基于生态环境需水量反推的西江流域地表水资源可利用量计算

关键词：可利用量；间接算法；生态环境需水量；西江流域

中图分类号：TV213. 4 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0072-07

水资源可利用量包含在流域水资源总量中，是其重要组成部分，具有耗水的属性［1］。目前，水资源可利用量特别是地表水的可利用量的概念内涵表述以及方法计算等尚不明确，并且计算过程繁琐、所需基础资料庞杂。国内及国外的学者对地表水资源的可利用量内涵要义理解有所不同［2］，不同之处主要表现在：一是国内学者暂不考虑回归水的利用，而国外的计算中则将其考虑在内［3］；二是针对无法控制利用的汛期洪水量，国外考虑少，但在水权方面的考虑相较国内分析全面［4］。目前，用以计算地表水资源可利用量的方法多样，在国内主要采用的是扣损法［5］，扣损法主要是基于流域地表水资源量，在扣除掉不能被利用水量、不可能被利用水量后剩余的水量即为地表水资源可利用量。如李晓波［6］采用扣损法，以大凌河流域为研究对象，在地表水资源量中减去用于维持水生态环境所需的最小水量及不可被利用水量分析计算了大凌河主要控制断面和整个流域的地表水资源可利用量。国外的计算方法，如美国得克萨斯州WAM模型是建立在优先水权制度上的，美国俄勒冈州水资源可利用量计算方法也是遵循优先占用原则，墨西哥水资源可利用量指数法则综合考虑了水量和水质2种要素等。因此，如何使得水资源可利用量的计算方法既要适合区域地理特性、适合河流水系特征而又便于计算，就显得尤为重要。根据近年来开展的全国第三次水资源调查评价工作培训指南，水资源可利用量的计算可分为直接算法和间接算法2种。

直接算法，顾名思义是通过长系列资料的调节计算，直接得出地表水资源的可利用量数值，平衡水生态环境系统和社会经济发展两方面的用水需求是重点，是比较常见的方法。该计算方法将河道外社会经济发展的用水需求作为首要的因素来考虑，优点是充分考虑了合理的河道外用水需求变化，统筹了地表、地下和外调水等多种形式水源，直接计算出地表水资源的可利用量和水生态环境系统所需水量的多年平均值，以及不同频率来水条件下的结果。缺点是直接算法需要的基础资料细且繁多，所需时间长。

间接算法是通过计算流域目标生态环境需水量，利用公式反算出地表水资源可利用量。核心理念仍是找寻社会经济和生态环境系统用水需求的平衡点，从生态系统用水需求入手，计算目标水生态环境需水量，并兼顾社会经济发展系统，优点是计算结果依据流域天然水文情势和时空分布情况，同时综合考虑了水资源开发利用现状和规划安排，方法简便易操作，结果灵活可调整。考虑西江流域范围广、涉及的水利工程多，计算所需基础资料收集难度大，以及生态环境的重要性，本文尝试采用间接算法来计算西江流域地表水资源可利用量，减少计算过程的难度，为其他流域计算地表水资源可利用量提供借鉴。

1西江流域概况

西江为珠江的主干流［7］，源头为云南省曲靖境内的乌蒙山余脉马雄山东麓，北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江等是其主要支流。西江干流全长2075km，流域总面积35. 31 万km²，境内面积34. 05 万km²。西江流域水系见图1。

西江流域地处中国南部，北回归线横贯流域中部偏南地区，受东南季风和西南季风影响，整体上处于热带以及亚热带季风气候区，气候温和，雨量丰沛。流域存在明显的多雨期与少雨期，多雨期大都集中在4—9月（汛期）、少雨期一般为10月至次年3月（枯期）。汛期降雨量所占流域全年降雨总量的百分比约为70%～80%，其中，连续最大的4个月降雨量占全年降雨总量的百分比可达60%～70%，而且流域内降雨量在年内分配很不均匀。

由于降雨主要集中于汛期，形成流域汛期洪水峰高、量大，枯期流量相对较小的特点。根据第三次水资源调查评价，西江流域1956—2016年多年平均年径流深675. 1mm，西江流域小于多年平均年径流深的有南北盘江区、红水河区、郁江区，主要分布在珠江区西部，其他分区都大于珠江区多年平均年径流深。分区多年平均年径流深大致呈现东部分区大于西部分区的特点。多年平均年径流深在1000 mm以上的分区为桂贺江；多年平均年径流深800～1000 mm的分区为柳江；多年平均年径流深400～800 mm的分区为南北盘江、红水河、郁江、黔浔江及西江（梧州以下）。

2地表水资源可利用量

地表水资源的可利用量通常的概念解释是：在可预见的一段时期内，综合考虑生活、生态和生产“三生”用水需求，平衡协调河道外与河道内用水，利用技术可行的措施，在现状下垫面条件下本地地表水资源量中可以提供给河道外使用的水量最大值［8-9］。根据《第三次全国水资源调查评价技术细则》，明确不能计入地表水资源可利用量［10］的水量包括回归水、废污水、再生水等，并将不可利用洪水以及其他与河流生态有关需求的水量、与社会经济发展有关但需要开展河流水量调度且发挥生态效益的水量计入目标水生态环境需水量。因此，地表水资源的可利用量从资源的角度出发，分析可能被消耗利用的水资源数量［11］。

2. 1计算公式及步骤

地表水资源可利用量的多年平均值是从地表水资源量中扣除掉河道内水生态环境所需水量后剩余的水量。采用式（1）、（2）计算：

河道内水生态环境所需水量［12］包括基本的河道内水生态环境所需水量和目标水生态环境所需水量2种。基本所需水量是指能够维持住河湖天然的基本形态、水生态环境系统基本的生存栖息地和水体自我净化的能力而所要保留在河道内的一定水量及水流过程；目标需水量则是为了维持好河湖以及生态系统生存栖息地既有目标要求的生态环境功能，如输沙、压咸、航运等，所保留在河道内的一定水量及水流过程。

在计算地表水资源的可利用量时，不同的河道内水生态环境所需水量应根据不同的流域自身的特点和水资源禀赋条件进行确定。对于水资源较丰沛、开发利用程度较低的流域，河道内水生态环境所需水量宜按照生态环境保护目标的较高值确定。对水资源紧缺、开发利用程度较高的地区，应根据水资源条件确定河道内水生态环境所需水量的合理值。

马兴华等［13］认为梧州（四）水文监测断面处的水生态环境所需水量应考虑西江河道内水生态需水要求以及珠江三角洲压咸需水要求来确定。朱远生等［14］认为珠江流域内最重要的鱼类洄游通道和鱼类产卵场在西江干流。西江高要断面以上涉及西江肇庆段国家级水产种质资源保护区及西江下游主要渔场，考虑到西江干流水生态环境重要性，且流域现状水资源开发利用程度相对较低（2010—2016年多年平均开发利用率为14. 4%），地表水资源可利用量的计算中宜采用目标水生态环境需水量。

本文采用间接算法进行计算，计算步骤如下。

步骤一 确定河道内目标水生态环境需水量的初始比例。根据各河流水资源情势差异，确定目标水生态环境需水量百分比初始值。区域内水资源情势较好，开发利用程度较低的取上限，反之取下限。多年平均目标生态环境需水占天然径流百分比取值范围见表1。

步骤二 根据最新批复的流域综合规划中2030年水资源配置确定的区域地表水资源开发利用程度反推计算目标水生态环境需水量（包括入海水量）。以（100%－规划确定的地表水资源开发利用程度）作为目标水生态环境需水量对比值。如果初始值和对比值差异大于等于±20%，则将初始值相应调整±20%；差异为±（10%～20%）内的，相应调整±10%；差距在±10%范围以内的，可不作调整。

步骤三 将调整后的目标水生态环境需水结果用该流域（断面）1956—2016年系列实测径流进行检验，检验目标水生态环境需水满足程度。原则上满足程度不低于75%，当满足程度小于75%时表明确定的目标水生态环境需水偏高，可进一步适当下调；当满足程度大于等于75%时，目标水生态环境需水也可上调。

步骤四 利用式（1）计算地表水资源的可利用量，利用式（2）计算可利用率。

2. 2高要断面目标生态环境需水量计算

选取西江流域高要水文站作为流域控制断面，高要水文站集雨面积为35. 2万km²，控制了整个流域99%的面积。根据第三次水资源调查评价，高要站1956—2016 年系列地表水资源多年平均值为2284. 3亿m³。

a）目标水生态环境需水量初始值。西江流域2010—2016年多年平均水资源开发利用率为14. 4%，属于低开发利用区域。根据表1低开发利用区域所需的目标水生态环境需水占比不低于70%。高要断面以上涉及的各行政区域开发利用程度差别较大，且已有的《珠江河湖生态水量（流量）研究报告》［16］中确定的梧州（四）断面目标水生态环境需水量百分比为74%（相应的需水量为1 561. 3亿m³）。对处于同一个流域的不同断面，存在着上游断面生态需水占比高于下游断面的一般规律，综合考虑，高要断面目标水生态环境需水占比初始值取72%，相应的需水量为1 644. 7亿m³。

b）目标水生态环境需水量对比值。规划水平年2030年，高要站断面以上河道外总需水量为372亿m³（南北盘江区79亿m³、红柳江区102亿m³、郁江区91亿m³、西江区100亿m³，合计372亿m³）［17］，计算的开发利用程度为16. 3%，反推的目标水生态环境需水量占比对比值为83. 7%，需水量为1 912. 0亿m³。

c）初始值与对比值的比较。两者经比较，差异在±（10%～20%），根据计算步骤将初始值相应调大11%。调整后的目标水生态环境需水量为1827. 3亿m³，与对比值相差4. 0%。

d）检验目标水生态环境需水量的满足程度。通过采用1956—2016年高要站实测年径流量系列检验，调整后确定的目标水生态环境需水量的满足程度为82. 0%，大于75. 0%，满足要求，见表2。

e）高要站断面以上地表水资源的可利用量。根据式（1），高要断面以上地表水资源可利用量为断面以上地表水资源量与河道内目标生态环境需水量的差值，计算结果为457. 0亿m³。

2. 3西江流域地表水资源可利用量

根据上述高要站地表水资源可利用量计算步骤，高要断面以上地表水资源可利用量为457. 0亿m³，可利用率为20. 0%。西江流域国内总面积与高要站集雨面积相差4%左右，流域地表水资源可利用率可直接采用高要站断面以上的地表水资源可利用率，即西江流域地表水资源可利用率为20%。根据第三次水资源调查评价，西江流域1956—2016年多年平均地表水资源量为2 298. 4亿m³，根据式（2）计算得西江流域多年平均地表水资源可利用量为459. 7亿m³，河道内目标生态环境需水量为1 838. 7亿m³。

3合理性评价

3. 1与水量分配方案的比较

国家发展和改革委员会及水利部于2020年8月批复了西江流域水量分配方案（发改农经〔2020〕1270号），至规划水平年2030年，在保障河道内水生态环境需水量的基础上，综合考虑流域内地下水及其他水源配置水量、跨流域调水等因素，确定本流域地表水可分配用水量及耗损量，见表3。

由表3可知，多年平均来水条件下，西江流域向本流域分配的河道外总水量为345. 59亿m³，耗损量为189. 39亿m³，本次计算的西江流域多年平均地表水资源可利用量为459. 7亿m³，满足水量分配的需求。

3. 2与开发利用程度的比较

根据第三次水资源调查评价，基准年2016年西江流域实际供水量［19］为326. 67亿m³，占珠江区供水总量38. 8%。供水水源以地表水为主，其供水量为314. 66亿m³，占总供水量的96. 3%，其中调入水量0. 48亿m³，调出水量1. 42亿m³。地下水供水量为11. 20亿m³，占3. 4%，其他水源供水量为1. 75亿m³，占0. 5%。

2010—2016年西江流域多年平均供水量为331. 10亿m³（含港澳），平均开发利用率为14. 4%，计算的地表水资源可利用率为20%，高于现状开发利用程度，为远期流域规划水平年河道外需水留有一定的增长空间，比较见表4。

3. 3与基本的水生态环境需水量比较

从水生态系统的多样性以及复杂性角度出发，水生态需水量的计算方法多种多样，总体上分为水文学法和水力学法等［20］。水文学法是基于河流天然径流系列，以天然径流量（或近似天然径流量）多年平均值的一定比例作为河流的水生态环境需水量［21］；逐月频率曲线法是指通过构建各月水文频率曲线，将95%频率相应的月平均流量和已有成果确定的非汛期生态流量取外包，作为对应月份断面的基本生态水量，并组成年内不同时段值；水力学方法涉及河道各种水力参数，如河宽、水深、水力半径等，常用的有湿周法等。根据第三次水资源调查，推荐的西江流域高要断面基本生态环境需水量来源于《珠江河湖生态水量（流量）研究报告》，采用的是能体现水量变化过程且取值较为合适的逐月频率曲线法（频率取95%）和已有成果非汛期生态流量取外包值作为基本生态水量计算的推荐方法，成果见表5。

西江流域高要断面的基本生态水量全年值为1156. 5亿m³，计算的高要断面生态需水量为1 827. 3亿m³，大于该断面基本生态环境需水量，满足河道内基本生态环境需水要求。

3. 4与第二次水资源调查评价成果的比较

第二次水资源调查评价中可利用量的计算采用的是倒算法，所谓倒算法是将水资源量中扣除掉不可以被利用和不可能被利用水量中的多年平均汛期下泄洪水量后得出水资源的可利用量，见式（3）：

由于在南方区域河流中，汛期河道内水生态环境、生产需水量与下泄的洪水量交织在一起，因此，汛期一般不单独考虑河道内的水生态环境及生产需水量。对于地表水资源的可利用量分析，仅需考虑扣减非汛期河道内水生态及生产需水量。

根据上述计算公式，第二次水资源调查评价计算系列采用1956—2000年，西江流域多年平均地表水资源量为2 301. 5亿m³，地表水资源的可利用量多年平均值为477. 6 亿m³，相应的可利用率为20. 8%。第三次水资源调查评价中西江流域水资源量与第二次水资源调查评价结果比较减少3. 1 亿m³，可利用率减小0. 8%，变化较小。

4结论

西江1956—2016年系列地表水资源可利用量多年平均值为459. 7亿m³，可利用率为20%，在统筹考虑生态环境用水情况下，能满足本流域未来河道外需水增长及水量分配指标要求，计算结果合理。流域水资源可利用量的评价成果可为未来一段时间内开展规划修编、总量控制指标修订、水量分配与调度，以及强化流域水资源刚性约束与优化流域水资源配置等工作提供重要基础数据，也是水资源管理部门的重要管理抓手，如可在跨流域调水等影响流域水资源配置格局的重大工程规划等阶段判断工程建设的可行性。

本文尝试利用间接法来计算西江流域水资源的可利用量，该方法计算简便，核心是从水生态系统用水需求入手，在平衡协调自然生态系统和社会经济两者用水的基础上，通过推求目标水生态环境需水，反推可利用量。该方法兼顾了经济社会发展系统，计算结果依据流域天然水文情势和时空分布情况，同时考虑了水资源开发利用现状和规划安排，对于资料缺乏的流域及生态保护目标重要的流域适用。该方法还应用于南盘江、北盘江、九洲江、黄泥河等29条河流，成果均反映在第三次水资源调查评价中。

研究中生态环境需水量仅为年值，未考虑汛期和非汛期的需水过程，下一步研究中将考虑生态环境需水过程，细化可利用量计算公式，使得计算结果更符合流域实际。