关于“蓝水”

第一章　水资源学概论

水是生命之源，在地球上一切生命活动都起源于水。水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。随着人口规模与经济规模的急剧增长，水资源的需求量不断增大。同时人类社会的高度发展对水环境造成了破坏乃至恶化，水资源短缺问题已成为全球性的战略问题。水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化，已成为未来人类可持续发展的主要限制因子之一。因此，针对水资源进行研究，掌握自然环境中水资源的运行、资源化利用、水资源消耗、污染治理及保护等基本问题是实现水资源可持续利用的关键性基础科学问题。

第一节　水资源的概论

人类对水资源的认识已经历了很长时间，并进行了一系列的研究。目前，学术界对水资源的定义尚未达成一致。各国学者从不同的角度对水资源进行了阐述，提出了许多具有重要意义的概念，不断加深了人类对水资源内涵的理解与认识。

一、水资源的概念

水是地球自然界最重要的组成部分，是人类及万物生存发展的基础。水资源可以理解为是人类长期生存、生活和生产活动中所需要的各种自然水，既包括数量和质量的含义，又包括使用价值和经济价值。水资源可以定义为：地球上目前和近期人类可直接或间接利用的水量的总称，是自然资源的一个重要组成部分，是人类生产和生活中不可缺少的资源。

水资源的定义有广义及狭义之分。广义水资源，指地球上水的总体。自然界中的水以固态、液态和气态的形式，存在于地球表面和地球岩石圈、大气圈和生物圈之中。因此，广义的水资源包括：地面水体，指海洋、沼泽、湖泊、冰川等；土壤水及地下水，主要存在于土壤和岩石中；生物水，存在于生物体中；气态水，存在于大气圈中。狭义的水资源，指逐年可以恢复和更新的淡水量，即大陆上由大气降水补给的各种地表、地下淡水的动态量，包括河流、湖泊、地下水、土壤水等。在水资源分析与评价中，常利用河川径流量和积极参与水循环的部分地下水作为水资源量。对于某一个流域或地区而言，水资源的含义则更为具体。广义的水资源就是大气降水，主要由地表水资源、土壤水资源和地下水资源三部分组成。在一定范围内，水资源存在两种主要转化途径：一是降水形成地表径流、壤中流和地下径流构成河川径流；二是以蒸发和散发的形式通过垂直方向回归大气。河川径流一般称之为狭义水资源，主要包括地表径流、壤中流和地下径流。流域水资源的一般组成如图1-1所示。此外，水资源的定义是随着社会的发展而发展变化的，具有一定的时代性，并且出现了从非常广泛外延向逐渐明确内涵的方向演变的趋势。由于出发点不同，相对于特定的研究学科，都从各个学科角度出发，提出了本学科涵义以及研究对象的明确定义。

图1-1　流域水资源组成示意图
资料来源：左其亭，窦明，吴泽宁.水资源规划与管理[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

水资源由于自身的特性，其具有自然属性和社会经济属性两方面的属性。

自然属性——自然界天然存在，受自然因素控制，是参与自然界循环与平衡的重要因子。

可利用性——水的类型多，有淡水、微咸水、中咸水、咸水、肥水；各种形态，气、固、液；赋存类型，地下水、地表水等。在自然生态环境和社会经济环境中水的用途广泛，要求不一。

数量与质量兼顾性——在数量上要足够，在质量上满足需要，在一定条件下是可以改变的。

时变性——是否是水资源在很大程度上取决于经济技术条件，今天认为或不能作为水资源的水随着经济技术的发展也可能成为水资源。

二、国外水资源的不同定义

国外水资源的概念是1894年最早由美国国家地质调查局(United States Geological Survey,简称USGS)提出并开始应用的，并于当年设立了世界第一个水资源处(Water Resources Discipline,简称WRD)。1963年，英国通过了《水资源法》，并在《水资源法》中将水资源定义为“具有足够数量的可用水”，即自然界中水的特定部分。1965年，美国通过了“水资源规划法案”，同时成立了水资源理事会(Water Resources Council，简称WRC)，此时水资源具有浓厚的行业内涵。1988年，联合国教科文组织(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization,简称UNESCO)和世界气象组织(World Meteorological Organization,简称WMO)共同制订的《水资源评价活动——国家评价手册》，将水资源定义为：作为资源的水应当是可供利用或有可能被利用的，具有足够数量和可用质量，并可适合某地对水的需求且能长期供应的水源。1989年，美国地质调查局水资源处的定义为：水资源为陆面地表水和地下水的总称，未包括海洋水。《不列颠百科全书》中给出：水资源为自然界一切形态(液态、固态和气态)的水，由于《不列颠百科全书》的权威性，该解释曾被广泛引用。

三、国内水资源的不同定义

我国拥有悠久的水资源开发利用历史，在两千多年的实践过程中逐渐形成了具有中国特色的水利科学技术体系，并建设了一系列著名的水利工程，如秦代李冰主持修建了举世闻名的都江堰工程，科学地解决了江水的自动分流、排沙等水文难题，根治了水患，使川西平原成为“天府之国”。隋代开凿的京杭大运河，是世界上开凿最早、最长的运河，对沟通我国南北，促进社会经济发展发挥了巨大的推动作用，是我国古代水资源开发利用、水利工程建设的杰出代表之一。陈家琦和钱正英(2003)认为：广义的水资源是指在地球的水循环中，可供生态环境和人类社会利用的淡水，它的补给来源是大气降水，它的赋存形式是地表水、地下水和土壤水。其中把对生态环境的效用也理解为水资源的价值，但是对其他要素作了较多的限定。随着社会经济的不断发展，水资源概念的内涵将得到不断地发展与丰富。

水资源这个名词在中国出现只是近几十年的事情，“水利资源”和“水力资源”的用法较“水资源”早。水资源定义的不断演化过程，也表明人类在水资源方面的知识和理解是一个不断深化的过程，不同学科对水资源的认识存在学科方面的认知差异。

《中国农业百科全书·水利卷》定义水资源为：可恢复和更新的淡水量。详分为：

永久储量：更替周期长，更新极为缓慢，利用消耗不能超过其恢复能力；

可恢复的储量：参与全球水文循环最为活跃的动态水量，逐年可更新并在较短时间内可保持动态平衡，是人类常利用的水资源。

《中国大百科全书》在不同卷中对水资源作了不同解释：

“大气科学·海洋科学·水文科学卷”中对水资源的定义是“地球表层可供人类利用的水”，包括水量(质量)、水域和水能。

“水利卷”中对水资源的定义为“自然界中各种形态(气态、液态或固态)的天然水”，并把可供人类利用的水作为“供评价的水资源”。

“地理卷”中对水资源的定义是：“地球上目前和近期人类可直接与间接利用的水资源，是自然资源的一个重要组成部分”。随着科学技术的发展，被人类所利用的水逐渐增多。

1)水资源涵义的拓展

当今世界，随着水资源短缺程度的加剧和水资源开发利用技术的发展，人类开发利用水资源水平的提高，以及对水资源认识的不断深化，水资源涵义也在不断拓展。如“洪水资源化”、“污水资源化”、“咸水和海水的利用和淡化”、“农业中的土壤水利用”，以及“人工增雨(雪)”、“雨水集蓄利用”等技术的发展，将进一步拓展水资源的范畴。

2)水资源量组成

一般认为“可供利用”是水资源的主要特征，而不是指地球上一切形态的水。可供利用即水源可靠，数量足够，且可通过自然界水文循环不断更新补充的水，大气降水为补给来源。水资源种类/组成按照其类型可分为海洋水、地下水、土壤水、冰川水、永冻土底冰、湖泊水等(图1-2)。

图1-2　水资源组成示意图
资料来源：自绘

四、关于“蓝水”、“绿水”与 “虚拟水”之说

1993年瑞典水文学家 M.富肯玛克(Malin Falkenmark)针对雨养农业和粮食安全问题而首次提出了“蓝水”(Blue Water)和“绿水”(Green Water)，将降水在陆地生态系统中分割成“蓝水”和“绿水”两部分。前者为降水中被形成的地表水和地下水部分，是可见的液态水；后者是降水下渗到非饱和土壤层中用于植物生长的水。

中科院院士刘昌明则认为：地球上的淡水资源可分为“蓝水”和“绿水”两部分。“绿水”是分子状态的水和受分子引力约束的水分，包括气态水、土壤颗粒束缚的土壤水，在流域水文循环中由降水转化而来，转化的动力主要是热力作用；“蓝水”是重力赋存或受重力作用而流动的液态水，主要是降水产生和补给的地表水和地下水，它们的流动与转化动力是重力作用。“蓝水”通常是水利工程容易开发的对象，人们称其为“工程水资源”。“绿水”是广泛供给陆生生态系统，主要是绿色植物、作物的使用，并气化为水汽逸散于大气。

“虚拟水”(Virtual Water)概念由Tong Allan 于 1993 年提出，是指包含在世界粮食贸易中的水资源量，后来延伸到包括隐含于水密集型产品中的水资源量。目前，虚拟水被定义为生产商品和服务所需要的水资源数量。虚拟水不是真实意义上的水，而是以虚拟形式包含在产品中的看不见的水，因此也被称为嵌入水或外生水。由产品贸易引起虚拟水的转移就是虚拟水贸易，而虚拟水战略则是指贫水国家或地区通过贸易方式从富水国家或地区购买水密集型产品，从而获得水和粮食的安全。以往人们对水和粮食安全都习惯于在问题发生的区域范围内寻求解决方案，虚拟水战略从系统的角度出发分析与问题相关的各种影响因素，并从问题发生的范围之外找寻解决问题的应对策略。目前，虚拟水已经成为国际前沿研究领域，诸多学者针对虚拟水的内涵、估算等开展了多方面的理论和实证研究。当前许多国家也正在以虚拟水的形式解决国内水资源短缺问题。

第二节　水资源学研究对象

水资源学在其成长过程中，其研究对象主要可以归结为三个部分：①水资源的形成、演化、运动机理和分布规律。主要研究每年通过全球水文循环不断更新补充的地表水和地下水，包括大气水、降水、地表水、土壤水、地下水相互转化机理和变化以及不同流域的水资源量及其开发潜力。②水资源的合理开发利用。水资源合理开发利用的核心是合理配置，研究水资源评价、水资源供需平衡，目标是使水资源的合理利用能适应社会和经济可持续发展的要求。③水资源与环境、生态系统的关系。研究水资源开发利用与环境、生态系统的协调，变化环境中水资源的变化规律及其对策。

(1)水资源的形成、演化、运动机理和分布规律研究的主要对象是地球水资源本身。地球上包括大气层、地表和地下一切形态的水，总储量约13.86亿km3，其中大部分是人类不能直接利用的海洋咸水。与人类生存和发展关系密切的淡水储量不过是水总储量的2.53%，且其中约有70%以上是以难以利用的两极和高山冰川以及永冻土中的固态冰的形式存在。与人类社会发展息息相关的主要是通过全球陆地水循环不断更新的地表水(主要包括河川径流、淡水湖泊、沼泽等淡水资源)，这就是目前水资源学的主要研究对象，研究其自身形成、演化、运动过程及人类对其的影响等，从一定意义上讲，水文学是水资源学的基础。

(2)水资源的合理开发利用。水资源合理开发利用是人类可持续发展概念在水资源问题上的体现。要做到水资源合理开发利用，需注意以下几点：①水资源的开发力度必须加以限定。在当今技术条件下，人类还做不到完全按人的意志调控整个水资源系统并避免产生不良后果。因此，开发利用量一般不得超过水资源系统的补给资源量，即水循环所能提供的可再生水量。②水资源的开发利用应尽可能满足社会经济发展的需要。各种开发利用方案的制订应紧密结合经济规划，不仅应与现时的需水结构、用水结构相协调，而且应为今后的发展和需水、用水结构的调整保留一定的余地。此外，在整个开采规划中，既要保证宏观层次用水目标的实现，又要尽可能照顾到各低层次的局部用水权益。③尽可能避免水资源开发利用所造成的各种环境问题。大规模的水资源开发利用是对天然水资源系统结构的调整，是水量、水质在空间上重新分配的过程。水资源的开发利用不仅要注意水量的科学分配、水质的保护，也要密切注意因水位的变异而带来的不良环境问题。对一些环境脆弱地区，尤其要注意对水位加以控制。④遵循经济最优化、技术可行的原则开发利用水资源。水资源的开发利用既要考虑供水的需要，又要考虑经济效益问题，包括水资源开发工程的投入-产出效率、水的价值，尽可能做到以最小的投入换取最大的经济回报。

(3)水资源与环境、生态系统的关系。水资源作为全球生态系统中不可或缺的组成部分，在水环境、生态环境保持，维持生态系统正常运转方面具有重要的作用。水资源的开发利用，要注重水资源和环境、生态系统正常需水量的协调，满足人类对水资源需求的前提下，做到不影响乃至改善水资源在水环境和生态系统方面的作用，尽量避免水资源开发利用产生的副作用。正确认识并处理好水资源与环境和生态系统间的关系，协调好水环境健康、生态系统正常运转所需的水资源量，在水资源的开发利用过程中注重水环境、生态系统生态需水量的满足，尽可能减少水资源开发利用带来的环境及生态负效应。

综上所述，水资源学是对水资源利用、管理配置、评价和水资源保护，并为人类社会经济可持续发展提供可持续利用水资源的一门学科，处理好水资源和社会经济发展及环境、生态系统间的关系，以及对水资源实行科学管理和保护、水资源最大效用化利用经验的系统总结所形成的知识体系，水资源科学管理知识的总结升华，是保证水资源的可持续利用，水资源业务开展的重要理论基础之一。

第三节　水资源学与其他学科关系

一、水资源学与水文学

20世纪70年代“水资源”名词大量出现在我国的实践中，是从开展全国性水资源评价工作开始的。当时国际水文科学界讨论的话题以及书刊上见到的国外文献有关水文学方面的文章中水资源方面的内容比重突然大了起来。同时，世界气象组织和联合国教科文组织共同主持了一项国际合作学术计划，即国际水文计划(International Hydrological Programme,简称IHP)，第一阶段IHP-I计划(1975—1980)，突出强调了把水文学的意义延伸到与水资源综合利用、水资源保护等有联系的生态、经济和社会各个方面；第二阶段IHP-Ⅱ计划(1981—1983)进一步加强了水文学的水资源方向；而第三阶段IHP-Ⅲ计划(1984—1989)则干脆命名为“在脆弱环境中的水文学和水资源开发”；第四阶段IHP-Ⅳ计划(1990—1995)研究变化环境中的水文与水资源的可持续发展；第五阶段IHP-Ⅴ计划(1996—2001)关注脆弱环境中的水文与水资源发展，其主要内容是：资源过程与管理研究，区域水文水资源研究和知识、信息与技术的转化。国际水文计划第六阶段计划IHP-Ⅵ (2002—2007)主题为“水的相互作用：风险与社会挑战中的系统”，重点研究全球变化与流域系统、大气与陆地、地表水与地下水、淡水与咸水、质与量、水体和生态系统、水与文化、科学与政治等八个方面问题。第七阶段计划IHP-Ⅶ (2008—2013)的框架议题就如何利用现有科学知识来发展新的研究方向和方法，以对环境变化、生态系统和人类活动做出响应，主要议题为①流域和浅层地下水系统对全球变化影响的适应性研究；②加强水资源管理，提高水资源利用的可持续性；③面向可持续性的生态水文学；④淡水与生命支撑系统；面向可持续发展开展水资源保护教育(暂定)。联合国教科文组织国际水文计划作为一个长期的国际水科学研究计划，在不同阶段的研究主题与项目设置，在一定程度上充分反映了国际水文水资源研究的最新发展趋势及方向。现代水文学正在不断加强和水资源学、社会学、管理学的综合协调发展，已成为研究内容、涉及领域广泛的综合学科。

水资源学作为一门人类认识水资源，开发利用水资源、保护水资源及水环境的知识体系，主要属于技术科学的范畴。水文学主要研究地球上水的形成、循环、时空分布、化学和物理性质以及水与环境的相互关系，为人类防治水旱灾害，合理开发和有效利用水资源，不断改善人类生存和发展的环境条件，提供科学依据。水资源学在发展中不断向水文学提出新的要求，水文学也在加强对水资源学服务中得到新的发展。水文学和水资源学在发展中相互促进，在更高层面上相互依存，共同发展。

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。水资源是维持人类社会存在和发展的主要地球自然资源之一，并具有以下特性：水资源是可以按照人类社会的需要提供的，或有可能提供的相应水量，但这个水量需有一定的可靠来源，且这个来源可以通过自然界水文循环不断得到更新和补充，这是保障人类社会可持续发展的前提；这个水量及其水质都必须能适应人类用水的要求，且无论水量或水质都是可以通过人工控制以保障其可用性。这就是说，并非自然界中一切形态的水都可以作为资源对待，而只有合乎上述条件的地球上的水才是资源的水，才是水资源。水文学恰恰是研究地球上的一切水，包括可作为资源的水的形成、存在、分布、循环、运动等变化规律的学科。研究水资源必先从水资源的水文特性开始，因此水文学是水资源学的基础，而不是水资源学的前身。水文学和水资源学两者独立地沿着各自的途径前进，并在发展中相互促进，以求在更高层次上的相互依存，共同发展。

2)水资源学是水文学服务于人类社会的重要应用

由于水资源问题的日益突出，不断向水文学提出新的要求和问题，水文学为适应这种要求而不断前进。现在在水资源任务的带动下把研究水文循环全过程问题提上了日程，就是说水文学不仅要研究水文现象的陆面过程，还要对陆面和大气界面上的水分和能量的交换问题，陆地水与海洋水的交换问题，海面和大气界面上的水分和能量的交换问题，水在大气中的运动和转化问题等都要进行研究。水文学不能仅侧重研究水在运动、转化中的物理过程，还要研究自然界的水作为溶剂和载体在水文循环中对水中各种化学成分的输移、合成、分解、储散的化学过程。除此之外，在地表生物圈中动植物及其他形态的生物在生长、繁殖、死亡过程中与水的相互作用，以及动植物群在陆面和大气水分及能量交换中的影响等方面，都需要特别加强水在水文循环运动中生物过程的研究。这些问题的提出，使水文学必须以崭新的面目出现，向全球水文学的方向前进。在这种前进中水文学必须坚持为水资源问题服务，这也是水资源水文学比工程水文学前进的一点。

此外，由于水资源开发程度的逐步深化，许多地区已建立起水资源工程体系。通过有效地管理运用建立的水资源工程体系，使其在防洪减灾和发挥水资源各种功能方面带来经济效益，这就对水文学提出新的要求。过去为水工程规划设计服务的水文工作，要逐步过渡到主要为水工程的调度运行服务，水文站网工作也以积累资料为主要目的的定点观测，转变到把地面定点观测与空间和面上的遥感遥测手段结合的对水量和水质的实时监测，并利用现代化通信手段及时将实时信息传递到决策指挥机关，以更好地调度水工程体系，发挥最优效益，或把可能出现的灾害程度降到最低。

二、水资源和水利

在中国，水利是采取各种人工措施对地表水和地下水进行控制、调节、治理、开发、管理和保护，以减轻水旱灾害。水利要通过工程措施和非工程措施发挥利用水资源的作用。水利是已经确立的有关治水业务的综合行业，包括江河整治、防洪治涝、供水兴利、改善人类生存环境等方面的基础工作、前期工作、工程技术、科学管理等方面的全部过程，内容涉及水文学、地质学、地理学、气象学、水力学、材料力学、工程力学、管理科学，以及水工程的勘测、设计、管理运行和水资源保护等方面的业务工作和科学研究。根据中国现行管理体制，在水的利用方面如水利、水电、水产和水运等分属不同部门，不能把一切用水业务都包罗在水利行业范围内，但在水利业务中却需要抓住包括一切利用水的目标在内的水资源综合利用和整治规划，以及水资源的统一管理这两个基本环节，作为综合水利工作的支撑。由此可见，在已经确定水利事业的情况下，水资源业务应是水利综合业务的组成部分，而不是在两者间画等号。水资源工作是以对水资源的综合评价、合理规划、统筹分配、科学调度以及保护水源和水环境等环节为主体，以达到有效并能持续开发利用水资源等目标而进行的。

从中国的实践中可以看出，水利是有关水业务的综合行业，包括江河整治、防洪治涝、供水兴利、改善人类生存环境等方面的基础工作、前期工作、工程技术、科学管理等方面的全过程。水资源业务多属于水利工作中的前期工作和后期的管理工作，而较少涉及水利建设中有关水工建筑物本身的工程技术问题，多涉及水利工作中的“软件”。水资源评价、供需分析、规划等带有基础性质，而对水资源的管理和不同地区间和各用户间的供水分配，又具有上层建筑性质。水资源管理在我国的实践中又不同于水利管理。从一个方面说，水利管理比水资源管理的内容要广，除了防洪治涝等减灾任务的管理外，还包括水资源的调度、分配等功能的管理，以及水利工程和水利体制的管理。在这种情况下水资源管理是水利管理的组成部分。从另一个方面说，在中国由于水的利用分属不同部门，简单用水利管理的名义统管各个方面，是很难行得通的。但用水资源统一管理的名义则是名正言顺的。同时，水利部门自身业务范围和其他利用水部门一起，在同一水平上受到水资源统一管理原则的制约。因此，水资源工作在很多方面已突破了传统水利工作的范畴，从而形成水利事业中一个后起的分支。

三、水资源学与社会科学的联系

水资源学不仅研究水资源的自然属性，还研究水资源的社会属性，在水资源学中应用了大量的社会科学内容。社会经济发展与水资源开发利用有着密切的关系，社会经济的发展不仅需要有水资源作支撑，而且还对水资源系统产生了巨大的压力，社会经济的发展已引发了一系列的水问题、水灾害。人类社会经济活动已成为影响水系统演化的主导力量，现有模型还不能很好地反映。目前，大气环流模型(General Circulation Model,简称GCM)与陆面流域水文模型结合的陆气耦合模型是研究气候变化的水文水资源效应的有效方法之一，但对社会经济因素影响作用的体现存在不足。因此，加强水资源学与社会科学之间的综合研究，建立融合社会经济发展过程及其社会水循环，基于气候变化-水资源-社会经济-生态耦合框架的复合水文模型，揭示各主要影响因素的综合作用机制，是解决水资源可持续利用与社会经济可持续协调发展的基础性途径之一。