水資源開發利用總量控制的理論、模式與路徑探索

褚俊英，桑學鋒，嚴子奇，劉 揚

(中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100044)

0 引 言

實行水資源開發利用總量控制，是我國最嚴格水資源管理制度的重要組成部分。該制度的實施有利于改善區域水資源開發利用不合理的狀況，提高水資源利用效率與效益，已成為我國水資源合理開發利用的重要戰略舉措。當前，在水資源開發利用的理論與實踐方面，不少學者開展了具體的研究。例如，陳方等(2009年)[1]認為水資源開發利用是指根據流域經濟發展和水資源特點，確定流域和行政區域用水總量控制指標，協調區域用水定額指標，實行流域用水總量控制和定額管理相結合的水資源管理制度。陳進等(2011年)[2]認為用水總量控制是在考慮水資源承載力和節水要求下，為取水許可和計劃用水等水資源管理服務的水量分配。又如，汪黨獻等(2012年)[3]認為用水總量控制制度就是以用水總量控制指標為依據、以水資源論證與取水許可制度為手段、以水資源論管理責任與考核制度為目標進行區域用水總量控制，實現區域經濟社會可持續發展和水資源的可持續利用。再如，林德才[4]認為用水總量控制是對用水定量化的宏觀管理，是指根據流域經濟發展和水資源特點，確定流域和區域用水總量控制指標，協調區域用水定額指標，實行流域用水總量控制和定額管理相結合的水資源管理制度。總體上，當前研究者對水資源開發利用總量控制尚無統一的定義，對于水資源可利用量、取水總量、供水總量、用水總量、耗水總量等水量名詞的含義以及用水總量控制、取水總量控制、取水許可總量控制、開發利用總量控制、耗水總量控制等概念存在模糊認識[5]。

綜上所述，對于水資源開發利用總量控制的內涵、理論基礎、控制對象、控制模式、控制路徑等理論研究尚處于探索階段。因此，亟待開展水資源開發利用理論方面的探索性研究工作，構建水資源開發利用控制的理論體系，切實落實最嚴格水資源管理制度的要求，實現區域水資源與社會經濟的可持續發展。

1 水資源開發利用總量控制的概念與基礎理論

水資源開發利用是指通過各種措施對天然水加以治理、控制、調節、保護和管理以及流域間、地區間調配，使在一定的時間和地點供應符合質量要求的一定水量, 為國民經濟各部門所利用[6]。

水資源開發利用總量控制是指，充分考慮區域水資源特點和經濟社會發展狀況，以區域可耗水量為約束目標，通過對經濟社會系統用水通量的最優控制，以促進生態環境系統的健康，增進經濟社會用水的公平效率，實現水資源的可持續利用。可以說，水資源開發利用總量控制的根本目標是實現人水和諧，通過減少外部性和提高內部效率，以水資源的可持續利用支撐經濟社會的可持續發展。依據相關管理辦法及政策文件，水資源開發利用控制紅線是指多年平均條件下經濟社會系統用水總量的剛性控制指標。

水資源開發利用總量控制具有三大基礎理論，即流域“自然-社會”二元水循環理論、分行業耗用水原理以及適應性管理理論，分別為水資源開發利用的總量控制提供宏觀邊界、核心驅動和動態實施依據。

1.1 流域“自然-社會”二元水循環理論

隨著人類經濟社會用水通量的不斷增大，在自然主循環的框架下，逐步形成了以“取-供-用-耗-排”為基本環節的社會側枝水循環，水資源開始發揮社會服務功能和經濟服務功能，原有的生態和環境服務功能也具有了鮮明的人工屬性。完整的流域“自然-社會”二元水循環的耦合系統開始形成(如圖1所示)，具體包括“降水-坡面-河道-地下”為基本過程的自然主循環系統與“取水-供水-用水-排水”為基本過程的社會側支循環系統[7]。在此結構框架下，人類從自然界取、用、耗、排多少水量才能既不影響水循環及水生態的整體穩定性，又不損害社會經濟的可持續發展，是水資源開發利用控制需要解決的主要科學問題。該理論為水資源開發利用總量控制在宏觀上提供了邊界條件。該水資源開發利用總量控制邊界條件的確定具有十分重要的意義，對于缺水地區可以減少水資源過度開發帶來的生態影響，如生態用水被擠占、地下水超采破壞等。研究表明，我國北方地區現狀多年平均擠占河道內生態環境用水132億m3，中等干旱年擠占河道內生態環境用水達221億m3[8]。對于豐水地區該邊界的合理確定，可避免過度耗水可能帶來低效問題。

圖1 流域“自然-社會”二元水循環結構

1.2 分行業耗用水原理

分行業耗水原理以及耗用水的轉化規律是社會經濟系統水資源合理分配與用水指標科學確定的主要依據。

(1)農業耗用水原理。農業灌溉具有用水量大，耗水率高的特點，通常受到降雨量、種植結構和種植面積等多種因素的影響。農業耗水是指人工補充灌溉下的農作物棵間土壤(或水面)蒸發量和植株蒸騰量。通常，農業耗水率在40%～90%之間，平均為63%，主要包括人工補給耗水和降雨有效利用耗水兩部分，其中后者是主體，所占比重約72%。

(2)工業耗用水原理。工業用水可大致分為間接冷卻水、工藝用水和鍋爐用水三大類。其中，工藝用水又分為產品用水、洗滌用水、直接冷卻水和其他用水。工業耗水是指工業生產中直接和間接使用水量過程中產生的消耗量。通常，工業產品用水耗水率最高約90%，其次為鍋爐用水，耗水率為16%(耗水量占工業總耗水比重較大，約25%～30%)，冷卻用水耗水率和洗滌耗水率比較低約1%～2%。

(3)生活耗用水原理。生活用水可分為廣義的大生活用水和狹義的居民家庭生活用水，其分類、功能和用水特點與人的需求關系密切，并表現出日、月的周期變化和年際的趨勢性變化[9]。生活耗水是指居民用水和公共用水(含服務業、餐飲業、貨運郵電業及建筑業等)過程中消耗。生活耗水通常采用入戶調查和分析的方法進行，通常受到生活水平、用水習慣、自然條件和社會發展等多種因素影響[10〗。通常，沖廁、洗滌用水量較大，耗水率低；飲用、做飯等用水量較小，耗水率較高。

(4)生態耗用水原理。生態用水包括公共綠地和市政環衛用水等方面用水，生態耗水是指公共綠地和市政環衛等用水過程中的消耗量，該耗水量受到降雨量、綠地面積、溫度、作物類型等多種因素的影響。

1.3 適應性管理理論

適應性(Adaptability)來源于生態學領域，通常是指某一生物體隨著外界環境條件的改變而改變自身的特征或生活方式的能力[11]。適應性管理(Adaptive Management)是一個不斷調整行動和方向的過程，根據整體環境的現狀、未來可能出現的狀況以及滿足發展目標等方面的新信息進行調整[12]。水資源管理的全過程看成是一個復雜適應系統，水資源的適應性管理旨在尋找一種適應水資源系統不斷變化的平衡策略[13]。為此，水資源的適應性管理是指根據水資源與社會經濟系統的狀況與既定目標，不斷進行反饋、變化調整管理過程，以促進系統的持續改善。水資源適應性管理理論為水資源開發利用總量控制紅線條件的動態管理提供理論依據。

2 水資源開發利用總量控制的層次化目標與控制對象

水資源開發利用控制具有宏觀、中觀和微觀3個尺度的特征：一是在宏觀尺度上，協調經濟社會用水通量與自然水循環過程之間的關系，實現“自然-社會”二元水循環整體框架下的“人”與“自然”的和諧；二是在中觀尺度上，協調經濟社會系統內部不同水源、不同行業之間的關系，通過水資源的合理分配，提升水資源系統安全保障程度，增進社會公平程度，實現社會水循環框架下社會經濟用水的和諧；三是在微觀尺度上，在分行業與分水源控制指標約束下，通過水資源行政管理手段，增進社會經濟系統用水單元自身的自律性，實現其水資源利用效率的提高與適應性改進，增進微觀主體用水的適應性。

2.1 宏觀尺度：降低經濟社會用水的外部性

自然水循環與社會水循環通量之間存在此消彼長的動態依存關系，經濟社會用耗水量增加必然會影響到水生態服務實現，從而導致水生態系統退化。該外部性效應已經上升為水資源開發利用的主要矛盾。經濟社會發展在某種意義上具有無限性，但水資源再生能力和可供給量是有限的。許多地區在一定時期經濟社會需水量超過水資源可供給量，如果超量取用水資源量，將會影響自然水循環系統的平衡，引發地表水河湖萎縮干涸、地下水水位持續下降等一系列的水生態問題。

水資源開發利用控制就是要將水資源過度開發利用所造成外部性在經濟社會系統內部化，維系經濟社會用水與自然生態環境用水的平衡。在統一的“自然-社會”二元水循環的系統框架下，為實現天然生態環境服務功能與人工的經濟社會服務功能的協調，需要合理確定經濟社會的允許耗用水量，其閾值是基本的生態環境需水量。

在宏觀尺度上，水資源開發利用控制主要是在滿足生態環境流量和用水效率條件下，以耗水目標為約束，控制經濟社會系統的總用耗水量，其中，耗水是核心約束，用水量是總控對象。區域用水總量等于包括輸水損失在內的毛用水量和毛供水量，即地表和地下新鮮水的取水量與回用量之和，也等于耗水量、排水量和回用量之和。需要說明的是，總用水量僅根據既定規劃少量考慮非常規水源(如污水再生利用、海水淡化、雨水利用)，以鼓勵非常規水資源利用替代新鮮水源。該控制量明顯小于社會水循環通量，后者通常還包括有效降水量、虛擬水通量等[14]。區域可耗水量是以一定發展階段的流域或區域水資源條件為基礎，以生態環境良性循環為約束，滿足經濟高效良好發展與和諧社會建設要求的可耗用水量。從地表水可耗水量組成來說，主要包括地表徑流量、地下徑流量、上游來水量、河道生態流量、汛期不可利用量等。從區域經濟社會耗水組成來說，主要包括人類生產、生活等取用水過程中產生的耗水量，具體可以分為生活ET、工業ET、農業ET、人工生態ET。通過各個分項的ET控制，從而實現區域可耗用總量的控制。

2.2 中觀尺度：促進經濟社會用水的公平性

在中觀尺度上，水資源開發利用控制主要是合理分配水資源，增進社會公平與和諧。在一個特定流域或區域內，基于宏觀尺度耗水指標，綜合考慮不同區域、不同行業、不同用戶的特點與差異，滿足效率、公平、可持續性要求，最大化提高內部性，對有限的、不同形式的水資源，通過工程與非工程措施在各用水戶之間進行的科學分配。該尺度上水資源開發利用控制對象為經濟社會分用戶的耗水量、用水量，分水源的供水量。其中，供水方按照水源可具體細化為地表水、地下水、外調水、過境水以及非常規水源等供水分量；需水方可以根據用戶類型細化為生活、工業、農業以及生態分行業的需水分量。

2.3 微觀尺度：提高經濟社會用水的適應性

在宏觀尺度的總控指標、中觀尺度分水源和分用戶水資源開發利用控制指標的基礎上，通過水資源行政管理手段，建立各用水單元水資源利用過程的自律式發展模式，促進高校用水技術、工藝、設施和器具的改造和采用、生產與產品結構的變化以及用水行為規范的制定，提高工業水重復利用率、生活節水器具普及率，降低萬元工業GDP用水量、提高灌溉水利用系數，實現其動態用水過程與水資源開發利用控制指標的動態適應，促進社會經濟系統水資源利用效率的提高。該尺度水資源開發利用控制的對象為取水許可量和計劃用水量。水資源開發利用控制層次化目標、控制對象與條件如表1所示。

表1 水資源開發利用控制的層次化目標、控制對象與條件

3 水資源開發利用總量控制的理論模式

綜合考慮上述5大基本原則，基于上述3大基本理論，本研究創新提出水資源開發利用控制的“一核制約、雙向協調、三層嵌套”的基本框架，見圖2。

圖2 水資源開發利用控制的基本模式

3.1 一核制約

“一核制約”是指水資源開發利用總量控制的耗水(EvapoTransporation，簡寫為ET)作為目標約束條件。傳統的水資源管理主要注重取水管理，缺乏對耗水量的控制，節水的效果主要由取水量的減少來衡量，結果導致發達地區或者強勢部門通過提高水的重復利用率和消耗率，消耗更多的水量，在區域可消耗水量不變的情況下，擠占欠發達地區或弱勢部門如農業、生態等可使用的水資源，水資源利用的公平性、高效性并不能得到保證，生態系統的安全也并不能得到保障[15,16]。特別是在水資源緊缺的地區，這種矛盾越為突出[17]。

水資源開發利用總量控制以耗水目標為約束條件，具體包括如下3方面的機制：一是以生態流量為閾值的外部性約束機制。水資源開發利用應始終維持流域生態環境的良性循環，最大化降低水資源開發利用的外部影響。應確定河流湖庫的最小生態流量閾值，保證一定的河川徑流量與河口入海水量，以維持河道內生態與河口生態；應合理開采區域內地下水, 在多年平均情況下逐步實現地下水采補平衡。二是以高效率為中心的水平衡決策機制。只有減少水分的蒸發蒸騰，才能實現“真實節水”。應采取技術、經濟可行的綜合措施，減少無效耗水，使得低效耗水向高效耗水轉移，從而最大化提高水資源開發利用的效率和效益；三是以耗水為核心的耗用水轉化機制。耗水是真實節水的核心。將耗水控制轉化為用水控制，有利于可統計、可監測、可考核，提高水資源開發利用總量控制指標的可操作性和實踐指導性，不同來水頻率下耗用水的對應關系曲線如圖3所示。

圖3 不同來水頻率下耗用水的對應關系曲線

3.2 雙向協調

“雙向”是水資源開發利用“需水方”和“供水方”兩者之間的精細化配置，如圖4所示。其中，需水方主要包括生活用水、工業用水、農業用水以及生態用水等需求對象；供水方包括地表水、地下水、外調水以及非常規水(如污水再生水、海水淡化水等)等供水水源。

圖4 水資源開發利用控制的供需雙向協調

3.3 三層嵌套

基于水資源開發利用具有層次化的目標和控制關鍵點，圖5為水資源開發利用控制的三層嵌套結構，“三層”具體是指水資源開發利用總量控制宏觀尺度、中觀尺度和微觀尺度指標的嵌套結構，統籌考慮“人”與“自然”、“人”與“人”以及“人”與“自身”水資源開發利用指標的關系。具體而言，①宏觀總控指標是中觀細分指標的基礎，通過控制耗水量，實現自然水循環和社會水循環的協調，協調人與自然關系；②中觀細分指標主要協調不同用水戶與不同水源之間精細化對應的關系，具體包括工業、生活、農業、生態用水量以及地表水、地下水、外調水、再生水以及淡化海水之間精細化對應的關系，強調人與人之間關系的協調；③微觀管理指標主要是在水資源管理層面，基于宏觀總控指標和中觀細分指標，實現水資源開發利用控制指標與取水許可指標、計劃用水指標銜接，協調人與自身關系。

圖5 水資源開發利用控制的三層嵌套結構

4 水資源開發利用總量控制的路徑

4.1 水資源開發利用總量控制基本準則

科學、合理的水資源開發利用總量控制應當處理好4個基本關系，具體包括流域與區域關系、流域上下游關系、左右岸關系、近遠期的關系，并考慮遵循如下5個基本原則：

(1)生態學準則。水資源開發利用控制必須要遵循生態學原理，協調水資源開發利用與生態環境保護的關系，保障生態需水的供給，維系流域優良生態和河流健康。生態需水是指將生態系統結構、功能和生態過程維持在一定水平所需的水量，是一定生態保護目標對應的水生態系統對水量的需求[18]。

(2)水文學準則。水資源開發利用總量控制要符合水文情況，針對不同條件下來水，實現水資源的科學配置。

(3)經濟學準則。水資源開發利用總量控制要符合水資源開發利用邊際效用最大化，通過優化配置手段提高用水效益和經濟效益，在保障生態需水的前提下盡可能創造經濟價值。

(4)社會學準則。水資源開發利用總量控制要符合社會公平原則，實現人水和諧，不僅要協調配置好經濟生產用水，同時還要注重生活用水的保障。

(5)管理學準則。水資源開發利用總量控制還要保證在實踐上能做到統一高效，統籌解決水資源問題對經濟可持續發展的制約。

4.2 水資源開發利用總量控制曲線

水資源開發利用總量控制需要考慮不同來水頻率條件下水資源開發利用指標的動態變化。通常，隨著來水頻率的增大，區域的可供水量不斷減少，需水量不斷增大。水資源開發利用總量控制的動態曲線如圖6所示。其中，D′-D′1為常規發展模式條件下的需水過程曲線；D-D1為考慮水資源利用效率約束條件下的需水過程曲線；S′-S′1為不考慮生態流量閾值的供水過程曲線；S-S1為考慮生態流量閾值約束的供水過程曲線；p為來水頻率；p0為實現供需平衡的區域特定來水頻率，Q為供需水量，D-O-S為水資源開發利用總量控制曲線。D-O-S為水資源開發利用總量控制曲線，以其為控制指標，可維系水生態環境系統的健康，增進經濟社會用水的公平效率，實現水資源的可持續利用。

圖6 不同來水頻率條件下水資源開發利用控制曲線

4.3 基于水資源開發利用控制曲線的路徑分析

(1)缺水期或缺水地區：基于生態閾值細分宏觀總控指標。缺水期或缺水地區(即D>S)，區域水資源開發利用總量已經接近、達到甚至超過水資源可利用量，基本天然生態用水被擠占、地下水超采、用水競爭強烈。水資源開發利用總量控制的基本路徑為：①基于自然水循環生態流量閾值的約束邊界，得到水資源開發利用宏觀總控指標；②將流域水資源可耗用量進行逐級分解，得到中觀細分指標；③基于宏觀總控指標和中觀細分指標，綜合考慮用戶的歷史用水行為特征，得到微觀管理的適應性指標。

(2)豐水期或豐水地區：基于耗水標準匯總宏觀總控指標。豐水期或豐水地區(即D

5 結 語

(1)充分考慮流域或區域水資源特點和經濟社會發展狀況，以耗水目標為約束，實行水資源開發利用總量控制是促進生態環境系統的健康，增進經濟社會用水的公平效率，實現水資源的可持續利用的重要內容。

(2)水資源開發利用總量控制具有三大基礎理論，即流域“自然-社會”二元水循環理論、分行業耗用水原理以及適應性管理理論，分別為水資源開發利用的總量控制提供宏觀邊界、核心驅動和動態實施依據。

(3)水資源開發利用控制具有宏觀、中觀和微觀3個尺度的特征，即在宏觀尺度上主要協調經濟社會用水通量與自然水循環過程之間的關系，實現“自然-社會”二元水循環整體框架下的“人”與“自然”的和諧；在中觀尺度上主要協調經濟社會系統內部不同水源、不同行業之間的關系，通過水資源的合理分配，增進社會公平程度；在微觀尺度上，通過水資源行政管理手段，增進社會經濟系統用水單元自身的自律性，實現其水資源利用效率的提高與適應性改進。不同層次的控制目標和控制對象各有不同。

(4)水資源開發利用總量控制具有“一核制約、雙向協調、三層嵌套”的基本模式，即以耗水為核心，實現供需的動態協調，實現宏、中、微多尺度的系統耦合。依據不同來水頻率條件下水資源開發利用控制曲線，不同水資源開發利用總量控制的起點和路徑有明顯差異，需因地制宜。

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