水循環(huán)水資源安全范文
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1.華北地區(qū)嚴重的水問題
華北地區(qū)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(yè)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(qū)[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(qū)十年九旱，尤其1972、1999、2000年華北大旱，出現(xiàn)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(qū)尤其是海河流域，人類活動強度之大、水資源開發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)利用程度一般為40%左右。然而，目前海河流域的水資源開發(fā)利用程度已經超過了90%。高強度的水資源開發(fā)利用導致該地區(qū)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(xiàn)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(fā)展，而且還導致華北地區(qū)尤其是海河流域嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[3]。突出表現(xiàn)在：
1.1山區(qū)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(qū)水源地來水量的大量減少，給城市和中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會經濟發(fā)展帶來極大的危害。
1.2地下水過量開采，部分地區(qū)已經枯竭
到目前，華北城市化地區(qū)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(qū)，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(qū)。地下水枯竭直接威脅華北城市平原地區(qū)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(qū)多數(shù)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(tài)問題十分嚴重。據(jù)統(tǒng)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(xiàn)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(tài)系統(tǒng)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(tài)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(fā)展到現(xiàn)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(jù)統(tǒng)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(qū)水生態(tài)環(huán)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(qū)水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了“不健全”的問題。例如，華北地區(qū)持續(xù)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(huán)”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(tǒng)水循環(huán)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(huán)中的“耗水”強度[17]，人類活動大量超采地下水大大降低了區(qū)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(jié)水、通過跨流域調水增加本地的來水。與自然水循環(huán)系統(tǒng)相比較，現(xiàn)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(huán)作用也愈來愈突出。因此，開展變化環(huán)境中的華北地區(qū)水循環(huán)機理研究，認識“不健全”的水循環(huán)過程導致華北地區(qū)缺水、水生態(tài)環(huán)境退化的成因，提出可持續(xù)發(fā)展理念下解決華北水資源安全、改善生態(tài)環(huán)境的科學對策，是21世紀國家資源環(huán)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]。
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?shù)墓ぷ鳎悄壳叭A北缺水問題還沒有真正解決，水生態(tài)環(huán)境問題愈來愈嚴重。究其原因，除了華北地區(qū)社會經濟增長、人口壓力大和環(huán)境發(fā)生了新的變化之外，有許多水循環(huán)與生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(jù)。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(qū)來水減少的成因問題
近30年華北山區(qū)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(qū)人類活動用（耗）水究竟是個什么情況？山區(qū)土地利用/覆被變化與流域水循環(huán)有什么影響關系？山區(qū)業(yè)已修建大量的水利工程和水保工程，它們究竟在山區(qū)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(qū)水循環(huán)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(huán)機理研究十分薄弱，嚴重滯后城市化經濟發(fā)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(tài)環(huán)境問題。華北地區(qū)的地下水大漏斗主要集中在城市，這無不與城市持續(xù)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(qū)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(qū)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(yè)區(qū)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(yè)區(qū)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(shù)的變化問題研究還比較欠缺，直接影響農業(yè)節(jié)水和水資源評價的基礎問題。
3.4對華北地區(qū)水生態(tài)環(huán)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(xù)干旱面臨的水生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境保護的矛盾與統(tǒng)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(tài)用水”規(guī)律研究，尤其生態(tài)需水研究比較薄弱
關鍵問題是：華北地區(qū)現(xiàn)狀條件相適宜的節(jié)水型“生活-生產-生態(tài)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(qū)的“生活-生產-生態(tài)”的用（耗）水會將發(fā)生什么的變化？如何估算華北地區(qū)的“生活-生產-生態(tài)”的用（耗）水，尤其是華北地區(qū)生態(tài)需水問題？
3.6華北地區(qū)生態(tài)環(huán)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(lián)系的生態(tài)環(huán)境惡化已是現(xiàn)實。如何從可持續(xù)發(fā)展的高度和與水相關的生態(tài)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(tài)需水等多維調控閾值？如何確定適當?shù)纳鷳B(tài)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(huán)模型及綜合集成系統(tǒng)
在考慮人類活動影響的流域水循環(huán)方面，陳家琦最先提出“人工側支水循環(huán)”問題（陳家琦，1986），后來王浩提出“自然-人工”水循環(huán)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(qū)域缺水與修復生態(tài)環(huán)境的決策支持問題方面，也缺乏將水循環(huán)變化和水生態(tài)環(huán)境演化耦合的綜合集成仿真系統(tǒng)。
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(tǒng)是由當?shù)氐牡乇硭⒌叵滤屯庹{水以及處理的回用污水等多水源組成，在地表水調節(jié)水庫不足情況下，如何合理調配各種資源，充分發(fā)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(tài)環(huán)境修復決策中合理調配的科學依據(jù)和準則是什么？如何將自然科學問題與社會科學問題統(tǒng)一到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展層面，提出華北地區(qū)經濟結構調整等重大決策的支持？
4.問題與挑戰(zhàn)
從華北地區(qū)水資源安全問題的國家需求的水循環(huán)基礎科學問題看，最為突出的挑戰(zhàn)有下列幾個方面：
4.1流域水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境變化中的人為影響因素的確定與量化方法
華北地區(qū)人口密度大，社會經濟發(fā)達。1980年以來華北地區(qū)的流域產流和地下水補給條件發(fā)生了明顯變化，導致了華北山區(qū)徑流明顯減少、城市化地區(qū)地下水大漏斗問題嚴重、區(qū)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(huán)中人工側支水循環(huán)的貢獻，科學估算水資源量？如何量化華北地區(qū)水生態(tài)環(huán)境變化中的人類活動的貢獻，剖析近五十年海河流域生態(tài)環(huán)境的演變過程？是揭示海河流域生態(tài)環(huán)境惡化根本原因的關鍵。
4.2華北地區(qū)社會經濟轉型中的用水規(guī)律
由于華北地區(qū)特殊的地位和水資源限制矛盾，其用水結構正在不斷發(fā)生變化。在經濟全球化進程中華北地區(qū)經濟結構將面臨重組與優(yōu)勢產業(yè)發(fā)展模式新的格局挑戰(zhàn)。因此，社會經濟轉型過程中華北地區(qū)的“生活-生產-生態(tài)”的用水變化規(guī)律尤其是生態(tài)需水量估算，成為關鍵的科學問題。這需要借鑒國外發(fā)達國家和發(fā)展中國家經驗，開展經濟學、地理學、生態(tài)學與水資源的交叉研究。
4.3流域水循環(huán)與生態(tài)環(huán)境變化的耦合機理
華北地區(qū)缺水問題與目前生態(tài)環(huán)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(huán)變化過程與所制約的水生態(tài)環(huán)境變化過程實質地聯(lián)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(tài)模型，定量復演變化環(huán)境中的流域水循環(huán)過程以及水文-生態(tài)變化過程？是擬解決的關鍵問題。
4.4可持續(xù)發(fā)展與地區(qū)經濟結構調整的“節(jié)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(fā)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(qū)未來的經濟系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)中的地位？如何協(xié)調華北地區(qū)缺水背景下，社會經濟發(fā)展和修復生態(tài)環(huán)境之間的用水矛盾問題？如何通過華北地區(qū)用水大戶的農業(yè)經濟結構的調整提高農業(yè)用水的效益？因此，從可持續(xù)發(fā)展基本準則出發(fā)，在前面四個關鍵問題（流域水循環(huán)、生態(tài)演化、社會經濟用水以及它們綜合集成的系統(tǒng)規(guī)律）基礎上，進一步研究華北地區(qū)未來經濟結構調整的“節(jié)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(qū)高強度的人類活動和社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)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(xié)調途徑呢？從宏觀的戰(zhàn)略方面，可持續(xù)發(fā)展的理念為解決這對矛盾提供了準則。生態(tài)經濟學的價值觀為構建有利于華北地區(qū)自身環(huán)境的經濟發(fā)展，提供了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展模式的可能。為了真正解決華北缺水問題，提出有效的環(huán)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(tài)環(huán)境修復研究，可望在水循環(huán)基礎研究、水生態(tài)環(huán)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(tǒng)關系如圖1所示意。
水循環(huán)基礎層面上，將會注重于：
（1）華北地區(qū)干旱及生態(tài)演變的氣候背景研究
（2）華北典型山區(qū)徑流變化及環(huán)境影響的水循環(huán)機理研究
（3）華北典型城市地區(qū)水環(huán)境變化與地下水可再生性研究
（4）華北典型平原農業(yè)區(qū)環(huán)境變化及水循環(huán)機理研究
（5）變化環(huán)境中的流域水循環(huán)及分布式模型研究。
在水生態(tài)環(huán)境演變及社會經濟用水層面上，將會注重于：
（1）華北地區(qū)現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的形成過程與演變機理研究
（2）華北地區(qū)社會經濟轉型下用水規(guī)律研究和華北地區(qū)生態(tài)變化的安全閾值與修復目標研究。
在水資源安全和生態(tài)環(huán)境修復對策層面上，將會針對南水北調重大工程和北方節(jié)水問題，注重于：
（1）水-生態(tài)-社會經濟復合系統(tǒng)綜合集成研究
（2）解決華北地區(qū)缺水及生態(tài)修復的調控對策研究。
為此，以北京為首的城市地區(qū)供水以及水資源可持續(xù)利用問題、華北水資源耗用大戶的農業(yè)節(jié)水潛力和日趨急迫的華北地區(qū)產業(yè)結構調整問題將會放到十分突出的地位。以面向生態(tài)環(huán)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。