淮河流域供水安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 研究背景

淮河流域地處我國(guó)南北氣候過渡帶，水資源時(shí)空分布不均，受全球氣候變化以及人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展影響，淮河流域已成為我國(guó)水資源短缺和水污染嚴(yán)重的地區(qū)，嚴(yán)峻的水資源安全問題已成為制約流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。

開展淮河流域供水安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究，可以充分認(rèn)識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源的供求關(guān)系及相互影響，從時(shí)序斷面、區(qū)域空間、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)展結(jié)構(gòu)需求等方面，全面深入論證淮河和諧發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式和水資源規(guī)劃與配置方略，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域之間、行業(yè)之間、區(qū)域規(guī)劃和專業(yè)規(guī)劃之間的矛盾，科學(xué)編制流域綜合規(guī)劃，保障淮河流域城鄉(xiāng)飲水安全、糧食需求安全、生態(tài)發(fā)展安全，實(shí)現(xiàn)流域水資源—經(jīng)濟(jì)社會(huì)—生態(tài)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

淮河流域供水安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究，是經(jīng)水利部國(guó)際合作與科技司批復(fù)的國(guó)家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)，是淮河流域水資源安全問題研究的課題之一。本課題包括氣候變化對(duì)流域供水安全保障影響研究、流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)研究、流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展模擬技術(shù)研究、糧食生產(chǎn)供水安全標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)途徑研究、城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警技術(shù)研究共5 個(gè)子課題。

2 研究思路

通過未來氣候情景設(shè)計(jì)和水文模擬，研究氣候變化對(duì)流域供水安全保障影響；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析，選取定量化指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)估；根據(jù)淮河流域水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過分解與整合技術(shù)，開展流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展模擬技術(shù)研究；評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)糧食生產(chǎn)的作用，研究虧水灌溉對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，提出糧食生產(chǎn)供水安全標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)途徑；建立流域城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警模型，構(gòu)建流域城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系，開展流域城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警技術(shù)研究。

其中氣候變化對(duì)流域供水安全保障影響研究、流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)估是流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展模擬技術(shù)研究的基礎(chǔ)，糧食生產(chǎn)供水安全標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)途徑及城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警技術(shù)研究與流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展模擬技術(shù)研究相互聯(lián)系相互制約。

3 主要研究成果

3.1 氣候變化對(duì)淮河流域水資源趨勢(shì)影響

流域未來氣候變化對(duì)水資源趨勢(shì)影響研究采用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）研發(fā)的通用氣候系統(tǒng)模式第3 版NCAR-CCSM3.3 氣候模式資料，建立了流域情境氣候模式—水資源的月水量平衡模型，分析了流域未來不同氣候情境下的水資源變化趨勢(shì)。

相對(duì)于現(xiàn)狀多年平均年徑流量（1980—2010年），NCAR-CCSM3.3 氣候模式預(yù)估流域大部分區(qū)域在未來情景下，2001年—2100年淮河流域年徑流量呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)，其中A2、A1B、和B1情景下增加速率分別為7mm/10年、11mm/10年和2mm/10年。

3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)估

3.2.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源的關(guān)系研究

利用完全分解模型，分析了淮河流域各城市用水量的影響因素及單位GDP 用水量變化的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)淮河流域各省均表現(xiàn)為富裕程度和技術(shù)水平對(duì)用水變化的影響較大，而對(duì)各省單位GDP用水量變化影響因素的研究發(fā)現(xiàn)淮河流域效率提升占主要貢獻(xiàn)，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化的提升效應(yīng)只在部分年份較為明顯。在各產(chǎn)業(yè)用水效率提升的貢獻(xiàn)中，第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)較大。

3.2.2 淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過建立經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)體系來對(duì)淮河流域協(xié)調(diào)發(fā)展程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)體系由水資源系統(tǒng)與流域三生系統(tǒng)這兩部分組成，水資源系統(tǒng)的指標(biāo)從水質(zhì)、水量?jī)煞矫鎸?duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，流域三生系統(tǒng)指流域生產(chǎn)、流域生活和流域生態(tài)三個(gè)方面。經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)由水資源系統(tǒng)和流域三生系統(tǒng)共同決定。指標(biāo)體系共有七項(xiàng)指標(biāo)，每一項(xiàng)指標(biāo)都根據(jù)淮河流域水資源剛性制約和經(jīng)濟(jì)發(fā)展客觀需求給出了評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)值。七個(gè)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，方表明淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源發(fā)展協(xié)調(diào)，如果七個(gè)指標(biāo)中有任何一項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，即表明淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源發(fā)展欠協(xié)調(diào)（見表1）。

3.3 淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展技術(shù)

3.3.1 淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)—水資源—生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展模擬模型

設(shè)定不同的情景方案，率定水資源的開發(fā)利用、污染物質(zhì)入河控制量、投資消費(fèi)積累率等一系列水資源環(huán)境經(jīng)濟(jì)參數(shù)，設(shè)定相關(guān)的時(shí)空邊界條件，采用整體模型技術(shù)，構(gòu)建淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)—水資源—生態(tài)環(huán)境多過程模擬的協(xié)調(diào)分析模型，主要包括多目標(biāo)分析模型、人口預(yù)測(cè)模型、宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)模型、土地利用與糧食生產(chǎn)模塊、需水節(jié)水預(yù)測(cè)模型、供需分析模塊、水污染負(fù)荷排放與調(diào)控模型、水投資模塊和水資源利用模型等模塊。

通過模型分析，未來淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)慣性發(fā)展趨勢(shì)下水資源壓力巨大：考慮不同的節(jié)水情景（一般、強(qiáng)化、超強(qiáng)）在不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下（高、中、低增長(zhǎng)速度），淮河流域2020年需水量為595.9～680億m3，2030年為617.2～737.1 億m3（見表2）。從預(yù)測(cè)成果可以看出，無論采取什么樣的發(fā)展模式和嚴(yán)格的節(jié)水措施，淮河流域在2030年以前河道外需水量總體仍呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，未來淮河流域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展面臨巨大的水資源壓力。

表1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表（2030年）

表2 淮河流域不同情景河道外需水量表（單位：億m3）

3.3.2 利用模型進(jìn)行多方案情景模擬

通過設(shè)定節(jié)水、治污、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的不同情景，利用淮河流域水資源－經(jīng)濟(jì)社會(huì)－生態(tài)環(huán)境整體協(xié)調(diào)分析模型進(jìn)行情景模擬。模擬成果顯示：節(jié)水和治污對(duì)淮河流域GDP 規(guī)模有顯著作用，除了能有效增加GDP 規(guī)模，加強(qiáng)節(jié)水治污力度，還能擴(kuò)大農(nóng)田灌溉面積、增加糧食產(chǎn)量；加大節(jié)水、治污和再生水利用力度能有效提高淮河流域水資源承載能力；淮河流域治污效益大于節(jié)水效益。

根據(jù)《淮河區(qū)水資源綜合規(guī)劃》成果，2030年淮河流域用水總量指標(biāo)應(yīng)不超過641 億m3。結(jié)合節(jié)水情景、治污情景分析成果，基于“以水定發(fā)展”的思路，推薦方案為22 方案（強(qiáng)化節(jié)水強(qiáng)化治污）。將推薦方案各二級(jí)流域不同子系統(tǒng)指標(biāo)值進(jìn)行協(xié)調(diào)度分析計(jì)算，結(jié)果顯示：淮河流域四個(gè)二級(jí)區(qū)按照推薦情景的發(fā)展、節(jié)水、治污方式，2020年、2030年社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源與生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)與2009年相比，均向更加協(xié)調(diào)趨勢(shì)發(fā)展，整個(gè)流域也向著更加協(xié)調(diào)的方向發(fā)展。因此，該方案是在滿足用水總量控制目標(biāo)前提下、有限的可利用水資源量得到最優(yōu)配置的多目標(biāo)綜合最優(yōu)方案。

3.4 淮河流域糧食生產(chǎn)供水安全標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)途徑

3.4.1 虧水灌溉對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

通過糧食作物受旱試驗(yàn)，分析了淮河流域典型地區(qū)典型農(nóng)作物的需水量與需水規(guī)律，提出了淮河流域典型農(nóng)作物的作物水分生長(zhǎng)函數(shù)；通過對(duì)照試驗(yàn)，重點(diǎn)研究淮河流域各典型農(nóng)作物虧水灌溉條件下對(duì)糧食產(chǎn)量影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)淮河流域糧食灌溉水量缺水4.71%時(shí)，三種主要糧食作物綜合減產(chǎn)率小于3%。

表3 典型城市城鄉(xiāng)生活供水警戒線表

3.4.2 淮河流域農(nóng)業(yè)供水安全標(biāo)準(zhǔn)體系

從糧食產(chǎn)量、農(nóng)田有效灌溉面積、糧食灌溉水量和設(shè)計(jì)灌溉保證率與灌溉定額四個(gè)方面構(gòu)建了淮河流域農(nóng)業(yè)供水安全標(biāo)準(zhǔn)體系：①2030年淮河流域糧食產(chǎn)量1169 億kg；②2030年淮河流域農(nóng)田有效灌溉面積16568 萬畝；③2030年淮河流域糧食灌溉供水量355 億m3，淮河流域發(fā)生干旱時(shí)，若要控制糧食減產(chǎn)率低于3%時(shí)，則至少保證糧食灌溉供水量338 億m3；④2030年淮河流域農(nóng)業(yè)基本保障灌溉定額217m3/畝，充分保障灌溉定額227m3/畝。最后，從保障農(nóng)業(yè)用水供給、提高農(nóng)業(yè)用水效率和灌溉保證率三方面提出了淮河流域農(nóng)業(yè)供水安全保障途徑。

3.5 城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警技術(shù)研究

3.5.1 城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警模型

整個(gè)模型框架應(yīng)由大量相似的子模型塊組成，子模型以地市為單元，建立各地市的水文預(yù)報(bào)、水資源量、經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水、水源地、水資源工程分布及供水量等各項(xiàng)指標(biāo)與預(yù)警標(biāo)志之間的邏輯關(guān)系，把人口和不同保障程度的用水定額做為預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年城鄉(xiāng)居民生活用水警戒線的輸入量，分析規(guī)劃水平年各地市城鄉(xiāng)飲水安全供水保障程度，對(duì)供水量達(dá)到各種警戒線時(shí)，分析其危害程度，判定應(yīng)采取的工程及非工程措施，并對(duì)采取措施后的條件重新進(jìn)入模型運(yùn)行分析。供水警戒線分為四級(jí)，分別為藍(lán)色警戒線、黃色警戒線、橙色警戒線和紅色警戒線。

3.5.2 城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系

城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系中包含三大部分，一是制度體系，二是預(yù)警體系，三是措施體系。制度體系是城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系框架的基礎(chǔ)，主要為城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警制度的建設(shè)，包括預(yù)警制度的制定，組織實(shí)施的形式。預(yù)警體系是整個(gè)預(yù)警體系框架中的核心內(nèi)容，主要包括預(yù)警指標(biāo)的選擇，預(yù)警指標(biāo)的判別，供水量預(yù)警線的核算及利用模型進(jìn)行預(yù)警。措施體系是預(yù)警體系框架中的保障，主要包括發(fā)出預(yù)警后采取的工程措施和非工程措施。

3.5.3 典型城市城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系

選取蚌埠市和亳州市作為典型城市，將城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警模型和城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系應(yīng)用于典型城市，采用城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警模型，分析規(guī)劃水平年各地市城鄉(xiāng)飲水安全供水保障程度，對(duì)供水量達(dá)到各種警戒線時(shí)，分析其危害程度，判定應(yīng)采取的工程及非工程措施，建立典型城市城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系（見表3）。

4 成果的創(chuàng)新性

（1）首次提出了淮河流域中長(zhǎng)期水文情勢(shì)變化，提出了未來50～100年的流域降水、氣溫、徑流可能變化趨勢(shì)。

（2）揭示了淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)同發(fā)展規(guī)律，提出淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

（3）提出了經(jīng)濟(jì)社會(huì)—水資源—生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展模擬技術(shù)。構(gòu)建了淮河流域水資源環(huán)境經(jīng)濟(jì)一體化核算投入產(chǎn)出分析模型、水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展研究的模型體系，系統(tǒng)地對(duì)淮河流域水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展進(jìn)行了多目標(biāo)、多情景、多視角的方案研究，提出了不同情景下的流域水資源承載能力和供水總量控制目標(biāo)。

（4）首次提出了保障淮河流域糧食生產(chǎn)安全的用水量標(biāo)準(zhǔn)338 億m3。

（5）建立了淮河流域城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警體系、構(gòu)建了城鄉(xiāng)飲水安全供水預(yù)警模型。

5 成果推廣應(yīng)用情況

本課題研究成果直接服務(wù)于淮河流域水資源規(guī)劃和管理工作，可為淮河流域水利發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略目標(biāo)的制定提供定量技術(shù)支持，為淮河流域未來建立與水資源相適應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)和參考，為淮河流域水資源安全保障提供技術(shù)支持和政策支撐，對(duì)實(shí)現(xiàn)淮河流域糧食安全、城鄉(xiāng)供水安全和生態(tài)環(huán)境改善都具有重要意義，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。

研究成果將在水利部、水利部淮河水利委員會(huì)、各參加研究的單位、流域各省水利主管部門和規(guī)劃設(shè)計(jì)部門共享?？芍苯討?yīng)用于流域的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源優(yōu)化配置和調(diào)度、水資源管理等，同時(shí)也可直接推廣到國(guó)內(nèi)的其他流域■