地區水資源循環論文

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1.華北地區嚴重的水問題

華北地區是我國政治、經濟和文化的中心。華北平原2000年人口4.37億，占全國34.8%；GDP3.13萬億元，占全國32.3%；農業灌溉面積3.46億畝，占全國42%。但是，它也是我國水資源供需矛盾十分突出的地區[1-4]。海河流域多年平均水資源總量約為419億m3，人均水資源占有量僅為335m3，不足全國1/6，世界的1/24。

從自然背景看，華北地區十年九旱，尤其1972、1999、2000年華北大旱，出現了嚴峻的缺水局面，不得不采取“棄農、壓工、保生活”的供水措施。從人文背景看，華北地區尤其是海河流域，人類活動強度之大、水資源開發利用程度之高為舉世矚目。20世紀60年代，大力開展水利工程建設，開發利用地表水資源；70年代后尤其1972年大旱，流域地表水不足，開始爭奪地下水。90年代，隨著社會經濟發展人口的增加，水資源嚴重不足導致超采地下水、爭奪雨水。按照國際標準，合理的水資源開發利用程度一般為40%左右。然而，目前海河流域的水資源開發利用程度已經超過了90%。高強度的水資源開發利用導致該地區水資源供需嚴重失衡。目前，海河流域河川徑流衰減十分嚴重。地下水虧空接近900億m3。現狀年缺水80多億m3，主要靠超采地下水和利用不合標準的廢污水來解決。

水資源的短缺不僅影響國民經濟發展，而且還導致華北地區尤其是海河流域嚴重的生態環境問題[3]。突出表現在：

1.1山區來水大量減少，水資源量衰減嚴重

以首都北京市供水水源地的密云、官廳水庫為例，官廳水庫1955-1984年期間平均來水量11.3億m3，但到1985-1995年期間平均來水量已衰減到2.7億m3，僅為前者1/4。兩個時期的流域平均降水量卻相當（407.5mm）。密云水庫來水減少的趨勢也十分嚴重，相比1960-1979年段，1980-1997年的平均來水量已減少了4億m3。山區水源地來水量的大量減少，給城市和中下游地區的生態環境和社會經濟發展帶來極大的危害。

1.2地下水過量開采，部分地區已經枯竭

到目前，華北城市化地區地下水超采嚴重，范圍已近9萬km2，占平原面積的70%。已分別形成了以北京、石家莊、保定、邢臺、邯鄲、唐山為中心，總面積達4.1萬km2的淺層地下水漏斗區，其中1萬km2范圍的含水層已疏干；形成了以天津、衡水、滄州、廊坊等多個城市為中心、面積達5.6萬km2整體連片的深層地下水漏斗區。地下水枯竭直接威脅華北城市平原地區的安全用水儲備，同時引起嚴重的地面沉降、海水入侵，情況十分危急。

1.3河道斷流，功能喪失

目前華北地區多數中下游河道枯竭斷流，失去了地下水補給、輸沙、排鹽等作用。土地退化、濕地萎縮等生態問題十分嚴重。據統計，總長1萬km的河長中，有4000km河道干涸。海河流域內194個萬畝以上天然湖泊、洼淀現在大多已經干涸。入海水量由20世紀50年代的年均240億m3銳減為2001年的10多億m3。海河流域的生態系統已由開放型向封閉型和內陸型方向轉化，造成河口泥沙淤積和鹽分積累，河口自然生態遭到破壞，河口海洋生物大量滅絕。

1.4水污染嚴重

目前，水污染已由20年前的局部河段發展到現在的全流域，由下游蔓延到中上游，由城市擴散到農村，由地表侵入地下。據統計，近年來海河流域的廢污水排放量每年高達60億噸。官廳水庫因水質惡化，被迫于1997年開始退出生活供水。流域內每年還引用20多億m3污水進行灌溉，對淺層地下水、土壤和農作物造成污染。

產生華北地區水生態環境變化有多方面原因，但核心問題是“水”，即在自然和人類活動作用下的華北地區水循環系統發生了“不健全”的問題。例如，華北地區持續干旱引起降水（廣義水資源量）的減少；土地利用/覆被變化正在改變“陸-氣水循環”的響應關系；城市化過程加速了深層地下水的消耗和水污染問題；流域中眾多的水庫、排洪工程建設改變了河流自然系統水循環的流路，減少了中下游地下水的補水與蓄水功能；社會經濟活動的各種用水行為加劇了人工側支水循環中的“耗水”強度[17]，人類活動大量超采地下水大大降低了區域水資源的可再生性。

為了緩解華北缺水問題，人們通過各種資源轉化技術和管理措施節水、通過跨流域調水增加本地的來水。與自然水循環系統相比較，現代水文水資源學科面對的高強度人類活動作用下的“人工”側支水循環作用也愈來愈突出。因此，開展變化環境中的華北地區水循環機理研究，認識“不健全”的水循環過程導致華北地區缺水、水生態環境退化的成因，提出可持續發展理念下解決華北水資源安全、改善生態環境的科學對策，是21世紀國家資源環境領域急待解決的重大國家需求中的水科學基礎問題[4-6]。

2.水科學研究的發展前沿

水文循環是聯系地球系統地圈~生物圈~大氣圈的紐帶，是全球變化碳循環、水循環和食物纖維中的核心問題之一，它與自然變化和人類活動有關，決定地球水資源形成和環境的演變規律[5-9]。水資源安全是國際水資源研究的熱點問題，它不僅與水循環有直接的聯系，而且關系到人類及其生存環境對水資源的基本需求、生態環境需水要求、國家糧食安全、水的價值以及水的科學管理問題[10-11]。因此，人類活動開發和影響劇烈地區的水循環與水資源安全研究，是21世紀國際國內資源環境學科領域一個十分重要的方向性問題。

在國際上，特別是90年代以后國際有關組織實施了一系列國際水科學計劃，如國際水文計劃（IHP）、世界氣候研究計劃（WCRP）、國際地圈生物圈計劃（IGBP）等。目的是從全球、區域和流域不同尺度和交叉學科途徑，探討環境變化下的水循環及其聯系的資源與環境問題[5-7]。

國際地圈生物圈計劃（IGBP）代表國際地球科學發展前沿，水文循環的生物圈方面(BiosphereAspectsofHydrologicalCycle，簡稱BAHC)是IGBP的核心之一。進入90年代末，變化環境（即全球變化與人類活動影響）中的水文循環與水資源的脆弱性研究成為熱點。前沿問題突出反映在：水文循環的生物圈方面，人類活動影響下的水資源演變規律，水與土地利用/覆被變化、社會經濟發展之間的相互作用影響，水資源可持續利用與水安全等。變化環境下的水文循環及其生態環境演化過程、人-地關系的影響研究，是國際地球科學積極鼓勵的創新前沿領域。

國際知名的英國水文研究所在80年代末開始了生態水文學方面的科學研究。A.J.Baird等針對水循環與生態環境退化問題，出版了“生態水文學：陸生環境、水生環境與水分的關系”專著[13]。90年代末，英國水文研究所正式改名為“生態水文學研究中心”。

20世紀末，不滿足可持續水資源利用的模式和環境問題導致嚴重的水資源安全問題，業已引起國際各國政府的高度重視。90年代后，日本十分重視稱之為“健全的水循環系統”研究，即“以流域為整體，以自然變化加健全方式的人類調控的水循環方式，將用水、防洪、治污目標統一協調，使的水能夠達到最佳利用的水循環系統”，例如，日本東京等都市化變化過程中所謂“健全的水循環系統”被定義為：需要統一考慮“洪水發生時”、“平時水需求利用”、“自然環境保護的生態用水”、“發生地震火災緊急用水”和“水道的旅游利用”的水循環最佳的途徑，包括修建必要水工程措施對水循環的調控。

2000年3月，在荷蘭海牙(Hague)召開了“第二屆世界水論壇及部長級會議”。會議主題是：水的安全：從洞察到行動。全世界140多個國家首腦或部長，3000名科學家出席會議。21世紀水安全面臨7個主要挑戰：滿足基本需求（meetingbasicneeds），保護生態（protectingecosystems），食品安全（securingthefoodsupply），水資源共享（sharingwaterresources），處理災害（dealingwithhazards），水的價值(valuingwater)，科學管水(governingwaterwisely)。因此，水資源安全已經成為水資源研究的國家前沿熱點，受到世界范圍的注目。

2001年7月在荷蘭舉辦了兩個大型國際會議[5]。一個是由IGBP、WCRP和國際人文計劃（IHDP）聯合舉辦的“全球變化科學大會”。兩大主專題是：（1）一個不斷變化的地球的挑戰：對全球變化的科學理解；（2）展望未來：地球系統科學與全球可持續性。另一個是第6屆國際水文科學大會。主題是：一個干旱地球新的水文學。熱點問題有：（1）環境變化與水文循環問題。例如，環境變化作用下的水循環規律是什么？如何認識氣圈-水圈-生物圈的相互作用關系？生態環境退化的主要驅動力是什么？（2）人類活動對水循環水資源演變的影響。它需要研究：人類經濟活動產生的各種“用（耗）水”和“調水”行為是如何作用和影響水循環的自然規律？它們的作用對水資源產生那些主要影響？有什么地區、區域特征規律？如何量化人類活動對水文水資源變化的影響？

2002年7月11-18日，在瑞典的斯德哥爾莫召開了每年一度的世界水周（WorldWaterWeek）。主題是：平衡競爭的水資源使用。它是可持續發展基本的需求。大會舉辦了涉及流域中水競爭的優先原則、工業水污染、水價、水與能源的綜合公里、都市動力學、可居住城市與水的7個研討會。

我國對華北缺水的水資源問題十分重視。在“六五”期間設立了“華北地區水資源評價”項目；在“七五”期間，設立了“華北地區及山西能源基地水資源研究”項目；在“八五”期間，設立了“黃河治理與水資源研究“項目[14]。在“九五”期間，設立了“西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究”和“黃河中下游水資源開發利用及河道清淤關鍵技術研究”項目，進一步將水資源開發利用與區域經濟發展和生態環境保護結合起來。國家重大基礎科學研究計劃也設立了“黃河流域水資源演化與可再生性維持機理”項目。

在中國科學院系統，自60年代以來，不斷加強以禹城綜合農業實驗站、欒城農業生態實驗站等為代表的華北水資源農業生態實驗基地建設[15]。在“九五”期間開展了中國科學院重大項目“中國華北水資源變化與調配”。2001年，在中國科學院知識創新方向性項目中，支持了“華北水循環與水資源安全”研究。

國家“十五”計劃《建議》中強調了水的問題和水利在國民經濟發展的地位和作用。為了緩解北方缺水的嚴重問題，在“水利建設”方面，指出要加緊南水北調工程的前期工作，適時建設跨流域調水工程，采取多種方式緩解北方地區缺水矛盾。同時，強調了“重視水資源可持續利用”和“加強生態建設”以及“保護和治理環境”的問題。國務院總理朱镕基強調，必須正確認識和處理實施南水北調工程同節水、治理水污染和保護生態環境的關系，務必做到“先節水后調水、先治污后通水、先環保后用水”的“三先三后”的基本原則。

2001年初，水利部、國家海洋局、國家氣象局和國家環保局等四個部委聯合在國家科技部立項，擬開展“中國水資源安全保障系統的關鍵技術研究”，其關鍵技術指：海水利用技術，污水利用途徑、洪水利用途徑（通過水庫調度行為等）以及人工降雨利用技術。現在國家科技部已經批準立項。

總之，從發展趨勢看，變化環境的水循環規律是當今國際水科學前沿問題，是人類社會經濟發展活動對水資源需求所面臨的新的基礎科學問題，而水資源供需平衡破壞帶來的用水基本需求得不到滿足、生態用水被擠占、工農業城市發展水的需求矛盾，使得水資源安全成為資源與環境科學領域國內外突出的研究課題[16]。

3.華北水資源研究的幾點反思

盡管華北水資源已經有了相當的工作，但是目前華北缺水問題還沒有真正解決，水生態環境問題愈來愈嚴重。究其原因，除了華北地區社會經濟增長、人口壓力大和環境發生了新的變化之外，有許多水循環與生態環境交叉的關鍵性基礎科學問題研究不夠。國家在解決華北缺水和遏制嚴重的生態環境退化措施和對策方面，迫切需要深層次的基礎研究的科學依據。這些問題不得不引起人們的反思。

目前，華北水資源研究亟待解決的關鍵問題有[16-32]：

3.1華北山區來水減少的成因問題

近30年華北山區來水及水資源量嚴重衰減，其變化究竟是氣候影響還是人類活動所為？華北山區人類活動用（耗）水究竟是個什么情況？山區土地利用/覆被變化與流域水循環有什么影響關系？山區業已修建大量的水利工程和水保工程，它們究竟在山區來水大量減少的變化過程中起到什么樣的角色？如何認識它們的作用和水源地保護的關系？這些問題過去研究較少，其中內在的原因和機制不太清楚。

3.2華北城市化地區水循環與地下水大漏斗問題

以人類活動為主要特征的華北城市化水循環機理研究十分薄弱，嚴重滯后城市化經濟發展、人口流動面臨的集中供水、水污染、地下水大漏斗等帶來的城市生態環境問題。華北地區的地下水大漏斗主要集中在城市，這無不與城市持續性超采的用水特性有關。但是，淺層地下水與深層地下水的可再生能力有很大的不同。如何認識城市地區淺層與深層地下水的變化機制？如何認識城市集中供水、補水和淺層與深層地下水的水量水質變化以及它們之間的相互作用關系？如何合理修復城市化地區深層地下水漏斗、防止地下水污染?等是急需研究的問題。

3.3平原農業區大埋深條件下“土壤水-地下水”作用機理

相比80年代，目前華北平原農業區處在與過去不同的大埋深地下水條件，土壤層水資源的作用更加突出。但是，大埋深條件下的“土壤水-地下水”作用機理以及地下水參數的變化問題研究還比較欠缺，直接影響農業節水和水資源評價的基礎問題。

3.4對華北地區水生態環境演變過程認識不足

人類活動包括60年代在海河流域建設的大型水利工程對華北持續干旱面臨的水生態環境退化過程究竟起到什么樣的作用？如何看待防洪、缺水和生態環境保護的矛盾與統一的對策措施問題，存在相當大的爭議。

3.5缺乏社會經濟轉型過程中的“生活-生產-生態用水”規律研究，尤其生態需水研究比較薄弱

關鍵問題是：華北地區現狀條件相適宜的節水型“生活-生產-生態用水”應該是什么樣的結構與布局？在社會經濟轉型過程中華北地區的“生活-生產-生態”的用（耗）水會將發生什么的變化？如何估算華北地區的“生活-生產-生態”的用（耗）水，尤其是華北地區生態需水問題？

3.6華北地區生態環境變化的多維調控閾值與修復目標是個新的問題

華北缺水及其聯系的生態環境惡化已是現實。如何從可持續發展的高度和與水相關的生態景觀過程與格局，確定有利于地下水補給、控制地面沉降、防止海水入侵的地下水位、河道生態需水等多維調控閾值？如何確定適當的生態修復目標？是過去沒有研究的問題。

3.7缺乏定量描述人類活動高強度作用下的流域水循環模型及綜合集成系統

在考慮人類活動影響的流域水循環方面，陳家琦最先提出“人工側支水循環”問題（陳家琦，1986），后來王浩提出“自然-人工”水循環二元模式的概念。但是，到目前為止，描述人類活動高強度作用下流域分布式模型研制，仍然是一個空白。在解決區域缺水與修復生態環境的決策支持問題方面，也缺乏將水循環變化和水生態環境演化耦合的綜合集成仿真系統。

3.8針對南水北調工程實施后如何合理調配“地表水-地下水-外調水”的問題，其科學基礎研究有待進一步加強。

由于供水系統是由當地的地表水、地下水和外調水以及處理的回用污水等多水源組成，在地表水調節水庫不足情況下，如何合理調配各種資源，充分發揮多種水源的綜合效益，是迫切需要研究的難題。其科學問題的難點是：解決華北缺水以及生態環境修復決策中合理調配的科學依據和準則是什么？如何將自然科學問題與社會科學問題統一到區域可持續發展層面，提出華北地區經濟結構調整等重大決策的支持？

4.問題與挑戰

從華北地區水資源安全問題的國家需求的水循環基礎科學問題看，最為突出的挑戰有下列幾個方面：

4.1流域水循環及生態環境變化中的人為影響因素的確定與量化方法

華北地區人口密度大，社會經濟發達。1980年以來華北地區的流域產流和地下水補給條件發生了明顯變化，導致了華北山區徑流明顯減少、城市化地區地下水大漏斗問題嚴重、區域水資源評價還原估算等困難。這些變化的原因是什么？如何識別流域水循環中人工側支水循環的貢獻，科學估算水資源量？如何量化華北地區水生態環境變化中的人類活動的貢獻，剖析近五十年海河流域生態環境的演變過程？是揭示海河流域生態環境惡化根本原因的關鍵。

4.2華北地區社會經濟轉型中的用水規律

由于華北地區特殊的地位和水資源限制矛盾，其用水結構正在不斷發生變化。在經濟全球化進程中華北地區經濟結構將面臨重組與優勢產業發展模式新的格局挑戰。因此，社會經濟轉型過程中華北地區的“生活-生產-生態”的用水變化規律尤其是生態需水量估算，成為關鍵的科學問題。這需要借鑒國外發達國家和發展中國家經驗，開展經濟學、地理學、生態學與水資源的交叉研究。

4.3流域水循環與生態環境變化的耦合機理

華北地區缺水問題與目前生態環境惡化有直接的關系，涉及到地理、水文、社會經濟多個方面。如何將高強度人類活動影響的流域水循環變化過程與所制約的水生態環境變化過程實質地聯系？它們的耦合機制是什么？如何建立高強度人類活動影響下的流域水文-生態模型，定量復演變化環境中的流域水循環過程以及水文-生態變化過程？是擬解決的關鍵問題。

4.4可持續發展與地區經濟結構調整的“節水-調水-用水”效益配置

南水北調工程實施后，如何合理調配各種資源，充分發揮多種水源的綜合效益，是問題的關鍵。目前，在多水源如何配置的效益評價問題上有相當多的爭議。焦點是：如何確定華北地區未來的經濟系統在生態系統中的地位？如何協調華北地區缺水背景下，社會經濟發展和修復生態環境之間的用水矛盾問題？如何通過華北地區用水大戶的農業經濟結構的調整提高農業用水的效益？因此，從可持續發展基本準則出發，在前面四個關鍵問題（流域水循環、生態演化、社會經濟用水以及它們綜合集成的系統規律）基礎上，進一步研究華北地區未來經濟結構調整的“節水-調水-用水”配置的綜合效益，是解決國家需求應用問題的關鍵。

5.展望

長期以來，華北地區高強度的人類活動和社會經濟發展與生態環境之間總是存在不可避免的沖突和矛盾，尤其是近50年來。有否二者共享的協調途徑呢？從宏觀的戰略方面，可持續發展的理念為解決這對矛盾提供了準則。生態經濟學的價值觀為構建有利于華北地區自身環境的經濟發展，提供了實現可持續發展模式的可能。為了真正解決華北缺水問題，提出有效的環境修復對策，除了要有新的思路之外，重視日趨嚴重水的問題的科學基礎研究和針對國家重大需求的應用研究十分重要。

在未來的十年內，華北水資源已經與水相關的生態環境修復研究，可望在水循環基礎研究、水生態環境演變及社會經濟用水研究，和綜合集成模擬、調控與修復對策研究三個層面上有所進展，系統關系如圖1所示意。

水循環基礎層面上，將會注重于：

（1）華北地區干旱及生態演變的氣候背景研究

（2）華北典型山區徑流變化及環境影響的水循環機理研究

（3）華北典型城市地區水環境變化與地下水可再生性研究

（4）華北典型平原農業區環境變化及水循環機理研究

（5）變化環境中的流域水循環及分布式模型研究。

在水生態環境演變及社會經濟用水層面上，將會注重于：

（1）華北地區現代生態環境系統的形成過程與演變機理研究

（2）華北地區社會經濟轉型下用水規律研究和華北地區生態變化的安全閾值與修復目標研究。

在水資源安全和生態環境修復對策層面上，將會針對南水北調重大工程和北方節水問題，注重于：

（1）水-生態-社會經濟復合系統綜合集成研究

（2）解決華北地區缺水及生態修復的調控對策研究。

為此，以北京為首的城市地區供水以及水資源可持續利用問題、華北水資源耗用大戶的農業節水潛力和日趨急迫的華北地區產業結構調整問題將會放到十分突出的地位。以面向生態環境的水資源安全基礎研究和應用研究可望有新的突破和進展。