简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】全球环境基金（GEF） “天津市的水资源与水环境综合管理规划”（项目编号：TJSHZ505）

【课题编号】院科技成果登记号：WR 2010010

【课题起止时间】2006年8月～2010年5月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】王  浩、周祖昊、秦大庸、桑学锋、杨贵羽、王明娜、褚俊英、罗翔宇、张俊娥、胡  鹏

立项背景

受气候变化和高强度人类活动影响，中国北方普遍出现了水资源短缺、水环境恶化及水生态退化三大问题。按照现行的水资源规划理论和方法，不仅没有起到良好的效果，反而造成更加不利于可持续发展的后果。

现行的水资源规划理念是“以供定需、控制取水”，水资源规划和管理的对象是取水量（含地表水和地下水），即对各区域和各用水户实施取水量分配和取水总量控制。其结果是，随着节水水平的不断提高，即使取水总量得以控制，各行各业耗水量仍然不断增加，回归到自然水循环系统（地表和地下）的水量不断减少，造成地下水位逐年下降、下游河道生态流量逐年减少。大量实践证明，取水总量控制的理念不适于水资源紧缺地区的实际情况。

海河流域是中国北方水资源、水环境和水生态三大水问题最为严重的流域，为使海河流域的水资源与水环境综合管理水平获得真正的提高和重大的进步，并确实降低对渤海的污染，全球环境基金（GEF）为海河流域提供一笔赠款，实施水资源与水环境综合管理项目。天津市是GEF海河重点项目区之一，中国水利水电科学研究院受天津市水利环保项目办委托，编制全市的水资源与水环境综合管理规划，本研究成果即为该规划的核心技术。

本研究从水资源紧缺地区的水资源与水环境特点及存在问题出发，面向水资源与水环境规划重大实践需求，对基于ET（耗水）控制的水资源与水环境综合规划的理论、模型及决策方法等进行了系统研究，原创性地提出了资源型缺水地区水资源与水环境综合规划的新模式。

详细科学技术内容

本研究取得的3项主要成果如下：

（1）针对水资源紧缺地区，系统建立了基于ET的水资源与水环境综合规划模式。

该模式的理论内涵包括两个方面，即基于ET的水资源规划理念和水资源与水环境综合规划理念。其中，基于ET的水资源规划理念包括两层含义： = 1 \* GB3 ① ET总量控制。从流域/区域整体控制总的ET量，确保流域/区域总ET不超过可消耗ET，实现水资源的可持续利用，水资源配置是以ET分配为核心的资源分配； = 2 \* GB3 ② ET效率提高。在ET总量控制的前提下，促进水资源分配向关键行业（地区、用户）和高效行业（地区、用户）倾斜。水资源与水环境综合规划理念包括两层含义： = 1 \* GB3 ① 规划不光要满足用水户的水量要求，还要按照不同用户对水质的要求不同，实现不同水源的分质供水、优水优供； = 2 \* GB3 ② 规划不光要根据水功能区的要求，确定污染排放控制总量，还要在水资源配置过程中留出足够的环境容量，确保水质达标。

研究提出了基于ET的水资源与水环境综合规划四项原则，即可持续性原则、高效性原则、公平性原则、系统性原则；基于ET的水资源与水环境综合规划五大目标，即：资源目标、生态目标、环境目标、社会目标、经济目标；基于ET的水资源与水环境综合规划五大调控机制，即以ET（耗水）为中心的水平衡机制、以可持续为中心的生态决策机制、以公平为核心的社会决策机制、以边际成本和社会净福利为中心的经济决策机制、以水量水质联合配置为中心的环境决策机制。

基于ET的水资源与水环境综合规划决策思路为“目标ET制定-方案设置-情景模拟-方案评价-方案推荐”五个步骤。目标ET制定即以流域/区域水资源条件为基础，按照维持生态环境良性循环和满足社会经济的持续良性发展的用水要求，制定不同水平年的目标ET；方案设置即综合考虑开源措施、有利于控制ET的节水措施、水环境修复措施、水生态修复措施，进行组合筛选，形成备选的综合规划方案集；情景模拟即构建水资源与水环境综合模拟模型，对备选的综合规划方案进行详细模拟，计算自然和社会ET各项分量、河道断面流量、地下水位变化、各水源供水量、各部门用水量等指标，以及污染产生量、入河量、河道断面水质等指标，为规划方案评价优选提供基础；方案评价即根据五大规划目标建立可量化、可操作的指标体系，对各个规划方案对应的效果进行评价；方案推荐即根据评价结果，提出水资源与水环境综合规划推荐方案。

（2）构建了高强度人类活动地区水资源与水环境综合模拟模型，为基于ET的水资源与水环境综合规划提供了分析的工具。

该模型工具针对高强度人类活动影响下海河流域水循环与水环境特点建立，即： = 1 \* GB3 ①水系复杂，河道纵横交错； = 2 \* GB3 ②水利工程星罗棋布； = 3 \* GB3 ③社会水循环通量大，水循环具有明显的二元特性； = 4 \* GB3 ④地表地下水转换关系复杂； = 5 \* GB3 ⑤水环境容量极小，污染来源复杂。

整个模型系统由AWB模型、SWAT模型、MODFLOW模型耦合而成，其中AWB模型开展水资源与污染负荷配置模拟，将水资源和污染负荷在区域间、行业间、用户间进行分配，SWAT模型开展地表和地下水循环、人类用水取用耗排和地表污染迁移转化的模拟，为了弥补SWAT模型模拟地下水的缺陷，采用MODFLOW模型更加真实模拟地下水循环过程。

三个模型之间的耦合关系包括，AWB模型为SWAT模型输入人工供水、用水、排污等过程和参数，为MODFLOW模型输入地下水开采量等信息；SWAT模型为AWB模型输入水库入流量、河道断面流量、河道水质状况等信息，为MODFLOW模型输入降水入渗补给、河道入渗补给、灌溉回归补给等信息；MODFLOW模型为AWB模型输入地下水位变化等信息。

考虑到三个模型的功能不同，三个模型计算的尺度不同。AWB模型的空间计算单元是三级区套区县，共15个，模拟的时间尺度是月；SWAT模型的空间计算单元是水文响应单元，根据土地利用类型和土壤类型划分，共1598个，模拟的时间尺度是日；MODFLOW模型的空间计算单元是2km×2km网格，共6500个网格，模拟的时间尺度是日。三个模型的时空尺度不同，通过水分、污染各要素在时间和空间上的分解和聚合实现模型的耦合计算。

以人类活动非常强烈的天津市为研究区，模型经过地表径流、地表水质、地下水位、遥感ET多要素验证，效果良好。

（3）提出了以七大总量控制为核心的水资源与水环境综合规划成果。

按照基于ET的水资源与水环境综合规划决策思路，研究提出了以七大总量控制为核心的综合规划成果，包括ET、地表水取水、地下水取水、国民经济用水、生态环境用水、污染排放以及入海水量七大总量控制指标。其中ET总量细分为生产、生活、生态各个分项，地表水取水总量细分为外调水、当地水、入境水各个分项，地下水取水总量细分为浅层水和深层水，国民经济用水总量细分为生产、生活、生态各个分项，生态环境用水总量细化为农村生态和城镇生态，污染排放控制总量细化为点源和面源，点源控制总量进一步细化为城镇工业和城镇生活，面源控制总量进一步细化为农田面源、畜禽养殖面源、农村生活面源、城镇面源，入海水量控制总量细分为全年入海水量和鱼苗生长期入海水量。

以天津市为典型区，研究提出了现状年（2004年）、2010年和2020年三个水平年13个区县的ET、地表水取水、地下水取水、国民经济用水、生态环境用水、污染排放以及入海水量七大总量控制指标，成果经天津市及各区县水利环保主管部门广泛征求意见协调确定，具有较高的科学性、合理性和可操作性。

发明及创新点

研究紧密联系水资源紧缺地区的实际，在水资源与水环境规划理论、方法和模型层面具有重大创新，主要体现在如下三个方面：

（1）首次从理论内涵、调控机制、规划原则、规划目标、决策思路等方面对基于ET的水资源与水环境综合规划模式进行了系统阐述，提出了基于ET的水资源与水环境综合规划新方法；

（2）基于耗水量控制理念和二元水循环理论，将水资源与污染负荷配置模型、SWAT模型和MODFLOW模型耦合，建立了高强度人类活动地区水资源与水环境综合模拟体系，构建了水循环与水环境模拟平台。

（3）首次提出以耗水量控制为核心的流域水资源整体调控的七大总量控制指标，通过实现流域综合ET的控制，促进社会经济的可持续发展与生态环境改善。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

国内外水资源规划发展历程虽然不尽相同，但大体可分为6种模式： = 1 \* GB3 ①“就水论水”的水资源规划； = 2 \* GB3 ②基于宏观经济的水资源规划； = 3 \* GB3 ③面向生态的水资源规划； = 4 \* GB3 ④广义水资源规划； = 5 \* GB3 ⑤基于耗水（以下简称ET）的水资源规划； = 6 \* GB3 ⑥水资源与水环境综合规划。目前国内外对前四个模式的规划理论、方法、实践都做了大量深入的工作，但基于ET的水资源规划和水资源与水环境综合才刚刚起步。现行的水资源规划和管理注重取水控制，对基于ET的水资源规划关键技术，即基于ET（耗水）总量控制开展规划的理论、方法及技术体系研究尚处于起步阶段。在水资源配置的过程中考虑预留一定的环境流量已经在实践中得到应用，但真正意义上的水资源和水环境综合规划在理论研究和实践中还没有先例。

本次研究首次从理论内涵、调控机制、规划原则、规划目标、决策思路等方面对基于ET的水资源与水环境综合规划模式进行了全面阐述，建立了基于ET的区域水资源与水环境综合规划框架，在典型区域开展了实例研究和实践。从系统性及可操作性来看，该规划模式为综合解决全球气候变化和人类活动影响下日益严重的水资源和水环境问题，提供了新的思路。由水利部国际合作与科技司组织的、包括2名中国工程院院士在内的8人鉴定委员会认为“该成果达到国际领先水平”。

由本研究成果提炼出的32篇文章发表在《Journal of Irrigation and Drai- nage Engineering》、《Water Resources Management》、《水利学报》、《HKNI tran- sacttion》等国内外优秀期刊和9th International Conference on Hydroinfor- matics等重要国际会议论文集中，其中SCI检索3篇，EI检索15篇，ISTP检索5篇，本研究核心论文被评为“2009年度《水利学报》优秀论文”，在相关研究领域产生重要的学术影响。另外，结合研究培养了大批青年科技人才，包括博士后1名，博士4名，硕士6名，“西部之光”学者1名；2人从工程师晋升为高工；2人获国家自然科学基金青年基金，1人获中国水科院青年基金。

成果应用情况及社会经济效益

研究不仅理论创新明显，而且在全球环境基金（GEF）海河项目区的初步应用，产生了显著的社会经济效益。主要体现在：

（1）系统提出了基于ET的水资源与水环境综合规划理论方法，促进了天津及海河项目区相关业务主管部门管理理念的更新；

（2）构建的水资源与水环境综合模拟模型作为天津市知识管理（KM）系统的核心工具，有助于提高天津市相关业务主管部门的管理水平；

（3）规划成果为天津市开展水资源和水环境管理提供了重要的参考依据；

（4）提出的综合规划方法和水资源与水环境综合模拟模型为兄弟科研和规划单位提供了理论依据与技术平台；

（5）基于ET的水资源与水环境综合规划方法不仅对GEF海河项目区具有重要的实践意义，对其他类似地区的水资源与水环境规划，也具有重要的推广价值。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

尚需加强基于ET的水权理论、ET监测等方面的研究和实践，全面推广基于ET的水资源与水环境综合规划的效果。

周祖昊博士在2008年全球环境基金海河流域水资源与水环境综合管理国际研讨会上做特邀发言