王海葉，焦艷平，趙 遜，陳文彬

（1.河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050057；2.河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050057）

蒸發(fā)蒸騰量（Evapotranspiration，ET）表示水通過一切形式由液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的過程。 對(duì)于資源性缺水地區(qū)，ET是水資源最主要的消耗量。要實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，應(yīng)通過減少無效或低效耗水，提高單位水資源的產(chǎn)出效益， 使區(qū)域ET控制在滿足水資源可持續(xù)利用和保持生態(tài)環(huán)境良性變化的范圍內(nèi)。

水環(huán)境容量（Environment Capacity，EC）指在不影響某一水體正常使用的前提下， 在滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和保持水生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)上， 參照人類環(huán)境目標(biāo)要求， 某一水域所能容納的某種污染物的最大負(fù)荷量。

水生態(tài)服務(wù)（Environment Service，ES）指以特定生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù)， 直接或間接為人類提供各種福利和福祉的能力，即通過控制管理生態(tài)流量，從水資源保障的角度使水體狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境適宜生物生存，滿足生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展要求［1］。

以ET耗水管理為核心的水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合治理理念，探討基于ET、EC、ES的水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理規(guī)劃， 應(yīng)用于滹沱河流域石家莊段的水資源配置、水環(huán)境治理、水生態(tài)提升等關(guān)鍵任務(wù)，對(duì)提升區(qū)域水資源管理水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理理論

基于ET、EC、ES的水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理規(guī)劃，建立在ET、EC、ES的耦合機(jī)制上。ET、EC、ES三者是相互聯(lián)系的， 需經(jīng)過循環(huán)往復(fù)的交互過程來確定。 耦合機(jī)制的運(yùn)行過程如圖1。

圖1 ET、EC、ES三者耦合關(guān)系

1.1 根據(jù)目標(biāo)ET配置生產(chǎn)、生活用水

依據(jù)目標(biāo)ET和現(xiàn)狀ET，在流域內(nèi)擬定各種節(jié)水優(yōu)先措施，在水資源約束下（目標(biāo)ET）配置生活、生產(chǎn)用水，節(jié)約的水量（ET減少量）優(yōu)先配置于環(huán)境和生態(tài)用水， 以期實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境生態(tài)保護(hù)耗水協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.2 目標(biāo)ES分析

依據(jù)增加的環(huán)境水量和生態(tài)水量， 分析增加的環(huán)境生態(tài)水量對(duì)生態(tài)服務(wù)的邊際影響， 從而初步確定目標(biāo)ES值；在目標(biāo)ES的控制下，分析不同的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)措施方案對(duì)水生態(tài)的影響； 若生態(tài)水量仍然不足，達(dá)不到實(shí)現(xiàn)生態(tài)服務(wù)功能所需要的水量，返回目標(biāo)ET重新確定水資源消耗量的分配， 進(jìn)一步提高生態(tài)水量，以期實(shí)現(xiàn)流域的生態(tài)保護(hù)。

1.3 目標(biāo)EC分析

依據(jù)增加的環(huán)境生態(tài)水量， 分析其對(duì)水環(huán)境容量的邊際影響，從而初步確定目標(biāo)EC值；在目標(biāo)EC的控制下，分析不同的環(huán)境治理措施下，排污總量對(duì)地表水質(zhì)的影響；若減少排污總量有困難，環(huán)境水量仍然不足，不能滿足地表水質(zhì)要求，返回目標(biāo)ET重新確定水資源消耗量的分配，提高環(huán)境水量，提升目標(biāo)EC。

1.4 目標(biāo)ET、EC、ES往復(fù)調(diào)整

依據(jù)ET、EC、ES之間的用水關(guān)系，分析環(huán)境生態(tài)狀況可否達(dá)到目標(biāo)EC、目標(biāo)ES要求，反饋到ET，調(diào)整生活、生產(chǎn)、環(huán)境生態(tài)用水，直到水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境生態(tài)保護(hù)的影響達(dá)到新的平衡， 循環(huán)往復(fù)， 直到水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境生態(tài)保護(hù)的影響達(dá)到新的平衡。

2 研究區(qū)域概況

滹沱河流域石家莊段主要涉及的行政區(qū)有：平山縣、井陘縣、井陘礦區(qū)全部，以及靈壽縣、鹿泉區(qū)、正定新區(qū)、市區(qū)、藁城區(qū)、無極縣、晉州市、深澤縣11個(gè)行政縣（市、區(qū)）的部分區(qū)域。 經(jīng)分析，滹沱河流域石家莊段2009—2020年用水結(jié)構(gòu)及用水變化趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)用水呈明顯下降趨勢(shì)， 工業(yè)用水呈緩慢下降趨勢(shì)，生活用水隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈顯著上升趨勢(shì)，并且隨著南水北調(diào)水的引用，滹沱河生態(tài)補(bǔ)水逐年展開，生態(tài)用水在2017年后顯著增加?，F(xiàn)狀年，用水結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，生活和生態(tài)需水量急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致流域資源型缺水現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，因此探討基于ET、EC、ES的水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理規(guī)劃， 具有典型重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 分析計(jì)算

3.1 目標(biāo)值計(jì)算

3.1.1 目標(biāo)ET計(jì)算

區(qū)域目標(biāo)PET是在滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展條件下， 從水平衡的角度考慮區(qū)域所能允許消耗的最大ET。 它具有以下3層含義：①以本地水資源總量為基礎(chǔ)， 包括一定時(shí)期內(nèi)區(qū)域的自產(chǎn)水量、 出入境水量、 外調(diào)水量及允許的地下水開采量；②保持水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，為了維護(hù)河流生態(tài)和河口生態(tài)，合理開發(fā)區(qū)域地下水，在多年平均條件下逐步平衡地下水開采和補(bǔ)給， 必須保證一定的河流徑流量； ③滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)用水的需求，為了改善生態(tài)環(huán)境，必須采取切實(shí)可行的經(jīng)濟(jì)技術(shù)措施和管理措施，通過增加水資源的單位產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。 計(jì)算公式可采用水平衡方法，如式（1）。

式中 PET為區(qū)域目標(biāo)ET（mm）；Q為當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水量（m3）；Is為地表入境流量（m3）；It為外調(diào)水量（m3）；IG為地下水側(cè)向流入量（m3）；O為滿足下游用水要求的出境流量（m3）；OG為地下水側(cè)向流出量（m3）；ΔG為某一水平年地下水允許超采量（m3）；A為區(qū)域面積（km2）。

3.1.2 目標(biāo)EC計(jì)算

依據(jù)區(qū)域水環(huán)境現(xiàn)狀、水環(huán)境容量，結(jié)合區(qū)域目標(biāo)ET約束下的環(huán)境用水以及生態(tài)環(huán)境部相關(guān)規(guī)定，得到滹沱河流域各控制單元的現(xiàn)狀EC， 并進(jìn)一步根據(jù)污染物入河量，確定區(qū)域的目標(biāo)污染物（氨氮、總氮、總磷、COD）削減量，得到目標(biāo)EC。

3.1.3 目標(biāo)ES計(jì)算

采用Tennant法和濕周法計(jì)算滹沱河流域各控制單元內(nèi)河流代表斷面的生態(tài)流量， 并對(duì)比Tennant法和濕周法分析確定相應(yīng)河道內(nèi)生態(tài)流量， 進(jìn)一步得到河道內(nèi)生態(tài)需水量， 采用定額法計(jì)算河道外生態(tài)需水量，以此確定滹沱河流域總生態(tài)需水量。

3.2 目標(biāo)值分配

以2020年為基準(zhǔn)年，2025年為規(guī)劃水平年。根據(jù)式（1）確定石家莊市滹沱河流域目標(biāo)ET。

依據(jù)多年平均水資源量， 對(duì)供水過程中現(xiàn)狀水平年目標(biāo)ET進(jìn)行分析。 經(jīng)式（1）計(jì)算，石家莊流域目標(biāo)ET為596.35mm，其中可控ET為217.55mm，不可控ET為378.8mm，計(jì)算過程如表1。

表1 現(xiàn)狀年目標(biāo)ET

目標(biāo)ES的計(jì)算中， 綜合考慮10%比例的Tennant法生態(tài)流量與濕周法生態(tài)流量， 對(duì)于兩種生態(tài)流量同時(shí)計(jì)算的控制斷面，為降低不確定性，取兩種計(jì)算方法的均值， 得到滹沱河流域各控制斷面的推薦生態(tài)流量， 其中甘陶河泉口斷面生態(tài)流量為0.21m3/s，綿河帝都斷面生態(tài)流量1.06m3/s，冶河微水?dāng)嗝嫔鷳B(tài)流量0.86m3/s，冶河平山斷面生態(tài)流量1.35m3/s，滹沱河干流小覺斷面生態(tài)流量3.75m3/s，滹沱河干流中山斷面生態(tài)流量3.75m3/s，現(xiàn)狀年河道內(nèi)生態(tài)總需水量1.6714億m3，規(guī)劃年維持不變；采用定額法計(jì)算得到的現(xiàn)狀水平年河道外生態(tài)需水量（城鎮(zhèn)綠化及道路噴灑，不包括生態(tài)林灌溉）為1.0813億m3，根據(jù)石家莊市城鎮(zhèn)規(guī)劃估計(jì)道路面積和綠化面積的增長(zhǎng)， 預(yù)測(cè)規(guī)劃年河道外生態(tài)需水量為1.4005億m3；綜上，現(xiàn)狀年石家莊市滹沱河流域生態(tài)總需水量為2.7527億m3，規(guī)劃年為3.0719億m3。 ET、EC、ES目標(biāo)值分配結(jié)果如表2。

表2 規(guī)劃年目標(biāo)值分配結(jié)果

規(guī)劃水平年石家莊流域目標(biāo)ET大于現(xiàn)狀水平年目標(biāo)ET的原因是：規(guī)劃水平年增加了南水北調(diào)水的供水量， 可控ET由217.55mm增加到265.2mm，不可控ET不變。 隨著滹沱河生態(tài)補(bǔ)水的加入，滹沱河水環(huán)境容量相對(duì)增加，但本著污染物入河量削減任務(wù)不變的原則，規(guī)劃年不再在現(xiàn)狀EC的基礎(chǔ)上擴(kuò)大目標(biāo)EC。

3.3 基于ET、EC、ES的水資源配置

可控ET，是可控水資源的供水量，即不同用水戶相對(duì)可控水資源的取用水量。 到分行業(yè)的用水過程中，取用水量不等于其耗水量，結(jié)合不同水源對(duì)不同用水行業(yè)的不同供水過程， 以及不同用水行業(yè)的用水過程， 分析不同情景下不同用水行業(yè)的可控水資源（可控ET）實(shí)際消耗量。 區(qū)域總消耗量為可控水資源實(shí)際消耗量與不可控消耗量之和。

不同用水行業(yè)的用水環(huán)節(jié)可分為供輸水過程、用水過程和排水過程，各用水環(huán)節(jié)中滲漏補(bǔ)給地下水的水量，不算作消耗量，所以可控水資源取用量扣除補(bǔ)給地下水的水量，即為不同用水行業(yè)可控水資源的實(shí)際消耗量。 具體分行業(yè)耗水系數(shù)的推求如表3。

表3 用水環(huán)節(jié)耗水計(jì)算

根據(jù)分行業(yè)耗水系數(shù)得到可控ET的分配結(jié)果，再由目標(biāo)ET的約束， 得到不同水平年的ET分配，結(jié)果如表4。 石家莊市滹沱河流域規(guī)劃年可控ET分別為： 豐水年155.73mm， 平水年171.33mm， 枯水年190.53mm，多年平均172.49mm。通過調(diào)控可控ET量，從而達(dá)到水資源優(yōu)化配置、 水環(huán)境容量保證及水生態(tài)服務(wù)提升的目的，實(shí)現(xiàn)基于ET、EC、ES的水資源優(yōu)化配置方案。

表4 規(guī)劃年不同水平年ET分配結(jié)果 單位：mm

4 結(jié)語(yǔ)

為恢復(fù)、保護(hù)滹沱河生態(tài)環(huán)境，提升滹沱河流域水分生產(chǎn)率， 以滹沱河流域石家莊段為研究對(duì)象，建立ET、EC、ES耦合機(jī)制，在實(shí)現(xiàn)供水過程水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，再由耗水系數(shù)法得到用水過程的可控ET的分行業(yè)分配結(jié)果， 最終實(shí)現(xiàn)基于ET、EC、ES的滹沱河流域石家莊段區(qū)域水資源優(yōu)化配置方案。 通過可控ET的科學(xué)合理調(diào)控， 施行基于ET、EC、ES的水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理措施， 從而實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、水環(huán)境容量保證及水生態(tài)服務(wù)的提升，使水資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)需水和生態(tài)需水之間進(jìn)行合理配置，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供可借鑒的管理模式。