京津冀水資源-糧食-能源-生態(tài)協(xié)同調(diào)控研究Ⅱ：應(yīng)用

趙 勇，常奐宇，2，桑學(xué)鋒，何國華，王慶明，姜 珊

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084)

1 研究背景

在全球氣候變化、人口增長和城市化等要素的驅(qū)動下，水資源、糧食、能源和生態(tài)需求的持續(xù)增長將是人類社會保持長期穩(wěn)定發(fā)展必須要應(yīng)對的重大挑戰(zhàn)[1]。而資源稟賦、生產(chǎn)能力和消費規(guī)模的不匹配、不平衡，是造成不同地區(qū)水資源、糧食、能源、生態(tài)系統(tǒng)難以協(xié)同保障的根本原因。

目前在我國北方大部分地區(qū)，尤其在黃河流域、海河流域等地區(qū)，由于長期存在缺水的問題，糧食、能源和生態(tài)用水需求呈現(xiàn)資源供需失衡的現(xiàn)象，已經(jīng)成為制約水資源匱乏地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[2-5]。針對能源和糧食生產(chǎn)與生態(tài)修復(fù)過程中的水資源消耗已經(jīng)有了較全面的研究，但對于水資源、糧食、能源在消費過程中的互饋關(guān)系，以及水資源的取用、調(diào)運(yùn)、處理過程的耗能情況等研究仍較為缺乏，導(dǎo)致對水-糧-能-生耦合系統(tǒng)的整體性認(rèn)知薄弱，難以提出基于水-糧-能-生互饋機(jī)制的跨行業(yè)多部門協(xié)同保障方案。當(dāng)前，隨著對水資源、糧食、能源、生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系研究的深入，四者復(fù)雜而深刻的互饋作用正在逐漸被揭示。如2014年中國社會水循環(huán)(包括對水資源的取、供、用、污水回用等過程)能量消耗總量為1.1萬億kWh，約占全國總用電量的19%[6]。再如，南水北調(diào)中線在受水區(qū)通過水源置換減少當(dāng)?shù)氐叵滤_采，不僅一定程度上恢復(fù)了地下水位，也降低了當(dāng)?shù)爻槿〉叵滤哪茉聪腫7]。何國華等[8]通過預(yù)測中國未來飲食結(jié)構(gòu)和人口規(guī)模，發(fā)現(xiàn)在滿足現(xiàn)狀飲食習(xí)慣下，未來我國將需要新增更多的耕地和灌溉用水。諸如此類的研究成果表明，從更為全面的視角認(rèn)識水資源、糧食、能源和生態(tài)耦合關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出協(xié)同保障方案至關(guān)重要。

京津冀作為我國缺水地區(qū)中經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，以占我國0.7%的水資源量支撐了全國8.0%的人口，9.4%的GDP和8.2%的灌溉面積[9]。隨著人口和產(chǎn)業(yè)的大量聚集，過去數(shù)十年京津冀地區(qū)水資源、糧食和能源的需求量不斷增加，同時對生態(tài)要求也不斷增強(qiáng)，水資源短缺已經(jīng)嚴(yán)重制約了地區(qū)糧食和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。2018年海河流域生態(tài)基流平均達(dá)標(biāo)率為全國最低水平[10]，用水結(jié)構(gòu)的變化也進(jìn)一步增加了社會水循環(huán)耗能和碳排放量[11]，整個地區(qū)水-糧-能-生耦合系統(tǒng)處于失衡狀態(tài)，而由此伴隨的社會水循環(huán)耗能增加[12]、地下水超采和河流干涸等生態(tài)環(huán)境破壞[13-14]問題也很大程度上影響著首都安全、京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略以及雄安新區(qū)的建設(shè)。由于水-糧-能-生耦合系統(tǒng)間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系和聯(lián)動機(jī)制，而耦合系統(tǒng)交互作用的核心是自然-社會水循環(huán)過程，因此開展水-糧-能-生關(guān)聯(lián)視角下多水源協(xié)同調(diào)控研究，對于保障京津冀地區(qū)水安全、糧食安全、低碳發(fā)展和生態(tài)健康十分必要。

本文根據(jù)京津冀水-糧-能-生系統(tǒng)緊密耦合的特征，基于上篇構(gòu)建的水-糧-能-生協(xié)同調(diào)控模型[15]，分析水-糧-能-生關(guān)聯(lián)視角下耦合系統(tǒng)的互饋機(jī)制與模擬結(jié)果，探索符合京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的調(diào)控方案，為解決相關(guān)地區(qū)水資源、糧食、能源、生態(tài)之間失衡問題提供技術(shù)參考。

2 京津冀水-糧-能-生模型構(gòu)建和情景設(shè)置

2.1 研究區(qū)水系統(tǒng)概化研究區(qū)范圍為京津冀及相關(guān)流域，通過水資源三級區(qū)(18個)疊加縣級行政分區(qū)(177個)的方式，共劃分285個計算單元，每個計算單元是計算水資源供需平衡、糧食生產(chǎn)、社會水循環(huán)能源消耗和河湖生態(tài)需水的基本單元，不同計算單元根據(jù)自然水系建立匯流關(guān)系，可以實現(xiàn)上游用排水和下游取用水之間的動態(tài)響應(yīng)。此外模型還設(shè)置有29座大型水庫和90個打包的中小型概化水庫等供水節(jié)點，以及南水北調(diào)中線、引黃入冀補(bǔ)淀、南水北調(diào)東線等跨流域調(diào)水工程與引灤入津、引青濟(jì)秦等流域內(nèi)調(diào)水工程，實現(xiàn)不同計算單元間人工取供水水量的流動。通過采用概化的“點——調(diào)配工程節(jié)點”、“線——水力聯(lián)系”、“面——計算單元”元素表達(dá)，對不同水利工程和單元水力聯(lián)系以及地理聯(lián)系抽象和概化，共同組成了京津冀及相關(guān)流域水系統(tǒng)概化圖，如圖1所示。

2.2 模型基礎(chǔ)資料

(1)自然-社會水循環(huán)過程率定驗證。采用研究區(qū)1961—2000年歷史水文、氣象數(shù)據(jù)對模型自然水循環(huán)過程進(jìn)行率定和驗證，水文站斷面流量驗證結(jié)果顯示，京津冀地區(qū)6個典型水文站Nash系數(shù)在0.65以上，相關(guān)系數(shù)在0.8以上；京津冀各地市地表水資源量驗證結(jié)果顯示，多年平均模型模擬結(jié)果與實際地表水資源量的相對誤差率為6.2%；京津冀各地市實際用水量驗證結(jié)果顯示，水資源配置模擬結(jié)果和實際用水量的相對誤差率為1.2%。因此模型能夠較好地模擬京津冀自然水循環(huán)和水資源配置過程，詳細(xì)的率定驗證過程參考文獻(xiàn)[9]。

(2)本地可利用水量。京津冀本地可利用水源包括地表水、地下水和非常規(guī)水。根據(jù)《海河流域水治理戰(zhàn)略研究》[16]，2001—2016年流域多年平均地表水資源量為121.8億m3，其中京津冀地區(qū)多年平均地表水可利用量為75.1億m3，入境可利用水量為22.0億m3。為維持采補(bǔ)平衡，京津冀地區(qū)地下水可開采量為114億m3。非常規(guī)水包括雨水利用、海水淡化以及再生水回用，未來隨著用水量變化和再生水回用率提高，京津冀地區(qū)非常規(guī)水可利用量將進(jìn)一步增加。

(3)外調(diào)水量。2014年南水北調(diào)中線一期工程和引黃工程已通水運(yùn)行，根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源公報，2018年南水北調(diào)中線向京津冀地區(qū)供水44.2億m3。根據(jù)2002年國務(wù)院批復(fù)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，南水北調(diào)中線一期達(dá)效后向京津冀供水量為49.5億m3，中線工程二期向京津冀可增加供水量15億m3[17-18]。引黃入冀補(bǔ)淀工程補(bǔ)水量為6.2億m3[19]。根據(jù)《南水北調(diào)東線二期工程規(guī)劃報告》，按照東線二期工程通水后向京津冀供水25.4億m3進(jìn)行情景設(shè)置[20]?？紤]引灤工程和南水北調(diào)工程可以在天津?qū)崿F(xiàn)水力聯(lián)系，因此在南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃中，通過調(diào)整現(xiàn)狀引灤水向天津、唐山的分水比例，可以實現(xiàn)南水北調(diào)工程效益向北延伸到灤河流域[21]。

圖1 京津冀及相關(guān)流域水系統(tǒng)概化圖

(4)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與需水變化。由于京津冀地區(qū)水資源短缺，需水量受到水資源供給的脅迫和制約，現(xiàn)狀年實際用水量反映了地區(qū)最小的用水需求，本文采用2018年實際用水250.1億m3作為現(xiàn)狀水平年的需水。結(jié)合生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)層次化需求調(diào)控結(jié)果[22-24]，對京津冀規(guī)劃水平年經(jīng)濟(jì)社會需水總量進(jìn)行研判，經(jīng)濟(jì)社會方面主要參考相關(guān)政府報告，考慮人口、城鎮(zhèn)化率和經(jīng)濟(jì)增速等指標(biāo)設(shè)置低速、中速和高速發(fā)展情景，節(jié)水措施方面以京津冀極限節(jié)水潛力[25]和現(xiàn)狀節(jié)水水平為上下限，并在現(xiàn)狀水平下考慮節(jié)水措施進(jìn)一步加強(qiáng)的強(qiáng)化節(jié)水情景，各類情景需水量變化情勢詳見圖2。在該需水設(shè)計情景下，發(fā)生的缺水均為破壞性缺水，無法滿足的需水必然會對地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、糧食安全保障和生態(tài)環(huán)境健康帶來影響，甚至產(chǎn)生破壞性作用。

圖2 京津冀經(jīng)濟(jì)社會生產(chǎn)生活需水變化情勢

(5)生態(tài)保障需求。現(xiàn)狀京津冀水資源配置著重考慮生產(chǎn)、生活用水，河湖生態(tài)需水常常被忽略或被擠占。根據(jù)上篇生態(tài)需水計算方法[15]，京津冀最小生態(tài)需水為42.7億m3，適宜生態(tài)需水為54.3億m3。研究采用多年平均入海水量作為保障健康河口生態(tài)的最小水量，2001—2018年多年平均入海水量33.7億m3。京津冀地下水長期處于超采狀態(tài)，為達(dá)到健康地下水位，需要累積回補(bǔ)淺層地下水約715億m3[26]。

(6)社會水循環(huán)耗能。京津冀地區(qū)社會水循環(huán)耗能主要包括地表水取水、地下水提水、水廠制水、輸配水、生活用水、工業(yè)用水和污水處理等過程耗能，基于文獻(xiàn)[27]京津冀地區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，計算得到不同地市在社會水循環(huán)取水、供水、用水和污水處理等過程單方水耗能如圖3所示。

圖3 京津冀各地市不同社會水循環(huán)過程耗能

(7)糧食生產(chǎn)。2018年京津冀灌溉面積為5377.4×103hm2，其中耕地有效灌溉面積為4906.7×103hm2，地區(qū)主要糧食作物為冬小麥、夏玉米等谷物，由于氣候、土壤、地形等因素差異的影響，不同地市的灌溉水分生產(chǎn)率(WUE)也不同，如圖4所示[24]。

圖4 京津冀各地市灌溉水分生產(chǎn)率

2.3 推演式情景設(shè)置通過組合不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景，可以得到許多種可能的未來發(fā)展情景。為了優(yōu)選符合京津冀協(xié)同發(fā)展的情景組合，本文以“先探究合理的用水需求，再分析可能的供水保障”為導(dǎo)向，提出推演式情景設(shè)置方法，以現(xiàn)狀京津冀水資源調(diào)控結(jié)果為基準(zhǔn)，圍繞需水變化、生態(tài)保障和供水能力3大方面，具體細(xì)化為8個關(guān)鍵情景，逐步推演來優(yōu)選不同的情景組合。

需求方面包含生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和河道外生態(tài)4種需水，考慮影響未來用水需求變化最可能的主導(dǎo)因素，設(shè)置經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、糧食產(chǎn)量水平和節(jié)水實施程度3個關(guān)鍵情景。在京津冀現(xiàn)狀水資源調(diào)控結(jié)果基準(zhǔn)下，考慮未來可能出現(xiàn)的不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展速度，進(jìn)行水資源合理調(diào)控并選定合理的經(jīng)濟(jì)增速情景；以此逐步推演，在經(jīng)濟(jì)增速確定下，進(jìn)一步選定合理的糧食產(chǎn)量和節(jié)水措施情景。生態(tài)保障方面主要考慮未來不同生態(tài)健康恢復(fù)目標(biāo)，設(shè)置河湖生態(tài)修復(fù)和地下水位恢復(fù)2個關(guān)鍵情景，在需求情景確定的基礎(chǔ)上，逐步推演，選定河湖生態(tài)修復(fù)目標(biāo)和地下水位恢復(fù)目標(biāo)。供給方面由于地表水和地下水開發(fā)利用受到生態(tài)保障約束，因此設(shè)置非常規(guī)水利用、南水北調(diào)東中線二期工程通水規(guī)模、引灤水量分配調(diào)整3個關(guān)鍵情景，在生態(tài)保障情景確定的基礎(chǔ)上對供給情景進(jìn)行逐步推演。

推演式情景設(shè)計流程如圖5所示，以上8個關(guān)鍵情景通過逐步推演，可以確定未來京津冀水資源安全保障的協(xié)同發(fā)展情景(加粗部分)。

圖5 推演式情景設(shè)計流程圖

3 京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控結(jié)果

研究以2018年為現(xiàn)狀水平年，以2035年為未來水平年?；诰┙蚣剿?糧-能-生協(xié)同調(diào)控模型，開展水-糧-能-生關(guān)聯(lián)視角下多水源協(xié)同調(diào)控，針對水安全、糧食安全、低碳發(fā)展和生態(tài)健康等協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，對現(xiàn)狀京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)進(jìn)行缺水識別；基于現(xiàn)狀水資源調(diào)控結(jié)果，圍繞需水變化、生態(tài)保障和供水能力3大方面，開展不同情景模擬，確定未來京津冀協(xié)同發(fā)展情景。

圖6 現(xiàn)狀水平年京津冀單方案尋優(yōu)結(jié)果

圖7 現(xiàn)狀水平年京津冀缺水率空間分布情況

3.1 現(xiàn)狀狀態(tài)識別根據(jù)單方案尋優(yōu)方法，確定在現(xiàn)狀供需水情景下，滿足京津冀地區(qū)水-糧-能-生協(xié)同發(fā)展的水資源配置方案。具體計算過程如下所示，后續(xù)情景設(shè)置中，均采用該方法確定每個情景對應(yīng)的最優(yōu)水資源配置方案。(1)在現(xiàn)狀供需水條件下，以缺水量最低、公平性最優(yōu)和能源消耗最低為多目標(biāo)，以滿足地區(qū)最小生態(tài)需水和入海水量為約束條件，通過NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化京津冀各地區(qū)不同水源向不同用水戶的分水比系數(shù)，得到100組滿足Pareto最優(yōu)的水資源優(yōu)化配置方案，如圖6所示。(2)由于這100組水資源優(yōu)化配置方案，均是滿足缺水量、公平性和耗能目標(biāo)的非劣解，因此將所有水資源配置方案輸入京津冀水-糧-能-生協(xié)同調(diào)控模型，基于模型運(yùn)行的結(jié)果，計算不同配置方案對應(yīng)的耦合協(xié)調(diào)度(計算方法見上篇[15])，圖6中各個方案點的大小表示耦合協(xié)調(diào)度T，越大表示對應(yīng)的耦合協(xié)調(diào)度越高，最高點顏色為紅色。(3)選取耦合協(xié)調(diào)度最大的水資源優(yōu)化配置方案(圖6紅點)，作為該現(xiàn)狀情景下符合水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的最優(yōu)水資源優(yōu)化配置方案。

基于該水資源優(yōu)化配置方案對京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)狀狀態(tài)識別。該方案下，現(xiàn)狀京津冀地區(qū)缺水率為12.4%，均衡率為82.8%，社會水循環(huán)耗能為1376.6億kWh。結(jié)果表明，2018年實際年份京津冀地區(qū)水資源供需平衡是以地下水超采、河湖生態(tài)用水被擠占來維持的，整個水-糧-能-生耦合系統(tǒng)處于嚴(yán)重失衡狀態(tài)，如果京津冀地區(qū)保證河流最小生態(tài)和健康入海水量要求，則現(xiàn)狀供水無法滿足實際的用水需求，將出現(xiàn)30.9億m3的破壞性缺水?，F(xiàn)狀水平年下京津冀缺水率空間分布如圖7所示。

3.2 推演式情景調(diào)控模擬結(jié)果評價

圖8 推演式情景下京津冀缺水率和CSI指標(biāo)變化

(1)推演式情景下缺水率和綜合協(xié)同指數(shù)(Comprehensive Sustainability Index，CSI)[15]變化分析。模型根據(jù)推演式情景模擬得到不同水-糧-能-生協(xié)同調(diào)控結(jié)果和對應(yīng)的缺水率與CSI指標(biāo)值，如圖8所示。從缺水率來看，在經(jīng)濟(jì)中速發(fā)展情景下由于用水需求增加，對應(yīng)缺水率高至19.9%，雖然采用強(qiáng)化節(jié)水等措施可以通過減少需水來降低缺水率，但在考慮河湖生態(tài)補(bǔ)水和地下水位恢復(fù)等生態(tài)保障目標(biāo)下，缺水率將進(jìn)一步加劇至18.6%，而南水北調(diào)中東線二期通水后能極大的緩解水資源短缺壓力，缺水率將降到4.1%，地區(qū)水資源安全基本得到保障。CSI指標(biāo)反映了地區(qū)水-糧-能-生耦合系統(tǒng)的可持續(xù)性，CSI越大，表明該地區(qū)可靠性越強(qiáng)，協(xié)同發(fā)展程度越好。從CSI來看，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和節(jié)水措施等需求側(cè)調(diào)控，整個水-糧-能-生耦合系統(tǒng)可持續(xù)性呈現(xiàn)增加趨勢；在考慮河湖生態(tài)補(bǔ)水和地下水恢復(fù)后，由于無法同時滿足生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水要求，缺水率迅速增大，導(dǎo)致整個水-糧-能-生系統(tǒng)可持續(xù)性在0.6～0.7范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動性變化；但隨著外調(diào)水增加和引灤水供天津和唐山比例調(diào)整，既緩解了生態(tài)和農(nóng)業(yè)競爭性用水矛盾，又增強(qiáng)了整個耦合系統(tǒng)供水均衡性，因此整個系統(tǒng)可持續(xù)性開始增加，最終達(dá)到0.85。從圖8可以看出，通過需水變化、生態(tài)保障和供水能力3個方面推演式調(diào)控，有助于京津冀地區(qū)水-糧-能-生耦合系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

(2)推演式情景下社會水循環(huán)耗能變化分析。2035水平年推演式情景下取水、供水、用水和污水處理等過程社會水循環(huán)耗能變化如圖9所示，由于地表水取水耗能均小于0.3億kWh，因此在圖中未能清晰顯示。可見，京津冀地區(qū)2035水平年推演式情景下社會水循環(huán)耗能在1593億～1625億kWh之間，其中用水耗能約占社會水循環(huán)總耗能90%以上，且主要為生活用水耗能，表明生活用水增加是未來水平年相比現(xiàn)狀社會水循環(huán)耗能增大的主要原因。隨著情景逐步推演，總耗能與各過程耗能也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，如雖然通過采取節(jié)水措施減少了生活和工業(yè)用水量，但由于節(jié)水一般伴隨著耗能增加[11]，因此在節(jié)水措施情景中總耗能并未有顯著降低。水資源、糧食和生態(tài)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的耦合關(guān)系也極其密切，京津冀地區(qū)由于糧食供給要求，未來仍需要大量提水灌溉來保障糧食生產(chǎn)，在地下水位恢復(fù)至健康地下水位情景下，地下水取水耗能將下降26.7%；在中東線后續(xù)工程新增外調(diào)水后，通過水源置換減少地下水開采量，地下水取水耗能將進(jìn)一步下降27.3%，相比初始情景，整體地下水取水耗能下降了47.8%；而隨著再生水處理規(guī)模擴(kuò)大，對應(yīng)的非常規(guī)水處理耗能則顯著增加，在中東線二期后續(xù)工程情景中，非常規(guī)水利用的耗能已占除用水耗能外總耗能的40%左右。

圖9 推演式情景下社會水循環(huán)耗能變化

3.3 推演式調(diào)控協(xié)同發(fā)展情景以2035水平年為實現(xiàn)未來京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的典型年，由3.2節(jié)可知，隨著推演調(diào)控，京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)可持續(xù)性逐漸增加。以最終情景作為京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)未來協(xié)同發(fā)展情景，并與現(xiàn)狀水平年對比，如表1所示?？梢钥闯?，通過推演調(diào)控，在需求方面，未來京津冀地區(qū)在維持現(xiàn)狀糧食產(chǎn)量和采用強(qiáng)化節(jié)水措施下，需水總量呈現(xiàn)小幅增加；在供給方面，南水北調(diào)后續(xù)工程通水顯著增加了可供水量，而非常規(guī)水充分挖潛無法有效解決地區(qū)缺水問題，通過引灤水調(diào)整，能夠降低地區(qū)缺水的不均衡性，間接實現(xiàn)南水北調(diào)東中線工程效益北延。在該情景下，經(jīng)濟(jì)社會用水得到滿足，可以保障京津冀河流維持適宜生態(tài)流量，但地下水無法達(dá)到健康地下水位50年恢復(fù)目標(biāo)(年回補(bǔ)需要達(dá)到14.3億m3)，只能實現(xiàn)每年回補(bǔ)地下水3.7億m3。

表1 2035年協(xié)同發(fā)展情景與現(xiàn)狀水平年對比表

4 基于水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的未來調(diào)水規(guī)模研判

4.1 南水北調(diào)中東線后續(xù)工程適宜規(guī)模分析基于推演式調(diào)控模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需水均可得到保障，但受限于水資源稟賦較差問題，京津冀地區(qū)水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的最大制約因素為糧食生產(chǎn)和生態(tài)恢復(fù)之間的競爭性用水矛盾。而2035水平年協(xié)同發(fā)展情景下糧食產(chǎn)量維持現(xiàn)狀水平，同時河湖生態(tài)得到改善，其前提條件是未來南水北調(diào)中線和東線后續(xù)年調(diào)水工程規(guī)模達(dá)到40.4億m3?，F(xiàn)狀水平年京津冀以犧牲生態(tài)的方式保障了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和糧食安全，未來如果要實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)，考慮節(jié)水、再生水回用等需水側(cè)與本地供給側(cè)潛力已全部挖潛，在沒有新增水源的情景下，只能大量壓減農(nóng)業(yè)用水量，通過降低糧食產(chǎn)量的方式來緩解缺水問題，對于糧食供給安全和地區(qū)農(nóng)民生計均會帶來不同程度的影響。因此在現(xiàn)狀南水北調(diào)中線供水規(guī)模基礎(chǔ)上，本文從京津冀受水區(qū)需求角度出發(fā)，研判未來適宜調(diào)水規(guī)模，情景組合如表2所示，每種情景均以協(xié)同發(fā)展情景為基礎(chǔ)。

表2 2035水平年京津冀外調(diào)水情景設(shè)置

各情景水資源供需平衡結(jié)果如圖10所示，情景0為基準(zhǔn)情景，缺水率高達(dá)11.3%，表明在沒有中東線后續(xù)工程情景下，若要維持京津冀經(jīng)濟(jì)社會正常發(fā)展的用水需求，2035水平年需要超采地下水29.3億m3；情景Ⅰ和情景Ⅱ通過新增外調(diào)水，一定程度可緩解破壞性缺水問題，但仍需要超采地下水才能維持經(jīng)濟(jì)社會正常發(fā)展；情景Ⅲ新增外調(diào)水30億m3，此時京津冀生態(tài)健康得到基本保障；情景Ⅳ和情景Ⅴ下，京津冀生態(tài)健康得到一定程度的修復(fù)，其中在情景Ⅴ時，可以保障京津冀河湖生態(tài)適宜需水和地下水采補(bǔ)平衡目標(biāo)。

圖10 不同外調(diào)水規(guī)模下2035年京津冀供需平衡分析

結(jié)果表明，南水北調(diào)中東線后續(xù)工程對緩解當(dāng)?shù)仄茐男匀彼?、保障生態(tài)健康具有十分重要的作用，當(dāng)南水北調(diào)中東線后續(xù)工程增調(diào)水量達(dá)到36.2億m3時，可以實現(xiàn)河湖適宜生態(tài)需水和地下水采補(bǔ)平衡目標(biāo)；當(dāng)增調(diào)水量達(dá)到50億m3時，可以實現(xiàn)適宜生態(tài)需水和地下水50年恢復(fù)健康水位的目標(biāo)?？紤]未來京津冀地區(qū)水資源衰減將進(jìn)一步增加約10億m3供水缺口[28-29]，因此為實現(xiàn)京津冀經(jīng)濟(jì)社會正常發(fā)展和水-糧-能-生耦合系統(tǒng)平衡，南水北調(diào)中東線后續(xù)工程保障適宜生態(tài)目標(biāo)年調(diào)水規(guī)模應(yīng)為46.2億m3，保障理想生態(tài)目標(biāo)(地下水50年恢復(fù))年調(diào)水規(guī)模應(yīng)為60億m3。

4.2 南水北調(diào)中東線后續(xù)工程規(guī)模擴(kuò)大潛在影響討論本文從京津冀受水區(qū)需求角度出發(fā)，提出了保障京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的不同南水北調(diào)中東線后續(xù)工程規(guī)模。從南水北調(diào)中線一期工程2014年正式通水以來，已經(jīng)為受水區(qū)帶來了許多積極作用，如保障了京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，飲用水質(zhì)量得到顯著提升；而南水北調(diào)中線通過置換地下水，也部分緩解了當(dāng)?shù)氐叵滤蓡栴}，如北京地區(qū)的地下水儲量和地下水位均得到一定程度恢復(fù)[30]。

但值得注意的是，南水北調(diào)中東線后續(xù)工程規(guī)模擴(kuò)大也會對沿途各省市經(jīng)濟(jì)社會帶來巨大影響。如隨著供水規(guī)模擴(kuò)大，對應(yīng)供水渠道等水利工程需要提標(biāo)改造，將進(jìn)一步增加工程投資和運(yùn)行成本，以及存在中線工程水費征收困難[17]、不同用戶對外調(diào)水水價承受能力不同[31]等問題。此外，南水北調(diào)中線調(diào)走了水源區(qū)大約35%的水量[32]，對于當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)系統(tǒng)和供水安全保障均會帶來一定的影響，Hu等[33]發(fā)現(xiàn)未來丹江口水庫地區(qū)降水量可能呈現(xiàn)減少趨勢，由此帶來的水資源量衰減可能導(dǎo)致水源區(qū)無法進(jìn)一步加大調(diào)水規(guī)模。而南水北調(diào)東線從長江下游干流提水，由于臨近入?？?，調(diào)水導(dǎo)致的入海水量減少，可能會引發(fā)海水入侵等生態(tài)問題[34]。因此在具體研判和論證后續(xù)工程新增外調(diào)水規(guī)模時，必須要全面考慮水源區(qū)和受水區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)等方面的綜合影響。

5 結(jié)論

京津冀作為我國缺水地區(qū)中經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，水資源短缺已成為制約糧食、能源和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。針對這一問題，本文構(gòu)建了以自然-社會水循環(huán)過程為核心的京津冀水-糧-能-生協(xié)同調(diào)控模型，該模型以現(xiàn)狀京津冀水系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建水安全、糧食安全、低碳發(fā)展和生態(tài)健康協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，從需求變化、生態(tài)保障和供給能力3個方面開展推演式情景調(diào)控模擬，揭示了現(xiàn)狀京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)狀態(tài)，提出了基于水-糧-能-生關(guān)聯(lián)視角下京津冀協(xié)同發(fā)展情景。

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀京津冀水-糧-能-生耦合系統(tǒng)處于嚴(yán)重失衡的狀態(tài)，地區(qū)供用水平衡是以地下水超采、河湖生態(tài)用水被擠占來維持的，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重受損。從水-糧-能-生耦合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展角度出發(fā)，現(xiàn)狀京津冀地區(qū)破壞性缺水量高達(dá)30.9億m3。

在京津冀2035水平年協(xié)同發(fā)展情景下，經(jīng)濟(jì)社會用水得到保障，糧食生產(chǎn)和生態(tài)恢復(fù)之間的競爭性用水得到滿足，整個水-糧-能-生耦合系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。未來在本地節(jié)水潛力和供水能力全部挖潛下，外調(diào)水后續(xù)規(guī)模將成為保障地區(qū)水-糧-能-生協(xié)同發(fā)展的重要因素。從水資源衰減和受水區(qū)需求角度出發(fā)，提出京津冀地區(qū)南水北調(diào)中東線后續(xù)年調(diào)水工程規(guī)模應(yīng)為46.2億～60億m3。需指出的是，與中東線后續(xù)工程擴(kuò)大規(guī)模相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)問題也是需要重點關(guān)注的內(nèi)容。