北京市水平衡分析

北京市水平衡分析

氣候變化和人類活動(dòng)顯著改變了中國(guó)北方水資源的總量。全國(guó)第二次水資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,北京的多年平均水資源為37.3億m3,近年來,由于降水減少和下墊面產(chǎn)流變異等原因,北京市每年的產(chǎn)水量?jī)H為22.3億m3,而目前北京市年用水量為35.3億m3。那么北京到底缺多少水?缺水的原因是什么?各項(xiàng)貢獻(xiàn)率分別有多大?進(jìn)入21世紀(jì),南水北調(diào)工程實(shí)施以后是否可以解決北京的水資源短缺狀況?這些都是迫切需要研究的科學(xué)問題。本文通過降雨-徑流-蒸散發(fā)的水文平衡模式和反映供用水關(guān)系的水資源供需平衡模式,分析北京市水量平衡狀況,獲得北京市水量平衡的新認(rèn)識(shí),為認(rèn)識(shí)北京市的水資源問題,提供新的視角。1非傳統(tǒng)水資源總量北京市位于華北平原西北,全市總面積1.68萬km2。其中山區(qū)面積占61.9%,平原占38.1%。境內(nèi)有5條河流,從東向西分布有泃河、潮白河、北運(yùn)河、永定河和拒馬河,分別屬于海河流域薊運(yùn)河、潮白河、北運(yùn)河、永定河和大清河水系。除北運(yùn)河發(fā)源于本市以外,薊運(yùn)河、潮白河和大清河三大水系發(fā)源于河北省,永定河發(fā)源于山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。北京市多年平均降水量584.7mm,其中6～9月汛期降水量488.2mm,占83.5%。非汛期3～5月降水量59.6mm,占10.2%,10～2月降水量36.8mm,占全年的6.3%,具體分布見圖1。一個(gè)區(qū)域的水資源總量一般包括本土水資源和過境水資源兩個(gè)部分。由于行政區(qū)劃與流域劃分的差異,一些流域上游地區(qū)的來水和過境水也是水資源的一個(gè)組成部分。北京的永定河、潮白河和薊運(yùn)河、大清河等都有一定數(shù)量的上游來水和過境水,這部分水資源也是可以開發(fā)利用的水資源。在北京市的五大水系中,永定河和潮白河是影響較大兩大河流,每年都有可觀的入境水量,也是北京市供水水源的重要組成部分。薊運(yùn)河和大清河位于北京市邊緣,入境水量較少,尤其是大清河基本為過境水,很難得到有效利用,而北運(yùn)河發(fā)源于北京,沒有外來水量。此外,在特殊干旱年份下北京市還有跨流域的調(diào)水量入境。一般來水年份下,永定河、潮白河和薊運(yùn)河三個(gè)水系(北運(yùn)河發(fā)源于北京,大清河的入境水量實(shí)際為過境水量,不計(jì)入)可以從山西、河北等省份接受客水資源約16.06億m3,出境14.51億m3。根據(jù)全國(guó)第二次水資源評(píng)價(jià)(1956～2000)結(jié)果,北京市多年平均水資源總量為37.39億m3,其中地表水17.72億m3,不重復(fù)計(jì)算地下水19.67億m3(礦化度<2g/L)。按照2000年北京市人口1382萬人計(jì)算,人均水資源占有量為270m3,約為全國(guó)人均占有量的12.4%。若計(jì)入上游來水,則水資源總量為53.35億m3,人均水資源可達(dá)386m3。2近年來，北京水資源變化與成因分析2.1降水量分布北京市的降水量在過去半個(gè)世紀(jì)發(fā)生了較大的變化。按照我國(guó)兩次水資源綜合規(guī)劃中采用的不同資料系列,可以把1956～2000劃分為兩個(gè)時(shí)段。分析顯示,前一個(gè)時(shí)段北京市年均降水量為620.6mm,后一個(gè)時(shí)段平均降水量為543.6mm,下降77mm,約占多年平均降水量的13.2%。其中山區(qū)降水由610.4mm減少為538.6mm,平原降水由637.2mm下降為551.6mm。多年平均降水大致東部高西部低,延慶降水最少,為503.8mm,其次為門頭溝和大興,分別為527.1mm和544.2mm;降水量最多的是平谷和密云,分別為677.0mm和651.0mm。進(jìn)入21世紀(jì)以來,由于氣候波動(dòng)原因,北京市降水量進(jìn)一步減少,2001～2009年平均降水量為485.4mm,自產(chǎn)水資源量?jī)H有22.33億m3,分別下降了17.0%和40.3%,而地表水更是減少到7.73m3億m3,下降了56.4%(表1)。與此同時(shí),由于上游水庫(kù)攔蓄和下墊面變化導(dǎo)致產(chǎn)流異常減少,入境水量銳減(圖2),2001～2009年北京市入境水為3.46億m3,與多年平均值相比下降了78.5%,而出境水量減少為8.03億m3,其中含污水5.6億m3。2.2產(chǎn)流異常導(dǎo)致徑流減少的產(chǎn)流因素徑流減少的原因是流域或區(qū)域產(chǎn)水量下降所致。北京市水資源減少一般可以劃分為氣候變化和下墊面的影響兩個(gè)方面的原因。從水文原理分析,產(chǎn)流過程是流域中各種徑流成分的生成過程,也是流域下墊面(包括地面和包氣帶)對(duì)降雨的再分配過程。本文所研究的產(chǎn)流主要是指地表徑流的產(chǎn)流量。一個(gè)流域產(chǎn)流量的大小既取決于降水量的大小,也受下墊面特征的影響。正常情況下,一個(gè)地區(qū)的降水量與徑流量存在一個(gè)常規(guī)的關(guān)系,即降雨徑流關(guān)系,但是由于氣候變化和人類活動(dòng),降水規(guī)律和下墊面特征會(huì)發(fā)生改變,因此,流域發(fā)生降水以后,水在下墊面的阻水、吸水、持水和輸水特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,產(chǎn)流異?，F(xiàn)象就會(huì)因此發(fā)生。產(chǎn)流異常導(dǎo)致徑流減少可以用時(shí)段初期和末期的徑流量之差表述,設(shè)時(shí)段初期、末期的徑流量分別為R0和Rn,則異常產(chǎn)流變量ΔR為:ΔR=R0-Rn=R(P0,G0)-R(Pn,Gn)=R(P0,G0)-R(P0,Gn)+R(P0,Gn)-Rn(Pn,Gn)=ΔRG+ΔRP(1)式中ΔRP和ΔRG分別代表降水因子和下墊面因子對(duì)徑流減少量的貢獻(xiàn)。可見,產(chǎn)流減少可以分解為由于降水量減少和下墊面變化導(dǎo)致產(chǎn)流減少兩個(gè)部分。其中,ΔRP=η·ΔP(2)ΔRG=Δη·P(3)ΔP代表降水量的減少,Δη代表相同降水條件下徑流系數(shù)的變化。以現(xiàn)狀年(2001～2009年)和多年平均(1956～2000年)降水量、徑流系數(shù)代入(1)～(3)式,得到北京市因?yàn)榻邓彤a(chǎn)流異常導(dǎo)致徑流減少量分別為3.01億m3和6.98億m3,因此可以得到近年來北京市河川徑流量減少的原因中,氣候變化的原因?yàn)?0.1%,下墊面變化導(dǎo)致產(chǎn)流異常的貢獻(xiàn)率為69.9%。3土地類型蒸蒸發(fā)模型基于降雨-徑流-蒸散發(fā)的水量平衡方程為:ΔW=P-E-Q(4)式中,P為降水,E為蒸散發(fā),Q為河川凈排泄量,包括出境水Q1、入境水量Q2、應(yīng)急調(diào)水Q3、ΔW為系統(tǒng)或區(qū)域蓄變量,包括地下水蓄變量ΔW1和水庫(kù)蓄變量ΔW2。在水量平衡研究中,可以從ΔW的構(gòu)成和變化分析一個(gè)區(qū)域的水平衡關(guān)系和缺水態(tài)勢(shì)。根據(jù)北京市水資源公報(bào)等有關(guān)成果得知,在2001～2009年時(shí)段,北京市年平均降水量P為485.6mm,以北京市國(guó)土面積為16800km2計(jì)算,年降水總量P為81.58億m3;北京市2001～2009年平均出境水量Q1為8.03億m3,入境水量Q2為4.34億m3,應(yīng)急調(diào)水Q3為0.37億m3,由此得到河川凈排泄量Q為3.32億m3。北京市年實(shí)際蒸散發(fā)E可以通過不同下墊面背景下的蒸散發(fā)模型計(jì)算。對(duì)于水面蒸發(fā),本文采用洪嘉璉公式,潛在蒸散發(fā)中由于傳統(tǒng)的Penman-FAO模式動(dòng)力項(xiàng)成果偏大,故本文采用Prestley-Taylor公式[9,10,11,12,13,14],水澆地采用作物系數(shù)計(jì)算,有林地和其他林草地蒸散發(fā)采用張魯公式,其他土地利用類型則分別采用傅抱璞蒸散發(fā)模型。這些模型和計(jì)算成果如下:洪嘉璉等在研究華北平原水面蒸發(fā)的規(guī)律后,提出水面蒸發(fā)公式:E0=0.144(1+0.75U1.5)[D+d(T1.5)(α-1)T1.5](5)式中,U1.5為1.5m高度風(fēng)速,以m/s計(jì);D為飽和水汽壓差,以毫巴計(jì);d(T1.5)為飽和水汽壓斜率,毫巴/℃;α-1為溫度層結(jié)調(diào)節(jié)系數(shù);T1.5為1.5m處氣溫。Prestley-Taylor公式用于潛在蒸散發(fā)量的計(jì)算:λETo=1.28×ΔΔ+γ×(Rn?G)(6)λEΤo=1.28×ΔΔ+γ×(Rn-G)(6)式中,λ為蒸發(fā)潛熱,ETo為參考蒸散量,單位mm·day-1;Rn為凈輻射量,單位為MJ·m-2·day-1;G為土壤熱通量,單位MJ·m-2;Δ為飽和水汽壓斜率(kPa℃-1),γ為濕度計(jì)常數(shù),單位kPa℃-1。有林地和其他林草地蒸散發(fā)采用張魯公式如下:EP=1+w×EpP1+w×EpP+(w×EpP)?1(7)EΡ=1+w×EpΡ1+w×EpΡ+(w×EpΡ)-1(7)式中,w為植被有效水分系數(shù),對(duì)植被來說,其取值范圍為0.5～2.0,森林取2.0,草地和農(nóng)作物取0.5,裸土小于0.5,潛在蒸散用Priestley–Taylor公式計(jì)算結(jié)果。其他土地類型的陸面蒸散發(fā),可以利用傅抱璞公式計(jì)算得到:Ea=P{1+RnLP?[1+(RnLP)m]1/m}(8)Ea=Ρ{1+RnLΡ-[1+(RnLΡ)m]1/m}(8)式中,依據(jù)Budyko假設(shè),Rn/L可以用ET0代替,m的取值與氣候及徑流狀況有關(guān),對(duì)于山區(qū)和平原地區(qū),取值各有不同。根據(jù)國(guó)土資源部有關(guān)土地利用資料,北京市土地類型得到水面面積(包括水田)、水澆地(包括園地)、旱地(包括村莊、裸地)、林草地(包括灌木林、采礦用地)、城市交通用地面積的比例分別為4.14%、18.61%、12.66%、58.73%和5.86%。采用公式(5)～(8)計(jì)算得到以上五種不同下墊面的蒸散發(fā)分別為1182mm,840mm,425mm,371mm和291mm,由此得到北京市2001～2009年實(shí)際蒸散發(fā)為494mm,折合水量得到E為82.99億m3。根據(jù)(4)式,可以得到北京市現(xiàn)狀年份下年均水資源蓄變量ΔW為-4.73億m3。即通過調(diào)水等措施,不考慮河流生態(tài)需水量擠占的條件下,北京市2001～2009年的水資源虧缺量為4.73億m3。實(shí)際上,還可以通過實(shí)際地下水開采數(shù)據(jù)和水庫(kù)蓄水變量的統(tǒng)計(jì)值對(duì)于以上水平衡計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。2001～2009年北京市年均地下水蓄變量ΔW1為-4.96億m3,水庫(kù)凈儲(chǔ)量年均減少值ΔW2為-0.86億m3,由此可以得到水資源系統(tǒng)內(nèi)的蓄變量為-5.82億m3,可見,蒸散發(fā)計(jì)算值與水平衡計(jì)算結(jié)果兩種方法的誤差為1.09億m3,占降水總量的1.34%。4水土流失方面根據(jù)北京市水資源公報(bào),北京市2001～2009年平均用水35.26億m3,其中生活用水13.71億m3,城市河湖環(huán)境用水1.58億m3,工業(yè)用水6.80億m3,農(nóng)業(yè)用水13.18億m3。以上用水中,沒有考慮河道內(nèi)的生態(tài)用水量,前文分析顯示,近年來(2001～2009)僅僅為了維持北京市水資源供需平衡,即使?fàn)奚拥郎鷳B(tài)用水量,仍然缺水4.73億m3。因此,要維持健康的生態(tài)環(huán)境,保持河道水系不斷流,并維持一定的人口增長(zhǎng),北京市實(shí)際的缺水量更大。4.1北京北運(yùn)河和薊運(yùn)河的生態(tài)需水總量永定河和潮白河是北京的兩條主要河流,而這兩條河流基本常年處于斷流狀態(tài)。永定河和潮白河多年平均年徑流量分別為9.43億m3和14.19億m3,按照生態(tài)流量的最低要求和適宜要求,每年的生態(tài)需水量分別為多年平均河川徑流量的10%～20%,因此這兩條河流的河道內(nèi)生態(tài)需水量共需要2.38億～4.77億m3。按照以上標(biāo)準(zhǔn),北運(yùn)河的生態(tài)需水是0.48～0.96m3,目前由于北京的主要排污河流,出境水量為8.03億m3,大于要求的水量。因此北運(yùn)河的生態(tài)需水可以得到滿足。拒馬河和薊運(yùn)河位于北京市邊緣,多年平均來水量分別為2.34億m3和1.97億m3,近年下降到0.54億m3和0.68億m3,出境水量分別為0.69億m3和0.61億m3,基本滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量。綜上,北京市五大水系中北運(yùn)河、拒馬河和薊運(yùn)河河道內(nèi)生態(tài)需水量基本可以得到保障,而永定河和潮白河則完全斷流,河道內(nèi)的生態(tài)需水量為2.38億～4.77億m3。4.2用水與水質(zhì)隨著城市的發(fā)展,北京市人口還有進(jìn)一步增加的趨勢(shì),但是增加一個(gè)人的生活需水量是多少呢?根據(jù)北京市近年來用水規(guī)律分析可知,城鎮(zhèn)居民生活用水中,狹義的飲食起居類需水為100L/d(即37m3/a),廣義生活用水中的公共用水、建筑業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水分?jǐn)倿?40L/d(即51m3/a),一個(gè)人的城鎮(zhèn)生活需水總量為240L/d,即88m3/a。根據(jù)北京市用水現(xiàn)狀測(cè)算結(jié)果,北京市人均用水中工業(yè)用水分?jǐn)?7m3/a,農(nóng)業(yè)用水分?jǐn)?9m3/a,生態(tài)用水分?jǐn)?7m3/a。因此在不考慮工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量的分?jǐn)倵l件下,每增加一個(gè)人,需要新增城市供水105m3/a。如果按照北京市每年增加人口50萬計(jì)算,需要新增的生活用水量為5250萬m3。因此,考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量要求時(shí),北京市現(xiàn)狀需水量為37.64億～40.03億m3.如果考慮人口增長(zhǎng),北京市每年還需要增加5250萬m3的生活和生態(tài)供水。預(yù)計(jì)北京市2014年需水量會(huì)達(dá)到39.74億～42.13億m3。4.3來水量和來水資源量近年來實(shí)際來水量小于多年平均來水量,本文采用三個(gè)不同的來水保證率進(jìn)行來水量預(yù)測(cè)。由全國(guó)第二次水資源綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,北京市50%、75%和95%偏枯年份下的來水量為34.9億m3、26.4億m3和18.2億m3,各個(gè)水系中永定河在不同水平年從河北省進(jìn)入官?gòu)d水庫(kù)的水量為3.19億m3、2.51億m3和1.24億m3,潮白河入境分別為5.61億m3、3.24億m3和2.37億m3,另外考慮南水北調(diào)中線供水量10億m3,因此,可供利用的水量為53.7億m3、42.15億m3和31.81億m3。4.42北京市水資源概況在2014年南水北調(diào)中線供水到達(dá)北京以后,北京市在50%和75%兩種來水水平下,現(xiàn)狀可供水量都將大于需水量,而在95%來水頻率下將仍然缺水10億m3。由于2014年北京市可供水量(75%來水水平下)為42.15億m3,那么如果北京市人口以50萬的速率增加,從2015年開始就又會(huì)面臨新鮮水資源不足的問題。但是由于還有大量的再生水沒有計(jì)入使用,因