1 水资源量可再生性的量化方法研究＊　

王中根　，　夏 军　，　刘昌明　，　王纲胜　（１．　中科院地理科学与资源研究所，北京　１００１０１）　摘要: 水资源可再生性研究将为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，水资源可再生性的量化研究刚刚开始，现有的一些方法还都比较简单，不利于从水文循环更深层次上揭示水资源量可再生性。该文从单元水体的水文循环过程入手，基于水量平衡关系，提出单元水体水资源量可再生性指数及计算公式。最后，结合分布式水文模型，将所提出的量化指数应用于马连河流域，分析其水资源量可再生能力大小及时空分布规律。 关键词：水资源量可再生性；水文循环；量化方法；马连河流域 中图分类号：TV211 文献标识码：A 文章编号：1007-7588(2003)04-

Study on the Quantifying Method of Water Quantity Renewability WANG Zhong-gen , XIA Jun , LIU Chang-ming , WANG Gang-sheng （Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing, 100101 China） Abstract：Studying on water quantity renewability is vital to place water management on a sustainable track. But, at present “what is water quantity renewability?” and “how to describe it quantitatively?” are not very clear. Some papers discuss those questions and address some viewpoints and quantifying methods about water quantity renewability. But those methods are very simple and cannot describe the nature of water quantity renewability. So, in this paper a new method to quantify water quantity renewability is put foreword based on hydrological processes and the tank model, theoretical analysis show that this method can give good expression to water quantity renewability. In case study, the method is applied to Malianhe basin in weatern China, Research results indicate that the method can be used to analyze the spatio-temporal change law of water quantity renewability in the hydrological cycle. Keywords: Water quantity renewability; Hydrological processes; Quantifying method; Malianhe basin

1 引 言 在“水资源危机”日益严重的今天，水资源可再生性的探讨尤为重要。众所周知，水文循环使水资源具有可再生属性，维持水资源可再生性是实现水资源可持续利用的基础条件。然而，水资源可再生的主要影响因素是什么？如何影响？以及如何量化水资源可再生能力的大小？目前仍是急待解决的难题。 在国际上虽然针对水资源演化进行了大量的研究（如UNESCO的IHP计划、IGBP的BAHC计

收稿日期：2002-11-07；修订日期：2003-02-27 基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（编号：G19990436-05,01）。 作者简介：王中根（1973---），男，河南潢川人，博士后，主要从事水文水资源方面的研究工作。 Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｇ＠ｉｇｓｎｒｒ．ａｃ．ｃｎ，

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划、WCRP的GEWEX计划等等），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。然而直接从水文循环深层次上探讨水资源可再生性的研究却很少见到。在国内由于严重的水资源短缺问题，如“黄河断流”，使水资源演化规律及可再生性维持机理的研究已极为迫切。目前已有一定数量的文献[1---4]讨论此类问题。 在水资源可再生性维持机理研究中，提出科学、合理的水资源量可再生性量化方法，是十分关键的环节。关于水资源量可再生性的度量，目前主要有以下几种理解或做法：①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[5]。②以单位面积的水资源量作为水资源量的可再生能力[6-7]，也即水资源通量或径流深的概念。③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[8]。这些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定的局限性，都是对现有水文概念的一种简单翻版，不利于从水文循环更深层次上揭示水资源可再生性。为此，本文从水文循环过程出发，提出一种新的量化水资源量可再生性的指数及计算公式，并进行实例分析。

2 水资源量可再生性的量化方法 受水文循环的影响，水资源量可再生性在时空分布上具有很大的变异性。因此，探讨流域或水体（如河流）水资源量可再生性大小及分布时，首先，将流域划分为若干子流域、或者将整个水体分为若干单元（如河流分成若干河段）。然后，从单元水体（如子流域或河段）水文循环过程入手，提出度量单元水体水资源量可再生性指数。最后，综合得到流域或整个水体水资源量可再生性指数。 ２．１　单元水体水资源量可再生性的度量　２．１．１　单元水体水文循环过程 在自然变化和人类活动影响下，单元水体水文循环过程主要发生在垂直、水平和人工侧支３个方向上，其中垂直方向有：降水、蒸发、下渗等；水平方向有：地表径流、地下径流等；人工侧支方向有：人工调水输入量、或人类活动取用量等。为了简化分析，将单位时段内所有进入单元水体中的输入水量用Ｉ表示，输出水量用Ｑ表示，单元水体的蓄水量用Ｖ表示。图１基于单元水体水量平衡关系，采用水箱概念模型描述单元水体的水文循环动态过程。　

nI

maxV

minVnVnQ

图1 单元水体水箱概念模型 Fig.1 Tank conception model of unit water body 对于图1中的单元水体，第n时段水量平衡关系式如下：

tQIVVnnnn∆×−+=+)(1 （n=1,2,3……） （1）

式中，Vn ，Vn+1为第n时段初和末单元水体蓄水量；nI为单元水体第n时段的平均输入量；nQ

为第n时段单元水体的平均出流量；t∆为单位时段。 在单元水体水文循环过程中，影响水资源量可再生能力的两个特征量需要在此特别强调一下： （１）单元水体的最大蓄水量maxV。由于受环境因素的影响（如地形、地貌、土壤、植被、降 3

水等），单元水体的蓄水能力是有一定的限制，理论上存在一个最大的水体蓄水量maxV（如图１）。该蓄水量决定了单元水体在水文循环过程中可交换的最大量，也是影响水资源量可再生能力的关键因素。对于子流域而言，maxV即为流域最大蓄水容量。对于单元河段而言，maxV可代表满岸时的

河槽蓄水量。

（２）单元水体的最小蓄水量minV。为了维持河流生存（不断流）以及保证生态用水的最小河川径流量，或者为了维持必要的土壤含水量（如凋零含水量），或者为了维持适宜的地下水位，或者为了维持水文循环再生系统的完整性，单元水体必须要保持一个最小蓄水量minV（如图1）。min

V

是维持单元水体水资源量可再生性最直观的阈值判据，其值要通过水文实验或水文模拟进行确定。 ２．１．２ 单元水体水资源量可再生性指数 用一个可以量化的指标来表征水资源量可再生能力的大小，是评价和调控水资源量可再生性的有效途径。由于水资源量可再生性表现为流域（或单元水体）水资源在水量损失后（如蒸发、流失或人类耗用等），通过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。因此，它与水文循环过程有关，受单元水体的输入与输出以及蓄水量变化过程的影响。换句话而言，表征单元水体水资源量可再生性的指数（α）应是单元水体的输入量（I）、输出量（Q）、蓄水量（V）和时间（t）的函数，即()tVQIf,,,=α。 对于图1中的单元水体，为了使水资源量处于可持续利用或可再生状态，那么单元水体在任何时段内的蓄水量（Vn）应介于最大蓄水容量（maxV）和最小蓄水量（minV）之间。否则，水文循

环再生系统将遭到破坏。具体分析如下： （1）当maxVVn>时，对于单元地表水体（如河段、水库、湖泊）而言将处于洪水泛滥状态。

对于地下水体，由于超出含水层最大可容纳水量（如饱和水量），一般不可能出现。 （2）当minVVn

者具有很小流量的生态断流状态）；对于地下水体，将处于亏水状态，一般接近但不小于最小持水量。 （3）当maxminVVVn≤≤时，Vn越大表示单元水体可用更新的水量越多，水资源量可再生能力

可能会越大。这与湿润地区水资源量可再生能力往往大于干旱地区的实情相吻合。 ()minmaxVV−代表了单元水体在不破坏水资源再生环境系统下的最大水量变化空间，也可称为

单元水体理论上最大有效蓄水量，是单元水体水资源量可再生能力的极大约束值。maxV和minV是反映水文循环系统环境特性和影响水资源量可再生能力的两个重要特征值。 Vn与()minmaxVV−在一定程度上反映了水资源量可再生性，但并不适合直接作为表征水资源量

可再生能力大小的指数。首先不利于不同地区或流域的比较分析；其次也不全面，因为水资源量可再生性受水体的输入（I）和输出（Q）过程的影响更加显著。 根据水资源量可再生性的含义，单元水体的水量在消耗后能够得到更新或恢复的能力是水资源量可再生性的最直接体现。对于图1中的单元水体，（()tIVVnn∆×+−min）代表了在()minmaxVV−

的变化范围内单元水体在第n时段可能达到的有效蓄水量，即单元水体在第n时段可以恢复或可用于更新的水量。它代表了第n时段内单元水体水量可再生能力的大小。 为了便于比较分析，将（()tIVVnn∆×+−min）与()minmaxVV−之比所得到的无量纲量“nα”作为单元水体水资源量可再生性指数，计算公式下面： ()