水资源评价理论方法研究

1. 水资源评价理论方法研究 王浩 中国水利水电科学研究院 2006年11月25日

2. 水资源评价理论方法研究 提纲 前言 水资源评价主要存在的难点 目前主要的水资源评价方法 目前水资源评价方法主要存在的问题 水资源评价新方法 应用案例 结论与展望

3. 前言 水资源评价的概念 • 水资源评价的概念 1988年《水资源评价活动—国家评估手册》中规定： 联合国科教文组织 UNESCO 世界气象组织 (WMO) 水资源评价是指对资源的来源、范围、可依赖程度和质量进行确定，据此评估水资源利用和控制可能性。

4. 前言 水资源评价的概念 • 水资源评价的概念 1992年修改为 联合国科教文组织 UNESCO 世界气象组织 (WMO) 为了水的利用和管理，对水资源的来源、范围、可依赖程度和质量进行确定，据此评估水资源利用、控制和长期发展的可能性

5. 前言 水资源评价的概念 • 水资源评价的概念 中国资源科学百科全书·水资源学 按流域或地区对水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件作出全面的分析估价，是水资源规划、开发、利用、保护和管理的基础工作，为国民经济和社会发展提供水决策依据

6. 前言 水资源评价的重要性 • 水资源评价的重要性 水资源评价 满足国家需求 水生态/ 环境恶化 水资源短缺 解决问题的思路、方法和理念改变 现代化进程 时空分 布不均 水问题 基础资源 战略资源 天然条件 地表水 土壤水 地下水 地表水 地下水 地表水

7. 水资源评价主要存在的难点 水资源评价主要存在的难点 三类因素 下垫面条件变化剧烈 局地微地势和地貌改变，影响流域产汇流过程 人类活动 如何评价人类活动影响下的水资源量 用水急剧增加 影响了包气带特性，地表水地下水水量交换特性 气候逐渐变暖 引起降水、径流及蒸发的时空分布特性改变

8. 水资源评价主要存在的难点 下垫面条件变化剧烈 2 座 hm 亿 0.9 1200 0.81亿hm2 1000座 0.8 1000 0.7 0.55亿hm2 0.6 800 0.5 600 0.4 0.31亿hm2 0.3 400 0.2 200 0.1 0 0 林地面积 草地面积 耕地面积 大中型水库座数 我国2000年与1979相比土地利用类型变化

9. 水资源评价主要存在的难点 用水急剧增加 我国1949～2005年用水量变化

10. 水资源评价主要存在的难点 气候逐渐变暖 西部地区 东部地区 1880～2000年中国年平均气温变化图

11. 目前主要评价方法 国外评价 • 国外评价

12. 目前主要评价方法 国外评价 国外水资源评价方法的基本概况

13. 目前主要评价方法 国内评价 • 国内评价

14. 目前主要评价方法 国内评价 国内水资源评价方法的基本概况

15. 目前主要评价方法 国内评价 出入境水量 水文站 （实测） 还原 主要控制站 月年径流量 代表站天然 径流月分配 修正 水文站 （天然） 多年径流深 等值线图 计算分区 天然年径流 流域三级区 地级行政区 参数特征值 国内水资源评价方法的基本概况

16. 目前水资源评价方法主要存在的问题 目前水资源评价方法主要存在的问题 • 单一评价口径 • 径流性水资源 不能反映水资源多元有效性 • 评价模式 • 一元静态认知模式 • 分离式评价 • 集总式评价 • 时间尺度局限 难以反映人类活动的影响 难以适应综合规划需求 难以反映水文要素的空间分异特性 不能反应不同尺度的水资源变化规律 • 评价方法 • 实测-还原-修正 缺乏统一的定量工具

17. 水资源评价新方法 理论基础 • 理论基础 显式考虑人类活动对水资源量的影响 实测－分离－耦合－建模－调控 二元模式 天然水循环和人工侧支循环的动态相互作用被消除 人类活动影响被消除 实测－还原－建模－调控 一元模式

18. 水资源评价新方法 理论基础 二元水循环理论及模式

19. 水资源评价新方法 理论基础 二元水循环理论及模式 天然循环过程 人工循环过程 大气水 开发环节 地表水 利用环节 地下水 排放环节 降水蒸发 产流汇流 补给排泄

20. 水资源评价新方法 理论基础 蒸发蒸腾 入 渗 产 流 天然循环系统 积雪融雪 土 壤 水 坡地汇流 能量平衡 地 下 水 河网汇流 引水工程 渠道输水 城市供水 人工侧支系统 水库池塘 田间灌溉 下 水 道 地下抽水 人工排水 污水处理 二元水循环理论及模式

21. 水资源评价新方法 评价结构体系 • 评价体系结构 三个层面 广义水资源 狭义水资源 层次化水资源评价 国民经济可利用量 高效水量 循环效用评价 低效水量 水量水质联合评价 二元水循环模式

22. 水资源评价新方法 评价结构体系 层次化水资源评价 水资源属性 评价准则 评价口径 广义水资源 自然属性 有效性 狭义水资源 社会属性 可控性 经济属性 国民经济可利用量 可再生性 环境属性

23. 水资源评价新方法 评价结构体系 层次化水资源评价结构 无效降水量 年降水通量 水资源潜力 非径流性有效水分通量 有效降雨通量 广义水资源量 生态需水通量 狭义水资源量 径流通量 径流开源潜力 国民经济可利用量 允许耗用通量 工程耗用通量 工程控制量 工程开发消耗量 不同口径的水循环通量 不同口径资源的层次化构成 层次化水资源定义

24. 水资源评价新方法 评价结构体系 广义水资源量 在降水通量下的平衡方程式为： P=R＋En＋Ug＋Qc±△V Eg Esu 多年平均＝0 D 地表蒸散发 P=R＋D＋Esu 狭义水资源 可见广义水资源量主要是区分出地表蒸散发的有效和无效

25. 水资源评价新方法 评价结构体系 山地水田 丘陵水田 平原水田 山地旱地 丘陵旱地 平原水田 广义水资源量 蒸发分类 耕地蒸发 根据土地利用分类 林地蒸发 草地蒸发 水域蒸发 未利用土地蒸发 居工地蒸发 城市 农村

26. 水资源评价新方法 评价结构体系 广义水资源量 冠层截留蒸发 植 被 蒸 腾 耕地蒸发 地表截留蒸发 林地蒸发 有效蒸发 土 壤 蒸 发 草地蒸发 河渠 湖泊 水库坑塘 滩涂 滩地 水域蒸发 未利用土地蒸发 沼泽地 居工地蒸发

27. 水资源评价新方法 评价结构体系 广义水资源量 植被大棵间地表截留蒸发 林地蒸发 植被大棵间 土壤蒸发 草地蒸发 无效蒸发 永久性冰川雪地 水域蒸发 沙地 戈壁 盐碱地 裸土地 未利用土地蒸发 裸岩石砾地 其他未利用土地

28. 水资源评价新方法 评价结构体系 广义水资源量 能为社会经济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。

29. 水资源评价新方法 评价结构体系 广义水资源量 狭义水资源 有效蒸发 Ws R Rg Ep Ess Ees ＝（ ＋ ）＋ （ ＋ ＋ ） 式中： Ws － 广义水资源量； R － 地表水资源量； Rg － 不重复的地下水资源量； Ep － 冠层截流有效蒸发量； Ess － 地面截流有效蒸发量； Ees － 与地表地下不重复的土壤水有效蒸发量。

30. 水资源评价新方法 评价结构体系 狭义水资源量 狭义水资源评价的口径与传统水资源评价口径一致，指当地降水形成的地表、地下产水总量（不包括区外来水量）。

31. 水资源评价新方法 评价结构体系 • 国民经济可利用量 在自然和经济条件允许的情况下，狭义水资源中能够被工程系统一次性开发利用的最大潜在量。

32. 水资源评价新方法 评价结构体系 • 国民经济可利用量 国民经济可利用量等于狭义水资源量扣除基本生态需水量，同时考虑工程控制能力。 Wsn＝Wr－Wen 其中：Wen＝max(Wjn1, Wss1, Wxhi)＋max(Wjn2, Wss2, Wxh2)＋•••＋max(Wjn12, Wss12, Wxh12) 式中：Wen－年生态环境需水量；Wjni－年内第i月的河道生态基流需水量；Wssi－年内第i月的河道输沙需水量；Wxhi－年内第i月的汛期弃水量（非汛期则取0）。

33. 水资源评价新方法 评价结构体系 循环效用评价 广义水资源 根据广义水资源在国民经济建设以及生态与环境建设中发挥不同功效进行划分 低效水量 高效水量 径流性水资源 冠层截留蒸发 作物/植被蒸腾 居工地蒸发 沼泽地、滩地、滩涂等水域蒸发 作物/植被棵间地表截留蒸发 作物/植被棵间土壤蒸发量

34. 水资源评价新方法 评价结构体系 分布式水文模型 水质模拟 水量水质联合评价 改进河流污染评价方法： W=Li*Ai Li：河长 Ai：控制断面面积 解决水量的连续变化和伴生水质演变过程的统一问题 水量水质联合评价

35. 水资源评价新方法 评价结构体系 水资源评价新方法与国内现行方法对比

36. 评价工具 评价工具 地下取水 地表取水 蒸发 回归 下渗 水资源调配模型 二元水循环模型 水资源合理配置模型 分布式水文模型 水资源调度模型

37. 评价工具 评价工具 信息二维“积分” 天然水循环 人工侧枝水循环 集总式水资源 配置模型 模型 系统 分布式水循环 模拟模型 水循环要素 间水力联系 信息二维“离散” “河道—坡面” 取-输-用-耗-排 模拟 对象 水力 联系 二元水循环模型

38. 评价工具 评价工具 流域二元水循环模型与国内外同类先进模型功能参数对比

39. 评价工具 评价工具 • 分布式水循环模拟模型 由具有物理机制的分布式水循环模拟模型（WEP－L模型）实现流域水循环过程模拟。 WEP模型 (水分与能量过程模型）是由我所贾仰文博士在日本学习和工作期间，花费近10年的时间开发的，并拥有著作权。 WEP模型现已广泛应用于我国的黄河流域、黑河流域、嫩江流域相关研究和水资源管理实践中，是具有中国特色的分布式水文模型的典型代表，并已在日本和韩国得以广泛应用。

40. 评价工具 评价工具 WEP－L模型的水平结构 水平结构上，坡面汇流计算根据等高带高程、坡度与Manning糙率系数，坡面汇流采用一维运动波法追迹计算，河道汇流采用一维运动波法或动力波法追迹计算。地下水分山区和平原区分别进行数值解析，并考虑其与地表水、土壤水及河道水的水量交换。

41. 评价工具 评价工具 WEP－L模型的垂向结构 垂直方向包括融雪与冰川层、植被或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层等。采用了“马赛克”法考虑单元内土地利用的不均匀性。为反映表层土壤的含水率随深度的变化和便于描述土壤蒸发、草或作物根系吸水和树木根系吸水，将透水区域的表层土壤分割成三层。

42. 评价工具 评价工具 • 集总式水资源配置模型

43. 应用案例 应用案例 黄河流域水资源评价 “自然－人工”二元水循环模型构建 2. 黄河流域水资源全口径层次化动态评价评价成果 3. 人类活动影响下的黄河流域水资源演变规律

44. 应用案例 为克服超大流域模拟中小单元网格带来的计算灾难，以及过粗网格单元计算失真问题。本次根据DEM和实测水系矢量图，将流域划分成具有空间拓扑关系的8485个子流域，并提出了改进型的Pfafstetter规则，对8485个子流域进行编码。

45. 应用案例 应用案例 子流域划分 将黄河流域划分为有拓扑关系的8485个子流域，而后进一步细分为38720个等高带，作为水循环模拟基本单元。

46. 应用案例 模型构建

47. 应用案例 模型构建 • 输入信息 基础输入信息主要包括：水文气象信息、下垫面信息（数字高程信息、土地利用、植被、土壤、水文地质等）、社会经济信息、用水信息、水利工程信息、水土保持信息等等。 根据模型要求，对于非面状信息均需要进行空间化处理。按照文本格式计算，输入模型的所有信息达到4.78G。

48. 应用案例 模型构建 水文气象输入信息 • 1045个雨量站45年逐日雨量信息 • 904个雨量站45年逐小时降水要素信息 • 212个气象站45年逐日各气象要素信息 • 226个水质测站、33个水库控制站、3个湖泊控制站以及1006个主要排污口水质监测数据 • 1982-2000年逐月NOAA影像、1998－2002年逐日GMS影像 • ••••••

49. 模型构建 水质监测站点分布 径流监测站点分布 雨量站分布 面雨量空间展布 蒸散量遥感反演

50. 应用案例 模型构建 下垫面输入信息 • 7个时期动态土地利用信息 • 680个土壤剖面信息 • 654个地下水均衡区水文地质信息 • 1980年1月—2000年12月逐月植被信息 • 1985-2000年县级行政单元逐年水土保持信息 • 184座大中型水库的水量调度信息、119个10万亩以上灌区取用水信息 • ••••••