黃河流域水資源配置研究與展望

關(guān)鍵詞：水資源配置；“八七”分水方案；多層級水網(wǎng)；韌性調(diào)配；黃河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．２；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００３

引用格式：王煜，鄭小康，彭少明，等．黃河流域水資源配置研究與展望［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１８－２４．

０引言

水資源作為不可替代的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，其重要性不僅體現(xiàn)在直接維持人類生存和經(jīng)濟(jì)活動的基礎(chǔ)作用上，而且體現(xiàn)在其對生態(tài)環(huán)境的控制性影響。如何合理使用水資源是一個涉及多因素的經(jīng)濟(jì)問題，解決這一問題需要綜合考慮水資源的稀缺性及不均衡分布、區(qū)域經(jīng)濟(jì)特性、水資源管理政策，以及開發(fā)利用技術(shù)創(chuàng)新等［１－５］ 。水資源分配要考慮社會公平性，尤其在缺水的地區(qū)更要突出公平性。另外，水資源具有流動性、可循環(huán)再生性、公共屬性等，因此與一般經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)相比，其產(chǎn)權(quán)配置更加復(fù)雜［６－９］ 。長期以來，水資源短缺是困擾人類生存發(fā)展的一大難題，要協(xié)調(diào)好上下游、左右岸和各個地區(qū)、部門的用水權(quán)益，須科學(xué)合理配置水資源，做到合理開發(fā)和有序用水，協(xié)調(diào)區(qū)域利益關(guān)系，保障河流生態(tài)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展。國際上很多缺水河流開展了分水機(jī)制和理論研究，一些河流在實(shí)踐中進(jìn)行了流域水量分配的探索，如墨累－ 達(dá)令河［１０－１１］ 、尼羅河［１２－１３］ 、科羅拉多河［１４－１５］ 等。

黃河流域在我國開創(chuàng)了大型流域分水的先河，１９８７ 年黃河水量分配方案頒布實(shí)施，在流域?qū)用嬉肓苏降姆峙湟?guī)則，標(biāo)志著黃河流域水資源管理走上制度化的軌道。目前，圍繞黃河流域水資源配置開展了大量研究， 如水資源演變［１６－１７］ 、經(jīng)濟(jì)社會需水［１８－１９］ 、生態(tài)環(huán)境需水［２０－２１］ 、水資源調(diào)控［２１－２２］ 、水資源優(yōu)化配置與協(xié)同調(diào)度［２３－２４］ 、水權(quán)制度［２５－２９］ 、干旱應(yīng)對與風(fēng)險管理［３０－３２］ 、分水方案適應(yīng)性評價與提升策略［３３－３４］ 等，已取得了豐富的成果，支撐了黃河流域水資源分配和管理不斷完善，但是在變化環(huán)境下流域水循環(huán)和水資源演變、流域健康水平衡、多層級水網(wǎng)構(gòu)建和水資源韌性提升等方面仍需要持續(xù)研究。

２０１９年９月黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，２０２３年４ 月《中華人民共和國黃河保護(hù)法》施行，黃河保護(hù)治理進(jìn)入新的歷史時期。為了進(jìn)一步推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實(shí)施，面對流域環(huán)境變化與人類活動錯綜復(fù)雜的疊加影響，在加快構(gòu)建國家多層級水網(wǎng)大背景下，本文總結(jié)回顧黃河流域水資源分配３０ 多ａ 研究歷程，提出未來黃河流域水資源研究方向，以期為黃河流域水資源優(yōu)化配置和集約節(jié)約利用提供技術(shù)支撐。

１ 黃河流域水資源及其開發(fā)利用情況

黃河流域水資源天然稟賦較差，屬極度缺水地區(qū)，河川徑流量具有年內(nèi)年際變化大、連續(xù)枯水段長、來水與用水時空分布不一致等特點(diǎn)。受氣候變化與人類活動的復(fù)雜交織影響，流域水循環(huán)和水資源狀況發(fā)生了顯著變化，水資源供需矛盾日益尖銳。

１．１天然徑流量變化情況

２０世紀(jì)８０年代初以來，相繼開展了三次黃河流域水資源調(diào)查評價工作， 分別對１９１９—１９７５ 年、１９５６—２０００年和１９５６—２０１６年系列水資源狀況進(jìn)行了調(diào)查評價（見表１）。受人類活動影響，流域下墊面變化顯著，黃河天然徑流量呈顯著減少態(tài)勢。相較于１９１９—１９７５年系列（ 反映１９５６—１９７９年下墊面條件），１９５６—２０１６ 年系列（反映２００１—２０１６年下墊面條件）黃河的天然徑流量減少了９０ 億ｍ^３，降幅高達(dá)１６％。從天然徑流量的空間分布來看，黃河上游衰減占比９．９％，中游衰減占比７５． ８％， 下游衰減占比１４．３％。其中，河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間是天然徑流量衰減最為明顯地區(qū)，減少４０．９ 億ｍ^３。從１９５６—２０１６ 年天然徑流量逐年變化來看，出現(xiàn)了１９６９—１９７４ 年連續(xù)枯水段（平均天然徑流量４２２．５億ｍ^３）、１９９０—２００２ 年連續(xù)枯水段（平均天然徑流量３９５．３ 億ｍ^３）和１９６１—１９６８年連續(xù)豐水段（平均天然徑流量６１３．３ 億ｍ^３），多年平均天然徑流量呈減小趨勢，豐水年份、連豐年份和枯水年份、連枯年份交替出現(xiàn)。

１．２ 水資源開發(fā)利用情況

１９５６—２０１６年，黃河流域人均水資源量為５８７ｍ^３，僅為全國人均量的２９％。多年平均年水資源總量為７０３ 億ｍ^３，以占全國２％ 的水資源量，支撐全國１２．２％的人口（包括流域內(nèi)及流域外的引黃地區(qū)，下同）生活用水，全國９．７％的國內(nèi)生產(chǎn)總值、１１．５％的工業(yè)增加值、１２．７％的糧食產(chǎn)量［３５］ 。

２０ 世紀(jì)８０ 年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，黃河流域供水和用水總量呈增大趨勢。黃河供水區(qū)總供水量從１９８０ 年的４４６．３０ 億ｍ^３ 增大至２０２２ 年的４９２．２３ 億ｍ^３，其中流域內(nèi)供水量由３４３．００ 億ｍ３ 增加到４０９．４０ 億ｍ^３。流域內(nèi)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)用水占比從１９８０ 年的８７．０％減少到２０２２ 年的６４．７％，工業(yè)用水占比從７．９％增長到１０．４％，生活用水占比從４．９％上升到１３．７％，生態(tài)用水的比例從０．２％增長到１１．２％。同時，１９８０—２０２２年黃河流域各?。▍^(qū)）的用水結(jié)構(gòu)變化較大，其中農(nóng)業(yè)用水占比大幅下降，特別是陜西用水比例下降最為顯著；各?。▍^(qū)）的工業(yè)用水占比呈現(xiàn)上升態(tài)勢，其中山東的工業(yè)用水占比增長最為顯著；在生活用水占比方面，陜西增長最為顯著。

現(xiàn)狀黃河流域水資源開發(fā)利用超過承載能力，缺水問題十分突出，表現(xiàn)為：中下游２ ０００ ｋｍ 河段地表水水資源開發(fā)利用率超過６０％，其中下游河段達(dá)到８０％；６２ 個縣域地下水超采，超采量超１３ 億ｍ^３，部分地區(qū)地下水位下降影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境；河湖生態(tài)用水被擠占，導(dǎo)致河流生態(tài)用水不足；在農(nóng)業(yè)灌溉方面，供水保障水平相對較低，目前引黃灌區(qū)大約有１ ０００ 萬畝（１ ｈｍ^２＝ １５ 畝） 的有效灌溉區(qū)域無法得到有效灌溉，同時超過４０００ 萬畝的農(nóng)田無充足灌溉水源；工業(yè)項(xiàng)目落實(shí)受到制約，城鄉(xiāng)用水定額處于全國最低水平，供水安全保障不足等。黃河流域缺水問題已嚴(yán)重威脅國家生態(tài)安全、能源安全、糧食安全和社會穩(wěn)定，須從用水側(cè)管理方面深入推進(jìn)流域節(jié)水控水，加快推進(jìn)國家多層級水網(wǎng)建設(shè)，加快南水北調(diào)西線工程前期工作和一期工程立項(xiàng)建設(shè)，加強(qiáng)流域骨干水庫建設(shè)以增強(qiáng)徑流豐枯調(diào)節(jié)能力。

２ 黃河流域水資源配置研究歷程和主要成果

隨著黃河流域水資源開發(fā)利用程度的不斷提高和對沿黃經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展支撐作用的不斷增強(qiáng)，黃河流域水資源供需矛盾問題得到了國家和社會各方面的高度重視，相繼開展了水資源供需分析、配置、調(diào)度和調(diào)控方面的大量規(guī)劃和生產(chǎn)性研究工作。１９８２—１９８７年開展的“黃河水資源利用研究”提出了《黃河可供水量分配方案》（簡稱黃河“八七”分水方案），標(biāo)志著我國大江大河首個分水方案就此產(chǎn)生。１９９０—１９９２年開展的“黃河流域水資源經(jīng)濟(jì)模型研究”是水利部較早研究的流域模型之一，標(biāo)志著黃河流域水資源利用規(guī)劃進(jìn)入數(shù)學(xué)模型時代，模型自開發(fā)完成后在流域水資源規(guī)劃領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和不斷完善。１９９２—１９９６年開展的“八五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)專題“黃河流域水資源合理配置和調(diào)度研究”，以黃河流域水資源模擬模型為基礎(chǔ)，研究了不同水平年的黃河水資源合理配置問題。１９９８—２００３年開展的“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)子專題“黃河水資源實(shí)時水量分配”，針對黃河水資源利用及調(diào)度管理現(xiàn)狀，研究了黃河非汛期徑流預(yù)報技術(shù)，提出了黃河供水計劃的編制原則和方法，結(jié)合用水的監(jiān)測和實(shí)時結(jié)算，提出了黃河干流水量實(shí)時分配的方法和方案。２００２—２００８年水利部開展黃河流域水資源綜合規(guī)劃，提出了黃河流域２０２０年和２０３０年的水資源分配格局，奠定了黃河流域最嚴(yán)格水資源管理的基礎(chǔ)。

此外，國家圍繞黃河流域水資源演變、合理分配和科學(xué)調(diào)度，還立項(xiàng)開展了多項(xiàng)基礎(chǔ)性和前瞻性的重大科學(xué)研究項(xiàng)目，包括國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（９７３ 項(xiàng)目）“黃河流域水資源演化規(guī)律和可再生性維持機(jī)理”、“十一五”國家科技支撐計劃項(xiàng)目“黃河健康修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究”、“十二五”國家科技支撐計劃項(xiàng)目“黃河流域旱情監(jiān)測與水資源調(diào)配技術(shù)研究與應(yīng)用”、“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“黃河流域水量分配方案優(yōu)化及綜合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)”、“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“變化環(huán)境下長江黃河豐枯遭遇及極端枯水年水資源調(diào)配”等。

上述規(guī)劃和研究成果支撐了黃河流域及其區(qū)域規(guī)劃編制、流域取用水管理、最嚴(yán)格水資源管理、干支流水庫群聯(lián)合調(diào)度、水量分配優(yōu)化等工作，提升了黃河流域水資源優(yōu)化調(diào)控和節(jié)約集約利用水平，發(fā)揮了水資源綜合效益。下面重點(diǎn)回顧黃河“八七”分水方案制定、水量統(tǒng)一調(diào)度、水量分配優(yōu)化、支流水量分配等方面的研究概況。

２．１黃河“八七”分水方案與水量統(tǒng)一調(diào)度管理

２０世紀(jì)７０ 年代以后，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會得到迅速發(fā)展，地表水年用水量從２０ 世紀(jì)５０ 年代的６０ 億～８０ 億ｍ３上升到８０ 年代的２５０ 億～２８０ 億ｍ３。１９７２年始黃河下游頻繁斷流，１９７２—１９８６ 年有１０ ａ 斷流，累計斷流１４５ ｄ，平均斷流長度為２６０ ｋｍ。黃河斷流影響了下游地區(qū)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等方面的用水，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展；黃河斷流產(chǎn)生河道淤積、水質(zhì)污染、河槽萎縮等不利情況，對下游的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。１９８４ 年基于充分調(diào)查和研究，并與沿黃各?。▍^(qū)）深入?yún)f(xié)調(diào)，全面考慮了其未來的用水需求和黃河可能的最大供水量，遵循“確?；居盟焙汀耙怨┒ㄐ琛钡脑瓌t，黃委制定了《黃河可供水量分配方案》?！饵S河可供水量分配方案》基于１９１９—１９７５ 年黃河多年平均天然徑流量５８０ 億ｍ^３，以１９８０ 年實(shí)際用水量為基準(zhǔn)并考慮２０００ 年水平用水預(yù)測，考慮保留河道內(nèi)輸沙和其他生態(tài)用水量２１０ 億ｍ^３，將南水北調(diào)工程生效前的３７０ 億ｍ^３總可供水量分配給流域內(nèi)的九?。▍^(qū)）和河北省、天津市。１９８７年，國務(wù)院辦公廳依據(jù)這一研究成果下發(fā)《關(guān)于黃河可供水量分配方案報告的通知》，要求沿黃各省（區(qū)）嚴(yán)格執(zhí)行，自此我國大江大河的首個分水方案開始施行。黃河“八七”分水方案有效地控制了引黃用水量的迅速增加，促進(jìn)了水資源節(jié)約集約利用，支撐了流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。同時，在黃河流域水資源供需矛盾尖銳的背景下，為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境分配了２１０ 億ｍ^３用水量，對于確保黃河健康生命和國家生態(tài)文明建設(shè)具有深遠(yuǎn)的前瞻意義［６］ 。

為貫徹落實(shí)黃河“八七”分水方案并加強(qiáng)流域水資源統(tǒng)一管理，緩解黃河流域水資源供需矛盾和下游持續(xù)斷流態(tài)勢，１９９８年１２月原國家計委和水利部共同頒布實(shí)施了《黃河可供水量年度分配及干流水量調(diào)度方案》和《黃河水量調(diào)度管理辦法》。依據(jù)“同比例豐增枯減、多年調(diào)節(jié)水庫蓄豐補(bǔ)枯”的原則，制定年度各?。▍^(qū)、市） 可供耗水量分配方案，進(jìn)行黃河水量調(diào)度。

為強(qiáng)化各?。▍^(qū)）分水總量控制和精細(xì)化管理與調(diào)度，黃委于２００８年發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)黃河取水許可總量控制細(xì)化工作的通知》，按照“總量控制、可持續(xù)利用”等要求，將各省（區(qū)）分水指標(biāo)細(xì)分到地級行政區(qū)和干支流，構(gòu)建“流域－?。▍^(qū)） －地市”三級分水指標(biāo)體系。

２．２新徑流條件下水資源配置方案和用水總量控制

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，黃河流域面臨著水資源格局的重大調(diào)整，表現(xiàn)為總量減小與季節(jié)性及地理分布的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，水資源消耗模式和需求結(jié)構(gòu)經(jīng)歷顯著變革，需要考慮新徑流條件下對黃河水資源重新配置和調(diào)整，２００８ 年開始開展了《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》和《黃河流域綜合規(guī)劃》編制工作。在第二次黃河流域水資源及其開發(fā)利用調(diào)查評價基礎(chǔ)上，提出黃河河川徑流量呈持續(xù)減少趨勢，預(yù)計到２０２０ 年比現(xiàn)狀減少１５ 億ｍ^３，到２０３０年比現(xiàn)狀減少２０ 億ｍ^３；將節(jié)水和需水相統(tǒng)一，分析比較了多種節(jié)水模式的需水量預(yù)測成果，經(jīng)多次供需平衡分析和綜合比較，提出了強(qiáng)化節(jié)水模式下不同水平年需水量；根據(jù)黃河水沙條件變化情況，采用多種方法綜合分析提出了黃河汛期輸沙水量和非汛期生態(tài)環(huán)境需水量；采用最小費(fèi)用最大流網(wǎng)絡(luò)法、模擬算法、分解推理法、基于實(shí)碼加速遺傳算法的投影尋蹤分類等，構(gòu)建了黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)，分３個階段擬定了黃河流域水資源配置方案。

國務(wù)院于２０１３ 年３ 月正式批復(fù)《黃河流域綜合規(guī)劃（２０１２—２０３０ 年）》。根據(jù)黃河流域水資源量演變和跨流域調(diào)水工程建設(shè)情況，提出了３ 個階段黃河流域水資源配置方案，３ 個階段即南水北調(diào)東線和中線生效前（現(xiàn)狀）、南水北調(diào)東線和中線生效至西線一期工程生效前（２０２０ 水平年）和南水北調(diào)西線一期工程生效后（２０３０ 水平年）。依據(jù)１９５６—２０００ 年徑流系列黃河多年平均天然徑流量５３４．７９ 億ｍ^３，綜合考慮河道內(nèi)外用水需求，基于黃河“八七”分水方案，２０００ 年、２０２０ 年和２０３０ 年水平河道外經(jīng)濟(jì)社會配置水量（耗水量）分別為３４１．１６ 億、３３２．７９ 億、４０１．０５ 億ｍ^３。自２０１７ 年７ 月起，以南水北調(diào)東線和中線至西線一期工程生效前河道外耗水量３３２．７９億ｍ^３為年度分水方案編制的基礎(chǔ)。

在《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》和《黃河流域綜合規(guī)劃（２０１２—２０３０ 年）》成果基礎(chǔ)上，開展了“黃河流域用水總量控制指標(biāo)制定”研究，根據(jù)國家用水總量控制方案和指標(biāo)測算方法，提出２０２０ 年、２０３０ 年黃河流域用水控制總量為４５０．８ 億、５１２．７ 億ｍ^３，實(shí)現(xiàn)流域用水與耗水雙控制，為實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度提供依據(jù)。

２．３重要支流水量分配

為細(xì)化水資源剛性約束要求，結(jié)合主要支流水資源特點(diǎn)、區(qū)域間用水關(guān)系及發(fā)展需求，基于對黃河“八七”分水方案、水資源綜合規(guī)劃各?。▍^(qū)）配置策略的深入分析，結(jié)合黃河取水總量控制指標(biāo)細(xì)化等成果，在保證各省級行政區(qū)地下水可持續(xù)開采和維持河流生態(tài)系統(tǒng)基本用水要求的前提下，以地表水可利用量限定流域內(nèi)地表水資源耗水量，對可分配地表水量進(jìn)行配置。２０１９—２０２３年，洮河、渭河、伊洛河、無定河、北洛河、涇河、窟野河等７ 條跨省域支流水量分配方案研究完成并獲水利部批復(fù)。

２０３０ 水平年，洮河、渭河、伊洛河、北洛河、無定河、涇河、窟野河等７ 條支流的河道外地表水多年平均分配耗水量分別為５．９４ 億、１７．８５ 億、１５．５０ 億、３．１０億、３．３０ 億、９．５６ 億、０．６１ 億ｍ^３。除完成這７ 條跨省域支流水量分配方案之外，大通河、沁河的水量分配工作也基本完成。支流水量分配可協(xié)調(diào)相關(guān)?。▍^(qū)）用水關(guān)系，保障支流基本生態(tài)流量和入黃水量，支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展。

２．４變化環(huán)境下黃河分水方案優(yōu)化研究

科技部立項(xiàng)開展的“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“黃河流域水量分配方案優(yōu)化及綜合調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)”，針對黃河“八七”分水方案實(shí)施３０ ａ來流域環(huán)境新變化、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不平衡新問題、流域用水結(jié)構(gòu)新特征、流域重大工程建設(shè)等情況，創(chuàng)新提出公平為主兼顧效率的流域水資源均衡調(diào)控理論方法和技術(shù)，建立黃河流域水資源均衡調(diào)控模型，開展了多場景大量方案研究和優(yōu)化比選。

綜合考慮南水北調(diào)工程東線、中線受水區(qū)和黃河下游引黃地區(qū)的空間重疊關(guān)系與水量置換可能性等可調(diào)整水量因素，上中游基本生活和工業(yè)剛性用水等需求因素，流域水資源開發(fā)利用程度和河流生態(tài)保護(hù)要求等控制性因素，設(shè)置了多個場景和多個方案。按照新增生活用水配置、整體動態(tài)均衡配置、供水增量動態(tài)均衡配置三類方法，開展了方案測算和對比分析。方案優(yōu)化結(jié)果顯示，近期優(yōu)化調(diào)整方向?yàn)樯嫌卧黾?、中游微增、下游減小，考慮南水北調(diào)東中線工程向黃河下游引黃地區(qū)供水，減小下游引黃指標(biāo)，增加黃河上中游地區(qū)基本生活和工業(yè)用水量，河段之間的調(diào)整幅度為１０億～２０ 億ｍ^３，宜小幅度調(diào)整以盡量減輕對上游河段和流域生態(tài)環(huán)境的不利影響。分水指標(biāo)調(diào)整可以緩解流域缺水問題，提高流域分水的公平性和效率，但是僅僅是緩解黃河流域缺水的權(quán)宜之計，不能解決黃河流域嚴(yán)峻的資源性缺水問題。未來，結(jié)合黃河古賢工程建成運(yùn)用，可研究增加上中游經(jīng)濟(jì)社會用水指標(biāo)的可能性及其對河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響等。南水北調(diào)西線工程生效后，考慮調(diào)入水量和黃河流域水資源統(tǒng)一調(diào)節(jié)利用，研究提出黃河流域水資源和跨流域調(diào)入水量統(tǒng)籌配置優(yōu)化方案。研究成果可為黃河“八七”分水方案優(yōu)化提供理論方法和技術(shù)支撐，也可為其他流域或區(qū)域的水資源均衡調(diào)控提供技術(shù)路徑［２４］ 。

３研究方向展望

３．１流域水循環(huán)和水資源演變

從百年尺度看，黃河水文循環(huán)發(fā)生了一些變化，表現(xiàn)為水沙變化十分劇烈，天然徑流量明顯衰減，來沙量大幅度減少。黃河流域水資源的動態(tài)演變及其對氣候變化和強(qiáng)人類活動等因素的敏感性，使得水循環(huán)過程變得異常復(fù)雜，水循環(huán)和水資源演變嚴(yán)重影響流域水資源供需狀況預(yù)測和未來重大水利工程的布局、建設(shè)。對黃河流域而言，氣候變化、流域下墊面變化、人類活動的影響十分復(fù)雜且相互交織，加之未來一批重大水利工程建設(shè)運(yùn)行，使得流域水循環(huán)和水資源演變更加復(fù)雜。流域水資源演變表現(xiàn)出明顯的自然與人工二元驅(qū)動特點(diǎn)，有必要從供需雙側(cè)對自然與人工條件下流域水循環(huán)及水資源演變進(jìn)行深入研究。在供水側(cè)，氣候變化與人類活動共同影響水循環(huán)過程，改變水資源的形成與轉(zhuǎn)化規(guī)律，應(yīng)厘清自然與人工各影響因素在水循環(huán)中的影響程度和作用機(jī)制，明晰水循環(huán)變化的驅(qū)動機(jī)制，并預(yù)測其未來的發(fā)展趨勢。在需水側(cè)，水資源的需求是由社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、工程和管理等多個因素形成的，應(yīng)識別水資源需求的關(guān)鍵驅(qū)動因子及主要脅迫要素，刻畫其內(nèi)在響應(yīng)關(guān)系并闡明多因素耦合影響下的需水演變機(jī)制［２５］ 。

３．２用水規(guī)律和需水預(yù)測

目前關(guān)于用水和需求的研究，多以用水量影響因素分析、用水量預(yù)測和節(jié)水潛力計算為主，對用水量演變規(guī)律和驅(qū)動機(jī)制研究尚不深入，根據(jù)歷史用水情況預(yù)測未來需水量不確定性較大，不同需水量研究成果存在一定的差異，直接影響重大水資源配置工程的立項(xiàng)決策和工程規(guī)模。用水受個體特性、區(qū)域因素、社會因素、經(jīng)濟(jì)因素、政策因素等的影響，在多種因素耦合和交互作用時，人類生產(chǎn)和生活對水資源的需求將呈現(xiàn)復(fù)雜的變化情況。研究應(yīng)以各行業(yè)用水的行為需求為重點(diǎn)，解析用水量演變規(guī)律、主要成因和發(fā)生重要轉(zhuǎn)變的內(nèi)部機(jī)制；基于對關(guān)鍵因素的作用效率和歷史變化分析，模擬未來因素可能發(fā)生的條件和用水需求演變趨勢，預(yù)測相關(guān)約束條件下用水量極值和出現(xiàn)時點(diǎn)。

３．３健康水平衡

由于氣候變化、土地利用模式改變和社會經(jīng)濟(jì)超額用水的綜合影響，因此缺水的流域水資源開發(fā)利用接近甚至超過河流承載極限時，流域生物多樣性將遭到破壞，水資源供需平衡關(guān)系將受到威脅。地球表層的水循環(huán)系統(tǒng)在動態(tài)變化過程中表現(xiàn)出一種遵循特定分布和響應(yīng)關(guān)系的“平衡”狀態(tài)，該狀態(tài)是陸氣相互作用下水循環(huán)過程的宏觀規(guī)律重要體現(xiàn)，并對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的演變產(chǎn)生重大影響［３６］ 。關(guān)于“流域水平衡”“流域耗水平衡” “地下水平衡” “土壤水平衡”和“灌區(qū)水平衡”的研究已持續(xù)開展較長時間，而如何在變化環(huán)境下對我國水資源承載力進(jìn)行優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)健康水平衡狀態(tài)，被列為２０２０年中國科協(xié)公布的十大前沿科學(xué)議題之一。目前對健康水平衡的認(rèn)識尚不完善，缺乏理論層面的嚴(yán)格定義，其影響因素、物理機(jī)制、驅(qū)動方式、分區(qū)閾值、判別標(biāo)準(zhǔn)等都有待深入研究。對于黃河流域而言，河道外經(jīng)濟(jì)社會用水和河道內(nèi)生態(tài)用水之間的健康水平衡關(guān)系、河道外用水不同區(qū)域和部門之間的健康水平衡關(guān)系，氣候變化、下墊面變化、經(jīng)濟(jì)社會動態(tài)發(fā)展、水資源管理政策優(yōu)化等情況下健康水平衡的變化和調(diào)控是需要深入研究的關(guān)鍵問題。

３．４流域地表水和地下水統(tǒng)一配置

黃河流域地表水和地下水存在著資源量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系和相互影響。黃河“八七”分水方案考慮了地下水實(shí)際利用和合理控制情況，對河川天然徑流量進(jìn)行了配置。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，地下水利用量呈增加態(tài)勢，部分地區(qū)出現(xiàn)超采，黃河流域超采量約為１５ 億ｍ^３。流域水循環(huán)系統(tǒng)地表水和地下水具有相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，單一化配置地表水資源將造成地下水超采、不合理使用，進(jìn)而影響地下徑流及區(qū)域生態(tài)環(huán)境［３７］ 。因此，在地下水用水總量和水位雙控的基礎(chǔ)上，將流域地表水和地下水統(tǒng)一配置并納入黃河分水方案是提高流域水資源利用水平的重要途徑。在分析流域水文地質(zhì)條件，水循環(huán)要素演變特征和地表水－地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系基礎(chǔ)上，可構(gòu)建地表水－地下水聯(lián)合模擬模型，結(jié)合未來氣候情景，提出地下水－地表水聯(lián)合調(diào)控的流域水資源統(tǒng)一配置方案。

３．５面向國家水網(wǎng)構(gòu)建的流域水資源優(yōu)化調(diào)控

以南水北調(diào)工程為主的跨流域調(diào)水工程為解決黃河流域缺水問題提供了可能，然而長江流域來水的豐枯變化給調(diào)水帶來一定不確定性。極端枯水下南水北調(diào)不同線路從長江調(diào)水的潛力、調(diào)水對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會的影響等問題值得深入探究。此外，南水北調(diào)工程的調(diào)水區(qū)與受水區(qū)具有多水源供給、多線路互濟(jì)、多工程調(diào)控、多主體博弈等特征，研究利用天然河湖和人工庫渠水力聯(lián)系構(gòu)建以黃河為紐帶的互濟(jì)調(diào)配水網(wǎng)，協(xié)調(diào)多種水源存量與增量、發(fā)揮多類工程時空調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化多條線路調(diào)水互補(bǔ)關(guān)系并建立多線路調(diào)水機(jī)制方面等亟須創(chuàng)新和突破［３８］ 。

３．６應(yīng)對極端枯水的流域水資源韌性調(diào)控

黃河天然徑流具有豐枯變化大和連續(xù)枯水的特點(diǎn)，近期出現(xiàn)了１９６０年、１９９１年、１９９７年、２０００年、２００１年、２００２年等來水頻率超過９０％的極端枯水年，以及１９２２—１９３２年、１９６９—１９７４年和１９９０—２００２年等連續(xù)枯水時段，天然來水大幅度減少，導(dǎo)致水資源供需矛盾尖銳，危及流域供水安全、生態(tài)安全。極端枯水下流域水資源安全保障不僅要關(guān)注缺水量，還需要關(guān)注缺水破壞過程和破壞后的恢復(fù)過程，確保經(jīng)歷缺水后流域水資源系統(tǒng)可以恢復(fù)至正常狀態(tài)，即具備應(yīng)對極端枯水的“韌性”［３８］ 。韌性指系統(tǒng)受到擾動后能夠恢復(fù)到擾動前的狀態(tài)［３９］ 。應(yīng)對極端枯水的黃河流域水資源系統(tǒng)韌性調(diào)控，應(yīng)從機(jī)理層面解析黃河流域各行業(yè)用水破壞底線，識別極端枯水影響下流域水資源系統(tǒng)“抵抗—恢復(fù)—適應(yīng)”的演變過程，明晰流域供用水危機(jī)風(fēng)險傳導(dǎo)過程中可阻斷的關(guān)鍵“鏈路”和恢復(fù)策略，提出極端枯水下用水分層—供水分級—風(fēng)險阻斷的流域水資源韌性提升優(yōu)化調(diào)配技術(shù)，有效提升黃河流域水安全保障能力。

３．７基于數(shù)字孿生的流域水資源模擬分析和調(diào)控

構(gòu)建數(shù)字孿生黃河是推動新階段黃河流域水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志和重要路徑。數(shù)字孿生黃河由數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用以及水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施等組成，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以顯著提升流域水資源模擬分析和調(diào)控決策能力。運(yùn)用高精度的數(shù)據(jù)底板，可提高水資源分區(qū)管理的精細(xì)度，加強(qiáng)水資源信息和經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)系統(tǒng)的耦合集成。運(yùn)用模型平臺，構(gòu)建靈活、自主、可擴(kuò)展的模型庫，強(qiáng)化氣候、經(jīng)濟(jì)社會、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境等模型的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)模型之間的“硬耦合”，建立全鏈條的水資源模擬分析流程和決策支持系統(tǒng)。運(yùn)用知識平臺，研究氣象水文、經(jīng)濟(jì)社會、水資源等多源多尺度數(shù)據(jù)融合和知識圖譜構(gòu)建方法，對流域水資源演變和利用過程進(jìn)行數(shù)字化描述，研發(fā)多尺度相似度算法匹配技術(shù)，基于歷史來水、用水、水庫調(diào)度、干旱應(yīng)對等場景推演產(chǎn)生水資源演變和調(diào)控知識庫。數(shù)字孿生黃河基于數(shù)據(jù)底板，驅(qū)動和運(yùn)用知識圖譜、歷史場景模式、業(yè)務(wù)規(guī)則以及專家經(jīng)驗(yàn)，組合調(diào)用水資源專業(yè)模型［４０］ ，可以顯著提升水資源模擬分析精度和調(diào)控方案決策支持功能，為提高水資源調(diào)控的預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案水平提供支持，還能為其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能管理和精準(zhǔn)決策提供支撐。

４結(jié)束語

黃河流域水資源合理利用和優(yōu)化配置問題受到社會的廣泛關(guān)注，相繼開展了黃河“八七” 分水方案制定、全河水量統(tǒng)一調(diào)度、新徑流條件下分水方案調(diào)整、支流水量分配方案制定，以及變化環(huán)境下分水方案優(yōu)化等一系列持續(xù)性研究，不斷加強(qiáng)了流域水資源管理，有效控制了流域用水快速增長，提高了水資源利用效率，協(xié)調(diào)了各省（區(qū)）用水關(guān)系，支撐了流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境維持，實(shí)現(xiàn)了黃河干流２５ａ不斷流。

根據(jù)預(yù)測成果，未來黃河流域水資源需求仍將呈現(xiàn)一定的剛性增長，水資源供需矛盾日益凸顯，多種水問題相互交織，亟須研究流域水資源科學(xué)調(diào)控面臨的一系列新問題和新挑戰(zhàn)。面向黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的推進(jìn)，從流域水循環(huán)和水資源演變、用水規(guī)律與需水預(yù)測、健康水平衡、流域地表水－地下水統(tǒng)一配置、多層級水網(wǎng)構(gòu)建下水資源優(yōu)化配置、應(yīng)對極端枯水的水資源韌性調(diào)配以及數(shù)字孿生黃河等方面，提出了適應(yīng)環(huán)境變化和國家多層級水網(wǎng)構(gòu)建下的黃河流域水資源研究和突破的方向。