前言:一篇好文章的诞生,需要你不断地搜集资料、整理思路,本站小编为你收集了丰富的淡水资源的用途主题范文,仅供参考,欢迎阅读并收藏。
最近,我国的西南地区又闹干旱了,不要说种庄稼,就是人喝的水都难以保证。我总觉得不可想象,水不是地球上最多的东西吗?大江、大河、大湖、大海不是有那么多吗?怎么会缺水呢!
后来,我上网查了有关水资源的资料,我才明白:水是地球上所有生命的源泉。地球上的总水量为18万亿亿升。这个数量似乎能满足全球人口对水资源的需求,但实际情况并不令人乐观。现存水储备的99%是不宜人类利用的海水和极地冰,其余1%还大都在800米以下的地层,人们生存所依赖的河流湖泊的水仅占总量的0.01%。世界上已有18个国家的人均可再生水资源拥有量不到1000立方米。据世界资源研究所的一项报告表明,世界上有34亿人口平均每年只能得到50升水,这标志着人类正面临着淡水短缺的危机。
我们家乡地处黄河之滨,水资源虽然比较丰富,但是大部分水都是海水,而海水是咸的,是不能直接饮用的,我们日常饮用的大部分淡水都分布在地球上寒冷的南、北两极和终年积雪的高山上,这样淡水资源就所剩无几了,而且分布不均,东多西少,南多北少,缺水的地方实在很多。因此,流到我们家乡的生活和生产用水更是稀少。随着家乡城市化、工业化的快速发展,我们赖以生存的河流、湖泊正面临着越来越多污染的威胁。水的危机,已经向我们敲响了警钟!
二、调查目的
(一)、让我们了解家乡水污染的现状,了解保护水资源的重要意义。
(二)、让同学们知道水污染的危害,使同学们都来关心、保护家乡的水资源。
(三)、培养同学们热爱自己美好的家乡,热爱社会,热爱大自然,从小养成节约用水的好习惯。
(四)、提高同学们深入社会、关心社会、融入社会的能力。
三、调查过程
(一)、调查时间:
(二)、调查地点:
(三)、调查方法:询问长辈、实地考察
(四)、调查组成员:
领队:
组长:
成员:
四、调查结果
十年前:
水的颜色:无色;水的用途:生活用水、农业用水;河道大小:一般大小;水上漂浮物:水草等水生植物。
现在:
水的颜色:大部分呈现黑色;水的用途:生活用水、农业用水、工业用水;河道大小:好多河道变窄,河床升高;水上漂浮物:白色垃圾,生活垃圾等。
五、主要原因分析
(一)、居民环境保护意识不强。有不少居民随意将生活垃圾抛入河道中。
(二)、由于农民在种植过程中,越来越多的使用化肥、农药,导致水质越来越坏。
(三)、某些工厂的废水不经过污水处理直接排入河道中,导致水质变坏,水生植物消亡。
六、建议
针对家乡水资源已经受到污染的现状,我提出以下几点意见:
(一)、充分利用广播、电视、网络等传播媒体,加强水资源保护意义的宣传,让环保意识深入人心。
(二)、提倡居民节约用水,推广节水器材,日常生活中尽量减少使用化学用品。
(三)、提倡农民尽量减少使用农药、化肥,转变种植品种,多种耐旱植物。
(四)、要求工厂污水排放时,必须经过污水处理后,达标排放。
(五)、希望政府强化环境保护管理,加大环境保护投资,制定一系列保护水资源的法律法规,对废水排放等各方面,作出严格的限制和规定,为建设绿色家园保驾护航。
《高温与干旱:气候变化、水与经济》报告指出,人口增多、收入增加和城市扩张的综合影响将会导致对水的需求成倍增长,而水的供应则变得更加不稳定和不确定。
报告认为,如果不尽快采取行动,目前水资源丰沛的地区如中非和东亚都会面临缺水,而已经缺水的地区如中东和非洲萨赫勒地区缺水状况会进一步恶化。由于水对农业、人体健康和收入的影响,这些地区的经济增长到2050年可能会下滑6%。
报告还警告说,淡水资源减少和来自其他用途如能源和农业的竞争,到2050年可能会使城市可用水资源比2015年减少2/3。
报告补充说,缺乏水资源,可能会大大增加发生冲突的风险。干旱引起的粮价暴涨有可能激发潜在的冲突,迫使人口迁移。在经济增长受降雨量影响的地区,旱灾和水灾在国内引发了移民潮和暴力激增现象。
世界银行集团行长金墉表示,“缺水是对世界各地经济增长与稳定的一个重大威胁,而气候变化使问题更加严重。我们的分析表明,如果各国不采取行动管理好水资源,一些人口多的地区就有可能出现长期的经济负增长。但各国可以立即着手制定有助于今后以可持续的方式管理水资源的政策。”
更好的政策决策可以缓解气候变化对水资源的负面影响,一些地区通过改善水资源管理有可能将增长率提高5%。
报告作者、世行资深经济学家理查德・达玛尼亚说:“希望还是有的,如果政府针对缺水问题提高用水效率,即便把25%的水用于价值更高的用途,损失也会显著减少,部分地区甚至有可能消失。改善水资源管理可以带来高额的经济红利。”
在世界上的极度干旱地区,需要采取影响力更大的政策来防止水资源的低效使用,需要实行更强有力的政策和改革措施来应对日益严重的气候压力。
报告列举出各种政策和投资,可有助引导各国构建具有水资源安全和气候韧性的经济,这包括改善水资源分配规划、采取提高用水效率的激励措施、投资基础设施建设增加水的供应量和可用性。
关于前不久10位政府首脑任命的一个由联合国和世界银行主持的高级别小组的消息,报告认为成立该小组的目的是动员采取有效行动加快落实可持续发展目标之六,即“为所有人提供水和环境卫生并对其进行可持续管理”。
关键词:建筑供排水 质供水 质排水 质杂排水 排水
1.概述
随着人民生活水平的提高和水资源短缺问题的日益严重,在传统的集中供排水体制的基础上逐渐衍生出分质供排水,即:供排水由单一系统直接供给/排放(市政供水由净水厂直接到用户;市政排水统一接入市政排水管网,送至污水处理厂处理达标后排放)发展成依据水质不同分别供给/排放。分质供水可以分为优质饮用水、传统市政供水和中水(包括再生水、雨水和海水)三种,依据用途的不同分别供给;分质排水主要可以分为优质杂排水、杂排水、生活污水和河水、海水冲厕水,依据收集、再生与排放的不同目的而分别设置排水系统。
有效地利用雨水也是解决城市水资源短缺的重要措施之一,沿海地区还可以利用海水来解决淡水资源不足的问题。
2.供水措施
2.1 常规供水系统
目前常规市政供水系统有以下几种:(1)共用低压供水系统——当给水管网水量、水压经常满足要求时,采用生活和消防共用的低压给供水系统,由城镇给水管网直接供水,不设水泵房及高位水箱;(2)分散加压供水系统——当给水管网水量、水压不能满足小区内的建筑物要求时,小区内的各建筑分别设置加压水泵房,每个水泵房只负责一栋楼或几栋楼的给水,通常下面几层由市政给水管网直接供水,上面几层由水泵加压后供水;(3)集中加压供水系统——当给水管网水量、水压不能满足小区给水要求时,整个小区由一个集中设置的加压泵房供水,当小区内各建筑物的高度相近时,应根据最不利点所需压力确定供水压力;(4)集中加压与分散加压相结合的供水系统——对建筑物高度相差较大的小区,给水管网水压不能满足小区给水要求,集中加压站的供水压力只满足高度相近的建筑物对水压的要求,而另一部分较高的建筑物,则另外进行加压的给水系统。
2.2 分质供水
为了合理、有效地利用宝贵的淡水资源,实现建筑中水资源的可持续利用,分质供水不失为一种经济的策略,已开始在我国一些城市建筑一定范围内实施,通过分质供水可以保证水资源的优化配置,实现水的优质优用、低质低用,避免水资源的严重浪费。
分质供水就是根据使用目的的不同,分别供应水质不同的水,一般分为中水、市政供水和优质饮用水三种。
(1)中水
中水属于低品质、非饮用水,水源主要取自生活污水和冷却水,分为A、B、C三类:A为不含厨、厕排水,以冷却水、雨水、洗浴水为主的优质杂排水;B为含厨房排水的杂排水;C 为杂排水和厕所排水的混合水。中水单设管网供应,用于冲厕、景观环境、绿化、洗车、道路清扫和消防等用途。
我国单体建筑、大型综合建筑群都有中水利用的实例,中水供水亦采用常规供水方式:利用管网压力供水、单设屋顶水箱供水、水泵水箱联合供水。
(2)市政供水和优质饮用水
将传统的市政供水和优质饮用水分质供应,即前者主要用于洗涤、盥洗和洗浴等,后者是经一定区域内的净水站,将市政供水进一步深度处理、加工和净化,在原有供水管道系统上,再增设一条独立的供水管道,将优质饮用水输送至用户,供用户直接饮用,这种方式是否经济合理,在业内存在较大争议,不属于“绿色建筑”课题的研究范畴,在此不予细述。
(3)案例分析
在河北省邯郸市滏阳河畔一花园小区,建筑面积5万平方米,居民2200人,中水主要用于冲厕、绿化和洗车,杂排水水量168立方米/天。
杂排水经初级处理(隔除毛发和固体物质),主处理(生化处理)再经深度处理(物化处理),以确保储水质量。
中水处理站设计为部分二层的带地下室建筑,采用一级提升重力流处理,最后加压供水。
该工程设备工艺简单,各处理单元运行状态稳定,出水水质良好,满足回用要求。处理设备投资38.5万元,中水收费1.18元/立方米,低于目前邯郸市自来水水价。
3.排水措施
3.1 常规排水系统
目前我国普通居民住宅室内排水设计大多数采用污废水合流制,即粪便污水与其他生活污水一同经化粪池处理后排入市政管网,只有少数的高层住宅及一些智能型大厦采用污废水分流制,即只让粪便水进入化粪池而其他生活污水单独排放。根据我国目前的国情,化粪池作为一种污水予处理设施在现阶段是否必不可少,业内尚存在争议。如果采用污废水分流制,就可以大大减少化粪池的容积及数量,这样既有助于小区管线布局的合理性,也减少了日常维护、管理的费用,同时还可以降低工程投资。单独排放的生活污水可以经过适当的再生处理后进行二次利用。
3.2 分质排水
随着水资源短缺的加剧,污水再生利用受到越来越多的关注,与中水利用直接相关的建筑分质排水已逐步在全国范围内不同程度上被采用。分质排水系统是指按排水的污染程度分别收集、排放的方式,根据不同的再生利用需要,可以有多种分质方法。一般的做法是在建筑内设两条管道:一条为杂排水管道,收集除粪便污水以外的各种排水,如淋浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水等,输送至中水设施作为中水水源,再生处理后可用于绿化、洗车、道路清扫、冲厕、消防和景观环境等用途;另一条为粪便污水管道,收集便器排水,经小区化粪池处理后排入市政管网。
3.3 案例分析
在北京中海馥园小区采用分质排水系统:冲厕污水、厨房排水管道汇集后排至室外,经化粪池处理后排入市政管网;盥洗及淋浴废水回收至2、3号楼地下2层的中水处理站,经处理后回用于室外环境绿化、浇洒道路、地下车库地面冲洗,并且预留余量供二期使用。中水处理工艺采用接触氧化法。
4.雨水利用
雨水利用也是建筑水循环中分质供水的一种。对于建筑区雨水而言主要有屋面、道路、绿地三种汇流介质。在这三种汇流介质中,地面径流雨水水质较差,道路初期雨水中的COD通常高达3000mg/L~4000mg/L;而绿地径流雨水又基本以渗透为主,可收集雨量有限;比较而言屋面雨水水质较好、径流量大、便于收集利用,其利用价值最高。雨水处理后可作为中水应用在很多方面。
低层或多层建筑一般采用水落管外排水方式,而高层及大型综合型建筑多采用内落水方式。
城市雨水是城市可利用水资源的重要组成部分,雨水的收集利用不仅可以减轻城市暴雨洪涝的危害、降低城市雨水管网的投资,还可以补充建筑用水、替代部分新鲜淡水资源,甚至回灌地下、补充地下水资源,具有显著的经济与环境效益。
5.海水利用
海水利用亦属沿海城市建筑水循环中分质供水、混合排水的一种,由于不同于常规意义上的分质供水,故单列一节加以叙述。
利用海水作为大生活用水是一项综合技术,它涉及海水取水、前处理、双管路供水、地下和屋顶贮水、卫生洁具、及系统的杀生、防腐、防渗和防生物附着技术;大生活用海水与城市污水系统混合后含盐污水的生化处理技术;合理利用海洋稀释自净能力将大生活用海水进行处置的技术等。防腐技术和防生物附着技术已基本成熟,大生活用海水技术的重点是高含盐量污水的生化处理技术和海洋处置技术。
在香港海水冲厕起源于50年代末,历经40年的发展,海水冲厕已形成体系,占总人口的78.5%。每天冲厕用水约为52万立方米。像淡水供水系统一样,在香港另有一个完全独立的海水供应系统,为市区和新市镇提供冲厕用水。现在,已有76%的人口采用海水冲厕,海水用量达1.99×108m2/a。由于广泛使用海水冲厕,因而节省了大量淡水。
海水冲厕系统主要由供水站(泵房)、配水管、调蓄水池等组成,自成一套独立的配水管网体系,供水站就近取海水并适当处理后供用户使用,该供水网络由37个抽水站、42个配水池及约1050km长的水管组成。
水、土地和矿产资源对我们的生活至关重要。这些自然资源是食品和饲料的来源,支持着对地球进行调节的生态系统。能源提供了人类必不可缺的光、热和交通。
BP公司资助了一项由世界15所顶尖大学参与的“能源可持续性挑战”研究项目。该项目研究分析了在全球人口持续增长、温室气体排放和气候变化的背景下,自然资源(水、土地和矿产)约束对能源生产和供应的影响。
我们日益认识到自然资源的局限性,以及这些局限与能源之间的关系。在各种系统的背景下培养对能源问题的全面的技术性理解、并辅以强大的数据支持,将有助于政策制定者和企业更好地进行决策。
“能源可持续性发展”是当今世界所面临的最严峻的挑战之一。更多地了解能源与直接维系我们生活的自然资源之间的关系,对我们做出正确的选择至关重要。
全球可再生淡水资源中的10%为人类所用。这些人类所用淡水中的70%用于农业,其中一半多通过蒸发再次返回到大气,其余返回地表和地下水。约一半的工业用水用于冷却,特别是用于能源生产的冷却系统。因而,在这里,我们主要谈谈化石能源与水的使用问题。
水的局限性与能源生产
首先,我要澄清两个有关水的概念:一般说到水的使用时,有两层含义,一个是表示水的取水量,另一个是表示消耗量。取水量的意思是说,把水从当地流域里提取出来进行使用的量,但水使用后可重新再利用;另一种情况是水从当地流域提取后没有返回的量,即水被消耗了。混淆取水量与消耗量的区别可能导致结论有失偏颇。
以火电行业为例,人们通常认为火电是一个耗水的行业。事实上,全世界使用淡水大约为4万亿立方米,其中火电行业取水量为4000亿立方米,其中的一半用于冷却系统,实际消耗才160亿立方米。
这就意味着,被抽取的水资源从地表或地下移走,至少是暂时性移走。而被消耗的水资源是被抽取水量中未返回到抽水区所处流域盆地地表或地下水体中那部分水资源。大多数发电用取水并未被消耗。
在不同行业和区域,对水的依赖程度也不同。由于开采规模和方法的不同,各行业和地区抽取量和消费强度也不同。在每个行业或地区中,根据地质情况,当地气候和节水技术投资的差异,用水量也有很大差异。
传统石油开采中大量使用水资源,但不一定必须使用淡水。在海上油田和中东使用海水和半咸水、以减少淡水消费,使淡水消费强度降低到零桶淡水/每桶石油。德克萨斯州和加拿大的数据表明,虽然每开采1桶石油的采出地层水量在增加,但淡水消费量一直保持稳定甚至有所降低。
在对全球石油生产地区的抽样调查表明,淡水消费强度最高为1.5桶水/桶石油,其中很多开采活动的淡水强度都低于这一水平的10%。
与此同时,我们应该注意到,水资源分布的地区差异也对能源的生产产生巨大影响。清华大学和加州大学圣地亚哥分校的“能源可持续性挑战”项目主要研究中国的水资源问题。中国人均水资源仅为世界平均水平的1/4,且全国分布极不均。中国北方的水资源在全国总量中的比例不到8%,但却必须供给1/3的全国人口,灌溉全国2/5的农田,实现1/3的GDP增长。
在中国,煤炭是能源消费的主体。中国使用煤比其他地区都要多。生产煤的区域水资源有限,中国政府对水资源非常担忧,政策上设定了水使用量目标。如果持续像现在这样使用水,超过政府设定线。同时,中国仍在煤炭资源丰富但水资源匮乏的地区发展水资源密集型行业(例如煤化工行业)。
技术和治理是关键
我们做的研究表明,技术的改变可以减少用水的使用量。从其他国家例子看,需要资本投入。要做这样的改变,需要几个前提比如政策和成本激励机制。实际上,不需要使用特别高科技的方式,而是更好的利用现在已有的技术就可以达到节水的目标。
我们用“4R”描述对水的管理措施,一是可替代(Replace),用海水、半咸水、产出水和废水等非淡水水源替代淡水资源;二是再利用(Reuse),相同的水在工业流程中多次利用;三是再循环(Recycle),对废水进行处理,使其可以再次使用,取代其他用途所需的淡水。四是地区责任制(Responsibility),调整工业实践,适应当地水资源可用程度和可再生淡水需求。
过去50年,在化石能源开采中,我们试图利用非淡水替代淡水,降低对水资源消耗。在电力行业,每年有4000亿的水用于冷却装置,主要是因为很多发电厂都很老旧。如果我们继续使用这样的设备,到2030年我们提取的淡水量将增长25%。如果淘汰这些老旧设备,水资源的使用量可以减少30%。
采掘行业已经开发了许多采掘过程中减少使用淡水的方法。除了水资源重复利用和循环外,使用低品质水已经在减少淡水需求方面发挥了很大作用。有一种通过注水驱油以及驱油填地层水的方法。每向油层注入6桶水,就可以开采1桶石油和5桶油田地层水。注入水由5桶再利用的采出地层水、0.5桶非淡水和0.5桶淡水构成,因此淡水强度就变为每桶石油0.5桶淡水。
在项目开展过程中,我们发现可以通过改变用水方式来生产能源。20年前BP一名科学家做了一个小实验。我们一般用咸水挤压石头的缝隙进行油气开采,但科学家发现,低盐度的水挤压出来的石油更多。去年我们在一个新的钻井平台上用了这项研究成果,用淡化后的海水开采石油,效果很好。
在天然气液化厂中严格的水资源管理能够消除对淡水抽取的需求。改进费托合成工艺是现代天然气液化工厂的核心。首先,天然气被重整转化为一氧化碳和氢的混合物,生成合成气。然后,合成气通过费托合成工艺在催化剂的作用下转化成碳氢化合物。从水资源使用的角度看,关键点是净化学反应序列生成富余水。因而,通过精细化管理来分离和循环利用生成的水,工艺用水能够在封闭式循环中接受管理,为工厂作业的其他部门提供所需要的用水,甚至提供有用的水产品。在水资源稀缺的情况下,严格的水资源内部循环利用和干式冷却技术应用,能够消除抽取淡水的需求。
与此同时,政策杠杆和成本的作用不能忽略。为了应对水资源问题,中国设定了目标,用来限制工业用水的绝对量。如果不设定该目标,到2030年,工业用水量至少会翻一番。在“一切照旧”情境下,即使减少能源需求,这一目标值也会在2020年之前被突破。但是,通过技术改进、加上有效的政策杠杆指导,可以将用水量减少到目前水平以下。
煤炭开采中水资源的循环利用以及电厂节水冷却系统的应用,是显而易见的解决之道。“能源可持续性研究”也表明,洗煤过程中水的使用,能够提高燃煤效率,节约电厂环节的用水。只有通过政策激励抵消运营成本的增加,才有可能实现使用精洗煤带来的更高能效。
【关键词】水;高效利用;节水
水资源是世界上分布最广,数量最大的资源。水覆盖着地球表面70%以上的面积,总量达15亿立方千米,也是世界上开发利用得最多的资源,现在人类每年消耗的水资源数量远远超过其他任何资源。地球上水资源的分布很不均匀,各地的降水量和径流量差异很大。随着生产的发展,不少地区和国家水资源的供需矛盾正日益突出。
1.我国水资源的现状
1.1水资源短缺严重
我国属于缺水国之列,若按人均水资源占有量这一指标来衡量,仅占世界平均水平的1/4。中国已被列入全世界人均水资源贫水国家之一。而且分布不均,大量淡水资源集中在南方,北方淡水资源只有南方水资源的1/4。缺水状况在中国普遍存在,而且有不断加剧的趋势。
中国水资源总量虽然较多,但人均量并不丰富。水资源的特点是地区分布不均,水土资源组合不平衡;年内分配集中,年际变化大;连丰连枯年份比较突出;河流的泥沙淤积严重。这些特点造成了中国容易发生水旱灾害,水的供需产生矛盾,这也决定了中国对水资源的开发利用、江河整治的任务十分艰巨。
1.2水资源浪费严重
即使我们拥有的水资源如此少和珍贵,但我们还没有认真地对待它,浪费现象仍然屡禁不止。中国人口,占全世界人口的四分之一,如果每人每月浪费1吨水,一年全国就浪费了156亿吨水!最新的水资源十大浪费现象:(1)刷牙时不关水龙头;(2)洗澡涂肥皂时不关水龙头;(3)自来水管发生漏水或爆管未得到及时修理;(4)用过量水洗车,洗车的水未能循环使用;(5)随意开启消防龙头用水;(6)老式便器水箱容量过大,大小不分档;(7)洗衣服时不用手搓而只用水冲;(8)直接用自来水冲洗道路;(9)在公共浴室洗澡后“人离水未关”;(10)解冻海鲜使用“自来水常流法”。这些只是浪费水严重的现象,还有一些不是太别明显的,我们也应该杜绝。
要做到节约用水,市民们首先要有危机意识,从节约每一滴水做起,养成节水的习惯。家庭和单位尽量使用节水型器具,以减少水的流量。此外,一些效益较好的单位可以考虑购进循环利用设备,以提高自来水的充分利用率。
1.3水资源污染严重
据监测,目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染,且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能,进一步加剧了水资源短缺的矛盾,对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响,而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。
2.水资源的特点
了解了水资源的重要性和我国水资源面临的现状,那我们就应该想办法解决问题,让水资源持续高效利用,减少水资源短缺的压力。要利用水资源,首先要了解水资源的特点。
2.1循环性
水是自然界的重要组成物质,是环境中最活跃的要素。它不停地运动且积极参与自然环境中一系列物理的、化学的和生物的过程。水资源与其他固体资源的本质区别在于其具有流动性,它是在水循环中形成的一种动态资源,具有循环性。
2.2有限性
虽然水具有循环性,在某种意义上具有“取之不尽”的特点,恢复性强。可实际上全球淡水资源的蓄存量是十分有限的。全球的淡水资源仅占全球总水量的2.5%,且淡水资源的大部分储存在极地冰帽和冰川中,真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的0.796%。从水量动态平衡的观点来看,某一期间的水量消耗量接近于该期间的水量补给量,否则将会破坏水平衡,造成一系列不良的环境问题。可见,水循环过程是无限的,水资源的蓄存量是有限的,并非用之不尽,取之不竭。
2.3分布不均性
水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布。时空分布的不均匀是水资源的又一特性。我国水资源在区域上分布不均匀。总的说来,东南多,西北少;沿海多,内陆少;山区多,平原少。在同一地区中,不同时间分布差异性很大,一般夏多冬少。
2.4多样性
水资源是被人类在生产和生活活动中广泛利用的资源,不仅广泛应用于农业、工业和生活,还用于发电、水运、水产、旅游和环境改造等。在各种不同的用途中,有的是消耗用水,有的则是非消耗性或消耗很小的用水,而且对水质的要求各不相同。这是使水资源一水多用、充分发展其综合效益的有利条件。此外,水资源与其他矿产资源相比,另一个最大区别是:水资源具有既可造福于人类,又可危害人类生存的两重性。
3.水资源的持续高效利用与节水技术
了解了水资源的特点,有利于我们通过水资源的各种特性对水资源持续高效利用。
3.1节约用水
首先是家庭用水。一水多用:洗脸水用后可以洗脚,然后冲厕所;家中应预备一个收集废水的大桶,将洗衣等生活废水收集起来,用作冲厕、拖地等,如此,一个三口之家每月可节水1吨左右。
其次是工业用水。工业用水是水资源消耗的重点,如何控制好工业的用水量和可持续性对于如何实现水资源整体的可持续性具有重要的意义。让企业更换更加节水的设施和方法;加大对工业用水的监督力度;对于排放工业废水的企业要严加管理和处罚;同时要落实当地的废水处理场的建设和使用;对于用水大户来说,适当的提高自来水的价格;从成本上限制其节约用水。
最后是农业用水。在目前而言,农业用水主要是在于灌溉上面,在这放面,我们可以借鉴西亚的部分国家的技术实行滴灌的技术。
3.2完善水资源价格机制
要遏制水资源浪费现象,需要尽快从制度上完善各种措施。德国政府就注意充分利用市场机制,通过价格等制度来调控人们的行为。水资源是人类日常生活中不可缺少的生活必需品,因此,水资源即使紧缺,价格也不能过高。但是价格过低,人们就会过度、浪费使用。这就需要各地从本地的具体实际出发,深入、广泛的进行调查研究、认真论证,确定合理的水价。
3.3强化水保护
加强领导、加强宣传。要以水资源可持续、高效利用为主题,提高全社会对“水危机”的意识,加强需水和用水的管理。水资源的统一管理要取得各级政府的支持,要加强水危机对经济社会发展和人居环境、人民生活质量和健康影响的宣传力度,要将水资源面临的新形势和新问题,加强水资源统一管理的必要性和紧迫性向社会公众进行广泛宣传。
加强水资源的法制建设,建立健全保护水资源的法律法规。将已有法律、法规完善化,并具体实施操作。加强执法管理,做到执法要严、违法必究,对违法的责任人除警告、经济制裁外,还应追究其刑事责任并开展多种形式的执法监督。
总而言之,要做到水资源开发、持续高效利用和节水保护协调发展,建立节水型社会,发展循环经济。 [科]
【参考文献】
[1]冯尚友.水资源持续利用与管理导论,北京:科学出版社,2002.
水质监测是进行水污染防治和水资源保护的基础,是贯彻执行水环境保护法规和实施水质管理的依据。通过水质监测,达到以下目的:
1)提供代表水质质量现状的数据,供评价水体环境质量使用。
2)确定水中污染物的时空分布规律,追朔污染物的来源污染途径迁移转化和消长规律,预测水体污染的变化。
3)判断水污染对环境生物和人体健康的影响,评价污染防治措施的实际效果,为制定有关法规水质标准等提供科学依据。
1.水资源及水体污染
地球表面约有70%为水所覆盖,其余约占地球表面30%的陆地也有水的存在。地球总水量138.6*108亿m3,其中淡水储量为3.5*108亿m3占总储水量的2.53%。由于开发困难或技术经济的限制,到目前为止,海水深层地下水冰雪固态淡水等还很少被直接利用,比较容易开发利用的与人类生活关系最为密切的湖泊河流和浅层地下淡水资源,只占淡水总储量的0.34%,为104.6*104亿m3,还不到全球水总储量的万分之一。通常所说的水资源,主要指这部分可供使用的逐年可以恢复更新的淡水资源。
水中的杂质悬浮物(水中呈悬浮状态不稳定)胶体(是许多分子和离子的集合体)溶解物(能溶于水的物质统称为溶解物)
生活污水和工业废水中的杂质(其成分复杂,杂质种类繁多)
水体污染水的污染最终会引起水体的污染包括各种厂矿如化工厂冶炼厂造纸厂等等有害物质的排出如汞铅铬镉铜,水体遭到污染居民的健康和工业农业生产以及自然环境都要受到危害。危害的程度取决于污染物质的浓度特性等因素。
2.水质指标和水质标准
1)水质指标是衡量水中杂质的标度,能具体表示出水中杂质的种类和数量,是水质评价的重要依据。水质指标种类繁多可达百种以上。也分为物理指标化学指标微生物学指标三大类物理指标常用的有温度浑浊度色度嗅味固体含量电导率等。化学指标有以下几种类型A表示水中离子含量的指标如钙镁离子的含量等B表示水中溶解气体含量的指标如二氧化碳等c表示水中有机物含量的指标如化学需氧量等D表示水中有毒物质含量的指标分无机有毒物如汞铅等有机有毒物如酚类化合物等微生物学指标常用的有细菌总数等。
2)水质标准水质标准是根据各用户的水质要求和废水排放容许浓度,对一些水质指标作出的定量规范,水质标准是环境标准的一种,是水质监测与评价的重要依据。国家对生活饮用水水质标准地表水环境质量标准地下水质量标准都有明确的规定,这里就不一一捅编了。
3.水质分析方法及类型
水质分析就是分析天然水生活用水生活污水生产废水等各类水体含有哪些成分含量是多少等,是分析方法分析技术在水质研究中的应用。
1)化学分析法以物质的化学反应为基础的分析方法称为化学分析法。其又分为滴定分析法和重量分析法。滴定分析法又称容量分析法,这种方法是将一种已知准确浓度的试剂溶液滴加到被测物质的溶液中,直到所加的试剂与被测物质按化学计量关系定量反应完为止,再根据试剂溶液的浓度和用量,计算被测物质的含量。重量分析法是通过一系列的操作步骤(如反应沉淀过滤烘干恒重等)使样品中的待测组分转化为另一种纯粹的固定化学组成的化合物,再通过称量该化合物的质量,从而计算出待测组分的含量通常我们做有如下测定A色度的测定。B浊度的测定。C水中总碱度的测定。D水中总硬度的测定。E氯化物的测定莫尔法。F化学需氧量的测定重铬酸钾法。G氨氮的测定纳氏试剂光度法。
2)仪器分析法通过用复杂或特殊的仪器设备,测试物质的某些物理或物理化学性质来进行分析的方法叫仪器分析法。通常我们用A比色法B分光光度法。尽管仪器分析法有很多优点,是分析测试的一个发展方向,但是,目前它还不可能完全取代化学分析法。
4.水质监测
1)水质监测其主要内容是A站网布设(对照断面控制断面消减断面)B样品采集(注意的是水样采集后,由于环境的改变微生物的作用及化学的作用,水样水质会受到不同程度的影响,应尽快进行分析测定。)C确定监测项目D水质分析E数据处理及资料整编等。
2)水质评价是根据水的不同用途,选定评价参数,按照一定的质量标准和评价方法,对水体质量定性或定量评定的过程。目的在于准确的反应水质的情况,指出发展趋势,为水资源的规划管理开发利用和污染的防治提供依据。
3)水质评价的一般程序
A调查整理分析水质监测的数据和有关资料。B确定水质评价参数C选择评价方法,建立水质评价的数学模型。D确定评价标准。E提出评价结论。F绘制水质图。
一方面,全球气候变暖,与内涝有关的高强特大暴雨、飓风台风等极端气候频现;城市高楼林立、循环不畅,城市上空的热气流无法疏散,城市热岛产生的局地气流上升有利于对流性降雨的发生,同时城市空气中的凝结核多,也会促进降雨,由此形成的“雨岛效应”是城市内涝的诱因之一。另一方面,在城市开发过程中,大量的硬质铺装改变了原有的生态本底和水文特征,由于降雨不能及时下渗,形成地表径流,传统的城市排水体系难以适应强降雨时形成的径流量洪峰,产生城市内涝。海绵城市建设的实质是控制径流,降低汇流是海绵城市控制的关键。六字建设方针中的“渗”是减少屋面、路面和地面的硬质铺装,充分采用渗透和绿地技术,从源头减少径流;“滞”是通过植草沟、滞留带等工程措施,降低雨水汇集速度,延缓洪峰出现时间,降低排水强度,缓解降雨时的排水压力。通过各类绿色雨水基础设施的建设和多项措施联合作用,达到降低地表径流量、控制城市内涝的目的。
2海绵城市建设是降低径流污染的重要途径
我国的地表水资源污染形式严峻,面源污染是其主要来源之一。面源污染自20世纪70年代被提出和证实以来对水污染所占比重呈上升趋势,城市面源污染是除了农业面源污染的第二大面源污染类型。城市面源污染主要由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生。特别是在暴雨初期,由于降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物,在短时间内,突发性冲刷汇入受纳水体,而引起水体污染。据观测,在暴雨初期(降雨前20min)污染物浓度一般都超过平时污水浓度,城市面源是引起水体污染的主要污染源之一。海绵城市建设六字方针中的“净”,是通过人工湿地、生态滤池等措施过滤和降解汇流雨水中的污染物,达到净化水体、控制面源污染、保护城市水环境的目的。同时,在雨水通过“渗”“滞”的过程也能对大颗粒污染物达到截留和初步净化的目的。
3缓解水资源短缺的有效措施
我国水资源匮乏,淡水资源总量为28000亿m3,占全球水资源的6%,人均水资源量不足世界平均水平的1/4。城市快速发展对水资源需求大,城市开发建设过度硬化造成降雨形成径流外排,导致地下水补给不足;水体污染降低了水资源的质量和数量,也加重了水资源的紧缺程度。缺水制约着经济的发展,应对水资源短缺危机,一方面要治理源头污染、节约用水,另一方面要探寻新的水资源替代。雨水污染程度轻,处理成本相对较低,是再生水的优质水源。在降雨时,利用自然水体和地下雨水调蓄池收集雨水,实现“蓄”的目的;再通过各类净化设施的处理和各级管网的输送,将处理达标的雨水回用于市政浇洒、景观水补充等用途,不但节省了大量的自来水,而且充分、有效的“用”雨水,实现水资源的“开源节流”,节约了水资源也降低了污水的排放。
4结语
1我国海岛现行淡水解决方式及不足
如上所述,自然区位等条件限制导致了绝大部分海岛无法实现饮用水和生活用水自给。淡水、粮食需由大陆供应,补给线长,限制了岛屿人口数量的增加[13]。目前通过传统方式,如开采地下水、抽取河流水等已难以满足海岛现在及未来的淡水需求[14]。在极度缺乏淡水的情况下,经过近十几年的努力,这种状况多有改善④[14],在现代化的雨水收集设施、新增加的一次中途补给以及先进的海水淡化设备的帮助下,让淡水供给变得更加充裕[15],却没有足够的自给淡水无限量供应。此外,由于南沙诸岛等淡水匮乏⑤[16],无法形成一个有效供给链,使得我国岛上渔民只能望洋兴叹,对于维护我国海洋权益极为不利。另外,海水淡化在很大程度上缓解了淡水不足的问题,但由于其过于“干净”,同时缺乏基于大规模数据合理论证,长期饮用对人体健康的影响仍值得重视和研究[18]。且我国淡化水主要为工业用途,尚未大规模进入市政供水系统[18]。并且相对而言,其占地面积较大、成本高[19]的问题无法灵活有效地应对面积较小的岛屿的自然区位限制。除此之外,通过船舶运输淡水进行补给,具有运输高成本、补给不稳定等问题⑥。所以面对淡水匮乏,应利用更为先进的、更适应在面积狭小的岛礁开展的造水技术,来化解这一难题,以保证海岛常住及非常住居民基本的生存和发展需求。有鉴于此,本文提出基于空气的取水技术是下一步亟需发展的方向,也是长久解决我国南海缺水的关键所在。
2新绿色科技:风力制水机
地球上的淡水含量仅占全球总水量的2.53%,其中68.7%源于固体冰川。而人类所能够直接利用的淡水资源分布不均且日益稀缺。对于海岛和沿海淡水匮乏地区而言,解决淡水供应问题的传统方法包括交通运输和海水淡化两种途径[20]。但以上两种方式,都未能解完全决缺水这一瓶颈问题。而富含水蒸气的空气则无处不在,为空气取水技术的广泛运用创造了基础条件。空气作为自然界水循环过程中水蒸气存在的一种介质,携带水蒸气完成循环[20]。而空气取水技术,简言之,即是通过一定的装置,将空气中的水分加以吸收利用。因此为改变淡水匮乏的现状,必须结合我国海岛的现实状况,充分利用现有的科技,从空气中提取水(fromairtowate)r———空气制水。传统的风力发电是利用风力带动发电机发电,而风力制水机为新的创造,主要通过风力机叶片驱动热泵(制冷),然后由热泵将空气中的水蒸气制冷凝结成水,净化过滤后,就可以直接用于饮用和灌溉[21]。就其工作原理而言,风力制水机仅依赖当地的气温以及空气中的水分含量。因此,在运用上几乎不受限制。风力制水机已经在荷兰[22]和科威特[23]成功实现造水(风力制水机AW75荷兰吕伐登地区产水数据如表1所示)。其也有别于之前通过风力发电,然后通过电制水的技术。目前,中国已经有一家公司申请了风力制水机的实用新型专利[24],某个体研究者也申请了直联式风力制水机专利⑦。其工作原理简单,湿度为50%的20℃空气中,每千米空气蕴含7克左右的水;湿度为50%的30℃空气中,储藏近14克的水。风力机迫使空气流经热换器,使空气制冷并凝结。当温度达至露点,将形成水滴并为蓄水仓所收集。除了工作原理简单,风力制水机还具有以下优势:(1)占地面积小,对地域面积的要求极低;(2)环保且能够持续利用,不会对环境带来负面影响,不需要外部能源(电力),仅仅风力就足够⑧;(3)一个小型的风车能为500~1000人⑨[26]的小村庄提供充足的饮用水;(4)适应能力强,能够适应各种气候和地质环境———海岛、荒漠、环境恶劣地区、水源已被污染的地区。当然,风力制水机因为其特殊结构,并不是适用于任何自然环境。当气温低于15℃时,不能顺利提取水;并且,较适合于少雨的地方[21]。
3我国海岛应用风力制水机效益分析
我国海岛众多,承担着我国发展海洋经济,落实海洋战略,维护海洋权益的重任。风力制水机应用于海岛需要有比较明确的技术发展方向,将产生良好的经济和社会效益。
3.1技术发展方向海水淡化在我国已有较长的历史,有隶属于国家海洋局的天津海水淡化与综合利用研究所专门从事此方面的研究。据最新介绍⑩,各沿海城市将来会有一定比例的淡水供应是来自海水淡化。由于其出产淡水规模大,应用方面应着重于在需求量大且地域面积并不紧张的地区进行推广,其中也包括面积较大的海岛。而风力制水机则可作为海水淡化技术的补充,在面积较小海岛、地下水污染严重以及人均密度较低且缺水的农村地区应用,以保证可饮用淡水的供应。风力制水机与海洋淡化工程是相辅相成的技术,其目标一致,但应用区域却各有不同。鉴于我国海水淡化当下的主要功用为工业用水,因而使用海水淡化与风力制水机的目标群体也有所差别,海水淡化可以朝向工业用水为主、饮用水为辅的技术方向大力发展,而风力制水机则可单纯向保障人群饮用水安全的技术方向发展,形成差异化、共同发展的格局。
3.2效益分析
3.2.1成本竞争方面的经济效益分析风力制水机的占地面积小,适应能力强,能够适应各种气候和包括海岛、荒漠、环境恶劣地区、水源已被污染的地区,制出的水可直接饮用,市场潜力巨大,但首先要考虑其市场化的可行性。本文具体针对海岛,分析风力制水机与陆地淡水供应、海水淡化和船舶运输淡水及海岛自打井相比均具有市场竞争优势。首先,陆地淡水供应方面,以近岸大岛平潭为例,其自身供水不足,主要从福清购买淡水依靠海峡大桥运输补给,平均每吨水的价格为人民币3元左右。价格相比而言具有优势,但需要注意的是,据笔者调查,平潭水务网线工程设备基本是20世纪80年代建成,到普通居民家中的水呈现有色状态,可饮用的安全度存在疑问。同时,平潭作为综合实验区、福建自贸区所在地,人口增加已成必然。现在的福清供水仅能满足平潭综合实验区主岛的主城区供水,其它地方的供水并没有保障。而作为饮用水,一般家庭都额外付费加装净水器或直接购买桶装水(以每桶19升为计算标准,价格12元至50元皆有)。办公场所都不直接饮用自来水,饮用的是桶装水或瓶装水(以500毫升计算,每瓶大约1.5元至5元),因而单纯以自来水出厂价格来计算饮用水成本,并不合理。此外,我国自来水价格由于管制原因,明显低于市场应有的价格。其次,海水淡化供应方面,我国除了在沿海地区有海水淡化设施外,在很多海岛上也有海水淡化设施,其中就包括我国三沙市的较大海岛,海水淡化成为这些海岛饮用水的主要来源。虽然我国海水淡化研究和产业化发展迅速,但实际上,我国至今的海水淡化主要是工业用水,北京因为极端缺水,河北曹妃日产百万吨淡化海水项目于近期获批,预计2019年开始向北京输水。同时长期饮用淡化海水对于身体的影响还有待继续观察,此因素也进而限制了海水淡化饮用的市场规模。海水淡化每吨成本5~8元[27],而以江苏丰海新能源淡化海水发展有限公司的新产品“中盐海露”海水淡化纯净水为例,其一般售价为每瓶3元(350毫升)。海水淡化作为饮用水来讲,并不像看起来那样拥有极高竞争力。再者,船舶运输淡水及海岛自打井供应方面,我国南沙群岛中无天然淡水供应的较小海岛主要是通过雨水收集,更多是船舶运输方式补给淡水资源,其成本非常高,并且很不稳定,申请船补水提前时间约为61天[29]。遇到恶劣天气和突发事件,守岛官兵就可能有生命危险。而近岸岛的自打井取淡水,适用范围小,可供给人数也少,并且我国很多岛屿根本不适合提取地下水资源。相对而言,这两种方式都不是解决海岛保护与开发要求的淡水供应的长久之计。而以风力制水机AW75型为例,其可饮用水制水成本为每升0.01欧元(约为人民币0.07元)[21],相对而言,对于一些海岛,特别是要进行开发,需要保障海岛居民饮水安全和生活品质的海岛,具有相当的竞争优势。同时风力制水机属于海洋绿色新科技,其技术还有很大的改良和提升空间。除了风力驱动之外,还可以采用太阳能双种动力驱动,法国WMS1000混合动力风力制水机在没有风的情况下,可以通过太阳能发电驱动制水,而这样的混合动力,使得风力制水机在新疆、内蒙古、北京、河北、山西、甘肃等内地也具有市场。在剔除财政补贴的情况下,不同光照资源区,目前装机规模0~50千瓦的光伏发电系统发电成本在1.13~1.94元/千瓦时,在2015年将下降到0.74~1.28元/千瓦时,2020年将进一步下降到0.58~1.00元/千瓦时[30]。各项成本的降低,意味着风力制水机在混合动力系统下的产水成本的降低。而且,国外对于太阳能的产业化发展并不比中国好,中国在此方面具有优势,换言之,中国对于风力制水机的未来运用占有较大优势,具备抢占国外市场的可能性。
3.2.2维护国家权益方面的效益分析我国南海权益维护已上升成为国家重要战略,其中比较重要的就是维护我国的海岛。作为“海洋宪法”的《联合国海洋法公约》并没有对岛屿这一概念的面积大小有明确规定。只是在第121条第3款规定不能维持人类居住或其本身的经济生活的岩礁,不应有专属经济区或大陆架。对于南沙岛礁中存在的半人工半自然的混合岛礁,国际法并没有明确界定其法律地位[31]。此时,如何快速完成岛礁上改善居住环境建设,同时使其变得能维持人类居住或其本身的经济生活,是极为重要的问题。单纯从GDP或绩效考核来看,对于岛屿的各种建设经济成本巨大,但从岛屿主张经济专属区、大陆架等权利获得的社会效益等出发,这些投入意义重大。南沙诸岛面积小,寸土寸金,风力制水机应是其经济计算之下解决生存和发展困难的优先选择。
4结论与建议
我国虽地大物博,但仍属于淡水资源缺乏国家,人均淡水占有量仅为世界人均的四分之一。且时空分布不均。600多座城市有400多个供水不足,严重缺水城市有110个。农村约有3.6亿人喝不上符合标准的饮用水[32]。这样的情况在海岛、地下水污染严重等地区更为严重,因而借助新技术解决面临的问题,显得非常重要。海水淡化作为缓解沿海地区水资源匮乏的重要措施,发展势头迅猛。我国在海水淡化方面的政策扶持力度可观,《海水利用专项规划》《海水利用标准发展计划》《海水淡化科技发展“十二五”专项规划》《国家海洋局关于促进海水淡化产业发展的意见》《海水淡化产业发展“十二五”规划》《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》《国务院关于加快发展节能环保产业的意见》《浙江省海水淡化产业发展“十二五”规划》等相关规划相继。在各个层级、不同部门齐心合力推动之下,在发展战略规划和政策法规促进保障之下,我国海水淡化产业化进程逐步加快,其成本也从最初的基本无法接受到现在的可以逐步推广。风力制水机是除海水淡化以外,又一项极具潜力的新技术,应用前景甚至可能比海水淡化更为广阔,应给予足够的重视和支持,以期在实现产业化的同时,极大的改善海岛生活条件,实现维护我国海洋权益的目标。就具体落实而言,应从以下几个方面着手。
4.1逐步纠正水价非正常低价现象,实现淡水资源市场化配置由于特殊历史和现实原因,我国淡水资源市场购买价处于较低价格,且在供应相对垄断的情况下,政府一直强调利用工程增加淡水供应,普通人无法亲身直接感受到水资源的宝贵。在低价情况下,水资源除了被大量浪费,还产生了很多额外成本。比如,由于现在很多饮用水水质相比以前存在一定程度的下降,以北京一些酒店为例,已开始区别可饮用水和一般水。增加了运营的成本,而各企业单位日常都购买桶装水,而非直接饮用自来水厂供水,在一定程度上这部分额外成本一直未纳入水价计量之中。同时,鉴于水资源品质的日益降低,家庭用的净水设备已开始大量装备,以求保证水质的可饮用。形成了低水价、低品质、浪费大,隐形成本不断增加的中国特有局面。同时,在这样的低水价之下,相关淡水资源绿色科技产品相对而言就显得成本比较高,不具有市场竞争性。而适时推动淡水资源的市场化运作,则显得更为必要,在淡水实际成本居高的情况下,才有绿色科技应用的市场保证。
4.2政府应为风力制水机提供政策支持,推动其试点和推广运用由于市场暂时失灵,风力制水机的市场受限,但其需求仍在,且对维护我国海洋权益和改善海岛居民的落后基础设施有极大的益处。我国在制定相关发展战略规划和政策法规中应对这一新兴科技给予足够的重视,出台相关政策法规推动其试点和推广,为我国海岛及亟需淡水的地方提供新的选择,促进相关产业的发展。比如,给予风力制水机以海水淡化同样的政策支持,在提及促进海水淡化的公共政策文件中,除了明确提及海水淡化之外,补充包括风力制水等其它技术应加速推广运用试点。在新经济常态要求各地方主管部门应出台政策和投入资金支持创新,鼓励包括风力制水机在内的海洋经济绿色科技的发展,领先一步,形成产业化,形成地方海洋经济发展新的支撑点。风力制水机已是成熟的技术,在国外已经成熟,可成套购买。国内有公司也已就相关技术申请了专利,但因无广大市场保证和政策鼓励,处于暂停状态。各级政府部门应在基础设施专项资金中单列淡水资源新科技应用经费,保障其推广与运用。只有在大力推广的前提下,才存在产业化的可能性,同时降低购买成本。
关键词:蓝水;绿水;水资源;SWAT;渭河
中图分类号:TV213文献标识码:A文章编号:1672-1683(2013)01-0012-05
可更新的淡水资源为保持陆地和水生生态系统健康的基础性自然资源[1],也是保证粮食安全以及生态安全的战略性资源,用途十分广泛,如工业、农业以及生活用水。20世纪,由降水形成的可再生的淡水资源总量基本保持不变,而人类用水需求却激增了6倍,其主要用途为提高粮食产量与工业生产[2-3]。与此同时,生产生活用水挤占生态环境用水的现象频发,部分生态系统已严重退化,危及生态安全。目前,全球超过6亿人口生活在水资源严重短缺的地区(小于500 m3/(人·年)[4]。因此,日益严峻的水资源短缺以及水资源脆弱性问题已成为众多学者研究的热点[5-9]。
目前的水资源评价方法大多仅考虑水循环中的地表水和地下水,即“蓝水”[10-11],却忽视了水循环中的“绿水”。综合考虑水文循环的全过程和水量平衡的全要素,通过森林、草地、农田和湿地蒸散作用消耗的绿水流占全球降水总量的65%,而传统的蓝水资源量仅占全球降水总量的35%[12]。可见,绿水资源对于发展雨养农业及维持生态系统健康来说至关重要[12-13]。因此,开阔思路,拓宽传统水资源评价范畴,科学评价蓝水绿水资源,并将绿水资源纳入水资源评价体系,对于水资源规划与管理,解决干旱半干旱地区的水资源短缺问题具有重要的现实意义。
在我国广大西北干旱地区以及华北地区,目前的蓝水资源量十分有限,但这些地区每年仍然以其独特的干旱气候生产了大量的优质农牧业产品,其中很大一部分来源于由有限降雨量所产生的绿水资源。如何拓宽思路,科学评估这一部分水资源量,从而为西北乃至整个华北、东北干旱地区的水资源利用和管理提供科技支撑迫在眉睫。正是基于这样的背景和思路,本文以位于西北典型干旱地区的渭河流域为例,在阐述蓝水绿水基本概念和内涵,并系统总结其主要应用成果的基础上,探讨了借助分布式水文模型科学估计和评价干旱地区蓝水绿水资源量的思路与方法,以期为相似流域的水资源评价和管理工作提供参考。
1蓝水绿水内涵
蓝水和绿水的概念由国际水资源研究所的瑞典水文学家Falkenmark于1995年首先提出[15],他认为降落在陆地生态系统的水量包括蓝水(Blue Water)和绿水(Green Water)两部分,其中,蓝水指由降水形成的地表水和地下水,是可见的液态水流,包括河流、湖泊和含水层中的水;绿水指由降水下渗到非饱和土壤层中供给植物生长的水,是垂向进入大气的不可见水。Falkenmark于2006年结合绿水的物质性和资源性扩充了绿水的概念,他认为绿水可以分为绿水流(Green Water Flow)以及绿水储量(Green Water Storage)两部分。绿水流即实际蒸散发,由土壤和水体蒸发,植物散发两部分组成;绿水储量则是指储存在土壤中的水[14]。
自此以后,相关学者先后对蓝水和绿水的概念进行了发展和完善。蓝水为存储在河流、湖泊以及含水层中的水,也即传统水资源评价中对于可利用水资源量的定义,即地表水和地下水资源量之和,并扣除两者的重复计算量。绿水的定义目前国际上有两种:物质上,绿水被定义为蒸散发流,即进入大气的水汽流,包括农田灌溉、湿地、水面蒸发、天然植被等不同地表的水汽流[12,16-17];资源上,绿水被定义为源于降水且存储在土壤中并被植被散发消耗的水资源[12,18-19]。
2蓝水绿水资源评价方法
估算一段时间内的区域/流域蓝水绿水资源量可以为水资源规划与管理,以及解决水资源短缺问题提供一种新思路。估算蓝水资源量也即传统的水资源评价,其主要方法包括统计分析法和水文模型法。其中,统计分析法对数据需求量较大,需要收集研究区的水文气象、水文地质、水利工程以及取用水等数据;水文模型法较之统计分析法来说对于数据的需求相对较少。
估算绿水资源量的方法基本可以分成以下三类:生物学方法、水文模型法以及生物水文耦合法[17]。
(1)生物学方法主要采用生态系统生产干物质消耗的水量,即需水量,来估算绿水资源量。该类方法根据净初级生产力数据与主要生态系统单位干物质生产所需蒸散量的乘积来估算绿水流。Postel等[5]采用净初级生产力数据,估算了全球非灌溉植被(天然森林、草地、人工林地和雨养作物)蒸散量,并得到其它主要土地利用类型的蒸散量,称其为绿水资源量。另一种生物学方法则是结合遥感影像和蒸散量观测值估算绿水资源量。Rockstrm等[20]采用森林、草地、林地以及湿地中各生物群系的覆盖面积乘以蒸散量,并根据影响蒸散量的生态系统属性将各生物群系统进而划分为若干个植被组,最终采用水分利用效率与作物产量之积来估算绿水流。
(2)水文模型法即采用水文模型来估算流域尺度的绿水流,将水资源划分为蓝水和绿水两部分,绿水表示土壤蒸发和植被散发所耗用的水资源,蓝水表示径流,从而建立研究区水文模型来估算绿水。Jewitt等[21-22]分别在小尺度和大尺度流域上采用农业集水区研究单元(Agricultural Catchments Research Unit,ACRU)模型以及水文土地利用变化(Hydrological Land Use Change,HYLUC)模型,估算了非洲南部Mutale流域九种土地利用情景下的蓝水绿水资源量。Schuol等[23-24]采用ArcSWAT模型并结合SUFI-2不确定性分析算法估算了西非以及整个非洲大陆的月尺度蓝水绿水资源量。Faramarzi等[25]在伊朗构建了ArcSWAT模型模拟了月尺度蓝水绿水资源量,并考虑了水库运行以及不同灌溉措施对小麦产量的影响。Menzel等[26]在欧洲、非洲及中亚的七个代表性流域搭建了水文模型,并分析了这些流域现状年以及未来情景下的蓝水资源量。Liu等[27]采用具有二源潜在蒸散发模式的半分布式水文模型,研究了我国北方老哈河流域土地覆被变化对蓝水绿水资源量的影响。吴洪涛等[28]使用AVSWAT模型在碧流河流域估算了绿水资源量,研究了绿水的时空分布规律以及气候变化情景下绿水的响应。
(3)生物水文耦合法根据地表植被动态变化过程,考虑关键生态过程如初级生产力、植被生长、植被水分生产力、碳分配、死亡率以及植物对资源竞争的动态变化,借助陆-气、碳-水交换关系,将水文模型与生物地理学以及生物地球化学相耦合,从而估算绿水流。代表性模型为近些年得到快速发展的全球植被动态模型Lund Potsdam Jena(LPJ)模型[13]。王玉娟等[29]在黄河流域三门峡地区构建适用于估算流域尺度植被生态用水的生态水文模型,对三门峡地区20世纪50年代以来的植被生态用水量进行了定量模拟,计算得出不同植被类型的绿水消耗量。Siebert等[30]采用全球作物需水模型(Global Crop Water Model,GCWM)对1998年-2002年全球作物所需蓝水和绿水资源量进行了估算。
由于水文模型可以深入揭示地表过程和水文过程的机理,因此,被认为是模拟水文过程以及评价水资源时空变化特征的有效工具。综合分析蓝水绿水的估算方法可知,水文模型法是同时评价蓝水和绿水资源量时空变化特征的唯一方法。SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型[31]是时间上连续的分布式流域水文模型,且在全世界得到了广泛应用[23,32-37]。SWAT模型因其能够直接输出蓝水和绿水资源量的各个分量,被认为是一种估算蓝水绿水资源量比较有效的方法。
3流域蓝水绿水资源综合评价——以渭河