南水北调西线工程调出区水资源优化配置研究

李冬晓，尹明万，贾 玲，李其峰

（中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

南水北调西线工程（以下简称西线工程）是支撑我国西北地区发展的重大战略性水资源工程，因其具有重大的经济、社会、生态效益以及空间范围广、专业技术问题多且复杂，备受社会关注。国内很多学者对该工程做了大量的研究工作［1～4］。国家“十一五”科技支撑计划针对该工程的关键技术问题开展了重大课题研究。本文结合科技支撑课题，采用系统分析方法和有无对比方法进行西线工程调出区（以下简称研究区）的水资源优化配置研究，以期揭示了西线调水对研究区社会经济用水、水利工程布局的影响以及对重点河段生态环境用水的影响，为该工程的合理决策提供科学依据。

1 研究区基本情况

1.1 研究区概况本文将研究区划定为西线工程的水源区以及可能影响到四川省的有关区域，即在长江流域宜宾以上四川省境内的区域和沱江流域、涪江流域在四川省境内的区域。西线工程的7个取水枢纽均位于大渡河和雅砻江上游的干支流上，将大渡河流域和雅砻江流域划定为直接影响区。

成都平原地跨沱江和涪江流域，社会经济发达、人口稠密、需水量大，当地可利用水资源量已无法满足需水增长要求，规划通过引大济岷工程调水供成都平原，因此西线工程的间接影响区包括岷江、沱江和涪江流域。为保持水资源系统和水资源规划研究区的完整性，本文同时将金沙江直门达至石鼓及石鼓以下两个流域在四川省境内的区域一并划入到研究区范围之内。

研究区国土总面积37.4万km2（约占四川省的77%），山丘区面积约占98.2%。本地区西高东低，高差悬殊；河流纵横，切割强烈；山丘广布，平原狭小。研究区属亚热带区域，气候区域明显，区间差异性很大。

2007 年末总人口5 400万人，占四川省的61%，其中农业人口3 254万人，非农业人口2 146万人。国民生产总值为8 259亿元，其中一、二、三产业所占比例分别为15.5%、48.1%和36.4%；人均GDP达15 296元。

研究区多年平均地表水资源量2 086.04亿m3，地下水资源量532.20亿m3，重复量531.05亿m3，水资源总量2 087.19亿m3。多年平均入境水量648.59亿m3。

1.2 现状年水资源开发利用现状年（2007年）总供水量171.86亿m3，其中，地表水占91.77%，地下水占7.61%，其他水源占0.62%。总用水量170.98亿m3，农业用水所占比例最大，约58%，生活用水占9.6%，工业用水占27.6%，建筑业及三产用水占4.7%，生态用水占0.2%。现状年研究区当地水资源开发利用程度为8.19%，全部水资源（包括入境水）开发利用程度为6.25%。结合已有的研究成果，当前研究区水资源开发利用存在的主要问题为：水资源地域分布与空间需求分布极不匹配。西部水资源丰富，开发利用程度很低；东部人口密集，经济社会和生态环境需水量大，水资源供需比较紧张，局部地区缺水。

1.3 水资源系统水资源工程包括蓄、引、提及跨流域调水等地表水工程、地下水开采工程以及非传统水源利用等工程，其中调水工程中以都江堰水利枢纽及其供水网络、引岷江水供给涪江和沱江流域调水工程、引大济岷工程为主干，构成了跨流域调水工程的主体，在整个研究区的供水中将发挥非常重要的作用。

2 研究区需水预测

本文以研究区人口增长与城镇化率、宏观经济发展速度与经济结构、节水力度变化发展为依据，采用净定额法分别对各规划水平年的城镇生活、农村生活、工业、建筑业、第三产业和农业等进行不同情境下的需水预测。各规划水平年的净定额结合研究区节约用水的分析成果、考虑产业结构与布局调整并参考有关部门制定的用水定额标准，确定预测取用值。考虑到四川省在我国西南地区经济地位的重要性，以及研究区当前的经济总量基数较小，而研究区的水资源较为丰富，适当的工程措施就能够满足经济社会较快的速度发展的需要。鉴于研究区农业对节水成本的承受能力及区域经济水平较低，以采取适度节水措施为宜。经综合分析后给出推荐的需水预测方案，见表1所示。预计到2030年，研究区总需水量比现状水平年增加117亿m3，其中，农业需水比例由现状年的59.4%下降到2030年的45%；工业需水由现状年的31%增长到2030年的46%；生态环境需水量比现状年增加了一倍。

表1 研究区需水预测结果（多年平均）

3 研究区水资源优化配置研究

3.1 水资源配置简要回顾［5-11］纵观国内水资源配置研究进程及其发展特色，水资源配置的研究历史不过几十年，从最初以水量为主的小区域、单目标、确定性的水库调度和灌溉用水优化，发展到基于宏观经济的水资源合理配置，再发展到大规模、多目标、多层次、大系统、随机性、风险性相结合，基于生态良好、经济可持续、水质达标的水量水质双总量控制的优化配置。在此过程中，研究方法日臻完善，多目标动态优化求解已成为研究的主线；研究内容日益充实，水资源、经济社会和生态环境已成为密不可分的配置实体；配置结果日益合理，利用现代数值分析技术、信息控制理论和人工智能及数学模型与计算机技术的紧密结合，实现水量水质联调在经济社会评价体系中的综合效益最优。

3.2 水资源配置模型特点本文在中国水利水电科学研究院自主开发的配置模型的基础上，基于研究需要进行适当修改，构建区域水资源优化配置与动态模拟模型，该模型具有以下优点：（1）能够客观反映水资源系统多层次、多地区、多用途、多水源和多工程等特点；（2）能够进行多水源时空调控，实现动态配置和优化模拟有机结合；（3）能够提供不同时间尺度和空间尺度的水资源配置成果；（4）能够为水资源开发利用规划和管理、供水工程设计和水系统薄弱环节诊断提供科学依据。

3.3 水资源系统概化及网络图水资源系统概化涉及到计算单元、水利工程、控制性节点、断面、水源、供水或调水渠道（或管道）系统和河网水系等。将研究区水资源系统中各类物理元素（水库、引调水工程或扬水站、计算单元和河渠道交汇点等）概化为节点，各节点间通过有向线段（河渠道或管道等）连接，绘制出水资源系统概化网络图［12］。研究区水资源系统要素概化如表2所示，水资源系统网络图如图1所示。在水资源系统要素概化的基础上，结合区域实际情况，设置多种可能方案，运用构建的动态优化模拟模型对各方案进行长系列供需平衡分析。

本文依据研究问题的层次和水资源配置目标，结合已有数据，采用水资源三级区套地市将研究区划分为38个计算单元。

表2 水资源系统要素及模型规模

3.4 配置方案设置及分析计算结果本文依据人与自然和谐相处、可持续性、需水代表性、供水代表性和工程布局代表性等方案设置原则，根据实际研究需要，共设计了17套水资源配置规划工程组合方案（方案含2007、2020和2030三个水平年）。方案设置考虑的主要因素是：（1）选用Tennant法确定河道生态环境基流量，成都平原主要河段分高低两种情景，高情景汛期大于或等于天然多年平均流量的40%，其余时期大于或等于15%；低情景分别大于或等于30%和10%；2030西线工程投入运行前，各取水枢纽河道流量基本保持天然状况；在此之后，河道控制断面的最小下泄流量必须大于等于各自的生态环境保护目标所需要的河道生态基流量；（2）在污水处理与回用率方面分别设置了高低两种情景，其中考虑了各个计算单元的实际差异；（3）西线工程（一期）设计调水规模多年平均80亿m3，2030年以前暂不调水，后按照有、无两种情景考虑；（4）引大济岷工程考虑了有、无两种情景；（5）其他水源和跨流域调水工程根据各地区的实际需要配置。

受篇幅限制表3只列出了4套典型的规划工程方案。近期规划水库集合A包括米市水库、大竹河三库、老沟水库、关口水库、清平水库、踏水水库、宝石水库、丹山水库、赵家沟水库、通江水库、武都水库和关刀桥水库等。远期规划水库集合B包括沙坝田水库、龙塘水库、双江口水库、小井沟水库、双马水库和姜家桥水库等。其他扩建或规划新建的跨流域引水工程主要有人民渠工程、毗河引水工程、东风渠工程、长征渠引水工程和向家坝北岸引水工程等。

表3 水资源配置规划工程组合方案

对每套方案进行了水文长系列（1956—2000年）逐月供需平衡优化模拟分析，给出研究区及各个单元不同保证率的水资源配置结果。4个典型方案的多年平均配置结果见表4所示。

表4 不同方案的配置结果（多年平均） （单位：亿m3，%）

依据模型优化配置目标，在对各配置方案结果进行综合比较分析后得出：

（1）在保持较高河道生态基流情况下，能够满足研究区经济社会发展的需水要求，不同河道生态基流情况的供需平衡结果略有差异。河道生态基流高方案2030年多年平均缺水量3.53亿m3，缺水率1.23%；中方案2030年多年平均缺水量3.27亿m3，缺水率1.14%。因此，研究过程中可以保持较高的河道基流量。

（2）2030年西线工程调水对整个研究区经济社会发展需水的影响较小，但对直接影响区的用水有一定影响。对研究区多年平均总供水量结果进行对比后可知，没有西线工程调水方案仅比有此调水方案多供水0.5亿m3，或者说系统缺水率仅减少0.2%。因此，有无西线工程影响很微弱。

通过多方案综合分析比较，最后确定方案Ⅰ（即河道生态基流高情景，污水处理与回用高情景，有西线工程，无引大济岷工程）为研究区水资源配置推荐方案。推荐方案供需平衡结果见表5。2020年各计算单元及各行业水资源供需平衡情况普遍得到改善，多年平均需水满足程度为99.06%，即使枯水年份也能达到97.77%；2030年多年平均需水满足程度为99.26%，枯水年份为98.01%。2030年整个研究区当地水资源的平均开发利用程度为13.65%，包括入境水量的平均开发利用程度为10.42%。比现状年（8.19%）的开发利用程度有了较大提高，证实了当地水资源具有较大的开发利用潜力。

表5 研究区水资源配置推荐结果 （单位：亿m3，%）

根据水资源配置推荐结果，分析西线工程对研究区内的直接影响区和间接影响区的影响程度。从表6可以看出，2030水平年间接影响区的缺水深度很小，直接影响区的缺水深度较大，特枯年份达到12%。表明间接影响区受西线调水工程影响很小，但直接影响区会随着西线工程的投入使用其取水难度将增加，缺水程度将加剧。

表6 2030年直接影响区和间接影响区水资源配置结果 （单位：亿m3，%）

4 结论

本文以南水北调西线工程调水区为研究对象，以系统分析思想为基础，通过构建基于多层次、多地区、多用途、多水源和多工程的水资源动态模拟优化配置模型，设定多种情景方案并进行长系列供需平衡分析研究，取得的主要结论为：

（1）南水北调西线一期工程调水与满足研究区的水资源需求总体上是协调的；2030年，在满足西线设计调水规模和保护附近下游河段基本生态基流的前提下，对间接影响区基本不产生影响，但对于直接影响区，其取水难度增加，缺水程度加剧；（2）为满足支撑各地区经济社会和环境可持续发展的水资源需求，需要对研究区各种水源和工程（包括扩建和新建若干重大跨流域引水工程）进行优化配置和时空调控；（3）研究区通过各种水资源工程的优化组合与联合调度，既能够满足经济社会发展的用水需要，还能够满足生态用水需要。特别是大江大河干流及以成都市为中心的城市群区域内的主要河道能够维持较高的生态流量，为建立人水和谐的环境奠定水资源基础；（4）结合研究区经济社会和生态现状，为最大程度的发挥西线调水工程在区域水资源配置方面的价值功效，在经济社会按照预期目标发展情况下，建议研究区采用本文推荐方案进行水资源优化配置。

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