第五章 水资源基本理论

1、 5.1 水量平衡原理 5.2 水环境容量理论 5.3 水资源价值理论 5.4水资源优化配置理论 5.5水资源可持续利用理论*1 分水线：山峰、山脊和鞍部的连线称为分水线 流域：地面分水线包围的区域称为流域 水系：流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，也称河系23 分水线：山峰、山脊和鞍部的连线称为分水线 流域：地面分水线包围的区域称为流域 水系：流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，也称河系45鄱阳湖有赣江、抚河、信江、饶河、修水五大支流，出口控制站流域面积162225 km2，江西境内156743 km2 水量平衡o 任意选择的流域（或区域），在任意的时段内

2、，任意选择的流域（或区域），在任意的时段内，其收入的水量与支出的水量之差等于其蓄水量其收入的水量与支出的水量之差等于其蓄水量的变化量。即在水循环过程中，从总体上来说的变化量。即在水循环过程中，从总体上来说水量收支平衡。水量收支平衡。 水量平衡方程式6WWWOI127 P: precipitation 降水 ET: evapotranspiration 蒸散发 E: evaporation 蒸发 T: transpiration 蒸腾 R: runoff 径流 S: storage 蓄水量 F: infiltration 下渗量 8P洋E洋RW洋P陆E陆W陆 全球水量平衡方程o 海洋系统o 陆地

3、系统o 全球9洋洋洋WERPRPE洋洋多年平均RPE陆陆多年平均陆陆陆WERP陆洋陆洋PPEEPE 区域水量平衡方程10R地表R地下PEWR地表R地下WqqRREqRRPugsgs）（）（出入q入: :由由区域外调入的水量。区域外调入的水量。Qu: :区域区域总耗水量，主要指工总耗水量，主要指工业、生活耗水量业、生活耗水量；q出出: :本本区域的调出水量。区域的调出水量。区域水量平衡方程：P陆+R地表 + R地下 R地表 R地下 E T =S11闭合外流流域平衡方程：P陆 R地表 R地下 E T =S闭合内流流域平衡方程：P陆 E T =S 水资源转化模型则是用来描述各水资源要素之间相互转化关

4、系的数学工具。它清楚地表明了坡面、包气带和地下水的补排关系，以及水资源的由来和组成，并根据各要素间的水量平衡关系，对水资源进行定量分析。 12一个流域的水资源总补给量：大气降水量一个流域的水资源总补给量：大气降水量总排泄量总排泄量=河川径流量河川径流量+总蒸发量总蒸发量+地下潜流量地下潜流量13河川径流量河川径流量地下潜流量地下潜流量蒸发量蒸发量地表水资源14河川径流量河川径流量补给项：大气降水、冰雪融水、地下水补给；排泄项：河川径流、水面蒸发、入渗、开采地下水资源15地下潜流量地下潜流量补给项：降水、地表水入渗、侧向补给（平原区）排泄项：河川基流、潜水蒸发、地下潜流、开采 上游上游山丘山丘区

5、区o 山丘区为径流形成区，一般情况下人类的取用山丘区为径流形成区，一般情况下人类的取用水活动较少，且基本以水资源的天然转化为主，水活动较少，且基本以水资源的天然转化为主，因此根据水量平衡原理，在计算时段内流域上因此根据水量平衡原理，在计算时段内流域上游山丘区的水量平衡方程式为游山丘区的水量平衡方程式为：o R为计算时段内的河川径流量；为计算时段内的河川径流量；Ug为计算时段为计算时段内的地下潜流量内的地下潜流量16WUREPg 上游上游山丘山丘区区o 多年平均情况多年平均情况：o 由于河川径流量由于河川径流量R由地表径流量由地表径流量Rs和地下径流和地下径流量量Rg组成，总蒸发量组成，总蒸发量

6、E由地表蒸发量由地表蒸发量Es（包括土（包括土壤蒸发、植物蒸腾在内）和潜水蒸发量壤蒸发、植物蒸腾在内）和潜水蒸发量Eg组成，组成，因此上式可写成：因此上式可写成：17gUREPggsgsURREEP 上游上游山丘山丘区区o 在山丘区，受地形坡度的影响，地下水的补给在山丘区，受地形坡度的影响，地下水的补给形式主要以降水入渗补给为主，地表水入渗补形式主要以降水入渗补给为主，地表水入渗补给相对较少。给相对较少。o 地下水资源地下水资源量量：o 山丘区水量平衡方程为山丘区水量平衡方程为18gggggUREPWgssPREPggsgsURREEP 上游上游山丘山丘区区o 山丘区的多年平均水资源总量为：山

7、丘区的多年平均水资源总量为：o 当山丘区地下水埋深较大（大于当山丘区地下水埋深较大（大于4m）时，）时， 可可以忽略；在一定的水文地质条件下（如地下含以忽略；在一定的水文地质条件下（如地下含水层被隔水层阻隔），水层被隔水层阻隔）， 也能忽略，在此条件也能忽略，在此条件下，上式就可简化为：下，上式就可简化为：19gssPREPWgEgURW 上式表示在一定的条件下，山丘区的河上式表示在一定的条件下，山丘区的河川径流量可以近似认为是总水资源量川径流量可以近似认为是总水资源量ggggUREP 下游平原区下游平原区o 在天然状况下，平原区的水量平衡可表示为在天然状况下，平原区的水量平衡可表示为：o 平

8、原区的水资源转化关系必须考虑人类活动的平原区的水资源转化关系必须考虑人类活动的影响：影响：20平平平平gssPREP降水量降水量地表蒸发量地表蒸发量地表径流量地表径流量 降雨入渗补给量降雨入渗补给量qPREPgss平平平平平原区扣除蒸发量后的多年平均耗水量平原区扣除蒸发量后的多年平均耗水量 下游平原区下游平原区o 平原区的地下水除了本地的降雨入渗补给外，平原区的地下水除了本地的降雨入渗补给外，还包括上游山区的侧向潜流补给还包括上游山区的侧向潜流补给Ug山和地表水和地表水渗漏补给渗漏补给Q表补，其地下水资源计算公式为，其地下水资源计算公式为：o 地表水渗漏补给量地表水渗漏补给量Q表补21表补山平

9、平QUPWggg田渠河表补QQQQ 下游平原区下游平原区o 水资源总量水资源总量 全流域全流域o 多年平均水量平衡多年平均水量平衡22平平平平平gssPREPWqPREPgss全全全全 全流域全流域o 地表水资源量（河川径流量）地表水资源量（河川径流量）o 地下水资源量地下水资源量o 总量总量23平山平山平山全全ggsssRRRRRRRW重平山全ggggWWWW重全全全ggsWWWW包括全部基流量和地表水渗漏补给部分。包括全部基流量和地表水渗漏补给部分。 水水环境容量环境容量o 是是水体在一定功能要求、设计水文条件和水环水体在一定功能要求、设计水文条件和水环境目标下，所允许容纳的污染负荷量，也

10、就是境目标下，所允许容纳的污染负荷量，也就是指在水环境功能不受破坏的条件下，水体能容指在水环境功能不受破坏的条件下，水体能容纳污染物的最大数量纳污染物的最大数量。o 水环境容量大小与水体特征、水质目标及污染水环境容量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关物特性有关24水库A水库B生活供水农业供水 污染物在水体迁移转化过程中的物理化学作用表现在：迁移与扩散；吸附与解吸；沉淀与再悬浮；降解作用。25底泥沙颗粒吸附作用沉淀zx物理运动（迁移/扩散作用）泥河床解吸作用再悬浮污染物吸附作用解吸作用视频资料：水污染的来源 迁移扩散作用o 水体中的污染物主要以溶解状态或交替状态存在，随着水体的流动不断迁移

11、，同时也与周围的水体相互混合扩散o 迁移扩散作用的结果？26污染物浓度不断降低，水质得以改善 吸附与解吸作用o 吸附：污染物被泥沙吸附沉入水底o 解吸：水环境改变时，污染物重新溶于水o 一般情况下，吸附能力远大于解吸能力o 吸附与解吸作用的结果？27什么情况下解吸能力会大于吸附能力？会有什么后果？什么情况下解吸能力会大于吸附能力？会有什么后果？ 沉淀与再悬浮作用o 泥沙 降解作用o 污染物在微生物的生物化学作用下分解和转化为其他物质，使水体中污染深度降低o 有机污染物降解，消耗溶解氧，后果？28鱼类等动物死亡，病源菌大量繁殖水体进入厌氧状态，有机污染物分解生成甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢和厌氧微

12、生物，水体黑臭 根据微元水体中水流连续性原理、能量守恒原理、物质转化平平衡原理而建立的、模拟水质运动、变化过程的基本方程。o 空间结构：零维、一维、二维、三维o 水流状态：稳定、非稳定29 解析法o 通过高等数学上的微分和积分变化等方法求解 数值法o 对数学模型进行离散，进而求出其数值解的方法。o 有限差分法、有限元法3031污染物特性、时空分布水体的水功能区目标和要求水环境容量稀释容量迁移容量净化容量32传统观点 取之不尽，用之不竭 水资源本身没有价值现代观点 无节制的水资源开发造成严重环境问题 水资源本身的价值 劳动价值论o 价值是凝结在商品中的无差别的人类劳动o 使用价值是商品的自然属性

13、，具有不可比较性。价值是一般人类劳动的凝结，是商品的社会属性，它构成商品交换的基础。o 天然存在的生产资料，如土地、水，只有使用价值，没有价值33 效用价值论o 从物品满足人的欲望能力或人对物品效用的主观评价角度来解释价值及其形成过程的经济理论。所谓的效用是指物品满足人的需求的能力。o 效用价值论认为，人们获得效用不一定非要通过生产来实现，效用不但可以通过大自然的赐予获得，而且人们的主观感受也是效用的一个来源。只要人们的某种欲望或需求得到了满足，人们就获得了某种效用。 34 边际效用论o 边际效用论是效用价值论发展的产物边际效用论是效用价值论发展的产物o 边际效用指在一定时间内消费者增加一个单

14、位商品或边际效用指在一定时间内消费者增加一个单位商品或服务所带来的新增效用，也就是总效用的增量。价值服务所带来的新增效用，也就是总效用的增量。价值取决于边际效用取决于边际效用量量o 服从服从边际效用递减边际效用递减和和边际效用均等边际效用均等规律规律o 效用效用程度是由供给和需求之间的状况决定的，其大小程度是由供给和需求之间的状况决定的，其大小与需求强度成正比例关系，物品的价值最终由效用性与需求强度成正比例关系，物品的价值最终由效用性和稀缺性共同决定的。和稀缺性共同决定的。35是指人们对某种物品的欲望程度随着是指人们对某种物品的欲望程度随着享用该物品数量的不断增加而递减享用该物品数量的不断增加

15、而递减 人们将有限的产品归为不同的欲望，人们将有限的产品归为不同的欲望，只有最终使只有最终使各种欲望满足的程度彼此相同，才能使人们从中各种欲望满足的程度彼此相同，才能使人们从中获得的总效用达到最大获得的总效用达到最大 边际效用论o 水对人类具有巨大效用，水资源具有价值o 缺点 混淆了价值与使用价值 效用本身是一种主观心理，无法精确计量36 我国对水资源价值的研究o 基于劳动价值论中的自然资源价值观o 融入了资本主义市场经济理论 o 水资源的价值主要体现在：稀缺性、资源产权和劳动价值37 稀缺性o 水资源之所以具有价值，关键在于水资源具有稀缺性（阳光、空气）o 水资源的稀缺性又具有时空性，即在某

16、一地区或某一时期水资源紧缺，而在另一地区或另一时期可能并不缺少o 水资源价值的大小是其在不同地区不同时段的水资源稀缺性的体现。 38 资源产权o 产权是交易的先决条件，而资源配置、经济效率和外部性问题等都和产权密切相关。o 从资源配置的角度来看，产权通常包含以下权利：所有权、使用权、收益权和转让权。o 产权体现了所有者对其所拥有资源的一种权利，是规定使用权的一种法律手段。在各种可能的限制条件下，产权附带使用权。39 资源产权o 我国宪法规定：水流（即水资源）等自然资源属于国家所有；水法规定：水资源属于国家所有。o 任何单位和个人开发利用水资源即是使用权的转让，需支付一定的费用40 劳动价值o

17、水资源价值中的劳动价值是劳动价值论的具体体现o 水资源所有者为了在开发利用和交易获益中处于有利地位，需要通过水文监测、水资源保护、水资源规划等一系列手段对其所拥有的水资源数量和质量进行调查、管理，这些工作所消耗的劳动和资金则使得水资源价值中拥有一部分劳动价值。o 劳动价值是区别天然水资源价值和已开发利用水资源价值的重要性质。 41未开发的水资源有没有价值？未开发的水资源有没有价值？水资源价值稀缺性资源产权劳动价值42对于不同的水资源及其价值的认识，应根据具体情况分析对于不同的水资源及其价值的认识，应根据具体情况分析如：洪水有没有价值？如：洪水有没有价值？ 价值流o 价值流是指创造价值的所有过程

18、o 在商品的价值形成、增值、转移和交换等过程中，人们通过有目的的劳动把自然物（物质流）变成经济物（能量流），价值就沿着生产链不断形成、增值和转移，并通过交换关系得到实现（价值流）。43 水资源价值流o 水资源价值流，是指单位水资源量在不同的时空条件下，因自然环境、社会环境、经济环境等因素的差异而导致的水资源价值的变化过程。o 在水资源形成、转化和使用过程中带来水资源价值的增值、转移和交换44 水资源价值流o 水资源价值流的特点 空间变化特性：时空分布；经济发展不均衡 连续传递性：水资源的流动性与传递性 逆向传递性：下游往上游的传递 政策影响性：宏观调控o 水资源价值流的方向由多用途性和有限性决

19、定45 水资源的多用途性46天然水资源（V1）生态用水生活用水工业用水农业用水（V2）生活污水工业废水农业退水 （V3）中水（V4）水资源使用水资源价值实现水资源价值逐渐变小价值还原废污水处理 有限性47水资源充裕水资源稀缺单位水资源价值增值 水资源的耦合价值水资源的耦合价值o 水资源的正价值与负价值水资源的正价值与负价值o 单位体积的水资源，其价值可能由于所处状态的改变单位体积的水资源，其价值可能由于所处状态的改变或稀缺程度的改变而变化，可能在正价值与负价值间或稀缺程度的改变而变化，可能在正价值与负价值间相互转换相互转换o 耦合价值是水循环过程中水资源价值总变化量的具体耦合价值是水循环过程中

20、水资源价值总变化量的具体数值，是综合指标数值，是综合指标48天然水资源水资源产品水资源使用污水中水污染严重的造纸厂创造的社会价值是正还是负？污染严重的造纸厂创造的社会价值是正还是负？ 水资源优化配置理论的背景o 有限水资源与不断增加的需水量间的矛盾o 水资源在不同用水部门间分配的矛盾o 系统工程理论的发展 根据总体协调的需要 ，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略和方法等从横的方面联系起来，应用现代数学和电子计算机等工具 ，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，借以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。49 什么是水资源优化配置？o 对特定范围内有限的水

21、资源优化配置给既定的目标或地区，以期达到整体最满意的效果。o 在水资源分配过程中，充分考虑人类社会、经济、生态、环境等因素，合理利用水资源系统的时空变异特征，优化水资源在地区之间、部门之间以及上下游、左右岸、经济与生态与环境等之间的分配，实现水资源利用的效率与公平。50 水资源优化配置的作用o 通过控制社会发展规模、调整经济结构以及节约用水等措施，使需水量在可供水量允许范围内，减小人类活动对水资源的压力减小人类活动对水资源的压力；o 通过工程措施和非工程措施，改变水资源系统的时空分布特征，以最大可能满足经济社会可持续发展的需要，创造最大的综合效益创造最大的综合效益 。51 水资源优化配置就是运

22、用系统工程理论，将区域或流域水资源在各子区、各用水部门间进行最优化分配。也就是要建立一个有目标函数目标函数、约束条件约束条件的优化模型。o 划分子区、确定水源途径、用水部门o 确定目标函数o 确定约束条件52 目标函数o 社会效益用区域总缺水量最小表示o 经济效益用供水效益表示o 环境效益用污染物的最小排放量表示53 目标函数o 现代新思路下的水资源优化配置模型，追求社会、经济、环境综合效益最大，可以把“社会、经济、环境综合效益最大”作为目标函数。o 对于一般的水资源优化配置模型，可以视目标要求不同，选择目标函数。54 约束条件o 从水资源配水系统的各个环节进行分析o 从社会经济、水资源、环境

23、相互协调方面进行分析55在水资源配置中，有哪些常见的约束条件？ 水资源优化配置模型的一般形式如下：o 式中，X为决策向量；F(x)为综合效益函数； G(X)为约束条件集。o 含一个目标函数方程是单目标优化模型o 含多个（两个或两个以上）目标函数方程是多目标优化模型。56 线性规划模型o 目标函数和约束条件都是线性函数 非线性规划模型o 目标函数或约束条件有一个或多个非线性函数57什么是线性函数、非线性函数？ 某供水工程年供水能力为6 500 万m3，主要用于工业、农业以及生活用水，有关需水量、水价、供水成本、供水要求见下表。确定最优配水方案，使供水效益最大。58用水机构 最大需水量（万m3）

24、单位水量效益（元/m3） 供水成本（元/m3） 供水要求工业用水 3 000 2.81.5农业用水 5 000 0.60.2最小供水量3 000 万m3 生活用水 1 000 20.6总计 9 000 59用水机构 最大需水量（万m3） 单位水量效益（元/m3） 供水成本（元/m3） 供水要求工业用水 3 000 2.81.5农业用水 5 000 0.60.2最小供水量3 000 万m3 生活用水 1 000 20.6总计 9 000 目标函数：Max(z)=x1*(2.8-1.5)+x2*(0.6-0.2)+x3*(2-0.6)约束条件：x1+x2+x36500 0 x1 3000 3000

25、 x2 5000 0 x3 1000 求解方法：单纯形法；Excel规划求解；Matlab优化工具箱 可持续发展o 可持续发展的概念最先是在1972年在斯德哥尔摩举行的世界环境大会上正式讨论o 1987年，世界环境与发展委员会出版我们共同的未来报告，将可持续发展定义为：“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展（ Brundtland，挪威首位女性首相）。”o 1992年6月，联合国在里约热内卢召开的“环境与发展大会”，通过了以可持续发展为核心的里约环境与发展宣言21世纪议程等文件。60 水资源可持续利用（水资源可持续利用（Sustainable Utilization Of Water Resources）o 是指保障生态系统完整性和支撑经济社会可持续发展的水资源开发利用方式。o 实现可持续发展是水资源可持续利用的目标。o 这一目标涉及到社会、经济发展和资源、环境保护等多个方面，以及它们之间的相互协调，同时，也涉及到国际间、地区间的广泛合作、全社会公众的参与等众