王浩水资源全过程动态评价理论方法与实践

全球变化与生态水文过程水资源全过程动态评价理论方法与实践

2009年9月武汉王浩院士中国水利水电科学研究院TelaxellPhonemail:wanghao@2009水资源与可持续发展高层论坛2009水资源与可持续发展高层论坛结论与展望变化环境下水资源评价革新的实践需求汇报提纲水资源全过程动态评价理论方法与实践水资源全过程动态评价理论与方法水资源全过程动态评价应用实践前言

1988年《水资源评价活动—国家评估手册》中规定：水资源评价是指对资源的来源、范围、可依赖程度和质量进行确定，据此评估水资源利用和控制可能性。联合国科教文组织UNESCO世界气象组织(WMO)水资源评价的概念什么是水资源评价？1992年修改为为了水的利用和管理，对水资源的来源、范围、可依赖程度和质量进行确定，据此评估水资源利用、控制和长期发展的可能性联合国科教文组织UNESCO世界气象组织(WMO)水资源评价的概念水资源评价的概念有什么发展？前言按流域或地区对水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件作出全面的分析估价，是水资源规划、开发、利用、保护和管理的基础工作，为国民经济和社会发展提供水决策依据中国资源科学百科全书·水资源学水资源评价的概念水资源评价对可持续发展有什么作用？前言水资源评价的重要性水资源评价的重要性基础资源战略资源时空分布不均水资源短缺水生态/环境恶化天然条件现代化进程水问题解决问题的思路、方法和理念改变满足国家需求地表水地表水地下水地表水土壤水地下水水资源评价前言数量评价质量评价效率评价人类活动水资源评价有那些难点？从影响因素看：气候变化和人类活动驱动下垫面条件变化剧烈用水急剧增加气候逐渐变暖局地微地势和地貌改变，影响流域产汇流过程影响了包气带特性，地表水地下水水量交换特性引起降水、径流及蒸发的时空分布特性改变水资源评价主要存在的难点如何评价人类活动影响下的水资源演变从研究对象看：水的流动性和不断循环转化从观测手段看：复杂性和不确定性变化环境下水循环系统发生了深刻变化（1）水资源评价理论与方法革新的实践需求全球变化和日趋增强的人类水土资源开发活动，改变了水循环及伴生水化学、水生态及水沙过程演变的动力学机制，水循环速率加快，水循环系统的不稳定性增强，干旱洪涝等极值过程发生频率加大。水资源评价理论与方法革新的实践需求变化环境下水循环系统发生了深刻变化（2）全球水循环速率显著加快，降水的时空结构、过程及特性均发生了深刻变化我国“北旱南涝”的整体态势加剧干旱发生风险高于洪涝发生风险;部分地区干旱与洪涝并存全球水循环“北旱南涝”情势干旱洪涝成灾面积水资源评价理论与方法革新的实践需求变化环境使得水资源系统发生改变（1）全球变化和人类活动从供水、需水及水资源配置与调度等方面深刻影响到水资源系统。水资源评价理论与方法革新的实践需求变化环境使得水资源系统发生改变（2）全球变化和人类活动的影响下，流域或区域水资源的构成、数量、质量特征均发生了深刻变化；且其演变的不确定性特征在增强。需对水资源进行全过程动态评价。水资源评价理论与方法革新的实践需求变化环境使得水资源系统发生改变（3）我国1949～2005年用水量变化随着人类水土资源开发活动的深入，水资源需求呈快速增长趋势；提高水资源利用效率与效益，压缩需求，开展节水防污型社会建设是变化环境下水问题综合应对的核心，而水资源效率与效益评价则是其首要基础。水资源评价理论与方法革新的实践需求水资源评价历史演变及特征—国外情况(1)对比项UNESCO美国俄罗斯英国日本评价对象河川径流量地下水资源量河川径流量河川径流量地下水动态河川径流量地下水动态水资源赋存量（理论最大可利用量）评价模式水质/水量分离地表/地下分离水质/水量分离单一地表水评价水质/水量分离单一地表水评价水质/水量分离单一地表水评价水质/水量分离地表/地下分离评价手段实测汇总分析为主要手段，提出模型开发实测汇总分析为主要手段观测信息登记与调查统计监测信息统计与调查统计实测汇总与水收支分析为主要手段，提出模型开发时空单元空间流域行政区或流域行政区或流域行政区或流域行政区或流域时间年年年年年人类活动影响处理方式还原方法还原方法提出一致性处理还原方法还原方法还原方法水资源评价历史演变及特征—国外情况(2)水资源评价理论与方法革新的实践需求水资源评价历史演变及特征—国内情况(1)水资源评价理论与方法革新的实践需求对比项国内现行评价方法评价对象原来只评价地表水和地下水，目前开始评价国民经济可利用量评价模式分离评价模式，地表－地下水/水量－水质，未涉及效用评价定量手段以“实测－还原－汇总”为基本过程，含经验成分时空单元空间流域套行政区时间年人类活动影响不能考虑单项人类活动影响，通过还原消除人类活动影响或通过一致性处理进行修正水资源评价历史演变及特征—国内情况(2)水资源评价理论与方法革新的实践需求水文站（实测）水文站（天然）还原修正多年径流深等值线图出入境水量主要控制站月年径流量代表站天然径流月分配计算分区天然年径流流域三级区地级行政区参数特征值一元静态模式：实测——还原——建模——调控现状水资源评价及存在问题（1）水资源评价理论与方法革新的实践需求现状水资源评价及存在问题（2）水资源评价理论与方法革新的实践需求全过程动态水资源评价是重大实践需求水资源评价理论与方法革新的实践需求传统水资源评价理论与方法难以系统、客观地描述变化环境下水资源的演变特征，也不能满足变化环境下水问题综合应对的实践需求，尚待对水资源演变驱动机制进行系统剖析的基础上，进行全过程动态评价。天然循环系统人工侧支系统蒸发蒸腾积雪融雪

产流地下水坡地汇流田间灌溉水库池塘下水道渠道输水河网汇流

入渗能量平衡土壤水引水工程人工排水地下抽水城市供水污水处理水资源全过程动态评价理论基础—“自然-人工”二元水循环理论水资源全过程动态评价理论与方法基于“二元”模式的水资源评价总体框架水资源全过程动态评价理论与方法水资源全过程动态评价体系结构（1）水资源全过程动态评价理论与方法自然属性有效性水资源属性社会属性经济属性环境属性评价准则可控性可再生性广义水资源狭义水资源国民经济可利用量评价口径水资源全过程动态评价体系结构（2）水资源全过程动态评价理论与方法工程开发消耗量径流开源潜力生态需水通量非径流性有效水分通量无效降水量年降水通量水资源潜力有效降雨通量广义水资源量径流通量狭义水资源量允许耗用通量国民经济可利用量工程耗用通量工程控制量不同口径的水循环通量

不同口径资源的层次化构成

层次化水资源定义水资源全过程动态评价体系结构（3）水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—总体框架水资源全过程动态评价理论与方法以降水为基础，按照四水转化的结构，分析降水转化结构中不同组成的资源属性。在降水通量下的平衡方程式为：P=R＋En＋Ug＋Qc±△V

EgEsuD多年平均＝0P=R＋D＋Esu

地表蒸散发狭义水资源

可见广义水资源量主要是区分出地表蒸散发的有效和无效数量与效率评价—广义水资源评价（1）水资源全过程动态评价理论与方法耕地蒸发林地蒸发草地蒸发居工地蒸发水域蒸发未利用土地蒸发根据土地利用分类山地水田丘陵水田平原水田山地旱地丘陵旱地平原水田农村城市蒸发分类水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—广义水资源评价（2）有效蒸发耕地蒸发林地蒸发草地蒸发冠层截留蒸发植被蒸腾地表截留蒸发土壤蒸发水域蒸发河渠湖泊水库坑塘滩涂滩地居工地蒸发未利用土地蒸发沼泽地水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—广义水资源评价（3）无效蒸发林地蒸发草地蒸发植被大棵间地表截留蒸发植被大棵间土壤蒸发水域蒸发永久性冰川雪地未利用土地蒸发沙地戈壁盐碱地裸土地裸岩石砾地其他未利用土地水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—广义水资源评价（4）Ws＝（R＋Rg）＋（Ep＋Ess＋Ees）式中：Ws－广义水资源量；R－地表水资源量；Rg－不重复的地下水资源量；Ep－冠层截流有效蒸发量；Ess－地面截流有效蒸发量；Ees－与地表地下不重复的土壤水有效蒸发量。有效蒸发狭义水资源水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—广义水资源评价（5）

狭义水资源评价的口径与传统水资源评价口径一致，指当地降水形成的地表、地下产水总量（不包括区外来水量）。

水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—狭义义水资源评价

在自然和经济条件允许的情况下，狭义水资源中能够被工程系统一次性开发利用的最大潜在量。水资源全过程动态评价理论与方法

国民经济可利用量等于狭义水资源量扣除基本生态需水量，同时考虑工程控制能力。Wsn＝Wr－Wen其中：Wen＝max(Wjn1,Wss1,Wxhi)＋max(Wjn2,Wss2,Wxh2)＋•••＋max(Wjn12,Wss12,Wxh12)式中：Wen－年生态环境需水量；Wjni－年内第i月的河道生态基流需水量；Wssi－年内第i月的河道输沙需水量；Wxhi－年内第i月的汛期弃水量（非汛期则取0）。数量与效率评价—国民经济可利用量评价水资源全过程动态评价理论与方法数量与效率评价—效率评价水量水质联合评价水资源全过程动态评价理论与方法效益评价—总体框架水资源全过程动态评价理论与方法效益评价—经济用水效益水资源全过程动态评价理论与方法经济系统水资源投入占用产出模型效益评价—生态效益评价（1）水资源全过程动态评价理论与方法效益评价—生态效益评价（2）水资源全过程动态评价理论与方法生态系统水资源投入占用产出模型全过程动态评价方法特点(1)水资源全过程动态评价理论与方法以降水为对象包括径流和土壤水动态反映人类活动对水资源的扰动有能量转化和水动力学机制采用分布式和集总式相结合的模拟方式同时监测降水、蒸发、径流、蓄变量水量水质联合评价水量、水质、效率、效益统一评价全过程动态评价方法特点(2)水资源全过程动态评价理论与方法水资源全过程动态评价理论与方法评价工具（1）水资源全过程动态评价理论与方法评价工具（2）项目指标二元模型国内外同类先进模型功能天然水循环过程模拟能

大多数都能人工侧支水循环模拟能

不能二元水循环耦合模拟能

不能考虑空间变异能

有些能下垫面变化影响分析能

很少能人工取用水影响分析能

不能径流性水资源评价能

能（大多限于天然模拟）全口径水资源评价能

很少能水资源动态评价能

很少能性

能模拟精度高有高有低（人类影响剧烈地区大多较低）计算速度快有快有慢（物理模型大多计算速度较慢）水资源全过程动态评价理论与方法流域二元水循环模型与国内外同类先进模型功能参数对比水资源全过程动态评价理论与方法评价工具—分布式水文模型水平结构垂直结构采用具有自主知识产权的WEP-L模型，本模型已在黄河流域、海河流域、松辽流域、黑河流域、长江上游地区及南水北调中线水源区得到应用。水资源全过程动态评价理论与方法集总式水资源配置模型（1）水资源全过程动态评价理论与方法集总式水资源配置模型（2）应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价在国家973项目课题“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”的支持下，创建了水资源全过程评价理论与方法，并对黄河流域水资源进行了全过程动态评价。该项成果已获得国家科学技术进步二等奖。应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（1）应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（2）应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（3）水文气象信息应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（4）下垫面信息应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（5）社会经济用水信息不考虑取用水：1956～2000年主要断面年径流量模拟偏差为-0.2%~-4.9%；模型Nash效率系数为0.722~0.819。耦合取用水：1956～2000年主要断面年径流量模拟偏差为-6.7%～1.5%;模型Nash效率系数为0.613～0.821。应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（6）模型校验结果应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（7）水资源评价结果（A)应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（8）水资源评价结果（B)应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（9）水资源评价结果（C)应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（10）水资源评价结果（D)应用案例应用案例一：黄河流域水资源全过程动态评价（11）水资源评价结果（E)应用案例流域水循环水平通量减少，垂直通量增加径流性水资源减少，有效的广义水资源量增加河道径流量减少，不重复的地下水资源量增加干流中下游径流量减少，支流就地利用量增加随着人类活动的持续，上述演变趋势将加剧通