完善新時(shí)期水資源管理指標(biāo)的方法

吳炳方,曾紅偉,馬宗瀚,茍 思,劉俊國(guó),王金霞,蔣禮平

(1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049；3. World Bank,Washington DC 20433，USA；4. 南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 深圳 518055；5. 北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院,北京 100091)

水資源不足是人類面臨的共同挑戰(zhàn),全球近40億人面臨嚴(yán)重的缺水問(wèn)題[1],缺水導(dǎo)致社會(huì)內(nèi)部動(dòng)蕩,加劇了國(guó)家之間的沖突[2]。在高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下,流域水循環(huán)過(guò)程、產(chǎn)匯流機(jī)制和水資源分配都發(fā)生了顯著的變化[3- 4]。當(dāng)前,全球只有37%的河流整體保持自由流動(dòng),絕大多數(shù)人口稠密地區(qū)的河流已經(jīng)喪失自由流動(dòng)性[5]。河流流量調(diào)節(jié)和灌溉還在一定程度上增加了水資源的消耗[6- 7],隨著人口持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,在人地耦合的復(fù)雜流域,如何實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)調(diào)控,應(yīng)對(duì)日益突出的水資源供給和需求之間的矛盾成為流域水管理的當(dāng)務(wù)之急[7]。為有效管理水資源,防止水資源枯竭,各國(guó)出臺(tái)了系列政策,采取了各種措施應(yīng)對(duì)危機(jī),但是危機(jī)并沒(méi)有得到有效緩解[8],局部地區(qū)甚至還有加劇的趨勢(shì)[9],如中國(guó)華北、印度北部與美國(guó)加州等全球重要農(nóng)業(yè)區(qū),盡管采取了大量的節(jié)水措施,但地下水超采和湖泊萎縮現(xiàn)象依然突出[10- 11],甚至出現(xiàn)“越節(jié)水、超采越嚴(yán)重”的悖論[6，12- 13],說(shuō)明以往的水資源管理方式亟待改進(jìn)。

當(dāng)前供給側(cè)的水資源管理占據(jù)主流地位,該方法認(rèn)為氣候變化是導(dǎo)致水資源不足的主要原因,往往傾向于通過(guò)工程措施增加供水解決缺水的問(wèn)題[9]。后來(lái)系列實(shí)踐發(fā)現(xiàn)僅從供給側(cè)進(jìn)行水資源管理的效果有限,越來(lái)越多的國(guó)家采用水資源需求側(cè)的管理作為解決缺水的主要措施[14- 15],特別是引入水權(quán)、水交易等市場(chǎng)機(jī)制來(lái)促進(jìn)水資源的優(yōu)化配置[16]。例如，澳大利亞和美國(guó)加州都將水資源管理從傳統(tǒng)的供給側(cè)管理轉(zhuǎn)變?yōu)楦娴幕谛枨髠?cè)的水資源管理,建立了包括水市場(chǎng)、水定額、節(jié)水技術(shù)和綜合水資源管理計(jì)劃在內(nèi)的調(diào)控體系[17]。澳大利亞引入水市場(chǎng),允許水權(quán)的買賣,發(fā)揮市場(chǎng)在水資源調(diào)配中的作用,促進(jìn)水從低產(chǎn)值向高附加值的產(chǎn)業(yè)交易轉(zhuǎn)移,同時(shí)政府可通過(guò)直接回購(gòu)水權(quán)以增加環(huán)境流量[14]。以色列采用雙管齊下的方式管理水資源,一方面通過(guò)海水淡化等舉措保障淡水供應(yīng),另一方面政府采用階梯水費(fèi)的方式提高用水效益,實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理使用,從而確保水資源安全[15]。然而遺憾的是,部分國(guó)家的相關(guān)措施并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果[14，17- 18],由于干旱和地下水的持續(xù)超采,美國(guó)加州中部地區(qū)地下水位快速下降[19],地面年沉降速度達(dá)到0.5 m,要實(shí)現(xiàn)地下水的采補(bǔ)平衡目標(biāo),加州圣華金河谷需休耕15%的灌溉農(nóng)田[20]。近些年，澳大利亞墨累- 達(dá)令流域累積投資53億澳元治理水資源,但成效并不顯著[14],其河口水量銳減導(dǎo)致生物多樣性受到威脅。上述案例說(shuō)明,不論是基于供給側(cè)的供水管理,還是基于需求側(cè)的需水管理,都存在明顯的漏洞。一是當(dāng)前的供需管理都是通過(guò)對(duì)徑流數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)預(yù)判進(jìn)行的,但攔河筑壩、灌溉、雨水收集等人類活動(dòng)嚴(yán)重改變了流域水循環(huán)過(guò)程,地面觀測(cè)得到的徑流信息已不能全面反映實(shí)際的流域水循環(huán)狀況,容易導(dǎo)致預(yù)判失真[21]；二是當(dāng)前水資源管理的對(duì)象主要關(guān)注藍(lán)水,而長(zhǎng)期忽視綠水的消耗[22],隨著生態(tài)恢復(fù),生態(tài)消耗的綠水資源對(duì)水資源影響越來(lái)越大,局部地區(qū)已經(jīng)達(dá)到了水資源承載能力的極限[23- 25],研究表明黃淮海流域的歸一化植被指數(shù)每增加10%,流域年徑流量平均減少8.3%[26]；三是缺乏對(duì)水資源消耗量有效的監(jiān)測(cè)與調(diào)控方法,難以實(shí)施行星邊界的水資源約束[22，27]。

中國(guó)水資源空間分布不均[28],水資源人均占有量少[29],長(zhǎng)期面臨著“水少、水多、水臟、水渾”的系列頑疾[30- 32]。為解決水資源不足的問(wèn)題,中國(guó)成立了龐大的機(jī)構(gòu)來(lái)管理水資源[33],頒布制定了各類管理政策和約束指標(biāo),然而工程驅(qū)動(dòng)的思想在水資源管理中根深蒂固,不論是水資源供給不足的緩解[29],還是約束指標(biāo)的落實(shí)最終都是通過(guò)工程措施來(lái)實(shí)現(xiàn)[34],而對(duì)政策和指標(biāo)本身的適應(yīng)性、可行性缺乏全面的分析、比較和評(píng)估[29],使得水資源問(wèn)題周而復(fù)始,間歇性陣痛,部分區(qū)域問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重,如黃河、海河、西北地區(qū)的地下水超采嚴(yán)重[35]。為促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用,2012年以來(lái),中國(guó)制定并頒布了一系列新的水資源管理政策,力求在生態(tài)文明建設(shè)中找出一條水資源可持續(xù)利用的高質(zhì)量發(fā)展路徑,以適應(yīng)新時(shí)期發(fā)展要求[36]。然而受數(shù)據(jù)和方法的限制,新政策采用的管理指標(biāo)和內(nèi)涵目標(biāo)間存在一定差異,依據(jù)現(xiàn)有指標(biāo)采取的各類措施難以達(dá)到新時(shí)期水資源管理政策的期許。因此,本文通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展和案例,從數(shù)據(jù)保障、方法發(fā)展和具體措施等方面提出完善新時(shí)期水資源管理指標(biāo)的方法,促進(jìn)這些新的政策能夠落實(shí)到位,切實(shí)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1 新時(shí)期水資源相關(guān)管理政策采用的指標(biāo)

2011年，中央一號(hào)文件明確提出在全國(guó)實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,2012年1月,國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》,確立用水總量、用水效率、水功能區(qū)限制納污等“三條紅線”,并將指標(biāo)分解到全國(guó)2 500多個(gè)縣級(jí)行政單元,建立了各級(jí)責(zé)任制度[37]。2012年，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第五次會(huì)議上提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的“十六字”治水思路,成為新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展的根本遵循；2014年，中國(guó)在華北平原啟動(dòng)了地下水超采綜合治理試點(diǎn)。2016年,習(xí)近平總書記在黨的十八屆五中全會(huì)上明確提出:“實(shí)行水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)”,緊接著水利部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合印發(fā)了《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》,在“三條紅線”的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增加了耗水管控的新內(nèi)涵。黨的十九屆五中全會(huì)要求全面提高資源利用效率,實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng),把水資源作為最大的剛性約束。2014年的中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第五次會(huì)議、2021年的深入推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上,習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”的水資源發(fā)展“四水四定”原則,重新定義了“水- 人- 城”和諧發(fā)展理念。2019年,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、水利部聯(lián)合印發(fā)了《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》,對(duì)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、規(guī)模以上工業(yè)用水重復(fù)利用率、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)等提出了新的要求。相關(guān)政策的內(nèi)涵目標(biāo)與對(duì)應(yīng)的管理指標(biāo)見(jiàn)表1,并將指標(biāo)分解到省、市、縣,作為水資源管理體系績(jī)效考核的依據(jù),強(qiáng)化目標(biāo)約束。

水資源計(jì)量方法的差異會(huì)對(duì)水資源管理產(chǎn)生截然不同的影響[38],基于不同用水控制指標(biāo)的水資源目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)度評(píng)估有時(shí)存在相左的情況[39]。為落實(shí)新時(shí)期水資源治理措施而設(shè)計(jì)的相關(guān)指標(biāo)(表1)包括取(用)水量、用水效率、水環(huán)境等約束性指標(biāo),但沒(méi)有耗水量指標(biāo)。對(duì)于干旱缺水地區(qū)而言,限制取水量需要與控制耗水同步；對(duì)于水量豐富的地區(qū),限制取水量并不是優(yōu)先事項(xiàng),水環(huán)境質(zhì)量才是主要問(wèn)題,也就是區(qū)域水管控指標(biāo)的設(shè)定需要與區(qū)域面臨的最急迫的水資源問(wèn)題相符[37]。

約束取水總量和提高用水效率并不一定能降低耗水總量。從理論上說(shuō),限制取水量可以減輕水資源的利用強(qiáng)度,倒逼改革以提高用水效率,但國(guó)內(nèi)外的大量實(shí)踐已經(jīng)證明僅靠約束取水量很難達(dá)到減少耗水的預(yù)期效果[11- 13，37，40- 41],下面從3個(gè)方面說(shuō)明。

表1 新時(shí)期水資源治理制度與指標(biāo)

第一種情況,在取水量一定的前提下,用水效率越高,消耗的水量越大。以2個(gè)農(nóng)場(chǎng)為例,1個(gè)采用漫灌,灌溉效率為70%；另1個(gè)采用滴灌,灌溉效率為95%。假設(shè)2個(gè)農(nóng)場(chǎng)的取水量相同,采用漫灌的農(nóng)場(chǎng),消耗了取水量的70%,而剩下的30%將回流到河流或含水層,供其他用戶或生態(tài)環(huán)境再次使用；采用滴灌的農(nóng)場(chǎng),消耗了取水量的95%,只剩下5%的水回流到河流或含水層。二者盡管取水量相同,但對(duì)流域水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的影響截然不同，如果要保持2個(gè)農(nóng)場(chǎng)的耗水量相同,采用滴灌的農(nóng)場(chǎng)需要減少約26%的取水量。然而要調(diào)減取水量困難重重,一是從水權(quán)的角度來(lái)說(shuō)有失公允,不利于鼓勵(lì)節(jié)水措施的落實(shí)；二是難操作,涉及到多方經(jīng)濟(jì)利益和區(qū)域發(fā)展機(jī)會(huì)的博弈。因此,取水權(quán)一旦確定,一般不會(huì)輕易變動(dòng),如黃河“八七”分水方案實(shí)施后其分配原則就沒(méi)有變過(guò),但該方案在2014年后就已不能適應(yīng)環(huán)境的變化[42]。

第二種情況,在取水量一定的前提下,提高灌溉效率并不總是能達(dá)到預(yù)期的節(jié)水效果[43]。如果采用漫灌的農(nóng)場(chǎng)也將灌溉效率提高到95%,意味著取水量可以減少26%,如果這部分節(jié)約的水量沒(méi)有用于擴(kuò)大灌溉面積或另作他用,就能實(shí)現(xiàn)取水量的節(jié)約,但受利益驅(qū)動(dòng),農(nóng)場(chǎng)往往會(huì)將灌溉效率提升節(jié)省的水量用于擴(kuò)大灌溉面積,反而增加了水資源消耗,即反彈效應(yīng)[13]或“灌溉效率”悖論[18]。2002—2007年建設(shè)節(jié)水型社會(huì)期間,張掖市有效灌溉面積從2002年的1 531 km2增加到2007年的2 073 km2,在有效保障糧食安全、提高農(nóng)民收入的同時(shí),整體增加的耗水幾乎抵消了提升灌溉效率帶來(lái)的節(jié)水成效[13]。

第三種情況,取水量確定后,經(jīng)濟(jì)利益將促使用水戶提高耗水強(qiáng)度,期望從相同的水量中獲得更多的產(chǎn)出(值),這反而會(huì)增加耗水量。在現(xiàn)實(shí)中,農(nóng)民傾向于種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的作物或提高種植密度以提增產(chǎn)量[40],如新疆地區(qū)的棉花[44]、葡萄、果園種植的效益顯著,農(nóng)戶普遍采用膜下滴灌等技術(shù)提高灌溉效率,但這些高附加值的經(jīng)濟(jì)作物耗水量遠(yuǎn)高于玉米等大田作物；在相同的取水量約束下,工業(yè)部門可以通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步無(wú)限提高水的循環(huán)利用率,增加工業(yè)成品的數(shù)量,部分工業(yè)用水固化在產(chǎn)品中被消耗,反而增加了工業(yè)耗水量或虛擬耗水量[45]。

因此,在缺水地區(qū),僅限制取水量和提高效率不足以限制水資源的過(guò)度利用,還必須增加耗水總量約束指標(biāo)。耗水量包括通過(guò)地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用從流域永久損失的蒸散發(fā)量(ET),還包括生產(chǎn)和生活消耗的水量。將耗水總量作為剛性約束指標(biāo),有利于協(xié)調(diào)各用水行業(yè)的耗水量,倒逼各行業(yè)基于耗水量去提高用水效率,推動(dòng)用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí),促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展[13,46]。就新時(shí)期水資源管理指標(biāo)而言,需要在“三條紅線”[37]和“雙控目標(biāo)”的指標(biāo)中增加耗水指標(biāo)；在《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》設(shè)定指標(biāo)的基礎(chǔ)上,需要增加與耗水相關(guān)的指標(biāo),如流域耗水上限、實(shí)際耗水總量、農(nóng)業(yè)耗水總量、灌溉增加的耗水量、工業(yè)耗水量與耗水率、生活耗水量與耗水率、自然耗水量(不可控ET)、人類活動(dòng)耗水量(可控ET)等[47]。另外,基于市場(chǎng)機(jī)制的需求管理工具(水價(jià)政策、水權(quán)制度、水市場(chǎng)交易、生態(tài)補(bǔ)償政策等)也應(yīng)該將基于用水量的設(shè)計(jì)原則改為以取水和耗水并重的思路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從而通過(guò)取水、耗水雙管齊下式的管理,從根本上打破“越節(jié)水,水資源越匱乏”的怪圈[18]。

2 建立以蒸散監(jiān)測(cè)為核心的耗水要素監(jiān)測(cè)體系

耗水指標(biāo)的缺失與耗水監(jiān)測(cè)手段和方法不足密切相關(guān)。新時(shí)期水資源治理制度的落實(shí)情況與實(shí)施效果評(píng)價(jià)需要可靠的取水、用水與耗水監(jiān)測(cè)信息支撐,即何時(shí)、何地、誰(shuí)利用或消耗了水資源量,是否超標(biāo)或達(dá)到預(yù)期目標(biāo)等，涉水信息的準(zhǔn)確測(cè)量能顯著提升管理效率。當(dāng)前,中國(guó)已經(jīng)建立了比較完善的降水、徑流、地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和取水量計(jì)量體系,但全國(guó)性的耗水總量、強(qiáng)度與過(guò)程監(jiān)測(cè)手段還比較匱乏,“雙控行動(dòng)”方案和“四水四定”是否落實(shí)的監(jiān)督體系亟待加強(qiáng)。在水資源消耗中,蒸散發(fā)是耗水最主要的組成部分,占人類水資源消耗總量的80%以上,只有實(shí)現(xiàn)蒸散發(fā)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)化運(yùn)行,才能促進(jìn)和保障新時(shí)期水資源管理制度的落實(shí)。

蒸散發(fā)看不見(jiàn)摸不著,不易觀測(cè),一直是水循環(huán)和水資源管理的難點(diǎn)。早在20世紀(jì)50年代,以黃秉維和謝家澤為首的科學(xué)家就提出并策劃了“大搞水平衡,攻破蒸發(fā)關(guān)”的倡議[48]。在幾代人的不懈努力下,隨著遙感的不斷進(jìn)步,蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)方法取得了很大的發(fā)展,如ETWatch模型及系統(tǒng)[49- 50]。該模型揭示了不同氣候特點(diǎn)下蒸散發(fā)的作用機(jī)理、過(guò)程、主導(dǎo)影響因子及其耦合機(jī)理[51- 53],充分利用多源遙感數(shù)據(jù)解決蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)普遍存在的共線性問(wèn)題[54],保證了蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性和時(shí)空連續(xù)性[55],以及在不同氣候類型下的適用性[56]?；贓TWatch模型開發(fā)的多時(shí)空尺度蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與云平臺(tái)(http:∥ETWatch.cn)[57],實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)處理、模型標(biāo)定、蒸散發(fā)監(jiān)測(cè)與分析的全鏈條流程,有效解決地塊、流域、區(qū)域多尺度的蒸散發(fā)耗水量動(dòng)態(tài)監(jiān)控的難題[58]。基于ETWatch云平臺(tái),能定制符合流域特點(diǎn)的蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)模塊[57],大幅降低蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)的成本,其運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用遠(yuǎn)低于灌區(qū)量水設(shè)施的維護(hù)成本。ETWatch先后以單一技術(shù)來(lái)源服務(wù)世界銀行全球環(huán)境基金(GEF)海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理[59]、世界銀行貸款吐魯番地區(qū)節(jié)水灌溉項(xiàng)目[60]、GEF贈(zèng)款艾比湖流域可持續(xù)性和生物多樣性保護(hù)項(xiàng)目[61]、GEF水資源與水環(huán)境綜合管理主流化項(xiàng)目,并出口埃及遙感與空間局,為流域尺度耗水總量、耗水結(jié)構(gòu)、耗水演變的時(shí)空過(guò)程和水資源的優(yōu)化配置提供了關(guān)鍵的蒸散發(fā)信息支撐。

工業(yè)耗水和生活耗水是流域人類活動(dòng)耗水的重要組成部分,當(dāng)前規(guī)模以上工業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活用水都建立了完善的計(jì)量體系,但工業(yè)和生活的耗水量監(jiān)測(cè),特別是居民生活耗水還缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐[62- 64],因此,需要在供水監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,新建或擴(kuò)建排水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),完善工業(yè)生活排水監(jiān)測(cè)體系,開展不同類型工業(yè)、企事業(yè)單位和家庭的耗水核算,實(shí)現(xiàn)工業(yè)耗水、生活耗水的定量觀測(cè),為工業(yè)和生活耗水的調(diào)控提供支持[37,45,65]。

除蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)外,遙感獨(dú)立、客觀、重復(fù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),還能夠?yàn)樾聲r(shí)期水資源管理制度的落實(shí)提供多維度的數(shù)據(jù)支撐,如監(jiān)測(cè)降水[66]、土壤水和地下水的蓄變量[67]、用水效率[68]、流域下墊面[69- 70]、河網(wǎng)[71]、河寬[72]、水面[10,73]、耕地種植結(jié)構(gòu)變化[74- 75]以及灌溉面積變化[76]等,提供獨(dú)立于傳統(tǒng)水利觀測(cè)體系的監(jiān)測(cè)手段和新的監(jiān)督指標(biāo),反映人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程的干預(yù)[70]。

盡管中國(guó)已在水資源要素監(jiān)測(cè)體系和管理機(jī)制構(gòu)建方面取得成效,但由于涉水部門眾多且分散,水管理仍存在“九龍治水、多級(jí)管理、分層負(fù)責(zé)”的特點(diǎn),各部門、各層級(jí)單位根據(jù)職能構(gòu)建不同的水資源相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),相互之間存在信息不統(tǒng)一、甚至矛盾等問(wèn)題[77]。遙感監(jiān)測(cè)手段能夠?yàn)槎嗖块T、多層級(jí)提供客觀的、時(shí)空連續(xù)的、一致的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),推動(dòng)解決跨行政邊界與部門之間數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題,滿足水資源雙控目標(biāo)的監(jiān)測(cè)需求。

3 健全以耗水上限為核心的水資源剛性約束方法

新時(shí)期水資源管理制度的首要任務(wù)是水資源的剛性約束,也就是確定耗水總量約束目標(biāo)[78]?，F(xiàn)有的水資源管理還是以“供需平衡”為核心,主要是對(duì)水循環(huán)過(guò)程中的徑流量實(shí)施管理[79],通過(guò)工程措施和管理等手段提高水資源的利用效率,增加供水量或減少用水量,而對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面上發(fā)揮重要作用的綠水資源如土壤水耗散并不涉及。然而,由于人類活動(dòng)極大地改變了自然水文循環(huán)過(guò)程[3,80],如灌溉擴(kuò)張、秸稈還田、雨水收集坑、坡改梯及水土保持魚鱗坑等[81- 82]，這些干預(yù)措施都將改變流域產(chǎn)匯流機(jī)制、水資源分布格局,同時(shí)水文模型也難以表現(xiàn)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致的耗水量變化,增加了水資源估算的不確定性[83]。因此,需要采用新的方法,量化人類可消耗的水資源量,即流域水資源可消耗量上限(W)[84],也就是流域可消耗的水資源量(藍(lán)水)[27，85]。

圖1 流域可耗水上限、目標(biāo)ET、目標(biāo)EC、目標(biāo)ES間的內(nèi)在聯(lián)系Fig.1 Nexus of basin available water consumption,target ET,target EC and target ES

從流域水量平衡角度,流域來(lái)水量包括降雨(P)和外流域來(lái)水(I),減去不可控的自然蒸散耗水(ETn)和不可控或不可利用的外流水量(O),就是流域人類活動(dòng)可耗水總量的上限(W=P+I-ETn-O)[84](圖1)。ETn是自然(包括森林、草地、濕地)作用產(chǎn)生的蒸散發(fā)量,也是不可控ET。蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)的進(jìn)步為ETn的估算提供了基礎(chǔ),當(dāng)前蒸發(fā)散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)的年誤差已控制在3%以下[49],能夠?yàn)榱饔蛩科胶夥治鎏峁┚珳?zhǔn)數(shù)據(jù)支撐,即便降雨、蒸散發(fā)與徑流間的閉合性存在一定的問(wèn)題,也可以通過(guò)相關(guān)方法消除[86- 87]。在遙感監(jiān)測(cè)ET的基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步將蒸散發(fā)分解為ETn和人類活動(dòng)消耗的蒸散發(fā)(ETh),即可控蒸散發(fā)[84]。用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法,能有效解析流域尺度蒸散發(fā)變化中自然要素和人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)度[88],如臨近的種植相同作物的雨養(yǎng)地和灌溉地,兩者的耗水差異就是在其他影響因子相同的情況下因灌溉引起的蒸散發(fā)變量[47],貢獻(xiàn)度的分離還可進(jìn)一步揭示氣候變化、人類活動(dòng)如耕地?cái)U(kuò)張和大規(guī)模植被恢復(fù)對(duì)水資源消耗的影響。此外,通過(guò)耦合氣候模式,還可以厘定氣候變化導(dǎo)致的長(zhǎng)期干旱或降水波動(dòng)對(duì)流域可耗水量上限的影響[11],從而為目標(biāo)年(2035年、2050年)耗水上限目標(biāo)的確定提供依據(jù)。流域耗水上限目標(biāo)可通過(guò)上下游和左右岸的權(quán)衡,進(jìn)一步分配到流域內(nèi)的各行政單元,約束各行政單元的耗水總量[27，84，89]。

然而耗水上限(W)并不是人類活動(dòng)實(shí)際可以消耗的水量,而是ETh、生態(tài)耗水增量(ES)和水環(huán)境用水(EC)的總和[90]。人類活動(dòng)耗水目標(biāo)(ETt)的制定還需要綜合考慮生態(tài)耗水增量目標(biāo)(ESt)和水環(huán)境用水目標(biāo)(ECt)。ETt是對(duì)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)不造成負(fù)面影響的情形下,可供流域人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)消耗的水量。ETt隨著流域降水量、生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的變化而不斷修正。ECt是指為維持河流基本形態(tài)、基本生態(tài)功能、水生生物群落生物多樣性的河道內(nèi)環(huán)境流量[91]。環(huán)境流量與水功能和水質(zhì)要求密切相關(guān),對(duì)水功能和水質(zhì)的要求越高,需要的環(huán)境流量也就越多；如果不控制污染,則需要更多的環(huán)境流量才能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),導(dǎo)致人類可消耗的水量減少。流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改善,也會(huì)增加水的消耗,盡管該項(xiàng)消耗主要體現(xiàn)自然蒸散耗水,但人類活動(dòng)如生態(tài)恢復(fù)、水土保持也會(huì)改變自然蒸散耗水[23,25],需要在原有的水量- 水質(zhì)- 水生態(tài)“三水融合”的基礎(chǔ)上,充分考慮陸生生態(tài)的耗水過(guò)程及變化[92]。目標(biāo)ET- 目標(biāo)EC- 目標(biāo)ES的互饋(簡(jiǎn)稱3E)與水資源短缺、水環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)退化的挑戰(zhàn)相對(duì)應(yīng)。

“3E”對(duì)應(yīng)的耗水量互相關(guān)聯(lián),此消彼長(zhǎng),任何一方的增加意味著另外兩方的減少(圖1)。減少人類活動(dòng)耗水(即減少目標(biāo)ET)能夠增加徑流,可以稀釋更多的污染物,改善水質(zhì),也就增加了目標(biāo)EC；污染控制(即減少目標(biāo)EC)可以緩解與污染相關(guān)的水資源短缺,從而增加目標(biāo)ET；生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)(即增加目標(biāo)ES)可能會(huì)增加耗水量,從而導(dǎo)致目標(biāo)ET或目標(biāo)EC的減少。因此,與ET、EC和ES相關(guān)的措施和行動(dòng)需要仔細(xì)評(píng)估,并應(yīng)考慮潛在的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡[61]。

“3E”集成方法首先通過(guò)水平衡確定W,進(jìn)而依據(jù)水質(zhì)要求確定允許的最大污染物排放量和相應(yīng)的環(huán)境流量,并評(píng)估生態(tài)服務(wù)的耗水變化,通過(guò)三者之間的不斷交互和權(quán)衡,考慮不同部門的活動(dòng)對(duì)耗水的擾動(dòng),尤其是生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)耗水的影響,從而找到目標(biāo)ET- 目標(biāo)EC- 目標(biāo)ES間的平衡點(diǎn),實(shí)現(xiàn)人類活動(dòng)耗水、生態(tài)耗水和水環(huán)境的和諧統(tǒng)一。然后通過(guò)優(yōu)化水資源利用、水污染治理和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)活動(dòng),如農(nóng)田改造和灌溉耗水控制農(nóng)田耗水量,森林提質(zhì)改造等以降低自然耗水量,形成對(duì)蒸散耗水增長(zhǎng)部分的有效控制,多方優(yōu)化后的總耗水量應(yīng)低于可持續(xù)的耗水量水平,即ETt+ECt+ESt≤W或ETt≤W-ECt-ESt。

“3E”方法是資源性缺水地區(qū)在水資源剛性約束和“四水四定”原則下實(shí)現(xiàn)“水- 人- 城”和諧發(fā)展的流域水資源評(píng)估方法,權(quán)衡生產(chǎn)生活耗水目標(biāo)(現(xiàn)狀ET、目標(biāo)ET)、生態(tài)耗水(現(xiàn)狀ES、目標(biāo)ES)和水環(huán)境用水目標(biāo)(現(xiàn)狀EC、目標(biāo)EC),解決“水少、水臟、水渾”的問(wèn)題。該方法不僅綜合考慮了水環(huán)境用水與生態(tài)耗水的需求,也反映了人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)過(guò)程和水資源時(shí)空分布的影響,而無(wú)需對(duì)徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行還原,降低了不確定性。該方法已應(yīng)用于GEF水資源與水環(huán)境綜合管理主流化項(xiàng)目[93]、世界銀行吐魯番項(xiàng)目[37]和黃河項(xiàng)目[94]、摩洛哥可持續(xù)農(nóng)業(yè)用水項(xiàng)目與巴基斯坦水和農(nóng)業(yè)改造項(xiàng)目的技術(shù)評(píng)估[95],以及聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的巴基斯坦氣候基金項(xiàng)目[96]。

4 落實(shí)以耗水管控為核心的耗水約束機(jī)制

新時(shí)期水資源管理制度中的“剛性約束”和“雙控行動(dòng)”是以水資源消耗總量是否超過(guò)允許耗水量為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),旨在通過(guò)減少消耗實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用[78]?！八乃亩ā痹瓌t的主要對(duì)象是農(nóng)業(yè)耗水、景觀(人工林、水土保持措施、城市綠地、人工水體等)耗水、工業(yè)和生活耗水等,目的是采取合適的管理措施控制或減少人類活動(dòng)耗水量,確保耗水總量約束目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此在水資源缺乏地區(qū),需要形成耗水約束機(jī)制。

4.1 落實(shí)以水定地的方針,約束農(nóng)業(yè)耗水總量

灌溉耗水占人類藍(lán)水耗水總量的82%以上[47],是耗水管理的主要對(duì)象。灌溉效率是評(píng)估農(nóng)田節(jié)水的主要指標(biāo),該指標(biāo)通過(guò)減少灌溉水在輸送過(guò)程中的“跑、冒、漏、滴、滲”現(xiàn)象,以降低單位面積農(nóng)田的灌溉取水量,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉水的節(jié)約利用。但是灌溉效率的提升,將顯著減少回流到流域水文系統(tǒng)的水量,導(dǎo)致地下水含水層和下游河段的枯竭[14],造成河道和流域生態(tài)環(huán)境的破壞。此外,以提升灌溉效率為目的的節(jié)水,還容易導(dǎo)致灌溉面積的無(wú)序擴(kuò)大和單位農(nóng)田耗水量的提升,產(chǎn)生灌溉水利用效率悖論[18]。位于干旱、半干旱區(qū)的黑河流域大力推行節(jié)水型社會(huì)建設(shè),1997—2007年間,技術(shù)進(jìn)步使單位面積耗水量下降了40%；由于節(jié)水增加了下游水資源的供應(yīng),作物種植面積擴(kuò)大,使得流域虛擬水量出口增加,在很大程度上抵消了技術(shù)進(jìn)步的節(jié)水效果,整個(gè)流域節(jié)水效果并不明顯[45]。20世紀(jì)80年代，河套灌區(qū)面積680萬(wàn)畝(約合45.33萬(wàn)ha),年均引黃水52億m3,2013—2018年河套灌區(qū)灌溉面積增大,規(guī)模超1 000萬(wàn)畝(約合66.67萬(wàn)ha),但取水量基本維持在47億m3,呈下降趨勢(shì),平均灌溉水量從之前的7 500 m3/ha下降至4 200 m3/ha,但灌區(qū)地下水水位卻迅速下降[97],究其原因是現(xiàn)有節(jié)水模式并沒(méi)有考慮耗水量。農(nóng)田灌溉ET占總ET的比重與干燥度成顯著正相關(guān)關(guān)系,西部干旱區(qū)農(nóng)田灌溉ET占比在80%左右。因此,在保證糧食安全的前提下,需要賦予農(nóng)田節(jié)水的新內(nèi)涵,一是需要在流域和地塊2個(gè)尺度,增加流域和農(nóng)田耗水總量的約束指標(biāo),確保將農(nóng)業(yè)耗水總量控制在約束范圍內(nèi)；二是要以水分生產(chǎn)率和地塊耗水為約束,遴選與推廣既能保證糧食產(chǎn)量、又能減少農(nóng)田耗水量的節(jié)水措施和技術(shù)[98]。如秸稈覆蓋保墑可減少耗水量10%～30%,塑料覆蓋保墑可減少耗水量10%～20%,膜下滴灌、機(jī)械蓄水保墑、秸稈還田、塑料薄膜覆蓋保墑等也具有一定的降耗效果[99- 100],當(dāng)這些措施的節(jié)水潛力遠(yuǎn)不能解決當(dāng)前水資源過(guò)度消耗的問(wèn)題時(shí)[59，101],需要以耗水總量為約束,以水定地,通過(guò)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、休耕、輪作等減少農(nóng)業(yè)耗水[43，102]或通過(guò)跨流域調(diào)水以補(bǔ)充水資源的虧缺[103- 104]。最新研究表明,通過(guò)優(yōu)化種植結(jié)構(gòu),全球能再多養(yǎng)活8.25億人,同時(shí)農(nóng)業(yè)種植中雨水和灌溉水的消耗能分別下降14%和12%[105]。

4.2 強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境與水資源約束,優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)治理的方式與規(guī)模

為治理土地退化和水土流失等問(wèn)題,中國(guó)先后實(shí)施了三北防護(hù)林、退耕還林等投入大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)間跨度大的生態(tài)恢復(fù)治理工程。經(jīng)過(guò)幾十年的治理,上述工程有效地減輕了流域水土流失的強(qiáng)度,遏制了土地退化的趨勢(shì),為流域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)做出了重要貢獻(xiàn)。但隨著時(shí)間的推移,部分生態(tài)工程實(shí)施區(qū)域的水資源消耗量顯著增加,土壤含水量顯著下降,如黃土高原的植樹造林等使得流域的耗水已經(jīng)逼近區(qū)域水資源承載力的極限[23，106],土壤層干化[107]；因水資源消耗過(guò)快,三北防護(hù)林每年都有大批的樹木因缺水而死亡,造成不必要的資源浪費(fèi)[108],如2013年,河北壩上三北防護(hù)林大面積干枯死亡,原因就是地下水位快速下降,自然降水無(wú)法滿足生態(tài)需水。

因此,在干旱和半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)中,要堅(jiān)決落實(shí)“四水四定”原則。在設(shè)計(jì)生態(tài)恢復(fù)的方式和規(guī)模時(shí)需要充分考慮水資源約束,更多地采用當(dāng)?shù)啬秃禈浞N實(shí)現(xiàn)森林的提質(zhì)改造,補(bǔ)充配套耗水控制措施,合理平衡自然耗水量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水需求,真正領(lǐng)會(huì)并貫徹“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)內(nèi)涵,實(shí)施漸進(jìn)式生態(tài)修復(fù)[109],指導(dǎo)生態(tài)工程的建設(shè)。近年來(lái),部分地區(qū)為營(yíng)造“風(fēng)景優(yōu)美”的景觀,在城市綠地建設(shè)的過(guò)程中,種植了大量觀賞性強(qiáng)的喬木、草坪、綠地,并實(shí)施了“造湖大躍進(jìn)”活動(dòng),但因氣候干燥,水資源先天不足,各類精心營(yíng)造的人工景觀都需要額外水資源維持,顯著增加了水體蒸發(fā),進(jìn)一步加劇了區(qū)域水資源緊張的局面,制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。遙感監(jiān)測(cè)表明,干旱地區(qū)的喬木、綠地、水體等人工景觀的單位面積新增耗水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灌溉農(nóng)田新增的耗水量。滹沱河流域的人工林耗水量比農(nóng)田耗水高約1 500 m3/ha,干旱、半干旱地區(qū)的城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)不能照搬照抄“江南水鄉(xiāng)”模式。針對(duì)城市綠地?cái)U(kuò)張無(wú)序化和水資源約束力不足問(wèn)題,2021年,國(guó)家《“十四五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》提出了堅(jiān)決制止“造湖大躍進(jìn)”,嚴(yán)控水面景觀用水的指導(dǎo)意見(jiàn)。因此,在水資源不足的區(qū)域要嚴(yán)格落實(shí)以水定城、以水定產(chǎn)和以水定人的原則,優(yōu)化城市生態(tài)建設(shè)的方式,減少不必要的水資源的消耗和浪費(fèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

新時(shí)期水資源相關(guān)管理政策在政策和法規(guī)層面保障了水的可持續(xù)發(fā)展,然而制度的充分落實(shí)需要好的數(shù)據(jù)、方法和措施保障。本文通過(guò)分析新時(shí)期水資源管理指標(biāo)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn),建議在現(xiàn)有水資源管理指標(biāo)中,在缺水地區(qū)增加耗水管控指標(biāo),將耗水總量作為剛性約束指標(biāo),協(xié)調(diào)各用水行業(yè)的耗水量,通過(guò)取水、耗水雙管齊下式的有效管理,從根本上打破“越節(jié)水,水資源越匱乏”的怪圈,保障水資源利用的可持續(xù)性。本文提出了落實(shí)新時(shí)期水資源相關(guān)管理政策要充分利用最新技術(shù)如遙感、人工智能、地球大數(shù)據(jù)等支持,構(gòu)建以蒸散發(fā)監(jiān)測(cè)為核心的耗水指標(biāo)監(jiān)測(cè)體系。在中國(guó)現(xiàn)有水資源管理方法基礎(chǔ)上,需要構(gòu)建以耗水上限為核心的水資源剛性約束指標(biāo),在耗水上限的約束下,綜合考慮環(huán)境流量用水和生態(tài)服務(wù)耗水的需求,在對(duì)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)不造成負(fù)面影響的情形下,量化流域人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)可消耗的水量，并通過(guò)約束農(nóng)業(yè)規(guī)模和優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)治理的方式與規(guī)模,做到以水定地、以水定城,實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

水資源管理制度的落實(shí)需要廣大水利工作者和用水戶的實(shí)踐。需要從理念和應(yīng)用工具2個(gè)角度開展系統(tǒng)培訓(xùn),轉(zhuǎn)變觀念,認(rèn)識(shí)水資源消耗的科學(xué)內(nèi)涵,以及與已有知識(shí)的異同,學(xué)會(huì)如何應(yīng)用具體措施以減少耗水量、提高效率。農(nóng)業(yè)是耗水大戶,在中國(guó)占人類耗水量的82%以上,農(nóng)民是農(nóng)業(yè)的主體,更是耗水管理的主要實(shí)踐者,需要不斷提高農(nóng)民的耗水管理和控制水平。