基于高质量供需平衡的区域水资源优化调控方案——以京津冀地区为例

肖 雪，李 清 清，陈 述

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所，湖北 武汉 430010； 2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010)

0 引 言

水资源供需分析是水资源保护利用的基础。通过分析区域供水、用水状况和发展趋势，揭示供需之间的矛盾，在维护生态环境的前提下，提出保证水资源安全供应的方案和措施，使水资源的开发利用获得最大的经济社会效益和环境效益，对改善生态环境和保障经济社会可持续发展都具有重要的意义。

目前，水资源配置和调控方面的研究主要集中在理论方法[1-3]和模型建立[4-6]、优化配置与平衡对策[7-9]等方面。其中，游进军等[10-11]总结了现有水资源供需分析工作中存在的问题，并提出了新形势下水资源供需形势分析的总体思路和主要任务；同时，针对黄河流域未来发展面临的供需矛盾，提出了调控的对策建议。王宗志等[12]针对水资源常规配置中供需分离、配置与调度不结合的问题进行了研究，建立了流域水资源供需双侧调控模型；并以南四湖流域为例提出了水资源优化调度和配置方案。张诗倩等[13]在对山东省水资源状况和利用情况进行研究的基础上，采用系统动力学构建了水资源供需分析模型，并提出了经济社会发展和水资源可持续利用的方案。彭少明等[14]分析了黄河径流演变及流域供用水变化特征，在此基础上，提出了新发展战略下流域水资源供需态势与对策。

新时代的治水思路要求“把水资源作为最大的刚性约束”，对水资源供需分析提出了更高的要求。具体表现为：在需求侧抑制不合理的用水需求，倒逼发展规模、发展结构、发展布局优化，确保经济社会发展不超过水资源承载能力；在供给侧强化供水保障，充分挖掘供水潜力，合理配置各类水资源，优化供水水源结构，以满足经济社会高质量发展的刚性合理用水需求；最终实现高质量供需平衡，使得水资源配置格局与经济社会发展相适应。本文通过开展水资源供需双向调控分析，来探索可持续发展的高质量水资源供需平衡方案，并以京津冀地区为研究对象，对区域水资源供需情况进行全面具体的分析，基于分析结果，提出了基于高质量供需平衡的区域水资源优化调控方案及其实现对策和措施。本文研究成果可为加强区域水资源优化配置和科学调度、实现区域水资源供给与社会经济发展相适应提供科学合理的参考。

1 供需分析与优化调控思路

1.1 需求侧分析与调控

在一般供需分析中，未来用水需求主要是根据经济社会发展布局和相关产业政策、符合节水要求的用水定额标准等进行预测。为了发挥水资源刚性约束的作用，用水需求分析应在充分节水的基础上来进一步划分层次，从而才能充分体现水资源利用的节约高效和用水需求的合理刚性。

(1) 在需水分析中体现充分节水，就是在进行区域水资源供需分析和配置方案的制定时，在对现状节水水平进行评价的基础上深挖节水潜力，对规划水平年需水定额进行管控，建立与区域特点和经济社会发展水平相适应的节水标准和用水定额指标，以抑制需求过快增长。

(2) 需水合理刚性主要是根据不同用户的重要性来区分合理性需求和刚性需求。现状用水存在合理与不合理之分，而规划需求就必须遏制不合理的用水需求。进行需水预测时，将合理用水需求进行层次划分，主要划分为刚性需求和一般合理需求两大类。其中，刚性需水是指保障基本民生、国家重大战略、重要生态安全的用水需求。当合理用水需求增长过快时，可通过优化调整产业结构来进行调控。

1.2 供水侧分析与调控

一般在供需分析中，供水潜力主要依据工程供水能力、水资源禀赋等条件来确定。为满足刚性约束要求，供水潜力分析要进一步考虑到水资源、水环境、水生态的承载能力。亦即在保障基本生态水量的基础上，确定不同的水源开发利用潜力以优化供水格局。

(1) 保障基本生态水量，主要体现在通过划定河湖生态用水的底线和水资源开发利用的上限，解决河湖过度开发和生态用水挤占的问题；此外，还应将地下水最大允许开采量作为区域地下水合理开发利用阈值的上限，防止地下水超采。即在保障河湖生态流量和地下水管控目标的前提下，充分挖掘供水潜力，保障区域经济社会发展的合理用水在水资源承载能力范围之内。

(2) 优化水源结构，主要体现在多种可利用水源在区域和用水部门间进行的优化调配。除了合理开发利用本地地表水和地下水以外，对非常规水源应考虑区域经济技术发展水平和达到国家非常规水利用的相关要求；外调水以已建和在建的外调水工程水量分配指标为上限，应考虑工程达效并充分挖潜；通过考虑多种水源的可供水量，来对用水需求进行合理配置以提高供水保障。

1.3 高质量供需平衡分析

实现高质量供需平衡，不是简单的供给等于需求，而是要在更高水平上实现平衡[15]。实现高质量的供需平衡的总体思路为：① 通过动态的供需双向调控，需求端在强化节水的前提下根据不同用户的重要性对未来用水需求进行层次划分，确保刚性需求，满足一般合理需求，遏制不合理需求；② 供给侧在保障基本生态水量的前提下充分挖掘供水潜力，多水源联合调配；③ 以满足刚性合理用水需求为目标，优先保证刚性需水，保障一般合理用水需求，通过实施供需双向调控以降低缺水量，并逐步达到高质量的水资源供需平衡。

高质量水资源供需平衡分析总体思路框架如图1所示，与一般的水资源供需平衡分析的区别如表1所列。

图1 高质量水资源供需平衡分析总体思路框架Fig.1 Overall analysis framework of water resources high-quality supply and demand balance

表1 高质量水资源供需平衡与一般水资源供需平衡区别

2 研究区优化调控方案

2.1 研究区概况

京津冀地区主体位于华北平原，界于北纬36°05′～42°40′，东经113°27′～119°50′之间，由北京、天津2个直辖市以及河北省组成，总面积为21.6万km2，占全国面积的2.3%。京津冀地区主要水系为滦河水系和海河水系，多年平均地表水资源量为88.2亿m3，多年平均年地下水资源量为141.4亿m3，多年平均水资源总量为186.4亿m3。2010～2018年，供用水总量平均值为251.7亿m3，现状地表水资源开发利用率为69%，水资源总量开发利用率高达119%，处于水资源严重超载状态，长期靠超采地下水与挤占河道内的生态环境用水来满足经济社会发展的用水需求[16-17]。紧缺的水资源与地区经济社会发展水平极不相关适应，是中国水资源供需矛盾最突出的地区，制约了区域社会经济的持续健康发展。2014年底，南水北调中线工程正式通水，在一定程度上缓解了京津冀地区的水资源供需矛盾，但由于近年来本地水资源量的减少，水资源紧缺形势依然严峻，供需矛盾依旧突出[18-20]。

2.2 情景设计与结果分析

综合考虑京津冀地区协同发展的空间布局，按照“以水四定”的要求，以京津冀地区水资源环境承载能力为约束，综合考虑不同行业用水的重要程度以及社会经济发展状况，对多年平均来水情形下的供需水量开展分析计算。为了实现高质量的供需平衡，分别从供水、需水两端的优化调控进行多次平衡分析，以2018年为现状基准年，2035年为规划水平年，将现状基准年和规划水平年的区域水资源供需分析与调控设置了5种情景，具体如表2所列。

2.2.1用水需求分析与调控

京津冀地区的用水需求调控重点考虑的是保证合理的刚性需水，即在实施强化节水措施的基础上推进产业结构优化调整。主要是通过限制高耗水产业的发展、减少高耗水作物种植等措施来抑制用水需求。

表2 京津冀地区供需双向优化调控方案情景设计Tab.2 Scenario design of supply and demand optimal regulation schemes in Beijing-Tianjin-Hebei region

(1) 现状基准年正常需水方案。现状基准年的需水量以现状2018年的实际用水量为基础确定。其中，灌溉需水量采用灌溉定额和有效灌溉面积计算；其他类别的需水量，则直接采用现状2018年的实际用水量，经计算，现状基准年的需水量为266.2亿m3。

(2) 规划水平年正常需水方案。在不考虑采取节水措施的情况下：① 生活需水量依据人口预测成果和合理的人均生活需水定额进行预测。随着城镇化率和居民生活水平的提高，城镇综合生活需水量将明显增加，虽然农村居民生活用水定额也有所增长，但是由于农村人口的减少，其需水量将会略有下降，预测2035年京津冀地区的生活需水量为75.0亿m3。其中，生活需水均为刚性需水。② 工业需水量按万元工业增加值用水量和火电装机规模等指标进行预测，随着经济发展，预测2035年京津冀地区的工业需水量为47.1亿m3。其中，工业中刚性用水为扣除钢铁、纺织印染、造纸、石化、化工以及制革等高耗水产业的用水，纳入地区市场准入清单的产业基本用水需求。③ 农业需水中的农田灌溉需水量是根据灌溉定额、灌溉水利用系数和有效灌溉面积进行测算；林牧渔业需水中的灌溉林果地和灌溉草场需水量的预测，采用灌溉定额预测的方法，鱼塘补水量的预测采用亩均补水定额的方法计算得到；在此基础上，预测2035年京津冀地区的多年平均农业需水量为156.8亿m3。其中，农业需水中的刚性用水主要包括农村人口的基本口粮田和粮食主产区按照合理节水水平确定的灌溉用水。④ 河道外生态环境需水量包括绿化环卫需水以及河湖补水量，未来城镇绿化和道路浇洒面积会增加，河湖补水面积也会增加，预测河道外生态需水量将明显增加至47.4亿m3。其中，河道外生态环境需水可将基本绿化环卫和重要河湖生态补水等作为刚性用水。⑤在不考虑进一步采取节水措施的情况下，预测2035年京津冀地区的多年平均需水总量为326.3亿m3，其中刚性需水量为251.0亿m3。

(3) 规划水平年考虑强化节水和产业结构调整方案。通过采取强化节水和产业结构调整等措施抑制用水需求：① 生活需水预测时，考虑到强化节水生活用水定额有所下降，2035年京津冀地区的生活需水量为63.9亿m3。② 工业需水预测时，一方面考虑到节水工艺水平的提高，规划年万元工业增加值用水定额不断下降；另一方面考虑京津冀地区产业结构的调整，第二产业比重不断下降，高耗水产业限制发展，工业需水量增长幅度较小，到2035年京津冀地区的工业需水量为31.3亿m3。③ 农业需水预测时，考虑到在采取发展节水灌溉技术等强化节水措施后灌溉水的利用系数会有所提高，此外，在采取调整种植结构等措施后，京津冀地区的灌溉需水量受土地退耕休耕、改种抗旱作物、退灌等影响需水量未来将会较大幅度地下降，因此预测到2035年京津冀地区多年平均农业需水量为123.4亿m3。④ 对河道外生态环境需水预测时，考虑到在加强节水措施后，到2035年的需水量为36.1亿m3。⑤在考虑强化节水和产业结构调整等措施的情况下，预测2035年京津冀地区的多年平均需水总量为254.7亿m3，其中，刚性需水量为228.1亿m3。

2.2.2供水潜力分析与调控

京津冀地区供水端的调控措施主要是：在退还地表水挤占和地下水超采的基础上，进行优化调配，增加非常规水源和外调水等多渠道水源，以满足京津冀地区的协同发展刚性用水需求。

(1) 地表水可供水量。京津冀地区的现状地表水工程取水能力已大于地表的水可利用量，为了使河道内维持一定比例的水量，解决河道内的生态用水挤占问题，需要对地表水的供水量进行控制。以水资源二级区和地级行政区为单元，通过系列调算，计算得到京津冀地区的多年平均地表水可供水量为45.9亿m3，地表水开发利用率控制在52%左右。

(2) 地下水可供水量。地下水可供水量以平原区地下水可开采量为控制，考虑逐步退减地下水超采量的要求，经核算，得到京津冀地区平原区的地下水可供水量为87.9亿m3。

(3) 非常规水可供水量。考虑到规划水平年京津冀地区的非常规水利用水平达到世界先进水平，污水处理回用率按京津冀地区平均为60%、北京达到80%计算；微咸水的利用主要分布在河北省的中东部区域，海水的利用主要分布在天津市和河北省沿海地区，在现状利用量的基础上，考虑工艺发展潜力，增加少量微咸水和海水的利用量，由此确定非常规水的可供水量可以达到28.0亿m3。

(4) 外调水可供水量。南水北调中线一期工程于2014年建成通水，规划向京津冀地区调水49.5亿m3，其中，北京市10.5亿m3、天津市8.6亿m3、河北省30.4亿m3(分水口门)；京津冀地区目前有5条引黄供水线路，不考虑应急供水，向河北省配置水量5.0亿m3(分水口门)。规划水平年，对于供水潜力,一方面考虑到引江补汉工程实施后中线一期工程向京津冀地区调水将会增加至63.3亿m3(分水口门)；另一方面，应考虑到南水北调东线二期工程将新增调水至天津市和河北省。

2.2.3供需平衡分析

开展了不同情景下的京津冀地区供需平衡分析，分析结果如表3所列。

表3 京津冀地区供需平衡分析和优化调控结果Tab.3 The results of supply-demand balance analysis and optimal regulation in Beijing-Tianjin-Hebei region

(1) 情景1。现状基准年2018年，京津冀地区多年平均河道外总需水量为266.2亿m3，实际供水量为250.0亿m3，地下水超采量为42.0亿m3，河道内生态缺水量为16.3亿m3，考虑退减地下水超采和地表水挤占后可供水量为191.7亿m3，合计现状综合缺水量为74.5亿m3，缺水率为28.0%。根据供需分析结果可知：现状年，实际综合缺水主要表现在供水不足、超采地下水和挤占河道内生态用水等3个方面，现状水资源供需处于严重不均衡状态。

(2) 情景2。规划水平年2035年，京津冀地区多年平均河道外总需水量为326.3亿m3，在现状供水能力达标的基础上，考虑南水北线中线一期工程调水达到规模并加大非常规水源的利用，供水量为216.3亿m3，总缺水量为110.0亿m3，缺水率为33.7%。可见，随着经济社会的发展，在现有供水水源结构下，京津冀地区的规划年供水远不能满足用水需求，水资源供需不平衡形势较为严峻。因此，应进一步从供需两端进行优化调控以实现供需平衡。

(3) 情景3。规划年水平年2035年，考虑通过进一步强化节水和调整产业结构进行需水预测，京津冀地区多年平均河道外总需水量为254.7亿m3，在现状供水能力达标的基础上，考虑南水北调中线一期工程调水达到规模并加大非常规水源的利用，供水量为216.3亿m3，总缺水量为38.4亿m3，缺水率为15.1%。其中，刚性需水缺水量为19.2亿m3，刚性缺水率为8.4%。根据供需平衡分析结果可知：在规划年，采取强化节水和产业结构调整措施来调控用水需求，京津冀地区刚性需水仍难以得到满足，水资源供需不能达到平衡。因此，为了满足用水的需求，在上述方案的基础上，应考虑增加供水水源来满足刚性用水需求，以达到水资源供需基本平衡。

(4) 情景4。规划年水平年2035年，考虑通过进一步强化节水和调整产业结构来进行需水预测，京津冀地区多年平均河道外总需水量为254.7亿m3，在现状供水能力达标、南水北调中线一期工程调水达到规模、加大非常规水源利用的基础上，考虑在引江补汉工程实施后增加南水北调中线一期调水以及南水北调东线二期调水共19.2亿m3来满足刚性用水需求，供水量为235.5亿m3，刚性需水缺水量为0，合理性需水缺水量为19.2亿m3，缺水率为7.5%。根据供需分析结果可知：在规划年，采取强化节水和产业结构调整、新增部分外调水进行优化调配的措施，京津冀地区的刚性需水量可以得到满足；但其他合理需水量仍不能满足，供需只能达到基本平衡。要满足全部合理需水量，则需要考虑再增加调水，以实现高水平的水资源供需平衡。

(5) 情景5。规划年水平年2035年，考虑通过进一步强化节水和调整产业结构来进行需水预测，京津冀地区多年平均河道外总需水量为254.7亿m3，为了满足全部合理需水量，考虑进一步扩大南水北调东线二期工程调水量，供水量为244.8亿m3，刚性需水缺水量为0亿m3，其他合理性需水缺水量为9.9亿m3，缺水率为3.9%。在此条件下，京津冀地区的合理性需水量基本上能得到满足，能够达到高水平的水资源供需平衡。即通过供需双向逐步调控，使京津冀地区的缺水量逐渐减少，规划水平年由供需矛盾较大逐渐实现基本平衡，直至达到高质量的平衡。

3 结 论

本文以京津冀地区为研究区域，探索并提出了高质量水资源供需平衡的调控思路，根据京津冀地区水资源和经济社会发展现状，通过设置多种情景对区域水资源供需情况进行分析计算和调控对比，提出了京津冀地区实现高质量水资源供需平衡的调控方案。

(1) 通过对供需两侧进行分析计算可知：① 现状情景下，京津冀地区的水资源供需不平衡形式较为严峻，由于供水不足，地下水超采和河道内生态用水挤占，综合缺水率为28.0%，缺水率较高；② 未来情景下，通过进一步强化节水、推进产业结构优化调整、加大非常规水源的利用以及新增外调水等措施来进行调控，可以使京津冀地区的综合缺水率降低至3.9%，基本上可以实现高质量水资源的供需平衡。

(2) 要实现区域水资源的高质量供需平衡，建议从供需两端采取优化调控措施：① 基于需求端，通过全面节水，优化调整产业结构，依法压减或淘汰高耗水产业不达标产能，减少高耗水作物种植面积等强化水资源的刚性约束；② 对于供水端，通过在保障河道生态流量和地下水采补平衡基础上合理开发当地水，加大非常规水源的利用，适度增加外调水，形成外调水和本地水、地表水和地下水联合调度的多水源供水格局，进一步优化水资源的配置与调度。