長江三角洲地區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

長江三角洲地區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

水資源是人類生存不可或缺的自然資源。對“水資源”的定義科學界不同領(lǐng)域仍存在分歧，本研究認為水資源是參與自然界水份循環(huán)的、可再生的（逐年可得到恢復和更新）、能夠提供人類連續(xù)使用的淡水資源。這一認識與我國《水法》和《江蘇水利公報》1認識相一致。本文中水資源是指可供國民經(jīng)濟利用的淡水資源，它來源于大氣降水，但只有降水中可被利用的那部分水量才是真正的水資源。由此，對一局地區(qū)域，所謂水資源總量包括局地區(qū)域內(nèi)地表水和淺層地下水。對長江三角洲地區(qū)而言，可利用的水資源包括局地水和長江、錢塘江的過境水。由于水的不可替代性和可利用水資源的有限性，以及經(jīng)濟發(fā)展和人民生活對水資源的需求量越來越大，各種廢棄物對水源的污染也越來越嚴重，使水資源普遍短缺。長江三角洲地區(qū)人口密度大，經(jīng)濟發(fā)達，水資源更感匱乏。本區(qū)地表水資源量不大，人均水資源占有量僅為全國平均水資源占有量的1/3。長江、錢塘江的過境水量豐富，但又受引、提水能力的限制（目前僅利用1%～2%)，而發(fā)達的經(jīng)濟、眾多的人口使水質(zhì)也日趨惡化，進一步加劇了水資源的矛盾。另外，本地區(qū)頻臨海洋，地勢低洼，風暴潮及海水入侵是造成本地區(qū)沿海灘涂及沿海城市水資源不足的重要原因。分析討論本地區(qū)的水資源量、水資源供需平衡狀況，可對該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展和水資源保護提供科學依據(jù)。1水資源供需平衡對區(qū)域的水資源供需平衡進行分析時，首先分析區(qū)域水資源的供需情況，建立區(qū)域的水資源估算模型及需水系統(tǒng)的各個子模型，用以計算本區(qū)的水資源供給量和需求量，進而分析區(qū)域的水資源供需平衡狀況。對于長江三角洲地區(qū)，當?shù)氐慕邓Y源量不足，不僅需要地下水補給，而且需要通過引水工程將過境江河水用于社會、經(jīng)濟的各個部門，最后又有一部分歸入江河。本地區(qū)的供水系統(tǒng)包括局地水資源和過境水資源，需水系統(tǒng)為工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生活用水。2地下水補給量的計算按定義，區(qū)域的局地水資源量W為當?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵碌漠a(chǎn)水量，即地表徑流量與降水入滲形成的地下水的補給量。可利用的水資源還包括長江、錢塘江的過境水量（長江的過境水量達9730×108m3）。其中降水量的增減基本上決定了地表徑流的變化，同時由于降水也是地下水補給的主要途徑，因此，降水的變化對于局地水資源總量的變化有著決定性的意義。地下水的補給量是指單位時間內(nèi)流入含水層的地下水總量，它包括天然補給量、開采補給量和人工補給量三個部分。根據(jù)水均衡原理，一個地區(qū)含水層中的地下水在正常天然情況下處于動態(tài)平衡狀態(tài)，多年平均補給量與排泄量基本相等。地下水的天然補給是指在天然條件下原始存在的補給量，即在原始天然的排泄基準面的條件下獲得的全部補給量。由于地下水的被開采，其原始狀態(tài)已不存在，因而地下水的天然補給量實際是目前水位條件下的補給量。評價一個流域的年水資源量一般是根據(jù)陸面水量平衡原理，再考慮地形、地貌情況（例如有山間盆地的山區(qū)、無山間盆地的山區(qū)及平原等）進行計算。在計算水資源量時，還需要對本區(qū)的各種耗水（工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水）、外來水以及回歸、滲漏等水量作詳細的調(diào)查計算，對平原地區(qū)還要考慮地下水的埋深等情況。因此，水資源量的評估是一項十分復雜而繁瑣的工作，顯然有關(guān)的實測資料難以取得。為此，我們從水資源量和水熱交換的關(guān)系入手，參照劉春蓁提出的一個區(qū)域水資源的氣候?qū)W計算方法建立長江三角洲地區(qū)的年水資源量估算模型。對陸面的水量平衡和能量平衡方程作一定的處理（程渭鈞，1963），可得到表征陸氣之間水量和熱量交換的參數(shù)。將地表徑流系數(shù)寫成α=R/P(P為降水量，R為地表徑流量），于是有式中：L為蒸發(fā)潛熱；Qn為地表輻射平衡值。長江三角洲地區(qū)的局地水資源總量WZ可以用下式表示式中：WZ為局地水資源總量；R為地表徑流量；Wt為地下水補給量。地表徑流量R由式（1）可寫成地下水補給量Wt用入滲系數(shù)法進行計算式中：F為計算區(qū)域面積（km2);m為降水入滲系數(shù)，該系數(shù)與地層的透水能力及地下水位埋深等因素有關(guān)，可根據(jù)長江三角洲地區(qū)土壤性質(zhì)的差異分別取值；其他符號意義同前。利用式（2）可將長江三角洲局地水資源總量計算出來。計算得長江三角洲地區(qū)1995年地表水資源量為92.08×108m3，地下水補給量為137.13×108m3，局地水資源總量為229.21×108m3。根據(jù)與1994年、1995年的實測值相比較，降水徑流量相對誤差小于10%，地下水補給量的相對誤差小于6%，水資源總量的相對誤差小于8%?？梢?，水資源估算模型較好地反映了長江三角洲地區(qū)水資源的實際情況，表明所建立的模型是適宜的、有意義的。3區(qū)域水資源系統(tǒng)的估計模型3.1u2004農(nóng)村地區(qū)農(nóng)田潛在蒸散量及農(nóng)業(yè)總用量的確定本文農(nóng)業(yè)用水僅指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，不包括農(nóng)村生活用水和牲畜用水。農(nóng)作物需水量包括4個方面：植物同化過程需水和植物體內(nèi)包含的水、植物蒸騰、土壤蒸發(fā)、植株表面蒸發(fā)。其中植物蒸騰、土壤蒸發(fā)相對為大項，而植物生理需水、植株表面蒸發(fā)相對較小。因此，可以用農(nóng)田植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，即農(nóng)田蒸散近似表示農(nóng)業(yè)耗水量。農(nóng)田蒸散量一般不容易直接觀測而獲得資料，通常用氣候?qū)W公式進行計算，其中最為常見的是利用彭曼（Penman）公式計算蒸發(fā)力ET0，然后乘以一系數(shù)f來計算農(nóng)田潛在蒸散量。本文采用Penman-Montieth的潛在蒸散公式求得農(nóng)田的潛在蒸散量。對具體某種作物的農(nóng)田潛在蒸散量（ETc），由農(nóng)田潛在蒸散量（ETm）乘以作物系數(shù)（Kc）而得到，即式中：ET0為蒸發(fā)力；Rn為地面凈輻射蒸發(fā)當量（mm/d）；Δ為溫度飽和水汽壓曲線的斜率；γ為干濕表常數(shù)；Ea為干燥力，Ea=f(u)(ea-ed)，這里f(u)為風函數(shù)，(ea-ed)為飽和水汽壓與實際水汽壓的差值。世界糧農(nóng)組織給出了調(diào)整因子C,C是相對濕度、凈輻射、風速的函數(shù)。在實際計算中對公式中的各變量進行參數(shù)化，求得ET0。對于某一具體的作物j，其整個生育期的需水量Wj等于該作物在各個生育階段i的作物系數(shù)與同期參考作物潛在蒸散量乘積的和，即農(nóng)業(yè)總耗水量Ws為式中：Sj為j種作物的播種面積；β為調(diào)整系數(shù)，對水稻取1.1～1.3，其他作物取1.0。這樣由式(6)、(7)、(8)構(gòu)成農(nóng)業(yè)耗水估算的物理分析模型。長江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以兩熟制為主，主要作物為小麥、油菜、水稻、棉花，分別為冬季、夏季重復播種。本地區(qū)水稻是水灌稻田，水稻用水根據(jù)土壤性質(zhì)不同需乘以1.1～1.3的系數(shù)。未來農(nóng)業(yè)總用水量的多少與未來農(nóng)田面積的變化有密切關(guān)系，同時也受氣候變化的影響。近年來，由于經(jīng)濟高速發(fā)展，導致鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、民居占用農(nóng)田面積迅速擴大，集鎮(zhèn)化、城市化的快速發(fā)展，大中城市擴建、改造，都占用了大量農(nóng)田，使農(nóng)田面積迅速減少。因此，在對未來農(nóng)業(yè)總用水量計算時，我們考慮了未來農(nóng)田面積的減少。目前各地土地面積減少較快，對于未來，大都考慮未來耕地面積的每年減少不得大于上一年耕地面積的0.1%。3.2工業(yè)用水及工業(yè)發(fā)展速度工業(yè)用水一般可劃分為生產(chǎn)用水、空調(diào)用水、冷卻用水和環(huán)境生活用水。生產(chǎn)用水是指在生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品用水和工藝洗滌用水，約占工業(yè)用水量的1/4左右；空調(diào)用水是利用水調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度以保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的主要措施，其用水量與空調(diào)方式、時間有關(guān)，據(jù)初步分析僅占工業(yè)總用水量的5%；冷卻用水是指工業(yè)生產(chǎn)過程中，利用水對生產(chǎn)設(shè)備進行消熱、降溫以保證正常生產(chǎn)的水，它一般不與產(chǎn)品、原材料接觸、使用后水質(zhì)不變，僅水溫升高，還可重復使用，該部分用水量很大，約占工業(yè)用水量的2/32。工業(yè)用水具有增長快、要求高和重復利用潛力大等特點。估算工業(yè)用水常用萬元產(chǎn)值用水定額估算，公式為式中：Wa為t水平年工業(yè)用水量（104m3);Xt為t水平年工業(yè)產(chǎn)值（萬元）；At為t水平年萬元產(chǎn)值用水定額（m3/萬元）；Bt為t水平年工業(yè)用水重復利用率，目前本地區(qū)一般為0.50左右3。實際資料表明，本地區(qū)隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)值Xt增長速度快；隨著科學技術(shù)的不斷提高，萬元產(chǎn)值用水定額At不斷減少，重復利用率Bt則不斷提高。近年來的資料表明，由于技術(shù)水平的提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，長江三角洲地區(qū)萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量每年大約減少10%，通過向?qū)＜易稍儯瑢ξ磥砣f元工業(yè)用水量減少速度作了估計，即2000年以前仍每年減少10%;2000～2010年每年減少8%;2010～2030年每年減少5%;2030年以后每年減少1%。對于工業(yè)發(fā)展速度，長江三角洲各地區(qū)都制定了遠景規(guī)劃，雖有些不同，但差異不大，大致為：2000年以前工業(yè)總產(chǎn)值每年增長率為12%;2000～2010年每年增長率為10%;2010～2030年每年增長率為6%;2030～2050年每年增長率為4%。這樣，同時考慮工業(yè)發(fā)展速度、萬元產(chǎn)值用水量的減少，可由實際資料計算得出未來長江三角洲地區(qū)工業(yè)總用水量。3.3生活用水與氣候變化的函數(shù)城鎮(zhèn)生活用水包括居民生活用水和消防、綠化、機關(guān)、學校、醫(yī)院公共設(shè)施用水。通常用人均用水標準來計算，即Wm=P×K×365(10式中：Wm為城鎮(zhèn)生活總用水量；K為人均日用水量；P為城鎮(zhèn)居民總?cè)藬?shù)。城鎮(zhèn)生活用水量的變化主要受三個因素的制約，即人口數(shù)量變化、生活質(zhì)量和氣候狀況。其中人口數(shù)量的增長是生活用水量增加的主導因素。在不同時期、不同的生活條件下，人均用水量存在一定差異，在同時期城市生活用水與農(nóng)村生活用水也存在著差異2。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活質(zhì)量的提高，年人均生活用水量非線性地增加，未來將逐漸趨于穩(wěn)定。在不同的氣候狀況下，人的生理需水與生活需水也存在差異，這一點在年內(nèi)不同季節(jié)的氣候變化上表現(xiàn)較為突出，在不同的氣候年型下也有所反映。氣溫的升高，特別是夏季氣溫升高，使生活用水量明顯增加，在城市表現(xiàn)得尤為突出。由于生活水平的差異，也由于人類在不同的環(huán)境條件的適應能力不同，因此，建立生活用水與氣候變化之間的分析模型也存在一定困難，目前國內(nèi)外在研究生活用水時大多采用人均日用水量。顯然人均日用水量是人類生活質(zhì)量和氣候變化的函數(shù)。根據(jù)調(diào)查和國外生活用水資料以及對專家的咨詢，對本地區(qū)未來居民生活用水量的增長速度大致為：1996～2000年城市人均日用水量每年增長5%，農(nóng)村人均日用水量每年增長8.5%;2000～2010年城市人均日用水量增長3%，農(nóng)村人均日用水量每年增長5%;2010～2030年城市每年增長2%，農(nóng)村每年增長3%;2030～2050年城市每年增長1%，農(nóng)村每年增長2%。近年來人口自然增長率有明顯的下降，本地區(qū)1990～1995年自然增長率大約為0.2%～1.0%。根據(jù)人口的宏觀預測：1995～2000年每年人口增長0.91%;2000～2010年每年人口增長0.50%;2010～2020年每年人口增長0.35%;2020～2030年每年人口增長0.15%;2030～2050年每年人口增長為0。由此，可根據(jù)模型計算出未來的可能生活用水量。3.4實際預測結(jié)果根據(jù)以上建立的需水系統(tǒng)的各個子模型，對長江三角洲地區(qū)目前（1995年）及考慮未來耕地面積變化、技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)調(diào)整、經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平及人口數(shù)量變化等因素時的用水狀況進行了預測，結(jié)果見表1。利用實際資料對模型的計算結(jié)果進行了檢驗。其中，由農(nóng)業(yè)耗水估算模型計算的農(nóng)業(yè)總用水量與1994年、1995年的實際農(nóng)業(yè)總用水量相比較偏少5.3%～10.6%，這一結(jié)果與我們未考慮蔬菜等其他數(shù)量較少的作物有關(guān)，出現(xiàn)這樣的誤差是合理的，表明所建立的農(nóng)業(yè)用水估算模型具有較高的精度，能夠反映農(nóng)業(yè)用水的實際情況。計算表明，未來農(nóng)業(yè)用水量由于耕地面積的減少將比現(xiàn)在少，而工業(yè)用水和居民生活用水由于經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高而增加。4水資源供需平衡分析長江三角洲地區(qū)未來水資源的總需求量用下式計算，即Wn=a×(1.0+r)n(11)式中：Wn為1995年后第n年的用水量；a為1995年的總需求量；r為年增長率，2010年以前為1%,2011～2030年為1.8%,2031年以后為2.1%。對未來需水量預測時，各項用水的保證率分別為：工業(yè)和生活用水為95%，農(nóng)業(yè)用水保證率為75%。供需平衡分析時，以該地區(qū)水資源的多年平均值為基準。根據(jù)未來需水量及水資源使用情況，我們就可以了解未來不同時期的水資源供需平衡狀況。設(shè)Wb為水資源供需平衡量，則Wb=W-(Ws+Wg+Wm+Ww)(12)式中：W為耗水量，下標s、g、m、w分別表示農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活耗水和污水總量。由以上的計算得長江三角洲地區(qū)未來的水資源供需平衡量，表明未來2000