水账户方法及其在流域水分生产率分析中的应用

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目国家重点基础发展计划资助项目国家自然科学重点基金作者简介龙爱华男湖南安仁人博士主要从事水资源规划与生态经济研究文章编号水账户方法及其在流域水分生产率分析中的应用龙爱华王浩程国栋于福亮中国水利水电科学研究院水资源研究所北京中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室甘肃兰州摘要引入水账户理论和方法以研究流域水资源的利用状况介绍了水账户的概念体系基本数学表述尺度和平衡要素该方法根据水平衡原理对流域内不同用途的水进行分类通过分析水资源在生态经济系统中的流向流量和存量等的变化过程完整地呈现研究区内的所有用户以便分析提高可用水量的途径及节水的可能性应用该方法对黑河流域中游张掖市水资源利用情况的分析表明研究时间内田间尺度所有可用水均被损耗殆尽导致土壤水储量减少减少水分的无效损耗量是提高灌区水资源利用率的重要措施从流域尺度上看总入境水量中被损耗利用该市的水资源利用处于不可持续的极限状态昀后讨论了不同尺度水分生产率转化农业节水措施选择流域生态健康与水利用效率的关系等指出仅提高渠系利用率和渠道衬砌率等措施不能从根本上提高水分生产率水利用效率的提高应以全流域水利用效率为指标关键词水账户过程损耗水分生产率尺度转化节水型社会建设张掖市中图分类号文献标识码随着经济社会的发展农业可用水量将越来越少提高农业水分生产率将在缓解水资源竞争压力遏制环境退化和保障粮食安全方面发挥重要作用为挖掘节水潜力减少水资源浪费及非生产性利用必须制定既能获得更高生产率同时又保护或改善生态系统健康的用水策略二战后世界各国的科学家一直在努力研究水分生产率的提高问题但由于研究背景不同出发点不一工作领域相对杂乱而相互脱节因此深入理解水资源开发利用过程对现有用水模式的影响等问题以及加强不同人员之间的沟通则日益重要年国际灌溉管理研究所提出水资源利用与核算账户简称水账户研究试图通过账户方式完整呈现水资源在生态经济系统中的流向流量和存量情况辨明节水机会为水管理研究开发一套通用语言水账户是一个分析流域背景下的水利用损耗和水分生产率的分析工具它可清楚呈现水资源利用现状为不同知识背景利益团体理解和分析水资源生产利用状况提供一个通用框架和交流平台为流域水资源配置提供依据年提出水账户理论方法随后便在印度流域巴基斯坦流域斯里兰卡的地区及南部的地区开展了实例研究年等采用类似的方法分析了印度尼西亚流域土耳其西部流域的水资源利用情况模拟研究了田间灌区和流域的水分生产率进一步完善了水账户的理论本文在阐述水账户研究基本理论方法的基础上以黑河流域张掖市为实例应用该方法分析研究区的水分生产率及其尺度转化问题并就提高水分生产率与相关节水措施流域生态健康等关系进行讨论分析水账户研究的基本理论水账户概念体系水账户概念体系建立在水平衡基础上根据水平衡各要素的利用途径进行分类主要概念包括指定用途水资源和未指定用途水资源指定用途水资源指预期用于某种用途的水资源例如下游环境需水量或下游水权的出境水未指定用途水资源指没有被损耗或指定用途理论上仍可在研究区内被利用但由于缺乏蓄存能力或利用设施而流出域外的水资源域开放流域与闭合流域域指在水账户分析所涉及的时空范围存在未指定用途水资源的流域是开放流域而可用水资源被完全用于指定用途的流域属于闭合流域总流入水量和净流入水量总流入水量指以降水地表及地下水形式流入研究区的水资源总量净流入水量等于总流入水量减去研究区水账户期初到期末时间内水资源储量变化后的水量当水资源从研究区储量中被转移出去时净流入水量大于总流入水量如果储量增加则净流入水就小于总流入水量水资源损耗与非损耗利用损耗利用指在研究区内由于某种目的利用或被转移出去后不能被进一步利用的水利用非损耗利用指产生预期结果又不损耗水资源的水利用如水力发电水资源损耗是水账户的关键概念过程损耗量与非过程损耗量过程损耗量指生产预期产品所转化和损耗的水资源量如农业种植的过程损耗等于蒸腾水量加上进入植物组织的水量与过程损耗量对应非过程损耗量是被非预期生产过程损耗的水量水分生产率指总流入水量净流入水量损耗水量过程损耗量及可用水的生物物质产量或经济价值损耗比例损耗比例指过程和非过程损耗量占入境量的比例上述分类法可清晰描述研究区内水资源的利用过程是基于过程信息的水资源利用描述它突破按部门分类描述水资源分配利用状况的方法将有益利用和无效消耗进行清晰区分克服了环境经济综合核算体系框架下水资源核算账户中缺乏描述水资源利用过程的不足使有关人员能较准确地把握不同研究区水分生产率的提高潜力和水资源可持续利用的途径从评价指标体系看水账户克服了传统水效率的两个主要不足之处水账户评价指标包括了非农产业用水更清晰地呈现了非农业用户与其他用户的相互作用水账户通过追踪水资源在生态经济系统中的流向即是过程损耗还是非过程损耗流量即过程损耗量和非过程损耗量和存量即储量变化指定用途水资源量和无指定用途水资源量等过程完整呈现研究区内所有水用户辨明提高可用水量的途径及节水机会水账户的基本数学描述水账户的水平衡方程如下式中为净流入水量为总流入水量是研究区内研究时间段内的地下水量地表水量和非饱和带储水量的变化为地表流入水量和地下流入水量之和为降水为地表地下流出水量之和为蒸腾和蒸发量为过程损耗为蒸腾蒸发量与其他损耗量如嵌入产品工业汽化人畜饮用等之和为非过程损耗等于非预期的蒸腾蒸发加其他不可再利用的损耗水量如流入海洋的水量或其他无效区域的水量和重度污染的水量为总损耗指当前基础设施能力下可利用的但又未指定用途的流出水量是当前无法利用未指定用途的流出水量为指定用途水量可用水量计算方程式中指现有技术经济条件下的昀大可用水量是无论如何均不可利用未指定用途的流出水量在完全开发的情况下和均为水账户尺度及平衡要素水账户将地下水土壤水和地表水统一到一个综合框架下基本可分为田间灌区流域种尺度图是流域尺度水账户的构成分类在田间尺度水通过降水地下径流灌溉等方式进入田间后一部分通过作物蒸腾棵间蒸发灌溉入渗等方式被损耗其余部分则以地表下径流方式流出田间域或以土壤水分储存保留下来在灌区尺度大部分的水通过作物损耗掉同时也被灌区居民和牲畜生活工业生产淡水养殖以及其他农田防护林杂草树木休耕地水体等等利用在流域尺度降水一般是唯一的入境源如果存在流域间的水资源转化和地下水流动那么这些转化入境水也是重要的入境源图流域尺度水账户的构成分类据文献修改实例研究以黑河流域中游张掖市为例水资源可持续管理是黑河面临的发展机遇和严峻挑战随着全国第一个节水型社会建设试点的开展围绕提高水分生产率为核心的节水建设工程在张掖市全面展开测量不同尺度上的水分效率并试图找到水分效率在不同尺度上的变化与转化关系对流域水资源可持续利用具有重要意义水账户各平衡要素参数标定田间尺度水账户以张掖市临泽内陆河流域综合研究站试验地为例田间尺度水账户的研究区位于腾格里沙漠西南边缘的黑河流域张掖市临泽县平川乡中国生态系统研究网络临泽内陆河流域综合研究站百亩实验地内主要试验作物为春小麦净作玉米净作和带田春小麦与玉米限于篇幅详细实验过程参见文献这里不再赘述总损耗包括过程损耗和非过程损耗两部分综合各种计算蒸散耗水量方法本文采用以推荐的公式为核心的软件计算作物蒸散量即将研究区的地理位置逐月气象资料灌溉时间及制度作物类型考虑作物系数种植模式土壤湿度分为低中高种湿度类型考虑水分胁迫输入到软件制作成文件然后应用该软件进行不同作物的实际蒸散量计算由于药剂和人工辅助除草的同时使用杂草蒸散发量以处理根据当地实验成果农户灌耕经验和农业工程专家意见作物生长期内夏灌垂直渗漏按每次灌水量的处理冬灌水按灌溉量的计算土壤蒸发量测定比较复杂本文采用水量平衡方法进行计算灌区尺度水账户以临泽县平川灌区为例本文灌区水账户的研究区为田间水账户所在的平川灌区主要靠引黑河干流水灌溉时间为年月日年月日灌区水账户平衡要素分类见文献年灌区灌溉耕地农田防护林面积以二白杨为主大小牲畜各头引地表水万灌区外地表径流入境量万地下水开采万本文采用套实测数据综合计算研究区土壤湿度变化据区内个代表性地下水观测井黄二村一工程单家庄村四坝村的监测同时参考平川灌区内典型区种不同植被的土壤水分动态监测结果和土壤湿度观测数据计算得到灌区储量变化为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国生态系统研究网络临泽内陆河流域综合研究站年报平川统计站平川乡年农村经济基本情况提要本张掖市水务局关于报送年水利管理年报的报告灌区过程损耗包括作物农田防护林和渔业的蒸散尽管已有应用遥感手段测量灌区尺度作物蒸散发量的案例但鉴于遥感技术在小块地面计算上的局限因此大部分研究还是对田间尺度进行分类加总灌区尺度单一作物的蒸散计算方法与农田尺度一样将多种单一作物的蒸散发结果经面积加权后得到灌区作物的平均蒸散量农田防护林蒸散参考文献的结果进行计算渔业蒸散和自由水面蒸发参考文献计算得到由于研究区位于腾格里沙漠边缘气候干旱区内尚无生活排水设施指定用途水包括牲畜用水和生活用水总量根据年实际定额计算不大损耗率为非过程损耗包括土壤包括裸地蒸发自由水面蒸发灌溉水土壤入渗和污染个过程灌溉水土壤入渗包括土壤入渗补给和渠系渗漏的计算方法过程与田间尺度计算相同灌区内绝大部分农田为耕作历史长质地较好的灌耕土参考临泽站在平川灌区开展的农田试验结果和咨询农业专家的意见生长期灌水和冬灌水的下渗率分别按计算渠系渗漏补给系数和斗农渠渗漏系数根据年平川灌区的渠系实际情况和参考文献联合确定分别取值和流域尺度水账户以黑河流域中游张掖市为例流域尺度水账户除了要考虑土壤湿度变化和地下水储量变化还要考虑地表水尤其是水库储水的年变化黑河流域有条小支流按目前的水系和水力联系张掖市可独立划分为一个子流域年张掖市计算面积降水量径流量地下水供给量地下水储量大中型水库总蓄水潜水蒸发不可再用退化水量超类水质生活用水和工业用水数据均来自甘肃省年水资源公报流域尺度的生活包括人和牲畜工业用水损耗率分别按计算流域尺度的过程损耗主要包括农作物蒸散植被与非作物等蒸散渔业养殖水面蒸发工业和生活用水以及用于湿地环境的生态耗水农作物渔业养殖蒸散量计算方法与灌区尺度相同植被蒸散是一个复杂的物理过程和生物过程即使是模拟效果较好的非均一下垫面条件下的计算模式在实际工作中也难以推广应用因此本文采用水量平衡方法计算自由水面蒸发量按分区进行计算土壤水分蒸发计算分草地林地未利用土地和城镇包括交通用地分别进行计算各类型土地面积统计采用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所制作的黑河流域年影像图土地利用解译结果数据研究区气候干旱降雨稀少因此未利用土地城镇的蒸发量与其降水量近似草地土壤蒸发分高覆盖度平均中覆盖度平均和低盖度平均三种类型天然草场无草本覆盖区域盖度以降水近似作为其总蒸发林地土壤蒸发分有林地和灌木林地分别计算其中有林地土壤蒸发量的测量结果为考虑到未测量期间的林内大气温度和地温都较低气压梯度减小假设未测定期间土壤蒸发量也为研究区上游灌木林地的蒸发量取近似作为其年蒸发量黑河流域中游张掖市年水账户分析根据以上方法构建出张掖市年水账户田间尺度灌区尺度和流域尺度水账户结果分析如下田间尺度田间尺度上所有的灌溉水和降水都被损耗殆尽同时土壤水储量减少损耗比例高达小麦玉米带田的过程损耗比例分别为可见减少灌溉水的垂直渗透和表层蒸发如采用地膜覆盖等对提高水资源有效利用率具有重要意义净流入水量和总损耗量的单位产出小麦昀低玉米昀高因此从过程损耗单位产出角度种植玉米昀有优势尽管带田充分发挥了水肥劳力和气候资源的潜力其实物产出具有一定优势但在水源不足的地区种植带田可能会加剧水资源的紧缺状况甚至引发超采地下水在大范围内更可能对生态环境不利因此合理安排种植结构是提高水分生产率的有效途径之一灌区尺度年平川灌区内当年水分储量减少净流入水总损耗量分别占总流入水量和净流入水量的和由于自由水面土壤蒸发和渠系入渗的增加灌区尺度上的非过程损耗比例相比田间尺度明显提高占总损耗的而土壤蒸发和入渗分别占其中的和农作物蒸散发仍是过程损耗的主要部分约占过程损耗量的甘肃省水利厅甘肃省水资源公报单位损耗的经济价值为元尽管渔业养殖蒸散量只占过程损耗量的单位损耗的经济价值达元但在研究区大规模挖塘养