北京市水平衡分析

北京市水平衡分析

氣候變化和人類活動顯著改變了中國北方水資源的總量。全國第二次水資源評價結果顯示,北京的多年平均水資源為37.3億m3,近年來,由于降水減少和下墊面產(chǎn)流變異等原因,北京市每年的產(chǎn)水量僅為22.3億m3,而目前北京市年用水量為35.3億m3。那么北京到底缺多少水?缺水的原因是什么?各項貢獻率分別有多大?進入21世紀,南水北調(diào)工程實施以后是否可以解決北京的水資源短缺狀況?這些都是迫切需要研究的科學問題。本文通過降雨-徑流-蒸散發(fā)的水文平衡模式和反映供用水關系的水資源供需平衡模式,分析北京市水量平衡狀況,獲得北京市水量平衡的新認識,為認識北京市的水資源問題,提供新的視角。1非傳統(tǒng)水資源總量北京市位于華北平原西北,全市總面積1.68萬km2。其中山區(qū)面積占61.9%,平原占38.1%。境內(nèi)有5條河流,從東向西分布有泃河、潮白河、北運河、永定河和拒馬河,分別屬于海河流域薊運河、潮白河、北運河、永定河和大清河水系。除北運河發(fā)源于本市以外,薊運河、潮白河和大清河三大水系發(fā)源于河北省,永定河發(fā)源于山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。北京市多年平均降水量584.7mm,其中6～9月汛期降水量488.2mm,占83.5%。非汛期3～5月降水量59.6mm,占10.2%,10～2月降水量36.8mm,占全年的6.3%,具體分布見圖1。一個區(qū)域的水資源總量一般包括本土水資源和過境水資源兩個部分。由于行政區(qū)劃與流域劃分的差異,一些流域上游地區(qū)的來水和過境水也是水資源的一個組成部分。北京的永定河、潮白河和薊運河、大清河等都有一定數(shù)量的上游來水和過境水,這部分水資源也是可以開發(fā)利用的水資源。在北京市的五大水系中,永定河和潮白河是影響較大兩大河流,每年都有可觀的入境水量,也是北京市供水水源的重要組成部分。薊運河和大清河位于北京市邊緣,入境水量較少,尤其是大清河基本為過境水,很難得到有效利用,而北運河發(fā)源于北京,沒有外來水量。此外,在特殊干旱年份下北京市還有跨流域的調(diào)水量入境。一般來水年份下,永定河、潮白河和薊運河三個水系(北運河發(fā)源于北京,大清河的入境水量實際為過境水量,不計入)可以從山西、河北等省份接受客水資源約16.06億m3,出境14.51億m3。根據(jù)全國第二次水資源評價(1956～2000)結果,北京市多年平均水資源總量為37.39億m3,其中地表水17.72億m3,不重復計算地下水19.67億m3(礦化度<2g/L)。按照2000年北京市人口1382萬人計算,人均水資源占有量為270m3,約為全國人均占有量的12.4%。若計入上游來水,則水資源總量為53.35億m3,人均水資源可達386m3。2近年來，北京水資源變化與成因分析2.1降水量分布北京市的降水量在過去半個世紀發(fā)生了較大的變化。按照我國兩次水資源綜合規(guī)劃中采用的不同資料系列,可以把1956～2000劃分為兩個時段。分析顯示,前一個時段北京市年均降水量為620.6mm,后一個時段平均降水量為543.6mm,下降77mm,約占多年平均降水量的13.2%。其中山區(qū)降水由610.4mm減少為538.6mm,平原降水由637.2mm下降為551.6mm。多年平均降水大致東部高西部低,延慶降水最少,為503.8mm,其次為門頭溝和大興,分別為527.1mm和544.2mm;降水量最多的是平谷和密云,分別為677.0mm和651.0mm。進入21世紀以來,由于氣候波動原因,北京市降水量進一步減少,2001～2009年平均降水量為485.4mm,自產(chǎn)水資源量僅有22.33億m3,分別下降了17.0%和40.3%,而地表水更是減少到7.73m3億m3,下降了56.4%(表1)。與此同時,由于上游水庫攔蓄和下墊面變化導致產(chǎn)流異常減少,入境水量銳減(圖2),2001～2009年北京市入境水為3.46億m3,與多年平均值相比下降了78.5%,而出境水量減少為8.03億m3,其中含污水5.6億m3。2.2產(chǎn)流異常導致徑流減少的產(chǎn)流因素徑流減少的原因是流域或區(qū)域產(chǎn)水量下降所致。北京市水資源減少一般可以劃分為氣候變化和下墊面的影響兩個方面的原因。從水文原理分析,產(chǎn)流過程是流域中各種徑流成分的生成過程,也是流域下墊面(包括地面和包氣帶)對降雨的再分配過程。本文所研究的產(chǎn)流主要是指地表徑流的產(chǎn)流量。一個流域產(chǎn)流量的大小既取決于降水量的大小,也受下墊面特征的影響。正常情況下,一個地區(qū)的降水量與徑流量存在一個常規(guī)的關系,即降雨徑流關系,但是由于氣候變化和人類活動,降水規(guī)律和下墊面特征會發(fā)生改變,因此,流域發(fā)生降水以后,水在下墊面的阻水、吸水、持水和輸水特性會發(fā)生相應的變化,產(chǎn)流異?，F(xiàn)象就會因此發(fā)生。產(chǎn)流異常導致徑流減少可以用時段初期和末期的徑流量之差表述,設時段初期、末期的徑流量分別為R0和Rn,則異常產(chǎn)流變量ΔR為:ΔR=R0-Rn=R(P0,G0)-R(Pn,Gn)=R(P0,G0)-R(P0,Gn)+R(P0,Gn)-Rn(Pn,Gn)=ΔRG+ΔRP(1)式中ΔRP和ΔRG分別代表降水因子和下墊面因子對徑流減少量的貢獻?？梢?產(chǎn)流減少可以分解為由于降水量減少和下墊面變化導致產(chǎn)流減少兩個部分。其中,ΔRP=η·ΔP(2)ΔRG=Δη·P(3)ΔP代表降水量的減少,Δη代表相同降水條件下徑流系數(shù)的變化。以現(xiàn)狀年(2001～2009年)和多年平均(1956～2000年)降水量、徑流系數(shù)代入(1)～(3)式,得到北京市因為降水和產(chǎn)流異常導致徑流減少量分別為3.01億m3和6.98億m3,因此可以得到近年來北京市河川徑流量減少的原因中,氣候變化的原因為30.1%,下墊面變化導致產(chǎn)流異常的貢獻率為69.9%。3土地類型蒸蒸發(fā)模型基于降雨-徑流-蒸散發(fā)的水量平衡方程為:ΔW=P-E-Q(4)式中,P為降水,E為蒸散發(fā),Q為河川凈排泄量,包括出境水Q1、入境水量Q2、應急調(diào)水Q3、ΔW為系統(tǒng)或區(qū)域蓄變量,包括地下水蓄變量ΔW1和水庫蓄變量ΔW2。在水量平衡研究中,可以從ΔW的構成和變化分析一個區(qū)域的水平衡關系和缺水態(tài)勢。根據(jù)北京市水資源公報等有關成果得知,在2001～2009年時段,北京市年平均降水量P為485.6mm,以北京市國土面積為16800km2計算,年降水總量P為81.58億m3;北京市2001～2009年平均出境水量Q1為8.03億m3,入境水量Q2為4.34億m3,應急調(diào)水Q3為0.37億m3,由此得到河川凈排泄量Q為3.32億m3。北京市年實際蒸散發(fā)E可以通過不同下墊面背景下的蒸散發(fā)模型計算。對于水面蒸發(fā),本文采用洪嘉璉公式,潛在蒸散發(fā)中由于傳統(tǒng)的Penman-FAO模式動力項成果偏大,故本文采用Prestley-Taylor公式[9,10,11,12,13,14],水澆地采用作物系數(shù)計算,有林地和其他林草地蒸散發(fā)采用張魯公式,其他土地利用類型則分別采用傅抱璞蒸散發(fā)模型。這些模型和計算成果如下:洪嘉璉等在研究華北平原水面蒸發(fā)的規(guī)律后,提出水面蒸發(fā)公式:E0=0.144(1+0.75U1.5)[D+d(T1.5)(α-1)T1.5](5)式中,U1.5為1.5m高度風速,以m/s計;D為飽和水汽壓差,以毫巴計;d(T1.5)為飽和水汽壓斜率,毫巴/℃;α-1為溫度層結調(diào)節(jié)系數(shù);T1.5為1.5m處氣溫。Prestley-Taylor公式用于潛在蒸散發(fā)量的計算:λETo=1.28×ΔΔ+γ×(Rn?G)(6)λEΤo=1.28×ΔΔ+γ×(Rn-G)(6)式中,λ為蒸發(fā)潛熱,ETo為參考蒸散量,單位mm·day-1;Rn為凈輻射量,單位為MJ·m-2·day-1;G為土壤熱通量,單位MJ·m-2;Δ為飽和水汽壓斜率(kPa℃-1),γ為濕度計常數(shù),單位kPa℃-1。有林地和其他林草地蒸散發(fā)采用張魯公式如下:EP=1+w×EpP1+w×EpP+(w×EpP)?1(7)EΡ=1+w×EpΡ1+w×EpΡ+(w×EpΡ)-1(7)式中,w為植被有效水分系數(shù),對植被來說,其取值范圍為0.5～2.0,森林取2.0,草地和農(nóng)作物取0.5,裸土小于0.5,潛在蒸散用Priestley–Taylor公式計算結果。其他土地類型的陸面蒸散發(fā),可以利用傅抱璞公式計算得到:Ea=P{1+RnLP?[1+(RnLP)m]1/m}(8)Ea=Ρ{1+RnLΡ-[1+(RnLΡ)m]1/m}(8)式中,依據(jù)Budyko假設,Rn/L可以用ET0代替,m的取值與氣候及徑流狀況有關,對于山區(qū)和平原地區(qū),取值各有不同。根據(jù)國土資源部有關土地利用資料,北京市土地類型得到水面面積(包括水田)、水澆地(包括園地)、旱地(包括村莊、裸地)、林草地(包括灌木林、采礦用地)、城市交通用地面積的比例分別為4.14%、18.61%、12.66%、58.73%和5.86%。采用公式(5)～(8)計算得到以上五種不同下墊面的蒸散發(fā)分別為1182mm,840mm,425mm,371mm和291mm,由此得到北京市2001～2009年實際蒸散發(fā)為494mm,折合水量得到E為82.99億m3。根據(jù)(4)式,可以得到北京市現(xiàn)狀年份下年均水資源蓄變量ΔW為-4.73億m3。即通過調(diào)水等措施,不考慮河流生態(tài)需水量擠占的條件下,北京市2001～2009年的水資源虧缺量為4.73億m3。實際上,還可以通過實際地下水開采數(shù)據(jù)和水庫蓄水變量的統(tǒng)計值對于以上水平衡計算的結果進行檢驗。2001～2009年北京市年均地下水蓄變量ΔW1為-4.96億m3,水庫凈儲量年均減少值ΔW2為-0.86億m3,由此可以得到水資源系統(tǒng)內(nèi)的蓄變量為-5.82億m3,可見,蒸散發(fā)計算值與水平衡計算結果兩種方法的誤差為1.09億m3,占降水總量的1.34%。4水土流失方面根據(jù)北京市水資源公報,北京市2001～2009年平均用水35.26億m3,其中生活用水13.71億m3,城市河湖環(huán)境用水1.58億m3,工業(yè)用水6.80億m3,農(nóng)業(yè)用水13.18億m3。以上用水中,沒有考慮河道內(nèi)的生態(tài)用水量,前文分析顯示,近年來(2001～2009)僅僅為了維持北京市水資源供需平衡,即使犧牲河道生態(tài)用水量,仍然缺水4.73億m3。因此,要維持健康的生態(tài)環(huán)境,保持河道水系不斷流,并維持一定的人口增長,北京市實際的缺水量更大。4.1北京北運河和薊運河的生態(tài)需水總量永定河和潮白河是北京的兩條主要河流,而這兩條河流基本常年處于斷流狀態(tài)。永定河和潮白河多年平均年徑流量分別為9.43億m3和14.19億m3,按照生態(tài)流量的最低要求和適宜要求,每年的生態(tài)需水量分別為多年平均河川徑流量的10%～20%,因此這兩條河流的河道內(nèi)生態(tài)需水量共需要2.38億～4.77億m3。按照以上標準,北運河的生態(tài)需水是0.48～0.96m3,目前由于北京的主要排污河流,出境水量為8.03億m3,大于要求的水量。因此北運河的生態(tài)需水可以得到滿足。拒馬河和薊運河位于北京市邊緣,多年平均來水量分別為2.34億m3和1.97億m3,近年下降到0.54億m3和0.68億m3,出境水量分別為0.69億m3和0.61億m3,基本滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量。綜上,北京市五大水系中北運河、拒馬河和薊運河河道內(nèi)生態(tài)需水量基本可以得到保障,而永定河和潮白河則完全斷流,河道內(nèi)的生態(tài)需水量為2.38億～4.77億m3。4.2用水與水質(zhì)隨著城市的發(fā)展,北京市人口還有進一步增加的趨勢,但是增加一個人的生活需水量是多少呢?根據(jù)北京市近年來用水規(guī)律分析可知,城鎮(zhèn)居民生活用水中,狹義的飲食起居類需水為100L/d(即37m3/a),廣義生活用水中的公共用水、建筑業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水分攤為140L/d(即51m3/a),一個人的城鎮(zhèn)生活需水總量為240L/d,即88m3/a。根據(jù)北京市用水現(xiàn)狀測算結果,北京市人均用水中工業(yè)用水分攤27m3/a,農(nóng)業(yè)用水分攤59m3/a,生態(tài)用水分攤17m3/a。因此在不考慮工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量的分攤條件下,每增加一個人,需要新增城市供水105m3/a。如果按照北京市每年增加人口50萬計算,需要新增的生活用水量為5250萬m3。因此,考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量要求時,北京市現(xiàn)狀需水量為37.64億～40.03億m3.如果考慮人口增長,北京市每年還需要增加5250萬m3的生活和生態(tài)供水。預計北京市2014年需水量會達到39.74億～42.13億m3。4.3來水量和來水資源量近年來實際來水量小于多年平均來水量,本文采用三個不同的來水保證率進行來水量預測。由全國第二次水資源綜合評價結果,北京市50%、75%和95%偏枯年份下的來水量為34.9億m3、26.4億m3和18.2億m3,各個水系中永定河在不同水平年從河北省進入官廳水庫的水量為3.19億m3、2.51億m3和1.24億m3,潮白河入境分別為5.61億m3、3.24億m3和2.37億m3,另外考慮南水北調(diào)中線供水量10億m3,因此,可供利用的水量為53.7億m3、42.15億m3和31.81億m3。4.42北京市水資源概況在2014年南水北調(diào)中線供水到達北京以后,北京市在50%和75%兩種來水水平下,現(xiàn)狀可供水量都將大于需水量,而在95%來水頻率下將仍然缺水10億m3。由于2014年北京市可供水量(75%來水水平下)為42.15億m3,那么如果北京市人口以50萬的速率增加,從2015年開始就又會面臨新鮮水資源不足的問題。但是由于還有大量的再生水沒有計入使用,因