三川河流域雨水资源化及环境效应研究

我中心2006届博士研究生段喜明同学，在导师吴普特研究员的指导下，经过三年努力完成了三川河流域雨水资源化及环境效应研究

                              摘  要

    在水资源评价工作中，一般只考虑不相重复的地表水和地下水之和，雨水并没有作为水资源总量来评价。事实上，雨水是可更新、利用的液态淡水，完全符合传统水资源的定义，理应将其作为水资源总量来对待。通过空间和时间上的富集，雨水完全可以成为地表水和地下水的有力补充。而且在特定地区（如我国黄土高原地区），雨水已成为一种不可替代的水资源利用形式。本研究以黄河流域的一级支流――总面积4161km2的三川河流域作为研究对象，将“雨水资源作为水资源总量”这一适应黄土高原水资源特点的新理念作为理论基础，从雨水资源化潜力和区域社会、经济及生态环境分析入手，建立了大面积的雨水资源化指标，对研究流域雨水资源的利用现状和近、远期规划进行了分析和评价。在此基础上，利用流域水文站的长系列资料，对不同时期雨水资源化的蓄水减沙等环境效应进行了研究，得出以下基本结论：
    1、建立了大面积的雨水资源化指标体系，并将其作为三川河流域雨水资源化潜力研究的基础。在综合分析黄河流域蓄水减沙研究的基础上，利用三川河流域所在的黄土丘陵沟壑区第一副区亚区2的蓄水减沙指标，建立了三川河流域大面积的雨水资源化指标体系。该指标体系包括：就地利用潜力指标r1、实际径流指标u、坡地径流的折减系数K和径流潜力指标r2。为研究大流域的雨水资源化潜力，奠定了科学的基础。
    该指标体系涉及三川河流域的所有下垫面类型。为提高雨水资源化潜力研究的涵盖度和可靠性，下垫面等级按1、2、3级进行了划分，降水频率按丰水年（P=25%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=75%）进行了考虑，同时考虑了经济、技术条件的发展对提高雨水资源化的影响，因而建立的指标体系完全适于对现状、近期和远期雨水资源化潜力的动态研究。
    2、以不同降雨频率为条件，对三川河流域雨水资源化的理论潜力、2005年的现实潜力，以及2010年和2030年的可实现潜力进行了研究；对2005年的实际用水量、2010年和2030年的规划用水量进行了分析。
    结果发现，三川河流域雨水资源的“现状”实际开发程度还是比较低的，即使是到远期规划结束的2030年，处于枯水年频率（P=75%）条件下，雨水资源的开发程度也仅占可实现潜力的94.48%，可满足各方面的用水要求。这一结论改变了过去“黄河流域地区‘十年九旱’、水资源严重不足”的认识，对于重新认识和开发利用雨水资源，指导今后的生态环境建设，具有十分重要的意义。
    在现状和规划用水量中，生态用水所占的比例均超过80%；生活用水所占的比例稳步上升；农业生产用水经过近期规划的结构调整后，在远期规划时开始下降；工业用水量以近期年均递增2.3%、远期年均递增1.2%的速度在提高。整个用水结构和变化趋势都是比较合理的。
    规划是否科学合理，能否达到预期的目标，其中水是关键。各种措施的布设与实施，一定要以当地水资源的承载能力为依据，量水而行。要从过去“以需定水”的旧观念，转向“以水定需”的新思维，规划要适应当地水资源的状况，从而确保规划的切实可行和生态环境的有效改善。三川河流域近、远期的规划用水量，均未超出各种降雨频率条件下的可实现潜力，这一方面说明了该规划在“以水定需”方面的合理性，另一方面也为今后制定生态环境建设规划，提供了一条科学的依据。
    3、以往的相关研究，仅就特定流域的雨水资源化潜力做单纯分析，而对于提高雨水资源化潜力后对生态环境的影响，均未给予关注。蓄水减沙效益是生态效益研究的重要一项，为提高研究的准确性，本研究采用水文法和水保法进行相互验证分析。在水文法研究中，通过对三川河流域出口水文站――后大成水文站1957~1995年近40年的水文资料分析，结合不同年代三川河流域人为雨水资源化措施的基本情况，将70年代、80年代和90年代的径流、泥沙变化，按气候波动和人为雨水资源化进行了科学的划分，得出了人为雨水资源化进程对流域水沙变化的影响。
    在长系列水文资料的分析中，通过对自然地貌和人为影响地貌的划分，剔除了气候因素的影响，分离出人为雨水资源化措施的蓄水减沙效益，为今后人为雨水资源化措施生态效应的研究，提供了可借鉴的方法和手段。
    三川河流域人为雨水资源化的蓄水减沙效益是比较明显的。从20世纪70年代、80年代到90年代，人为雨水资源化的蓄水效益依次为15.73%、30.60%和28.59%；减沙效益依次为35.22%、53.49%和42.67%。
    4、对于三川河流域雨水资源化的环境效应研究，采用运筹学中的层次分析理论，以定量和定性分析相结合的方法，在分析蓄水减沙效益的基础上，构建了包括侵蚀模数、林草覆盖率、治理度、蓄水效益和减沙效益共5个指标组成的评价指标体系。分析计算出各指标对于生态效益的权重，建立了生态效益评价的数学模型，并对不同年代生态效益的大小变化，进行了评价分析。
研究表明，上述5个指标在生态效益中所占的权重依次为0.1777、0.1061、0.0703、0.3230和0.3230；不同年代生态效益的大小排序为：80年代＞90年代＞70年代。
    可见，蓄水效益和减沙效益在其中所占的权重最大，说明对生态效益的影响最大，因此应将其作为环境效应的首要考核指标和研究对象；进入90年代后生态效益减小，与此间水土保持措施出现淤积、老化，甚至完全失效，以及开发建设引发人为增沙等密切相关。