水文学与水资源,,水资源学概论,水文学与水资源学的联系,水资源量可再生性量化研究,11.1,11.2,11.3,第十一章 水文学与水资源,主要内容,11.4,水资源承载能力量化研究,11.5,水资源优化配置研究,11.1 水资源学概论,11.1.1 水资源与水资源学的概念,水资源的含义十分丰富，具有广义和狭义之分广义的水资源，是指地球上水的总体包括全部自然界任何形态的水，如气态水、液态水和固态水狭义的水资源，是指与生态环境保护和人类生存与发展密切相关的、可以利用的、而又逐年能够得到恢复和更新的淡水，其补给来源为大气降水水资源学是对水资源进行评价、合理配置、综合开发与合理利用和保护，为社会和经济的可持续发展提供水的保证，处理好水资源和经济社会发展及环境、生态系统间关系，以及对水资源实行科学管理和保护经验的系统总结所形成的知识体系，是指导水资源业务的理论基础（陈家琦等，2002）11.1.2 水资源学的研究内容,按照水资源学的研究对象（陈家琦等，2002），可以把水资源学的研究内容划分为以下几个方面：,地球上水资源本身的特性和规律 水资源开发利用与合理配置理论、方法与应用实践 支撑经济社会可持续发展的水资源保障措施与对策。
11.1.3 水资源学的主要进展与展望,自20世纪中期水资源学形成以来，其主要进展概括如下：,⑴ 人们对水资源的认识从“取之不尽，用之不竭”的片面认识，逐步转变为对水资源的科学认识，逐步认识到“水资源开发利用必须与经济社会发展和生态环境保护相协调，走可持续发展的道路”从水资源的形成、演化和运动规律上系统分析和看待水资源变化规律和出现的水资源问题，为人们解决日益严重的水资源问题奠定基础⑵ 随着实验条件的改善和观测技术的发展，对水资源的形成、演化和运动的实验手段和观测水平得到极大的提高，促进了人们对水资源的认识和定量化研究水平的提高 ⑶ 现代数学理论、系统理论的发展为水资源学提供了量化研究和解决复杂的水资源系统问题的重要手段 ⑷ 随着现代计算机技术的发展，对复杂的数学模型可以求得数值解，对复杂的水资源系统可以寻找解决问题的途径和对策，可以多方案快速进行对比分析，可以建立复杂的定量化模型，可以实时进行分析、计算和实施水资源调度 ⑸ 以可持续发展为理论指导，促进现代水资源规划与管理的发展随着经济社会发展，科学技术水平提高，水资源学正面临着一个前所未有的发展时期，这既是机遇又是挑战对未来水资源学展望如下：,加强水资源系统中的不确定性研究。
加强现代新技术、新理论（如，遥感信息、地理信息、经济社会信息和水文信息、决策支持系统等）在水资源学中的应用研究 加强水资源开发利用与社会进步、经济发展、环境保护相协调的研究 加强水文学、生态学以及水资源学的基础科学研究 加强与其他学科的交叉研究11.2 水文学与水资源学的联系,11.2.1 水文学是水资源学的基础,从水文学与水资源学的发展历史和研究内容两个方面来看，水文学是水资源学形成和发展的基础11.2.2 水资源学是水文学服务于人类社会的重要应用,我们以水资源学的具体应用来说明这一关系1）水循环理论支撑水资源可再生性研究，是水资源可持续利用的理论依据 （2）水文模拟模型是水资源承载能力量化研究、水资源优化配置量化研究的基础模型11.3 水资源量可再生性量化研究,11.3.1 水资源可再生性的内涵,水资源是一种逐年能够得到恢复和更新的可再生资源水资源的可再生性是指流域（或单元水体）水资源在水量上损失后（如蒸发、流失、取用等）和（或）水体被污染后，通过大气降水和水体自净（或其他途径）可以得到恢复（即更新）的一种综合能力11.3.1.1 水资源量可再生性,水资源量可再生性是指流域（或单元水体）水资源在水量上被损失后（如蒸发、流失或取用等），通过大气降水和其他途径可以得到恢复（即更新）的一种能力。
它与流域蓄水特性、水循环过程的周期性、水体的补给以及更新速率有关11.3.1.2 水资源质可再生性,水资源质可再生性是指水资源所赋存的水体在水循环过程中，遭受自然或人为污染后，通过水体的自净功能使水质得以恢复的一种能力水资源质的可再生性与水体的纳污能力和自净能力有着密切的联系当污染物进入水体的强度低于水体的自净能力时，或者污水排放量处于水体环境容量以内时，水质将可以恢复，此时水质具有可再生性反之，水质将恶化，水质可再生性遭到破坏11.3.1.3 水资源量与质可再生性的关系,水资源量可再生性直接与水循环特性有关，它是水资源质可再生性的基础，水资源质可再生性与人类活动排污直接相关例如，河流在枯水期水体更新慢，水资源量可再生性小在同等排污情况下，枯水期水质比丰水期的差，水资源质可再生性也就小水资源量可再生性和水资源质可再生性综合决定了水资源整体的可再生性只有当水资源量和质的可再生能力都大时，水资源的可再生性才高这是因为水资源内涵包含水量和水质两方面含义，水量的亏损和水质的污染都是对水资源的一种损耗从以上的分析中可以看出，水资源可再生性研究离不开水循环过程分析鉴于研究问题的复杂性，本节重点探讨水资源量可再生性的量化方法。
11.3.2 水资源量可再生性的量化方法,11.3.2.1 单元水体水资源量可再生性的度量,（1）单元水体水循环过程,本文为了简化分析，将单位时段内所有进入单元水体中的输入水量用I表示，输出水量用Q表示，单元水体的蓄水量用V表示基于单元水体水量平衡关系，采用水箱模型描述单元水体的水循环动态过程单元水体水箱模型,对于单元水体，第n时段水量平衡关系式如下：,,（n=1,2,3……）,（13.3.1）,式中，Vn ，Vn+1——第n时段初和末单元水体蓄水量 ——单元水体第n时段的平均输入量 ——第n时段单元水体的平均出流量 ——单位时段在单元水体水循环过程中，影响水资源量可再生能力的两个特征量需在此说明①单元水体的最大蓄水量 由于受环境因素的影响（如地形、地貌、土壤、植被、降水等），单元水体的蓄水能力是有一定的限制，理论上存在一个最大的水体蓄水量该蓄水量决定了单元水体在水循环过程中可交换的最大量，也是影响水资源量可再生能力的关键因素对于子流域而言，即为流域最大蓄水容量对于单元河段而言， 可代表满岸时的河槽蓄水量②单元水体的最小蓄水量 为了维持河流生存（不断流）以及保证生态用水的最小河川径流量，或者为了维持必要的土壤含水量（如凋萎含水量），或者为了维持适宜的地下水位，或者为了维持水循环再生系统的完整性，单元水体必须要保持一个最小蓄水量。
是维持单元水体水资源量可再生性最直观的阈值判据，其值要通过水文实验或水文模拟进行确定2）单元水体水资源量可再生性指数,对于图前面述及的单元水体， 代表了在 的变化范围内单元水体在第n时段可能达到的有效蓄水量，即单元水体在第n时段可以恢复或可用于更新的水量它代表了第n时段内单元水体水量可再生能力的大小本文将 与 之比所得到的无量纲量 作为单元水体水资源量可再生性指数，,,,（n=1,2,3……）,（13.3.2）,结合式（11.3.1），便可得到单元水体水资源量可再生性指数的动态变化方程13.3.3）,（3）关于水资源量可再生性指数的分析,以下在几种特殊情况下讨论和分析指数的合理性及取值范围① 当输入I与输出Q保持动态平衡时，单元水循环系统处于稳定状态，单元水体的水资源量可再生能力保持不变由式（11.3.3）可知，此时 ，即单元水体水资源量可再生性指数为常量② 当输入I持续大于输出Q时，单元水体处于水量恢复阶段，可用水资源量增加，水资源量可再生能力增大由式（11.3.3）可知，此时 ，即单元水体水资源量可再生性指数也逐渐变大③ 当输入I持续小于输出Q时，单元水体处于水量消耗阶段，其水资源量可再生能力逐步减弱。
由式（11.3.3）可知，此时 ，即单元水体水资源量可再生性指数也逐渐变小 ④ 一般情况下，输入I与输出Q具有波动性，即单元水体处于水量的消长更替之中由式（11.3.3）可知，此时单元水体水资源量可再生性指数也呈现波动性只有当 时，单元水体的水循环才处于可再生状态，由式（11.3.2）和式（11.3.3）求得的 才具有实际意义，且 取值范围为[0，1]单元水体水资源量可再生性指数的取值分析,,,,11.3.2.2 流域水资源量可再生性指数的计算,如果将流域视为一个单元水体，便可直接利用单元水体水资源量可再生性指数，计算整个流域水资源量可再生性指数如果要深入研究流域水资源量可再生性的空间分布，可以将流域划分为若干单元为了便于计算，最好结合分布式水文模型进行单元划分首先计算每个单元水体水资源量可再生性指数，最后再综合得到整个流域水资源量可再生性指数当然，对于河流、湖泊、水库、地下水等水体均可采用类似的方法计算其水资源量可再生性指数11.3.3 实例分析——以马连河流域为例,11.3.3.1 研究区概况,马连河位于黄河中游干旱半干旱区，流域面积19086 km2，是泾河的最大支流。
地势由北向南下降，平均海拔为1420 m气候比较干燥，年平均气温为8.5～9.5℃流域降水多集中在7、8月，年降水量一般为450～650 mm，上游洪德站只有350～400 mm据流域出口雨落坪站多年观测，年径流量为4.9×108m3，折合年径流深为26 mm11.3.3.2 研究方法,在数字高程模型（DEM）基础上，将马连河流域分成7个子流域，并提取各子流域的水文特征值本例利用SWAT模型方法来建立马连河流域分布式水文模型基于DEM的马连河流域三维图,马连河流域SWAT模型结构图,如果把子流域看作单元水体，在自然水循环状态下（即不考虑人类活动取用水的影响），马连河流域各单元的关系如下图所示11.3.3.3 计算输入数据,在本例中，计算输入数据主要是降水量、蒸发量和径流量其中，降水量、蒸发量为1978年马连河流域实测数据经过线性空间插值处理后得到的各子流域月均值；径流量为分布式水文模型模拟的马连河各子流域月均值11.3.3.4 计算结果与分析,可再生性指数 的计算，关键涉及到单元水体的蓄水容量 和维持水循环再生系统所需的最小蓄水量 的确定在实例中， 根据单元子流域的多年降水和径流系列资料，并参考流域的地形数据进行确定。
则需要兼顾经济、社会和生态环境需水量进行综合确定在计算时由于缺少上述资料， 可按 的10%进行取值马连河各子流域水资源量可再生性指数,从表中可知，在1月～4月马连河流域水资源量可再生性指数 呈现下降趋势，其值低于0.5，平均为0.3；在5月～8月，指数明显改善，平均值为0.7；9月～12月又呈下降趋势，平均值为0.5这与流域水循环的枯、丰水期的变化一致5月之前马连河流域基本上处于枯水期，水资源量的消耗量（输出量）大于输入量，水资源量可再生能力减弱；7、8月份雨水丰沛，流域蓄水量得到补充和恢复，水资源量可再生能力增强9月以后降水减少，消耗大于输入，水资源量可再生能力再次减弱在空间分布上，流域下游水资源量可再生能力要好于上游，比如上游子流域①的 年均值为0.3，下游子流域⑦的 年均值为0.7理论分析表明，基于水循环过程和水量平衡关系，提出的单元水体水资源量可再生性指数 能够表征水资源量可再生能力的大小，它的计算易于与分布式水文模型相结合，用于分析流域（或水体）水资源量可再生能力的时空分布在水资源规划与管理中，只要确保指数 的值介于0与1之间，便可避免河流断流或洪水泛滥的发生。
指数 为无量纲的量，能够用于不同地区的比较分析11.4 水资源承载能力量化研究,,11.4.1 水资源承载能力的概念及内涵,“水资源承载能力”的简单定义为：“一定区域、一定时段，维系生态系统良性循环，水资源系统支撑经济社会发展的最大规模”（左其亭、陈曦，2003）。