新战略与规划工程下的黄河流域未来水资源配置格局研究

刘柏君，彭少明，崔长勇

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 研究背景

黄河流域以我国2%的河川径流量承担着15%耕地面积和12%人口的需水，同时肩负外流域调水需求。鲍振鑫等[1]研究发现，1956-2016年间除黄河源区径流变化不明显外，黄河流域径流整体呈现显著的减少趋势，流域下游径流减少最为显著。吴晗等[2]分析发现，源区气温呈现上升趋势，降水变化不明显；同时，丛培月等[3]研究得出降水和气温是影响黄河径流一致性的主要因素；刘红珍等[4]、马柱国等[5]认为，黄河流域径流受到全球变暖和人类活动的直接影响。由此，气候变化与人类活动的影响使得黄河水资源供需形势越发紧张[6-9]，缺水成为黄河未来面临的巨大挑战之一[10-11]。近些年，学者们对黄河开展了多方面研究。如周鸿文等[12]通过建立黄河流域耗水系统评价模型，对影响流域耗水的因素进行了评价分析；Luo等[13]采用基于灰色信息环境的两阶段智能模型评估了黄河宁蒙河段冰灾害风险；韩艳利等[14]分析了黄河重要水功能区水质特征与变化趋势；汪银龙等[15]构建了黄河中游板涧河和毫清河流域等无资料地区SWAT模型，月径流模拟结果良好。可以看出，针对黄河的研究主要集中在径流模拟、水库调度、水沙关系、水资源承载力评价方面，而关于流域水资源配置格局的研究仍有缺失[16-19]。

随着黄河流域生态保护和高质量发展与流域城市群发展战略的陆续提出[20-21]以及南水北调西线工程、古贤和黑山峡水库工程的深入论证[22],使黄河流域水资源配置格局面临着全新的形势。解析面向黄河的新战略和水利工程规划，分析其给流域水资源带来的可能影响，从而基于黄河未来水资源供需形势，提出全新的水资源配置思路，探究黄河流域未来水资源配置格局，对流域水资源管理和水量精细化调度具有重要意义。

2 黄河流域概况及其水资源配置格局现状

2.1 黄河流域概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，位于东经95°53′～119°05′，北纬32°10′～41°50′之间，流经青、川、甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁等9省(区)，干流河道全长5 464 km，流域面积79.5×104km2(包括内流区4.2×104km2)。其中，河口镇(内蒙古托克托县)以上为黄河上游流域，面积42.8×104km2，干流河长3 472 km，是黄河径流的主要来源区；河口镇至桃花峪(河南郑州市)区域为黄河中游流域，面积34.4×104km2，干流河长1 206 km，是黄河洪水和泥沙的主要来源区；桃花峪以下区域为黄河下游流域，面积2.3×104km2，干流河长786 km。黄河流域概况与主要控制断面见图1。

图1 黄河流域概况与主要控制断面

2.2 水资源配置格局现状

黄河流域现有水资源配置格局的基本依据为国务院1987年颁布的《黄河可供水量分配方案》(“八七”分水方案)[23]，其采用1919-1975年系列年径流量580×108m3作为黄河天然径流量，分别以1980和2000年为现状年和水平年，按照优先保证人民生活用水和国家重点建设的工业用水、保证黄河下游冲沙入海水量、适度发展引黄灌溉、黄河航运与渔业用水水量相机发展、黄河水资源开发利用上-中-下游兼顾、工农业取用地下水规模保持现状等原则制定出的沿黄各省用水分配方案可见表1。“八七”分水方案分配河道外耗水量370×108m3，河道内水量210×108m3，分配比例为64 ∶36。在河道外耗水量370×108m3中，上中下游分别配置127.1×108、121.5×108、121.4×108m3，上、中、下游分配比例为34 ∶33 ∶33；干支流分别配置264.90×108、105.1×108m3，干支流分配比例为72 ∶28；流域内外分别配置260.6×108、109.4×108m3，流域内外分配比例为70 ∶30[23]。

表1 沿黄各省用水分配方案(“八七”分水方案)

当前，黄河流域初步形成了多源丰枯互补、大中小微并举的供水工程体系，为流域及下游引黄地区800×104hm2农林牧灌溉、50多座大中城市、420个县(旗)、黄河中上游能源基地、中原和胜利油田提供了水源保障。分析发现，黄河流域2001-2016年天然径流量为461×108m3，其中河道外地表水耗水量为299×108m3，入海水量为162×108m3，比例达65 ∶35。河道外上中下游耗水量分别为127×108、67×108、105×108m3，比例为43 ∶22 ∶35；流域内与流域外耗水量分别为202×108、97×108m3，比例为68 ∶32。由此可知，现状黄河流域水资源配置基本维持黄河“八七”分水方案的分配比例关系。

3 黄河流域新战略与规划工程研究

3.1 新战略解析

(1)2019年9月，中国针对黄河流域提出了“黄河流域生态保护和高质量发展”新战略，将水资源作为最大刚性约束是其最为核心的内容[20-21]，因此，最大刚性约束可做如下解释：流域经济社会需要以水资源量为刚性约束条件进行发展，即要防止和纠正过度开发水资源，倒逼发展规模、结构、布局的优化，换言之，在明确流域各地可用水量基础上，通过充分节水，厘清不同行业用水的控制性指标，即根据可用水资源量和用水定额，提出不同区域生活、工业、农业控制性用水量，以此为约束，最终实现水资源、社会、经济、生态、环境的多维均衡。与西部大开发、一带一路战略相比，黄河流域生态保护和高质量发展战略更具有约束性、均衡性、保护性，不再单纯地提倡快速发展，而是凸显了在水资源刚性约束下进行社会-经济-生态-环境的一体化可持续发展。(2)兰州-西宁、宁夏沿黄经济区、关中平原、呼和浩特-包头-鄂尔多斯-榆林、太原平原 、中原经济区等城市群发展战略[24-25]。面向黄河流域的城市群发展新战略解析如图2所示。

图2 黄河流域城市群发展新战略解析

综上可知，节约集约利用水量，加强生态环境保护，加强城市一体化发展，以水资源量优化国土资源规划，基于水资源可利用量确定城镇发展规模、农业灌溉面积、工业发展速度、能源发展规模等指标，提高区域水资源配置能力，深入研究外流域调水可行性等是影响黄河流域未来水资源配置格局的主要因素。通过战略的逐步实施，黄河流域可用水量会有所增加，流域生态环境能得到有效改善，流域人口与城镇分布会更为合理，不同产业发展规模、速率会得到优化。但由于黄河流域天然来水量不足，推动黄河干流控制性水库与南水北调西线工程建设对战略实施效果具有重要保障作用。

3.2 规划工程分析

黄河流域规划的主要工程有南水北调西线，古贤、黑山峡等大型调蓄水库(见图1)。南水北调西线是国家“四横三纵”水资源配置格局的重要组成部分，可将长江水资源调至黄河流域，工程拟从金沙江、雅砻江、大渡河3条河流调水，拟定多年平均年调水总量为80×108m3。

规划的古贤水利枢纽工程地处黄河大北干流碛口至禹门口河段，坝址位于壶口瀑布上游约10 km处，左岸为山西省吉县，右岸为陕西省宜川县，是一座以防洪减淤为主，兼顾发电、供水和灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。古贤水利枢纽工程总库容134.6×108m3，其中防洪库容12×108m3，调水调沙库容20×108m3，拦沙库容93.6×108m3，水库正常蓄水位627 m，死水位588 m。

黄河黑山峡河段地处甘肃、宁夏交界处，全长71 km，规划的黑山峡水库地处黑山峡出口向上2 km处，以反调节、防凌、防洪为主，兼顾供水、生态灌溉、发电等作用[26]。水库正常蓄水位1 380 m，总库容114.8×108m3，主要向宁夏中部和贺兰山东麓、陕西北部、内蒙古鄂尔多斯和阿拉善、甘肃民勤等区域供水，近期与远期分别规划生态灌区40×104hm2和125×104hm2，同时为黑山峡区域生活及能源工业供水[26]。

通过分析，1919-1975年系列黄河多年平均径流量580×108m3；1956-2000年和1956-2010年系列径流量相比1919-1975年系列分别减少45×108m3(减幅7.8%)和97.6×108m3(减幅16.8%)。未来由于气候变化和黄土高原水土保持等影响，黄河河川径流量可能继续减少，南水北调西线工程是为弥补黄河天然来水较少的缺陷、进一步增加流域可用水资源量而规划。

同时，黄河流域径流时空分布不均，汛期7-10月径流量占全年的57.9%，而用水主要集中在非汛期，占全年的65%。兰州以下径流量占全河的33.5%，用水占全河的93%，来水与用水在地区和时间上不相适应。当前，黄河干流仅有龙羊峡一座多年调节水库，龙羊峡水库以下2 877.5 km的上中游河段有刘家峡、小浪底两座不完全年调节水库，调节库容为86×108m3，丰水年和丰水期拦蓄水量能力有限。古贤、黑山峡等水库就是为了提升流域水资源时空调配能力，进一步加强流域水资源精细化调度。

4 未来黄河流域水资源配置格局研究

4.1 黄河流域社会经济变化特征分析

黄河流域1953年人口约4 100万人，至1980年增至8 177万人，人口平均年增长率为2.59%。1980年以后，人口增长速度有所减缓，至2016年人口平均年增长率为1.06%。2016年黄河流域总人口为11 957万人，占全国总人口的8.6%，全流域人口密度为150人/km2，高于全国平均值144人/km2；其中城镇人口为6 421万人，城镇化率为53.7%。流域人口从1980年的8 177万人增加到2016年的11 957万人，36年来增加了3 780万人。1980-2016年黄河流域人口变化特征见表2。

表2 1980-2016年黄河流域人口变化特征

注：表中人口年均增长率均以相邻上一计算年份为基准。

此外，2016年黄河流域GDP为41 275×108元，为1980年(“八七”分水方案基准年)的45倍，年均增幅11.2%，其中30年来工业增加值增加了50倍。黄河流域各省(区)GDP变化特征雷达图分析结果见图3。图3显示，2016年流域内甘肃、山西、青海等省区GDP较1980年略微减少，流域内河南、陕西、山东、宁夏、内蒙古等省区GDP较1980年略微增加。

另外，黄河流域农田有效灌溉面积从1980年的4.33×106hm2，增加到2016年的5.58×106hm2，增长率达28.9%。1980-2016年黄河流域农业、工业和生活用水结构分布见图4。图4表明，流域1980年农业用水、工业用水、生活用水比例分别为87.0%、7.9%、5.1%，其2016年相应用水比例分别为71.7%、16.8%、11.5%。

图3 2016与1980年相比黄河流域各省(区)GDP变化特征

4.2 未来水资源供需分析

基于已有研究成果[27-28]，预计农田灌溉水利用系数提高到0.61，工业用水重复利用率达到95.6%，公共供水管网漏损率控制在9%，由此计算黄河流域毛节水(用水节水)潜力为32.9×108m3，其中农业为28.5×108m3，工业和城镇生活为4.4×108m3；按耗水量核算，黄河流域净节水潜力为24.5×108m3，其中农业为21.5×108m3，工业和生活为3.0×108m3。同时，预计2016-2035年黄河流域GDP将以4.8%的年均增长率稳步发展；2035年总人口达13 249万人，城镇化率达到70.9%，规划发展农田灌溉面积0.49×106hm2，农田灌溉面积达到约6.07×106hm2。考虑到2016年黄河流域河道外总需水量为492.87×108m3，采取强化节水措施，预测黄河流域2035年河道外总需水量为548.22×108m3(见表3)，年增长率为0.56%。

图4 1980-2016年黄河流域农业、工业和生活用水结构分布

表3 黄河流域2016年河道外需水量及其2035年预测结果

在充分考虑黄河流域节水潜力的前提下，预测2035年黄河流域内多年平均需水量为548.22×108m3，流域内国民经济缺水量为133.09×108m3，缺水主要集中在龙羊峡至兰州区间、兰州至河口镇区间、龙门至三门峡区间、花园口以下，缺水率分别为19.4%、32.2%、19.0%、27.7%(如表4所示)。缺水行业主要集中在生活和工业，生活和工业缺水量为84.00×108m3。

表4 黄河流域2035年供需平衡预测分析

4.3 未来黄河流域水资源配置格局探究

未来黄河流域水资源配置思路变为：以可用水量合理规划城市群人口、城市和产业发展规模，控制用水过快增长；严格控制青铜峡、河套、宝鸡峡、汾渭平原、下游引黄等灌区(灌区分布见图1)灌溉规模，调整种植结构，推进适水种植；对甘肃、宁夏、内蒙古及山东等超指标用水省(区)，暂停新增取水许可，推行用水总量控制方案。因此，以规划工程生效前后探究未来黄河流域水资源配置格局。

(1)规划工程生效前。甘肃、宁夏、内蒙古及山东等省(区)存在超年度分水指标现象，水量统一调度以来年均超年度指标32.2×108m3，其中山东省年均超年度指标14.9×108m3。因此，规划工程生效前，黄河流域水资源配置应把水资源量作为最主要的刚性约束，合理分配水量、管住用水，确保河道不断流、水质不超标，保障黄河年均入海水量不低于150×108m3。

(2)规划工程生效后。南水北调西线工程以及黑山峡和古贤水库生效后，构建“三线梯级、联调联供、节水充分、补短强管”的黄河流域水资源配置格局。“三线梯级”指构建以南水北调西线、中线、东线和黄河干流龙羊峡、刘家峡、黑山峡、古贤、三门峡、小浪底等6座控制性梯级调蓄水库组成的流域水资源配置工程体系；“联调联供”指通过“三线梯级”工程体系，强化黄河干流水资源精细化调度，优化河道水量时空分布，实现兰州、头道拐、潼关、花园口、利津等主要断面过流需求，保障年均入海水量不低于200×108m3；“节水充分”指强化农业节水，加强灌区、企业节水改造，加大再生水、集蓄雨水、微咸水等非常规水源利用水平；“补短强管”指搭建大气-陆地一体化水文水质监测网络，严格监督考核，完善黄河干支流水量统一调度体系，细化分水，科学用水。

5 结 论

本文通过解析面向黄河流域的新战略和规划水利工程，分析其给流域水资源带来的可能影响，从而基于黄河未来水资源供需形势，探讨了黄河流域未来水资源配置格局，主要结论如下：

(1)2035年，在黄河流域充分挖掘节水潜力情况下，流域内国民经济缺水量为133.09×108m3，黄河水资源供需情势仍不容乐观。

(2)规划中的水利工程生效前，黄河流域水资源配置应把水资源量作为最主要的刚性约束，合理分配水量、管住用水，重点保证黄河年均入海水量不低于150×108m3。

(3)在水资源刚性约束下，结合流域城市群发展要求，规划的水利工程生效后，黄河可通过构建“三线梯级、联调联供、节水充分、补短强管” 的流域水资源配置格局，重点保证兰州、头道拐、潼关、花园口、利津等主要断面过流量需求，保障年均入海水量不低于200×108m3。

(4)构建大气-陆地一体化水文水质监测体系、加强节约集约用水、水量精细化调度、均衡配置水资源是未来黄河流域实现“强监管补短板”的重要手段。