基于黃河流域水資源均衡調(diào)配的南水北調(diào)西線一期工程水量配置

王煜 周翔南 彭少明 武見(jiàn) 明廣輝 鄭小康

摘要：南水北調(diào)西線一期工程生效后黃河流域水量分配模式?jīng)Q定了黃河流域水資源配置格局重塑和南水北調(diào)西線工程供水效益評(píng)價(jià)，為國(guó)家水網(wǎng)構(gòu)建提供重要技術(shù)支撐?？紤]西線供水范圍可覆蓋黃河主要供水區(qū)的特點(diǎn)，西線調(diào)入水量應(yīng)與黃河流域水資源統(tǒng)一配置，考慮生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率的原則，構(gòu)建了流域用水分級(jí)配置方法，建立了基于流域水資源均衡調(diào)配的西線調(diào)入水量配置模式，開(kāi)展了不同情景優(yōu)化配置方案研究。結(jié)果表明：南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水80億m3，配置給黃河河流生態(tài)用水33.70億m3，配置給流域河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水46.30億m3，其中95%以上配置給黃河上中游地區(qū)，流域缺水率降低至7.0%～8.3%。優(yōu)化配置方案體現(xiàn)了生態(tài)優(yōu)先原則，保障了黃河河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境用水，均衡了河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的公平和效率，有效緩解了流域缺水。

關(guān)鍵詞：生態(tài)優(yōu)先;均衡調(diào)配;南水北調(diào)西線;黃河流域

中圖分類號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）03-0336-13

收稿日期：2022-12-16;

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-04-14

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20230413.2124.005.html

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2022YFC3202305）

作者簡(jiǎn)介：王煜（1968—），男，河南開(kāi)封人，正高級(jí)工程師，博士，主要從事流域水利規(guī)劃、水資源配置研究。

E-mail：757101915@qq.com

通信作者：彭少明，E-mail：pengshming@163.com

大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程被世界各國(guó)用來(lái)解決人口增長(zhǎng)和氣候變化情況下流域或區(qū)域水資源短缺問(wèn)題［1-5］，跨流域調(diào)水量與供水流域或區(qū)域的各種水資源耦合構(gòu)成了復(fù)雜的水資源系統(tǒng)，開(kāi)展本地水和外調(diào)水聯(lián)合水資源優(yōu)化配置對(duì)于供水流域或區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義［1-2］。南水北調(diào)西線工程是中國(guó)“四橫三縱”國(guó)家水網(wǎng)的重要組成部分，西線調(diào)入水量和黃河流域水資源量如何進(jìn)行聯(lián)合調(diào)配，如何在滿足流域生態(tài)需水的前提下實(shí)現(xiàn)水資源利用的公平和效益最大化，是西線工程論證中亟需研究解決的重大問(wèn)題，將直接影響西線工程的功能定位、籌融資方式和水價(jià)制定機(jī)制等立項(xiàng)決策。

跨流域調(diào)水工程是一個(gè)涉及多水源、多地區(qū)、多目標(biāo)的高維、復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，一些學(xué)者圍繞跨流域水資源配置的目標(biāo)、模型、求解算法、合理性等進(jìn)行了研究。李紅艷［6］根據(jù)調(diào)水工程供水目標(biāo)，設(shè)計(jì)了初始水權(quán)分配指標(biāo)體系，引入多目標(biāo)多層次模糊優(yōu)選算法求解，基于水資源承載能力分析跨流域調(diào)水的合理性;王浩等［7］、彭少明等［8］研究了不同階段水資源系統(tǒng)優(yōu)化配置模式，基于泛流域概念建立了具有3層結(jié)構(gòu)的泛流域多維尺度優(yōu)化模型，提出了西線工程適宜的調(diào)水規(guī)模、工程布局及調(diào)水量空間合理分配方案;趙勇等［9］通過(guò)設(shè)定調(diào)水工程最優(yōu)運(yùn)行的目標(biāo)和相關(guān)約束實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的時(shí)空和用戶分配，建立水量調(diào)配仿真系統(tǒng)和調(diào)度模型并采用模糊數(shù)學(xué)理論將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)函數(shù)求解;游進(jìn)軍等［10］針對(duì)兩部制水價(jià)運(yùn)行管理機(jī)制，提出了符合實(shí)際管理需求的兩階段補(bǔ)償式外調(diào)水配置算法，實(shí)現(xiàn)本地水和外調(diào)水的聯(lián)合配置;張弛等［5］針對(duì)跨流域調(diào)水工程的實(shí)時(shí)調(diào)度決策問(wèn)題，考慮受水水庫(kù)的供水效益與引水成本，建立了受水水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度的理論分析框架;董增川等［11］針對(duì)傳統(tǒng)多目標(biāo)決策方法難以刻畫(huà)流域水資源系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)多目標(biāo)互饋關(guān)系及需求動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了流域水資源調(diào)度多目標(biāo)時(shí)變偏好決策方法并在金沙江下游進(jìn)行應(yīng)用;王煜等［12］提出了基于水-沙-生態(tài)多因子的黃河流域水資源動(dòng)態(tài)配置機(jī)制和“保存量、分增量”的動(dòng)態(tài)配置思路。與南水北調(diào)東線工程、中線工程具有獨(dú)立的輸水系統(tǒng)和供水分配體系不同，南水北調(diào)西線工程調(diào)水進(jìn)入黃河后沒(méi)有獨(dú)立的供水分配體系，西線工程調(diào)水如何分配、和黃河流域水資源的分配關(guān)系等都是西線工程論證中亟需研究解決的重大問(wèn)題。對(duì)黃河流域而言，黃河“八七”分水方案明確規(guī)定了黃河流域水資源調(diào)配的基本原則和分配方案，針對(duì)已有分水方案的調(diào)入流域，如何考慮外調(diào)水和本流域水資源聯(lián)合優(yōu)化整體配置研究尚需要深化。

黃河流域是中國(guó)水資源問(wèn)題最為尖銳復(fù)雜的流域之一，近年來(lái)在變化環(huán)境影響下，黃河流域天然徑流量持續(xù)減少，用水需求不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致供需失衡形勢(shì)日趨嚴(yán)峻［13-14］。缺水流域水資源供需矛盾日益尖銳，區(qū)域之間和行業(yè)之間用水競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，需要在用水效率和公平之間做出權(quán)衡，水資源調(diào)配難度極大［15-17］。隨著水資源調(diào)配理論與技術(shù)的發(fā)展，水資源綜合價(jià)值和用水公平被用于引導(dǎo)流域水資源均衡調(diào)配［18-20］，一些研究通過(guò)權(quán)重、統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)等方法建立單一的水資源價(jià)值目標(biāo)［21-23］，或者通過(guò)分析不同價(jià)值權(quán)衡關(guān)系為決策者提供決策偏好選擇最優(yōu)調(diào)控方案［24-25］。目前缺水流域水資源調(diào)配理論和方法研究已取得一定成果，但在水資源配置中用水公平性考慮不足，針對(duì)缺水流域公平為主兼顧效率的水資源調(diào)配理論和技術(shù)還有待研究。

本文擬開(kāi)展公平為主兼顧效率的南水北調(diào)西線生效后黃河流域水量分配模式研究，基于未來(lái)黃河流域水資源供需總體格局和分區(qū)供需狀況，建立生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率流域水資源分級(jí)配置方法，研發(fā)考慮南水北調(diào)西線調(diào)入水量的黃河流域水資源整體優(yōu)化配置模型，提出新形勢(shì)下黃河流域水資源優(yōu)化配置方案，并解析出西線調(diào)入水量的配置方案。

1?研究范圍和主要數(shù)據(jù)

1.1?研究范圍

黃河流域最大的矛盾是水資源短缺。流域人均水資源量為全國(guó)的23%，農(nóng)田灌溉用水定額不足全國(guó)的15%。以占全國(guó)2%的水資源量，承擔(dān)著全國(guó)15%的耕地面積和12%人口的供水任務(wù)，同時(shí)還向流域外供水約100億m3?，F(xiàn)狀流域內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水受到抑制，缺水問(wèn)題嚴(yán)重，4 000萬(wàn)畝農(nóng)田得不到充分灌溉，大量能源項(xiàng)目由于缺水而難以落地，國(guó)家糧食安全和能源安全受到嚴(yán)重威脅。規(guī)劃的南水北調(diào)西線工程是從長(zhǎng)江上游調(diào)水入黃河上游、緩解黃河流域水資源嚴(yán)重短缺形勢(shì)的跨流域調(diào)水工程，是中國(guó)“四橫三縱”水資源配置戰(zhàn)略的重要組成部分，是落實(shí)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的重要支撐。目前，西線一期工程推薦上下線組合方案，即上線雅礱江、大渡河干支流聯(lián)合調(diào)水40億m3，下線大渡河雙江口調(diào)水40億m3，共調(diào)水80億m3。黃河流域干支流關(guān)鍵斷面及跨流域調(diào)水工程見(jiàn)圖1。

1.2?主要數(shù)據(jù)

（1） 天然徑流量。采用全國(guó)水資源第三次調(diào)查評(píng)價(jià)成果，即1956—2016年系列。蘭州、河口鎮(zhèn)、三門(mén)峽、花園口、利津等5個(gè)關(guān)鍵斷面平均天然徑流量分別為323.97億、307.41億、435.38億、484.22億、490.04億m3。

（2） 經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量。采用分層需水預(yù)測(cè)方法［26］，剛性需水包括滿足人類生活、生物生存、企業(yè)開(kāi)工生產(chǎn)、河湖基本健康所需要的基本水量，剛彈性需水是指提高生活品質(zhì)、滿足糧食消費(fèi)需求、發(fā)展工業(yè)和塑造適宜生態(tài)環(huán)境所需的水量，彈性需水是指維持生活中的彈性消費(fèi)、高耗水產(chǎn)業(yè)和人工營(yíng)造高耗水景觀所需的水量。預(yù)測(cè)2030年黃河流域河道外需水總量為534.6億m3，如表1所示，其中，剛性需水量為321.62億m3，占總需水量的60.2%;剛彈性需水量為208.15億m3，占總需水量的38.9%;彈性需水量為4.85億m3，占總需水量的0.9%。分行業(yè)來(lái)看，生活需水65.22億m3全部為剛性需水;工業(yè)需水為110.41億m3，其中剛性需水和剛彈性需水占比分別為63.9%和36.1%;農(nóng)業(yè)需水為334.33億m3，其中剛性需水、剛彈性需水和彈性需水占比分別為48.2%、50.3%和1.5%;生態(tài)需水24.66億m3全部為剛性需水。分省區(qū)來(lái)看，各省區(qū)剛性需水占比為46%～90%;剛彈性需水占比為10%～54%;彈性需水本次僅考慮內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)需水4.85億m3，占比5%。詳見(jiàn)圖2及表1。由此可見(jiàn)，黃河流域國(guó)民經(jīng)濟(jì)需水具有較大的剛性特征和分層需求規(guī)律，在流域水資源優(yōu)化配置時(shí)可以針對(duì)不同層次需水制定分級(jí)配置策略。

（3） 流域地下水供水量。采用《黃河流域水資源綜合規(guī)劃報(bào)告（2012—2030年）》（以下簡(jiǎn)稱黃流規(guī)）成果，即黃河流域地下水基本實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡，維持125億m3左右供水量，見(jiàn)表2。

（4） 用水效率。根據(jù)《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范：SL 72—2013》，工業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)以供水項(xiàng)目費(fèi)用占供水范圍內(nèi)整個(gè)工礦企業(yè)生產(chǎn)費(fèi)用的比例確定。本次的工業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)在參考以往典型工程經(jīng)濟(jì)分析成果的基礎(chǔ)上采用1.5%。參考《人民治理黃河70年灌溉效益分析》［27］，并綜合近期流域內(nèi)典型項(xiàng)目效益分析成果，農(nóng)田灌溉用水效益分?jǐn)傁禂?shù)各省統(tǒng)一采用0.5。采用黃河流域各省區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒（2012—2018年）及黃河水資源公報(bào)（2012—2018年），測(cè)算工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工農(nóng)業(yè)用水量，分析確定各省區(qū)農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水單方水效益，如表3所示。

（5） 河流生態(tài)需水量。根據(jù)黃流規(guī)，在南水北調(diào)西線一期調(diào)水工程生效后，入海水量應(yīng)達(dá)到210億m3，保證基本的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境水量，維持河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)及用水要求，使河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得以良性維持。此外，根據(jù)《黃河流域（片）河湖生態(tài)水量（流量）研究》等成果，確定黃河干流蘭州、河口鎮(zhèn)、花園口和利津4個(gè)關(guān)鍵斷面生態(tài)基流分別為350、150、200和50 m3/s，并考慮主要支流入黃斷面生態(tài)基流要求。

（6） 水庫(kù)及調(diào)水工程。干支流水庫(kù)考慮已建的龍羊峽、劉家峽、萬(wàn)家寨、三門(mén)峽、小浪底等干流骨干工程及規(guī)劃的古賢水利樞紐?？缌饔蛘{(diào)水工程考慮西線一期工程上線和下線調(diào)水量共80億m3，引漢濟(jì)渭調(diào)水量10億m3，引紅濟(jì)石0.9億m3，引乾濟(jì)石0.47億m3以及南水北調(diào)東線向山東供水1.26億m3。

2?研究方法

2.1?總體思路

1987年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的黃河可供水量分配方案（“八七”分水方案）確定了黃河水量分配的基本格局，明確了河流生態(tài)用水和沿黃各省區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量［28-29］。以此為基礎(chǔ)，黃流規(guī)確定了新的黃河徑流條件下黃河分水方案，這是國(guó)家層面確定的黃河流域水權(quán)分配，這也是黃河流域水量再分配的基礎(chǔ)。

為解決中國(guó)水資源時(shí)空分布極不均衡的問(wèn)題，中國(guó)正在加快構(gòu)建以南水北調(diào)為主骨架和大動(dòng)脈的國(guó)家水網(wǎng)工程，大力推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程的高質(zhì)量發(fā)展。南水北調(diào)西線工程是中國(guó)“四橫三縱”國(guó)家水網(wǎng)的重要組成部分，從長(zhǎng)江上游支流大渡河、雅礱江、金沙江調(diào)水進(jìn)入黃河上游地區(qū)，是解決黃河上中游地區(qū)和臨近的石羊河流域水資源短缺的重大工程。根據(jù)有關(guān)規(guī)劃，南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水80億m3，占黃河現(xiàn)狀天然徑流量的16.3%，將大大改變黃河流域水源條件。西線調(diào)水在黃河源頭地區(qū)進(jìn)入干流和黃河徑流混合，經(jīng)過(guò)龍羊峽、劉家峽、大柳樹(shù)、古賢、三門(mén)峽和小浪底等干流骨干水庫(kù)群調(diào)節(jié)，供水范圍可覆蓋黃河主要供水區(qū)域。區(qū)別于南水北調(diào)東線和中線等其他調(diào)水工程，西線工程調(diào)水進(jìn)入黃河后沒(méi)有獨(dú)立的供配水系統(tǒng)，而是利用和擴(kuò)展黃河供水系統(tǒng)，因此，西線調(diào)入水量應(yīng)和黃河流域水資源統(tǒng)一調(diào)節(jié)、配置和利用。根據(jù)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略確定的基本原則，黃河流域水資源調(diào)配需要遵循生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的原則，保證河流基本生態(tài)用水要求;基于黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的剛性屬性，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水分配應(yīng)遵循公平為主兼顧效益的原則，進(jìn)行均衡配置。

基于以上分析，西線調(diào)入水量配置模式應(yīng)統(tǒng)籌考慮生態(tài)、公平和效益，對(duì)黃河流域水資源和調(diào)入水量進(jìn)行統(tǒng)一配置，以國(guó)家批準(zhǔn)的黃河分水方案為基礎(chǔ)，據(jù)此確定西線調(diào)入水量配置方案。

2.2?生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率的流域用水分級(jí)配置方法

在有限的水資源條件下，按照生態(tài)優(yōu)先的原則，首先滿足河道內(nèi)基本生態(tài)用水，再根據(jù)天然徑流量，確定流域向河道外供水量的上限：

式中：Smax（t）為流域向河道外供水的上限;Av（t）為考慮水庫(kù)群調(diào)節(jié)后的流域可供水量;E（t）為河流基本生態(tài)用水。

水資源均衡調(diào)控是通過(guò)統(tǒng)籌兼顧流域內(nèi)區(qū)域及行業(yè)間用水效率及用水公平性，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性維持［22］。引入福利經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，以流域水資源綜合價(jià)值為驅(qū)動(dòng)，以用水公平協(xié)調(diào)性為導(dǎo)向，定義可權(quán)衡經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水公平與效率的均衡參數(shù)，建立統(tǒng)籌公平與效率的流域水資源社會(huì)福利函數(shù)：

式中：F（x）為水資源調(diào)控效果的表征函數(shù);FV（x）為流域用水效率表征函數(shù)，用各個(gè)省區(qū)水資源利用效益最大表示;FE（x）為流域用水公平協(xié)調(diào)性表征函數(shù)，用不同省區(qū)和不同行業(yè)滿意度的基尼系數(shù)表示;α為均衡參數(shù)，取值范圍為0～1;x為待優(yōu)化的分配水量，X為x的集合;Rn為n維實(shí)數(shù);gl（x）為水資源分配過(guò)程中需要遵守的第l個(gè)約束條件;S（t）為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量。

黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源配置應(yīng)考慮需水分層和剛性為主的特征，以流域水資源社會(huì)福利最大化為目標(biāo)，建立公平為主兼顧效率的流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)分級(jí)配置方法。以水資源效益梯度引導(dǎo)水資源向效益高的用戶分配，以用水基尼系數(shù)引導(dǎo)水資源向各區(qū)域和部門(mén)均等程度供水以追求用水公平，不同層次需水選取不同的均衡參數(shù)以體現(xiàn)不同的配置策略。對(duì)黃河流域而言，需水以剛性為主，流域水資源配置遵循公平為主兼顧效率。

對(duì)于占黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水59.7%的剛性需水，第一順序優(yōu)先滿足，α取值為0，此時(shí)流域水資源社會(huì)福利函數(shù)為：maxF（x）=F1-αE（x），即遵循公平原則進(jìn)行配置，優(yōu)先保障最基本的生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水，追求用水的公平性。

對(duì)于占黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水37.4%的剛彈性需水，第二順序滿足，α取值為（0，1），剛彈性需水的配置目標(biāo)為：maxF（x）=FαV（x）F1-αE（x），根據(jù)兼顧效率與公平的原則，追求水資源在不同區(qū)域和部門(mén)配置的合理權(quán)衡。

對(duì)于占黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水2.9%的彈性需水，第三順序滿足，α取值為1，彈性需水的配置目標(biāo)為：maxF（x）=FαV（x），遵循效率優(yōu)先原則，將水資源優(yōu)先配置給綜合效益高的區(qū)域和部門(mén)，追求用水效益的最大化。

2.3?基于流域水資源均衡調(diào)配的西線調(diào)入水量配置模式

西線工程調(diào)入水量和黃河流域水資源統(tǒng)一調(diào)配，基于上述生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率的流域用水分級(jí)配置和均衡配置方法，得到黃河流域水資源優(yōu)化配置方案，并和南水北調(diào)西線生效之前黃河流域水資源配置方案相比，確定西線調(diào)入水量配置方案。

西線調(diào)入水量（Awl（k））配置方案由西線工程生效后的河流生態(tài)（入海水量）和省區(qū)配置水量與西線工程生效前的配置水量相減得到：

式中：k為分水方案涉及的配置單元個(gè)數(shù)，包括河流生態(tài)水量控制斷面和流域省區(qū);AF（k）為基于上述優(yōu)化方法確定的南水北調(diào)西線生效之后黃河流域優(yōu)化配置方案;AB（k）為新徑流條件下南水北調(diào)西線生效之前黃河流域配置方案;Ap（k）為依據(jù)黃流規(guī)提出的南水北調(diào)西線生效前流域水資源配置方案，并根據(jù)新徑流條件按照同比例調(diào)整原則確定;Wn為本次研究采用的1956—2016年系列黃河流域多年平均天然徑流量490億m3;Wp為黃流規(guī)采用的1956—2000年系列黃河流域多年平均天然徑流量519.8億m3。

3?流域用水分級(jí)配置模型

3.1?模型構(gòu)建

生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率的流域用水分級(jí)配置模型包括剛性需水配置模型、剛彈性需水配置模型和彈性需水配置模型等3級(jí)模型。

（1） 剛性需水配置模型。流域剛性需水追求公平配置，目標(biāo)函數(shù)為

主要約束條件包括供需關(guān)系約束、河段水量平衡約束、分區(qū)入流斷面水量約束等［18］，以及黃河干流主要斷面基本生態(tài)用水約束：

3.2?模型求解

流域水資源分級(jí)配置求解流程如下：

（1） 求解剛性需水配置模型。河流基本生態(tài)用水量全部滿足，據(jù)此確定流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可供水量?？紤]水庫(kù)群調(diào)節(jié)，以追求各單元?jiǎng)傂孕杷挠盟渲霉叫詾槟繕?biāo)，在流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)年度可供水量大于流域剛性需水時(shí)，剛性需水全部滿足;在流域年度可供水量小于剛性需水時(shí)，各計(jì)算單元的剛性需水缺水率一致，由此確定各個(gè)計(jì)算單元的剛性需水供水量。

（2） 求解剛彈性需水配置模型?？紤]水庫(kù)群調(diào)節(jié)，以水資源社會(huì)福利函數(shù)最大為目標(biāo)，統(tǒng)籌各單元?jiǎng)倧椥孕杷挠盟渲霉叫院托б?。在流域可供水量減去剛性需水的供水量大于剛彈性需水時(shí)，剛彈性需水全部滿足;在流域可供水量減去剛性需水的供水量小于剛彈性需水時(shí)，剛彈性需水部分被滿足。

（3） 求解彈性需水配置模型。以追求各單元彈性需水的用水效益為目標(biāo)，在流域可供水量減去剛性需水的用水配置和剛彈性需水的用水配置大于彈性需水時(shí)，彈性需水全部滿足;在流域可供水量減去剛性需水的用水配置和剛彈性需水的用水配置小于彈性需水時(shí)，彈性需水部分被滿足，按照用水效率最高進(jìn)行優(yōu)化配置。

水資源供需網(wǎng)絡(luò)模擬基于網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化方法，根據(jù)優(yōu)化后的供水規(guī)則，模擬長(zhǎng)序列水庫(kù)群調(diào)度和流域各用水單元的需-供-耗-排水過(guò)程。流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可供水量由黃河流域供需網(wǎng)絡(luò)模擬模型計(jì)算得到。針對(duì)上述不同的目標(biāo)函數(shù)，將各分區(qū)各行業(yè)的供水量及河道內(nèi)主要斷面下泄水量作為求解變量，采用帶線性約束條件及精英策略的改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行迭代求解。

4?情景方案研究

運(yùn)用上述方法和模型，考慮南水北調(diào)生效前和一期工程生效后的多個(gè)情景方案，研究提出西線一期調(diào)水后黃河流域水資源優(yōu)化配置方案和西線一期工程配置方案。

4.1?方案設(shè)置

考慮設(shè)置4個(gè)方案，包括基準(zhǔn)方案和西線一期工程生效3個(gè)情景方案。

（1） 基準(zhǔn)方案。黃流規(guī)確定了南水北調(diào)東、中線工程生效后至南水北調(diào)西線一期工程生效以前的黃河地表水耗水量配置方案，見(jiàn)表4中黃流規(guī)方案。按照本次采用的天然徑流量490.04億m3與黃流規(guī)中519.79億m3的關(guān)系進(jìn)行同比例調(diào)整，確定南水北調(diào)西線生效前黃河地表水耗水量分配方案，河道外各省區(qū)配置水量為313.74億m3，河道內(nèi)配置水量為176.30億m3，詳見(jiàn)表4中基準(zhǔn)方案。

（2） 方案1。西線調(diào)水80億m3進(jìn)入黃河上游地區(qū)。調(diào)水后河北、天津分水指標(biāo)與基準(zhǔn)方案保持一致，其發(fā)展用水由南水北調(diào)東線和中線解決。西線調(diào)水量和黃河流域水資源統(tǒng)一配置，按照上述方法和模型優(yōu)化分配給河流生態(tài)用水和其他省區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水。

（3） 方案2。西線調(diào)水80億m3進(jìn)入黃河上游地區(qū)。調(diào)水后河北、天津、河南、山東仍維持基準(zhǔn)方案指標(biāo)不變，其發(fā)展用水由南水北調(diào)東線和中線解決。西線調(diào)水量和黃河流域水資源統(tǒng)一配置，按照上述方法和模型優(yōu)化分配給河流生態(tài)用水和其他省區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水。

（4） 方案3。西線調(diào)水80億m3進(jìn)入黃河上游地區(qū)。調(diào)水后河北、天津分水指標(biāo)與基準(zhǔn)方案保持一致，其發(fā)展用水由南水北調(diào)東線和中線解決。考慮到2013年、2014年?yáng)|中線一期工程相繼通水，其供水范圍與下游引黃供水區(qū)存在一定的空間重疊，按照重疊區(qū)工業(yè)、生活盡可能多使用南水北調(diào)水置換引黃水的原則，確定河南及山東流域外可能置換出的引黃指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算分析，河南省可調(diào)減中線一期工程與黃河供水重疊區(qū)的引黃用水指標(biāo)為2.0億m3，山東省可調(diào)減東線一期工程與黃河供水重疊區(qū)的引黃用水指標(biāo)為4.2億m3。將西線調(diào)水量、黃河流域水資源、下游引黃灌區(qū)減少的引黃分水量統(tǒng)一配置，按照上述方法和模型優(yōu)化分配給河流生態(tài)用水和其他省區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水。

4.2?西線調(diào)水后黃河流域水資源優(yōu)化配置方案

采用上述生態(tài)優(yōu)先、公平為主兼顧效率的流域用水分級(jí)配置方法，地下水按照基本采補(bǔ)平衡維持125億m3供水量，確定黃河地表水耗水量配置結(jié)果見(jiàn)表5。與基準(zhǔn)方案相比，河道內(nèi)水量由176.3億m3提升至210億m3，優(yōu)先保障了河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境用水需求;除了方案2、方案3限定了河南、山東、河北3省配置指標(biāo)外，其余各省區(qū)配置水量均有所增加。

4.3?西線調(diào)水量配置方案

基于上述西線調(diào)水后黃河地表水耗水量配置方案，對(duì)比各方案與基準(zhǔn)方案，即可獲得南水北調(diào)西線一期工程配置方案，見(jiàn)表5。

方案1配置上游省區(qū)37.46億m3，中游省區(qū)6.70億m3，下游省區(qū)2.14億m3;方案2配置上游省區(qū)38.98億m3，中游省區(qū)7.32億m3，下游省區(qū)未分配水量;方案3配置上游省區(qū)43.39億m3，中游省區(qū)9.11億m3，下游省區(qū)指標(biāo)減少6.2億m3。3個(gè)方案中，甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古的配置水量均位于前列，配置水量分別為12.24億～13.87億m3、11.36億～13.14億m3、8.36億～10.35億m3；陜西、青海、山西也有一定的增加，配置水量分別為5.61億～6.65億m3、5.40億～5.94億m3、1.09億～2.45億m3，西線配置水量與這些省區(qū)需水總量、需水特征以及單方水效益等有關(guān)。河南、山東、河北配置水量較少或者有所減少，主要是與考慮南水北調(diào)東線和中線供水而控制有關(guān)。

5?討?論

5.1?流域供需平衡分析

（1） 河道內(nèi)生態(tài)用水滿足情況。各方案中利津斷面河道內(nèi)生態(tài)用水量均達(dá)到210億m3，其他關(guān)鍵斷面的生態(tài)流量及過(guò)程也均達(dá)到要求。

（2） 經(jīng)濟(jì)社會(huì)缺水情況。各方案流域供需分析結(jié)果如表6所示。方案1流域內(nèi)供水量為489.65億m3，缺水量為44.97億m3，缺水率為8.4%;方案2流域內(nèi)供水量為490.01億m3，缺水量為44.60億m3，缺水率為8.3%;方案3流域內(nèi)供水量為497.31億m3，缺水量為37.31億m3，缺水率為7.0%。

（3） 流域內(nèi)各省區(qū)缺水情況。方案1各省區(qū)河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)缺水量為0.01億～11.90億m3，缺水量較大的為內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅，缺水量較小的為四川、山東、青海，流域各省區(qū)缺水率為2.1%～11.3%;方案2缺水量為0.01億～11.35億m3，缺水量較大的為內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅，缺水量較小的為四川、青海、陜西，流域各省區(qū)缺水率為2.0%～14.6%;方案3缺水量為0.01億～9.77億m3，缺水量較大的為內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅，缺水量較小的為四川、青海、陜西，流域各省區(qū)缺水率為1.6%～14.6%。排除邊界條件設(shè)置的影響，不同方案省區(qū)整體缺水的分布規(guī)律基本一致，見(jiàn)表7。

5.2?流域用水公平性分析

各方案中省區(qū)剛性需水均得到滿足，缺水率為0;各方案中內(nèi)蒙古的彈性需水均未能得到滿足，缺水率為100%。用水公平性主要體現(xiàn)在剛彈性需水層的供水量，見(jiàn)表8。

方案1各省區(qū)剛性需水均得到滿足，該層需水的缺水率均為0;各省區(qū)剛彈性需水的缺水率基本為21.0%，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域間用水公平;內(nèi)蒙古彈性需水沒(méi)有得到滿足，彈性需水缺水率為100%。方案2各省區(qū)剛性需水均得到滿足，該層需水的缺水率均為0;剛彈性需水的缺水率為19.4%～30.3%，由于限定河南、山東用水量維持基準(zhǔn)方案指標(biāo)不變，其剛彈性缺水率有所上升分別達(dá)到21.8%和30.3%，其他省區(qū)剛彈性供水有所增加，剛彈性缺水率從21.0%降低至19.5%;內(nèi)蒙古彈性需水層缺水率為100%。方案3各省區(qū)剛性需水缺水率為0;剛彈性需水缺水率為15.1～30.3%，該方案調(diào)減了河南及山東引黃用水指標(biāo)6.2億m3，增加了上中游用水量，上中游省區(qū)剛彈性缺水率進(jìn)一步降低至15.1%。

5.3?流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水效益分析

考慮未來(lái)用水需求增長(zhǎng)、供水結(jié)構(gòu)調(diào)整以及西線一期工程調(diào)入水量，從生活、生產(chǎn)、生態(tài)等方面，按照流域各省區(qū)各行業(yè)供水量和單方水效益估算流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水效益，其中生活用水和生態(tài)用水的單方水效益分別用工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水單方水效益替代。經(jīng)估算，方案1、方案2、方案3的供水效益分別為4 509.3億、4 508.6億、4 518.5億元，單方水的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益為9.09～9.21元/m3，見(jiàn)表9。根據(jù)《人民治理黃河70年黃河治理開(kāi)發(fā)與保護(hù)成就及效益》報(bào)告，近年來(lái)黃河年均供水效益約為3 050億元，可見(jiàn)隨著供水量增加和供水結(jié)構(gòu)調(diào)整，黃河流域供水效益將大幅增加。

6?結(jié)?論

本文分析了黃河流域需水特征和南水北調(diào)西線調(diào)入水量可以覆蓋黃河供水區(qū)等特點(diǎn)，提出應(yīng)統(tǒng)籌考慮生態(tài)、公平、效益因素對(duì)黃河流域水資源和調(diào)入水量進(jìn)行整體優(yōu)化配置，以國(guó)家批準(zhǔn)的黃河分水方案為基礎(chǔ)來(lái)確定西線調(diào)入水量配置，研究考慮南水北調(diào)東線和中線生效后置換黃河供水的多個(gè)情景方案，研究不同情境下黃河流域水資源優(yōu)化配置和南水北調(diào)一期調(diào)入水量配置方案。主要結(jié)論如下：

（1） 南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水80億m3，占黃河現(xiàn)狀天然徑流量的16.3%，將大大改變黃河流域水源條件，可覆蓋黃河主要供水區(qū)域。區(qū)別于南水北調(diào)東線和中線等其他調(diào)水工程，西線工程調(diào)水進(jìn)入黃河后利用和擴(kuò)展黃河供水系統(tǒng)，西線調(diào)入水量應(yīng)和黃河流域水資源統(tǒng)一調(diào)節(jié)、配置和利用。

（2） 根據(jù)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略確定的基本原則，遵循生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，保證河流基本生態(tài)用水要求，西線調(diào)入水量考慮優(yōu)先滿足河流基本生態(tài)用水，配置河道內(nèi)生態(tài)水量33.70億m3，河流生態(tài)用水恢復(fù)到210億m3，可保障河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水量及河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)用水要求。

（3） 在滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水后，采用流域用水分級(jí)配置模型計(jì)算分析，西線剩余的46.3億m3水量重點(diǎn)配置到了黃河上中游地區(qū)，占比95%以上。西線調(diào)水后按照本文方法優(yōu)化配置，黃河流域缺水率降低至7.0%～8.3%，保證了省區(qū)用水公平性，可發(fā)揮巨大的供水效益。

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Abstract：Water allocation of the Yellow River basin （YRB） after the first phase of South-to-North Water Diversion Western Route Project （WRP） takes effect will determine the rebuilding of water resources allocation framework of YRB and the evaluation of economic benefits of water supply of WRP，and support technologically the construction of the national water network.Given that WRP covers the main water supply areas of YRB，water diversion of WRP shall be allocated conjunctively with water resources of YRB.A hierarchical water allocation model，which gives first priority to ecology，followed by equity and efficiency，are constructed，and water diversion of WRP is allocated based on balanced provision.Water allocation schemes under different scenarios are optimized and scrutinized.The results show that out of the 8 billion m3 of first phase WRP diversion 3.37 billion m3 is allocated to in-stream ecological use and 4.63 billion m3 to off-stream socioeconomic use.More than 95% of the WRP diversion is allocated to the upper and middle reaches of YRB，and water shortage rate at the basin level is reduced to 7.0%—8.3%.The optimized allocation reflects the principle of ecological priority，ensures basic in-stream ecological water use，balances equity and efficiency of off-stream socioeconomic water use，and reduces water shortage effectively.

Key words：ecological priority;balanced provisioning;South-to-North Water Diversion Western Route Project;Yellow River basin