长江三角洲地区水资源优化配置研究

长江三角洲地区水资源优化配置研究

水资源是人类生存不可或缺的自然资源。对“水资源”的定义科学界不同领域仍存在分歧，本研究认为水资源是参与自然界水份循环的、可再生的（逐年可得到恢复和更新）、能够提供人类连续使用的淡水资源。这一认识与我国《水法》和《江苏水利公报》1认识相一致。本文中水资源是指可供国民经济利用的淡水资源，它来源于大气降水，但只有降水中可被利用的那部分水量才是真正的水资源。由此，对一局地区域，所谓水资源总量包括局地区域内地表水和浅层地下水。对长江三角洲地区而言，可利用的水资源包括局地水和长江、钱塘江的过境水。由于水的不可替代性和可利用水资源的有限性，以及经济发展和人民生活对水资源的需求量越来越大，各种废弃物对水源的污染也越来越严重，使水资源普遍短缺。长江三角洲地区人口密度大，经济发达，水资源更感匮乏。本区地表水资源量不大，人均水资源占有量仅为全国平均水资源占有量的1/3。长江、钱塘江的过境水量丰富，但又受引、提水能力的限制（目前仅利用1%～2%)，而发达的经济、众多的人口使水质也日趋恶化，进一步加剧了水资源的矛盾。另外，本地区频临海洋，地势低洼，风暴潮及海水入侵是造成本地区沿海滩涂及沿海城市水资源不足的重要原因。分析讨论本地区的水资源量、水资源供需平衡状况，可对该地区经济发展规划、可持续发展和水资源保护提供科学依据。1水资源供需平衡对区域的水资源供需平衡进行分析时，首先分析区域水资源的供需情况，建立区域的水资源估算模型及需水系统的各个子模型，用以计算本区的水资源供给量和需求量，进而分析区域的水资源供需平衡状况。对于长江三角洲地区，当地的降水水资源量不足，不仅需要地下水补给，而且需要通过引水工程将过境江河水用于社会、经济的各个部门，最后又有一部分归入江河。本地区的供水系统包括局地水资源和过境水资源，需水系统为工业用水、农业用水和生活用水。2地下水补给量的计算按定义，区域的局地水资源量W为当地降水形成的地表和地下的产水量，即地表径流量与降水入渗形成的地下水的补给量。可利用的水资源还包括长江、钱塘江的过境水量（长江的过境水量达9730×108m3）。其中降水量的增减基本上决定了地表径流的变化，同时由于降水也是地下水补给的主要途径，因此，降水的变化对于局地水资源总量的变化有着决定性的意义。地下水的补给量是指单位时间内流入含水层的地下水总量，它包括天然补给量、开采补给量和人工补给量三个部分。根据水均衡原理，一个地区含水层中的地下水在正常天然情况下处于动态平衡状态，多年平均补给量与排泄量基本相等。地下水的天然补给是指在天然条件下原始存在的补给量，即在原始天然的排泄基准面的条件下获得的全部补给量。由于地下水的被开采，其原始状态已不存在，因而地下水的天然补给量实际是目前水位条件下的补给量。评价一个流域的年水资源量一般是根据陆面水量平衡原理，再考虑地形、地貌情况（例如有山间盆地的山区、无山间盆地的山区及平原等）进行计算。在计算水资源量时，还需要对本区的各种耗水（工业、农业及生活用水）、外来水以及回归、渗漏等水量作详细的调查计算，对平原地区还要考虑地下水的埋深等情况。因此，水资源量的评估是一项十分复杂而繁琐的工作，显然有关的实测资料难以取得。为此，我们从水资源量和水热交换的关系入手，参照刘春蓁提出的一个区域水资源的气候学计算方法建立长江三角洲地区的年水资源量估算模型。对陆面的水量平衡和能量平衡方程作一定的处理（程渭钧，1963），可得到表征陆气之间水量和热量交换的参数。将地表径流系数写成α=R/P(P为降水量，R为地表径流量），于是有式中：L为蒸发潜热；Qn为地表辐射平衡值。长江三角洲地区的局地水资源总量WZ可以用下式表示式中：WZ为局地水资源总量；R为地表径流量；Wt为地下水补给量。地表径流量R由式（1）可写成地下水补给量Wt用入渗系数法进行计算式中：F为计算区域面积（km2);m为降水入渗系数，该系数与地层的透水能力及地下水位埋深等因素有关，可根据长江三角洲地区土壤性质的差异分别取值；其他符号意义同前。利用式（2）可将长江三角洲局地水资源总量计算出来。计算得长江三角洲地区1995年地表水资源量为92.08×108m3，地下水补给量为137.13×108m3，局地水资源总量为229.21×108m3。根据与1994年、1995年的实测值相比较，降水径流量相对误差小于10%，地下水补给量的相对误差小于6%，水资源总量的相对误差小于8%。可见，水资源估算模型较好地反映了长江三角洲地区水资源的实际情况，表明所建立的模型是适宜的、有意义的。3区域水资源系统的估计模型3.1u2004农村地区农田潜在蒸散量及农业总用量的确定本文农业用水仅指农业生产用水，不包括农村生活用水和牲畜用水。农作物需水量包括4个方面：植物同化过程需水和植物体内包含的水、植物蒸腾、土壤蒸发、植株表面蒸发。其中植物蒸腾、土壤蒸发相对为大项，而植物生理需水、植株表面蒸发相对较小。因此，可以用农田植物蒸腾和土壤蒸发，即农田蒸散近似表示农业耗水量。农田蒸散量一般不容易直接观测而获得资料，通常用气候学公式进行计算，其中最为常见的是利用彭曼（Penman）公式计算蒸发力ET0，然后乘以一系数f来计算农田潜在蒸散量。本文采用Penman-Montieth的潜在蒸散公式求得农田的潜在蒸散量。对具体某种作物的农田潜在蒸散量（ETc），由农田潜在蒸散量（ETm）乘以作物系数（Kc）而得到，即式中：ET0为蒸发力；Rn为地面净辐射蒸发当量（mm/d）；Δ为温度饱和水汽压曲线的斜率；γ为干湿表常数；Ea为干燥力，Ea=f(u)(ea-ed)，这里f(u)为风函数，(ea-ed)为饱和水汽压与实际水汽压的差值。世界粮农组织给出了调整因子C,C是相对湿度、净辐射、风速的函数。在实际计算中对公式中的各变量进行参数化，求得ET0。对于某一具体的作物j，其整个生育期的需水量Wj等于该作物在各个生育阶段i的作物系数与同期参考作物潜在蒸散量乘积的和，即农业总耗水量Ws为式中：Sj为j种作物的播种面积；β为调整系数，对水稻取1.1～1.3，其他作物取1.0。这样由式(6)、(7)、(8)构成农业耗水估算的物理分析模型。长江三角洲地区农业生产以两熟制为主，主要作物为小麦、油菜、水稻、棉花，分别为冬季、夏季重复播种。本地区水稻是水灌稻田，水稻用水根据土壤性质不同需乘以1.1～1.3的系数。未来农业总用水量的多少与未来农田面积的变化有密切关系，同时也受气候变化的影响。近年来，由于经济高速发展，导致乡镇企业、民居占用农田面积迅速扩大，集镇化、城市化的快速发展，大中城市扩建、改造，都占用了大量农田，使农田面积迅速减少。因此，在对未来农业总用水量计算时，我们考虑了未来农田面积的减少。目前各地土地面积减少较快，对于未来，大都考虑未来耕地面积的每年减少不得大于上一年耕地面积的0.1%。3.2工业用水及工业发展速度工业用水一般可划分为生产用水、空调用水、冷却用水和环境生活用水。生产用水是指在生产过程中的产品用水和工艺洗涤用水，约占工业用水量的1/4左右；空调用水是利用水调节室内温度、湿度以保证产品优质的主要措施，其用水量与空调方式、时间有关，据初步分析仅占工业总用水量的5%；冷却用水是指工业生产过程中，利用水对生产设备进行消热、降温以保证正常生产的水，它一般不与产品、原材料接触、使用后水质不变，仅水温升高，还可重复使用，该部分用水量很大，约占工业用水量的2/32。工业用水具有增长快、要求高和重复利用潜力大等特点。估算工业用水常用万元产值用水定额估算，公式为式中：Wa为t水平年工业用水量（104m3);Xt为t水平年工业产值（万元）；At为t水平年万元产值用水定额（m3/万元）；Bt为t水平年工业用水重复利用率，目前本地区一般为0.50左右3。实际资料表明，本地区随着经济的发展，工业产值Xt增长速度快；随着科学技术的不断提高，万元产值用水定额At不断减少，重复利用率Bt则不断提高。近年来的资料表明，由于技术水平的提高、产业结构的调整，长江三角洲地区万元工业产值用水量每年大约减少10%，通过向专家咨询，对未来万元工业用水量减少速度作了估计，即2000年以前仍每年减少10%;2000～2010年每年减少8%;2010～2030年每年减少5%;2030年以后每年减少1%。对于工业发展速度，长江三角洲各地区都制定了远景规划，虽有些不同，但差异不大，大致为：2000年以前工业总产值每年增长率为12%;2000～2010年每年增长率为10%;2010～2030年每年增长率为6%;2030～2050年每年增长率为4%。这样，同时考虑工业发展速度、万元产值用水量的减少，可由实际资料计算得出未来长江三角洲地区工业总用水量。3.3生活用水与气候变化的函数城镇生活用水包括居民生活用水和消防、绿化、机关、学校、医院公共设施用水。通常用人均用水标准来计算，即Wm=P×K×365(10式中：Wm为城镇生活总用水量；K为人均日用水量；P为城镇居民总人数。城镇生活用水量的变化主要受三个因素的制约，即人口数量变化、生活质量和气候状况。其中人口数量的增长是生活用水量增加的主导因素。在不同时期、不同的生活条件下，人均用水量存在一定差异，在同时期城市生活用水与农村生活用水也存在着差异2。随着经济的发展、人们生活质量的提高，年人均生活用水量非线性地增加，未来将逐渐趋于稳定。在不同的气候状况下，人的生理需水与生活需水也存在差异，这一点在年内不同季节的气候变化上表现较为突出，在不同的气候年型下也有所反映。气温的升高，特别是夏季气温升高，使生活用水量明显增加，在城市表现得尤为突出。由于生活水平的差异，也由于人类在不同的环境条件的适应能力不同，因此，建立生活用水与气候变化之间的分析模型也存在一定困难，目前国内外在研究生活用水时大多采用人均日用水量。显然人均日用水量是人类生活质量和气候变化的函数。根据调查和国外生活用水资料以及对专家的咨询，对本地区未来居民生活用水量的增长速度大致为：1996～2000年城市人均日用水量每年增长5%，农村人均日用水量每年增长8.5%;2000～2010年城市人均日用水量增长3%，农村人均日用水量每年增长5%;2010～2030年城市每年增长2%，农村每年增长3%;2030～2050年城市每年增长1%，农村每年增长2%。近年来人口自然增长率有明显的下降，本地区1990～1995年自然增长率大约为0.2%～1.0%。根据人口的宏观预测：1995～2000年每年人口增长0.91%;2000～2010年每年人口增长0.50%;2010～2020年每年人口增长0.35%;2020～2030年每年人口增长0.15%;2030～2050年每年人口增长为0。由此，可根据模型计算出未来的可能生活用水量。3.4实际预测结果根据以上建立的需水系统的各个子模型，对长江三角洲地区目前（1995年）及考虑未来耕地面积变化、技术进步、产业调整、经济发展、人民生活水平及人口数量变化等因素时的用水状况进行了预测，结果见表1。利用实际资料对模型的计算结果进行了检验。其中，由农业耗水估算模型计算的农业总用水量与1994年、1995年的实际农业总用水量相比较偏少5.3%～10.6%，这一结果与我们未考虑蔬菜等其他数量较少的作物有关，出现这样的误差是合理的，表明所建立的农业用水估算模型具有较高的精度，能够反映农业用水的实际情况。计算表明，未来农业用水量由于耕地面积的减少将比现在少，而工业用水和居民生活用水由于经济的发展和人民生活水平的提高而增加。4水资源供需平衡分析长江三角洲地区未来水资源的总需求量用下式计算，即Wn=a×(1.0+r)n(11)式中：Wn为1995年后第n年的用水量；a为1995年的总需求量；r为年增长率，2010年以前为1%,2011～2030年为1.8%,2031年以后为2.1%。对未来需水量预测时，各项用水的保证率分别为：工业和生活用水为95%，农业用水保证率为75%。供需平衡分析时，以该地区水资源的多年平均值为基准。根据未来需水量及水资源使用情况，我们就可以了解未来不同时期的水资源供需平衡状况。设Wb为水资源供需平衡量，则Wb=W-(Ws+Wg+Wm+Ww)(12)式中：W为耗水量，下标s、g、m、w分别表示农业、工业、生活耗水和污水总量。由以上的计算得长江三角洲地区未来的水资源供需平衡量，表明未来2000