基于GIS的降水量年際變率和月際分配分析與水資源開發(fā)應(yīng)用

梁書民，龐 華

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所，北京 100081；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100036)

1 概述

全球糧食主產(chǎn)區(qū)旱災(zāi)和洪災(zāi)造成的糧食減產(chǎn)是糧食危機(jī)的主要誘導(dǎo)因素。21世紀(jì)以來人類經(jīng)歷了3次糧食危機(jī)，2007—2008年糧食危機(jī)緣起于災(zāi)害天氣造成的2005—2006年全球糧食減產(chǎn)；2009—2010年全球糧食減產(chǎn)對應(yīng)2010—2012年糧食危機(jī)；2018—2019年的糧食減產(chǎn)和低幅增長造成了2020—2022年糧食危機(jī)。2022年3月美國干旱監(jiān)測機(jī)構(gòu)報(bào)道美國西部遭遇了1200年一遇旱災(zāi)，8月份歐洲干旱觀測站稱歐洲或?qū)⒃庥黾s500年來最嚴(yán)重干旱，同月中國水利部宣布長江流域發(fā)生了1961年以來最嚴(yán)重的氣象干旱；春夏兩季是北半球糧食生長的關(guān)鍵季節(jié)，且大澇和大旱經(jīng)常伴生，旱澇災(zāi)害造成全球糧食減產(chǎn)已成定局。2022年7月FAO預(yù)測世界谷物產(chǎn)量2022年同比下降0.6%；2022年8月美國農(nóng)業(yè)部預(yù)測全球谷物2022/23年度同比減產(chǎn)3587萬噸，減產(chǎn)1.28%，較7月份調(diào)減了對玉米和大米產(chǎn)量的預(yù)測，2023年或?qū)⒀永m(xù)全球糧食危機(jī)。

水資源開發(fā)利用是世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件，包括水力發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉、內(nèi)河航運(yùn)、工礦業(yè)用水、商業(yè)和城鄉(xiāng)居民用水、休閑娛樂用水、防洪庫容調(diào)節(jié)、生態(tài)用水調(diào)度等關(guān)系國計(jì)民生的重要用途。研究表明，世界總庫容最多的國家有加拿大、俄羅斯、美國、中國、巴西、印度和澳大利亞，農(nóng)田灌溉面積最大的國家有中國、印度、美國、土耳其、俄羅斯、巴西、烏茲別克斯坦和西班牙，兩組數(shù)據(jù)均同世界主要農(nóng)業(yè)大國高度重合。依據(jù)全球水庫大壩數(shù)據(jù)庫(GRanD)的研究表明，世界庫容調(diào)節(jié)系數(shù)較高的地區(qū)主要有北美洲干旱半干旱地區(qū)；非洲的尼羅河、贊比西河、奧蘭治河和尼日爾河；南美洲的巴拉那河、圣弗朗西斯科河和內(nèi)格羅河；歐洲的西班牙南部諸河、巴爾干半島河流、烏拉爾河-伏爾加河-頓河-第聶伯河、挪威南部和瑞典諸河；亞洲的葉尼塞河、鄂畢河、中亞各國、土耳其、伊朗、兩河流域、印度河、印度的德干高原、泰國的昭披耶河、中國的黃河和海河流域；以及澳大利亞的墨累河和達(dá)令河，庫容調(diào)節(jié)系數(shù)高值區(qū)同灌溉農(nóng)業(yè)的分布高度重合[1]。2020年我國農(nóng)業(yè)用水占比為62.1%，其中農(nóng)業(yè)大省黑龍江、新疆、西藏、寧夏在80%以上，甘肅、海南、青海、內(nèi)蒙古在72%以上。

毛澤東早在1934年就作出了“水利是農(nóng)業(yè)的命脈”的論斷，發(fā)展農(nóng)田灌溉是抗御旱災(zāi)增產(chǎn)糧食的主要措施，水肥一體化高效節(jié)水灌溉既可以提高農(nóng)作物單產(chǎn)，又可以在干旱區(qū)節(jié)水墾荒增加耕地面積，是我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵增產(chǎn)技術(shù)。中國政府歷來重視水利建設(shè)和水電開發(fā)，2020年水庫總庫容已經(jīng)達(dá)到9306億m3，較2000年的5183.5億立方米增加85.3%。1979年電力部提出《十大水電基地開發(fā)設(shè)想》，包括黃河上游、紅水河、金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、長江上游、瀾滄江中游、湘西和閩浙贛水電基地；1989年有關(guān)部門又編印了《十二大水電基地》規(guī)劃性文件，增加了東北和黃河中游北干流兩個水電基地；2003年增加怒江為第十三大水電基地。2020年新疆的總庫容增加到215億m3，較2010年的135.7億m3增加58.4%，是2000年68.1億m3的3.16倍；2014年藏木水電站建成，2020年西藏十四五規(guī)劃提出建設(shè)雅魯藏布江下游水電站，新疆和西藏正在發(fā)展成為新的水電基地，我國在向各流域水利全面開發(fā)邁進(jìn)。庫容調(diào)節(jié)系數(shù)是衡量流域水資源開發(fā)利用程度的關(guān)鍵指標(biāo)，趙希濤等通過研究青藏高原東部6條江河的洪水特征指出發(fā)電為目的當(dāng)前水電站建設(shè)興利庫容量太小，對“紅旗河”調(diào)水工程設(shè)計(jì)的調(diào)水量可行性提出質(zhì)疑[2]；郎永媛等研究了我國8條主要江河的徑流調(diào)節(jié)能力，發(fā)現(xiàn)隨著梯級水庫的建設(shè)，水庫群的調(diào)節(jié)能力自上游河段而下逐漸增強(qiáng)[3]。

中國和美國同為糧食生產(chǎn)大國，中國水資源總量同美國相當(dāng)，雖然庫容調(diào)節(jié)系數(shù)低于美國[4- 5]，但是得益于農(nóng)田灌溉面積遠(yuǎn)大于美國，和以滴灌為主的高效節(jié)水灌溉的快速發(fā)展，中國的單位耕地面積的糧食產(chǎn)量和糧食總產(chǎn)量均高于美國，凸顯了灌溉對糧食生產(chǎn)的重要作用。2022年超強(qiáng)高溫伏旱使四川盆地和長江中下游地區(qū)遭遇旱災(zāi)，需要三峽水庫向下游補(bǔ)水，但是由于三峽水庫缺乏靈活的庫容調(diào)度，按原計(jì)劃釋放了221.5億m3的防洪庫容，遇到下游旱情嚴(yán)重時只能向下游少量補(bǔ)水，抗旱灌溉功能得不到應(yīng)有的發(fā)揮。由于降水量年際變化和月際變化以及相應(yīng)的水庫庫容系數(shù)是決定水資源供給可靠性的主要因素，本文利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球降水量月度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算干旱頻率，年際降水量變率和多年庫容系數(shù)，降水量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)，以及總庫容系數(shù)的全球分布，可用于計(jì)算世界各地的理論興利庫容；利用中國大型水庫的庫容特征數(shù)據(jù)計(jì)算和比較分省和分流域的理論完全調(diào)節(jié)總庫容系數(shù)和2020年實(shí)際庫容系數(shù)，評價(jià)水資源開發(fā)程度，進(jìn)一步結(jié)合我國跨流域調(diào)水對水資源的需求探討各地區(qū)未來水資源開發(fā)利用的發(fā)展目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文主要數(shù)據(jù)來源有：全球1990—1998年月度降水量空間數(shù)據(jù)[6]，可用于計(jì)算干旱頻率、降水量年際變率和相對變率、理論多年庫容系數(shù)、降水量月際相對變率(年庫容調(diào)節(jié)系數(shù))，從而求算出總庫容系數(shù)；《2007年大型水庫一覽表》列舉的2007年中國分地區(qū)大型水庫庫容數(shù)據(jù)，包括總庫容，興利庫容和防洪庫容，可以計(jì)算興利庫容和防洪庫容占總庫容比重；《中國水利年鑒2021》統(tǒng)計(jì)的2020年分地區(qū)分流域總庫容數(shù)據(jù)，可根據(jù)2007年分地區(qū)的興利庫容和防洪庫容占比估算2020年的興利庫容和防洪庫容。本文全國分流域數(shù)據(jù)采用《中國水資源公報(bào)》通用的10大一級區(qū)，計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)各地區(qū)各流域的水庫興利庫容建設(shè)。

2.2 干旱頻率

旱災(zāi)是農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的最重要因素，本節(jié)用干旱頻率定義旱災(zāi)發(fā)生程度。氣象干旱定義和年干旱頻率的計(jì)算是基于國家標(biāo)準(zhǔn)綜合氣象干旱指數(shù)CI[7]，綜述性文獻(xiàn)都列舉有許多旱災(zāi)定義和計(jì)算方法[8- 10]。本文采用簡便方法計(jì)算干旱頻率，按月降水量距平百分率計(jì)算，用小于多年平均值30%的月份出現(xiàn)頻率計(jì)算月度的旱災(zāi)頻率。通過計(jì)算干旱頻率分布，特別是主要農(nóng)業(yè)區(qū)的干旱頻率分布可以判斷當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性。如2022年春夏兩季北半球主要農(nóng)業(yè)區(qū)經(jīng)歷的旱災(zāi)，使低頻率旱災(zāi)區(qū)現(xiàn)有的灌溉設(shè)施不能滿足抗旱需求，勢必造成農(nóng)作物不同程度的減產(chǎn)。

世界集中連片農(nóng)業(yè)區(qū)主要有北美洲中部的大平原和密西西比河流域，美國東南部沿海平原，加利福尼亞中央谷地，墨西哥南部和加勒比海島嶼；南美洲的巴西高原，拉普拉塔平原；非洲的上幾內(nèi)亞高原，蘇丹草原(撒哈拉沙漠南緣)，東非大裂谷地區(qū)(東非高原)，南非高原東南部；歐洲的西歐平原、波德平原、東歐平原，地中海-黑海沿岸(地中海式氣候區(qū))，多瑙河-第聶伯河-頓河沿岸平原；亞洲的中國東南部(東亞季風(fēng)氣候區(qū))，中亞-新疆綠洲，南亞次大陸(南亞季風(fēng)氣候區(qū))，中南半島和東南亞島嶼，西西伯利亞平原南部-哈薩克丘陵北部，伊朗高原；大洋洲的澳大利亞東南部和西南部。

1月為南半球夏季，即農(nóng)作物生長旺季，干旱頻率較高地區(qū)不適宜發(fā)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)效益十分明顯。南美洲中南部農(nóng)業(yè)區(qū)干旱頻率較低，有利于巴西、阿根廷和巴拉圭的大豆生產(chǎn)和出口貿(mào)易發(fā)展；非洲東南部的農(nóng)業(yè)區(qū)干旱頻率較低，但馬達(dá)加斯加島西北部為高值區(qū)；澳大利亞東南部和西南部農(nóng)業(yè)區(qū)干旱頻率較高，但新西蘭干旱頻率較低。北半球1月干旱頻率低有利于土壤冬季保墑和春季播種，如中國的青藏高原東緣，地中海東部沿岸國家和北美洲大平原北部，如圖1所示。

圖1 全球1月干旱頻率

4月為北半球春播期，干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，如南亞次大陸，哈薩克丘陵，北美大平原和西南部荒漠區(qū)，中國華北北部；干旱頻率高的地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，如印度和巴基斯坦，美國西南部和墨西哥。南半球?yàn)槭斋@期，干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定影響，大洋洲、非洲、南美洲干旱頻率遞減，如圖2所示。

圖2 全球4月干旱頻率

7月為北半球夏季，即農(nóng)作物生長旺季，美國西部和地中海式氣候區(qū)干旱頻率較高，需要發(fā)展灌溉保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；西歐-中歐-東歐農(nóng)業(yè)區(qū)，南亞、東亞、東南亞季風(fēng)區(qū)多為雨熱同季，大多數(shù)地區(qū)不需灌溉；伊朗高原干旱頻率高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要灌溉。圖中顯示鄱陽湖附近干旱頻率為0.292～0.358，遠(yuǎn)高于四川盆地干旱頻率(低于0.116)，今年是中國長江中下游地區(qū)伏旱嚴(yán)重的年份，需要提水灌溉農(nóng)田抗旱，而四川局地發(fā)生洪災(zāi)，同圖中顯示夏季旱災(zāi)頻率分布相吻合。圖中顯示地中海式氣候區(qū)旱災(zāi)頻率在0.5左右，北部較低而南部可高達(dá)0.6以上，今年歐洲意大利、法國、西班牙和德國出現(xiàn)夏季旱災(zāi)，也可解釋為地中海式氣候影響范圍擴(kuò)大造成的。南半球7月干旱頻率低的地區(qū)，有利于冬季土壤保墑和春季農(nóng)作物播種，如澳大利亞南部、新西蘭和馬達(dá)加斯加島北部，如圖3所示。

圖3 全球7月干旱頻率

10月為南半球春播期，圖中顯示南半球主要農(nóng)業(yè)區(qū)旱災(zāi)頻率非洲高于大洋洲，大洋洲高于南美洲，符合旱災(zāi)頻率越低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越穩(wěn)定的自然規(guī)律。巴西高原10月份旱災(zāi)頻率較低，且近二十年灌溉面積迅速增加，促使其成為世界糧食出口第一大國。北半球秋季為農(nóng)作物收獲期，由于夏季穩(wěn)定降水使土壤含水量較高，秋季干旱對農(nóng)作物產(chǎn)量影響較小。中國青藏高原東緣秋季干旱頻率很低，是華西秋雨氣候條件造成的結(jié)果，也給這一地區(qū)秋季覆膜保墑創(chuàng)造了穩(wěn)定的氣候條件。如受華西秋雨影響，中國的寧夏南部、甘肅東南部、青海東部在秋季和初冬降水穩(wěn)定，由于增溫保濕效果好，秋季地膜覆蓋正在當(dāng)?shù)剞r(nóng)田普及。如圖4所示。

圖4 全球10月干旱頻率

2.3 年際降水量變率與多年庫容系數(shù)

比較研究表明，用變差系數(shù)Cv表現(xiàn)的降水量年際波動有夸大作用，不能直觀準(zhǔn)確反映氣候波動現(xiàn)象。本文采用《中華人民共和國氣候圖集》使用的降水量年際相對變率Dv替代Cv，來衡量降水量的年際波動[11]。

降水量年際絕對變率d:

(1)

降水量年際相對變率dv:

dv=d/X

(2)

式中，X—多年平均降水量，mm；Xi—第i年降水量,mm；n—統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，流域的降水量和徑流量呈高度相關(guān)單調(diào)線性關(guān)系，兩者的相對變率相等或相近[12- 14]。本文用降水量相對變率替代徑流量相對變率，用來計(jì)算多年完全調(diào)節(jié)庫容系數(shù)，根據(jù)普列什柯夫α-β多年-Cv線解圖中保證率P=90%，年用水量調(diào)節(jié)系數(shù)α=0.90，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv情形[15]，以降水量相對變率dv替代徑流量變差系數(shù)Cv，通過回歸計(jì)算得出了β多年同dv的關(guān)系公式，R2=0.9996。

β多年=3.8162dv2+0.8461dv-0.0752

(3)

計(jì)算結(jié)果表明，由于多年庫容系數(shù)同年際降水量相對變率成單調(diào)線性關(guān)系，兩者的空間分布格局相同，只是數(shù)值不同，如圖5—6所示。理論上推論多年庫容系數(shù)低的地區(qū)水庫單位建設(shè)成本帶來的興利庫容量大，水庫投入產(chǎn)出效益好；多年庫容系數(shù)高的地區(qū)水庫單位建設(shè)成本帶來的興利庫容量小，水庫效益差。多年庫容系數(shù)高值區(qū)為年降水量少的干旱地區(qū)，特別是亞洲、非洲、南北美洲和大洋洲沙漠地區(qū)，雖然多年庫容系數(shù)高，但是由于流域徑流量少，多年調(diào)節(jié)庫容量并不高。極端干旱區(qū)水庫水面蒸發(fā)量大，需采取防止水面蒸發(fā)措施，提高水庫的投入產(chǎn)出效益，如水面覆蓋塑料球，在水庫水面上安裝固定或浮動太陽能電池板等。實(shí)際上多年庫容系數(shù)中等偏高地區(qū)多為人口稠密的半干旱地區(qū)，水資源短缺最嚴(yán)重，建水庫增加興利庫容產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益最佳，如中國的華北、東北、西北地區(qū)，美國的加利福尼亞中央谷地和科羅拉多河流域；多年庫容系數(shù)較低區(qū)多為水資源豐富地區(qū)，對興利庫容需求并不大，對防洪庫容的需求則較大，這些地區(qū)的防洪庫容實(shí)際上是廣義的興利庫容。

圖5 全球年際降水量相對變率

圖6 全球河川徑流完全調(diào)節(jié)多年庫容系數(shù)

2.4 降水量月際變化與年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)

本文的年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr計(jì)算公式采用標(biāo)準(zhǔn)公式的等價(jià)簡化公式，引入絕對值運(yùn)算，取消了條件項(xiàng)[16]。

年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr：

(4)

式中，R—月多年平均降水量,mm；Rk—第k月多年平均降水量,mm。

由于將各月降水量調(diào)配均勻可以使年內(nèi)降水量得到穩(wěn)定供給，所以用各月的多年降水量平均值計(jì)算出的降水量月際相對變率就是降水量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)測算表明降水量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)和徑流量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)相等或相近，可以互換使用。按月計(jì)算的年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr值理論最小值為0，降水量或徑流量均勻分配于各年內(nèi)月；理論最大值為0.9167，降水量或徑流量集中于某一個月。

世界年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)低值區(qū)分布在歐洲，北美洲中北部，南美洲北部和中南部，非洲幾內(nèi)亞灣沿岸和剛果河流域、南端沿海和西北部山地，澳大利亞中南部和新西蘭，亞洲的中亞北部和西伯利亞、中國南方、日本和東南亞島嶼。中國高值區(qū)分布在東北、華北、中北(甘寧蒙)、南疆、青藏高原、川西高原和云南高原，大大提高了當(dāng)?shù)氐目値烊菹禂?shù)，相應(yīng)增加了南水北調(diào)西線工程的投資額，如圖7所示。

圖7 全球降水量年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)

2.5 總庫容系數(shù)

總庫容系數(shù)是徑流年完全調(diào)節(jié)和多年完全調(diào)節(jié)狀態(tài)下的總庫容系數(shù)，是多年調(diào)節(jié)庫容系數(shù)同年調(diào)節(jié)庫容系數(shù)之和。在GIS運(yùn)算中，使用ARCINFO中Grid模塊Combine命令。

β總=β多年+β年

(5)

由于多年調(diào)節(jié)庫容系數(shù)β多年在干旱區(qū)最大值大于1，而年調(diào)節(jié)庫容系數(shù)β年最大值小于1，所以總庫容系數(shù)β總在世界主要農(nóng)業(yè)區(qū)分布基本類同最大值小于1的年調(diào)節(jié)庫容系數(shù)的分布趨勢，低值區(qū)分布在歐洲，北美洲中北部(大平原升為中值區(qū))，南美洲北部和中南部；非洲幾內(nèi)亞灣沿岸、剛果河流域和南端沿海(西北部山地升為高值區(qū))，新西蘭和澳大利亞南部(中部升為高值區(qū))，亞洲的中亞北部、西伯利亞、中國南方、日本和東南亞島嶼。中國總庫容系數(shù)高值區(qū)在東北、華北、中北(甘寧蒙)、南疆、青藏高原。云南高原、川西高原和黃河上游降為中值區(qū)有利于西線南水北調(diào)近期水源區(qū)的庫容調(diào)節(jié)和興利庫容建設(shè)；但是雅魯藏布江流域中上游地區(qū)為高值區(qū)，不利于西線南水北調(diào)中遠(yuǎn)期水源區(qū)的庫容調(diào)節(jié)和興利庫容建設(shè)，同樣的調(diào)水量需要規(guī)劃較大的興利庫容和總庫容。南水北調(diào)中線、東線水源區(qū)總庫容系數(shù)低，有利于二期擴(kuò)大調(diào)水的庫容調(diào)節(jié)和興利庫容建設(shè)，如圖8所示。

圖8 全球河川徑流完全調(diào)節(jié)總庫容系數(shù)

3 結(jié)果應(yīng)用

3.1 分地區(qū)和流域水庫調(diào)節(jié)

水利發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水利水電均衡開發(fā)，大力提高水資源的利用率和利用效率，滿足各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，爭取實(shí)現(xiàn)水資源全面開發(fā)利用，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要流域水資源進(jìn)行年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)。本節(jié)通過比較理論完全調(diào)節(jié)總庫容系數(shù)(年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)系數(shù)之和)與當(dāng)前已建成水庫庫容的庫容系數(shù)，評價(jià)中國分地區(qū)水利開發(fā)程度，定義水利開發(fā)程度是當(dāng)前庫容系數(shù)同理論完全調(diào)節(jié)總庫容系數(shù)之比值。

水利開發(fā)程度大于1.0的地區(qū)和流域?yàn)檫^度開發(fā)區(qū)，如黃河流域和河南、天津、吉林、湖北、河北、遼寧，未來需優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化發(fā)展；水利開發(fā)程度為0.6～1.0的地區(qū)為高度開發(fā)區(qū)，如遼河、海河流域和貴州、浙江、北京、湖南、海南、山東，未來需低速發(fā)展，優(yōu)化調(diào)度；水利開發(fā)程度為0.3～0.6的地區(qū)為中度開發(fā)區(qū)，如東南諸河、淮河、黑龍江、珠江、長江流域和青海、重慶、云南、內(nèi)蒙古、安徽、甘肅、廣西、江西、陜西、四川、廣東，未來需優(yōu)化設(shè)計(jì)，中速發(fā)展；水利開發(fā)程度為0.2～0.3的地區(qū)為低度開發(fā)區(qū)，如新疆、上海、寧夏、福建、山西、黑龍江，未來需優(yōu)化設(shè)計(jì)，高速發(fā)展；水利開發(fā)程度為0.0～0.2的地區(qū)為初始開發(fā)區(qū)，如西南諸河、西北諸河流域，以及西藏和江蘇，未來需優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)先高速發(fā)展，見表1—2。

表1 分地區(qū)庫容系數(shù)和水資源開發(fā)程度

表2 分流域庫容系數(shù)和水資源開發(fā)程度

3.2 分地區(qū)分流域興利庫容余缺

本節(jié)進(jìn)一步根據(jù)各地區(qū)各流域多年平均徑流量和總庫容系數(shù)(P=90%，α=0.9，Cs=2Cv)同當(dāng)前興利庫容系數(shù)的差值計(jì)算興利庫容余缺值，計(jì)算得到的興利庫容量的余缺值可以用來指導(dǎo)各地區(qū)各流域的水庫建設(shè)和水利發(fā)展。從分地區(qū)興利庫容余缺值來看，西藏是南水北調(diào)西線工程的主要水源地，興利庫容欠缺最大，高達(dá)3239.4億m3，其次是四川和新疆，分別為759.7和572.0億m3；欠缺200～500億m3興利庫容的地區(qū)有廣東、云南、廣西、福建、黑龍江、江西和青海。興利庫容系數(shù)欠缺0.25以上的地區(qū)主要分布在北方，有寧夏、山西、甘肅、江蘇、內(nèi)蒙古和陜西；欠缺0.10～0.25的地區(qū)有上海、安徽、重慶、山東、海南、北京。天津、河南的興利庫容系數(shù)比理論完全調(diào)節(jié)總庫容系數(shù)分別高0.2160和0.1688；其他地區(qū)兩系數(shù)差值接近于0，在正負(fù)0.06之間，見表3。

表3 分地區(qū)河川徑流完全調(diào)節(jié)興利庫容余缺表 單位：億m3

(續(xù)表)

從分流域興利庫容余缺值來看，南水北調(diào)西線工程的水源地西南諸河和長江流域最大分別為2840.5和2250.8億m3，其次是西北諸河731.2億m3和黑龍江329.9億m3，這些干旱半干旱區(qū)或毗鄰地區(qū)的興利庫容欠缺總計(jì)6152.4億m3。其中長江上游、西北諸河和黑龍江的興利庫容是我國近期開發(fā)干旱半干旱地區(qū)宜農(nóng)荒地資源和建設(shè)南水北調(diào)西線調(diào)水工程急需增加的興利庫容；西南諸河上游是南水北調(diào)西線中遠(yuǎn)期水源地，其興利庫容欠缺是中遠(yuǎn)期需要建設(shè)的興利庫容，見表4。

表4 分流域河川徑流完全調(diào)節(jié)興利庫容余缺表 單位：億m3

3.3 分地區(qū)分流域防洪庫容開發(fā)潛力

充分利用防洪庫容具有重大意義，首先可以通過科學(xué)調(diào)度增加興利庫容，使更多防洪庫容興利化；第二可以穩(wěn)定增加跨流域調(diào)水?dāng)?shù)量，如三峽水庫補(bǔ)水中線南水北調(diào)；第三可以節(jié)省建設(shè)投資，降低單方興利庫容的費(fèi)用，如溢洪道升級改造；第四可以指導(dǎo)優(yōu)化未來水庫大壩設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防洪庫容全部興利化，提高水庫興利庫容占總庫容的比重。按2007年各流域大型水庫防洪庫容占總庫容比重28.82%估算，2020年全國防洪庫容總計(jì)約2703.3億m3，其中黃河防洪庫容占總庫容比重最高為36.80%，有323.5億m3，局部地區(qū)的防洪庫容開發(fā)潛力仍然很大；淮河防洪庫容占比36.06%，有267.2億m3可以轉(zhuǎn)為興利庫容；長江防洪庫容占比34.03%，有1244.8億m3可以轉(zhuǎn)為興利庫容；遼河和海河可利用防洪庫容分別為163.2和95.2億m3，見表5。

表5 分流域可利用防洪庫容 單位：億m3

黃河、淮河、遼河、海河、西北諸河和黑龍江地處或毗鄰干旱半干旱區(qū)，其防洪庫容轉(zhuǎn)變?yōu)榕d利庫容可直接用于本地的農(nóng)田灌溉和跨流域調(diào)水，在總庫容不增加的情況下提高水資源利用率；長江防洪庫容轉(zhuǎn)為興利庫容可以用于南水北調(diào)東線中線增加供水，保障長江中下游航運(yùn)，在干旱季節(jié)增加向下游供水灌溉沿岸農(nóng)田；珠江、東南諸河、西南諸河的防洪庫容可用于應(yīng)對旱災(zāi)年份農(nóng)田灌溉供水和保障旱季內(nèi)河航運(yùn)暢通。

3.4 南水北調(diào)西線分流域理論總庫容

前蘇聯(lián)中亞綠洲干旱缺水催生東水西調(diào)計(jì)劃；美國大平原和西南部水資源短缺造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增長停滯，糧食出口大國地位正在被水資源豐富的巴西取代，北美水電聯(lián)盟(NAWAPA)被提上日程。中國華北西北缺水影響農(nóng)業(yè)發(fā)展，近20多年來糧食自給率每年下降1個百分點(diǎn)，南水北調(diào)工程正在規(guī)劃和實(shí)施中，目前東中線一期工程已經(jīng)完工，二期工程開始建設(shè)，西線選線傾向于中低海拔葉巴灘-兩河口-雙江口-洮河線，具有自流調(diào)水和西延瀾滄江、怒江、雅魯藏布江流域的條件。南水北調(diào)西線高海拔線、中高海拔線和中低海拔線自流最大可調(diào)水量為1777.4億m3[17]，本文測算的理論總庫容需求為1068.8億m3，其中7條主要江河的調(diào)水量為1503.9億m3，理論總庫容為930.4億m3，規(guī)劃總庫容可達(dá)到1013.5億m3，是理論總庫容的1.0893倍。

在南水北調(diào)西線水源區(qū)，大渡河有規(guī)劃總庫容70.9億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的雙江口、下爾呷水庫和西線中高海拔線建設(shè)的大渡河總庫容；雅礱江有規(guī)劃總庫容162.6億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的兩河口、仁青嶺水庫和西線中高海拔線建設(shè)的雅礱江總庫容；金沙江有規(guī)劃總庫容178.2億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的拉哇高壩、葉巴灘、崗?fù)小⑷魵J、牙哥水庫和西線中高海拔線建設(shè)的通天河總庫容；瀾滄江有規(guī)劃總庫容178.2億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的如美、西線中高海拔線建設(shè)的東灘、日埃內(nèi)拉水庫，和凍中水庫高壩的總庫容37.1億m3[18，19，20]；怒江有規(guī)劃總庫容181.0億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的同卡、熱玉和西線中高海拔線建設(shè)的東巴水庫的總庫容[21]；尼洋河有規(guī)劃總庫容68.8億m3，主要是規(guī)劃建設(shè)的渡口高壩、農(nóng)被高壩和巴松措天然庫容[22]；雅魯藏布江有規(guī)劃總庫容226.7億m3，需規(guī)劃建設(shè)桑白、洞嘎、藏木高壩、涌德、崗科等大型水庫。瀾滄江和怒江的相對規(guī)劃總庫容最低，分別占各自流域理論完全調(diào)節(jié)總庫容的90.74%和94.56%，其他5條主要江河的規(guī)劃總庫容均多于理論完全調(diào)節(jié)總庫容，見表6—7。

表6 南水北調(diào)西線主要水源區(qū)理論總庫容同規(guī)劃總庫容比較 單位：億m3

表7 南水北調(diào)西線主要水源區(qū)河流水庫規(guī)劃總庫容 單位：億m3

4 結(jié)論與對策建議

4.1 主要結(jié)論

(1)我國水資源開發(fā)利用程度地區(qū)差異很大，人口稠密的缺水區(qū)水資源開發(fā)程度接近或超過100%，需要通過跨流域調(diào)水增加水資源供給量，如黃、淮、海和遼河流域。

(2)我國跨流域調(diào)水水資源開發(fā)潛力大，特別是南水北調(diào)水源地長江和西南諸河，西線調(diào)水近期以長江上游為水源地，總庫容系數(shù)低，特別是多年庫容系數(shù)最低，可保障穩(wěn)定供水。

(3)關(guān)鍵地區(qū)防洪庫容開發(fā)利用潛力大，同跨流域調(diào)水相關(guān)的黃淮海流域、遼河流域和長江流域的大型水庫防洪庫容占比多高于全國平均值，有利于防洪庫容開發(fā)利用和興利庫容在短期內(nèi)快速增加，提高當(dāng)?shù)氐乃Y源利用率。

(4)黑龍江流域水資源開發(fā)程度居中等，仍有開發(fā)潛力，當(dāng)前有防洪庫容76.2億m3可利用，高于規(guī)劃的松遼運(yùn)河年調(diào)水量68.4億m3，若在嫩江上游修建四站水庫和五站水庫作為大小興安嶺山麓調(diào)水首庫，可充分保障東北的北水南調(diào)和松遼運(yùn)河用水需求。

(5)西北諸河為干旱半干旱缺水區(qū)，雖然西北諸河水資源開發(fā)程度低，但是由于徑流深度低，開發(fā)潛力居中等，且總庫容系數(shù)高，開發(fā)難度大，本地水資源同豐富的土地資源不匹配，需要跨流域調(diào)水才能進(jìn)行大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)，應(yīng)當(dāng)確定為南水北調(diào)西線工程的主要受水區(qū)。

(6)珠江流域和東南諸河為豐水區(qū)，總庫容系數(shù)低，防洪庫容占比居中等，水資源開發(fā)比較容易，航道跨流域連通是當(dāng)?shù)氐乃_發(fā)重點(diǎn)，但是由于當(dāng)?shù)囟嗯_風(fēng)，秋季和冬季旱災(zāi)頻率較高，應(yīng)注重現(xiàn)有水庫升級改造，優(yōu)化水庫調(diào)度管理，增加防洪庫容利用率。

4.2 對策建議

(1)黑龍江和遼河流域鄰近北方缺水區(qū)，防洪庫容轉(zhuǎn)為興利庫容投資小見效快。建議利用現(xiàn)有的松花湖、哈達(dá)山水庫、尼爾基水庫、嫩江下游河灘地滯洪區(qū)、大賚(通其爾)水庫、月亮泡、查干湖聯(lián)合調(diào)度，調(diào)蓄洪水，盡早開鑿松遼運(yùn)河實(shí)施東北北水南調(diào)。

(2)建議黃淮海流域通過擴(kuò)大南水北調(diào)中線工程調(diào)水量，建設(shè)華北內(nèi)河航道網(wǎng)，推廣水肥一體化高效節(jié)水灌溉，挖掘黃淮海平原農(nóng)業(yè)增產(chǎn)潛力，同時盡快開建規(guī)劃的黃河中上游古賢、磧口、大柳樹(黑山峽)水庫，利用當(dāng)前興利和防洪庫容聯(lián)合調(diào)度，增加興利庫容和提高用水保障水平。

(3)西北諸河多為內(nèi)流區(qū)是南水北調(diào)西線主要受水區(qū)，建議大力推廣普及水肥一體化高效節(jié)水灌溉，先節(jié)水后調(diào)水，挖掘水資源潛力，提高水資源利用率和利用效率。具體措施如加大引黃灌溉力度，優(yōu)化庫容布局和庫容調(diào)度，增加防洪興利共有庫容。

(4)南水北調(diào)西線調(diào)水工程受水區(qū)分4個梯次自南向北擴(kuò)展依次為甘肅、寧夏、陜北、晉中北、冀西北，內(nèi)蒙古陰山以南，內(nèi)蒙古陰山以北，和新疆。目前應(yīng)加強(qiáng)引黃和引洮工程的調(diào)度和管理，以發(fā)展高效節(jié)水灌溉為目標(biāo)，建設(shè)田間蓄水池，大力發(fā)展水肥一體化大田滴灌，鼓勵節(jié)水開荒，擴(kuò)大灌溉面積。

(5)南水北調(diào)西線調(diào)水水源地自北向南延伸依次為長江流域、瀾滄江和怒江、雅魯藏布江流域。近期規(guī)劃建設(shè)的南水北調(diào)西線葉巴灘-洮河線路可以利用已建和在建的葉巴灘、兩河口、雙江口水庫總庫容，建議盡早開始建設(shè)引水隧洞工程，開鑿迭山、岷山、邛崍山、大折多山、沙魯里山隧洞群，以實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)西線首期通水。