水资源开发利用的发展过程

第三章　水资源开发利用

随着人口的增加，工农业生产的发展，特别是近代工业的兴起，以及城市建设的扩大，人类社会对水资源的需求量越来越大，人类在肆无忌惮地开发利用水资源的同时，人为地改变了水资源的数量、质量和时空分布，世界各国面临的水资源危机便应运而生。如何科学地管好、用好有限的水资源，使有限的水资源发挥最大的经济效益、社会效益和生态效益，保证水资源开发的可持续利用，已成为世界各国面临的重大课题。

第一节　水资源开发利用概述

水资源开发利用：通过各种措施对天然水资源进行治理、控制、调配、保护和管理等，使在一定时间和地点供给符合质量要求的水量，为国民经济各部门所利用。

一、水资源开发

通过水工程和水管理等措施对水资源进行调节控制和再分配，以满足人类生活、社会经济活动和环境对水资源竞争性的需求。社会发展到一定阶段，水资源的原有分布状态，只有通过水工程和水管理对水资源的时间和空间分布进行调控和再分配，才能满足人类的需要。随着社会经济的发展，水资源开发的目的和范围日趋扩大，近现代水资源开发主要包括：

(1)以满足城乡居民生活和工农业生产用水为目的的供水、灌溉、排水工程；

(2)以利用水能为中心目的的水力发电和航运工程；

(3)以保证供水质量和污水处理为目的的水质处理工程；

(4)以水域利用为主的水产养殖和旅游设施等。

从人类开发水资源的发展过程看，大体可分为单一目标开发和多目标开发。多目标开发从单项工程向流域性多项工程和整个地区发展，从单纯为增加经济收益向社会和环境的整体利益发展；水资源开发已成为自然科学、技术科学和社会科学三者高度综合的重要学科。

二、水资源利用

1)全球水资源利用状况

由于自然条件、用水量猛增、水污染严重等多种原因，全球水资源面临严峻的问题。联合国教科文组织2012年3月12日在法国南部城市马赛举行的第六届世界水资源论坛上发布了第四期《世界水资源发展报告》，对全球水资源情况进行了综合分析。

(1)健康方面。全球目前有8.84亿人口仍在使用未经净化改善的饮用水源，26亿人口未能使用得到改善的卫生设施，约有30亿至40亿人家中没有安全可靠的自来水。每年约有350万人的死因与供水不足和卫生状况不佳有关，这主要发生在发展中国家。

(2)农业方面。目前农业用水在全球淡水使用中约占70%，预计到2050年农业用水量可能在此基础上再增加约19%。

(3)生态学方面。靠内陆水生存的24%的哺乳动物和12%的鸟类的生命受到威胁。19世纪末，已有24～80个鱼种灭绝。世界上内陆水的鱼种仅占所有鱼种的10%，但其中1/3的鱼种正处于危险之中。

(4)工业方面。世界工业用水占用水总量的22%，其中高收入国家占59%，低收入国家占8%。每年因工业用水，有3亿～5亿t的重金属、溶剂、有毒淤泥和其他废物沉积到水资源中，其中80%的有害物质产生于美国和其他工业国家。

(5)自然灾害方面。目前与水有关的灾害占所有自然灾害的90%，而且这些灾害的发生频率和强度在普遍上升，对人类经济发展造成严重影响。

2)中国水资源利用现状

经过50多年的规划建设，水资源的开发利用进入了一个新的发展时期，在全国进行了大规模的水利工程建设，取得了巨大的成就。以大江大河堤防为重点的防洪工程建设、危险水库除险加固、解决人畜饮水困难、大型灌区节水改造等取得历史性突破，并通过南水北调、三峡工程、治黄工程等的建设，实现了水资源的合理配置。

(1)供水量及其增长情况

全国总供水量增长情况：1997年为5 623.2亿m3，2000年为5 531亿m3，2001年为5 567亿m3，2002年为5 497亿m3，2004年为5 547.8亿m3，2011年为6 107.2亿m3。其中，地表水占总供水量的81.1%，地下水占总供水量的18.2%，其他水源占总供水量的0.7%(表3-1)。

表3-1　1980年以来全国分区实际供水量及其增长情况

续表3-1

注：地表水包括其他供水量，数据来源于《中国水资源公报》。

(2)用水量及其增长情况

① 全国用水总量持续增长。2000年全国总用水量5 498亿m3，全国用水消耗总量3 012亿m3；2001年全国总用水量5 567亿m3，全国用水消耗总量3 052亿m3；2002年全国总用水量5 497亿m3，全国用水消耗总量2 985亿m3；2004年全国总用水量5 547.8亿m3，全国用水消耗总量3 001亿m3；2006年全国总用水量5 795亿m3，全国用水消耗总量3 042亿m3；2011年全国总用水量6 107.2亿m3，全国用水消耗总量3 201.8亿m3。

表3-2统计表明，随着人口的增长，我国用水总量持续增长，但人均用水量自1980年以来一直维持在450 m3左右，说明在今后一定时期内，实现我国发展目标，保持人均用水量基本稳定，经过努力是可以争取的。

表3-2　1949年以来全国用水量增长情况

注：1949年、1959年、1965年用水量为估计量。2004年以来《中国水资源公报》中没有分“农业和农村生活”、“城市生活”。新统计口径全国用水分为农业、生活、工业、生态环境用水四大部分。

② 用水结构不断调整。灌溉农业用水所占全国用水总量的比重逐年下降，工业用水和城市生活用水量快速、持续上升。2000年农业用水占总用水量的68.8%，工业用水占20.7%，生活用水占10.5%；2001年农业用水占68.7%，工业用水占20.5%，生活用水占10.8%；2002年生活用水占11.2%，工业用水占20.8%，农业用水占68.0%。2006年用水结构中生活用水占12%，工业用水占23.2%，农业用水占63.2%，生态环境补水量(仅包括人为措施供给的城镇环境用水和部分河湖、湿地补水)占1.6%。2011年生活用水占12.9%，工业用水占23.9%，农业用水占61.3%，生态环境补水占1.9%。

③ 南、北方用水增长差别明显。北方用水量占全国用水总量的比重下降，北方农业用水增幅大于南方，北方工业用水增幅小于南方。南方多水地区开发利用程度较低，北方少水地区水资源开发利用程度比较高，其中黄淮海流域(片)地表水开发率最高达52%，如果包括地下水利用量则利用率可达70%左右。

北方用水总量从1980年占全国总用水量的49.3%减少到2011年的45.3%，而农业用水量从占全国农业用水量的51.3%增加到2011年的54.6%，工业用水量从1980年占全国工业用水量的40.7%减少到24.6%。

南方用水总量从1980年占全国总用水量的50.7%增加到2011年的54.7%，而农业用水量从占全国农业用水量的48.7%减少到2011年的45.4%，工业用水量从1980年占全国工业用水量的59.5%增加到75.4%(表3-3)。

表3-3　1980年以来全国分区用水情况

注：2004年另有82亿m3生态用水， 2008年另有生态用水120.2亿m3，2011年另有生态用水111.9亿m3。

④ 用水效益明显提高但仍有很大潜力。全国工农业用水定额不断下降。1980年亩均灌溉水量583 m3，2011年减少为415 m3。工业万元产值用水量从1980年的635 m3减少到2011年的78 m3，并持续减少。

生活用水定额持续上升。城镇生活用水从1980年的117 L/d上升到2011年的198 L/d左右；农村生活用水从1980年的71 L/d左右上升到2011年的82 L/d左右(表3-4)。全国用水效率的区域差异大，节水仍有潜力。

表3-4　1980年以来全国人均、亩均及经济产值用水情况

注: 亩均灌溉水量按实灌面积计算，GDP和工业产值按1990年可比价格折算;2002年以后工业万元产值用水量为万元工业GDP增加值用水量。

资料来源：《中国水资源公报》(1980—2011年).

三、水资源保护

水资源保护与水资源开发利用是对立统一的，两者既相互制约又相互促进。保护工作做得好，水资源才能永续开发利用；开发利用科学合理了，也就达到了保护的目的。水资源保护不是以恢复或保持地表水、地下水天然状态为目的的活动，而是一种积极的、促进水资源开发利用更合理、更科学的活动。水资源保护是指为防止因水资源不恰当利用造成水源污染和破坏，而采取的法律、行政、经济、技术、教育等措施的总和。其核心是根据水资源时空分布、演化规律，调整和控制人类的各种取用水行为，使水资源系统维持一种良性循环的状态，以达到水资源的永续利用。

从广泛的意义上讲，正确客观地调查、评价水资源，合理地规划和管理水资源，既是水资源保护的重要手段，又是水资源保护的基础。从管理的角度来看，水资源保护主要是“开源节流”，防治和控制水源污染。它一方面涉及水资源、经济、环境三者平衡与协调发展的问题，另一方面还涉及各地区、各部门、集体和个人用水利益的分配与调整。这里面既有工程技术问题，又有经济学和社会学问题。同时，水资源保护也是一项社会性的公益事业，需要广大群众的参与。从水量与水质的保护与管理来看，就是通过行政的、法律的、经济的手段，合理开发、管理和利用水资源，保护水资源的质、量供应，防止水污染、水源枯竭、水流阻塞和水土流失，实现水资源的合理利用和科学管理。

1)水资源保护的任务和内容

水资源保护最直接的目的是保护水资源，保证水资源的可持续利用。总体目标是：积极开发利用水资源和实行全面节约用水，以缓解目前存在的城市和农村严重缺水危机，使水资源的开发利用获得最大的经济、社会和环境效益，满足社会、经济发展对水量和水质日益增长的需求，同时在维护水资源的水文、生物和化学等方面的自然功能，维护和改善生态环境的前提下，合理、充分地利用水资源，使得经济建设与水资源保护同步发展。

水资源保护的重要内容和首要任务是实现水资源的有序开发利用、保持水环境的良好状态。主要包括水质调查与监测、水质评价、水质预测预报、水质规划与管理、污水处理、污染源管理、水量开采的监测与管理、水资源保护政策和法规制定等。具体内容如下：

(1)改革水资源管理体制并加强其能力建设，切实落实与实施水资源的统一管理，有效合理分配。

(2)提高水污染控制和污水资源化水平，保护与水资源有关的生态系统。实现水资源的可持续利用，消除次生的环境问题，保障生活、工业和农业生产安全供水，建立安全供水保障体系。

(3)强化气候变化对水资源的影响及其相关战略性研究。

(4)研究与开发与水资源污染控制与修复有关的现代理论、技术体系。

(5)强化水环境监测，完善水资源管理体制与法律法规，加大执法力度，实现依法治水和管水。

2)水资源保护的原则

《环境与资源保护法学》(何立惠，2009)第二十一章第二节中规定的水资源保护的基本原则，是水资源保护及其立法所必须遵循的基本准则，它贯穿于整个水资源保护立法之中。我国水资源保护的基本原则主要有：

(1)水资源国家所有原则。2002年修订颁布的新《中华人民共和国水法》(以下简称《水法》)改变了原《水法》中关于水资源所有权的规定，规定了单一的所有权制，即“水资源属于国家所有，水资源的所有权由国务院代表国家行使”，删除了原《水法》中属于农业集体经济组织所有。

(2)全面规划、综合利用、多效益兼顾原则。为了充分发挥水资源的综合效益，《水法》第四条规定：“开发、利用、节约、保护水资源和防治水害，应当全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合利用、讲求效益，发挥水资源的多种功能，协调好生活、生产经营和生态环境用水。”第二十条：“开发、利用水资源，应当坚持兴利与除害相结合，兼顾上下游、左右岸和有关地区之间的利益，充分发挥水资源的综合效益，并服从防洪的总体安排。”这些规定都体现了“全面规划、综合利用、多效益兼顾”的原则。

(3)节约用水原则。在水资源不足的情况下，实行节约用水是解决水资源供求矛盾的最有效的途径。因此，我国作为一个人均水资源较少的国家，必须实行节约用水原则。

(4)居民生活用水优先原则。无论是发展经济还是保护环境，最终目的都是为了使人们的生活和生存条件变得更加美好。因此，当居民生活用水与工农业生产和其他方面的用水发生矛盾时，应当首先满足居民生活用水的需要。这就是居民生活用水优先原则。为此，我国《水法》第二十一条规定：“开发、利用水资源，应当首先满足城乡居民生活用水，并兼顾农业、工业、生态环境用水以及航运等需要。在干旱和半干旱地区开发、利用水资源，应当充分考虑生态环境用水需要。”，第二十三条规定：“在水资源不足的地区，应当对城市规模和建设耗水量大的工业、农业和服务业项目加以限制”。

第二节　水资源开发利用工程

一、水资源开发利用的发展过程

我国水资源开发利用历史悠久。从上古时代起，我国劳动人民就致力于水旱灾害的防御，几千年来，建设了大运河、都江堰、灵渠等一批著名的水资源利用工程，在抵御水旱灾害方面发挥了一定作用。但是到了19世纪初期，由于帝国主义列强入侵以及连年战争，水利基本上处于停滞状态。1949年中华人民共和国成立后，水资源事业得到迅速发展。

中国开发利用水资源，大致可分为3个阶段：

(1)单一目标开发，以需定供的自取阶段(大禹治水—新中国成立)

这一阶段的主要特点是：对水资源进行单目标开发，主要是灌溉、航运、防洪等。其决策的依据也常限于某一地区或局部的直接利益，很少进行以整条河流或整个流域为目标的开发利用规划。这一阶段，水资源可利用量远大于社会经济发展对水的需求量，给人们的印象是水是“取之不尽、用之不竭”的。

(2)多目标开发，以供定需，综合利用，重视水质，合理利用和科学管水阶段(新中国成立—70年代末)

水资源的开发利用目标由单一目标发展到多目标的综合利用，开始强调水资源统一规划、兴利除害、综合利用。在技术方法方面，通过规划与一定数量的方案比较，来确定流域或区域的开发方式、提出工程措施的实施程序。但水资源开发的侧重点和规划目标以及评价方法，大多以区域经济的需求为前提，以工程或方案的技术经济指标最优为依据，未涉及经济以外的其他方面，如节约用水、水资源保护、生态环境、合理配置等问题。在这一阶段中，由于大规模的水资源开发利用工程建设，可利用水资源量与社会经济发展的各项用水逐步趋于平衡，或天然水体环境容量与排水的污染负荷逐渐趋于平衡，个别地区在枯水年份、枯水期出现供需不平衡的缺水现象。

(3)人与水协调共处，全面节水，治污为本，多渠道开源的水资源可持续利用阶段(70年代末—至今)

在水资源开发利用中开始强调要与水土资源规划和国民经济生产力布局及产业结构的调整等紧密结合，进行统一的管理和可持续的开发利用。规划目标要求从宏观上看，统筹考虑社会、经济、环境等各个方面的因素，使水资源开发、保护和管理有机结合，使水资源与人口、经济、环境协调发展，通过合理开发，区域调配，节约利用，有效保护，实现水资源总供给与总需求的基本平衡。这一阶段中，水的问题日益引起人们的广泛关注，水的资源意识，水的有限性认识为大家所接受。为解决以城市为重点的严重缺水问题，重点兴建了一批供水骨干工程，开展了全民节水工作，使一些城市水资源供需矛盾有所缓解。

二、水资源开发利用的基本原则

(1)统筹兼顾防洪、排涝、供水、灌溉、水力发电、水运、水产、水上娱乐以及生态环境等方面的需求，以取得经济、社会和环境的综合效益。

(2)兼顾上下游、左右岸、各地区和各部门的用水需求，重点解决严重缺水地区、工农业生产基地、重点城市的供水。

(3)合理配置水资源，生活用水优先于其他用水；水质较好的地下水、地表水优先用于饮用水。合理安排生产力布局，与水资源条件相适应，在缺水严重地区，限制发展耗水量大的工业和种植业。

(4)地表水与地下水统一开发、调度和配置。在地下水超采并发生地面沉降的地区，应严格控制开采。

(5)跨流域调水要统筹考虑调出、引入水源流域的用水需求，以及对生态环境可能产生的影响。

(6)重视水利工程建设对生态环境的影响。有效保护水源，防治水体污染，实行节约用水，防止浪费。

三、水资源开发利用工程

水资源开发利用工程简称为水资源工程，通常称水利工程或水工程，其目的是防治水害、开发利用水资源。

水工程按服务对象可分为：

(1)防治洪水灾害工程，如蓄洪工程、分洪工程及堤防工程等；

(2)为农业生产服务的农田水利工程，也称灌溉排水工程；

(3)将水能转化为电能的水力发电工程；

(4)为水运服务的航道及港口工程；

(5)为人类生活和工业用水、处理废污水和雨水服务的城镇供水及排水工程；

(6)为防止水质污染、维护生态环境的环境水利工程；

(7)为防止和治理水土流失的水土保持工程。

为满足经济社会用水要求，人们需要从地表水体取水，并通过各种输水措施传送给用户。除在地表水附近，大多数地表水体无法直接供给人类使用，需修建相应的水资源开发利用工程对水进行利用，也就是说，一般的地表水开发利用途径是通过一定的水利工程，从地表取水再输送到用户。通常按水工程对水的作用主要分为蓄水工程、引水工程、提水工程、蓄引提结合灌溉工程、跨流域调水工程等。

1)蓄水工程

为水资源综合利用而修建的水库、塘坝或在湖泊出口处修建闸坝等起蓄水作用的工程统称为蓄水工程。其中水库为主要蓄水工程。

(1)水库等蓄水工程

大多在跨河道修建，一般由挡水建筑物、泄水建筑物、取(引)水建筑物等组成。由各种建筑物(包括水电站、通航设施等专门性建筑物)集合而成为综合的水利枢纽。

① 挡水建筑物：为拦截河川径流的建筑物。拦截水流，提高水位，调蓄水库需水量。该建筑物分为溢流坝(闸)和非溢流坝两类。溢流坝(闸)兼作泄水建筑物。

② 泄水建筑物：为宣泄洪水或放空水库而设。其形式多样，如岸边溢洪道、溢流坝(闸)、泄水隧洞、坝身泄水孔或坝下涵管等。

③ 取水建筑物：为灌溉、发电、供水和专门用途的取水而设，其形式有进水闸、引水隧洞和引水涵管等。

④ 专门性建筑物：如发电厂房，为通航、过木、过鱼的船闸，升船机，筏道，鱼道等。

(2)水库的特征、水库特征库容

① 水库特征水位

水库工程为完成不同任务在年内不同时期和各种水文情况下，需控制达到或允许消落到的各种水位。国家规定水库特征水位主要有：正常蓄水位、死水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位等(图3-1)。

图3-1　水库特征水位与特征库容划分示意图
资料来源：刘福臣，张桂芹，杜守健，等.水资源开发利用工程[M].北京：化学工业出版社，2006.

· 正常蓄水位是水库在正常运用情况下，为满足兴利要求在开始供水时蓄到的高水位(正常高水位)。正常蓄水位决定水库的规模、效益和调节方式，也在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、形式和水库的淹没损失，是水库最重要的一项特征水位。

· 防洪限制水位是指水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期防洪运用时的起调水位。防洪限制水位的拟定，关系到防洪与兴利的结合问题。

· 防洪高水位是指水库遇到下游防洪对象的设计标准洪水时，在坝前达到的最高水位。只有水库承担下游防洪任务时，才需确定这一水位。此水位可采用相应下游防洪标准的各种典型洪水，按拟定的防洪调度方式，自防洪限制水位开始进行“水库调洪计算”求得。

· 设计洪水位是指水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高水位，也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。

· 校核洪水位是水库遇到大坝的校核洪水时，在坝前达到的最高水位。它是水位在非正常运用情况下，允许临时达到的最高洪水位，是确定大坝坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。

· 死水位是在正常运用条件下水库允许消落的最低水位。死水位必须满足水电站工作时的最低水头和灌溉所需要的水位。

② 水库特征库容

对应于水库特征水位以下或两特征水位之间的水库容积。国家规定水库的主要特征库容如下：(图3-1)

· 兴利库容——它是死水位和正常蓄水位之间的水库容积(亦称调节库容)，用以调节径流，提供水库的供水量或水电站的出力。

· 防洪库容——防洪限制水位至防洪高水位之间的水库容积，用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防洪要求。当汛期各时段分别拟定不同的防洪限制水位时，这一库容指其中最低的防洪限制水位至防洪高水位之间的水库容积。

· 调洪库容——校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积，用以拦蓄洪水，在满足水库下游防洪要求的前提下保证大坝安全。当汛期各时段分别拟定不同的防洪限制水位时，这一库容指其中最低的防洪限制水位。

· 重叠库容——正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积。此库容在汛期腾空作为防洪库容或调洪库容的一部分，汛后充蓄，作为兴利库容的一部分，以增加供水期的保证供水量或水电站的保证出力。

在水库设计中，根据水库及水文特征，有防洪库容和兴利库容完全重叠、部分重叠、不重叠三种形式。在我国南方河流上修建的水库，多采用前两种形式，以达到防洪和兴利的最佳结合、一库多利的目的。

· 总库容——校核洪水位以下的水库容积。它是一项表示水库工程规模的代表性指标，可作为划分水库等级，确定工程安全标准的重要依据。

· 死库容——死水位以下的库容称为死库容。该库容不直接用于调节径流。

(3)实例：中国长江三峡水利枢纽

① 三峡水利枢纽概况

长江是中国第一大河，全长6 300余km，流域面积180万km2，多年平均径流量约9 600亿m3，河长和径流量均居世界第三位。三峡工程(三峡水利枢纽)位于长江干流三峡中的西陵峡，坝址在湖北宜昌市三斗坪，下距已建的葛洲坝水利枢纽40 km(图3-2)，具有防洪、发电、航运等巨大综合效益，是开发和治理长江的关键性骨干工程。

图3-2　三峡水利枢纽地理位置图
资料来源：维基百科·长江三峡水利枢纽工程

· 长江三峡工程为一等工程，以千年一遇为设计标准，千年一遇的洪峰流量为9.98万m3/s，水位为175 m；以万年一遇为校核标准，万年一遇的洪峰流量为11.3万m3/s，校核洪水为11.3×(1+10%)=12.43万m3/s，校核洪水位为180.4 m。

· 三峡工程正常蓄水位175 m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3，兴利库容165亿m3，与防洪库容共用，防洪限制水位145 m，枯期消落低水位155 m，坝顶海拔高程185 m。

· 水电站装机容量。机组单机容量70万kW，初期装机26台，总装机容量1 820万kW，年发电量846.8亿kW；远景扩机后总装机容量可达2 240万kW。可以为华中、华东和重庆市提供重要能源，是国家“西电东送”工程的重要组成。

· 三峡工程为峡谷河道型水库，全长660 km，平均宽为1.1 km，水库面积为1 084 km2；水库蓄水后，库区回水，改善川江通航条件。

② 主要枢纽建筑物

世界八大电站，中国三峡电站居首，三峡工程是具有防洪、发电、航运等巨大综合利用效益的大型工程，主要由拦河大坝、水电站、通航建筑物组成。泄洪段位于河床中部，坝后电站分设泄洪段左右两侧，通航建筑物位于左岸。

· 大坝：混凝土重力坝，坝顶高程185 m，大坝轴线全长2 335 m，底宽115 m，顶宽40 m，泄洪设备建有23个宽7 m、高9 m的深孔和22个净宽8 m的表孔。深孔进水口底高程90 m，低水位运行时泄洪，既可排沙又可泄洪，表孔堰顶高程158 m，校核洪水运行时泄洪。最大泄洪能力10万m3/s，枢纽总泄洪能力为11.6万m3/s。

· 水电站：左岸厂房14台发电机组，右岸厂房12台发电机组，另在右岸预留一个地下电站位置。

· 通航建筑物

船闸。大坝上游最高水位175 m，下游最低水位62 m，上下水位相差113 m。 建双线五级连续船闸，每级22.5 m；船闸由闸室、闸首、引航道三部分组成可通行万吨级船队，年单向下水货运量达5 000万t。

升船机。用于客轮快速过坝，实行客货轮分流。升船机由上游引航道、上闸首、升船机本体和下闸首、下游引航道组成。升船机本体的主件是承船厢。承船厢外形最大尺寸为长132 m，宽23 m，高10 m；重(包括箱内水重)为1.18万t，可以承载3 000 t船舶。以庞大的提升系统用平衡重法升降承船厢，使船舶安全，快运过坝。

③ 三峡水库的调度运行

水库调度按任务可分为兴利调度和防洪调度。调度就是控制水库“蓄水”与“泄水”的时间和量，解决防洪与兴利(发电、航运、供水)的矛盾。

三峡水库中水年调度运行：

· 5月上旬(汛期初)，库水位要求下降到汛期限制水位145 m；

· 5月～8月底始终维持在低水位运行状态；

· 9月初水库开始蓄水，至10月初水位上升到175 m，基本保持到次年一二月初；

· 2月后水位下降渐落，到3月底为150 m。

总之，水库蓄水，枯季末期缓慢下降到汛期限制水位；汛后从9月起迅速上升至正常蓄水位，以尽可能满足发电的要求。

三峡水库防洪调度，也就是蓄与泄，主要取决于中下游洪水大小，尤其是荆江和洞庭湖口城陵矶至武汉江段洪水的大小。

2)引水工程

引水工程主要用于农业灌溉。当河流水量丰富，不经调蓄即能满足灌溉用水要求时，在河流适当地点修建引水建筑物。

引水工程可分为引水口工程和输水工程(渠道、隧洞等)，前者为主要工程。根据水源和用水要求的不同，引水口工程可分为无坝引水工程、有坝引水工程、水库引水工程及提水引水工程等类型。

(1)无坝引水工程

无坝引水是最简单的一种引水方式。它适用于河流的水位、流量都能满足用水要求的情况。无坝引水工程的主要建筑物为渠首进水闸。为了便于引水和防止泥沙进入渠道，进水闸一般应设在河流的凹岸。取水角度θ(渠道轴线与河水流向的夹角)应小于90°。

无坝引水工程不具备调节河流水位和流量的能力，完全依靠河流水位与渠道的取水高程差而实现自流引水，所以引水流量受河流水位的影响较大。

我国四川著名的都江堰(图3-3a，图3-3b)和黄河河套引黄灌溉等工程均为无坝引水工程。都江堰位于四川省都江堰市境内岷江进入成都平原起始段，引岷江水，是灌溉成都平原的大型水利工程。由秦朝蜀郡李冰率领民众所建，相沿2 000多年，是现存世界上历史最长的无坝引水工程。该工程主要由都江鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口、人字堤、百丈堤和内外金刚堤组成，起到岷江内外分水、泄洪排沙、控制引灌水量等作用，灌溉农田300万亩。当时秦朝的四川被称为“沃野千里”，史记中誉为“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之‘天府’也”。后经历朝改建和扩建，现灌区面积已达11 000万亩，成为全国最大灌区。

(2)有坝引水工程

有坝引水是一种能调节河流水位但不能调节河流流量的取水方式。它适用于河流流量能满足用水要求，但水位低于所需高程的情况。河南林县红旗渠渠首引水就是有坝引水工程的一个实例。有坝引水工程需修建壅水坝或拦河闸，以抬高河流水位，保证渠首自流引水。其他建筑物有导水墙、沉沙道、冲沙闸和进水闸等，其工程布置如图3-4所示。

图3-3a　都江堰渠首枢纽布置及都江堰鱼嘴结构图
资料来源：中国水利国际合作与交流网.都江堰[EB/OL][2014-04-01].
http://www.chinawater.net.cn/guojihezuo/cwsarticle view.asp?cwsnewsicl=22150

图3-3b　都江堰灌区示意图
资料来源：王静爱，左伟.中国地理图集[M].北京：中国地图出版社，2010.

图3-4　有坝引水枢纽
资料来源：自绘

(3)水库引水工程

水库引水是一种既能调节河流水位又能调节河流流量的从水库中引水的方式。它适用于天然河流的水位和流量均不能满足用水要求的情况。与前两种引水方式相比，水库引水对水的利用最为充分。

3)提水工程

将地面水或地下水提取到较高处供水的工程为提水工程，常为农业灌溉供水，也可为城镇生活供水。该类工程又可分为地面水提取工程和地下水提取工程，适用于水源较低、灌区或其他用水区位置较高，不能自流引水地区。

(1)地面水提取工程

该工程又称抽水站或泵站，主要用于农业灌溉。根据其作用的差异，抽水站可分为灌溉抽水站、排涝抽水站及灌排结合抽水站。灌溉抽水站多建于山丘区，排涝抽水站建于低洼圩区，灌排结合抽水站建于平原圩区。灌溉抽水站站址应根据水源、干渠渠首位置、地形和地基等条件来选定。灌排结合抽水站站址的选择应兼顾灌溉和排涝的要求。灌区内部的蓄水工程有水库、塘堰、洼地、湖泊等。

(2)地下水提水工程

机井为主要的地下水提水工程，在地表水资源缺乏但地下水丰富地区可利用机井进行农业灌溉。城镇生活用水和工业用水也有以机井提水供水的。

坎儿井是中国新疆吐鲁番盆地及其附近干旱地区特有的井灌技术。坎儿井是引取渗入地下的雪水进行灌溉的工程形式，以解决灌溉水源因蒸发强烈而水源损耗大的问题。坎儿井的修建是先挖一竖井探明地下含水层后，然后在其上游每隔80～100 m，下游每隔10～20 m，再各挖一系列竖井，其深度逐渐向下游减少，如图3-5所示。将连接各竖井之间的地层挖成高约2 m、宽约1 m的暗渠作为输水渠道。暗渠长度不一，短的2～3 km，最长的可达30 km。每条暗渠可灌田800～1 000 亩，小的灌100亩以下。暗渠水流经田庄处，便使其流出地面，自流灌溉。末端明渠处常建有小蓄水池供蓄水灌溉用。

图3-5　坎儿井结构示意图
资料来源：刘明光.中国自然地理图集[M].北京：中国地图出版社，2010.

4)蓄引提结合灌溉工程

为充分利用地表水资源，最大限度地发挥各种取水工程作用，将蓄水、引水和提水联合运用的农田灌溉方式称为蓄引提结合灌溉。蓄引提结合灌溉系统主要由渠首工程、输配水渠道系统，以及灌区内的中小型水库、塘堰和提水设施组成。该灌溉工程国内俗称“长藤结瓜”式灌溉系统。

5)跨流域调水工程

利用河渠、管道、隧洞等工程设施，将水从一个流域输送到另一个或几个流域，实现流域间水量转移。国内外常以跨流域调水解决缺水流域的供需水矛盾。

中国南水北调工程分东、中、西三条调水线路，分别从长江上游、中游和下游通过调水工程将长江水输送到华北、西北地区，以缓解这些地区水资源短缺问题。

调水工程是上述蓄引提三工程的综合运用，只是调水量、调水距离及工程规模更大。如南水北调的东线工程，从江苏扬州附近的长江干流引水，利用京杭运河及与其平行的现有河道输水，提水总扬长65 m，设13级泵站，中途以洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖作为调节水库，地下穿过黄河后，地势南高北低，可自流到天津，输水主干线1 156 km，从东平湖向山东半岛输水线路长701 km。工程的主要受水区为黄淮海平原东部及山东半岛。工程分三期建设，一期工程已于2013年全部完工，供水能力为90亿m3左右，三期工程全部建成后，总供水将达到148亿m3(图3-6)。

图3-6　南水北调工程线路图
资料来源：博客网.南水北调工程及线路图.

第三节　水资源开发利用对水环境影响

过去人们在开发利用水资源时，主要研究不同自然环境下的水资源量，以及如何开发利用；但在大规模开发利用水资源时，主要研究其对自然环境，特别是对水环境的影响，受其直接影响的是水生环境。

一、水体的污染

水体的污染简称水污染。主要指人类活动排放污染物进入水体，影响水的有效利用，危害人体健康或破坏生态环境，恶化水质。水体污染类型分为有机污染、重金属污染、化肥农药污染、放射性污染、病原微生物污染及热污染等。

水体污染源，即水体污染物来源。人为污染源指人类生产和生活所形成的污染源，按污染物发生源地分为工业污染源、生活污染源、农田污染源；按进入水体方式分为点源污染、面源污染和内源污染。

(1)点源污染：一般指有确定的空间位置、污染物数量大且较集中的污染量，可以是一座城市、大型工矿企业、大型养殖场，也可以指一个具体的排污口。点源污染量大而集中，易于形成较集中的污染区、污染带，该污染较易监测控制。

(2)面源污染：又称非点源污染，无确切的空间位置，污染物以相对分散的方式进入地表水或地下水，主要来自农田排水和水体周边地表堆积的各种垃圾和有害有毒物质。由于面源污染范围大而分散，监测和防治均较困难。

(3)内源污染：指污染物进入水体后，经长期的积累沉淀、附着，缓慢而持久地向水体扩散有害有毒物质，形成水体的二次污染。监测和防治最为困难，一般是清淤挖除底泥，治理成本高。

全国污水排放量逐年增加，河流、湖泊、水库、海洋、地下水都受到了严重的污染。据水利部门统计，2008年全国废污水排放总量758亿t，2009年全国废污水排放总量768亿t，2011年全国废污水排放总量807亿t。

1)河流的污染

2006年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系的197条河流408个监测断面中Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为46%、28%和26%。2008年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系的200条河流409个监测断面中Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为55%、24.2%和20.8%。2011年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南诸河和内陆诸河十大水系监测的469个国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为61.0%、25.3%和13.7%。2011年海河是污染最严重的一条河流，主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷。63个国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为31.7%、30.2%和38.1%。

2)湖泊和水库的污染

我国湖泊普遍遭到污染尤其是重金属污染和富营养化问题十分突出。多数湖泊的水体以富营养化为特征，主要污染指标为总磷、总氮、化学需氧量和高锰酸盐指数。2011年监测的26个国控重点湖泊(水库)中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的湖泊(水库)比例分别为42.3%、50.0%和7.7%。中营养状态、轻度富营养状态和中度富营养状态的湖泊(水库)比例分别为46.2%、46.1%和7.7%。在几大湖泊中，75%以上的湖泊富营养化，尤以太湖、巢湖和滇池污染最为严重。与2010年相比，滇池由重度富营养状态好转为中度富营养状态，白洋淀由中度富营养状态好转为轻度富营养状态，鄱阳湖、洞庭湖和大明湖由轻度富营养状态好转为中营养状态；于桥水库、大伙房水库和松花湖由中营养状态变为轻度富营养状态；其他湖泊(水库)营养状态均无明显变化。

3)地下水的污染

2008年，根据641眼监测井的水质监测资料评价结果显示，水质适合于各种使用用途的Ⅰ～Ⅱ类监测井占评价监测井总数的2.3%，适合集中式生活饮用水水源及工农业用水的Ⅲ类监测井占23.9%，适合除饮用外其他用途的Ⅳ～Ⅴ类监测井占73.8%。2011年，全国共200个城市开展了地下水水质监测，共计4 727个监测点，优良-良好-较好水质的监测点比例为45.0%，较差-极差水质的监测点比例为55.0%。地下水超采与污染互相影响，形成恶性循环。水污染造成的水质型缺水，加剧了对地下水的开采，使地下水漏斗面积不断扩大，地下水水位大幅度下降；地下水位的下降又改变了原有的地下水动力条件，引起地面污水向地下水倒灌，浅层污水不断向深层流动，地下水水污染向更深层发展，使地下水污染的程度不断加重。

4)海洋的污染

2011年全海域海水中无机氮、活性磷酸盐、石油类和化学需氧量等指标的综合评价结果显示，我国管辖海域海水环境状况总体较好，但近岸海域海水污染依然严重。符合第一类海水水质标准的海域面积约占我国管辖海域面积的95%，符合第二类、第三类和第四类海水水质标准的海域面积分别为47 840 km2、34 310 km2和18 340 km2，劣于第四类海水水质标准的海域面积为43 800 km2，比2010年略有下降。四个海区中，渤海和黄海的劣四类水质海域面积分别增加了990 km2和3 010 km2，东海和南海的劣四类水质海域面积分别减少了3 110 km2和5 120 km2。主要污染区域分布在黄海北部近岸、辽东湾、渤海湾、江苏沿岸、长江口、杭州湾、浙江北部近岸、珠江口等海域。近岸海域主要污染物质是无机氮、活性磷酸盐和石油类。南海中南部中沙群岛及南沙群岛海域水质状况良好，海水中无机氮、活性磷酸盐、石油类和化学需氧量等指标均符合第一类海水水质标准。

表3-5　2007—2011年全海域未达到第一类海水水质标准的各类海域面积(单位：km2)

续表3-5

注：数据来源于《中国海洋环境质量公报》(2007—2011年).

二、水文特性的改变

人类通过兴建各类水利工程除害兴利，有效利用水资源。但是，自20世纪50年代以来，用水量激增，水利工程随之增多，其弊端日益明显，河流水量骤减和断流，湖泊水位下降和湖面萎缩，水库阻断河流的完整生态系统，地下水超采导致地下水位下降、地面沉降及海水入侵等。

1)引用水量过大，黄河下游断流

黄河下游自1972—1999年的28年总共发生断流72次，累计断流时长1 058天。根据1972—1999年断流资料分析如下：

(1)断流基本特征

① 断流的空间特征—— 20世纪70—90年代，断流河长逐年向上延伸而增加，黄河下游断流从河口向上延伸，平均断流河长291 km(接近济南泺口站)，占下游河长(768 km)的38%；断流河长最长的是1997年，断流河长704 km，占下游河长的92%；断流河长最短是1991年，断流河长131 km，占下游河长的17%。

表3-6　黄河利津站断流情况统计表

资料来源：马柱国.黄河径流量的历史演变规律及成因[J].地理物理学报，2005，48(6)：1270-1275.

② 断流的时间特征。从1972年起到1999年的28年间，黄河下游有22年断流，而1996、1997、1998年连续三年的断流时间均超过100天，1998年则长达144天。从70年代到90年代，断流天数增多，平均断流天数逐年增加，从12.3天增至102.4天。黄河断流呈现一定的季节变化，每年5～7月是断流的多发季节，6月份最为集中。这种情况在2000年以后得到了改变，2000年之后黄河没有出现明显的断流。

(2)黄河下游断流原因

黄河是地上河，具有向两岸(左岸主要是海河流域, 右岸主要是淮河流域)送水的良好条件。黄河断流是两岸从黄河引水后在其下段所造成的干涸现象。黄河断流的原因有很多，主要分为自然原因和人为原因。

① 自然原因对黄河断流的影响。根据观测，20世纪70年代开始，太阳辐射量在不断增强，地球气温不断升高，蒸发加强，使我国黄河流域乃至华北、西北地区更加干旱,从而对黄河断流有很大的影响；20世纪90年代中期，处于太阳黑子两个极值年之间，导致我国的季风势力较往年减弱，尤其表现在黄土高原和华北地区，使季风降雨带多徘徊于长江中下游地区，造成我国华北干旱显著(如1997年黄河断流最严重)，用水量增加，从而对黄河断流影响很大；当今世界处在第四纪的亚间冰期，气温逐年上升，降水量逐年下降，尤其在黄河流域，出现干旱气候，黄河河南花园口以上流域1990—1995年间平均降水量减少12%；1912年以后至20世纪90年代，北半球火山活动相对较少，大气混浊程度减少，可以吸收更多的太阳辐射。因此气温增高，形成一个温暖期，蒸发加强，气候变得干燥。另外，黄河流域径流的补给主要靠降水，而降雨的年内分配不均匀，且年际变化大。降水量本来就不充沛，水资源不足，进入温暖期后蒸发加强，降水减少，旱情加重，水资源供求关系更加吃紧。黄河下游流经华北平原，河床宽坦，水流缓慢，泥沙大量淤积，成为世界上著名的地上河，使该段黄河不仅得不到两岸地下含水层的水源补给，反而要用河水下渗补给地下含水层，越是干旱越是下渗严重。黄河径流主要来自于中上游以降水补给为主的地表径流与地下径流，流域内降水量的下降直接减少了径流的水源补给量，最终导致黄河断流现象出现。

② 黄河断流的人为原因：

· 长期的滥砍滥伐使黄河流域的植被覆盖严重缩减，土地的蓄水保水能力下降。植被状况的恶化对黄河断流影响很大，黄河流域的森林覆盖率远低于全国平均水平，其生态破坏的趋势远未能得到根本性的遏制，甚至于有所发展。水土流失量大，使得土地蓄水、保水性能很差。生态环境的恶化、森林的消失是造成黄河洪灾与断流并存的人为原因。

· 随着城市的迅速发展，城市生活用水和工业用水急剧增多，加上用水浪费，导致黄河水资源严重减少。黄河供水地区年均耗水量逐步增加，而同时年均降水量反而有所下降。水资源供需矛盾尖锐，黄河水资源供远小于求，再加上黄河流域水污染程度逐年加重，水体质量的下降，降低了黄河水资源的开发利用率，水资源供需矛盾更加尖锐。

· 黄河流域的农业灌溉方式一直得不到改善，用水量大，水资源利用率低。粗放经营的农业生产方式使黄河水资源的有效利用率不及40%，水资源浪费严重。农业灌溉用水即占全河流用水总量的90%以上，而引黄渠每立方米水费仅为0.36分，远远低于供水的生产成本，低廉的水价难以引起人们的节水意识。

· 化石燃料的大量使用加剧温室效应，导致气候持续变暖。随着工业、交通运输业的发展，世界能量的消耗迅速增长。二氧化碳等温室气体产生的温室效应，加速了气温的升高，蒸发量增大，降水减少，干旱加剧。城市的热岛效应形成局部的热力环流，导致降水量比郊区多，一般可增加5%～10%。近年来，众多的城市群对进入大陆空气中的水分有明显的“截流”作用，使之在当地产生降水，减少了进入内陆(如黄河中上游地区)的水量，使黄河主要补给区降水减少。

(3)缓解断流对策

① 调整农业产业结构，提高水资源有效利用率。适当控制灌溉面积，调整作物结构，压缩耗水量大的水稻种植面积；改造灌区输水设施提高其利用系数；推广节水技术和节水方法；适当提高农业用水水价。

② 加强水土保持，减少入黄泥沙。严格执行《中华人民共和国水土保持法》，按照《全国生态环境建设规划》、《黄河流域黄土高原地区水土保持建设规划》的总体部署，统一规划，综合治理。以多沙粗沙来源区为重点，以小流域为单元，实行山、水、田、林(草)、路综合治理。从山顶(梁、峁、塬)到山坡，植树种草，加大退耕还林(草)力度；在侵蚀沟道修建治沟骨干坝、淤地坝等，形成治沟坝系工程；大力开展塘坝、水窖、涝池、旱井等小型蓄水保土工程建设。

③ 加快骨干工程建设，科学调配水量。随着黄河干流水利工程的建设完成及调节作用的发挥，特别中游水利工程建设的完成使得社会经济发展对水的需求以及防洪减淤的需要得到满足。21世纪以来，黄河下游连续多年未发生断流，主要是上游工程放弃发电水量，增加中下游来水，以及小浪底工程水量调配的结果。

④ 流域外水量的调入。在节水前提下，从流域外调水，即实现南水北调，进行适当补水是解决缺水的根本方法。

2)超采地下水引发地面沉降

地面沉降是地表面在铅直方向发生的高程降低的现象。产生地面沉降除自然地质作用外，主要是超采地下水的人为原因。地面沉降造成的危害，包括损坏建筑物和生产设施，造成近海平原或低洼地区排水困难，土地盐碱化加重，更易遭受洪水和海潮侵袭。地面沉降是目前世界上许多取用地下水的平原井灌区共同面临的严重问题。因开采地下水，美国的长滩市地面下降9.5 m，日本东京4.6 m、大阪2.88 m，墨西哥城为6 m；美国加利福尼亚州、泰国曼谷、日本东京、意大利威尼斯、英国伦敦都是世界上地面沉降强烈地区，部分沿海滨海城市甚至面临着市区被淹没的危险。中国最早发现地面沉降的是上海，地面沉降不易察觉，但易造成十分严重的后果。生态和工程学家研究认为，地面下沉还能致使地下水遭受污染和造成某些地区发生大地震。华北平原大量开采地下水已经使地下水储存量减少约1 300 亿m3，因为超采造成的浅层地下水漏斗超过2万km2，深层地下水漏斗7万km2，已经成为世界上最大的地下水漏斗。由于过量大面积抽取地下水，截至2012年9月，河北省已有20多个地下水漏斗区，造成地下水漏斗与地面沉降，进而导致地下水污染。

2011年，20个省级行政区对地下水位降落漏斗(以下简称漏斗)进行了不完全调查，共统计漏斗70个，年末总面积6.5万km2。在36个浅层(潜水)漏斗中，年末漏斗面积大于500 km2的有12个，以河南安阳-鹤壁-濮阳漏斗、山东的淄博-潍坊和莘县-夏津漏斗面积较大，分别达6 660 km2、5 422 km2和3 696 km2；年末漏斗中心水头埋深大于20 m的有24个，以甘肃山丹县城关镇漏斗最深，为132 m。在34个深层(承压水)漏斗中，年末漏斗面积大于500 km2的有15个，以天津的第Ⅲ含水组漏斗、第Ⅱ含水组漏斗和江苏南通第Ⅲ含水组漏斗面积较大，分别为7 145 km2、4 983 km2和3 580 km2；年末漏斗中心水头埋深大于50 m的有11个，以西安市城区严重超采区漏斗、山西太原漏斗、山西运城漏斗和天津第Ⅲ含水组漏斗较深，超过了100 m。2011年，年末与年初相比，浅层漏斗面积扩大的有11个，中心水位下降的有10个；深层漏斗面积扩大的有11个，中心水头下降的有18个。2003年以来，平原区地下水位降落漏斗总体状况有所好转。深层漏斗中，江苏苏锡常漏斗面积减小2 612 km2；河北的冀枣衡深层漏斗已经演变为东滏阳区漏斗和南宫琉璃庙区漏斗，漏斗面积在2003—2006年期间有所增加，但在2006年以后面积逐年减少。浅层漏斗中，山东单县、莘县-夏津漏斗面积分别减小6 360 km2、2 612 km2。

3)超采地下水引起海水和地下咸水入侵

濒临海水及原生地下咸水的地区，由于地下淡水的长期过量开采，超过了其天然补给恢复能力，从而改变了地下水的天然流场，导致与淡水接壤的海(咸)水沿含水层向淡水区方向潜移、补给，占领和侵染了部分淡水分布地段，造成该地段水质恶化的现象称为海(咸)水入侵。导致沿海一带海水入侵问题的主要原因是水资源的开发，尤其是地下水的强烈开采。我国的渤海、黄海、南海沿岸不少地区都有海水入侵问题，其中山东、辽东半岛、台湾屏东地区最为突出，河北、江苏、广西等地也有发生。

山东省海水入侵较严重的是龙口、莱州；咸水入侵较严重的是昌邑、寿光，这两个最具代表性区域的入侵面积均随着降水量和水资源开发利用程度的变化而变化，具有明显的互动性。辽东半岛的海水入侵主要出现在大连地区，市区和近郊出现了十余个入侵地段，总入侵面积达223.5 km2，若干个供水源地报废。