黄河水量统一调度回顾与展望

乔西现

（黄河水利委员会水资源管理与调度局，河南郑州450003）

1 黄河断流问题及危害

黄河水资源贫乏且年内分布不均,非汛期径流量小而农灌需水量大,尤其随着流域及相关地区经济社会发展用水量大幅度增加,20世纪90年代河道外年均耗水量接近300亿m3,供需矛盾日益突出,导致黄河断流在1972年首次出现之后愈演愈烈,90年代几乎年年断流。1972—1999年的28 a中,有22 a出现断流,平均“四年三断流”,最严重的1997年下游利津站断流时间长达226 d,断流河段长度约占黄河下游河道长度的90%［1］。黄河重要支流断流也有加剧趋势,在天然径流量大于10亿m3/a的7条支流中,汾河、渭河、伊洛河、沁河、大汶河等5条支流均出现过断流。黄河下游频繁断流不仅造成局部地区生活、生产供水危机,还造成了生态系统严重破坏以及巨大经济损失：20世纪70年代,断流使黄河下游有关地区工业年均损失1.8亿元、粮食减产9亿kg；90年代,断流造成工业年均损失31.5亿元、粮食减产20亿kg；1997年,断流导致下游沿黄地区130万人发生饮水困难；断流致使河口湿地萎缩、海水入侵及近海生态恶化［2］,入海水量由1970年的353.6亿m3锐减至2000年的48.6亿m3,下游河流湿地及洪漫湿地分别减少46%、34%,渤海浅海海域失去重要的饵料来源,生物链发生断裂,干流鱼类资源由125种减少到47种,流域水生态失衡加剧；断流使黄河河道输沙用水锐减,主河槽淤积严重,增大了下游悬河洪水威胁。

为解决黄河连年断流问题、应对黄河水资源供需矛盾尖锐的态势、维持河流健康生命,20世纪90年代末,国务院授权黄河水利委员会统一调度黄河水量。

2 黄河水量统一调度的依据、目标及原则

2.1 统一调度的依据

2.1.1 可供水量分配依据

1987年国务院批复的《黄河可供水量分配方案》（简称“八七”分水方案,见表1),是每年度制定黄河水量调度计划时确定年度可供耗水量指标及各省（区、市)引黄耗水指标的依据。黄河供水范围包括流域内的青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东及流域外的河北、天津等11个省（区、市)。

“八七”分水方案明确黄河流域多年（1919—1975年)平均天然径流量为580亿m3,可供黄河流域及供水区耗用的水量为370亿m3,输沙及生态入海水量为210亿m3（这一部分水量主要是汛期洪水,大部分无法利用)。

表1 黄河可供水量分配方案亿m3

2.1.2 有关法律法规及制度依据

1998年原国家计委、水利部联合颁布实施的《黄河水量调度管理办法》（简称《办法》),2006年8月1日开始施行的《黄河水量调度条例》,水利部于2007年11月20日颁布实施的《黄河水量调度条例实施细则（试行)》,2008年6月黄河防总颁布实施的《黄河流域抗旱预案（试行)》,2014年12月国家防总颁布实施的《黄河干流抗旱应急调度预案》等,规定了黄河水量调度原则、调度方式、调度方案编制的程序、调度执行的精度要求、应急抗旱启动的条件及程序、应急抗旱响应措施等。

2.2 统一调度的目标

在实施黄河水量统一调度初期,调度目标主要是通过统一调度和严格管理,遏制频繁断流的趋势,确保黄河不断流。

2006年8月1日起施行《黄河水量调度条例》后,调度目标为首先满足城乡居民的生活用水需要,合理安排农业、工业、生态环境用水,防止黄河断流。党的十八大以来,黄河水量调度更加注重生态调度、保障生态用水、建设生态文明。

2.3 统一调度的原则

黄河水量调度遵守“国家统一分配水量,省（区)负责配水用水,用水总量和断面流量双控制,重要取水口和骨干水库统一调度”的原则。

（1)统一分配、统一调度。由于流域水量调度涉及流域内各省（区)各级行政区及各行业、各部门,河流上中下游和左右岸用水要求各异,需要以流域为单元统一分配水量、统一调度才能实现水资源在全流域的优化配置和公平公正用水。

（2)总量控制。总量控制是指对于流域内各行政区域用水总量按照水量调度方案进行某一时间段内的用水总量控制,包括年、月、旬的总量控制。省（区)、市（地)、县（旗)三级地方人民政府计划主管部门会同同级水行政主管部门,根据用水定额、经济技术条件以及水量分配方案确定的可供本行政区域使用的水量,制订年度用水计划,对区域内的年度用水实行总量控制。

（3)断面流量控制。断面流量控制是对重要控制断面和省界断面一定时段内的流量进行控制,以达到水量调度方案和实时水量调度指令的要求。

（4)分级管理、分级负责。国务院水行政主管部门和国务院发展改革主管部门负责组织、协调、监督、指导黄河水量调度工作；黄委负责黄河水量调度的组织实施和监督检查工作；有关县级以上地方人民政府水行政主管部门和黄河水利委员会所属管理机构,负责所辖范围内黄河水量调度的实施和监督检查工作；水库管理部门按照电调服从水调的原则,根据调度指令安排发电计划。

3 黄河水量统一调度的实施

3.1 调度范围逐渐全覆盖

1999年3月,黄河水利委员会正式启动黄河水量统一调度。《黄河水量调度条例》实施之前,调度时段为当年11月至次年6月（即用水和防凌、电力调度矛盾十分突出的非汛期),调度河段局限在黄河干流,其中前3 a调度河段为上游刘家峡水库至头道拐和中下游三门峡至利津两个河段,从2002年起调度河段扩展到刘家峡水库以下全部干流。在《黄河水量调度条例》于2006年8月1日实施之后,调度时段由非汛期扩展到全年,调度河段延伸到龙羊峡水库以下全部干流河段,并启动了洮河、湟水、汾河、伊洛河、沁河、渭河、清水河、大汶河和大黑河等9条支流的水量调度工作,实现了黄河干支流水量统一调度。

3.2 调度工作精细严格

3.2.1 加强预测预报，保障调度方案科学精细

一是编制年度水量调度计划。每年的10月中下旬,根据长期径流预报、骨干水库蓄水情况以及各省（区)用水需求情况,进行年度水资源供需形势分析,综合考虑供水安全、生态安全、电网安全等多目标需求,科学编制年度水量调度计划并报水利部批准后实施,为做好全年度水量调度工作奠定基础。

二是滚动编制月、旬水量调度方案。在年度水量调度计划基础上,根据逐月最新径流预报和各省（区)前期实际用水情况及后期用水计划建议,滚动编制、下达逐月水量调度方案,3—6月用水高峰期编制、下达逐旬水量调度方案。

三是及时下达实时调度指令。用水高峰期,为实现骨干水库泄流过程与用水过程精准对接,最大限度地提高有限水资源的利用效率,根据实时雨情、水情及用水需求情况的变化,考虑水流传播时间,利用枯水调度模型每日滚动计算龙羊峡、刘家峡、小浪底等骨干水库的泄流指标,根据计算结果,及时下达实时调度指令,适时调整骨干水库泄流指标。

3.2.2 加强协商沟通，保障调度方案合理可行

为确保编制的水量调度方案科学合理、切实可行,建立了较为完善的沟通协商机制。每年10月底或11月初召开年度水量调度工作会议,协商确定年度水量调度计划,安排部署年度水量调度工作；每年4月中旬,在黄河上游河段进入用水高峰期之际,召开黄河上游河段水量调度协调会,讨论前期水量调度执行情况,协商用水高峰期4月下旬至6月分旬水量调度方案,在年度水量调度计划基础上,进一步优化骨干水库泄流过程和各省（区)配水过程。除此之外,根据水量调度工作需要随时沟通协商,及时解决出现的问题。

3.2.3 加强监督管理，保障调度方案严格执行

为保障调度方案严格执行,对水库出库流量和省际重要控制断面流量执行精度都提出具体要求：水库日平均出库流量误差不得超过控制指标的±5%；其他控制断面月、旬平均流量不得低于控制指标的95%,日平均流量不得低于控制指标的90%。通过黄河水量调度管理系统每日密切关注骨干水库泄流、省际及重要控制断面流量和各省（区)引水情况,一旦发现断面流量没有达标或超计划用水情况,及时通知有关单位立即采取措施；在用水高峰期或水情紧张时期,及时派出水量调度督查组到现场检查断面流量情况和重要取水口引水情况,形成了日常督查、全面督查和强化督查相结合的督查方式,保障水量调度方案的严格执行。

3.3 调度手段不断健全

3.3.1 行政手段

黄河水量调度计划、调度方案和调度指令的执行,实行地方人民政府行政首长负责制。每年度在水利部网站公告年度黄河水量调度责任人,加强社会监督,督促各省（区)加强对黄河水量调度工作的领导,保障调度计划、调度方案、调度指令严格执行。年度调度结束后,对年度黄河水量调度情况进行公告。

3.3.2 法律手段

2006年国务院颁布《黄河水量调度条例》,2007年水利部出台《黄河水量调度条例实施细则（试行)》。黄河水利委员会依据国家有关法规和规章,先后制定、修订了《黄河下游水量调度工作责任制（试行)》《黄河水量调度突发事件应急处置规定》《黄河重大水污染事件应急调查处理规定》《黄河流域抗旱预案（试行)》《黄河干流抗旱应急调度预案》等10余个办法和规定。目前,黄河水量调度管理的法律手段已基本完备,黄河水量调度已步入法制化轨道。

3.3.3 工程手段

通过优化调度黄河干流龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底和支流陆浑、故县、东平湖等骨干水库,蓄丰补枯,调节水资源时空分布,大大提高了水资源利用率,尤其提高了枯水年和连续枯水年的供水能力。

3.3.4 科技手段

通过“黄河水量调度管理系统和国家水资源监控能力”项目建设,实现实时获取水情、雨情、引退水等在线监测信息,初步满足了水量调度重要信息快速采集、传输的时效性要求,能够快速进行不同时间尺度调度方案的滚动编制,结合枯水调度模型,模拟水流演进过程,进行小流量预警预报,科学制定实时调度指令,显著提高了水量调度的决策支持能力。

已建成的黄河引退水远程监控系统可以对远在千里之外的重点涵闸进行紧急启闭控制,提高了化解断流风险的能力。

3.3.5 经济手段

一是通过理顺水价体系,促进节约用水。国家发改委2005年、2013年两次调整黄河下游非农业用水渠首工程水价,宁蒙引黄灌区出台了新的引黄水价政策,黄河下游普遍推行了两水分供分计、“订单供水、退单收费”制度。

二是在宁蒙两区推行水权转换工作。为积极探索利用市场手段优化配置黄河水资源的途径,2003年开始在宁蒙两区开展了水权转换试点工作,颁布实施了《黄河水权转换实施管理办法》,在明晰初始水权的前提下,由新建工业项目的业主单位出资进行灌区节水改造工程建设,将渠道输水过程中渗漏损失的水量节约下来,有偿转换给新建工业项目,提高水资源的利用效率和效益。

4 黄河枯水调度模型

4.1 基本原理

枯水调度是在黄河枯水期为优化配置水资源、精细调度骨干水库、防止黄河断流而开展的水量调度。枯水期水量调度模型基于水量平衡原理,考虑各河段水流传播时间、水量损失、区间加水和引水等因素,进行逐河段正向演算和反向演算,准确计算刘家峡、小浪底等骨干水库泄流指标。在枯水期水资源比较紧缺时,水库按模型演算的指标下泄,既不会造成水资源浪费,也不会造成河道断流。

4.2 流量演进计算方程

天然河道的水流运动一般属于非恒定流,根据质量及能量守恒原理可得到非恒定流的连续方程及动量方程（即圣维南方程组)［3］：

式中：A为河道断面面积；v为水流流速；x为河道长度；t为时间；i为水力坡降；h为水深；g为重力加速度；C为谢才系数；R为水力半径；加速水头；为流速水头。

利用水文学方法对圣维南方程组进行简化和概化,把连续方程简化为水量平衡方程,把动量方程简化为槽蓄方程［4］：

式中：Q 为流量；Q上,1、Q上,2分别为上断面时段始、末入流量,m3/s；Q下,1、Q下,2分别为下断面时段始、末出流量,m3/s；Δt为计算时段,d；S 为槽蓄水量； S1、S2分别为河段始、末槽蓄水量,m3。

按照精细调度需要,黄河枯水调度分为月、旬和日调度。根据黄河下游河段大量实测资料拟合率定参数,考虑区间来水、区间引水、蒸发渗漏损失和水流传播时间影响的月、旬水量平衡方程为

式中：s为断面序号；t为时序（月序号或旬序号)；Qst为s断面t时段断面平均流量；α为流量传播系数；为t时段s断面至s+1断面的区间支流加水流量；t为t时段s断面至s+1断面的区间用水流量；为t时段s断面至s+1断面的区间蒸发渗漏损失（用流量表示)；Δt为调度时段长（月或旬的天数)；τ为河段流量传播历时。

上述方程是考虑水量传播因素由上断面流量演算下断面流量的公式,即正向演算。当进行反向控制计算时,可以采用以下公式：

日调度枯水流量演进模型水量平衡方程如下：

5 黄河下游生态流量调度指标的确定

5.1 调度思路

黄河生态流量调度选择黄河下游作为试点河段,通过水文水资源及河流生态、环境等基础情况的调查评估,明确试点河段河流功能定位和生态目标,研究河段生态需水特征与要求,综合拟定试点河段生态流量指标体系。

5.2 生态流量控制断面的确定

试点河段生态流量断面分为重要断面和一般断面：重要断面考虑水利工程控制、取水控制和支流汇入影响等情况,满足黄河下游河流生态系统功能和涉水敏感对象生态流量的控制和考核要求,确定花园口、高村、利津为重要控制断面；一般断面满足河段取用水和生态用水的耦合计算及河段敏感保护对象的水量管理控制要求,确定西霞院、夹河滩和泺口等为一般断面。

5.3 河段控制断面生态流量指标的确定

综合考虑黄河水资源承载条件和生态保护要求,考虑黄河汛期防洪调度、非汛期下游灌溉供水调度、冬三月凌汛调度等调度情况,提出黄河下游河段生态流量指标体系：花园口、利津断面4—6月生态敏感时段最小生态流量分别为200、30～50 m3/s,非汛期其他时段生态基流分别为150、30 m3/s；4—6月鱼类产卵期,西霞院、花园口、夹河滩、高村、泺口断面形成15 d左右300～1 000 m3/s的流量过程,利津断面形成15 d左右75～1 000 m3/s的流量过程；在水资源条件许可的情况下,4—10月下游河道形成 7 d以上 2 600～4 000 m3/s的流量过程,一方面维持下游生态廊道形态结构与生态功能,另一方面为黄河下游湿地功能保护补给水量。

6 黄河水量统一调度取得的成效

6.1 实现了黄河连续20 a不断流

实施黄河水量统一调度后,通过科学配置、精细调度、严格管理,扭转了20世纪90年代黄河几乎年年断流的局面,实现了自1999年8月12日以来黄河连续20 a不断流。

2000—2018年,黄河花园口多年平均天然径流量为461亿m3,较多年同期偏少13%,其中2000—2002年连续3 a来水均偏枯30%以上,虽然比断流最严重的1997年来水还少,但均实现了不断流。2003年1—7月来水只有多年同期均值的一半,为有实测资料以来同期最小值,龙羊峡、刘家峡水库水位都逼近死水位,头道拐6月最小流量降至15 m3/s,逼近断流,通过“精准预测、精细调度、严格监督、精心协调”［4］,加强对重要取水口现场监督,紧急压减引水,终于控制住头道拐流量不再下降,保障了黄河干流不断流。

在世界上其他国家大江大河断流问题仍未得到有效解决的情况下,黄河的断流问题得到解决,体现了中国政府治理大江大河的能力和执政管理水平。

6.2 保障了流域供水安全、粮食安全和能源安全

黄河流域及供水区的内蒙古、河南、山东、河北等省（区)为我国粮食主产区,宁夏、内蒙古、山西、陕西等省（区)为我国能源基地。黄河水量统一调度以来（1999—2018年),黄河流域累计供水6 000亿m3以上,为流域及供水区人饮安全、粮食丰收、能源安全提供了水源保障。其间,实施了16次引黄入冀补淀应急调水,累计向河北供水58.72亿m3；20次向山东胶东跨流域调水,累计调水35.54亿m3。

6.3 流域生态环境持续改善

（1)黄河下游生态环境得到持续改善。黄河水量统一调度以来（1999—2018年),利津年均入海水量157.33亿m3,比统一调度前（1990—1998年,下同)年均值增加8.54亿m3；生态用水关键期3—6月利津入海水量平均为39.98亿m3,比统一调度前同期每年增加17.07亿m3,增幅达74%；2008—2018年,实施基于汛前调水调沙的黄河下游生态调度以及生态流量调度,累计向黄河三角洲自然保护区湿地补水3.49亿m3；2016年以来,实施黄河下游生态流量调度,各断面流量均达到了规定的生态流量指标,尤其2018年,利用黄河水情较好的有利时机,7月4—26日塑造了维持下游生态廊道功能和向湿地补水的2 600～4 000 m3/s流量过程。

入海水量的增加、河口湿地淡水补给以及塑造维持下游河道生态廊道功能的大流量过程,有效促进了下游生态系统的改善。地下水补充量呈逐年增加趋势,下游湿地面积进一步增加,生态廊道功能得以维持,鱼类种类及多样性增加,久违的洄游鱼类重新出现,黄河三角洲自然保护区鸟类增加到368种,其中国家一级保护鸟类12种,河口三角洲再现草丰水美、鸟鸣鱼跃的动人景象。

（2)助力乌梁素海生态综合治理。为贯彻习近平总书记指示精神,2018年黄委联合内蒙古自治区政府实施引黄河水向乌梁素海生态应急补水,助力乌梁素海生态治理,全年补水5.94亿m3,使乌梁素海水域面积扩大、水质明显好转,鱼类从前些年几乎绝迹恢复到目前的20余种,鸟类达到264种、数量恢复至600余万只,疣鼻天鹅从2000年的200余只发展到现在的近千只。

7 展 望

尽管黄河水量调度取得了显著成效,但是黄河流域水资源短缺、供需矛盾突出以及生态环境脆弱的状况没有改变,黄河缺水形势依然十分严峻,断流压力长期存在［5］。随着我国经济社会的发展、“一带一路”倡议的推进,水资源刚性需求将进一步增加,保障供水安全、生态安全的挑战更加严峻。因此,针对黄河水量调度工作,要进一步贯彻习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水方针,着重开展以下几方面工作。

（1)加快节水型社会建设。按照国家建立资源节约型、环境友好型社会的要求,督促各省（区)加强节水型社会建设,进一步促进节约用水,提高农田渠系灌溉用水系数,降低工业万元增加值用水量,明确用水效率红线,限制高耗水景观和高耗水工业项目,严格定额管理,提高水资源利用效率。

（2)大力推进水生态文明建设。合理确定黄河流域重点河流生态流量指标,加强生态流量调度,在水资源条件许可时积极实施河道外湖泊、湿地生态补水和地下水压采,修复脆弱的生态环境。

（3)完善黄河水沙调控体系。尽快建设黄河上游大柳树、中游古贤和碛口等水库,完善黄河水沙调控体系,最大限度地提高水资源开发利用率。为从根本上有效解决黄河缺水问题,应加快实施南水北调西线工程建设,保障黄河奔流不息,更好地造福中华民族。