摘要: 國內(nèi)外有關(guān)地表水資源可利用量代表性定義均側(cè)重于要素描述，其區(qū)別主要在于是否考慮回歸水、是否考慮無法控制利用的洪水以及是否充分考慮水權(quán)等。以水資源可利用量的概念為切入點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外有關(guān)地表水資源可利用量的研究進(jìn)展，著重介紹并比較分析了國內(nèi)常用的扣損法、美國德克薩斯洲的WAM模型和綜合考慮水量與水質(zhì)的墨西哥水資源可利用量指數(shù)法，指出了今后地表水資源可利用量計算的研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 水資源可利用量;扣損法;WAM模型;水資源可利用量指數(shù)

中圖分類號: TV211.1　  文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A　  文章編號:1001-4179（2008）17-0018-03

1 概述

水資源可利用量是綜合規(guī)劃區(qū)域水資源的節(jié)約、保護(hù)、配置、開發(fā)、利用和治理措施的條件，又是進(jìn)行水資源承載能力分析的基礎(chǔ)。王浩等［1］指出:“傳統(tǒng)的水資源評價并未確立可持續(xù)準(zhǔn)則來指導(dǎo)水資源評價活動，用狹義水資源評價結(jié)果來代替國民經(jīng)濟(jì)水資源可利用量，在這種思想的指導(dǎo)下，引發(fā)了一系列不恰當(dāng)?shù)乃Y源開發(fā)利用方式和行為，造成許多不良后果，如黃河斷流、地下水超采等”。因此對水資源可利用量進(jìn)行科學(xué)定義并分析計算，對于擬定流域水資源合理開發(fā)利用的水平，為水資源配置，協(xié)調(diào)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水提供科學(xué)依據(jù)具有重要的意義。本文首先對比分析了國內(nèi)外關(guān)于地表水資源可利用量的定義，其次總結(jié)分析了國內(nèi)外關(guān)于地表水資源可利用量計算的主要方法及其特點(diǎn)，最后提出了今后的研究重點(diǎn)。

2 水資源可利用量的定義

國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一些學(xué)者從不同角度探討了水資源可利用量的定義，結(jié)合實(shí)際工作，提出了具有建設(shè)意義的定義。表1列出了其中代表性論述中的要素，從表中可以看出國內(nèi)外關(guān)于水資源可利用量定義的區(qū)別主要現(xiàn)在:國內(nèi)不考慮回歸水的利用，國外則往往考慮了回歸水的利用;國外往往不考慮無法控制的洪水，而在水權(quán)方面的考慮較國內(nèi)全面。

綜合對比國內(nèi)外對水資源可利用量概念的探討，可以看出水資源可利用量的定義基本上包括了社會與經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境需水量、工程措施、水權(quán)等要素，是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境且經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的前提下，在總水資源量中可供人類凈消耗的那部分按水權(quán)配置的水資源量。

3 國內(nèi)外水資源可利用量計算方法綜述

表1 水資源可利用量代表性概念對比

注:空表示未考慮該項內(nèi)容。

相應(yīng)于水資源可利用量定義上的區(qū)別，國內(nèi)外在水資源可利用量的計算方法上也存在較大差異。國內(nèi)通常采用的方法是扣損法，即以地表水資源總量為基礎(chǔ)，扣除不可利用的地表水資源量，如河道內(nèi)生態(tài)、生產(chǎn)需水量，跨流域調(diào)水量和汛期難以控制利用的水量等。高建芳等以艾比湖流域?yàn)檠芯繉ο?，采用倒算法，從地表水資源量中扣除維護(hù)生態(tài)環(huán)境最小需水量，分析計算了艾比湖流域水資源可利用量［5］。戴本石等在分析楠溪江流域水資源總量、水資源可利用量的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有水利工程和現(xiàn)狀用水水平，探討了楠溪江不同斷面位置、不同水平年、不同水文年的可外調(diào)水量［9］。姚榮等采用扣損法對浙江省三門縣水資源可利用量進(jìn)行了估算，并分析了區(qū)域的水資源開發(fā)前景［10］。杜曉舜等以洛陽市為對象，對區(qū)域水資源的可利用量進(jìn)行了研究。他將地表徑流中基流部分按比例劃出，與河道汛期棄水量加在一起作為河道的生態(tài)需水量，從地表水資源量中扣除生態(tài)需水量后可得地表水的實(shí)際可利用量;將難以利用的地下水量從地下水資源量中扣除后可得地下水實(shí)際可利用量［11］。賈紹鳳等對西北地區(qū)的徑流口徑生態(tài)需水和水資源可利用量進(jìn)行估算，西北地區(qū)實(shí)有水資源總量為1226.6億m 3 ，除去保留給生態(tài)的生態(tài)需水，偏遠(yuǎn)封閉流域難以利用的水量474.4億m 3 ，人類可以消耗利用的可利用量有742億m 3［2］。曲煒等將水資源復(fù)合系統(tǒng)劃分為既相互獨(dú)立又相互作用的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，以多年平均水資源總量為限制條件，利用大系統(tǒng)、多目標(biāo)優(yōu)化方法對兩大系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，建立協(xié)調(diào)模型，把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，計算水資源可利用量［12］。

國內(nèi)與國外在水資源可利用量是否包括回歸水方面有較大的差別，國內(nèi)不考慮回歸水的利用，國外則往往考慮了回歸水的利用，對可利用量和可供水量的區(qū)別不明顯，只在具體計算方法中體現(xiàn)其含義，在無法控制的洪水方面也沒有具體的說明;國外在水權(quán)方面考慮比較全面，尤其是美國，各種用水類型都用水權(quán)進(jìn)行管理，并按水權(quán)批準(zhǔn)的先后確定水權(quán)的優(yōu)先秩序，進(jìn)行水資源可利用量的評價與配置。國外代表性的地表水資源可利用量計算方法有基于優(yōu)先水權(quán)制度的美國德克薩斯洲WAM模型和墨西哥綜合考慮水量和水質(zhì)的水資源可利用量指數(shù)法等。下面對各模型作簡要介紹。

3.1 扣損法

扣損法是計算地表水資源可利用量較為傳統(tǒng)的方法，即以流域總的地表水資源量扣除河道內(nèi)生態(tài)需水量、生產(chǎn)需水量、跨流域調(diào)水量以及汛期不可利用的洪水量等，得到整個流域的地表水資源可利用量，是一個倒扣計算過程［2，5，9～11］。計算流程如圖1所示。

圖1 地表水資源可利用量計算項概圖

（1）河道內(nèi)總需水量。包括河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道內(nèi)生產(chǎn)需水量。其中河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量主要有:維持河道基本功能的需水量、通河湖泊濕地需水量和河口生態(tài)環(huán)境需水量。河道內(nèi)生產(chǎn)需水量主要包括航運(yùn)、水力發(fā)電、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等部門的用水。河道內(nèi)生產(chǎn)用水一般不消耗水量，可以“一水多用”，但要通過在河道中預(yù)留一定的水量給予保證。

河道內(nèi)總需水量是在上述各項河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量及河道內(nèi)生產(chǎn)需水量計算的基礎(chǔ)上，逐月取外包值并將每月的外包值相加，由此得出多年平均情況下的河道內(nèi)總需水量。

（2）汛期難于控制利用的洪水量。汛期難于控制利用的洪水量是指在可預(yù)期內(nèi)，不能被工程措施控制利用的汛期洪水量，對于支流而言是指支流匯入干流的水量，對于入海河流是指最終泄棄入海的水量。由于洪水量年際變化大，在總棄水量長系列中，往往一次或數(shù)次大洪水棄水量占很大比重，而一般年份、枯水年份棄水較少，甚至沒有棄水。因此不宜簡單采用典型年法計算，而應(yīng)以未來工程最大調(diào)蓄與供水能力為控制條件，采用天然徑流量長系列資料，逐年計算汛期難于控制利用下泄的水量，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計計算多年平均情況下汛期難于控制利用下泄洪水量。

（3）地表水資源可利用量。多年平均地表水資源量減去非汛期河道內(nèi)需水量的外包值，再減去汛期難于控制利用的洪水量的多年平均值以及跨流域調(diào)水量，便得到多年平均情況下地表水資源可利用量。可用下式表示:

W 地表水資源可利用量 =W 地表水資源量 -W 河道內(nèi)需水量外包 -W 洪水棄水 -W 跨流域調(diào)水（1）

3.2 基于優(yōu)先水權(quán)制度的WAM模型

WAM（Water Availability Modeling）是美國德克薩斯州自然資源保護(hù)委員會及相關(guān)部門依據(jù)該州立法機(jī)構(gòu)1997年制定頒布的參議院1號法案而進(jìn)行的水資源評價項目。水權(quán)分析系統(tǒng)（WRAP———Water Right Analysis Package）是該項目的一個重要組成部分，WRAP模型主要用于評價流域或區(qū)域水資源量能否滿足特定的水管理目標(biāo)和用戶需求，且可以評價流域范圍內(nèi)水資源開發(fā)項目和管理措施對水資源情勢演變的影響［6］，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WRAP模型結(jié)構(gòu)

WRAP模型的水文分析的時間尺度是月，對資料年限沒有限制。而且用水情況在一年中存在季節(jié)性變化，并可能隨著水庫蓄水情況的變化而改變，因此，WRAP模型具有較高的靈活性和適用性。WRAP中的水權(quán)包括水庫蓄水、引水、回流、河道內(nèi)流量和水力發(fā)電需水量等。在月徑流序列的分析中，按照水權(quán)的先后次序計算每一個水權(quán)的需水量，是一個順序計算過程。模擬結(jié)果包括相關(guān)變量的月序列和年序列值、儲量和流量的頻率統(tǒng)計，以及滿足用水要求的可靠性系數(shù)。

WAM模型在水權(quán)方面考慮比較全面，各種用水類型都用水權(quán)進(jìn)行管理，并按水權(quán)的優(yōu)先秩序，進(jìn)行水資源可利用量的評價與配置。WAM模型在河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水、生產(chǎn)需水和流域耗水等與扣損法計算的內(nèi)容基本相同。不同之處在于，WAM模型將水庫蓄水量也作為一個水權(quán)來考慮，水庫蓄水量是指蓄存在水庫中的水，該水庫可能在河道內(nèi)也可能在河道外。對于后一種情況下，從河道中調(diào)走水，占用了水資源可利用量，減少了引水點(diǎn)上下游的可利用量，上游水可利用量減少是因?yàn)樗仨毩粼诤拥纼?nèi)以便蓄存，下游水可利用量減少是因?yàn)樾钏疁p少了河川徑流。另外，WAM模型考慮了回歸水的利用，而不考慮汛期難于控制利用的洪水量［6］。

對于一個流域，用WRAP評價水資源可利用量的過程包括以下步驟:

（1）用WRAP中的HYD模塊對月徑流序列進(jìn)行還原計算;

（2）用WRAP中的SIM模塊進(jìn)行流量分配，把流量從有資料的斷面分配到需要評價的無資料斷面，并按照優(yōu)先次序分析各月的水權(quán)用水量配置;

（3）用WRAP中的TABLES模塊輸出模擬結(jié)果，并進(jìn)行分析與總結(jié)。

3.3 墨西哥水資源可利用量指數(shù)法

為了對有效的可利用水量有更清楚的認(rèn)識，并同時考慮水質(zhì)的情況，在墨西哥提出了一個考慮水量、水質(zhì)的水資源可利用性評價指數(shù)Availability Index—AI ［7，8］，AI一般可定義為a、b的函數(shù):

AI=f（a，b）（2）

式中a為某一水文區(qū)域的相對水資源可利用量;b是依據(jù)使水質(zhì)滿足某類用水要求的水處理程度而進(jìn)行分類的水的類別。對于a，b的取值如表2所示。

AI使得人們可以同時考慮水量和水質(zhì)的綜合評價問題，且不要求整個國家或地區(qū)有相同的預(yù)設(shè)參數(shù)，對數(shù)據(jù)資料的要求不高，因此對于發(fā)展中國家來說此方法相當(dāng)有用。

表2 水資源可利用性評價指數(shù)參數(shù)a，b的取值參數(shù)取值

4 結(jié)論與展望

⑴國內(nèi)外有關(guān)水資源可利用量的定義基本上涵蓋了社會與經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境需水量、工程措施、水權(quán)等要素，是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境且經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的前提下，在總水資源量中可供人類凈消耗的那部分按水權(quán)配置的水資源量。國內(nèi)外在此問題上的區(qū)別主要體現(xiàn)在是否考慮回歸水、是否考慮無法控制利用的洪水以及是否充分考慮水權(quán)等。

⑵相應(yīng)于定義上的區(qū)別，國內(nèi)外在水資源可利用量的計算方面也存在差異，通過對比分析國內(nèi)外3種模型，可以得出以下結(jié)論:①WAM模型是比較成熟的水資源可利用量評價模型，該模型的水權(quán)分析系統(tǒng)（WRAP）具有基于水權(quán)優(yōu)先制度進(jìn)行水資源配置的功能，能靈活地分析系統(tǒng)的水資源可利用量及其可靠性;墨西哥綜合考慮水量與水質(zhì)的水資源可利用量評價指數(shù)充分考慮了發(fā)展中國家水資源評價數(shù)據(jù)短缺的特點(diǎn)，具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)。其水資源可利用量的計算與扣損法大同小異，區(qū)別主要在于上述兩方法考慮了水權(quán)、回歸水，而沒有考慮難于控制利用的洪水。②扣損法的計算過程是一個倒扣的過程，而WAM模型則是一個循序漸進(jìn)的順序過程;扣損法在計算過程中，地表水資源總量是一個已知數(shù)，而WAM模型則需要在輸入文件中給出多年天然流量值，進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，其地表水資源總量隨流域天然徑流的改變每年取不同的值;另外，WAM模型把水庫蓄水也當(dāng)作一種水權(quán)來考慮;而扣損法則只在汛期考慮水庫蓄水作用，沒有考慮水庫蓄水對水資源可利用量的影響，即認(rèn)為水庫蓄水是地表水資源可利用量的一部分。

（3）通過總結(jié)對比分析國內(nèi)外關(guān)于水資源可利用量的定義和計算方法的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為今后地表水資源可利用量的計算應(yīng)注重以下幾點(diǎn):①各種地表水資源可利用量計算方法都要考慮生態(tài)需水，目前生態(tài)需水的計算方法主要從水量平衡、水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等方面考慮，生態(tài)需水的計算需要從生態(tài)系統(tǒng)和水文過程的相互反饋?zhàn)饔谩纳鷳B(tài)學(xué)和物理學(xué)理論及定量的數(shù)學(xué)方法方面進(jìn)行深入研究。②難以控制的洪水量是地表水資源可利用量計算中較難確定的水量，需要在深入分析水庫流域暴雨洪水季節(jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合洪水資源化研究，準(zhǔn)確地確定難以控制的洪水量。③將生態(tài)需水、航運(yùn)需水等用水權(quán)來表示，不僅使地表水資源可利用量的計算對象更加明確，而且為進(jìn)一步開展基于水權(quán)的流域水資源綜合管理與合理配置研究提供了前提條件，因此，完善基于水權(quán)的地表水資源可利用量計算方法是今后的研究重點(diǎn)之一。

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作者簡介: 張洪剛，男，長江水利委員會水文局水資源處，高級工程師，博士。