基于ET、EC、ES 的流域水资源水环境水生态综合管理规划研究

王海叶，焦艳平，赵 逊，陈文彬

（1.河北省水利科学研究院，石家庄 050057；2.河北省农业节水技术创新中心，石家庄 050057）

蒸发蒸腾量（Evapotranspiration，ET）表示水通过一切形式由液态转化成气态的过程。 对于资源性缺水地区，ET是水资源最主要的消耗量。要实现水资源可持续利用，应通过减少无效或低效耗水，提高单位水资源的产出效益， 使区域ET控制在满足水资源可持续利用和保持生态环境良性变化的范围内。

水环境容量（Environment Capacity，EC）指在不影响某一水体正常使用的前提下， 在满足经济社会可持续发展和保持水生态系统健康的基础上， 参照人类环境目标要求， 某一水域所能容纳的某种污染物的最大负荷量。

水生态服务（Environment Service，ES）指以特定生态产品或服务， 直接或间接为人类提供各种福利和福祉的能力，即通过控制管理生态流量，从水资源保障的角度使水体状态和生态环境适宜生物生存，满足生态系统健康发展要求［1］。

以ET耗水管理为核心的水资源水环境水生态综合治理理念，探讨基于ET、EC、ES的水资源水环境水生态综合管理规划， 应用于滹沱河流域石家庄段的水资源配置、水环境治理、水生态提升等关键任务，对提升区域水资源管理水平有重要的现实意义。

1 水资源水环境水生态综合管理理论

基于ET、EC、ES的水资源水环境水生态综合管理规划，建立在ET、EC、ES的耦合机制上。ET、EC、ES三者是相互联系的， 需经过循环往复的交互过程来确定。 耦合机制的运行过程如图1。

图1 ET、EC、ES三者耦合关系

1.1 根据目标ET配置生产、生活用水

依据目标ET和现状ET，在流域内拟定各种节水优先措施，在水资源约束下（目标ET）配置生活、生产用水，节约的水量（ET减少量）优先配置于环境和生态用水， 以期实现社会经济与环境生态保护耗水协调发展。

1.2 目标ES分析

依据增加的环境水量和生态水量， 分析增加的环境生态水量对生态服务的边际影响， 从而初步确定目标ES值；在目标ES的控制下，分析不同的生态保护与修复措施方案对水生态的影响； 若生态水量仍然不足，达不到实现生态服务功能所需要的水量，返回目标ET重新确定水资源消耗量的分配， 进一步提高生态水量，以期实现流域的生态保护。

1.3 目标EC分析

依据增加的环境生态水量， 分析其对水环境容量的边际影响，从而初步确定目标EC值；在目标EC的控制下，分析不同的环境治理措施下，排污总量对地表水质的影响；若减少排污总量有困难，环境水量仍然不足，不能满足地表水质要求，返回目标ET重新确定水资源消耗量的分配，提高环境水量，提升目标EC。

1.4 目标ET、EC、ES往复调整

依据ET、EC、ES之间的用水关系，分析环境生态状况可否达到目标EC、目标ES要求，反馈到ET，调整生活、生产、环境生态用水，直到水资源对社会经济发展和环境生态保护的影响达到新的平衡， 循环往复， 直到水资源对社会经济发展和环境生态保护的影响达到新的平衡。

2 研究区域概况

滹沱河流域石家庄段主要涉及的行政区有：平山县、井陉县、井陉矿区全部，以及灵寿县、鹿泉区、正定新区、市区、藁城区、无极县、晋州市、深泽县11个行政县（市、区）的部分区域。 经分析，滹沱河流域石家庄段2009—2020年用水结构及用水变化趋势，农业用水呈明显下降趋势， 工业用水呈缓慢下降趋势，生活用水随着经济发展呈显著上升趋势，并且随着南水北调水的引用，滹沱河生态补水逐年展开，生态用水在2017年后显著增加。现状年，用水结构的转变，生活和生态需水量急剧增长，导致流域资源型缺水现象日趋严重，因此探讨基于ET、EC、ES的水资源水环境水生态综合管理规划， 具有典型重大的现实意义。

3 分析计算

3.1 目标值计算

3.1.1 目标ET计算

区域目标PET是在满足区域经济社会和生态环境可持续发展条件下， 从水平衡的角度考虑区域所能允许消耗的最大ET。 它具有以下3层含义：①以本地水资源总量为基础， 包括一定时期内区域的自产水量、 出入境水量、 外调水量及允许的地下水开采量；②保持水生态系统良性循环，为了维护河流生态和河口生态，合理开发区域地下水，在多年平均条件下逐步平衡地下水开采和补给， 必须保证一定的河流径流量； ③满足社会经济可持续发展对用水的需求，为了改善生态环境，必须采取切实可行的经济技术措施和管理措施，通过增加水资源的单位产出，实现区域经济和社会的可持续发展。 计算公式可采用水平衡方法，如式（1）。

式中 PET为区域目标ET（mm）；Q为当地自产水量（m3）；Is为地表入境流量（m3）；It为外调水量（m3）；IG为地下水侧向流入量（m3）；O为满足下游用水要求的出境流量（m3）；OG为地下水侧向流出量（m3）；ΔG为某一水平年地下水允许超采量（m3）；A为区域面积（km2）。

3.1.2 目标EC计算

依据区域水环境现状、水环境容量，结合区域目标ET约束下的环境用水以及生态环境部相关规定，得到滹沱河流域各控制单元的现状EC， 并进一步根据污染物入河量，确定区域的目标污染物（氨氮、总氮、总磷、COD）削减量，得到目标EC。

3.1.3 目标ES计算

采用Tennant法和湿周法计算滹沱河流域各控制单元内河流代表断面的生态流量， 并对比Tennant法和湿周法分析确定相应河道内生态流量， 进一步得到河道内生态需水量， 采用定额法计算河道外生态需水量，以此确定滹沱河流域总生态需水量。

3.2 目标值分配

以2020年为基准年，2025年为规划水平年。根据式（1）确定石家庄市滹沱河流域目标ET。

依据多年平均水资源量， 对供水过程中现状水平年目标ET进行分析。 经式（1）计算，石家庄流域目标ET为596.35mm，其中可控ET为217.55mm，不可控ET为378.8mm，计算过程如表1。

表1 现状年目标ET

目标ES的计算中， 综合考虑10%比例的Tennant法生态流量与湿周法生态流量， 对于两种生态流量同时计算的控制断面，为降低不确定性，取两种计算方法的均值， 得到滹沱河流域各控制断面的推荐生态流量， 其中甘陶河泉口断面生态流量为0.21m3/s，绵河帝都断面生态流量1.06m3/s，冶河微水断面生态流量0.86m3/s，冶河平山断面生态流量1.35m3/s，滹沱河干流小觉断面生态流量3.75m3/s，滹沱河干流中山断面生态流量3.75m3/s，现状年河道内生态总需水量1.6714亿m3，规划年维持不变；采用定额法计算得到的现状水平年河道外生态需水量（城镇绿化及道路喷洒，不包括生态林灌溉）为1.0813亿m3，根据石家庄市城镇规划估计道路面积和绿化面积的增长， 预测规划年河道外生态需水量为1.4005亿m3；综上，现状年石家庄市滹沱河流域生态总需水量为2.7527亿m3，规划年为3.0719亿m3。 ET、EC、ES目标值分配结果如表2。

表2 规划年目标值分配结果

规划水平年石家庄流域目标ET大于现状水平年目标ET的原因是：规划水平年增加了南水北调水的供水量， 可控ET由217.55mm增加到265.2mm，不可控ET不变。 随着滹沱河生态补水的加入，滹沱河水环境容量相对增加，但本着污染物入河量削减任务不变的原则，规划年不再在现状EC的基础上扩大目标EC。

3.3 基于ET、EC、ES的水资源配置

可控ET，是可控水资源的供水量，即不同用水户相对可控水资源的取用水量。 到分行业的用水过程中，取用水量不等于其耗水量，结合不同水源对不同用水行业的不同供水过程， 以及不同用水行业的用水过程， 分析不同情景下不同用水行业的可控水资源（可控ET）实际消耗量。 区域总消耗量为可控水资源实际消耗量与不可控消耗量之和。

不同用水行业的用水环节可分为供输水过程、用水过程和排水过程，各用水环节中渗漏补给地下水的水量，不算作消耗量，所以可控水资源取用量扣除补给地下水的水量，即为不同用水行业可控水资源的实际消耗量。 具体分行业耗水系数的推求如表3。

表3 用水环节耗水计算

根据分行业耗水系数得到可控ET的分配结果，再由目标ET的约束， 得到不同水平年的ET分配，结果如表4。 石家庄市滹沱河流域规划年可控ET分别为： 丰水年155.73mm， 平水年171.33mm， 枯水年190.53mm，多年平均172.49mm。通过调控可控ET量，从而达到水资源优化配置、 水环境容量保证及水生态服务提升的目的，实现基于ET、EC、ES的水资源优化配置方案。

表4 规划年不同水平年ET分配结果 单位：mm

4 结语

为恢复、保护滹沱河生态环境，提升滹沱河流域水分生产率， 以滹沱河流域石家庄段为研究对象，建立ET、EC、ES耦合机制，在实现供水过程水资源优化配置的基础上，再由耗水系数法得到用水过程的可控ET的分行业分配结果， 最终实现基于ET、EC、ES的滹沱河流域石家庄段区域水资源优化配置方案。 通过可控ET的科学合理调控， 施行基于ET、EC、ES的水资源水环境水生态综合管理措施， 从而实现水资源优化配置、水环境容量保证及水生态服务的提升，使水资源在国民经济需水和生态需水之间进行合理配置，为区域经济发展和生态文明建设提供可借鉴的管理模式。