基于生態(tài)環(huán)境需水量反推的西江流域地表水資源可利用量計(jì)算

關(guān)鍵詞：可利用量；間接算法；生態(tài)環(huán)境需水量；西江流域

中圖分類號(hào)：TV213. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）11-0072-07

水資源可利用量包含在流域水資源總量中，是其重要組成部分，具有耗水的屬性［1］。目前，水資源可利用量特別是地表水的可利用量的概念內(nèi)涵表述以及方法計(jì)算等尚不明確，并且計(jì)算過程繁瑣、所需基礎(chǔ)資料龐雜。國(guó)內(nèi)及國(guó)外的學(xué)者對(duì)地表水資源的可利用量?jī)?nèi)涵要義理解有所不同［2］，不同之處主要表現(xiàn)在：一是國(guó)內(nèi)學(xué)者暫不考慮回歸水的利用，而國(guó)外的計(jì)算中則將其考慮在內(nèi)［3］；二是針對(duì)無法控制利用的汛期洪水量，國(guó)外考慮少，但在水權(quán)方面的考慮相較國(guó)內(nèi)分析全面［4］。目前，用以計(jì)算地表水資源可利用量的方法多樣，在國(guó)內(nèi)主要采用的是扣損法［5］，扣損法主要是基于流域地表水資源量，在扣除掉不能被利用水量、不可能被利用水量后剩余的水量即為地表水資源可利用量。如李曉波［6］采用扣損法，以大凌河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在地表水資源量中減去用于維持水生態(tài)環(huán)境所需的最小水量及不可被利用水量分析計(jì)算了大凌河主要控制斷面和整個(gè)流域的地表水資源可利用量。國(guó)外的計(jì)算方法，如美國(guó)得克薩斯州WAM模型是建立在優(yōu)先水權(quán)制度上的，美國(guó)俄勒岡州水資源可利用量計(jì)算方法也是遵循優(yōu)先占用原則，墨西哥水資源可利用量指數(shù)法則綜合考慮了水量和水質(zhì)2種要素等。因此，如何使得水資源可利用量的計(jì)算方法既要適合區(qū)域地理特性、適合河流水系特征而又便于計(jì)算，就顯得尤為重要。根據(jù)近年來開展的全國(guó)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作培訓(xùn)指南，水資源可利用量的計(jì)算可分為直接算法和間接算法2種。

直接算法，顧名思義是通過長(zhǎng)系列資料的調(diào)節(jié)計(jì)算，直接得出地表水資源的可利用量數(shù)值，平衡水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面的用水需求是重點(diǎn)，是比較常見的方法。該計(jì)算方法將河道外社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水需求作為首要的因素來考慮，優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了合理的河道外用水需求變化，統(tǒng)籌了地表、地下和外調(diào)水等多種形式水源，直接計(jì)算出地表水資源的可利用量和水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所需水量的多年平均值，以及不同頻率來水條件下的結(jié)果。缺點(diǎn)是直接算法需要的基礎(chǔ)資料細(xì)且繁多，所需時(shí)間長(zhǎng)。

間接算法是通過計(jì)算流域目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量，利用公式反算出地表水資源可利用量。核心理念仍是找尋社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)用水需求的平衡點(diǎn)，從生態(tài)系統(tǒng)用水需求入手，計(jì)算目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量，并兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果依據(jù)流域天然水文情勢(shì)和時(shí)空分布情況，同時(shí)綜合考慮了水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和規(guī)劃安排，方法簡(jiǎn)便易操作，結(jié)果靈活可調(diào)整?？紤]西江流域范圍廣、涉及的水利工程多，計(jì)算所需基礎(chǔ)資料收集難度大，以及生態(tài)環(huán)境的重要性，本文嘗試采用間接算法來計(jì)算西江流域地表水資源可利用量，減少計(jì)算過程的難度，為其他流域計(jì)算地表水資源可利用量提供借鑒。

1西江流域概況

西江為珠江的主干流［7］，源頭為云南省曲靖境內(nèi)的烏蒙山余脈馬雄山東麓，北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江等是其主要支流。西江干流全長(zhǎng)2075km，流域總面積35. 31 萬km²，境內(nèi)面積34. 05 萬km²。西江流域水系見圖1。

西江流域地處中國(guó)南部，北回歸線橫貫流域中部偏南地區(qū)，受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，整體上處于熱帶以及亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛。流域存在明顯的多雨期與少雨期，多雨期大都集中在4—9月（汛期）、少雨期一般為10月至次年3月（枯期）。汛期降雨量所占流域全年降雨總量的百分比約為70%～80%，其中，連續(xù)最大的4個(gè)月降雨量占全年降雨總量的百分比可達(dá)60%～70%，而且流域內(nèi)降雨量在年內(nèi)分配很不均勻。

由于降雨主要集中于汛期，形成流域汛期洪水峰高、量大，枯期流量相對(duì)較小的特點(diǎn)。根據(jù)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，西江流域1956—2016年多年平均年徑流深675. 1mm，西江流域小于多年平均年徑流深的有南北盤江區(qū)、紅水河區(qū)、郁江區(qū)，主要分布在珠江區(qū)西部，其他分區(qū)都大于珠江區(qū)多年平均年徑流深。分區(qū)多年平均年徑流深大致呈現(xiàn)東部分區(qū)大于西部分區(qū)的特點(diǎn)。多年平均年徑流深在1000 mm以上的分區(qū)為桂賀江；多年平均年徑流深800～1000 mm的分區(qū)為柳江；多年平均年徑流深400～800 mm的分區(qū)為南北盤江、紅水河、郁江、黔潯江及西江（梧州以下）。

2地表水資源可利用量

地表水資源的可利用量通常的概念解釋是：在可預(yù)見的一段時(shí)期內(nèi)，綜合考慮生活、生態(tài)和生產(chǎn)“三生”用水需求，平衡協(xié)調(diào)河道外與河道內(nèi)用水，利用技術(shù)可行的措施，在現(xiàn)狀下墊面條件下本地地表水資源量中可以提供給河道外使用的水量最大值［8-9］。根據(jù)《第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》，明確不能計(jì)入地表水資源可利用量［10］的水量包括回歸水、廢污水、再生水等，并將不可利用洪水以及其他與河流生態(tài)有關(guān)需求的水量、與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)但需要開展河流水量調(diào)度且發(fā)揮生態(tài)效益的水量計(jì)入目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量。因此，地表水資源的可利用量從資源的角度出發(fā)，分析可能被消耗利用的水資源數(shù)量［11］。

2. 1計(jì)算公式及步驟

地表水資源可利用量的多年平均值是從地表水資源量中扣除掉河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量后剩余的水量。采用式（1）、（2）計(jì)算：

河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量［12］包括基本的河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量和目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境所需水量2種。基本所需水量是指能夠維持住河湖天然的基本形態(tài)、水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)基本的生存棲息地和水體自我凈化的能力而所要保留在河道內(nèi)的一定水量及水流過程；目標(biāo)需水量則是為了維持好河湖以及生態(tài)系統(tǒng)生存棲息地既有目標(biāo)要求的生態(tài)環(huán)境功能，如輸沙、壓咸、航運(yùn)等，所保留在河道內(nèi)的一定水量及水流過程。

在計(jì)算地表水資源的可利用量時(shí)，不同的河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量應(yīng)根據(jù)不同的流域自身的特點(diǎn)和水資源稟賦條件進(jìn)行確定。對(duì)于水資源較豐沛、開發(fā)利用程度較低的流域，河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量宜按照生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的較高值確定。對(duì)水資源緊缺、開發(fā)利用程度較高的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)水資源條件確定河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境所需水量的合理值。

馬興華等［13］認(rèn)為梧州（四）水文監(jiān)測(cè)斷面處的水生態(tài)環(huán)境所需水量應(yīng)考慮西江河道內(nèi)水生態(tài)需水要求以及珠江三角洲壓咸需水要求來確定。朱遠(yuǎn)生等［14］認(rèn)為珠江流域內(nèi)最重要的魚類洄游通道和魚類產(chǎn)卵場(chǎng)在西江干流。西江高要斷面以上涉及西江肇慶段國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)及西江下游主要漁場(chǎng)，考慮到西江干流水生態(tài)環(huán)境重要性，且流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用程度相對(duì)較低（2010—2016年多年平均開發(fā)利用率為14. 4%），地表水資源可利用量的計(jì)算中宜采用目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量。

本文采用間接算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算步驟如下。

步驟一 確定河道內(nèi)目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量的初始比例。根據(jù)各河流水資源情勢(shì)差異，確定目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量百分比初始值。區(qū)域內(nèi)水資源情勢(shì)較好，開發(fā)利用程度較低的取上限，反之取下限。多年平均目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水占天然徑流百分比取值范圍見表1。

步驟二 根據(jù)最新批復(fù)的流域綜合規(guī)劃中2030年水資源配置確定的區(qū)域地表水資源開發(fā)利用程度反推計(jì)算目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量（包括入海水量）。以（100%－規(guī)劃確定的地表水資源開發(fā)利用程度）作為目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量對(duì)比值。如果初始值和對(duì)比值差異大于等于±20%，則將初始值相應(yīng)調(diào)整±20%；差異為±（10%～20%）內(nèi)的，相應(yīng)調(diào)整±10%；差距在±10%范圍以內(nèi)的，可不作調(diào)整。

步驟三 將調(diào)整后的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水結(jié)果用該流域（斷面）1956—2016年系列實(shí)測(cè)徑流進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)水生態(tài)環(huán)境需水滿足程度。原則上滿足程度不低于75%，當(dāng)滿足程度小于75%時(shí)表明確定的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水偏高，可進(jìn)一步適當(dāng)下調(diào)；當(dāng)滿足程度大于等于75%時(shí)，目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水也可上調(diào)。

步驟四 利用式（1）計(jì)算地表水資源的可利用量，利用式（2）計(jì)算可利用率。

2. 2高要斷面目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

選取西江流域高要水文站作為流域控制斷面，高要水文站集雨面積為35. 2萬km²，控制了整個(gè)流域99%的面積。根據(jù)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，高要站1956—2016 年系列地表水資源多年平均值為2284. 3億m³。

a）目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量初始值。西江流域2010—2016年多年平均水資源開發(fā)利用率為14. 4%，屬于低開發(fā)利用區(qū)域。根據(jù)表1低開發(fā)利用區(qū)域所需的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水占比不低于70%。高要斷面以上涉及的各行政區(qū)域開發(fā)利用程度差別較大，且已有的《珠江河湖生態(tài)水量（流量）研究報(bào)告》［16］中確定的梧州（四）斷面目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量百分比為74%（相應(yīng)的需水量為1 561. 3億m³）。對(duì)處于同一個(gè)流域的不同斷面，存在著上游斷面生態(tài)需水占比高于下游斷面的一般規(guī)律，綜合考慮，高要斷面目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水占比初始值取72%，相應(yīng)的需水量為1 644. 7億m³。

b）目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量對(duì)比值。規(guī)劃水平年2030年，高要站斷面以上河道外總需水量為372億m³（南北盤江區(qū)79億m³、紅柳江區(qū)102億m³、郁江區(qū)91億m³、西江區(qū)100億m³，合計(jì)372億m³）［17］，計(jì)算的開發(fā)利用程度為16. 3%，反推的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量占比對(duì)比值為83. 7%，需水量為1 912. 0億m³。

c）初始值與對(duì)比值的比較。兩者經(jīng)比較，差異在±（10%～20%），根據(jù)計(jì)算步驟將初始值相應(yīng)調(diào)大11%。調(diào)整后的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量為1827. 3億m³，與對(duì)比值相差4. 0%。

d）檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量的滿足程度。通過采用1956—2016年高要站實(shí)測(cè)年徑流量系列檢驗(yàn)，調(diào)整后確定的目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水量的滿足程度為82. 0%，大于75. 0%，滿足要求，見表2。

e）高要站斷面以上地表水資源的可利用量。根據(jù)式（1），高要斷面以上地表水資源可利用量為斷面以上地表水資源量與河道內(nèi)目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量的差值，計(jì)算結(jié)果為457. 0億m³。

2. 3西江流域地表水資源可利用量

根據(jù)上述高要站地表水資源可利用量計(jì)算步驟，高要斷面以上地表水資源可利用量為457. 0億m³，可利用率為20. 0%。西江流域國(guó)內(nèi)總面積與高要站集雨面積相差4%左右，流域地表水資源可利用率可直接采用高要站斷面以上的地表水資源可利用率，即西江流域地表水資源可利用率為20%。根據(jù)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，西江流域1956—2016年多年平均地表水資源量為2 298. 4億m³，根據(jù)式（2）計(jì)算得西江流域多年平均地表水資源可利用量為459. 7億m³，河道內(nèi)目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量為1 838. 7億m³。

3合理性評(píng)價(jià)

3. 1與水量分配方案的比較

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)及水利部于2020年8月批復(fù)了西江流域水量分配方案（發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2020〕1270號(hào)），至規(guī)劃水平年2030年，在保障河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境需水量的基礎(chǔ)上，綜合考慮流域內(nèi)地下水及其他水源配置水量、跨流域調(diào)水等因素，確定本流域地表水可分配用水量及耗損量，見表3。

由表3可知，多年平均來水條件下，西江流域向本流域分配的河道外總水量為345. 59億m³，耗損量為189. 39億m³，本次計(jì)算的西江流域多年平均地表水資源可利用量為459. 7億m³，滿足水量分配的需求。

3. 2與開發(fā)利用程度的比較

根據(jù)第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，基準(zhǔn)年2016年西江流域?qū)嶋H供水量［19］為326. 67億m³，占珠江區(qū)供水總量38. 8%。供水水源以地表水為主，其供水量為314. 66億m³，占總供水量的96. 3%，其中調(diào)入水量0. 48億m³，調(diào)出水量1. 42億m³。地下水供水量為11. 20億m³，占3. 4%，其他水源供水量為1. 75億m³，占0. 5%。

2010—2016年西江流域多年平均供水量為331. 10億m³（含港澳），平均開發(fā)利用率為14. 4%，計(jì)算的地表水資源可利用率為20%，高于現(xiàn)狀開發(fā)利用程度，為遠(yuǎn)期流域規(guī)劃水平年河道外需水留有一定的增長(zhǎng)空間，比較見表4。

3. 3與基本的水生態(tài)環(huán)境需水量比較

從水生態(tài)系統(tǒng)的多樣性以及復(fù)雜性角度出發(fā)，水生態(tài)需水量的計(jì)算方法多種多樣，總體上分為水文學(xué)法和水力學(xué)法等［20］。水文學(xué)法是基于河流天然徑流系列，以天然徑流量（或近似天然徑流量）多年平均值的一定比例作為河流的水生態(tài)環(huán)境需水量［21］；逐月頻率曲線法是指通過構(gòu)建各月水文頻率曲線，將95%頻率相應(yīng)的月平均流量和已有成果確定的非汛期生態(tài)流量取外包，作為對(duì)應(yīng)月份斷面的基本生態(tài)水量，并組成年內(nèi)不同時(shí)段值；水力學(xué)方法涉及河道各種水力參數(shù)，如河寬、水深、水力半徑等，常用的有濕周法等。根據(jù)第三次水資源調(diào)查，推薦的西江流域高要斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量來源于《珠江河湖生態(tài)水量（流量）研究報(bào)告》，采用的是能體現(xiàn)水量變化過程且取值較為合適的逐月頻率曲線法（頻率取95%）和已有成果非汛期生態(tài)流量取外包值作為基本生態(tài)水量計(jì)算的推薦方法，成果見表5。

西江流域高要斷面的基本生態(tài)水量全年值為1156. 5億m³，計(jì)算的高要斷面生態(tài)需水量為1 827. 3億m³，大于該斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量，滿足河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水要求。

3. 4與第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果的比較

第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中可利用量的計(jì)算采用的是倒算法，所謂倒算法是將水資源量中扣除掉不可以被利用和不可能被利用水量中的多年平均汛期下泄洪水量后得出水資源的可利用量，見式（3）：

由于在南方區(qū)域河流中，汛期河道內(nèi)水生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)需水量與下泄的洪水量交織在一起，因此，汛期一般不單獨(dú)考慮河道內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)需水量。對(duì)于地表水資源的可利用量分析，僅需考慮扣減非汛期河道內(nèi)水生態(tài)及生產(chǎn)需水量。

根據(jù)上述計(jì)算公式，第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)計(jì)算系列采用1956—2000年，西江流域多年平均地表水資源量為2 301. 5億m³，地表水資源的可利用量多年平均值為477. 6 億m³，相應(yīng)的可利用率為20. 8%。第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中西江流域水資源量與第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果比較減少3. 1 億m³，可利用率減小0. 8%，變化較小。

4結(jié)論

西江1956—2016年系列地表水資源可利用量多年平均值為459. 7億m³，可利用率為20%，在統(tǒng)籌考慮生態(tài)環(huán)境用水情況下，能滿足本流域未來河道外需水增長(zhǎng)及水量分配指標(biāo)要求，計(jì)算結(jié)果合理。流域水資源可利用量的評(píng)價(jià)成果可為未來一段時(shí)間內(nèi)開展規(guī)劃修編、總量控制指標(biāo)修訂、水量分配與調(diào)度，以及強(qiáng)化流域水資源剛性約束與優(yōu)化流域水資源配置等工作提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是水資源管理部門的重要管理抓手，如可在跨流域調(diào)水等影響流域水資源配置格局的重大工程規(guī)劃等階段判斷工程建設(shè)的可行性。

本文嘗試?yán)瞄g接法來計(jì)算西江流域水資源的可利用量，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，核心是從水生態(tài)系統(tǒng)用水需求入手，在平衡協(xié)調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩者用水的基礎(chǔ)上，通過推求目標(biāo)水生態(tài)環(huán)境需水，反推可利用量。該方法兼顧了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果依據(jù)流域天然水文情勢(shì)和時(shí)空分布情況，同時(shí)考慮了水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和規(guī)劃安排，對(duì)于資料缺乏的流域及生態(tài)保護(hù)目標(biāo)重要的流域適用。該方法還應(yīng)用于南盤江、北盤江、九洲江、黃泥河等29條河流，成果均反映在第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中。

研究中生態(tài)環(huán)境需水量?jī)H為年值，未考慮汛期和非汛期的需水過程，下一步研究中將考慮生態(tài)環(huán)境需水過程，細(xì)化可利用量計(jì)算公式，使得計(jì)算結(jié)果更符合流域?qū)嶋H。