南水北調(diào)東、中線(xiàn)受水區(qū)水資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和諧發(fā)展模型

南水北調(diào)工工程實(shí)施后,各受水區(qū)也面臨著一些亟待解決的問(wèn)題,例如外調(diào)水與當(dāng)?shù)卦兴Y源的配置、水利管理運(yùn)行模式與體制、不同水質(zhì)的水處理、地下水壓采問(wèn)題等等。本文以山東省為例就以上各種問(wèn)題作一探討。

河北省水資源匱乏,水環(huán)境污染嚴(yán)重。南水北調(diào)中線(xiàn)工程的實(shí)施將為緩解河北省的水危機(jī)產(chǎn)生極為重要的意義。為了更好地保護(hù)利用供水區(qū)水資源,必須采取切實(shí)可行的水資源保護(hù)措施。

南水北調(diào)東線(xiàn)工程是一項(xiàng)特大型跨流域、多水源的調(diào)水工程,配置與調(diào)度其沿線(xiàn)受水區(qū)城市的水資源是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程.本文建立了基于復(fù)雜系統(tǒng)的南水北調(diào)東線(xiàn)受水區(qū)城市水資源配置模型,并通過(guò)實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)模型中各類(lèi)對(duì)象間的相互作用情況進(jìn)行模擬,得到了有關(guān)受水區(qū)城市水資源配置中各類(lèi)對(duì)象間相互作用以及演化行為的模擬結(jié)果.

選取南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程受水區(qū)為研究對(duì)象,以受水區(qū)涉及的112座縣級(jí)市(區(qū)、縣城)為單元,進(jìn)行生態(tài)水文分區(qū)。根據(jù)受水區(qū)的生態(tài)水文特征,建立生態(tài)水文分區(qū)的指標(biāo)體系值數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)spss聚類(lèi)分析,共分為5個(gè)生態(tài)水文區(qū)。系統(tǒng)分析了各生態(tài)水文區(qū)的生態(tài)水文特征,尤其是對(duì)表征地下水超采嚴(yán)重程度的指標(biāo)——地下水位的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了重點(diǎn)分析。分區(qū)結(jié)果可為深入進(jìn)行南水北調(diào)中線(xiàn)工程沿線(xiàn)生態(tài)影響評(píng)估及水資源可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

南水北調(diào)中線(xiàn)霸州市供水區(qū)主要為霸州市城區(qū)和勝芳工業(yè)區(qū)供水,為保證南水北調(diào)通水后水資源的高效利用,對(duì)供水區(qū)不同水資源量進(jìn)行分析,提出配置方案。

[目的]了解南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源區(qū)與受水區(qū)歷史旱澇變化特征,分析及預(yù)估該工程因氣候變化導(dǎo)致"無(wú)水可調(diào)"的風(fēng)險(xiǎn),為科學(xué)調(diào)度與決策提供依據(jù)。[方法]利用南水北調(diào)中線(xiàn)工程流域內(nèi)近500a旱澇資料及1961—2015年氣象站日降水量資料,分析近500a來(lái)南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源區(qū)及受水區(qū)的旱澇遭遇特征及調(diào)水保障概率,同時(shí)利用21個(gè)cmip5全球氣候模式降尺度后的模擬預(yù)估結(jié)果,對(duì)rcp4.5排放情景下未來(lái)的旱澇遭遇特征進(jìn)行預(yù)估研究。[結(jié)果](1)近500a來(lái),水源區(qū)旱年出現(xiàn)概率呈先減少后增加趨勢(shì),20世紀(jì)以來(lái)水源區(qū)干旱年出現(xiàn)概率處于歷史高位,達(dá)31.7%；(2)受水區(qū)淮河流域的調(diào)水保障概率最高(達(dá)87.3%),唐白河流域調(diào)水保障概率最低(為78.4%)；(3)20世紀(jì)以來(lái)各流域與水源區(qū)同旱概率均處于歷史高位,漢—唐、漢—海持續(xù)同旱概率高于漢—淮；(4)秋汛期(9—11月)為調(diào)水最有利的時(shí)段,非汛期3個(gè)流域的調(diào)水保障概率均在80%以上。(5)cmip5模式預(yù)估結(jié)果顯示未來(lái)各受水區(qū)調(diào)水保障概率均在87%以上。[結(jié)論]20世紀(jì)以來(lái)水源區(qū)與受水區(qū)同旱概率處于近500a來(lái)高位,未來(lái)調(diào)水朝有利方向發(fā)展,但21世紀(jì)后期面臨較大的同澇風(fēng)險(xiǎn)。

為科學(xué)、合理地制定南水北調(diào)工程水價(jià),以南水北調(diào)可行性研究報(bào)告中的投資數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用分段分解法將投資分解到干線(xiàn)工程途經(jīng)的地市級(jí)行政區(qū),基于受益分?jǐn)傇瓌t,按照各受水行政區(qū)規(guī)劃的分配調(diào)水量,將輸水損失、工程投資、運(yùn)行成本等在東線(xiàn)和中線(xiàn)途經(jīng)行政區(qū)中進(jìn)行分?jǐn)?確定各行政區(qū)分?jǐn)偟恼{(diào)水總成本費(fèi)用,計(jì)算得出不同資本金利潤(rùn)率下各行政受水區(qū)的調(diào)水水價(jià),以期為南水北調(diào)運(yùn)行管理階段的水價(jià)制定提供參考。

南水北調(diào)中線(xiàn)工程實(shí)施后,河南省受水區(qū)將形成一個(gè)由南水北調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤?、城市中水等多種水源的聯(lián)合供水系統(tǒng)。針對(duì)南水北調(diào)來(lái)水過(guò)程不均,受水區(qū)水缺乏必要的調(diào)蓄工程等特點(diǎn),分析制定了水資源配置原則,建立了多水源、多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)算的水資源配置模型,通過(guò)長(zhǎng)系列供需平衡計(jì)算,合理確定了不同受水區(qū)域和不同部門(mén)間的供需水量,并提出了如何充分利用南水北調(diào)水和當(dāng)?shù)厮Y源的建議和措施。為保障受水區(qū)水資源可持續(xù)利用、水環(huán)境得到恢復(fù)和改善、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

南水北調(diào)工程供水是商品,完整的南水北調(diào)工程水價(jià)要包括資源水價(jià)、工程水價(jià)和環(huán)境水價(jià)南水北調(diào)工程水價(jià)可以通過(guò)調(diào)節(jié)水資源供需平衡和水價(jià)格彈性,以正確引導(dǎo)商品水的消費(fèi)模式和消費(fèi)需求從而促進(jìn)受水區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,引導(dǎo)南水北調(diào)工程良性運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)受水區(qū)水資源的優(yōu)化配置。

本文結(jié)合陜西省內(nèi)南水北調(diào)工程,針對(duì)規(guī)劃水平年2020年和2030年,從僅有當(dāng)?shù)毓┧到y(tǒng)供水和南水北調(diào)供水系統(tǒng)供水兩個(gè)方面,以缺水率和缺水指數(shù)為評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行研究。對(duì)南水北調(diào)供水系統(tǒng),分別考慮建立當(dāng)僅有三河口水庫(kù)單獨(dú)供水、黃金峽水庫(kù)和三河口水庫(kù)聯(lián)合供水兩種方案,當(dāng)采用黃金峽水庫(kù)和三河口水庫(kù)聯(lián)合供水時(shí),以南水北調(diào)可調(diào)水量限制條件分情景一:可調(diào)水量10億m3;情景二:可調(diào)水量15.5億m3進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明:當(dāng)僅有當(dāng)?shù)毓┧到y(tǒng)供水時(shí),受水區(qū)內(nèi)水資源供需緊張;當(dāng)以南水北調(diào)供水系統(tǒng)僅考慮三河口水庫(kù)供水時(shí),受水區(qū)內(nèi)缺水狀況依然存在,當(dāng)以可調(diào)水量10億m3黃金峽水庫(kù)和三河口水庫(kù)聯(lián)合供水時(shí),年缺水指數(shù)由2020年的3.17增加到2030年的8.18,水資源供需狀況依然緊張,以可調(diào)水量15.5億m3供水時(shí)年缺水指數(shù)由2020年的0.82增加到2030年的3.31,較情景一年缺水指數(shù)已有改善?？梢?jiàn),以可調(diào)水量15.5億m3供水時(shí),2020年基本可以滿(mǎn)足需水要求,但2030年后供需矛盾仍然突出,必須安排新的水源以滿(mǎn)足后期增加的水資源需求。

建設(shè)南水北調(diào)工程是緩解我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺狀況,促進(jìn)水資源優(yōu)化配置的重要措施。工程通水后,將形成受水區(qū)當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、工程水和南水北調(diào)工程外調(diào)水等多水源供水格局。通過(guò)建立受水區(qū)多水源水價(jià)模型,適當(dāng)調(diào)整受水區(qū)綜合水價(jià),引導(dǎo)人們調(diào)整用水行為,可以實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程的良性運(yùn)行和受水區(qū)水資源的優(yōu)化配置,達(dá)到人與自然的和諧共處。

南水北調(diào)工程是緩解我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺狀況,促進(jìn)水資源優(yōu)化配置的重要工程。工程通水后,將形成受水區(qū)當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、工程水和南水北調(diào)工程外調(diào)水多種水源供水格局。通過(guò)建立受水區(qū)多水源水價(jià)模型,適當(dāng)調(diào)整受水區(qū)綜合水價(jià),引導(dǎo)人們調(diào)整用水行為,可以實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程的良性運(yùn)行和受水區(qū)水資源的優(yōu)化配置,達(dá)到人與自然的和諧共處。

南水北調(diào)一期工程是緩解我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺狀況,促進(jìn)水資源優(yōu)化配置的重要措施。工程通水后,將形成受水區(qū)當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、工程水和南水北調(diào)工程外調(diào)水多種水源供水格局。通過(guò)建立受水區(qū)多水源水價(jià)模型,適當(dāng)調(diào)整受水區(qū)綜合水價(jià),引導(dǎo)人們調(diào)整用水行為,可以實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程的良性運(yùn)行和受水區(qū)水資源的優(yōu)化配置,達(dá)到人與自然的和諧共處。

通過(guò)對(duì)石家莊市南水北調(diào)受水區(qū)的水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀和規(guī)劃水平年的供需預(yù)測(cè)分析,提出了石家莊市是資源性缺水地區(qū),只能通過(guò)外流域調(diào)水來(lái)解決缺水矛盾,闡述了南水北調(diào)工程建設(shè)勢(shì)在必行,只有盡快實(shí)施南水北調(diào)工程,才是解決石家莊市水危機(jī)的根本措施。并在考慮引江水的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了水資源的優(yōu)化配置,提出了水資源配置對(duì)策和配置方案。

水資源價(jià)值的定量分析對(duì)于創(chuàng)建科學(xué)合理的水價(jià)體系和緩解缺水地區(qū)的水資源供需矛盾有著重要意義.通過(guò)效益分?jǐn)傁禂?shù)法計(jì)算了南水北調(diào)中線(xiàn)和東線(xiàn)受水區(qū)工業(yè)和農(nóng)業(yè)單位用水的凈效益,建立了以區(qū)域用水凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)、以供需水量限制及調(diào)水水渠流量限制為約束條件的水資源優(yōu)化配置模型.應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃求解得到南水北調(diào)東線(xiàn)受水區(qū)黃河以南、山東半島和黃河以北3個(gè)子區(qū)的水資源影子價(jià)格分別為1.00元/m^3、4.31元/m^3和3.89元/m^3,南水北調(diào)中線(xiàn)受水區(qū)河南、河北、北京和天津4個(gè)子區(qū)的水資源影子價(jià)格分別為3.67元/m^3、4.41元/m^3、2.20元/m^3和2.19元/m^3.該結(jié)果即為水資源理論價(jià)值,可為南水北調(diào)受水區(qū)制定科學(xué)合理的水價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和完善水價(jià)體系提供科學(xué)依據(jù).

根據(jù)河南省水資源狀況及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體規(guī)劃、城市總體規(guī)劃,預(yù)測(cè)受水區(qū)城市2010水平年總需水量41．89億m~3,當(dāng)?shù)乜晒┧?1．50億m~3,供需平衡后尚缺水30．39億m~3。南水北調(diào)中線(xiàn)工程實(shí)施后多年平均向受水區(qū)供水29．79億m~3,可有效地緩解受水地區(qū)嚴(yán)重缺水狀況,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,支撐該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

河南省南水北調(diào)受水區(qū)主要包括南陽(yáng)、漯河、鄭州等11座城市。為了明確受水區(qū)的水量供需情況,以2004年為現(xiàn)狀年進(jìn)行水量評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上對(duì)2015年水量進(jìn)行預(yù)測(cè)及水量均衡分析。分析結(jié)果為:受水區(qū)現(xiàn)狀年總供水量21.35億m3,2015年水量將出現(xiàn)負(fù)均衡,缺水9.36億m3。

一、陜西省南水北調(diào)受水區(qū)概況1.陜西省南水北調(diào)陜西省南水北調(diào)工程包括三條調(diào)水線(xiàn)路,即西線(xiàn)引紅濟(jì)石工程、中線(xiàn)引漢濟(jì)渭工程和東線(xiàn)引乾濟(jì)石工程。其中,引紅濟(jì)石工程正處在施工建設(shè)階段,預(yù)計(jì)2015年完工;引漢濟(jì)渭工程目前正在施工建設(shè)階段,該工程規(guī)劃在漢江干流修建黃金峽水電樞紐,并在黃金峽水電站樞紐庫(kù)區(qū)左岸修建抽水站,抽漢江干流的水通過(guò)"黃三"隧洞進(jìn)入漢江左岸支流子午河上

水資源價(jià)值的定量分析對(duì)于創(chuàng)建科學(xué)合理的水價(jià)體系和緩解缺水地區(qū)的水資源供需矛盾有著重要意義。通過(guò)效益分?jǐn)傁禂?shù)法計(jì)算了南水北調(diào)中線(xiàn)和東線(xiàn)受水區(qū)工業(yè)和農(nóng)業(yè)單位用水的凈效益,建立了以區(qū)域用水凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)、以供需水量限制及調(diào)水水渠流量限制為約束條件的水資源優(yōu)化配置模型。應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃求解得到南水北調(diào)東線(xiàn)受水區(qū)黃河以南、山東半島和黃河以北3個(gè)子區(qū)的水資源影子價(jià)格分別為1.00元/m3、4.31元/m3和3.89元/m3,南水北調(diào)中線(xiàn)受水區(qū)河南、河北、北京和天津4個(gè)子區(qū)的水資源影子價(jià)格分別為3.67元/m3、4.41元/m3、2.20元/m3和2.19元/m3。該結(jié)果即為水資源理論價(jià)值,可為南水北調(diào)受水區(qū)制定科學(xué)合理的水價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和完善水價(jià)體系提供科學(xué)依據(jù)。

基于copula理論,以標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（spei）為干旱指標(biāo),建立了南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源區(qū)與海河受水區(qū)汛期、非汛期及全年spei的聯(lián)合分布,并結(jié)合未來(lái)氣候模式數(shù)據(jù),研究了變化情景下南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源區(qū)與海河受水區(qū)各時(shí)期干旱遭遇概率變化及其對(duì)工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響.研究結(jié)果表明：過(guò)去幾十年,南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源區(qū)與海河受水區(qū)總體呈現(xiàn)變旱趨勢(shì);在rcp4.5和rcp8.5兩種未來(lái)氣候變化情景下,水源區(qū)與海河受水區(qū)汛期、非汛期及全年同旱事件發(fā)生概率較現(xiàn)狀有不同程度的增加,尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明顯增大,增加的幅度分別達(dá)到2.99%-6.1%和2.67%-3.63%.在未來(lái)變化情景下,水源區(qū)與海河受水區(qū)干旱遭遇變化可能會(huì)對(duì)工程運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn),因此,有必要研究相應(yīng)的適應(yīng)性對(duì)策以保證工程的正常安全運(yùn)行.

根據(jù)南水北調(diào)中線(xiàn)工程河北省受水區(qū)水資源的特點(diǎn),通過(guò)對(duì)水資源優(yōu)化配置研究,以重點(diǎn)解決充分利用外調(diào)水、提高重點(diǎn)供水目標(biāo)保證率、促進(jìn)區(qū)域水資源供需狀況相對(duì)平衡為目標(biāo),建立該區(qū)域的水資源優(yōu)化配置模型,對(duì)模型的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和參數(shù)確定進(jìn)行了初步探討,并對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本理論,以濟(jì)平干渠供水區(qū)為例,建立了南水北調(diào)工程山東段實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)學(xué)模型,用遺傳算法對(duì)所建立的模型進(jìn)行求解,獲得供水區(qū)水資源優(yōu)化分配方案、東平湖及濟(jì)平干渠按年、月、旬等不同時(shí)段的優(yōu)化調(diào)度方案。結(jié)果表明,遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題較為有效,研究成果對(duì)南水北調(diào)工程山東段水資源的實(shí)時(shí)調(diào)度及管理具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。