水资源开发利用总量控制的理论、模式与路径探索

褚俊英，桑学锋，严子奇，刘 扬

(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100044)

0 引 言

实行水资源开发利用总量控制，是我国最严格水资源管理制度的重要组成部分。该制度的实施有利于改善区域水资源开发利用不合理的状况，提高水资源利用效率与效益，已成为我国水资源合理开发利用的重要战略举措。当前，在水资源开发利用的理论与实践方面，不少学者开展了具体的研究。例如，陈方等(2009年)[1]认为水资源开发利用是指根据流域经济发展和水资源特点，确定流域和行政区域用水总量控制指标，协调区域用水定额指标，实行流域用水总量控制和定额管理相结合的水资源管理制度。陈进等(2011年)[2]认为用水总量控制是在考虑水资源承载力和节水要求下，为取水许可和计划用水等水资源管理服务的水量分配。又如，汪党献等(2012年)[3]认为用水总量控制制度就是以用水总量控制指标为依据、以水资源论证与取水许可制度为手段、以水资源论管理责任与考核制度为目标进行区域用水总量控制，实现区域经济社会可持续发展和水资源的可持续利用。再如，林德才[4]认为用水总量控制是对用水定量化的宏观管理，是指根据流域经济发展和水资源特点，确定流域和区域用水总量控制指标，协调区域用水定额指标，实行流域用水总量控制和定额管理相结合的水资源管理制度。总体上，当前研究者对水资源开发利用总量控制尚无统一的定义，对于水资源可利用量、取水总量、供水总量、用水总量、耗水总量等水量名词的含义以及用水总量控制、取水总量控制、取水许可总量控制、开发利用总量控制、耗水总量控制等概念存在模糊认识[5]。

综上所述，对于水资源开发利用总量控制的内涵、理论基础、控制对象、控制模式、控制路径等理论研究尚处于探索阶段。因此，亟待开展水资源开发利用理论方面的探索性研究工作，构建水资源开发利用控制的理论体系，切实落实最严格水资源管理制度的要求，实现区域水资源与社会经济的可持续发展。

1 水资源开发利用总量控制的概念与基础理论

水资源开发利用是指通过各种措施对天然水加以治理、控制、调节、保护和管理以及流域间、地区间调配，使在一定的时间和地点供应符合质量要求的一定水量, 为国民经济各部门所利用[6]。

水资源开发利用总量控制是指，充分考虑区域水资源特点和经济社会发展状况，以区域可耗水量为约束目标，通过对经济社会系统用水通量的最优控制，以促进生态环境系统的健康，增进经济社会用水的公平效率，实现水资源的可持续利用。可以说，水资源开发利用总量控制的根本目标是实现人水和谐，通过减少外部性和提高内部效率，以水资源的可持续利用支撑经济社会的可持续发展。依据相关管理办法及政策文件，水资源开发利用控制红线是指多年平均条件下经济社会系统用水总量的刚性控制指标。

水资源开发利用总量控制具有三大基础理论，即流域“自然-社会”二元水循环理论、分行业耗用水原理以及适应性管理理论，分别为水资源开发利用的总量控制提供宏观边界、核心驱动和动态实施依据。

1.1 流域“自然-社会”二元水循环理论

随着人类经济社会用水通量的不断增大，在自然主循环的框架下，逐步形成了以“取-供-用-耗-排”为基本环节的社会侧枝水循环，水资源开始发挥社会服务功能和经济服务功能，原有的生态和环境服务功能也具有了鲜明的人工属性。完整的流域“自然-社会”二元水循环的耦合系统开始形成(如图1所示)，具体包括“降水-坡面-河道-地下”为基本过程的自然主循环系统与“取水-供水-用水-排水”为基本过程的社会侧支循环系统[7]。在此结构框架下，人类从自然界取、用、耗、排多少水量才能既不影响水循环及水生态的整体稳定性，又不损害社会经济的可持续发展，是水资源开发利用控制需要解决的主要科学问题。该理论为水资源开发利用总量控制在宏观上提供了边界条件。该水资源开发利用总量控制边界条件的确定具有十分重要的意义，对于缺水地区可以减少水资源过度开发带来的生态影响，如生态用水被挤占、地下水超采破坏等。研究表明，我国北方地区现状多年平均挤占河道内生态环境用水132亿m3，中等干旱年挤占河道内生态环境用水达221亿m3[8]。对于丰水地区该边界的合理确定，可避免过度耗水可能带来低效问题。

图1 流域“自然-社会”二元水循环结构

1.2 分行业耗用水原理

分行业耗水原理以及耗用水的转化规律是社会经济系统水资源合理分配与用水指标科学确定的主要依据。

(1)农业耗用水原理。农业灌溉具有用水量大，耗水率高的特点，通常受到降雨量、种植结构和种植面积等多种因素的影响。农业耗水是指人工补充灌溉下的农作物棵间土壤(或水面)蒸发量和植株蒸腾量。通常，农业耗水率在40%～90%之间，平均为63%，主要包括人工补给耗水和降雨有效利用耗水两部分，其中后者是主体，所占比重约72%。

(2)工业耗用水原理。工业用水可大致分为间接冷却水、工艺用水和锅炉用水三大类。其中，工艺用水又分为产品用水、洗涤用水、直接冷却水和其他用水。工业耗水是指工业生产中直接和间接使用水量过程中产生的消耗量。通常，工业产品用水耗水率最高约90%，其次为锅炉用水，耗水率为16%(耗水量占工业总耗水比重较大，约25%～30%)，冷却用水耗水率和洗涤耗水率比较低约1%～2%。

(3)生活耗用水原理。生活用水可分为广义的大生活用水和狭义的居民家庭生活用水，其分类、功能和用水特点与人的需求关系密切，并表现出日、月的周期变化和年际的趋势性变化[9]。生活耗水是指居民用水和公共用水(含服务业、餐饮业、货运邮电业及建筑业等)过程中消耗。生活耗水通常采用入户调查和分析的方法进行，通常受到生活水平、用水习惯、自然条件和社会发展等多种因素影响[10〗。通常，冲厕、洗涤用水量较大，耗水率低；饮用、做饭等用水量较小，耗水率较高。

(4)生态耗用水原理。生态用水包括公共绿地和市政环卫用水等方面用水，生态耗水是指公共绿地和市政环卫等用水过程中的消耗量，该耗水量受到降雨量、绿地面积、温度、作物类型等多种因素的影响。

1.3 适应性管理理论

适应性(Adaptability)来源于生态学领域，通常是指某一生物体随着外界环境条件的改变而改变自身的特征或生活方式的能力[11]。适应性管理(Adaptive Management)是一个不断调整行动和方向的过程，根据整体环境的现状、未来可能出现的状况以及满足发展目标等方面的新信息进行调整[12]。水资源管理的全过程看成是一个复杂适应系统，水资源的适应性管理旨在寻找一种适应水资源系统不断变化的平衡策略[13]。为此，水资源的适应性管理是指根据水资源与社会经济系统的状况与既定目标，不断进行反馈、变化调整管理过程，以促进系统的持续改善。水资源适应性管理理论为水资源开发利用总量控制红线条件的动态管理提供理论依据。

2 水资源开发利用总量控制的层次化目标与控制对象

水资源开发利用控制具有宏观、中观和微观3个尺度的特征：一是在宏观尺度上，协调经济社会用水通量与自然水循环过程之间的关系，实现“自然-社会”二元水循环整体框架下的“人”与“自然”的和谐；二是在中观尺度上，协调经济社会系统内部不同水源、不同行业之间的关系，通过水资源的合理分配，提升水资源系统安全保障程度，增进社会公平程度，实现社会水循环框架下社会经济用水的和谐；三是在微观尺度上，在分行业与分水源控制指标约束下，通过水资源行政管理手段，增进社会经济系统用水单元自身的自律性，实现其水资源利用效率的提高与适应性改进，增进微观主体用水的适应性。

2.1 宏观尺度：降低经济社会用水的外部性

自然水循环与社会水循环通量之间存在此消彼长的动态依存关系，经济社会用耗水量增加必然会影响到水生态服务实现，从而导致水生态系统退化。该外部性效应已经上升为水资源开发利用的主要矛盾。经济社会发展在某种意义上具有无限性，但水资源再生能力和可供给量是有限的。许多地区在一定时期经济社会需水量超过水资源可供给量，如果超量取用水资源量，将会影响自然水循环系统的平衡，引发地表水河湖萎缩干涸、地下水水位持续下降等一系列的水生态问题。

水资源开发利用控制就是要将水资源过度开发利用所造成外部性在经济社会系统内部化，维系经济社会用水与自然生态环境用水的平衡。在统一的“自然-社会”二元水循环的系统框架下，为实现天然生态环境服务功能与人工的经济社会服务功能的协调，需要合理确定经济社会的允许耗用水量，其阈值是基本的生态环境需水量。

在宏观尺度上，水资源开发利用控制主要是在满足生态环境流量和用水效率条件下，以耗水目标为约束，控制经济社会系统的总用耗水量，其中，耗水是核心约束，用水量是总控对象。区域用水总量等于包括输水损失在内的毛用水量和毛供水量，即地表和地下新鲜水的取水量与回用量之和，也等于耗水量、排水量和回用量之和。需要说明的是，总用水量仅根据既定规划少量考虑非常规水源(如污水再生利用、海水淡化、雨水利用)，以鼓励非常规水资源利用替代新鲜水源。该控制量明显小于社会水循环通量，后者通常还包括有效降水量、虚拟水通量等[14]。区域可耗水量是以一定发展阶段的流域或区域水资源条件为基础，以生态环境良性循环为约束，满足经济高效良好发展与和谐社会建设要求的可耗用水量。从地表水可耗水量组成来说，主要包括地表径流量、地下径流量、上游来水量、河道生态流量、汛期不可利用量等。从区域经济社会耗水组成来说，主要包括人类生产、生活等取用水过程中产生的耗水量，具体可以分为生活ET、工业ET、农业ET、人工生态ET。通过各个分项的ET控制，从而实现区域可耗用总量的控制。

2.2 中观尺度：促进经济社会用水的公平性

在中观尺度上，水资源开发利用控制主要是合理分配水资源，增进社会公平与和谐。在一个特定流域或区域内，基于宏观尺度耗水指标，综合考虑不同区域、不同行业、不同用户的特点与差异，满足效率、公平、可持续性要求，最大化提高内部性，对有限的、不同形式的水资源，通过工程与非工程措施在各用水户之间进行的科学分配。该尺度上水资源开发利用控制对象为经济社会分用户的耗水量、用水量，分水源的供水量。其中，供水方按照水源可具体细化为地表水、地下水、外调水、过境水以及非常规水源等供水分量；需水方可以根据用户类型细化为生活、工业、农业以及生态分行业的需水分量。

2.3 微观尺度：提高经济社会用水的适应性

在宏观尺度的总控指标、中观尺度分水源和分用户水资源开发利用控制指标的基础上，通过水资源行政管理手段，建立各用水单元水资源利用过程的自律式发展模式，促进高校用水技术、工艺、设施和器具的改造和采用、生产与产品结构的变化以及用水行为规范的制定，提高工业水重复利用率、生活节水器具普及率，降低万元工业GDP用水量、提高灌溉水利用系数，实现其动态用水过程与水资源开发利用控制指标的动态适应，促进社会经济系统水资源利用效率的提高。该尺度水资源开发利用控制的对象为取水许可量和计划用水量。水资源开发利用控制层次化目标、控制对象与条件如表1所示。

表1 水资源开发利用控制的层次化目标、控制对象与条件

3 水资源开发利用总量控制的理论模式

综合考虑上述5大基本原则，基于上述3大基本理论，本研究创新提出水资源开发利用控制的“一核制约、双向协调、三层嵌套”的基本框架，见图2。

图2 水资源开发利用控制的基本模式

3.1 一核制约

“一核制约”是指水资源开发利用总量控制的耗水(EvapoTransporation，简写为ET)作为目标约束条件。传统的水资源管理主要注重取水管理，缺乏对耗水量的控制，节水的效果主要由取水量的减少来衡量，结果导致发达地区或者强势部门通过提高水的重复利用率和消耗率，消耗更多的水量，在区域可消耗水量不变的情况下，挤占欠发达地区或弱势部门如农业、生态等可使用的水资源，水资源利用的公平性、高效性并不能得到保证，生态系统的安全也并不能得到保障[15,16]。特别是在水资源紧缺的地区，这种矛盾越为突出[17]。

水资源开发利用总量控制以耗水目标为约束条件，具体包括如下3方面的机制：一是以生态流量为阈值的外部性约束机制。水资源开发利用应始终维持流域生态环境的良性循环，最大化降低水资源开发利用的外部影响。应确定河流湖库的最小生态流量阈值，保证一定的河川径流量与河口入海水量，以维持河道内生态与河口生态；应合理开采区域内地下水, 在多年平均情况下逐步实现地下水采补平衡。二是以高效率为中心的水平衡决策机制。只有减少水分的蒸发蒸腾，才能实现“真实节水”。应采取技术、经济可行的综合措施，减少无效耗水，使得低效耗水向高效耗水转移，从而最大化提高水资源开发利用的效率和效益；三是以耗水为核心的耗用水转化机制。耗水是真实节水的核心。将耗水控制转化为用水控制，有利于可统计、可监测、可考核，提高水资源开发利用总量控制指标的可操作性和实践指导性，不同来水频率下耗用水的对应关系曲线如图3所示。

图3 不同来水频率下耗用水的对应关系曲线

3.2 双向协调

“双向”是水资源开发利用“需水方”和“供水方”两者之间的精细化配置，如图4所示。其中，需水方主要包括生活用水、工业用水、农业用水以及生态用水等需求对象；供水方包括地表水、地下水、外调水以及非常规水(如污水再生水、海水淡化水等)等供水水源。

图4 水资源开发利用控制的供需双向协调

3.3 三层嵌套

基于水资源开发利用具有层次化的目标和控制关键点，图5为水资源开发利用控制的三层嵌套结构，“三层”具体是指水资源开发利用总量控制宏观尺度、中观尺度和微观尺度指标的嵌套结构，统筹考虑“人”与“自然”、“人”与“人”以及“人”与“自身”水资源开发利用指标的关系。具体而言，①宏观总控指标是中观细分指标的基础，通过控制耗水量，实现自然水循环和社会水循环的协调，协调人与自然关系；②中观细分指标主要协调不同用水户与不同水源之间精细化对应的关系，具体包括工业、生活、农业、生态用水量以及地表水、地下水、外调水、再生水以及淡化海水之间精细化对应的关系，强调人与人之间关系的协调；③微观管理指标主要是在水资源管理层面，基于宏观总控指标和中观细分指标，实现水资源开发利用控制指标与取水许可指标、计划用水指标衔接，协调人与自身关系。

图5 水资源开发利用控制的三层嵌套结构

4 水资源开发利用总量控制的路径

4.1 水资源开发利用总量控制基本准则

科学、合理的水资源开发利用总量控制应当处理好4个基本关系，具体包括流域与区域关系、流域上下游关系、左右岸关系、近远期的关系，并考虑遵循如下5个基本原则：

(1)生态学准则。水资源开发利用控制必须要遵循生态学原理，协调水资源开发利用与生态环境保护的关系，保障生态需水的供给，维系流域优良生态和河流健康。生态需水是指将生态系统结构、功能和生态过程维持在一定水平所需的水量，是一定生态保护目标对应的水生态系统对水量的需求[18]。

(2)水文学准则。水资源开发利用总量控制要符合水文情况，针对不同条件下来水，实现水资源的科学配置。

(3)经济学准则。水资源开发利用总量控制要符合水资源开发利用边际效用最大化，通过优化配置手段提高用水效益和经济效益，在保障生态需水的前提下尽可能创造经济价值。

(4)社会学准则。水资源开发利用总量控制要符合社会公平原则，实现人水和谐，不仅要协调配置好经济生产用水，同时还要注重生活用水的保障。

(5)管理学准则。水资源开发利用总量控制还要保证在实践上能做到统一高效，统筹解决水资源问题对经济可持续发展的制约。

4.2 水资源开发利用总量控制曲线

水资源开发利用总量控制需要考虑不同来水频率条件下水资源开发利用指标的动态变化。通常，随着来水频率的增大，区域的可供水量不断减少，需水量不断增大。水资源开发利用总量控制的动态曲线如图6所示。其中，D′-D′1为常规发展模式条件下的需水过程曲线；D-D1为考虑水资源利用效率约束条件下的需水过程曲线；S′-S′1为不考虑生态流量阈值的供水过程曲线；S-S1为考虑生态流量阈值约束的供水过程曲线；p为来水频率；p0为实现供需平衡的区域特定来水频率，Q为供需水量，D-O-S为水资源开发利用总量控制曲线。D-O-S为水资源开发利用总量控制曲线，以其为控制指标，可维系水生态环境系统的健康，增进经济社会用水的公平效率，实现水资源的可持续利用。

图6 不同来水频率条件下水资源开发利用控制曲线

4.3 基于水资源开发利用控制曲线的路径分析

(1)缺水期或缺水地区：基于生态阈值细分宏观总控指标。缺水期或缺水地区(即D>S)，区域水资源开发利用总量已经接近、达到甚至超过水资源可利用量，基本天然生态用水被挤占、地下水超采、用水竞争强烈。水资源开发利用总量控制的基本路径为：①基于自然水循环生态流量阈值的约束边界，得到水资源开发利用宏观总控指标；②将流域水资源可耗用量进行逐级分解，得到中观细分指标；③基于宏观总控指标和中观细分指标，综合考虑用户的历史用水行为特征，得到微观管理的适应性指标。

(2)丰水期或丰水地区：基于耗水标准汇总宏观总控指标。丰水期或丰水地区(即D

5 结 语

(1)充分考虑流域或区域水资源特点和经济社会发展状况，以耗水目标为约束，实行水资源开发利用总量控制是促进生态环境系统的健康，增进经济社会用水的公平效率，实现水资源的可持续利用的重要内容。

(2)水资源开发利用总量控制具有三大基础理论，即流域“自然-社会”二元水循环理论、分行业耗用水原理以及适应性管理理论，分别为水资源开发利用的总量控制提供宏观边界、核心驱动和动态实施依据。

(3)水资源开发利用控制具有宏观、中观和微观3个尺度的特征，即在宏观尺度上主要协调经济社会用水通量与自然水循环过程之间的关系，实现“自然-社会”二元水循环整体框架下的“人”与“自然”的和谐；在中观尺度上主要协调经济社会系统内部不同水源、不同行业之间的关系，通过水资源的合理分配，增进社会公平程度；在微观尺度上，通过水资源行政管理手段，增进社会经济系统用水单元自身的自律性，实现其水资源利用效率的提高与适应性改进。不同层次的控制目标和控制对象各有不同。

(4)水资源开发利用总量控制具有“一核制约、双向协调、三层嵌套”的基本模式，即以耗水为核心，实现供需的动态协调，实现宏、中、微多尺度的系统耦合。依据不同来水频率条件下水资源开发利用控制曲线，不同水资源开发利用总量控制的起点和路径有明显差异，需因地制宜。

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