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海河流域用水平衡及生态用水保障措施探讨
2007年03月09日 来源: 水资源与水工程学报 作者: 魏彦昌 等 浏览：
摘 要: 从经济用水和生态用水两方面对海河流域用水平衡进行了分析, 结果认为海河流域水资源短缺严重。生态用水是保证流域生态、经济可持续发展的前提和根本, 但该流域生态缺水量占总生态用水量的比例都在80 % 以上。重点分析了农业节水对保障生态用水的贡献, 现阶段海河流域农业节水总潜力为43. 2 亿m3。本文从农业节水的角度入手, 对流域生态用水的保障措施进行了探讨, 认为综合考虑流域的节水潜力和调水供水补给后, 生态用水有望得到充分的保障。
关键词: 用水平衡; 生态用水; 保障措施; 海河流域
中图分类号: P333; TV 213. 4; X143 文献标识码: A 文章编号: 16722643X (2006) 0120011204
En sure mea sures of wa ter ba lance and ecolog ica l wa ter needs in Ha ihe ba s in
WEIYan-chang, M IAO Hong, OUYANG Zh i-yun, WANG Xiao-ke
(K ey L ab of S y stem s E cology , R esearch Center f or E co2env ironm ental S ciences, Ch inese A cad emy of S ciences, B eij ing 100085, Ch ina )
Abstract: The w ater balance in Haihe basin w as analyzed th rough two aspect s of econom ic w ater u se and eco logical w ater u se, the resu lt s show n that the situat ion of w ater scarcity is very seriou s in th is basin. The eco logical w ater needs p rovided the foundat ion fo r eco logical and econom ic su stainab le developm en t. Bu t the ab sence of eco logical w ater needs is mo re than 80%. In th is paper the con t ribu t ion of agricu ltu ral w ater saving to en su re eco logical w ater needs w as studied in detail. In p resen t, the to tal po ten t ial capacity of agricu ltu ral w ater saving is 4. 32×109m 3. F rom agricu ltu ral w ater saving, the en su re m easu res of eco logical w ater needs w ere studied and belived that by con sidering the w ho le capacity of w ater saving and Sou th- No rthW ater T ran sfer Schem e, eco logical w ater needsm ay be en su red in Haihe basin.
Key words: w ater balance; eco logicalw ater requ irem en t; en su re m easu res; Haihe basin
生态用水是指为维护生态系统的特定结构、生态过程和生态系统服务功能的用水量[ 1 ]。近年来, 随着水资源短缺的加剧和生态环境问题的日益严重,生态用水研究成了国内外生态学家、水文学家及其它相关领域科技人员的高度重视[ 2, 3 ]。生态用水的研究包括了从概念描述到计算方法到实例应用全过程, 研究范围也涵盖了森林、河流、绿洲、城市等生态系统类型[ 4～ 6 ]。然而生态用水研究的目的并不是简单计算出生态用水量, 而是为了恢复和改善破坏的生态环境, 使生态用水在水资源分配中占有合理份额。以往的大多数研究成果都是停留在生态用水总量的计算上, 很少对所求得的生态用水量在实际水资源分配中能否得到实现以及如何实现进行探讨,使研究结果只是作为了研究结果, 缺乏实际意义。使生态用水在水资源分配中占有合理份额, 需要综合研究社会、经济、环境协调发展, 对区域生态用水的保障措施进行深入研究。本研究在对海河流域用水平衡分析的基础上, 探讨了从农业节水方面来保障海河流域生态用水的一些措施, 期望起到抛砖引玉的作用, 推动我国生态用水保障措施的深入开展。
1 海河流域用水平衡分析
1. 1 流域经济用水分析
海河流域是我国政治经济文化中心, 经济发展速度很快。从建国初期的1952 年到1998 年, 国内生产总值从185 亿元增加到6 109 亿元, 增长了33 倍;农业总产值从204 亿元增加到1 456 亿元, 增长了7.1 倍; 工业总产值从41 亿元增加到11 947 亿元, 增长了289 倍。同时, 海河流域人口数量也在不断增加。人口自然增长率虽然从30 ‰下降到7 ‰左右, 但人口总数已由最初的5 791 万人剧增到1. 22亿人。海河流域社会经济的迅速发展和人口的剧增, 对水资源的需求也造成了很大压力。20 世纪50 年代以来工业、农业、城市用水增长情况见表1。从表1 可看出,随社会经济的快速发展, 海河流域水资源需求量越来越多。从不同用水类型看, 农业用水比重最大, 但其增长速度在平稳中有所下降; 工业与城市用水虽然比例不及农业用水, 但发展迅速, 相对增加速度高于农业用水, 且有挤占农业用水情况出现。
2. 2 流域生态用水分析
研究利用课题组前期研究成果[ 7 ] (见表2) 进行生态用水分析。流域生态用水分天然植被、河流、湿地、城市等4 种类型, 由于天然植被生态用水主要利用大气降水, 不占用可利用水资源量[ 8 ] , 属于水资源管理中不可控水资源量, 在本文研究中没有考虑。研究认为海河流域现状、2010 年和2030 年生态用水量分别为89. 0 亿m 3, 104. 6 亿m 3 和123. 6 亿m 3。
2. 3 海河流域缺水现状及预测
本文将海河流域用水类型分为经济用水和生态用水两种类型来讨论缺水量。经济用水缺水量采用《海河流域水资源规划》专题报告的研究成果[ 9 ]。根据该研究, 海河流域现状缺水75. 1 亿m 3, 2010 年缺水99. 3 亿m 3, 2030 年缺水139. 6 亿m 3。
生态用水虽然在水资源规划中没有考虑, 但也不能认为全部为缺水量, 因为实际中存在一部分用于生态系统的水量, 表现为枯水年仍有一定的入海水量。本文选取近10 年中4 个枯水年1989 年、1992年、1993 年、1997 年平均入海水量作为现状生态用水量。这4 年的入海水量分别为: 20. 9 亿m 3, 16. 5 亿m 3, 13. 5 亿m 3, 17. 1 亿m 3, 平均值为17 亿m 3。根据生态用水量现状及预测值的研究结果, 可得出生态用水缺水量为: 现状缺水72. 06 亿m 3, 2010 年缺水87. 63 亿m 3, 2030 年缺水106. 65 亿m 3。
总之, 海河流域现状缺水147. 16 亿m 3, 2010 年缺水186. 93 亿m 3, 2030 年缺水246. 25 亿m 3。具体缺水情况见表3。
从以上分析可以看出, 海河流域用水量不断增长, 流域缺水问题日益严重。1980 年以来, 流域地下水已成为主要的供水水源。从1985 年到1998 年, 地下水所占供水比例都在55 % 以上[ 9 ]。海河流域在水资源开发利用中重经济轻生态环境保护的做法, 以及对流域内地下水资源掠夺式的开采, 已经导致流域生态环境的恶化, 严重影响了社会经济的发展。生态用水是保证海河流域生态、经济可持续发展的前提和根本, 在水资源分配中必须予以考虑。因此, 为保证流域经济可持续发展, 必须合理分配有限的水资源, 实现资源水利向生态水利的转化, 保证生态用水的优先供应。
3 生态用水保障措施
一般地, 保障生态用水可以从以下几个方面考虑: ①调整农业种植结构、工业结构和用水结构, 特别是调整耗水型的粮食生产为节水高效益型三元种植结构和采用先进的农艺节水栽培管理技术等; ②加快城市污水处理, 这是一种治标的方法, 既减轻了对河道的污染, 又可污水资源化; ③节约用水。通过节约用水满足社会、经济发展所需要增加的大部分水量, 为增加和保障生态用水奠定基础; ④增加水资源措施。这包括国家规划的调水项目, 如南水北调项目、海水淡化利用等措施。
但从海河流域水资源短缺状况来看, 要想使生态用水得到保障, 节水是最主要手段。而农业是海河流域的主要产业, 全流域耕地面积维持在1 000万hm 2左右; 农业用水是海河流域水资源利用的主体部分, 近20 年来平均农业用水量300 亿m 3 左右,占用水总量的80 % 左右; 长期农业生产中水资源浪费现象依然存在, 农业水资源利用效率还很低。因此, 农业节水对海河流域水资源短缺的缓和, 对生态用水的保障具有举足轻重的作用。本文仅以农业节水为例来说明生态用水的保障措施。
3. 1 海河流域农业节水潜力分析
农业节水可通过调整种植结构和种植模式, 采用蓄水保墒技术, 增施有机肥和水肥耦合技术, 发展立体农业和利用化学调控技术等农艺节水措施来实现, 也可利用渠道防渗, 管道输水, 喷灌, 微灌等工程节水措施完成, 还可因地制宜选用抗逆高产品种发展旱地农业达到节水的目的。农业节水虽然有多种途径和方法, 但要在特定地区取得节水的最优效果,不能单靠任一种方法的单独使用。结合各种方法, 采取综合节水措施, 才能发挥最大节水潜力[ 10 ]。
一般认为, 灌区水的利用系数为0. 70, 水的生产效率为1. 2 kgöm 3 以上, 即为节水农业; 水的利用系数达到0. 85 以上, 水的生产效率达1. 8 kgöm 3 以上,可称为高效用水农业。海河流域水资源十分短缺, 农业节水发展目标应该是高效节水农业。农业节水的潜力即为高效节水与现状农业用水的差值[ 10 ]。下面从农艺节水措施、实施节水灌溉和现有低标准节水区改造三方面分析海河流域农业节水潜力。
3. 1. 1 农艺措施节水潜力
通过调整农业结构、地膜秸秆覆盖、优化灌溉制度等农艺节水措施, 能使灌溉定额下降10 %～ 20 %。在一些典型灌区试验效果非常显著, 如河北省吴桥县小麦灌溉制度由正常灌3、4 水, 减至2、3 水, 灌溉定额降为3 600～ 4 350m 3ö hm 2, 单产仍达400～ 500 kg。稻田的浅湿灌溉比传统的漫灌节水30 % , 且增产10 %。但对海河流域来说, 农艺措施虽有较大节水潜力, 实际并不适用。因为流域平均灌溉定额已经不高, 靠农艺措施再进行压缩较为有限。只有在漫灌区节水潜力较大, 预计在引黄灌区等灌溉定额较高的灌区, 通过农艺措施实际节水10 % 左右, 按推广33. 3 万hm 2 计算, 节水1. 5 亿m 3。稻田节水有一定潜力, 有些灌区可以在目前水平上节约10 %～ 20 % , 通过推广稻田浅湿灌溉技术, 估计可节水2 亿m 3, 按50 % 回归重复利用,实际节水1 亿m 3, 共节水2. 5 亿m 3。
3. 1. 2 实施节水灌溉节水潜力
海河流域1998 年节水灌溉面积见表4, 在全流域总灌溉面积773. 43万hm 2 中, 待节灌面积480. 77 万hm 2, 占62. 2 %。其中井灌区内(含渠灌区内井灌面积) 待节灌面积266. 83万hm2, 占井灌总面积495 万hm 2 的53. 9%;渠灌区及山区小型水利工程中待节灌面积213. 9万hm 2, 占渠灌区总面积284. 7 万hm2 的75. 2 %。待节灌面积大都存在渠系质量差, 输水损失大, 大水漫灌等现象, 通过实施节水措施, 效果明显。
渠灌区节水潜力: 据调查, 1997 年度河北、河南、山东、山西4 省298 处600 hm 2 以上灌区中, 有效灌溉面积239. 5 万hm 2 实灌153. 62 万hm2, 灌溉率64. 1 %。平均灌溉定额5 565 m 3ö hm 2, 有防渗配套等节水措施的灌溉定额在4 500 m 3ö hm 2 以下, 无节水措施的在5 700m 3ö hm 2 左右。全流域渠灌区待节灌面积213. 94 万hm 2, 节灌后每1 hm2 节水按上述4省调查数据计算, 即公顷节水1 200m 3。考虑海河流域供水水源短缺问题, 灌区灌溉保证率采用50 % 估算, 渠灌区节水总量为12. 8 亿m 3。
井灌区节水潜力: 井灌区实灌面积比渠灌区要高, 1997 年实灌率为93. 8 %。实施节水前后灌溉定额分别为: 4 050～ 4 350 m 3ö hm 2 和2 910 m 3ö hm2。
考虑流域特征, 本研究采用实灌率80 % , 节水定额1350 m 3ö hm 2 估算节水潜力, 井灌区节水总量为23. 1亿m 3。
3. 1. 3 现有低标准节水灌溉面积节水潜力分析
据调查和对统计资料的分析, 现有节水灌溉面积中,由于统计口径和统计标准的原因以及各地在财力物力上的差异, 实际上有一部分并没有达到高效节水的标准。如, 河北省20 世纪90 年代初期, 固定式管道灌溉的平均固定管道长度不足60 m ö hm 2, 渠(管) 系利用系数0. 95, 田间水利用系数0. 8 左右, 两级合并灌溉水利用系数0. 75 左右, 低于高效节水标准。根据分省市分年度节水灌溉统计, 全流域现存节水灌溉面积中约有106. 7 万hm 2 仍有较大节水潜力。假设经过改造后, 水利用系数达到高效节水标准, 即提高10 % , 节水总量可增加4. 8 亿m 3。
3. 2 海河流域农业总节水潜力
综合以上分析, 海河流域农业总节水潜力为43.2 亿m 3, 其中农艺节水措施节水2. 5 亿m 3, 实施节水灌溉节水35. 9 亿m 3, 现有节水灌溉区经过改造后增加节水4. 8 亿m 3。
4 结 语
(1) 20 世纪80 年代后, 海河流域用水增长速度有所下降, 但用水总量超出供水能力之势有增无减,水资源超载现象更加严重。根据本研究核算, 该流域缺水现象严重, 其中生态用水缺水量: 现状缺水72. 06亿m 3, 2010 年缺水87. 63 亿m 3, 2030 年缺水106. 65亿m 3, 分别占生态用水总量的80. 97 % ,83. 78 % , 86. 29 % , 流域生态用水短缺现象非常严重。
(2) 杨志峰等以黄淮海地区为例, 对比降水资源背景下考虑生态功能、环境功能的生态环境需水短缺损失和国民经济用水收益。研究认为黄淮海地区现状由于生态用水短缺造成的损失率为1. 63 元öt, 远超过水资源的国民经济利用(经济用水) 收益率0. 72 元öt [ 11 ]。这说明保障生态用水不仅在保护生态环境方面是必需的, 在经济方面也是合算的。而在经济用水收益中, 工业用水收益为2. 79 元öt , 农业用水收益为0. 45 元ö t。工业用水收益又远大于农业用水收益, 而且农业用水在海河流域确实还存在一定的节水潜力, 表明本研究从农业节水来探讨生态用水的保障措施这一切入点是合适的。
(3) 保障生态用水, 可采取多种措施。根据海河流域农业节水潜力分析, 农业总节水潜力为43. 2亿m 3, 其中农艺节水措施节水2. 5 亿m 3, 实施节水灌溉节水35. 9 亿m 3, 现有节水灌溉区经过改造后增加节水4. 8 亿m 3。
(4) 资料原因, 本文对城市与工业节水潜力没有进行分析。对于南水北调对海河流域的贡献, 有资料显示: 2010 年南水北调一期工程完成后, 中、东线进入海河流域的水量约70 亿m 3, 2030 年约有100 亿m 3 长江水调入海河流域[ 12 ]。但对于水量如何分配并无说明, 本文也没有对此进行分析。相信在综合考虑上述各项节水及调水供水能力后, 海河流域水资源短缺状况将会有所改善, 生态用水也会得到充分的保障。
参考文献:
[ 1 ] 苗鸿, 魏彦昌, 姜立军, 等. 生态用水及其核算方法[J ].生态学报, 2003, 23 (6) : 1156- 1164.
[ 2 ] Gleick P H. W ater in crisis: path s to sustainable w ateruse[J ]. Eco logicalApp licat ions, 1996, 8 (3) : 571- 579.
[ 3 ] Hughes D A. P roviding hydro logical info rmat ion and data analysis too ls fo r the determ inat ion of eco logical inst ream flow requirements fo r south african rivers[J ]. Journal of Hydro logy, 2001, 241: 140- 151.
[4 ] 王西琴, 刘昌明, 杨志峰. 河道最小环境需水量确定方法及其应用研究(Ê ) —— 应用[J ]. 环境科学学报, 2001,21 (5) : 548- 552.
[ 5 ] 严江平. 绿洲系统用水结构量化模型探讨[J ]. 西北师范大学学报(自然科学版) , 2002, 38 (2) : 89- 93.
[ 6 ] 张远, 杨志峰. 黄淮海地区林地最小生态需水量研究[J ]. 水土保持学报, 2002, 16 (2) : 72- 75.
[ 7 ] 魏彦昌, 苗鸿, 欧阳志云, 等. 海河流域生态需水初步核算[J ]. 生态学报, 2004, 24 (10) : 2100- 2107.
[ 8 ] M iao Hong, Songm in, W angxiaoke, O uyangzh iyun. Tempo ral change of environmental w ater in fo rest in Haihe basin [A ]. In: The 2nd IAL E A sia - Paciffic Region Conference: L andscape Change and Human A ct ivity[C ]. L anzhou, Ch ina, 2001. 9.
[9 ] 水利部海河水利委员会. 海河流域水资源规划专题报告集[R ]. 2001. 6.
[ 10 ] 段爱旺, 信乃诠, 王立祥. 节水潜力的定义和确定方法[J ]. 灌溉排水, 2002, 21 (2) : 25- 28, 35.
[ 11 ] 杨志峰, 崔保山, 刘静玲, 等. 生态环境需水量理论、方法与实践[M ]. 北京: 科学出版社, 2003: 235- 242.
[ 12 ] 裴源生, 王建华, 罗琳. 南水北调对海河流域水生态环境影响分析[J ]. 生态学报, 2004, 24 (10) : 2115- 2123.
作者：魏彦昌 苗鸿 欧阳志云 王效科
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(30230090) ; 国家重点基础研究发展规划(973) 项目(G2000046807) ; 中国科学院知识创新工程方向资助项目(KZCX2- 405) 资助
作者简介: 魏彦昌(19782) , 男(汉族) , 河南洛阳人, 博士生, 研究方向: 生态系统服务功能与森林土壤学。