目的而进行的决策、计划、组织、指导、实施及控制的过程。水资源管理包括以下含义[6]。 （1）法律：立法、司法、水事纠纷的调解处理等。 （2）行政：机构组织、人事、教育、宣传等。 （3）经济：筹资、收费等。 （4）技术：在勘测、规划、建设、调度运行等方面构成一个由水资源开发（建设）、供水、利用、保护组成的水资源管理系统。 水资源管理系统的特点是通过开发供水系统，将自然界中有限的水资源与社会、经济、环境需水要求紧密联系起来，从而构建出一个复杂的动态系统。随着经济的发展，人类生活、生产活动对水资源的依赖性更强，对水资源管理的要求也逐渐提高。各个国家不同时期的水资源管理与其社会制度、经济发展水平等密切相关，同时与其水资源开发利用技术相关；同时，世界各国由于政治、社会、宗教、自然地理条件和文化素质水平、生产水平及历史习惯等原因，其水资源管理的目标、内容和形式也不一致。但是，水资源管理目标的确定都需要与当地国民经济发展目标和生态环境控制目标相适