京津冀水资源-粮食-能源-生态协同调控研究Ⅱ：应用

赵 勇，常奂宇，2，桑学锋，何国华，王庆明，姜 珊

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.清华大学 水利水电工程系，北京 100084)

1 研究背景

在全球气候变化、人口增长和城市化等要素的驱动下，水资源、粮食、能源和生态需求的持续增长将是人类社会保持长期稳定发展必须要应对的重大挑战[1]。而资源禀赋、生产能力和消费规模的不匹配、不平衡，是造成不同地区水资源、粮食、能源、生态系统难以协同保障的根本原因。

目前在我国北方大部分地区，尤其在黄河流域、海河流域等地区，由于长期存在缺水的问题，粮食、能源和生态用水需求呈现资源供需失衡的现象，已经成为制约水资源匮乏地区可持续发展的关键因素[2-5]。针对能源和粮食生产与生态修复过程中的水资源消耗已经有了较全面的研究，但对于水资源、粮食、能源在消费过程中的互馈关系，以及水资源的取用、调运、处理过程的耗能情况等研究仍较为缺乏，导致对水-粮-能-生耦合系统的整体性认知薄弱，难以提出基于水-粮-能-生互馈机制的跨行业多部门协同保障方案。当前，随着对水资源、粮食、能源、生态系统间关系研究的深入，四者复杂而深刻的互馈作用正在逐渐被揭示。如2014年中国社会水循环(包括对水资源的取、供、用、污水回用等过程)能量消耗总量为1.1万亿kWh，约占全国总用电量的19%[6]。再如，南水北调中线在受水区通过水源置换减少当地地下水开采，不仅一定程度上恢复了地下水位，也降低了当地抽取地下水的能源消耗[7]。何国华等[8]通过预测中国未来饮食结构和人口规模，发现在满足现状饮食习惯下，未来我国将需要新增更多的耕地和灌溉用水。诸如此类的研究成果表明，从更为全面的视角认识水资源、粮食、能源和生态耦合关系，并在此基础上提出协同保障方案至关重要。

京津冀作为我国缺水地区中经济最发达的地区之一，以占我国0.7%的水资源量支撑了全国8.0%的人口，9.4%的GDP和8.2%的灌溉面积[9]。随着人口和产业的大量聚集，过去数十年京津冀地区水资源、粮食和能源的需求量不断增加，同时对生态要求也不断增强，水资源短缺已经严重制约了地区粮食和生态的可持续发展。2018年海河流域生态基流平均达标率为全国最低水平[10]，用水结构的变化也进一步增加了社会水循环耗能和碳排放量[11]，整个地区水-粮-能-生耦合系统处于失衡状态，而由此伴随的社会水循环耗能增加[12]、地下水超采和河流干涸等生态环境破坏[13-14]问题也很大程度上影响着首都安全、京津冀协同发展战略以及雄安新区的建设。由于水-粮-能-生耦合系统间存在复杂的相关关系和联动机制，而耦合系统交互作用的核心是自然-社会水循环过程，因此开展水-粮-能-生关联视角下多水源协同调控研究，对于保障京津冀地区水安全、粮食安全、低碳发展和生态健康十分必要。

本文根据京津冀水-粮-能-生系统紧密耦合的特征，基于上篇构建的水-粮-能-生协同调控模型[15]，分析水-粮-能-生关联视角下耦合系统的互馈机制与模拟结果，探索符合京津冀水-粮-能-生耦合系统协同发展的调控方案，为解决相关地区水资源、粮食、能源、生态之间失衡问题提供技术参考。

2 京津冀水-粮-能-生模型构建和情景设置

2.1 研究区水系统概化研究区范围为京津冀及相关流域，通过水资源三级区(18个)叠加县级行政分区(177个)的方式，共划分285个计算单元，每个计算单元是计算水资源供需平衡、粮食生产、社会水循环能源消耗和河湖生态需水的基本单元，不同计算单元根据自然水系建立汇流关系，可以实现上游用排水和下游取用水之间的动态响应。此外模型还设置有29座大型水库和90个打包的中小型概化水库等供水节点，以及南水北调中线、引黄入冀补淀、南水北调东线等跨流域调水工程与引滦入津、引青济秦等流域内调水工程，实现不同计算单元间人工取供水水量的流动。通过采用概化的“点——调配工程节点”、“线——水力联系”、“面——计算单元”元素表达，对不同水利工程和单元水力联系以及地理联系抽象和概化，共同组成了京津冀及相关流域水系统概化图，如图1所示。

2.2 模型基础资料

(1)自然-社会水循环过程率定验证。采用研究区1961—2000年历史水文、气象数据对模型自然水循环过程进行率定和验证，水文站断面流量验证结果显示，京津冀地区6个典型水文站Nash系数在0.65以上，相关系数在0.8以上；京津冀各地市地表水资源量验证结果显示，多年平均模型模拟结果与实际地表水资源量的相对误差率为6.2%；京津冀各地市实际用水量验证结果显示，水资源配置模拟结果和实际用水量的相对误差率为1.2%。因此模型能够较好地模拟京津冀自然水循环和水资源配置过程，详细的率定验证过程参考文献[9]。

(2)本地可利用水量。京津冀本地可利用水源包括地表水、地下水和非常规水。根据《海河流域水治理战略研究》[16]，2001—2016年流域多年平均地表水资源量为121.8亿m3，其中京津冀地区多年平均地表水可利用量为75.1亿m3，入境可利用水量为22.0亿m3。为维持采补平衡，京津冀地区地下水可开采量为114亿m3。非常规水包括雨水利用、海水淡化以及再生水回用，未来随着用水量变化和再生水回用率提高，京津冀地区非常规水可利用量将进一步增加。

(3)外调水量。2014年南水北调中线一期工程和引黄工程已通水运行，根据当地水资源公报，2018年南水北调中线向京津冀地区供水44.2亿m3。根据2002年国务院批复的《南水北调工程总体规划》，南水北调中线一期达效后向京津冀供水量为49.5亿m3，中线工程二期向京津冀可增加供水量15亿m3[17-18]。引黄入冀补淀工程补水量为6.2亿m3[19]。根据《南水北调东线二期工程规划报告》，按照东线二期工程通水后向京津冀供水25.4亿m3进行情景设置[20]。考虑引滦工程和南水北调工程可以在天津实现水力联系，因此在南水北调后续工程规划中，通过调整现状引滦水向天津、唐山的分水比例，可以实现南水北调工程效益向北延伸到滦河流域[21]。

图1 京津冀及相关流域水系统概化图

(4)经济社会发展与需水变化。由于京津冀地区水资源短缺，需水量受到水资源供给的胁迫和制约，现状年实际用水量反映了地区最小的用水需求，本文采用2018年实际用水250.1亿m3作为现状水平年的需水。结合生活、工业和农业层次化需求调控结果[22-24]，对京津冀规划水平年经济社会需水总量进行研判，经济社会方面主要参考相关政府报告，考虑人口、城镇化率和经济增速等指标设置低速、中速和高速发展情景，节水措施方面以京津冀极限节水潜力[25]和现状节水水平为上下限，并在现状水平下考虑节水措施进一步加强的强化节水情景，各类情景需水量变化情势详见图2。在该需水设计情景下，发生的缺水均为破坏性缺水，无法满足的需水必然会对地区经济社会发展、粮食安全保障和生态环境健康带来影响，甚至产生破坏性作用。

图2 京津冀经济社会生产生活需水变化情势

(5)生态保障需求。现状京津冀水资源配置着重考虑生产、生活用水，河湖生态需水常常被忽略或被挤占。根据上篇生态需水计算方法[15]，京津冀最小生态需水为42.7亿m3，适宜生态需水为54.3亿m3。研究采用多年平均入海水量作为保障健康河口生态的最小水量，2001—2018年多年平均入海水量33.7亿m3。京津冀地下水长期处于超采状态，为达到健康地下水位，需要累积回补浅层地下水约715亿m3[26]。

(6)社会水循环耗能。京津冀地区社会水循环耗能主要包括地表水取水、地下水提水、水厂制水、输配水、生活用水、工业用水和污水处理等过程耗能，基于文献[27]京津冀地区统计数据等，计算得到不同地市在社会水循环取水、供水、用水和污水处理等过程单方水耗能如图3所示。

图3 京津冀各地市不同社会水循环过程耗能

(7)粮食生产。2018年京津冀灌溉面积为5377.4×103hm2，其中耕地有效灌溉面积为4906.7×103hm2，地区主要粮食作物为冬小麦、夏玉米等谷物，由于气候、土壤、地形等因素差异的影响，不同地市的灌溉水分生产率(WUE)也不同，如图4所示[24]。

图4 京津冀各地市灌溉水分生产率

2.3 推演式情景设置通过组合不同经济社会发展情景，可以得到许多种可能的未来发展情景。为了优选符合京津冀协同发展的情景组合，本文以“先探究合理的用水需求，再分析可能的供水保障”为导向，提出推演式情景设置方法，以现状京津冀水资源调控结果为基准，围绕需水变化、生态保障和供水能力3大方面，具体细化为8个关键情景，逐步推演来优选不同的情景组合。

需求方面包含生活、工业、农业和河道外生态4种需水，考虑影响未来用水需求变化最可能的主导因素，设置经济发展速度、粮食产量水平和节水实施程度3个关键情景。在京津冀现状水资源调控结果基准下，考虑未来可能出现的不同经济社会发展速度，进行水资源合理调控并选定合理的经济增速情景；以此逐步推演，在经济增速确定下，进一步选定合理的粮食产量和节水措施情景。生态保障方面主要考虑未来不同生态健康恢复目标，设置河湖生态修复和地下水位恢复2个关键情景，在需求情景确定的基础上，逐步推演，选定河湖生态修复目标和地下水位恢复目标。供给方面由于地表水和地下水开发利用受到生态保障约束，因此设置非常规水利用、南水北调东中线二期工程通水规模、引滦水量分配调整3个关键情景，在生态保障情景确定的基础上对供给情景进行逐步推演。

推演式情景设计流程如图5所示，以上8个关键情景通过逐步推演，可以确定未来京津冀水资源安全保障的协同发展情景(加粗部分)。

图5 推演式情景设计流程图

3 京津冀水-粮-能-生耦合系统协同调控结果

研究以2018年为现状水平年，以2035年为未来水平年。基于京津冀水-粮-能-生协同调控模型，开展水-粮-能-生关联视角下多水源协同调控，针对水安全、粮食安全、低碳发展和生态健康等协同发展目标，对现状京津冀水-粮-能-生耦合系统进行缺水识别；基于现状水资源调控结果，围绕需水变化、生态保障和供水能力3大方面，开展不同情景模拟，确定未来京津冀协同发展情景。

图6 现状水平年京津冀单方案寻优结果

图7 现状水平年京津冀缺水率空间分布情况

3.1 现状状态识别根据单方案寻优方法，确定在现状供需水情景下，满足京津冀地区水-粮-能-生协同发展的水资源配置方案。具体计算过程如下所示，后续情景设置中，均采用该方法确定每个情景对应的最优水资源配置方案。(1)在现状供需水条件下，以缺水量最低、公平性最优和能源消耗最低为多目标，以满足地区最小生态需水和入海水量为约束条件，通过NSGA-Ⅱ算法优化京津冀各地区不同水源向不同用水户的分水比系数，得到100组满足Pareto最优的水资源优化配置方案，如图6所示。(2)由于这100组水资源优化配置方案，均是满足缺水量、公平性和耗能目标的非劣解，因此将所有水资源配置方案输入京津冀水-粮-能-生协同调控模型，基于模型运行的结果，计算不同配置方案对应的耦合协调度(计算方法见上篇[15])，图6中各个方案点的大小表示耦合协调度T，越大表示对应的耦合协调度越高，最高点颜色为红色。(3)选取耦合协调度最大的水资源优化配置方案(图6红点)，作为该现状情景下符合水-粮-能-生耦合系统协同发展的最优水资源优化配置方案。

基于该水资源优化配置方案对京津冀水-粮-能-生耦合系统结果进行现状状态识别。该方案下，现状京津冀地区缺水率为12.4%，均衡率为82.8%，社会水循环耗能为1376.6亿kWh。结果表明，2018年实际年份京津冀地区水资源供需平衡是以地下水超采、河湖生态用水被挤占来维持的，整个水-粮-能-生耦合系统处于严重失衡状态，如果京津冀地区保证河流最小生态和健康入海水量要求，则现状供水无法满足实际的用水需求，将出现30.9亿m3的破坏性缺水。现状水平年下京津冀缺水率空间分布如图7所示。

3.2 推演式情景调控模拟结果评价

图8 推演式情景下京津冀缺水率和CSI指标变化

(1)推演式情景下缺水率和综合协同指数(Comprehensive Sustainability Index，CSI)[15]变化分析。模型根据推演式情景模拟得到不同水-粮-能-生协同调控结果和对应的缺水率与CSI指标值，如图8所示。从缺水率来看，在经济中速发展情景下由于用水需求增加，对应缺水率高至19.9%，虽然采用强化节水等措施可以通过减少需水来降低缺水率，但在考虑河湖生态补水和地下水位恢复等生态保障目标下，缺水率将进一步加剧至18.6%，而南水北调中东线二期通水后能极大的缓解水资源短缺压力，缺水率将降到4.1%，地区水资源安全基本得到保障。CSI指标反映了地区水-粮-能-生耦合系统的可持续性，CSI越大，表明该地区可靠性越强，协同发展程度越好。从CSI来看，随着经济社会发展和节水措施等需求侧调控，整个水-粮-能-生耦合系统可持续性呈现增加趋势；在考虑河湖生态补水和地下水恢复后，由于无法同时满足生态和农业用水要求，缺水率迅速增大，导致整个水-粮-能-生系统可持续性在0.6～0.7范围内呈现波动性变化；但随着外调水增加和引滦水供天津和唐山比例调整，既缓解了生态和农业竞争性用水矛盾，又增强了整个耦合系统供水均衡性，因此整个系统可持续性开始增加，最终达到0.85。从图8可以看出，通过需水变化、生态保障和供水能力3个方面推演式调控，有助于京津冀地区水-粮-能-生耦合系统实现协同发展。

(2)推演式情景下社会水循环耗能变化分析。2035水平年推演式情景下取水、供水、用水和污水处理等过程社会水循环耗能变化如图9所示，由于地表水取水耗能均小于0.3亿kWh，因此在图中未能清晰显示。可见，京津冀地区2035水平年推演式情景下社会水循环耗能在1593亿～1625亿kWh之间，其中用水耗能约占社会水循环总耗能90%以上，且主要为生活用水耗能，表明生活用水增加是未来水平年相比现状社会水循环耗能增大的主要原因。随着情景逐步推演，总耗能与各过程耗能也呈现相应的变化，如虽然通过采取节水措施减少了生活和工业用水量，但由于节水一般伴随着耗能增加[11]，因此在节水措施情景中总耗能并未有显著降低。水资源、粮食和生态系统与能源系统的耦合关系也极其密切，京津冀地区由于粮食供给要求，未来仍需要大量提水灌溉来保障粮食生产，在地下水位恢复至健康地下水位情景下，地下水取水耗能将下降26.7%；在中东线后续工程新增外调水后，通过水源置换减少地下水开采量，地下水取水耗能将进一步下降27.3%，相比初始情景，整体地下水取水耗能下降了47.8%；而随着再生水处理规模扩大，对应的非常规水处理耗能则显著增加，在中东线二期后续工程情景中，非常规水利用的耗能已占除用水耗能外总耗能的40%左右。

图9 推演式情景下社会水循环耗能变化

3.3 推演式调控协同发展情景以2035水平年为实现未来京津冀水-粮-能-生耦合系统协同发展的典型年，由3.2节可知，随着推演调控，京津冀水-粮-能-生耦合系统可持续性逐渐增加。以最终情景作为京津冀水-粮-能-生耦合系统未来协同发展情景，并与现状水平年对比，如表1所示。可以看出，通过推演调控，在需求方面，未来京津冀地区在维持现状粮食产量和采用强化节水措施下，需水总量呈现小幅增加；在供给方面，南水北调后续工程通水显著增加了可供水量，而非常规水充分挖潜无法有效解决地区缺水问题，通过引滦水调整，能够降低地区缺水的不均衡性，间接实现南水北调东中线工程效益北延。在该情景下，经济社会用水得到满足，可以保障京津冀河流维持适宜生态流量，但地下水无法达到健康地下水位50年恢复目标(年回补需要达到14.3亿m3)，只能实现每年回补地下水3.7亿m3。

表1 2035年协同发展情景与现状水平年对比表

4 基于水-粮-能-生耦合系统协同发展的未来调水规模研判

4.1 南水北调中东线后续工程适宜规模分析基于推演式调控模拟结果可以发现，虽然经济社会发展的需水均可得到保障，但受限于水资源禀赋较差问题，京津冀地区水-粮-能-生耦合系统协同发展的最大制约因素为粮食生产和生态恢复之间的竞争性用水矛盾。而2035水平年协同发展情景下粮食产量维持现状水平，同时河湖生态得到改善，其前提条件是未来南水北调中线和东线后续年调水工程规模达到40.4亿m3。现状水平年京津冀以牺牲生态的方式保障了经济社会发展和粮食安全，未来如果要实现生态恢复，考虑节水、再生水回用等需水侧与本地供给侧潜力已全部挖潜，在没有新增水源的情景下，只能大量压减农业用水量，通过降低粮食产量的方式来缓解缺水问题，对于粮食供给安全和地区农民生计均会带来不同程度的影响。因此在现状南水北调中线供水规模基础上，本文从京津冀受水区需求角度出发，研判未来适宜调水规模，情景组合如表2所示，每种情景均以协同发展情景为基础。

表2 2035水平年京津冀外调水情景设置

各情景水资源供需平衡结果如图10所示，情景0为基准情景，缺水率高达11.3%，表明在没有中东线后续工程情景下，若要维持京津冀经济社会正常发展的用水需求，2035水平年需要超采地下水29.3亿m3；情景Ⅰ和情景Ⅱ通过新增外调水，一定程度可缓解破坏性缺水问题，但仍需要超采地下水才能维持经济社会正常发展；情景Ⅲ新增外调水30亿m3，此时京津冀生态健康得到基本保障；情景Ⅳ和情景Ⅴ下，京津冀生态健康得到一定程度的修复，其中在情景Ⅴ时，可以保障京津冀河湖生态适宜需水和地下水采补平衡目标。

图10 不同外调水规模下2035年京津冀供需平衡分析

结果表明，南水北调中东线后续工程对缓解当地破坏性缺水、保障生态健康具有十分重要的作用，当南水北调中东线后续工程增调水量达到36.2亿m3时，可以实现河湖适宜生态需水和地下水采补平衡目标；当增调水量达到50亿m3时，可以实现适宜生态需水和地下水50年恢复健康水位的目标。考虑未来京津冀地区水资源衰减将进一步增加约10亿m3供水缺口[28-29]，因此为实现京津冀经济社会正常发展和水-粮-能-生耦合系统平衡，南水北调中东线后续工程保障适宜生态目标年调水规模应为46.2亿m3，保障理想生态目标(地下水50年恢复)年调水规模应为60亿m3。

4.2 南水北调中东线后续工程规模扩大潜在影响讨论本文从京津冀受水区需求角度出发，提出了保障京津冀水-粮-能-生耦合系统协同发展的不同南水北调中东线后续工程规模。从南水北调中线一期工程2014年正式通水以来，已经为受水区带来了许多积极作用，如保障了京津冀地区经济社会发展，饮用水质量得到显著提升；而南水北调中线通过置换地下水，也部分缓解了当地地下水超采问题，如北京地区的地下水储量和地下水位均得到一定程度恢复[30]。

但值得注意的是，南水北调中东线后续工程规模扩大也会对沿途各省市经济社会带来巨大影响。如随着供水规模扩大，对应供水渠道等水利工程需要提标改造，将进一步增加工程投资和运行成本，以及存在中线工程水费征收困难[17]、不同用户对外调水水价承受能力不同[31]等问题。此外，南水北调中线调走了水源区大约35%的水量[32]，对于当地的水生态系统和供水安全保障均会带来一定的影响，Hu等[33]发现未来丹江口水库地区降水量可能呈现减少趋势，由此带来的水资源量衰减可能导致水源区无法进一步加大调水规模。而南水北调东线从长江下游干流提水，由于临近入海口，调水导致的入海水量减少，可能会引发海水入侵等生态问题[34]。因此在具体研判和论证后续工程新增外调水规模时，必须要全面考虑水源区和受水区的经济、社会和生态等方面的综合影响。

5 结论

京津冀作为我国缺水地区中经济最发达的地区之一，水资源短缺已成为制约粮食、能源和生态可持续发展的关键要素。针对这一问题，本文构建了以自然-社会水循环过程为核心的京津冀水-粮-能-生协同调控模型，该模型以现状京津冀水系统数据为基础，通过构建水安全、粮食安全、低碳发展和生态健康协同发展目标，从需求变化、生态保障和供给能力3个方面开展推演式情景调控模拟，揭示了现状京津冀水-粮-能-生耦合系统状态，提出了基于水-粮-能-生关联视角下京津冀协同发展情景。

研究发现，现状京津冀水-粮-能-生耦合系统处于严重失衡的状态，地区供用水平衡是以地下水超采、河湖生态用水被挤占来维持的，生态系统严重受损。从水-粮-能-生耦合系统协同发展角度出发，现状京津冀地区破坏性缺水量高达30.9亿m3。

在京津冀2035水平年协同发展情景下，经济社会用水得到保障，粮食生产和生态恢复之间的竞争性用水得到满足，整个水-粮-能-生耦合系统实现协同发展。未来在本地节水潜力和供水能力全部挖潜下，外调水后续规模将成为保障地区水-粮-能-生协同发展的重要因素。从水资源衰减和受水区需求角度出发，提出京津冀地区南水北调中东线后续年调水工程规模应为46.2亿～60亿m3。需指出的是，与中东线后续工程扩大规模相关的经济、社会和生态问题也是需要重点关注的内容。