58卷第4期 地理学报 2003年7月 ACTA GEOGRAPHICA SINICA July. 2003 黄河水资源量可再生性问题及量化研究 夏军,王中根,刘昌明1 (1中科院地理科学与资源研究所,北京100101:2.武汉大学水利水电学院,武汉430072 摘要:通过探讨黄河水资源量可再生性的量化问题,对黄河断流的情况、危害和成因进行分 析。由于水资源量可再生性问题的复杂性,现行的方法一般都过于简单。目前迫切需要从水文 循环更深层次上揭示水资源量可再生性。依据系统理论方法,从河流水循环系统的稳定性和抗 干扰能力出发,提出度量和评价河流水体水资源量可再生性的指数。利用该指数,对黄河干流 上、中、下游河段不同年代的水资源量可再生能力进行了定量评价,评价结果能够客观地反映 实际情况。从维持水资源量可再生性的角度,进行了黄河干流水资源量的调控分析。模拟结果 表明,20世纪90年代严重的黄河断流问题主要受人为因素的影响 关键词:黄河:可再生性:水资源量:变化环境 中图分类号:TV213.2 1引言 水资源可再生性是指变化环境下水体通过水文循环(包括自然和人工的循环),能够不 断得到恢复或更新的一种能力。如果细分水资源的可再生性,它包括量与质两个方面。本 文结合“黄河断流”问题,重点探讨河流水体水资源量可再生性的量化方法。 黄河是西北和华北地区重要水源,长期面临着水资源短缺、水灾害加剧、生态环境恶 化三大问题。其中,20世纪70年代以来出现的黄河断流问题更是举世瞩目。研究黄河水 资源演化规律及可再生性维持机理,是实现黄河水资源可持续利用的基础条件。 目前,国际上针对水资源演化已进行了大量的研究。如 UNESCO的HP计划、IGBP 的BAHC计划、WCRP的 GEWEX计划等等。这些大型的科学计划,不仅为解决全球变 化问题服务,而且也为水资源的合理利用提供科学依据。国际水文科学协会(AHS)同国 际气象和大气科学协会( IAMAS),也瞄准水资源演化的世界前沿课题研究,在示踪、遥 感、GIS等新技术的应用、水文与大气模型的耦合和尺度转化、水文极值问题等方面,取 得了一些新的进展。但很少直接从水文循环深层次上探讨水资源可再生性问题。 在我国,针对黄河问题已进行了多年的研究,如“黄土高原综合考察与治理”、“黄 开发利用及河道减淤关键技术研究”和“江河泥沙灾害形成机理与防治措施研究”水资源 河流域环境演变及水沙运行规律 黄河流域治理及水资源开发”:“黄河中下游 但上述硏究,对黄河流域经济发展中岀现的断流问题尚未顾及。黄河断流是黄河流域 水资源短缺的极端表现,虽然对此已开展了广泛的调查与讨论,发表了不少文章。但 是,由于问题的复杂性,这些研究对断流现象所包含的水资源演化和可再生性的理论问题 还涉及不多 收稿日期:2002-12-10;修订日期:2003-03-26 基金项目:国家自然科学基金项目(50239050):国家重点基础研究发展规划项目(G1999936-01/05):中国科学院百人 it aI [Foundation Item: National Natural Science Foundation of China, No 50239050: National Key Project for Basic Research, No. G19990436-01/05: One Hundred Talents Program of CAS 作者简介:夏军(1954),男,研究员,博士生导师,国家有突出贡献中青年专家,国际水文科协(AHS)水资源系统委员 c199会用际水资快余①NR个常务事130年个洗中围巷学院“A计料划 ghts reserved.htp 534541页
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4期 夏军等:黄河水资源量可再生性问题及量化研究 缓解黄河断流这一严重的水资源危机,关键要从水文循环和人类活动影响的系统层 面上,阐明黄河水资源可再生的主要影响因素是什么?如何影响?这需要提出黄河水资 源可再生性的量化指标,探讨在自然变化和人类活动影响情况下的水资源可再生能力大 小及变化规律。为认识黄河水资源可持续利用提供如何确定控制阈值的科学依据。 目前,关于水资源量可再生性的度量,有以下几种理解或做法。用传统意义上的水 资源可更新量(即水资源量),作为水资源量可再生性的表征值四。以单位面积的水资源 量作为水资源量的可再生能力四,也即水资源通量或径流深的概念。用水体的更新周 期(或更新速率)来表述水资源量的可再生性 以上三种做法虽然都从某一方面描述了水资源量可再生性,具有一定的道理。但是, 在实际应用上都存在一些的局限性。目前迫切需要从水文循环更深层次上揭示水资源量 的可再生性。本文从河流水循环过程及系统的稳定性入手,探索量化黄河水资源量可再 生性的指标,并以此定量分析黄河水资源量可再生能力大小及变化规律,从水循环可再 生的角度来调控水资源量的开发强度,维持水循环再生系统的完整性,实现黄河水资源 可持续管理与利用。 2黄河水资源量可再生性的问题 断流是黄河面临的最严重的水资源量可再生性问题。自从1972年黄河首次出现断流 以来,在随后的26年中有20年出现断流。从黄河入海口利津站的断流天数统计结果(图 1),进入20世纪90年代,断流态势更为严峻,不仅年年断流,而且断流历时在延长;断 流河段也在不断向上游延展凹。这标志着黄河正在逐渐趋于变成季节性河流,黄河水循 环再生系统遭到了严重破坏 黄河断流引起了一系列的社会、经济、生态、环境等问题,严重障碍了区域可持续 发展。据有关部门调査,黄河下游1972~1996年因断流和供水不足造成工农业累计经济 损失约268亿元叫。由于长时间的断流,河床得不到冲刷,汛期河槽过洪能力降低,形成 了“小洪峰,高水位,大漫滩,大灾害”的不利局面。河道断流对环境生态的影响更 是多方面、多层次,而且具有潜在性、滞后性和不可逆转性。在黄河水量日趋减少甚至 断流的情况下,黄河本身的自净能力降低,大量入黄废污水得不到净化,水质环境恶化, 下游河道鱼类种群等生物资源数量急剧减少,甚至到了濒临灭绝的边缘。因断流所引起 的海水入侵,土壤盐化、沙化等问题,使黄河河口及三角洲的生态系统和生物多样性遭 到了严重破坏。 造成黄河断流的原因来自自然和人为两个方面。20世纪90年代以来,受全球气候变 化的影响,黄河流域降雨偏少(表1)。花园口以上1990~1996年全年平均降水比 1950~1989年减小11.5%,汛期平均降水减少15.4%,非汛期平均降水减少2.3%。受天 气条件影响,径流减少是必然的。在黄河断流的成因中,人类活动高强度用水是主要因 素。黄河流域是我国人均占 有水量较低、水资源开发利 用程度较高的地区之一0 耗率为3%污染河长达也平,理斗装 653%。20世纪80-90年代197219751978198119841987199019931996 黄河的年耗水量比50-60年 年份 代增加了近100%。在降水 1黄河利津站1972-1997年间断流天数统计 减少的情况下,黄河流域的Fig.Idry-UpdaysofLijinStationinYellowRiverdurinsigneiggy.http
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536 地理学报 58卷 表1黄河流域20世纪不同年代降水情况统计(mm) Tab1 Statistics of the precipitation in Yellow River Basin in different years (mm) 项目”50年代60年代70年代80年代90年代多年平均 兰州以上 420.14325429.5352.5 413.8 期 42959317.73098258.6 11491198939 113.2 兰州至 312.6304.12930264.12486286.8 33.6 215.7220.01908191.2 211.5 79.0 884 73.0 57,5 75.3 河口镇 4498457.5 437.5433.,3393.5438.8 至花园口汛期3152311.73128306.4263.6 非汛期134.5145.81247126.81299132.6 花园口 684.3695.86584564.8635.1648.0 501.7500.64864 346.2 457.4 620 288.9 耗水量在逐步增加(表2)。 表2黄河流域20世纪不同年代耗水情 3黄河水资源量可再生性的度量 Tab. 2 Statistics of water use in Yellow River Basin in different years (10ma) 黄河断流是黄河水资源量不可再生的表现之一。年代上游中游下游全河 水资源可再生性源于水文循环过程,并包含量与质两 95249433.11777 个方面的属性。其中,水资源量可再生性反映了水体 0102963483.5249.8 在水量上损失后(如蒸发、流失或人类耗用等,通过301212236 大气降水和其它途径(如人工降雨或调水等)可以得到 恢复即更新的一种能力。它与水体的蓄水特性、水循环过程的周期性、水体的补给以及 更新速率有直接联系。维持水资源量可再生性是有条件的。由于一定时段内流域降水量 和水体蓄水容量是有限的,水资源的可更新能力也是有限的。当水资源被超量开采,会 影响水体水量的恢复能力;当超采状态持续下去,水循环的补给与输出平衡关系将遭到 破坏。如果超过了水资源量可更新的最低限度,将导致水资源量的不可更新。对于河流 水体而言,此时便会出现断流。 为了探讨黄河断流的本质,建立一维河流水文模型(图2)。基于河流水循环系统及水 量平衡关系,探索黄河水资源量可再生性的量化方法。 对于图2中的单元河段,Vm为满岸时河段最大蓄水量,Vm为维持河流生存(不断 流)以及保证生态用水的河段最小蓄水量,V。为河流多年平均蓄水量。时段内河流水量平 衡关系式如下。 △V=(Q4+Q)-(Q+Qu+Q) 式中:ΔV为河段蓄水量的变化量,Q为上游河段的输入量,Q为降水引起的河段区间输 入量,Q为河段内的人工用水量,Q为河段向下游的输出量,Q为河段下渗和蒸发等引 起的输移损失量 为了维持河流的生存,使河流水循环处 于可再生的良性状态,最直观的条件是: (1)河段蓄水量V应保持一个理想的值, 并介于Vm和V=之间。如果V的取值小于 Vm,此时即使有微小的流量,河流也处于生 态断流状态;如果V的取值大于V灬,此时 河流已处于洪水患难状态。一般情况下,希 望v的取值等于河流多年平均蓄水量 Whdectronic Public2 r hydrology mode reserved. h
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