南水北調(diào)西線工程調(diào)出區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

李冬曉，尹明萬，賈 玲，李其峰

（中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

南水北調(diào)西線工程（以下簡稱西線工程）是支撐我國西北地區(qū)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性水資源工程，因其具有重大的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益以及空間范圍廣、專業(yè)技術(shù)問題多且復(fù)雜，備受社會關(guān)注。國內(nèi)很多學(xué)者對該工程做了大量的研究工作［1～4］。國家“十一五”科技支撐計劃針對該工程的關(guān)鍵技術(shù)問題開展了重大課題研究。本文結(jié)合科技支撐課題，采用系統(tǒng)分析方法和有無對比方法進(jìn)行西線工程調(diào)出區(qū)（以下簡稱研究區(qū)）的水資源優(yōu)化配置研究，以期揭示了西線調(diào)水對研究區(qū)社會經(jīng)濟用水、水利工程布局的影響以及對重點河段生態(tài)環(huán)境用水的影響，為該工程的合理決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)基本情況

1.1 研究區(qū)概況本文將研究區(qū)劃定為西線工程的水源區(qū)以及可能影響到四川省的有關(guān)區(qū)域，即在長江流域宜賓以上四川省境內(nèi)的區(qū)域和沱江流域、涪江流域在四川省境內(nèi)的區(qū)域。西線工程的7個取水樞紐均位于大渡河和雅礱江上游的干支流上，將大渡河流域和雅礱江流域劃定為直接影響區(qū)。

成都平原地跨沱江和涪江流域，社會經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口稠密、需水量大，當(dāng)?shù)乜衫盟Y源量已無法滿足需水增長要求，規(guī)劃通過引大濟岷工程調(diào)水供成都平原，因此西線工程的間接影響區(qū)包括岷江、沱江和涪江流域。為保持水資源系統(tǒng)和水資源規(guī)劃研究區(qū)的完整性，本文同時將金沙江直門達(dá)至石鼓及石鼓以下兩個流域在四川省境內(nèi)的區(qū)域一并劃入到研究區(qū)范圍之內(nèi)。

研究區(qū)國土總面積37.4萬km2（約占四川省的77%），山丘區(qū)面積約占98.2%。本地區(qū)西高東低，高差懸殊；河流縱橫，切割強烈；山丘廣布，平原狹小。研究區(qū)屬亞熱帶區(qū)域，氣候區(qū)域明顯，區(qū)間差異性很大。

2007 年末總?cè)丝? 400萬人，占四川省的61%，其中農(nóng)業(yè)人口3 254萬人，非農(nóng)業(yè)人口2 146萬人。國民生產(chǎn)總值為8 259億元，其中一、二、三產(chǎn)業(yè)所占比例分別為15.5%、48.1%和36.4%；人均GDP達(dá)15 296元。

研究區(qū)多年平均地表水資源量2 086.04億m3，地下水資源量532.20億m3，重復(fù)量531.05億m3，水資源總量2 087.19億m3。多年平均入境水量648.59億m3。

1.2 現(xiàn)狀年水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀年（2007年）總供水量171.86億m3，其中，地表水占91.77%，地下水占7.61%，其他水源占0.62%。總用水量170.98億m3，農(nóng)業(yè)用水所占比例最大，約58%，生活用水占9.6%，工業(yè)用水占27.6%，建筑業(yè)及三產(chǎn)用水占4.7%，生態(tài)用水占0.2%。現(xiàn)狀年研究區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用程度為8.19%，全部水資源（包括入境水）開發(fā)利用程度為6.25%。結(jié)合已有的研究成果，當(dāng)前研究區(qū)水資源開發(fā)利用存在的主要問題為：水資源地域分布與空間需求分布極不匹配。西部水資源豐富，開發(fā)利用程度很低；東部人口密集，經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境需水量大，水資源供需比較緊張，局部地區(qū)缺水。

1.3 水資源系統(tǒng)水資源工程包括蓄、引、提及跨流域調(diào)水等地表水工程、地下水開采工程以及非傳統(tǒng)水源利用等工程，其中調(diào)水工程中以都江堰水利樞紐及其供水網(wǎng)絡(luò)、引岷江水供給涪江和沱江流域調(diào)水工程、引大濟岷工程為主干，構(gòu)成了跨流域調(diào)水工程的主體，在整個研究區(qū)的供水中將發(fā)揮非常重要的作用。

2 研究區(qū)需水預(yù)測

本文以研究區(qū)人口增長與城鎮(zhèn)化率、宏觀經(jīng)濟發(fā)展速度與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、節(jié)水力度變化發(fā)展為依據(jù)，采用凈定額法分別對各規(guī)劃水平年的城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)等進(jìn)行不同情境下的需水預(yù)測。各規(guī)劃水平年的凈定額結(jié)合研究區(qū)節(jié)約用水的分析成果、考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局調(diào)整并參考有關(guān)部門制定的用水定額標(biāo)準(zhǔn)，確定預(yù)測取用值。考慮到四川省在我國西南地區(qū)經(jīng)濟地位的重要性，以及研究區(qū)當(dāng)前的經(jīng)濟總量基數(shù)較小，而研究區(qū)的水資源較為豐富，適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┚湍軌驖M足經(jīng)濟社會較快的速度發(fā)展的需要。鑒于研究區(qū)農(nóng)業(yè)對節(jié)水成本的承受能力及區(qū)域經(jīng)濟水平較低，以采取適度節(jié)水措施為宜。經(jīng)綜合分析后給出推薦的需水預(yù)測方案，見表1所示。預(yù)計到2030年，研究區(qū)總需水量比現(xiàn)狀水平年增加117億m3，其中，農(nóng)業(yè)需水比例由現(xiàn)狀年的59.4%下降到2030年的45%；工業(yè)需水由現(xiàn)狀年的31%增長到2030年的46%；生態(tài)環(huán)境需水量比現(xiàn)狀年增加了一倍。

表1 研究區(qū)需水預(yù)測結(jié)果（多年平均）

3 研究區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

3.1 水資源配置簡要回顧［5-11］縱觀國內(nèi)水資源配置研究進(jìn)程及其發(fā)展特色，水資源配置的研究歷史不過幾十年，從最初以水量為主的小區(qū)域、單目標(biāo)、確定性的水庫調(diào)度和灌溉用水優(yōu)化，發(fā)展到基于宏觀經(jīng)濟的水資源合理配置，再發(fā)展到大規(guī)模、多目標(biāo)、多層次、大系統(tǒng)、隨機性、風(fēng)險性相結(jié)合，基于生態(tài)良好、經(jīng)濟可持續(xù)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水量水質(zhì)雙總量控制的優(yōu)化配置。在此過程中，研究方法日臻完善，多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化求解已成為研究的主線；研究內(nèi)容日益充實，水資源、經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境已成為密不可分的配置實體；配置結(jié)果日益合理，利用現(xiàn)代數(shù)值分析技術(shù)、信息控制理論和人工智能及數(shù)學(xué)模型與計算機技術(shù)的緊密結(jié)合，實現(xiàn)水量水質(zhì)聯(lián)調(diào)在經(jīng)濟社會評價體系中的綜合效益最優(yōu)。

3.2 水資源配置模型特點本文在中國水利水電科學(xué)研究院自主開發(fā)的配置模型的基礎(chǔ)上，基于研究需要進(jìn)行適當(dāng)修改，構(gòu)建區(qū)域水資源優(yōu)化配置與動態(tài)模擬模型，該模型具有以下優(yōu)點：（1）能夠客觀反映水資源系統(tǒng)多層次、多地區(qū)、多用途、多水源和多工程等特點；（2）能夠進(jìn)行多水源時空調(diào)控，實現(xiàn)動態(tài)配置和優(yōu)化模擬有機結(jié)合；（3）能夠提供不同時間尺度和空間尺度的水資源配置成果；（4）能夠為水資源開發(fā)利用規(guī)劃和管理、供水工程設(shè)計和水系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)診斷提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 水資源系統(tǒng)概化及網(wǎng)絡(luò)圖水資源系統(tǒng)概化涉及到計算單元、水利工程、控制性節(jié)點、斷面、水源、供水或調(diào)水渠道（或管道）系統(tǒng)和河網(wǎng)水系等。將研究區(qū)水資源系統(tǒng)中各類物理元素（水庫、引調(diào)水工程或揚水站、計算單元和河渠道交匯點等）概化為節(jié)點，各節(jié)點間通過有向線段（河渠道或管道等）連接，繪制出水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖［12］。研究區(qū)水資源系統(tǒng)要素概化如表2所示，水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。在水資源系統(tǒng)要素概化的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，設(shè)置多種可能方案，運用構(gòu)建的動態(tài)優(yōu)化模擬模型對各方案進(jìn)行長系列供需平衡分析。

本文依據(jù)研究問題的層次和水資源配置目標(biāo)，結(jié)合已有數(shù)據(jù)，采用水資源三級區(qū)套地市將研究區(qū)劃分為38個計算單元。

表2 水資源系統(tǒng)要素及模型規(guī)模

3.4 配置方案設(shè)置及分析計算結(jié)果本文依據(jù)人與自然和諧相處、可持續(xù)性、需水代表性、供水代表性和工程布局代表性等方案設(shè)置原則，根據(jù)實際研究需要，共設(shè)計了17套水資源配置規(guī)劃工程組合方案（方案含2007、2020和2030三個水平年）。方案設(shè)置考慮的主要因素是：（1）選用Tennant法確定河道生態(tài)環(huán)境基流量，成都平原主要河段分高低兩種情景，高情景汛期大于或等于天然多年平均流量的40%，其余時期大于或等于15%；低情景分別大于或等于30%和10%；2030西線工程投入運行前，各取水樞紐河道流量基本保持天然狀況；在此之后，河道控制斷面的最小下泄流量必須大于等于各自的生態(tài)環(huán)境保護目標(biāo)所需要的河道生態(tài)基流量；（2）在污水處理與回用率方面分別設(shè)置了高低兩種情景，其中考慮了各個計算單元的實際差異；（3）西線工程（一期）設(shè)計調(diào)水規(guī)模多年平均80億m3，2030年以前暫不調(diào)水，后按照有、無兩種情景考慮；（4）引大濟岷工程考慮了有、無兩種情景；（5）其他水源和跨流域調(diào)水工程根據(jù)各地區(qū)的實際需要配置。

受篇幅限制表3只列出了4套典型的規(guī)劃工程方案。近期規(guī)劃水庫集合A包括米市水庫、大竹河三庫、老溝水庫、關(guān)口水庫、清平水庫、踏水水庫、寶石水庫、丹山水庫、趙家溝水庫、通江水庫、武都水庫和關(guān)刀橋水庫等。遠(yuǎn)期規(guī)劃水庫集合B包括沙壩田水庫、龍?zhí)了畮?、雙江口水庫、小井溝水庫、雙馬水庫和姜家橋水庫等。其他擴建或規(guī)劃新建的跨流域引水工程主要有人民渠工程、毗河引水工程、東風(fēng)渠工程、長征渠引水工程和向家壩北岸引水工程等。

表3 水資源配置規(guī)劃工程組合方案

對每套方案進(jìn)行了水文長系列（1956—2000年）逐月供需平衡優(yōu)化模擬分析，給出研究區(qū)及各個單元不同保證率的水資源配置結(jié)果。4個典型方案的多年平均配置結(jié)果見表4所示。

表4 不同方案的配置結(jié)果（多年平均） （單位：億m3，%）

依據(jù)模型優(yōu)化配置目標(biāo)，在對各配置方案結(jié)果進(jìn)行綜合比較分析后得出：

（1）在保持較高河道生態(tài)基流情況下，能夠滿足研究區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的需水要求，不同河道生態(tài)基流情況的供需平衡結(jié)果略有差異。河道生態(tài)基流高方案2030年多年平均缺水量3.53億m3，缺水率1.23%；中方案2030年多年平均缺水量3.27億m3，缺水率1.14%。因此，研究過程中可以保持較高的河道基流量。

（2）2030年西線工程調(diào)水對整個研究區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展需水的影響較小，但對直接影響區(qū)的用水有一定影響。對研究區(qū)多年平均總供水量結(jié)果進(jìn)行對比后可知，沒有西線工程調(diào)水方案僅比有此調(diào)水方案多供水0.5億m3，或者說系統(tǒng)缺水率僅減少0.2%。因此，有無西線工程影響很微弱。

通過多方案綜合分析比較，最后確定方案Ⅰ（即河道生態(tài)基流高情景，污水處理與回用高情景，有西線工程，無引大濟岷工程）為研究區(qū)水資源配置推薦方案。推薦方案供需平衡結(jié)果見表5。2020年各計算單元及各行業(yè)水資源供需平衡情況普遍得到改善，多年平均需水滿足程度為99.06%，即使枯水年份也能達(dá)到97.77%；2030年多年平均需水滿足程度為99.26%，枯水年份為98.01%。2030年整個研究區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源的平均開發(fā)利用程度為13.65%，包括入境水量的平均開發(fā)利用程度為10.42%。比現(xiàn)狀年（8.19%）的開發(fā)利用程度有了較大提高，證實了當(dāng)?shù)厮Y源具有較大的開發(fā)利用潛力。

表5 研究區(qū)水資源配置推薦結(jié)果 （單位：億m3，%）

根據(jù)水資源配置推薦結(jié)果，分析西線工程對研究區(qū)內(nèi)的直接影響區(qū)和間接影響區(qū)的影響程度。從表6可以看出，2030水平年間接影響區(qū)的缺水深度很小，直接影響區(qū)的缺水深度較大，特枯年份達(dá)到12%。表明間接影響區(qū)受西線調(diào)水工程影響很小，但直接影響區(qū)會隨著西線工程的投入使用其取水難度將增加，缺水程度將加劇。

表6 2030年直接影響區(qū)和間接影響區(qū)水資源配置結(jié)果 （單位：億m3，%）

4 結(jié)論

本文以南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)為研究對象，以系統(tǒng)分析思想為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建基于多層次、多地區(qū)、多用途、多水源和多工程的水資源動態(tài)模擬優(yōu)化配置模型，設(shè)定多種情景方案并進(jìn)行長系列供需平衡分析研究，取得的主要結(jié)論為：

（1）南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水與滿足研究區(qū)的水資源需求總體上是協(xié)調(diào)的；2030年，在滿足西線設(shè)計調(diào)水規(guī)模和保護附近下游河段基本生態(tài)基流的前提下，對間接影響區(qū)基本不產(chǎn)生影響，但對于直接影響區(qū)，其取水難度增加，缺水程度加??；（2）為滿足支撐各地區(qū)經(jīng)濟社會和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的水資源需求，需要對研究區(qū)各種水源和工程（包括擴建和新建若干重大跨流域引水工程）進(jìn)行優(yōu)化配置和時空調(diào)控；（3）研究區(qū)通過各種水資源工程的優(yōu)化組合與聯(lián)合調(diào)度，既能夠滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的用水需要，還能夠滿足生態(tài)用水需要。特別是大江大河干流及以成都市為中心的城市群區(qū)域內(nèi)的主要河道能夠維持較高的生態(tài)流量，為建立人水和諧的環(huán)境奠定水資源基礎(chǔ)；（4）結(jié)合研究區(qū)經(jīng)濟社會和生態(tài)現(xiàn)狀，為最大程度的發(fā)揮西線調(diào)水工程在區(qū)域水資源配置方面的價值功效，在經(jīng)濟社會按照預(yù)期目標(biāo)發(fā)展情況下，建議研究區(qū)采用本文推薦方案進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。

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