關(guān)鍵詞:水資源分配;灌區(qū)需水量;分水口;影響因子

1引言

目前區(qū)域性缺水十分嚴重,在我國600多個城市中有400多個城市供水不足,其中嚴重缺水的城市有110個,城市年缺水總量達60×108m3。為緩解此現(xiàn)狀,近年來對調(diào)水工程進行了不同角度的研究,如梁書民等[1]從全球角度研究了全球大型跨流域調(diào)水工程及水資源農(nóng)業(yè)開發(fā)潛力;卞戈亞等[2]通過建立一個二層大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)模型對水資源進行優(yōu)化配置;張曉燁等[3]采用多目標粒子群算法模型研究了對河北省南水北調(diào)受水區(qū)水資源優(yōu)化配置;王滿興等[4]研究了鄂北地區(qū)水資源配置工程節(jié)水體系。在目前已建成的調(diào)水工程中,南水北調(diào)工程是世界上最大的跨流域調(diào)水工程,亦是緩解我國北方地區(qū)水資源短缺、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、全面建設(shè)小康社會的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施[5]。在進行水資源配置中,影響水資源分配的因素諸多,目前水資源優(yōu)化配置多采用多目標、多水源、多用戶的水資源優(yōu)化配置模型,如社會、經(jīng)濟、環(huán)境、水資源量等多方面,同時中線工程涉及區(qū)域面積大,分水口數(shù)量眾多,影響分水口流量因素較為復(fù)雜,因此合理準確地找到主要的、起決定性的影響因素是解決問題的關(guān)鍵。鑒此,本文基于2015年1月~2018年9月中線實際監(jiān)測數(shù)據(jù),從庫容、灌區(qū)、地區(qū)水資源量等多個角度進行分析,得出影響中線在初期試運行階段影響沿線水資源分配的因素。

2沿線分水口水資源分配情況

南水北調(diào)中線工程南起漢江下游湖北丹江口水庫,從陶岔取水口引水,沿唐白河平原北緣、華北平原西部邊緣,跨長江、淮河、黃河、海河四大流域,經(jīng)河南、河北兩省,北京、天津兩市,最終直達北京的團城湖和天津市外環(huán)河[6],全長1432km,沿線設(shè)置64座節(jié)制閘、97座分水口和54座退水閘。沿線分水口的服務(wù)功能大致可劃分為服務(wù)于農(nóng)業(yè)灌溉用水和城市生活用水兩類。

2.1供生活用水分水口水資源分配

中線一期工程于2014年12月12日開始通水。本文選用數(shù)據(jù)為沿線四個區(qū)域2015年1月~2018年9月,用于供生活用水各分水口實際監(jiān)測數(shù)據(jù),得到四省市水資源分配量占比隨時間的變化情況(圖1)、流量時間變化圖(圖2)及分水口各月份累計分水總量圖(圖3)。由圖可知南水北調(diào)中線自年后對北京市水資源量的分配占比較為穩(wěn)定,平均值為0.262,變化范圍為(-0.073,0.081);河北省的總分水量占比在緩慢增加,最后趨于穩(wěn)定;北京市和天津市的分水流量隨時間變化的趨勢最為接近;分水口各月累計分水總量變化趨勢有很大的相似性,均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,最大分水量出現(xiàn)在6~10月。

2.2服務(wù)于農(nóng)業(yè)灌溉分水口水資源分配情況

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國,但耕地面積卻較少,占耕地面積49%的灌區(qū)農(nóng)業(yè)為我國提供了超過75%的糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟作物。隨著我國邁入14億人口大關(guān),國家對糧食的需求量也越來越大,每年需要進口大量糧食。為了避免糧食危機,只有保障灌區(qū)基本水資源供給,才能保證灌區(qū)的基本糧食產(chǎn)量。因此對灌區(qū)水資源合理配置的研究也日益被重視。位于南陽市的引丹灌區(qū)為河南省糧食主產(chǎn)區(qū),灌區(qū)主要糧食作物為冬小麥和水稻,灌區(qū)水資源缺乏一直是影響糧食產(chǎn)量的主要原因,為了緩解該地區(qū)水資源問題,為此中線工程專門修建肖樓分水口來保障引丹灌區(qū)(引丹灌區(qū)覆蓋鄧州市、新野縣)的灌溉需水和鄧州市、新野縣19個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))近百萬人飲水安全。結(jié)合肖樓分水口2015~2018年流量數(shù)據(jù),得到肖樓分水口流量時間變化圖(圖4)。引丹灌區(qū)主要糧食作物為小麥和水稻,根據(jù)這兩種農(nóng)作物生長周期需水規(guī)律[7,8]并結(jié)合其種植時間和面積,大致描繪出引丹灌區(qū)冬小麥和水稻在其一個生命周期內(nèi)的需水量隨時間的變化曲線(圖5)。結(jié)合圖4,可清晰發(fā)現(xiàn)供水量和作物需水量存在較明顯的相關(guān)性。

3影響因素分析

選取2017年10月沿線各市區(qū)累計分水量,查閱資料整理出各地區(qū)對應(yīng)的人口總數(shù)、地區(qū)經(jīng)濟總產(chǎn)值、地區(qū)水資源總量、地區(qū)供水的主要來源以及地區(qū)多年平均降雨量和蒸發(fā)量(表1)。南水北調(diào)工程主要是緩解水資源時空分配不均勻,通過跨流域調(diào)水來支持地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展注入重要動力引擎�？缌饔蛘{(diào)水、調(diào)水量多少則主要是供需之間的關(guān)系供需平衡,現(xiàn)在的水資源分配理念更加科學(xué)合理,打破以往傳統(tǒng)的以需定供或以供定需的原則,采用從供、需兩個方面同時考慮,從而更加科學(xué)、合理、可持續(xù)。影響沿線地區(qū)分水口水資源分配的因素是多樣的、復(fù)雜的,且存在相互影響,本文從六個方面對南水北調(diào)中線沿線水資源配置影響因素進行分析。(1)供水角度(即水庫庫容量角度分析)。丹江口水庫的庫容量是因流域降雨量的變化而變化,該流域降雨量主要集中在5~8月,冬季降雨量少。結(jié)合圖3,自2015~2018年,干渠水資源時間分布逐漸形成規(guī)律,尤其是2016年后,水資源隨時間大致呈現(xiàn)先增后減,且大流量時間段為6~10月,且與丹江口流量站年際入庫流量趨勢與中線工程年際輸水趨勢相同。因此從供需關(guān)系分析,水庫庫容量是影響水資源供給量的主要因素。(2)冰凍期河道安全運行角度。結(jié)合圖3分水口各月累計分水總量變化曲線,自2016年后,沿線水資源供給隨時間變化規(guī)律逐漸清晰,每年12月~次年2月,干渠流量減少明顯,對沿線地區(qū)水資源分配亦對應(yīng)減少,導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因主要是該時期為我國北方河道結(jié)冰封凍期。為保障河道安全,必須適當減小干渠流量。對于調(diào)水工期冰期水資源安全調(diào)度和安全防控,近年來周夢等[9,10]對調(diào)水工程在冰期存在的安全隱患及提出了相應(yīng)的措施。但這些措施還未完全在中線工程實施,因為在河道封凍期主要手段還是通過減小干渠流量來保證河道安全運行,冰期將在未來一段時間持續(xù)影響干渠供水能力。(3)城市的發(fā)展地位角度。由圖1可知,自通水后,特別是2015年北京市水資源分配量占比遠高于其他三省、市;由表1也可發(fā)現(xiàn),北京市與天津市、河南省、河北省相比,其供水量占比也是最穩(wěn)定的,月平均占比0.262,變化幅度為(-0.073,0.081)。北京市水資源分配呈現(xiàn)此結(jié)果其主要原因是北京為國家首都,在京津冀協(xié)同發(fā)展框架中起著龍頭的作用,經(jīng)濟發(fā)達、人口眾多,對于京津冀乃至于整個國家的發(fā)展均具有重要的地位,因此在考慮水資源分配水時,北京作為重要城市具有優(yōu)先供水的原則。(4)人均水資源占有量角度。根據(jù)表1,對北京市、天津市和鄭州市這三個大型或較大型城市分析,發(fā)現(xiàn)這三個地區(qū)缺水均較為嚴重,在進行水資源分配時,人均水資源占有量也是一個重要的考慮因素,人均水資源越少,分配水資源量則越多。(5)人口數(shù)量角度。分析北京市、天津市、石家莊市和鄭州市的分水流量變化(圖2),發(fā)現(xiàn)每年1~2月期間,分水流量減小,2~3月開始增加。通過對地區(qū)人口統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達或較發(fā)達,高等院校較多,務(wù)工人員也多,而1~2月期間為我國傳統(tǒng)的春節(jié),務(wù)工人員返鄉(xiāng)和學(xué)生放寒假,導(dǎo)致城市人口減少明顯,從而生活需水量也減少。因此對于同一地區(qū),人口數(shù)量也是影響水資源分配的一個重要因素。(6)灌區(qū)需水量角度。引丹灌區(qū)是中線工程途經(jīng)的最大的糧食主產(chǎn)區(qū),為了保障灌區(qū)糧食安全,灌區(qū)水資源分配必須得到基本的保障,通過實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),自2015年初,大多數(shù)分水口還未運行時,服務(wù)于引丹灌區(qū)的肖樓分水口即開始向灌區(qū)供水,且在沿線97座分水口中,肖樓分水口分水流量最大,單個分水口累計分水量最多,且累計水資源分配量呈遞增趨勢。疫情發(fā)生至2020年3月,南水北調(diào)中線工程已向引丹灌區(qū)輸水6836.36×104m3,保障了冬小麥返青灌溉和保障灌區(qū)春耕。2020年度計劃向引丹干渠供水總量達6×108m3,保障灌區(qū)糧食產(chǎn)量。因此灌區(qū)需水量是影響中線工程水資源分配的一個重要因素。同時結(jié)合圖4、5,得出灌區(qū)年際需水變化與其種植糧食作物生命周期內(nèi)需水量、糧食作物種植面積有較為明顯的相關(guān)性。

4結(jié)論

a.影響水資源分配的因素主要為庫容量、干渠流量、水資源分配量、人口數(shù)量、城市發(fā)展地位、冰期河道封凍、農(nóng)業(yè)灌區(qū)需水量等。b.本文研究僅采用單一變量進行分析,考慮因素還不夠全面,影響水資源分配的因素眾多,相互作用、關(guān)系復(fù)雜,因此未來可從多目標角度,通過建立水資源優(yōu)化配置模型進行分析。