汉江中下游水资源风险分析与对策研究

常福宣，陈 进，张洲英

(长江科学院 a.水资源综合利用研究所;b.院长办公室;c.信息中心，武汉 430010)

跨流域调水工程是缓解或解决水资源空间分布不均问题的重要手段，具有巨大的经济、社会和生态环境效益。但是跨流域调水对水源区的负面影响也不容忽视。南水北调中线工程以汉江为水源，但是目前在汉江流域，特别是汉江中下游存在干旱威胁和水质污染等问题，南水北调中线调水减少了汉江中下游的水资源，可能会加大水资源的供需矛盾和供水风险。因此，有必要在分析汉江中下游供水风险的基础上，有针对性地提出减少其供水风险的对策措施。

1 汉江中下游水资源的基本形势及面临的主要问题

汉江是长江中游最大支流，源于秦岭南麓，流经陕西、湖北 2省，于武汉汇入长江，干流全长1 577 km，流域面积15.9万km2。流域属亚热带季风区，气候温和湿润，水量较丰沛，流域水资源总量为582亿m3［1］。与干旱的北方相比，汉江流域的水资源相对较为丰富，被作为南水北调中线工程的水源地，取水水源地为丹江口水库。根据《南水北调中线工程规划》，近期和远期的调水量分别为103亿m3和121亿m3，调水量将达到流域水资源总量的20%左右。调水将极大地改变汉江流域的水资源量及其时空分布，影响流域特别是汉江中下游的供水安全。目前汉江中下游的水资源存在以下几个方面的问题。

(1)流域水资源虽然较为丰富，但年内分配不均。5—10月份径流量占全年75%左右，且年际变化较大，是长江各主要支流中变化最大的河流。

(2)洪涝灾害频繁。汉江中下游洪水来量大，中下游河槽泄洪能力与来水量极不平衡，汉江堤防的防洪标准偏低，导致洪涝灾害频繁。

(3)汉江中下游用水量很大，干旱威胁大。汉江中游属于重旱和次重旱区，汉江下游属次旱区。由于水源工程供水能力不足，灌溉工程不配套等原因，致使干旱灾害成为影响汉江中下游农业发展的重要因素之一。

(4)汉江中下游生态环境问题严重。随着地方经济的发展和沿江城镇规模的扩大，汉江的污水排量较大，汉江干流的水质污染严重。在枯水季节，汉江中下游干流极易发生藻类大面积暴发的“水华”事件。

2 风险识别与评估

2.1 汉江中下游供水风险识别

风险是指在某一特定环境下，在某一特定时间段内，某种损失发生的可能性及损失的大小。风险主要来自于不确定性，风险识别的基本任务是找出系统风险之所在和引起风险的主要因素，即风险源。水资源风险识别需要在分析水资源系统基本结构的基础上，从影响水资源变化规律的因素入手，分析水资源系统的不确定性因素，进而识别出水资源供需变化规律的风险因素。

水资源系统是一个开放的复杂的巨系统，由于客观世界的复杂性及人类认识客观世界的局限性，水资源系统总是伴随着各种不确定性因素的困扰［2-3］。一般水资源系统的不确定性可分为水文不确定性、水流不确定性、建筑结构不确定性、经济不确定性和人类的主观不确定性［3-4］。水资源供水系统由一系列的供水工程和用水户组成，因此有需水量和可供水量2个不确定性因素。需水量的影响因素是人口、经济总量、经济结构和行业用水效率。经济的快速增长、行业用水重复利用率的偏低、用水设施的落后、需水定额预测的不准确，均可能会使需水变大或偏小［4］。在不考虑水质因素且供水设施可靠的情况下，可供水量则受到天然来水量和水利工程运行调度的影响。与一般的水资源系统相比，跨流域调水水源影响区供水风险增加了外调水量这样一个重要的影响因素。此外，一般的跨流域调水工程都需要在水源地修建大型的蓄水工程，为了向流域外调水，必须对水库的运行调度提出要求，因此又增加了水库调度这一影响因素。

作为南水北调中线工程的水源影响区——汉江中下游干流区水资源系统的风险源包括:①汉江上游来水，即丹江口水库的入库水量，这一因素受到汉江上游的降水和用水量的影响;②南水北调中线调水量，这一因素受到北方受水区需水量和当地水资源量的影响，实际运行过程中的外调水量由丹江口水库的运行调度所确定;③丹江口水库运行调度，这一因素主要与入库水量和调度规则有关，而调度规则又与管理有关，是水源地及其影响区与受水区等相关利益方博弈的结果，而调度过程中还会受到防洪和发电的影响;④汉江中下游干流区间来水量;⑤汉江中下游干流区当地供水能力;⑥汉江中下游河道内需水量;⑦汉江中下游河道外用水量。

2.2 风险指标

为了对风险进行估计和评价，需要一定的量化指标对系统的风险进行表征。本文选取反映缺水风险的风险度和易损性2个指标进行分析计算。

2.2.1 风险度与可靠性

以荷载L表示供水区域的需水量，抗力R表示对应的供水能力，如果把供水系统失效状态记为F∈(L＞R)，正常状态记为 S∈(L≤R)，则供水系统的风险度为［5-11］

式中Xt为供水系统状态变量。相应地，供水系统的可靠性为

如果对供水系统的工作状态有长期的记录，可靠性也可以定义为供水系统能够正常供水的时间与整个供水期历时之比［5］。

2.2.2 易损性

易损性评价供水系统缺水损失程度，在一定的供水期间，缺水越严重，供水系统的易损性也越大，即损失程度也越严重。易损性可定义为平均缺水量与平均需水量之比［2，5］，即

式中Wdt和Wat分别表示各时段需水量和实际供水量，根据此定义，易损性可以认为是平均缺水率。

2.3 风险指标计算

采用随机模拟生成丹江口入库流量和汉江中下游区间来水的序列(10 000年长序列)，利用汉江中下游干流区需水所得到的丹江口水库补偿下泄流量过程，采用丹江口可调水量计算方案的调度运用规则［1］，以日为单位计算出丹江口水库的下泄过程。利用计算出的丹江口水库下泄过程，结合汉江中下游后河道内与河道外需水量，以及当地供水能力，根据风险指标的定义，可以计算出汉江中下游供水的各风险指标值。分别计算了不调水、近期调水、远期调水、近期调水特枯年、以及年内不同月份的风险指标值(表1、表2)，由计算结果得出以下几点结论［12］:①在不调水的条件下，汉江中下游的水资源存在一定的供需矛盾，供水存在一定的风险，但是风险相对不大;②在近期调水的条件下，由于南水北调从汉江调走了百亿m3的水量，调水对汉江中下游的水资源供需风险的影响很大，风险度和易损性都明显增大;在远期调水的条件下，由于调水量增加，风险度和易损性进一步增大;③在特枯年份，由于上游来水量减少和需水量增加，相比于正常年份水资源系统的风险度增大，易损性增大;④在年内不同时段，3—6月份发生缺水的风险度较高，调水则使汉江中下游在不同时段的供水风险都增加了，特别是大幅度地增大了7月份的供水风险。

表1 汉江中下游风险指标计算结果Table 1 Calculation results of risk indicators in the middle and lower reaches of Hanjiang river

表2 汉江中下游年内不同时段风险指标计算结果Table 2 Calculation results of risk indicators of each month of the year in the middle and lower reaches of Hanjiang river

3 敏感性分析与风险分级

3.1 供水风险敏感性分析

敏感性分析是研究一个系统的状态对系统参数或周围条件变化敏感程度的方法，通过敏感性分析可以确定哪些参数或因素对系统有较大的影响，并采取针对性措施降低不确定因素的影响。在实际计算时，敏感性分析一般通过将影响参数或影响因素在其变化范围内取几个离散的数值，不同的数值称为水平值，在不同水平值条件下分别计算系统的风险指标，分析风险指标对不同影响因素变化的敏感程度。前面的风险源识别表明，汉江中下游干流区水资源系统的风险源包括了7个方面的因素。对汉江中下游干流区而言，需水(包括河道内需水与河道外需水)则主要受到人为因素的影响，其中农业需水还要受到降水量等自然因素的影响，具有一定的不确定性;在干流河道内需水和当地供水能力一定的情况下，可供水量的最主要影响因素是来水的不确定，包括丹江口水库的下泄水量和中下游的区间来水，而丹江口水库的下泄水量又受到入库水量和外调水量的影响。因此影响汉江中下游供水风险的主要因素可分为3个方面:汉江中下游需水量、来水量(包括丹江口水库入库水量和中下游区间来水量)和外调水量［13］。

(1)汉江中下游需水量，包括河道外需水和河道内需水，两者统一考虑，以丹江口水库补偿下泄过程表示，并上下浮动10%。考虑到在实践中预测值往往比实际值偏大，在下浮10% 的基础上再增加一个水平值为下浮20%。因此将需水量取4个水平值，即上浮10%、正常预测值、下浮10%和下浮20%。

(2)来水量，即丹江口水库入库水量和中下游区间来水量，取3个水平值，即正常值、上浮动10%和下浮动10%，Cv和 Cs/Cv值不变，Cv为变差系数，Cs为偏态系数。

(3)调水量，同样取4个水平值，即上浮10%，正常预测值、下浮10%和下浮20%。

通过各影响因素不同水平值组合方案的各风险指标计算结果，采用极差分析表明［12-13］:汉江中下游干流区水资源系统对上述3个敏感因素的敏感性最大的是汉江中下游需水量，其次是上游来水，最后才是外调水量。

3.2 风险分级

风险分级的基本思想是基于风险的数学关系:风险程度=危险概率×危险严重程度。如果能够定量计算出风险程度，则可遵循风险程度水平来进行风险分级。目前广泛采用具有代表性的一种方法是美国军用标准(MIL-STD-882)中提供的定性分级方法。该分级方法分别规定了危险严重性等级以及危险概率的定性等级，通过不同的等级组合进行风险水平分级。危险严重程度等级和危险概率等级的组合用半定量打分法的思想构成风险评价指数矩阵(表3)。用矩阵中指数的大小作为风险分级准则:指数为1—5的为一级风险，6—9的为二级风险，10—17的是三级风险，18—20的是四级风险。

表3 风险定性分级(MIL－STD－882)Table 3 Risk severity levels and probability levels(MIL－STD－882)

参考MIL-STD-882，可以建立水资源系统的缺水风险等级，以风险度定义危险概率等级，易损性定义危险严重性等级。根据风险度定义将水资源系统发生缺水的概率等级定为五级:“很小”(风险度＜0.2)、“较小”(0.2≤风险度 ＜0.4)、“中等”(0.4≤风险度 ＜0.6)、“较大”(0.6≤风险度 ＜0.8)、“很大”(风险度≥0.8)。根据易损性(平均缺水率)定义缺水的严重程度等级也定为五级:“不缺水”、“轻微缺水”(缺水率 ＜5%)、“中度缺水”(5%≤缺水率 ＜10%)、“严重缺水”(10%≤缺水率＜20%)和“特别严重缺水”(缺水率≥20%)。最终建立如表4的风险分级。

表4 水资源风险分级Table 4 Water shortage risk classification

根据上述风险分级和前面风险指标计算［12］，多年平均的调算结果表明:调水对汉江中下游供水的风险度影响较大，风险度由不调水的“很小”增大到远期调水的“较小”，但是易损性的变化相对不大，处于“轻微缺水”的状态，因此其风险评价等级都为三级;但是，在特枯年份的计算结果表明，其风险度为“中等”，易损性为“中度缺水”的状态，因此其风险评价等级都为二级。这说明调水对特枯年份汉江中下游供水风险的影响较大。

4 降低风险的对策措施

根据前面汉江中下游供水风险识别，对于南水北调中线工程，降低其水源影响区水资源供需风险的对策措施主要包括:①北方受水区加强用水管理，减少调水量;②丹江口水库优化调度，严格电调服从水调，在保证防洪安全的基础上，水库多蓄水，以便于在枯水季节向下游多泄水;研究丹江口水库风险调度，实现洪水资源化，用于增加枯水年份枯水季节的可供水量;③加强汉江中下游干流区内部水利工程的管理和调度，增加本地工程的供水能力;④控制排污，减少汉江中下游发生“水华”等水质事件的概率;⑤加强汉江中下游干流区用水管理，在枯水季节减少用水量;⑥加强汉江上游用水管理和水利工程的管理，增加枯水季节丹江口水库的入库流量;⑦加强监测预报，包括汉江上游和中下游区间来水的水文监测和汉江中下游干流水质监测，并加强来水量预报，为丹江口水库风险调度和流域水资源统一调度提供支持;⑧编制在特枯年特殊枯水期的水资源应急预案。根据敏感性分析的结果，结合汉江中下游实际情况，可以得出各影响因素及其相应对策，见表5。

根据风险分级的结果，在正常情况下，汉江中下游的水资源风险被评价为三级，可以通过采取措施降低其发生的风险。其对策措施主要包括:①汉江中下游控制排污，减少汉江中下游发生“水华”等水质事件的概率;②汉江中下游干流区供用水日常管理，规范用水，减少各方矛盾;③丹江口水库调度和引江济汉工程的管理，发挥这些工程的补偿作用，从而降低汉江中下游发生缺水的风险。

表5 影响因素及对策措施Table 5 Influencing factors and corresponding countermeasures

在特枯年份，风险等级被评为二级，其破坏性较大，但是发生的概率相对较小。针对这类事件，可以编制特殊枯水期应急预案，通过应急措施降低缺水事件的影响。应急预案的对策措施除了在正常情况下的控制排污和加强调度管理等基础上，还应该包括临时性的应急响应措施:①进一步加强汉江中下游干流区用水管理，在枯水季节减少河道外用水量;②进一步加强汉江中下游干流区内部水利工程的管理和调度，增加本地工程的供水能力;③加强汉江上游用水管理和水利工程的管理，增加枯水季节丹江口水库的入库流量;④北方受水区加强用水管理，必要时减少调水量，从而增加丹江口水库的下泄流量;⑤制定丹江口水库应急调度预案和汉江流域水资源应急调度预案。根据上述各项措施的影响大小和难易程度，在编制应急预案时分级响应提出相应的响应措施。

5 结语

对于跨流域调水水源影响区，除了需水量和当地供水工程的可供水量这2个不确定性因素外，还增加了外调水量和水源蓄水工程运行调度等影响因素。由于多了外调水量这样一个重要的不确定性因素，跨流域调水水源影响区发生缺水的风险将可能增大，缺水程度加深。本文对汉江中下游干流区水资源系统进行风险分析，进行了风险识别，计算了不同条件下的各项风险指标;以风险度和易损性的不同等级组合建立风险分级标准，并对汉江中下游供水风险进行风险分级;根据不同时段的分级结果，结合敏感性分析结果针对各影响因素采取相应的对策措施，特别是在枯水年份编制水资源应急预案，可以降低跨流域调水对水源影响区供水风险的影响，减少缺水损失。

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