第五章 水資源基本理論

第五章水資源的基本理論5.1水量平衡原理5.2水環(huán)境容量理論5.3水資源價值理論5.4水資源優(yōu)化配置理論5.5水資源可持續(xù)利用理論*1補充概念分水線：山峰、山脊和鞍部的連線稱為分水線流域：地面分水線包圍的區(qū)域稱為流域水系：流域中大大小小河流交匯形成的樹枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)稱為水系，也稱河系23補充概念分水線：山峰、山脊和鞍部的連線稱為分水線流域：地面分水線包圍的區(qū)域稱為流域水系：流域中大大小小河流交匯形成的樹枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)稱為水系，也稱河系4鄱陽湖流域與江西省5鄱陽湖有贛江、撫河、信江、饒河、修水五大支流，出口控制站流域面積162225km2，江西境內(nèi)156743km25.1水量平衡原理水量平衡任意選擇的流域（或區(qū)域），在任意的時段內(nèi)，其收入的水量與支出的水量之差等于其蓄水量的變化量。即在水循環(huán)過程中，從總體上來說水量收支平衡。水量平衡方程式65.1.1水量平衡方程式5.1水量平衡原理75.1.1水量平衡方程式P:precipitation降水ET:evapotranspiration蒸散發(fā)E:evaporation蒸發(fā)T:transpiration蒸騰R:runoff徑流S:storage蓄水量F:infiltration下滲量

5.1水量平衡原理8P洋E洋R?W洋P陸E陸?W陸5.1.1水量平衡方程式5.1水量平衡原理全球水量平衡方程海洋系統(tǒng)陸地系統(tǒng)全球95.1.1水量平衡方程式多年平均多年平均5.1水量平衡原理區(qū)域水量平衡方程105.1.1水量平衡方程式R地表R地下PE?WR’地表R’地下q入:由區(qū)域外調(diào)入的水量。Qu:區(qū)域總耗水量，主要指工業(yè)、生活耗水量；q出:本區(qū)域的調(diào)出水量。區(qū)域水量平衡方程區(qū)域水量平衡方程：P陸+R’地表+R’地下?R地表

?R地下?E?T=?S11閉合外流流域平衡方程：P陸?R地表

?R地下?E?T=?S閉合內(nèi)流流域平衡方程：P陸?E?T=?S5.1水量平衡原理水資源轉(zhuǎn)化模型則是用來描述各水資源要素之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的數(shù)學(xué)工具。它清楚地表明了坡面、包氣帶和地下水的補排關(guān)系，以及水資源的由來和組成，并根據(jù)各要素間的水量平衡關(guān)系，對水資源進行定量分析。125.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理一個流域的水資源總補給量：大氣降水量總排泄量=河川徑流量+總蒸發(fā)量+地下潛流量135.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型河川徑流量地下潛流量蒸發(fā)量5.1水量平衡原理地表水資源

145.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型河川徑流量補給項：大氣降水、冰雪融水、地下水補給；排泄項：河川徑流、水面蒸發(fā)、入滲、開采5.1水量平衡原理地下水資源155.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型地下潛流量補給項：降水、地表水入滲、側(cè)向補給（平原區(qū)）排泄項：河川基流、潛水蒸發(fā)、地下潛流、開采5.1水量平衡原理上游山丘區(qū)山丘區(qū)為徑流形成區(qū)，一般情況下人類的取用水活動較少，且基本以水資源的天然轉(zhuǎn)化為主，因此根據(jù)水量平衡原理，在計算時段內(nèi)流域上游山丘區(qū)的水量平衡方程式為：R為計算時段內(nèi)的河川徑流量；Ug為計算時段內(nèi)的地下潛流量165.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理上游山丘區(qū)多年平均情況：由于河川徑流量R由地表徑流量Rs和地下徑流量Rg組成，總蒸發(fā)量E由地表蒸發(fā)量Es（包括土壤蒸發(fā)、植物蒸騰在內(nèi)）和潛水蒸發(fā)量Eg組成，因此上式可寫成：175.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理上游山丘區(qū)在山丘區(qū)，受地形坡度的影響，地下水的補給形式主要以降水入滲補給為主，地表水入滲補給相對較少。地下水資源量：山丘區(qū)水量平衡方程為185.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理上游山丘區(qū)山丘區(qū)的多年平均水資源總量為：當(dāng)山丘區(qū)地下水埋深較大（大于4m）時，可以忽略；在一定的水文地質(zhì)條件下（如地下含水層被隔水層阻隔），也能忽略，在此條件下，上式就可簡化為：195.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型上式表示在一定的條件下，山丘區(qū)的河川徑流量可以近似認為是總水資源量5.1水量平衡原理下游平原區(qū)在天然狀況下，平原區(qū)的水量平衡可表示為：平原區(qū)的水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系必須考慮人類活動的影響：205.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型降水量地表蒸發(fā)量地表徑流量降雨入滲補給量平原區(qū)扣除蒸發(fā)量后的多年平均耗水量5.1水量平衡原理下游平原區(qū)平原區(qū)的地下水除了本地的降雨入滲補給外，還包括上游山區(qū)的側(cè)向潛流補給Ug山和地表水滲漏補給Q表補，其地下水資源計算公式為：地表水滲漏補給量Q表補215.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理下游平原區(qū)水資源總量全流域多年平均水量平衡225.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型5.1水量平衡原理全流域地表水資源量（河川徑流量）地下水資源量總量235.1.2水資源轉(zhuǎn)化模型包括全部基流量和地表水滲漏補給部分。5.2水環(huán)境容量理論水環(huán)境容量是水體在一定功能要求、設(shè)計水文條件和水環(huán)境目標(biāo)下，所允許容納的污染負荷量，也就是指在水環(huán)境功能不受破壞的條件下，水體能容納污染物的最大數(shù)量。水環(huán)境容量大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)24水庫A水庫B生活供水農(nóng)業(yè)供水5.2水環(huán)境容量理論污染物在水體遷移轉(zhuǎn)化過程中的物理化學(xué)作用表現(xiàn)在：①遷移與擴散；②吸附與解吸；③沉淀與再懸浮；④降解作用。255.2.1污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機理底泥沙顆粒吸附作用沉淀zx物理運動（遷移/擴散作用）泥河床解吸作用再懸浮污染物吸附作用解吸作用視頻資料：水污染的來源5.2水環(huán)境容量理論遷移擴散作用水體中的污染物主要以溶解狀態(tài)或交替狀態(tài)存在，隨著水體的流動不斷遷移，同時也與周圍的水體相互混合擴散遷移擴散作用的結(jié)果？265.2.1污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機理污染物濃度不斷降低，水質(zhì)得以改善5.2水環(huán)境容量理論吸附與解吸作用吸附：污染物被泥沙吸附沉入水底解吸：水環(huán)境改變時，污染物重新溶于水一般情況下，吸附能力遠大于解吸能力吸附與解吸作用的結(jié)果？275.2.1污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機理什么情況下解吸能力會大于吸附能力？會有什么后果？5.2水環(huán)境容量理論沉淀與再懸浮作用泥沙降解作用污染物在微生物的生物化學(xué)作用下分解和轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，使水體中污染深度降低有機污染物降解，消耗溶解氧，后果？285.2.1污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機理魚類等動物死亡，病源菌大量繁殖水體進入?yún)捬鯛顟B(tài)，有機污染物分解生成甲烷、二氧化碳、氨、硫化氫和厭氧微生物，水體黑臭5.2水環(huán)境容量理論根據(jù)微元水體中水流連續(xù)性原理、能量守恒原理、物質(zhì)轉(zhuǎn)化平平衡原理而建立的、模擬水質(zhì)運動、變化過程的基本方程?？臻g結(jié)構(gòu)：零維、一維、二維、三維水流狀態(tài)：穩(wěn)定、非穩(wěn)定295.2.2水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程5.2水環(huán)境容量理論解析法通過高等數(shù)學(xué)上的微分和積分變化等方法求解數(shù)值法對數(shù)學(xué)模型進行離散，進而求出其數(shù)值解的方法。有限差分法、有限元法305.2.3水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程的求解5.2水環(huán)境容量理論315.2.4水環(huán)境容量計算方法污染物特性、時空分布水體的水功能區(qū)目標(biāo)和要求水環(huán)境容量稀釋容量遷移容量凈化容量5.3水資源價值理論325.3.1水資源價值的理論基礎(chǔ)傳統(tǒng)觀點取之不盡，用之不竭水資源本身沒有價值現(xiàn)代觀點無節(jié)制的水資源開發(fā)造成嚴(yán)重環(huán)境問題水資源本身的價值5.3水資源價值理論勞動價值論價值是凝結(jié)在商品中的無差別的人類勞動使用價值是商品的自然屬性，具有不可比較性。價值是一般人類勞動的凝結(jié)，是商品的社會屬性，它構(gòu)成商品交換的基礎(chǔ)。天然存在的生產(chǎn)資料，如土地、水，只有使用價值，沒有價值335.3.1水資源價值的理論基礎(chǔ)5.3水資源價值理論效用價值論從物品滿足人的欲望能力或人對物品效用的主觀評價角度來解釋價值及其形成過程的經(jīng)濟理論。所謂的效用是指物品滿足人的需求的能力。效用價值論認為，人們獲得效用不一定非要通過生產(chǎn)來實現(xiàn)，效用不但可以通過大自然的賜予獲得，而且人們的主觀感受也是效用的一個來源。只要人們的某種欲望或需求得到了滿足，人們就獲得了某種效用。345.3.1水資源價值的理論基礎(chǔ)5.3水資源價值理論邊際效用論邊際效用論是效用價值論發(fā)展的產(chǎn)物邊際效用指在一定時間內(nèi)消費者增加一個單位商品或服務(wù)所帶來的新增效用，也就是總效用的增量。價值取決于邊際效用量服從邊際效用遞減和邊際效用均等規(guī)律效用程度是由供給和需求之間的狀況決定的，其大小與需求強度成正比例關(guān)系，物品的價值最終由效用性和稀缺性共同決定的。355.3.1水資源價值的理論基礎(chǔ)是指人們對某種物品的欲望程度隨著享用該物品數(shù)量的不斷增加而遞減人們將有限的產(chǎn)品歸為不同的欲望，只有最終使各種欲望滿足的程度彼此相同，才能使人們從中獲得的總效用達到最大

5.3水資源價值理論邊際效用論水對人類具有巨大效用，水資源具有價值缺點混淆了價值與使用價值效用本身是一種主觀心理，無法精確計量365.3.1水資源價值的理論基礎(chǔ)5.3水資源價值理論我國對水資源價值的研究基于勞動價值論中的自然資源價值觀融入了資本主義市場經(jīng)濟理論水資源的價值主要體現(xiàn)在：稀缺性、資源產(chǎn)權(quán)和勞動價值375.3.2水資源價值的內(nèi)涵5.3水資源價值理論稀缺性水資源之所以具有價值，關(guān)鍵在于水資源具有稀缺性（陽光、空氣）水資源的稀缺性又具有時空性，即在某一地區(qū)或某一時期水資源緊缺，而在另一地區(qū)或另一時期可能并不缺少水資源價值的大小是其在不同地區(qū)不同時段的水資源稀缺性的體現(xiàn)。385.3.2水資源價值的內(nèi)涵5.3水資源價值理論資源產(chǎn)權(quán)產(chǎn)權(quán)是交易的先決條件，而資源配置、經(jīng)濟效率和外部性問題等都和產(chǎn)權(quán)密切相關(guān)。從資源配置的角度來看，產(chǎn)權(quán)通常包含以下權(quán)利：所有權(quán)、使用權(quán)、收益權(quán)和轉(zhuǎn)讓權(quán)。產(chǎn)權(quán)體現(xiàn)了所有者對其所擁有資源的一種權(quán)利，是規(guī)定使用權(quán)的一種法律手段。在各種可能的限制條件下，產(chǎn)權(quán)附帶使用權(quán)。395.3.2水資源價值的內(nèi)涵5.3水資源價值理論資源產(chǎn)權(quán)我國憲法規(guī)定：水流（即水資源）等自然資源屬于國家所有；《水法》規(guī)定：水資源屬于國家所有。任何單位和個人開發(fā)利用水資源即是使用權(quán)的轉(zhuǎn)讓，需支付一定的費用405.3.2水資源價值的內(nèi)涵5.3水資源價值理論勞動價值水資源價值中的勞動價值是勞動價值論的具體體現(xiàn)水資源所有者為了在開發(fā)利用和交易獲益中處于有利地位，需要通過水文監(jiān)測、水資源保護、水資源規(guī)劃等一系列手段對其所擁有的水資源數(shù)量和質(zhì)量進行調(diào)查、管理，這些工作所消耗的勞動和資金則使得水資源價值中擁有一部分勞動價值。勞動價值是區(qū)別天然水資源價值和已開發(fā)利用水資源價值的重要性質(zhì)。415.3.2水資源價值的內(nèi)涵未開發(fā)的水資源有沒有價值？5.3水資源價值理論水資源價值稀缺性資源產(chǎn)權(quán)勞動價值425.3.2水資源價值的內(nèi)涵對于不同的水資源及其價值的認識，應(yīng)根據(jù)具體情況分析如：洪水有沒有價值？5.3水資源價值理論價值流價值流是指創(chuàng)造價值的所有過程在商品的價值形成、增值、轉(zhuǎn)移和交換等過程中，人們通過有目的的勞動把自然物（物質(zhì)流）變成經(jīng)濟物（能量流），價值就沿著生產(chǎn)鏈不斷形成、增值和轉(zhuǎn)移，并通過交換關(guān)系得到實現(xiàn)（價值流）。435.3.3水資源價值流5.3水資源價值理論水資源價值流水資源價值流，是指單位水資源量在不同的時空條件下，因自然環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境等因素的差異而導(dǎo)致的水資源價值的變化過程。在水資源形成、轉(zhuǎn)化和使用過程中帶來水資源價值的增值、轉(zhuǎn)移和交換445.3.3水資源價值流5.3水資源價值理論水資源價值流水資源價值流的特點空間變化特性：時空分布；經(jīng)濟發(fā)展不均衡連續(xù)傳遞性：水資源的流動性與傳遞性逆向傳遞性：下游往上游的傳遞政策影響性：宏觀調(diào)控水資源價值流的方向由多用途性和有限性決定455.3.3水資源價值流5.3水資源價值理論水資源的多用途性465.3.3水資源價值流天然水資源（V1）生態(tài)用水生活用水工業(yè)用水農(nóng)業(yè)用水（V2）生活污水工業(yè)廢水農(nóng)業(yè)退水（V3）中水（V4）水資源使用水資源價值實現(xiàn)水資源價值逐漸變小價值還原廢污水處理5.3水資源價值理論有限性475.3.3水資源價值流水資源充裕水資源稀缺單位水資源價值增值5.3水資源價值理論水資源的耦合價值水資源的正價值與負價值單位體積的水資源，其價值可能由于所處狀態(tài)的改變或稀缺程度的改變而變化，可能在正價值與負價值間相互轉(zhuǎn)換耦合價值是水循環(huán)過程中水資源價值總變化量的具體數(shù)值，是綜合指標(biāo)485.3.4水資源的耦合價值天然水資源水資源產(chǎn)品水資源使用污水ⅡⅠ中水污染嚴(yán)重的造紙廠創(chuàng)造的社會價值是正還是負？5.4水資源優(yōu)化配置理論水資源優(yōu)化配置理論的背景有限水資源與不斷增加的需水量間的矛盾水資源在不同用水部門間分配的矛盾系統(tǒng)工程理論的發(fā)展根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，把自然科學(xué)和社會科學(xué)中的基礎(chǔ)思想、理論、策略和方法等從橫的方面聯(lián)系起來，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計算機等工具，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動控制等功能進行分析研究，借以達到最優(yōu)化設(shè)計，最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)。495.4.1水資源優(yōu)化配置的概念5.4水資源優(yōu)化配置理論什么是水資源優(yōu)化配置？對特定范圍內(nèi)有限的水資源優(yōu)化配置給既定的目標(biāo)或地區(qū)，以期達到整體最滿意的效果。在水資源分配過程中，充分考慮人類社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，合理利用水資源系統(tǒng)的時空變異特征，優(yōu)化水資源在地區(qū)之間、部門之間以及上下游、左右岸、經(jīng)濟與生態(tài)與環(huán)境等之間的分配，實現(xiàn)水資源利用的效率與公平。505.4.1水資源優(yōu)化配置的概念5.4水資源優(yōu)化配置理論水資源優(yōu)化配置的作用通過控制社會發(fā)展規(guī)模、調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及節(jié)約用水等措施，使需水量在可供水量允許范圍內(nèi)，減小人類活動對水資源的壓力；通過工程措施和非工程措施，改變水資源系統(tǒng)的時空分布特征，以最大可能滿足經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要，創(chuàng)造最大的綜合效益。515.4.1水資源優(yōu)化配置的概念5.4水資源優(yōu)化配置理論水資源優(yōu)化配置就是運用系統(tǒng)工程理論，將區(qū)域或流域水資源在各子區(qū)、各用水部門間進行最優(yōu)化分配。也就是要建立一個有目標(biāo)函數(shù)、約束條件的優(yōu)化模型。劃分子區(qū)、確定水源途徑、用水部門確定目標(biāo)函數(shù)確定約束條件525.4.2水資源優(yōu)化模型5.4水資源優(yōu)化配置理論目標(biāo)函數(shù)社會效益——用區(qū)域總?cè)彼孔钚”硎窘?jīng)濟效益——用供水效益表示環(huán)境效益——用污染物的最小排放量表示535.4.2水資源優(yōu)化模型5.4水資源優(yōu)化配置理論目標(biāo)函數(shù)現(xiàn)代新思路下的水資源優(yōu)化配置模型，追求社會、經(jīng)濟、環(huán)境綜合效益最大，可以把“社會、經(jīng)濟、環(huán)境綜合效益最大”作為目標(biāo)函數(shù)。對于一般的水資源優(yōu)化配置模型，可以視目標(biāo)要求不同，選擇目標(biāo)函數(shù)。545.4.2水資源優(yōu)化模型5.4水資源優(yōu)化配置理論約束條件從水資源配水系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行分析從社會經(jīng)濟、水資源、環(huán)境相互協(xié)調(diào)方面進行分析555.4.2水資源優(yōu)化模型在水資源配置中，有哪些常見的約束條件？5.4水資源優(yōu)化配置理論水資源優(yōu)化配置模型的一般形式如下：式中，X為決策向量；F(x)為綜合效益函數(shù)；G(X)為約束條件集。含一個目標(biāo)函數(shù)方程是單目標(biāo)優(yōu)化模型含多個（兩個或兩個以上）目標(biāo)函數(shù)方程是多目標(biāo)優(yōu)化模型。565.4.2水資源優(yōu)化模型5.4水資源優(yōu)化配置理論線性規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是線性函數(shù)非線性規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)或約束條件有一個或多個非線性函數(shù)575.4.3優(yōu)化技術(shù)什么是線性函數(shù)、非線性函數(shù)？5.4水資源優(yōu)化配置理論某供水工程年供水能力為6500萬m3，主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活用水，有關(guān)需水量、水價、供水成本、供水要求見下表。確定最優(yōu)配水方案，使供水效益最大。58線性規(guī)劃模型實例用水機構(gòu)最大需水量（萬m3）單位水量效益（元/m3）供水成本（元/m3）供水要求工業(yè)用水

30002.81.5農(nóng)業(yè)用水

50000.60.2最小供水量3000萬m3生活用水

100020.6總計

900059用水機構(gòu)最大需水量（萬m3）單位水量效益（元/m3）供水成本（元/m3）供水要求工業(yè)用水

30002.81.5農(nóng)業(yè)用水

50000.60.2最小供水量3000萬m3生活用水

100020.6總計

9000目標(biāo)函數(shù)：Max(z)=x1*(2.8-1.5)+x2*(0.6-0.2)+x3*(2-0.6)約束條件：x1+x2+x3≤65000≤x1

≤3000

3000≤

x2≤5000

0≤

x3≤1000求解方法：單純形法；Excel規(guī)劃求解；Matlab優(yōu)化工具箱

5.5水資源可持續(xù)利用理論可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的概念最先是在1972年在斯德哥爾摩舉行的世界環(huán)境大會上正式討論1987年，世界環(huán)境與發(fā)展委員會出版《我們共同的未來》報告，將可持續(xù)發(fā)展定義為：“既能滿足當(dāng)代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展（Brundtland，挪威首位女性首相）。”1992年6月，聯(lián)合國在里約熱內(nèi)盧召開的“環(huán)境與發(fā)展大會”，通過了以可持續(xù)發(fā)展為核心的《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》《21世紀(jì)議程》等文件。605.5.1水資源可持續(xù)利用理論概述5.5水資源可持續(xù)利用理論水資源可持續(xù)利用（SustainableUtilizationOfWaterResources）是指保障生態(tài)系統(tǒng)完整性和支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的水資源開發(fā)利用方式。實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是水資源可持續(xù)利用的目標(biāo)。這一目標(biāo)涉及到社會、經(jīng)濟發(fā)展和資源、環(huán)境保護等多個方面，以及它們之間的相互協(xié)調(diào)，同時，也涉及到國際間、地區(qū)間的廣泛合作、全社會公眾的參與等眾多復(fù)雜問題。615.5.1水資源可持續(xù)利用理論概述5.5水資源可持續(xù)利用理論可承載處在可承載的最大限度之內(nèi)，以保證人類福利水平至少處在可生存狀態(tài)，主要針對資源、環(huán)境而言有效益經(jīng)濟增長的質(zhì)量：與資源、環(huán)境的承載能力相協(xié)調(diào)可持續(xù)要考慮