唐涯 副教授:国内外水资源可利用量计算方法概析（张洪刚 张翔 吕孙云 刘彩）

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时间： 2010-05-01 10:18:00
来源：《人民长江》2008.17
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摘要: 国内外有关地表水资源可利用量代表性定义均侧重于要素描述，其区别主要在于是否考虑回归水、是否考虑无法控制利用的洪水以及是否充分考虑水权等。以水资源可利用量的概念为切入点，综述了国内外有关地表水资源可利用量的研究进展，着重介绍并比较分析了国内常用的扣损法、美国德克萨斯洲的WAM模型和综合考虑水量与水质的墨西哥水资源可利用量指数法，指出了今后地表水资源可利用量计算的研究重点。
关键词: 水资源可利用量;扣损法;WAM模型;水资源可利用量指数
中图分类号: TV211.1　  文献标识码: A　  文章编号:1001-4179（2008）17-0018-03
1 概述
水资源可利用量是综合规划区域水资源的节约、保护、配置、开发、利用和治理措施的条件，又是进行水资源承载能力分析的基础。王浩等［1］指出:“传统的水资源评价并未确立可持续准则来指导水资源评价活动，用狭义水资源评价结果来代替国民经济水资源可利用量，在这种思想的指导下，引发了一系列不恰当的水资源开发利用方式和行为，造成许多不良后果，如黄河断流、地下水超采等”。因此对水资源可利用量进行科学定义并分析计算，对于拟定流域水资源合理开发利用的水平，为水资源配置，协调生活、生产和生态用水提供科学依据具有重要的意义。本文首先对比分析了国内外关于地表水资源可利用量的定义，其次总结分析了国内外关于地表水资源可利用量计算的主要方法及其特点，最后提出了今后的研究重点。
2 水资源可利用量的定义
国内外学术界一些学者从不同角度探讨了水资源可利用量的定义，结合实际工作，提出了具有建设意义的定义。表1列出了其中代表性论述中的要素，从表中可以看出国内外关于水资源可利用量定义的区别主要现在:国内不考虑回归水的利用，国外则往往考虑了回归水的利用;国外往往不考虑无法控制的洪水，而在水权方面的考虑较国内全面。
综合对比国内外对水资源可利用量概念的探讨，可以看出水资源可利用量的定义基本上包括了社会与经济、生态环境需水量、工程措施、水权等要素，是在保护生态环境且经济技术合理的前提下，在总水资源量中可供人类净消耗的那部分按水权配置的水资源量。
3 国内外水资源可利用量计算方法综述
表1 水资源可利用量代表性概念对比

注:空表示未考虑该项内容。
相应于水资源可利用量定义上的区别，国内外在水资源可利用量的计算方法上也存在较大差异。国内通常采用的方法是扣损法，即以地表水资源总量为基础，扣除不可利用的地表水资源量，如河道内生态、生产需水量，跨流域调水量和汛期难以控制利用的水量等。高建芳等以艾比湖流域为研究对象，采用倒算法，从地表水资源量中扣除维护生态环境最小需水量，分析计算了艾比湖流域水资源可利用量［5］。戴本石等在分析楠溪江流域水资源总量、水资源可利用量的基础上，根据现有水利工程和现状用水水平，探讨了楠溪江不同断面位置、不同水平年、不同水文年的可外调水量［9］。姚荣等采用扣损法对浙江省三门县水资源可利用量进行了估算，并分析了区域的水资源开发前景［10］。杜晓舜等以洛阳市为对象，对区域水资源的可利用量进行了研究。他将地表径流中基流部分按比例划出，与河道汛期弃水量加在一起作为河道的生态需水量，从地表水资源量中扣除生态需水量后可得地表水的实际可利用量;将难以利用的地下水量从地下水资源量中扣除后可得地下水实际可利用量［11］。贾绍凤等对西北地区的径流口径生态需水和水资源可利用量进行估算，西北地区实有水资源总量为1226.6亿m 3 ，除去保留给生态的生态需水，偏远封闭流域难以利用的水量474.4亿m 3 ，人类可以消耗利用的可利用量有742亿m 3［2］。曲炜等将水资源复合系统划分为既相互独立又相互作用的社会经济系统和生态环境系统，以多年平均水资源总量为限制条件，利用大系统、多目标优化方法对两大系统进行优化研究，建立协调模型，把多目标问题转化为单目标问题，计算水资源可利用量［12］。
国内与国外在水资源可利用量是否包括回归水方面有较大的差别，国内不考虑回归水的利用，国外则往往考虑了回归水的利用，对可利用量和可供水量的区别不明显，只在具体计算方法中体现其含义，在无法控制的洪水方面也没有具体的说明;国外在水权方面考虑比较全面，尤其是美国，各种用水类型都用水权进行管理，并按水权批准的先后确定水权的优先秩序，进行水资源可利用量的评价与配置。国外代表性的地表水资源可利用量计算方法有基于优先水权制度的美国德克萨斯洲WAM模型和墨西哥综合考虑水量和水质的水资源可利用量指数法等。下面对各模型作简要介绍。
3.1 扣损法
扣损法是计算地表水资源可利用量较为传统的方法，即以流域总的地表水资源量扣除河道内生态需水量、生产需水量、跨流域调水量以及汛期不可利用的洪水量等，得到整个流域的地表水资源可利用量，是一个倒扣计算过程［2，5，9～11］。计算流程如图1所示。

图1 地表水资源可利用量计算项概图
（1）河道内总需水量。包括河道内生态环境需水和河道内生产需水量。其中河道内生态环境需水量主要有:维持河道基本功能的需水量、通河湖泊湿地需水量和河口生态环境需水量。河道内生产需水量主要包括航运、水力发电、旅游、水产养殖等部门的用水。河道内生产用水一般不消耗水量，可以“一水多用”，但要通过在河道中预留一定的水量给予保证。
河道内总需水量是在上述各项河道内生态环境需水量及河道内生产需水量计算的基础上，逐月取外包值并将每月的外包值相加，由此得出多年平均情况下的河道内总需水量。
（2）汛期难于控制利用的洪水量。汛期难于控制利用的洪水量是指在可预期内，不能被工程措施控制利用的汛期洪水量，对于支流而言是指支流汇入干流的水量，对于入海河流是指最终泄弃入海的水量。由于洪水量年际变化大，在总弃水量长系列中，往往一次或数次大洪水弃水量占很大比重，而一般年份、枯水年份弃水较少，甚至没有弃水。因此不宜简单采用典型年法计算，而应以未来工程最大调蓄与供水能力为控制条件，采用天然径流量长系列资料，逐年计算汛期难于控制利用下泄的水量，在此基础上统计计算多年平均情况下汛期难于控制利用下泄洪水量。
（3）地表水资源可利用量。多年平均地表水资源量减去非汛期河道内需水量的外包值，再减去汛期难于控制利用的洪水量的多年平均值以及跨流域调水量，便得到多年平均情况下地表水资源可利用量。可用下式表示:
W 地表水资源可利用量 =W 地表水资源量 -W 河道内需水量外包 -W 洪水弃水 -W 跨流域调水（1）
3.2 基于优先水权制度的WAM模型
WAM（Water Availability Modeling）是美国德克萨斯州自然资源保护委员会及相关部门依据该州立法机构1997年制定颁布的参议院1号法案而进行的水资源评价项目。水权分析系统（WRAP———Water Right Analysis Package）是该项目的一个重要组成部分，WRAP模型主要用于评价流域或区域水资源量能否满足特定的水管理目标和用户需求，且可以评价流域范围内水资源开发项目和管理措施对水资源情势演变的影响［6］，其模型结构如图2所示。

图2 WRAP模型结构
WRAP模型的水文分析的时间尺度是月，对资料年限没有限制。而且用水情况在一年中存在季节性变化，并可能随着水库蓄水情况的变化而改变，因此，WRAP模型具有较高的灵活性和适用性。WRAP中的水权包括水库蓄水、引水、回流、河道内流量和水力发电需水量等。在月径流序列的分析中，按照水权的先后次序计算每一个水权的需水量，是一个顺序计算过程。模拟结果包括相关变量的月序列和年序列值、储量和流量的频率统计，以及满足用水要求的可靠性系数。
WAM模型在水权方面考虑比较全面，各种用水类型都用水权进行管理，并按水权的优先秩序，进行水资源可利用量的评价与配置。WAM模型在河道内生态环境需水、生产需水和流域耗水等与扣损法计算的内容基本相同。不同之处在于，WAM模型将水库蓄水量也作为一个水权来考虑，水库蓄水量是指蓄存在水库中的水，该水库可能在河道内也可能在河道外。对于后一种情况下，从河道中调走水，占用了水资源可利用量，减少了引水点上下游的可利用量，上游水可利用量减少是因为水必须留在河道内以便蓄存，下游水可利用量减少是因为蓄水减少了河川径流。另外，WAM模型考虑了回归水的利用，而不考虑汛期难于控制利用的洪水量［6］。
对于一个流域，用WRAP评价水资源可利用量的过程包括以下步骤:
（1）用WRAP中的HYD模块对月径流序列进行还原计算;
（2）用WRAP中的SIM模块进行流量分配，把流量从有资料的断面分配到需要评价的无资料断面，并按照优先次序分析各月的水权用水量配置;
（3）用WRAP中的TABLES模块输出模拟结果，并进行分析与总结。
3.3 墨西哥水资源可利用量指数法
为了对有效的可利用水量有更清楚的认识，并同时考虑水质的情况，在墨西哥提出了一个考虑水量、水质的水资源可利用性评价指数Availability Index—AI ［7，8］，AI一般可定义为a、b的函数:
AI=f（a，b）（2）
式中a为某一水文区域的相对水资源可利用量;b是依据使水质满足某类用水要求的水处理程度而进行分类的水的类别。对于a，b的取值如表2所示。
AI使得人们可以同时考虑水量和水质的综合评价问题，且不要求整个国家或地区有相同的预设参数，对数据资料的要求不高，因此对于发展中国家来说此方法相当有用。
表2 水资源可利用性评价指数参数a，b的取值参数取值

4 结论与展望
⑴国内外有关水资源可利用量的定义基本上涵盖了社会与经济、生态环境需水量、工程措施、水权等要素，是在保护生态环境且经济技术合理的前提下，在总水资源量中可供人类净消耗的那部分按水权配置的水资源量。国内外在此问题上的区别主要体现在是否考虑回归水、是否考虑无法控制利用的洪水以及是否充分考虑水权等。
⑵相应于定义上的区别，国内外在水资源可利用量的计算方面也存在差异，通过对比分析国内外3种模型，可以得出以下结论:①WAM模型是比较成熟的水资源可利用量评价模型，该模型的水权分析系统（WRAP）具有基于水权优先制度进行水资源配置的功能，能灵活地分析系统的水资源可利用量及其可靠性;墨西哥综合考虑水量与水质的水资源可利用量评价指数充分考虑了发展中国家水资源评价数据短缺的特点，具有简单实用的特点。其水资源可利用量的计算与扣损法大同小异，区别主要在于上述两方法考虑了水权、回归水，而没有考虑难于控制利用的洪水。②扣损法的计算过程是一个倒扣的过程，而WAM模型则是一个循序渐进的顺序过程;扣损法在计算过程中，地表水资源总量是一个已知数，而WAM模型则需要在输入文件中给出多年天然流量值，进行径流调节，其地表水资源总量随流域天然径流的改变每年取不同的值;另外，WAM模型把水库蓄水也当作一种水权来考虑;而扣损法则只在汛期考虑水库蓄水作用，没有考虑水库蓄水对水资源可利用量的影响，即认为水库蓄水是地表水资源可利用量的一部分。
（3）通过总结对比分析国内外关于水资源可利用量的定义和计算方法的特点，笔者认为今后地表水资源可利用量的计算应注重以下几点:①各种地表水资源可利用量计算方法都要考虑生态需水，目前生态需水的计算方法主要从水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，生态需水的计算需要从生态系统和水文过程的相互反馈作用、从生态学和物理学理论及定量的数学方法方面进行深入研究。②难以控制的洪水量是地表水资源可利用量计算中较难确定的水量，需要在深入分析水库流域暴雨洪水季节性变化规律的基础上，结合洪水资源化研究，准确地确定难以控制的洪水量。③将生态需水、航运需水等用水权来表示，不仅使地表水资源可利用量的计算对象更加明确，而且为进一步开展基于水权的流域水资源综合管理与合理配置研究提供了前提条件，因此，完善基于水权的地表水资源可利用量计算方法是今后的研究重点之一。
参考文献:
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作者简介: 张洪刚，男，长江水利委员会水文局水资源处，高级工程师，博士。