南水北调是优化我国水资源配置格局的重大战略工程——访中国工程院院士王浩

王 浩

中国工程院院士，水文水资源学家，教授级高级工程师，博士生导师。现任流域水循环模拟与调控国家重点实验室主任、中国水利水电科学研究院水资源所名誉所长，享受国务院特殊津贴。

南水北调工程通水五年来，在受水区供水安全、水生态保护、地下水超采治理、保障国家重大战略实施方面发挥了重大作用，有力支撑了受水区和水源区经济社会发展，促进了生态文明建设，经济、社会、生态效益显著。在南水北调工程通水五周年之际，本刊记者就如何优化我国水资源配置采访了中国工程院院士王浩。

中国水利：我国南北方水资源分布不均。随着经济社会发展，水资源需求量与日俱增，北方地区不得不过度利用地表水、超采地下水、挤占农业及生态用水，进一步加剧了水资源的短缺。请您结合南水北调中线工程受水区的水资源短缺问题，谈谈南水北调中线工程的意义。

王 浩：我国水资源时空分布不均，所以，1952年毛泽东主席提出“南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的。”这是基于中华民族可持续发展提出的高瞻远瞩的战略构想。我国北方尤其黄淮海地区，人口高度集中、平原土地丰富、矿产资源富集、光热资源充足，而水资源严重短缺，已经成为经济社会发展的重要制约因素。在人口和经济布局难以大规模改变的情况下，通过跨流域调水，转移部分丰水地区水资源满足缺水地区发展需求，是解决我国水土资源矛盾的重要措施。

南水北调中线受水区是我国水资源最为匮乏的地区。就以京津冀地区来说，区域国土面积21.7万km2，占全国2.2%；总人口1.1亿，占全国8.0%；地区生产总值5.7万亿元，占全国11.0%；有效灌溉面积0.77亿亩（1亩=1/15 hm2，下同），占全国8.2%；但多年平均年降水量只有528 mm（1956—2012年），仅占全国均值的81.7%；多年平均水资源总量为242亿m3，不足全国总量的1%；人均水资源量224 m3，只有全国均值的10.8%。

在水资源严重短缺的背景下，南水北调受水区虽然持续推进节约用水工作，但仍然不得不依靠过度开发利用地表水、大量超采地下水、不合理占用农业和生态用水维持经济社会发展。黄河、淮河和海河三大流域的水资源开发利用率都远远超过国际社会公认的40%的合理限度，水资源承载能力与经济社会发展、生态建设和环境保护之间的矛盾日趋尖锐，出现大面积地下水漏斗区、河道长期断流、湖泊湿地萎缩、地表地下水质恶化、海水入侵等一系列问题，京津冀平原区地下水超采面积占平原区总面积的90%以上，形成了33个地下水水位降落漏斗区，其中漏斗面积超过1000 km2的有7个。地面沉降量大于2000 mm的面积达到98.5 km2，形成了沧州等14个地面沉降中心，最大地面沉降量甚至达到2.5 m。

所以，南水北调中线和东线工程的规划实施，是解决我国水资源与社会经济布局不匹配的战略措施，是缓解我国北方水资源严重短缺的重大基础设施，是重要的民生工程、生态工程和战略工程，对支撑我国经济社会均衡发展、提高发展质量具有十分重大的历史和现实意义。

中国水利：请您结合南水北调中线工程，谈谈利用跨流域调水进行水资源优化配置的要点。

王 浩：南水北调中线工程从陶岔渠首闸至北京团城湖，输水总干线全长1432 km，贯穿河南、河北、北京、天津4个省（直辖市），沟通长江、淮河、黄河及海河四大流域。水资源优化配置是一个复杂的系统工程，总体而言，“三先三后”是实施调水工程的基本原则，也适用于调水工程的配置和调度，具体就是要抓住三个“统筹”，实现水资源综合效益的最大化利用。

一是统筹供需两侧关系。跨流域调水是水资源配置中最后考虑采用的手段，因此必须在节水、挖掘本地水资源潜力、开发非常规水源等措施最大限度完成的基础上才能考虑，而且需要充分评估受水区水资源需求的重要性，同时考虑调出区水源的可利用条件，避免可能带来的生态和环境问题。因此，调水工程水资源配置一定要统筹供给侧的开源能力和需求侧节水潜力，保障生态要求、符合经济规律、满足发展需求。

二是统筹调入调出关系。调水本质是一种效益搬家，所以一定要考虑调出区的自身需求和可调出水量，综合调入区需求，协调提出合理的调水量。在工程规划阶段，需要考虑调水区和受水区的生活、生产和生态用水，综合考虑市场经济要求和水价形成机制，进行多方案科学选比，确定合理的工程调水规模，制定相应的水资源优化配置方案。在工程运行阶段，需要结合预报，统筹调出区需求和调出区的可调出水量，制定合理的调度计划，确保受水区需求满足的条件下完成调水和受水区水量配置。对于南水北调中线，就是要在考虑汉江可调水量和北方需求基础上制定水量调配计划和方案。

三是统筹经济生态关系。南水北调中线工程既是解决北方缺水的供水工程，也是缓解受水区生态环境恶化问题的生态工程，需要全面调整地表水、地下水、外调水、再生水等水源与生活、生产、生态等用水行业之间的水量配置关系和布局，最大程度地发挥南水北调工程在地下水超采治理方面的作用，减少地下水开采量。水资源配置必须协调生态和经济的利益关系，协同实现经济效益、社会效益和生态效益，以水资源的可持续利用保障经济社会的可持续发展。

中国水利：请您谈谈南水北调中线工程在改善供水格局、修复生态环境、支撑经济社会发展等方面发挥的综合效益。

王 浩：自2014年12月12日南水北调中线工程全面通水以来，南水北调中线工程供水量连年上升，效益逐步发挥。2015年中线工程完成供水18.66亿m3，2016年完成供水 37.19亿 m3，2017年完成供水 45.15亿 m3，2018年完成供水69.16亿m3，改变了黄淮海平原受水区供水格局，极大地缓解了水资源供需矛盾。中线工程已经成为沿线20余座大中型城市的主力水源，保障了沿线城市生产生活用水，直接受益人口超过5859万，产生巨大的经济社会效益。北京城区供水中“南水”占比超过七成，受益人口达1100万人，全市人均水资源量由原来的100m3提升至160 m3以上，供水范围基本覆盖城六区及大兴、门头沟、通州等地区；天津全市14个行政区的市民用上了南水，一横一纵、引滦引江双水源保障的新供水格局形成；河北省500多万人告别了高氟水、苦咸水；郑州市中心城区自来水八成以上为南水，减轻了地下水开采压力。

南水北调中线工程还显著改善了受水区生态环境。南水北调中线工程向河南、河北、天津、北京等省（直辖市）30条河流生态补水，沿线河流水量明显增加、水质明显改善，白洋淀上游干涸36年的瀑河水库重现水波荡漾，滏阳河等天然河道得以恢复，受水河湖周围地下水水位得到不同程度回升，提升了受水区人民群众的幸福感和获得感。

南水北调中线工程不仅成为京津冀地区重要的水源，对养蓄地下水也有重要作用，最为显著的标志是北京市地下水水位的回升。南水北调中线通水后，通过实施地下水压采和回补等综合措施，北京利用南水北调来水等水源相继实施了潮白河、永定河等河道生态补水工作，有效促进重点水源地、永定河平原段等地下水严重超采区的地下水资源涵养修复，平原区地下水水位从2016年起实现止跌回升，生态补水区域周边地下水水位回升更为显著。当然北京市局部地下水漏斗区仍然存在，还需要继续实施地下水超采综合治理，进一步修复涵养。

中国水利：您的团队一直在开展水与能源纽带研究，认为南水北调中线工程还是“减碳工程”，请您介绍一下研究的内容和成果。

王 浩：地下水是南水北调受水区重要水源，南水北调中线工程通水前，区域平均年地下水开采量达237亿m3，占区域总供水量的69%。长期透支地下水不仅导致许多地区出现河道断流、湖泊萎缩、含水层枯竭、地面沉降等一系列问题，还导致地下水水位不断下降，进而引发地下水取用能耗的大量增加。南水北调中线工程自流供水不仅可缓解华北地区水资源供给危机，还将为受水区地下水修复创造有利条件，进而减少地下水开采的耗能量。我们团队提出了水循环全过程能耗模拟方法，开展了关于华北平原地下水开采与耗能的大量试验。利用大量地下水监测站的地下水水位和地下水取用量数据，试验和模拟研究发现：

一是华北地区农业灌溉能耗显著增加。1980—2014年河北省有效灌溉面积从4800万亩增长到6750万亩，由于亩均粮食产量和灌溉节水水平的大幅度提升，农业灌溉水量反而从最高峰的180亿m3降低到136亿m3，生产1 kg粮食灌溉水量从1980年的1 m3降低到2014年0.4 m3。但由于地下水水位下降，取水能耗不降反升，从1980年的20亿kWh增加到2014年160亿kWh，生产1 kg粮食耗能从0.12 kWh增长到0.45 kWh。

二是现状南水北调受水区地下水取用能耗巨大。对南水北调中线通水之前10年（2004—2013年）地下水取水耗能的分析表明，由于地下水水位的持续下降，地下水取用能耗逐年增加，年平均地下水抽水耗能从2004年的53亿kWh增加到63亿kWh，其中北京为5.4亿kWh，天津为2亿kWh，河北为36.7亿kWh，河南省为19.4亿kWh。

三是南水北调中线工程减碳规模巨大。根据南水北调中线工程受水区地下水压采规划，2030年将置换受水区绝大部分浅层和深层地下水超采量，基本实现受水区采补平衡，地下水开采量相当于现状的27%。模拟研究表明，由此将减少能源消耗23.2亿kWh，相当于减少60.7万t的二氧化碳排放。可以看出，南水北调中线工程不仅可以显著改善北方地区水生态环境，还是一项成效极其显著的碳减排工程，为改善华北地区大气污染作出贡献。

中国水利：南水北调中线工程正式通水五年以来，在运行调度方面存在哪些难题和挑战？您的团队在南水北调中线工程运行调度方面做了哪些科研探索，取得了怎样的效果？

王 浩：从全球范围来看，中线工程运行调度的难度在世界明渠调水工程领域都是最大的。主要体现在如下方面：

一是控制要求高。中线工程采用闸前常水位运行方式，各节制闸闸前水位要维持在目标水位上下一定范围内，并且，各控制断面的水位变幅每小时不能超过15 cm，连续24小时变幅不超过30 cm，控制要求严苛。

二是调节容积小。不同于东线工程依靠天然河道、湖泊进行水量调节，中线工程沿线没有任何调蓄设施，完全依靠渠道的可调蓄空间进行水量调节。工程设计蓄水量约为2.5亿m3，但在输水期实际用于水量调节的空间是很小的。而渠道水位对蓄水量的变化非常敏感，水力控制难度很大。

三是联调难度大。中线工程沿线共布置了各类建筑物近2400座，其中具有调节能力的包括64座节制闸、97座分水口、54座退水闸、61座控制闸。工程串联渠池的个数达到了63个，渠池间相互影响大。任何一个渠池或建筑物的变化都会对相邻渠池的运行状态产生影响。

四是运行工况多。在短期调度层面，调水的主要驱动因素是分水口门的需水。受沿线城镇用水负荷变化影响，相应分水口门的需水流量也会随时间发生变化。任意一个分水口门的需水变化都需要相邻一座或多座调控建筑物的配合。中线全线有97座分水口，复杂的需水工况组合导致工程运行工况多变。

五是调度目标多。中线工程采用开敞式明渠输水，与沿线道路、桥梁等采用立体交叉形式，存在突发水污染风险，当污染发生后需要启动应急调度。工程南北纵穿8个纬度，在冬季运行时，黄河以北渠道存在冰期输水问题。在春季或秋季，还需要应对藻类生长问题；部分时段还需要进行生态补水调度。因此，工程在一个调水年度会存在多个调度目标的切换。

为了应对这些挑战，我们团队一直在探索如何实现中线工程的智慧调度，并取得了一定应用成效。依托中线工程，我们主要开展了这几个方面的探索：

一是建立透彻感知体系。中线建立了覆盖全线的水情、工情监测体系，受设备故障、天气条件、人为因素等的影响，采集数据存在缺陷。为此我们通过数据清洗、融合、同化等技术，降低监测数据的错误率，保障了监测数据的完整性和一致性，提高了感知信息的准确性。

二是研发智能调度模型。现阶段工程的运行调度主要依靠人工经验，决策效率和控制精度难以保障。我们通过技术攻关，研发了中线短期优化调度模型，能够在10分钟之内生成未来一周的调度方案。同时受阿尔法围棋的启发，将新一代人工智能技术引入调水工程中，能够自动生成最佳的实时调控指令。

三是开发数字化管控平台。中线运行初期的调度模式是“人工决策—电话传输—纸质记录”，调度人员工作强度大、效率低，管理水平落后。我们结合调水业务的全部流程，开发了南水北调中线日常调度管理平台，实现了工程的无纸化办公和自动化调度，降低工作人员劳动强度70%以上，有效保障了沿线270座闸站的安全有序运行。

中国水利：长远来看，您认为南水北调中线工程会为我国水资源配置格局带来怎样的深远影响？您对南水北调中线工程有怎样的期待？

王 浩：南水北调中线工程功在当代、利在千秋，是实现我国南北方水资源优化配置、促进经济社会可持续发展、保障和改善民生的重大战略性基础设施，对于缓解京津冀地区供水危机、维持社会稳定、支撑经济发展、改善生态环境等都具有显著的效益。

未来要坚持新发展理念，充分利用高新技术加强智慧管理。比如，现在中线管理人员有3000人左右，未来可以将工程沿线布设的大量高清摄像头集成起来，配合当前先进的图像识别、情景识别等大数据智能分析算法，对渠池坠物、坠车、坠人、水质恶化、漂浮物、违法侵占、违规操作、堤防坍塌等进行针对性自主识别和预警，自动形成报告或信息推送给相关管理人员。同时，作为地面高清摄像头的重要补充，可进一步引入“5G+无人机”“5G+无人船”等平台，将无人机、无人船视频信号实时接入智能分析平台，利用无人机机动性能强、拍摄范围大，以及无人船可实现水面和水下拍摄的优势，实现空地水一体化无死角的智慧巡检，实现全线巡查的无人值守或少人值守，提高管理效率。

南水北调中线工程是国家水资源配置的战略性工程，原规划目标是以城市生活和工业供水为主，兼顾农业和生态用水。在国家生态文明建设和京津冀一体化协同发展的背景下，在南水北调中线工程短期内达不到规划供水目标的现实下，基于控制地下水超采，遏制因缺水引起的生态环境恶化的问题，需要多兼顾农业和生态需求，将南方汛期的多余洪水调到北方来做生态补水，更大程度更快地压减地下水超采。

同时，还要充分考虑气候变化和人类活动因素，将南水北调工程与生态文明建设相结合，着眼长远、立足实际，充分发挥工程综合效益，使黄淮海流域水资源的承载能力与经济社会可持续发展相适应，更好地造福子孙后代。