第一章水资源管理
水，生命的摇篮，是人类生存与发展不可替代的重要自然资源，是环境生态中最活跃 物质，其与土壤、空气、阳光构成了生物圈的基本物质。如果没有足够数量和清洁的水，人 和动物就不能生存，植物就不能生长，没有水，一切生命都将停止。地球之所以是太阳系 中我们所认识的所有生物的唯一家园，就是因为这个星球有水。
在太阳辐射和地球引力的推动下，地球上的水以不同的相态周而复始的运动着，构成 全球范围内水的大循环，并使各种水体形成一个统一、运动的整体，姻！ 1所示。蒸腾 蒸发是水循环的重要环节之一，海洋表面的水在太阳能作用下，形成水汽进入大气，并随 大气运动，一部分进入陆地上空，在一定的条件下，形成雨、雪。大气降水到达地面，部分 转化为地下径流和地表径流，最终又回到海洋。降水大部分被植物蒸发蒸腾或地表和水 面蒸发，返回大气中，遇适当条件又形成降水，周而复始，为动植物和人类的生存和发展源 源不断提供水资源。据统计，全球陆域年降水1! 9万km3，形成地表和地下径流总量约 '(万km3 ) 3万km3被自然蒸发蒸腾，返回到大气中
图！1水循环是联系地球系统地圈-生物圈-大气圈的纽带
据 US ClimAte ChAnge Science ProgrAm，US GlobAl ChAnge ReseArch ProgrAm
第一节水资源
水资源指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新 的那部分淡水量。年降水量和河流的年径流量是最能反映水资源数量与特征，而年径流 量不仅包含降水时产生的地表水，而且还包括地下水的补给，因此，世界各国通常采用多 年平均径流量表示水资源量。
黄万里(1989,1992)将水资源分为主水资源、客水资源。对于一个地区而言，主水资 源包括当地的降水、当地地下的潜流;客水资源指上游下来过境的河中水流与有压潜流。
王浩等(2002A)定义水资源为即所有为经济社会和生态系统利用的大气降水，既包括 地表水和地下水，又包括植被、作物等生态系统利用的土壤水以及冠层与地表的降水截 留’但不包括未被生态系统利用的沙漠、裸地、裸露岩石等下垫面上的蒸发。
i=N i=N i=N i=N,j=M i=N,j=M
p" = N" Rs" + N"i Rgl + N.#1j 1 EI)+N. #1) 1 ET) +
"=丄 "=丄 "=丄 "=丄，j =丄 "=丄，）=丄
1 i=N,j=M 1 "=N i "=N
N："jl ESj+N"1l 取'！"么 (L1)
"=丄，）=丄 "=丄 "=丄
% = Rg" (1.2)
丄、i=i 丄、i=i
1 i=N i i=N i i=N，j=M i i=N，j=M i i=N，j=M
w = N" " Rgi'N " E,) " ETj 'N " ESj
i = 1 i = 1 i = 1，j = 1 i = 1，j = 1 i = 1，j = 1
(1. 3)
式中"为计算年！为长系列总年数j'为生态系统麵(如农田、林地、草地、居民与工业 用地等）;M为生态系统总分类;p为降水量;Rs为地表水资源量(实测径流量）-,Rg为与 地表水不重复的地下水资源量(即降水入渗补给地下水量扣除地下水出流，或潜水蒸发与 地下水开采净消耗量之和）+,为冠层及地表截留蒸发量;ET为蒸腾量;ES为棵间土壤 蒸发量;ED为未利用土地(如沙漠、裸地、裸岩等）及稀疏植被中大片裸地上的蒸发量； !S为流域水分蓄变量;I为狭义水资源量;0为广义水资源量。
随着时代的进步，人们对水资源的认识进一步加深，有的学者将水资源分成蓝水和绿 水。蓝水定义为河流流量和深层地下水补给的总和。蓝水实质上是传统水文和工程中定 义的水资源。绿水，源于降水的自然下渗，越来越被看作一种可管理的水资源。 FAlkenmArk等(2006)区分了两种绿水组成:绿水资源和绿水流。绿水资源等于土壤中的 水分，而绿水流等于实际蒸发(无效部分)和实际蒸腾(有效部分)的和。Liu指出，蓝水为 地表水体和地下水中的水;绿水本质上是植物产生生物量所直接消耗的降水，即渗到非饱 和区的降水(Liu ，2009)。狭义的绿水可理解为植被生长所直接消耗的土壤水分，
并最终以蒸腾(绿水流)方式返回大气中的水分，即有效蒸散发部分;而广义的绿水可理解 为植被生长地区的土壤水，并最终以蒸发和蒸腾(绿水流）的方式返回大气。贾仰文和王 浩等(2006)将绿水定义为生态系统利用的雨水，其中间贮形式是土壤水及冠层截留’最 终形式是蒸散发后返回大气的蒸气流。绿水是静态的，绿水流是动态的。绿水流可分为 E和:T，E为无效蒸发，了为有效蒸腾。现绿水已越来越受到重视，并纳入到水资源规划 和管理中（FAlkenmArk et Al.，2006)。
如何计算一个地区水资源量，学术界存在争议。传统的水资源评价中，通常以流域或 三级区为单元分别对地表水资源量和地下水资源量核算;认为地表水资源量是指地表水 体的动态水量，即天然河川径流量，地下水资源量是指源于降水和地表水体补给的动态地 下水量。由于地表水和地下水相互联系、相互转化，河j丨丨径流量中包括一部分地下水排泄 量，地下水补给量中有一部分来源于地表水体的入渗，故不能简单地将地表水资源量与地 下水资源量相加作为水资源总量，而应扣除相互转化的重复部分。由水资源评价可知，一 个地区水资源量的大小包括流经该地区的所有河川径流，即所有的客水资源都是该地区 的水资源。
黄万里先生则持反对意见。其观点认为，自然存在的客水资源只有被人们利用时才 能算作该地区的水资源。自然存在的客水资源量可能很多，远大于地区或流域的需要量， 或大于需引用的水量;客水资源也可能很少’不够使用’例如华北地区日益扩大的农业用 水使客水不够用。只有在水资源不够的地区，自然存在的水资源量等于水资源可利用量。 在水资源丰富的地区，人n需要估计的利用量小于自然存在的水资源量。
河j川丨径流是地区用水剩余下来的，排向下游，最终出海包括洪流在内的水流。当然它 还可部分抽起来利用，但在通航河道里必须保留部分水流以维持航运通行，在不通航的河 道里必须保留少量的释污流水，汛期内的洪流是无法调蓄而废弃的水流。通过地区下游 末端河流断面的径流量代表这地区及其上游已经用掉后剩余下来的水资源。却不能单独 地代表本地区的水资源。-条河的出口径流也只能代表这条河水用剩后的水资源，却远 非该河流的可用水资源。例如长江出口平均年流量多达1万亿(1012)m3，这是上游整个 流域剩下来的水量，决不能看作流域的水资源（黄万里！989,1992)。这里的用水剩余实 际是耗水剩余。
估算一个地区的水资源，在较小的面积(如1万km2)内，可以依据当地有效雨量、灌 溉和抽井水量推算。但在大面积的流域里’沿河灌排水有出有入，逐段推算十分繁琐’宜 按全流域各水文因素平均年水量的平衡方程推算'
P # 一 E $ 一（R 一 r)=S (1. 4)
式中，P为降水量+为非利用水的地面水面蒸发量;R为川流量r为从河中取用的扣除 排回的实际用水量;S为所糊的水资源量。由此可见，在一定的降水量P和蒸发量E下， 河中剩余水流％-6越多，则利用的水资源量S反而越少。所以把河中水流作为水资源是 错误的(黄万里！989,1992)。从上列平衡方程式(1. 4)可知，所糊的水资源量S必小于 降水量P，也必小于扣除川流量R - r后剩余的水量:S < P-R + r。可见水资源不可能单 从川流量R或其降水量P决定。某一地区的主客水资源，其来源并不限于本流域，也可以 从其他流域调拨’只要工程措施合乎经济效益’都可作为本地区的水资源’当然不得大于 本地的水资源需求。所以水资源含有经济因素的概念，不像降水、川流纯属水文因素(黄 万里！989,1992)。
王浩等(2002)定义的水资源与传统水资源差别在于它增加了有效降水项，即生态系 统对降水的有效利用量(有效蒸发）。传统的水资源评价口径只侧重于径流性的水资源， 认为只有径流性的水资源可通过水利工程等措施被人类控制并利用，而忽略了土壤水资 源的评价(王浩等’ 2009，2010)。随着人类认识的进步，虽然土壤水不能直接为人类利用’ 但能被植被、农田等生态系统就地直接利用于生物量生产，且每年都能通过降水得到更 新，因此也应作为水资源进行考虑。FAlkenmArk指出土壤水在农业生产中的用水比例可 高达2/3，是农业生产的重要水量来源(FAlkenmArk ef A ,2006)。在干旱地区，由于水资 源的紧缺，与人类密切相关的农业生产越来越依赖于土壤水，因此越来越多的国内外学者
将土壤水作为水资源的一部分进行评价（Gerten et Al. , 2005; Jewitt, 2006& Liu et Al. !
2009)。
抛开水资源量评估方法的差异,就某种方法而言，随着人类扰动的日益增强，如何精 确的计算水资源量也面临着巨大挑战。就河川径流量而言，在自然状态下，天然径流量可 由径流测站观测得到，但在人类扰动作用下’河川上游的径流大部分被大坝拦截’或者被 人类大量的取走用于满足各种用水需求’例如，农田灌溉、居民生活用水、工厂用水、维持 生态环境用水等。在这种情况下，测站径流已不能代表河川的天然径流量。为了得到准 确的地表水资源量，需对测站径流进行水量还原，但由于缺乏必要的监测设备，有些取水 量和排水量数据无法获得’如山区农民修建大量的小型水库、池塘、集水池来收集降水用 于农田灌溉等，因此精确的还原水量十分困难。地下水资源量根据水文和水文地质参数 计算获得，但水文地质麵的获得带有很强的经验性，且依于水文分区的准确性，此外， 河川川丨上游的人类用水活动的加剧’会导致河j川丨径流量的减少’从而减少下游地表水对地下 水的补给。
第二节水资源管理
人类社会从早期的择水而居，到水害控制、发展水利，从大河文明到现代水利，人类社 会发展一直伴随着对水资源的开发利用’而且水在经济社会发展中的地位越来越重要，对 其依赖性越来越强烈。随着社会发展’人们通过修建水利工程’提高水的利用程度抵制各 种水灾害;人类社会越发展，技术水平越高，对水的开发程度就越高。
经济社会发展的各行各业，如农业、工业、发电、航运、城镇生活等，都需要充足而可靠 的供水。水给人类带来了极大的恩惠，从水资源开发利用中获得了显著效益，灌溉农业的 发展，为人类提供了丰富食品，世界17%的灌溉耕地为人类提供了 40%的粮食(张启舜， 2000)。没有水就没有社会经济的发展与进步。但是，水也不是取之不尽的，在一定的地 区、一定时间水总是有限的，当社会生活和生产的耗水量达到或超过当地水资源可利用量 时，就会导致产生危害人类社会本身的生态环境问题，进而制约人类经济社会的发展和 进步。
—!水资源需求
地球上水的总量为13. 86亿km3，其中96. 5%为海水，淡水资源只占2. 53%，其中大 部分又以固态形式储存于冰川、雪山，可被人们开发利用的仅是其中很少一部分。
尽管我国水资源总量丰富，但人均水资源量却很少少若以河J丨川流量计算，我国淡水 资源28000亿m3，占全球水资源的6 %，做于巴西、加拿大、俄罗斯，居第四位。但按目 前人口，人均只有2000m3，仅为世界平均水平的1/4，在世界上名列121位，是全球人均 水资源最贫乏的国家之一。
此外，我国水资源在空间上分布极端不平衡，8140亿m3可利用水资源量大部分在南方 丰水地区。由于我国工业化、城市化进程加快，以及确保粮食安全的需要，X对资源的供给 保证率提出更高要求求对水资源的压力越来越大。据相关酿表明，我国每年因供水不足 造成工业产值的损失上千亿元。农业用水因城市和工业的发展而被大量占用，每年有 700万W耕地因水源不足而无法灌溉，估计仅此一项就少生产粮食150亿"200亿kg。 与此同时，我国用水方式还没有完全按照科学发展的要求来实现，现在的用水还是比较粗 放的、浪费的，也为我们国家水资源的开发利用保护带来了巨大的压力，维系生态环境系 统基本功能的水量被挤占，使生态系统失去平衡。城乡大量废污水排放，又使环境受到污 染’水资源问题矛盾重重’已经成我国经济、社会进一步发展的主要障碍。
(一）城市化对水的需求
城市发展对水的需求表现为城市人口数量增加以及生活水平提高对水的需求增加。 城市发展不但要保证居民日常生活用水，还要为城市的建设、工业生产、商业活动、旅游、 休闲娱乐活动以及美化环境提供水源，对供水保证率和水质要求也较高。
就全獅言’近年来’城市化进程加速’人口压力不断增大，人类每年用掉的水资源越 来越多，如何保障用水的安全，已经成为人类面临的严重挑战。目前，全世界70亿人口中 有一半人口生活在城市，2011"2050年的未来40年的时间里，全球人口将增长23亿，而 城市居民将增长26亿。由于城市配套设施的发展远远落后于城市化进程，清洁的用水与 卫生设施对城市贫民已经构成了直接威胁。目前，全球水资源短缺地区有超过1亿的人 正在遭受缺水的折磨，全球有12亿人得不到干净的饮用水，24亿人在生活中没有完善的 污水处理设施。在第三世界国家，每年大约有1万名5岁以下的儿童死于与用水不洁相 关的疾病(UNDESA，2013)。
改革开放以来，我国城镇建设进入快速发展时期，1978年，我国城市数量193个，到 2000年增长到663个，其中100万"200万人口特大城市24个，还有13个城市人口超过 200万，除此之外，还有20312个建制镇。1978年城镇人口 17245万，占全国人口的
17. 9%，至1998年，城镇人口增加到41608万，占全国总人口的33.35%。2008年，城镇 人口已达60667万，30年间净增43422万，相当于1978年的3. 5倍(刘勇，2011)。在城 镇人口迅速增长的同时，城镇生活用水快速增长。1998年，全国城镇用水254亿m3， 2008年增加到469亿m3，平均每年以6%的速度递增。一方面是因为城镇化率不断提 高’大量农业人口进入城镇’城镇人口迅速增加，另一方面是人们生活水平不断提高’用水 定额有所增加。
与此同时，随着社会主义新农村建设的不断推进和民生水利实施，不但要解决好3. 2 亿人口的供水安全和饮水困难问题，还要基本实现农村生活自来水化。不论城市还是农 村，居民生活用水量均会较快增长。
(二）农业用水
农业用水是人类用水大户，其水资源不仅受制约于经济与水文条件，还取决于下列三 种自然条件：1可耕地的面积;2本地区无霜期内气温、湿度和日照等气候条件;3这期间 的有麵量和能够利用的客水量。这就是人们熟知的外来谤语：良好的耕地、气候与雨 水的配合是农作高产的条件”。
目前，全球农业用水量约为28500亿m3，占全球总用水量的70%(高占义，2012)，不 断增加的人口与粮食结构的变化对有限的水资源造成了巨大压力。目前，全球人口已经 达到70亿，其中有16亿人生活在绝对缺水的地区，2050年，全球人口将高达90多亿。 据统计，要生产一个人每天所需要的食物，大概需要2000〜5000L水。由于生活水平的 提高，人类的饮食结构也发生了变化，2000〜2050年，每人年肉食品消费量预计从37kg 增长至50kg，生产1kg谷物需翻耗1500L水，而生产1kg肉食品消耗的水资源量是谷 物的10倍。由于人口的增长，在未来的25"30年的时间里，世界人口对粮食的需求将会 增长70%〜100%，而普遍的观点认为在增长的粮食需求部分中，有80%〜90%将来自现 在的耕地，只有10%〜20%来自新开垦的耕地，然而，由于城市化、沙漠化和盐碱化的影 响，世界耕地正在减少。目前，全世界的总耕地面积为15亿W，其中11亿W为雨养 耕地，4亿hm2有灌排设施，其中2. 1亿hm2耕地有灌溉设施，0. 6亿W耕地有灌溉和 排水设施，有1. 3亿hm2耕地有排水设施。尽管有灌排设施的耕地只占总耕地面积的 27%，但生产了全世界55%的粮食麵养耕地占总耕地面积的73%，但生产的粮食仅占 世界粮食总产量的45%。而气候变化导致的极端干旱和洪涝事件在显著增加，今后需增 加的粮食产量当中的80%"90%将来自有灌排设施的耕地，只有10%"20%来自雨养农 业。此外，随着工业化与城市化进程的加快，不同行业之间水资源的争夺日趋激烈，农业 用水将会被进一步挤压。
我国是一个人口大国’粮食安全关系到国民经济发展和社会稳定的全局，我国又是一 个自然灾害较多的国家，洪涝旱等自然灾害始终困扰着农业这一弱质产业。随着工业化、 城镇化发展，人口增加和人民生活水平的提高，粮食消费需求呈刚性增长，同时耕地减少、 水资源短缺、气候变化等因素对粮食生产的约束日益突出，我国粮食供需将长期趋于紧平 衡状态，粮食安全保障面临严峻挑战。新中国成立以来，农业灌溉用水量持续增加’保障 了粮食产量不断增长。1949年农业灌溉用水1001亿m3，到1997年增长到3920亿m3， 50年间翻了两番(沈坩卿！999)，同期粮食产量从2262亿斤1增加到9883亿斤，增加了 3. 6倍。粮食产量与灌溉用水量的变化趋势基本-致，灌溉对保障粮食安全具有举足轻 重的地位。据统计，我国农田灌溉率53%，灌溉农田提供的粮食产量占粮食总产量的 74%，灌溉耕地粮食单产与旱地单产之比为2. 3〜5. 4。近年来，节水灌溉力度不断加大， 渠系水利用系数不断提高’在灌溉供水量变化不大的情况下’灌溉面积不断扩大，水分生 产率也在不断提高，为粮食产量不断增长提供了条件。
对于中国这样的人口大国，粮食必须依靠国内粮食保障供给’使粮食自给率稳定在较 高水平上，在2005年粮食总产量达到9680亿斤的基础上，又保持连续7年增产，自2007 年以来，粮食产量一直稳定在10000亿斤以上。未来，预计到2030年前，我国人口还将持 续增加，对粮食需求也将进一步增加，粮食安全面临巨大压力。在全国耕地保有量不低于
18. 0亿亩，基本农田不减少的前提下，根本措施是要继续抓好大型商品粮基地建设，继续 扩大农田灌溉面积，增加粮食单产。预计到2030年灌溉面积将扩大到6667万hm2，农业 灌溉总用水量将达到4500亿m3。因此在增加农业供水的同时，不断提高水分生产率，才 能实现粮食安全的目标。
1 1 斤= 500g。
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