南水北调中线沿线水资源配置影响因素

关键词:水资源分配;灌区需水量;分水口;影响因子

1引言

目前区域性缺水十分严重,在我国600多个城市中有400多个城市供水不足,其中严重缺水的城市有110个,城市年缺水总量达60×108m3。为缓解此现状,近年来对调水工程进行了不同角度的研究,如梁书民等[1]从全球角度研究了全球大型跨流域调水工程及水资源农业开发潜力;卞戈亚等[2]通过建立一个二层大系统分解协调模型对水资源进行优化配置;张晓烨等[3]采用多目标粒子群算法模型研究了对河北省南水北调受水区水资源优化配置;王满兴等[4]研究了鄂北地区水资源配置工程节水体系。在目前已建成的调水工程中,南水北调工程是世界上最大的跨流域调水工程,亦是缓解我国北方地区水资源短缺、实现水资源优化配置、保障经济社会可持续发展、全面建设小康社会的重大战略性基础设施[5]。在进行水资源配置中,影响水资源分配的因素诸多,目前水资源优化配置多采用多目标、多水源、多用户的水资源优化配置模型,如社会、经济、环境、水资源量等多方面,同时中线工程涉及区域面积大,分水口数量众多,影响分水口流量因素较为复杂,因此合理准确地找到主要的、起决定性的影响因素是解决问题的关键。鉴此,本文基于2015年1月~2018年9月中线实际监测数据,从库容、灌区、地区水资源量等多个角度进行分析,得出影响中线在初期试运行阶段影响沿线水资源分配的因素。

2沿线分水口水资源分配情况

南水北调中线工程南起汉江下游湖北丹江口水库,从陶岔取水口引水,沿唐白河平原北缘、华北平原西部边缘,跨长江、淮河、黄河、海河四大流域,经河南、河北两省,北京、天津两市,最终直达北京的团城湖和天津市外环河[6],全长1432km,沿线设置64座节制闸、97座分水口和54座退水闸。沿线分水口的服务功能大致可划分为服务于农业灌溉用水和城市生活用水两类。

2.1供生活用水分水口水资源分配

中线一期工程于2014年12月12日开始通水。本文选用数据为沿线四个区域2015年1月~2018年9月,用于供生活用水各分水口实际监测数据,得到四省市水资源分配量占比随时间的变化情况(图1)、流量时间变化图(图2)及分水口各月份累计分水总量图(图3)。由图可知南水北调中线自年后对北京市水资源量的分配占比较为稳定,平均值为0.262,变化范围为(-0.073,0.081);河北省的总分水量占比在缓慢增加,最后趋于稳定;北京市和天津市的分水流量随时间变化的趋势最为接近;分水口各月累计分水总量变化趋势有很大的相似性,均呈现先上升后下降的趋势,最大分水量出现在6~10月。

2.2服务于农业灌溉分水口水资源分配情况

我国作为一个农业大国,但耕地面积却较少,占耕地面积49%的灌区农业为我国提供了超过75%的粮食产量和经济作物。随着我国迈入14亿人口大关,国家对粮食的需求量也越来越大,每年需要进口大量粮食。为了避免粮食危机,只有保障灌区基本水资源供给,才能保证灌区的基本粮食产量。因此对灌区水资源合理配置的研究也日益被重视。位于南阳市的引丹灌区为河南省粮食主产区,灌区主要粮食作物为冬小麦和水稻,灌区水资源缺乏一直是影响粮食产量的主要原因,为了缓解该地区水资源问题,为此中线工程专门修建肖楼分水口来保障引丹灌区(引丹灌区覆盖邓州市、新野县)的灌溉需水和邓州市、新野县19个乡(镇)近百万人饮水安全。结合肖楼分水口2015~2018年流量数据,得到肖楼分水口流量时间变化图(图4)。引丹灌区主要粮食作物为小麦和水稻,根据这两种农作物生长周期需水规律[7,8]并结合其种植时间和面积,大致描绘出引丹灌区冬小麦和水稻在其一个生命周期内的需水量随时间的变化曲线(图5)。结合图4,可清晰发现供水量和作物需水量存在较明显的相关性。

3影响因素分析

选取2017年10月沿线各市区累计分水量,查阅资料整理出各地区对应的人口总数、地区经济总产值、地区水资源总量、地区供水的主要来源以及地区多年平均降雨量和蒸发量(表1)。南水北调工程主要是缓解水资源时空分配不均匀,通过跨流域调水来支持地区经济的可持续发展,为京津冀地区协同发展注入重要动力引擎。跨流域调水、调水量多少则主要是供需之间的关系供需平衡,现在的水资源分配理念更加科学合理,打破以往传统的以需定供或以供定需的原则,采用从供、需两个方面同时考虑,从而更加科学、合理、可持续。影响沿线地区分水口水资源分配的因素是多样的、复杂的,且存在相互影响,本文从六个方面对南水北调中线沿线水资源配置影响因素进行分析。(1)供水角度(即水库库容量角度分析)。丹江口水库的库容量是因流域降雨量的变化而变化,该流域降雨量主要集中在5~8月,冬季降雨量少。结合图3,自2015~2018年,干渠水资源时间分布逐渐形成规律,尤其是2016年后,水资源随时间大致呈现先增后减,且大流量时间段为6~10月,且与丹江口流量站年际入库流量趋势与中线工程年际输水趋势相同。因此从供需关系分析,水库库容量是影响水资源供给量的主要因素。(2)冰冻期河道安全运行角度。结合图3分水口各月累计分水总量变化曲线,自2016年后,沿线水资源供给随时间变化规律逐渐清晰,每年12月~次年2月,干渠流量减少明显,对沿线地区水资源分配亦对应减少,导致此现象的原因主要是该时期为我国北方河道结冰封冻期。为保障河道安全,必须适当减小干渠流量。对于调水工期冰期水资源安全调度和安全防控,近年来周梦等[9,10]对调水工程在冰期存在的安全隐患及提出了相应的措施。但这些措施还未完全在中线工程实施,因为在河道封冻期主要手段还是通过减小干渠流量来保证河道安全运行,冰期将在未来一段时间持续影响干渠供水能力。(3)城市的发展地位角度。由图1可知,自通水后,特别是2015年北京市水资源分配量占比远高于其他三省、市;由表1也可发现,北京市与天津市、河南省、河北省相比,其供水量占比也是最稳定的,月平均占比0.262,变化幅度为(-0.073,0.081)。北京市水资源分配呈现此结果其主要原因是北京为国家首都,在京津冀协同发展框架中起着龙头的作用,经济发达、人口众多,对于京津冀乃至于整个国家的发展均具有重要的地位,因此在考虑水资源分配水时,北京作为重要城市具有优先供水的原则。(4)人均水资源占有量角度。根据表1,对北京市、天津市和郑州市这三个大型或较大型城市分析,发现这三个地区缺水均较为严重,在进行水资源分配时,人均水资源占有量也是一个重要的考虑因素,人均水资源越少,分配水资源量则越多。(5)人口数量角度。分析北京市、天津市、石家庄市和郑州市的分水流量变化(图2),发现每年1~2月期间,分水流量减小,2~3月开始增加。通过对地区人口统计发现,这些地区经济发达或较发达,高等院校较多,务工人员也多,而1~2月期间为我国传统的春节,务工人员返乡和学生放寒假,导致城市人口减少明显,从而生活需水量也减少。因此对于同一地区,人口数量也是影响水资源分配的一个重要因素。(6)灌区需水量角度。引丹灌区是中线工程途经的最大的粮食主产区,为了保障灌区粮食安全,灌区水资源分配必须得到基本的保障,通过实测数据发现,自2015年初,大多数分水口还未运行时,服务于引丹灌区的肖楼分水口即开始向灌区供水,且在沿线97座分水口中,肖楼分水口分水流量最大,单个分水口累计分水量最多,且累计水资源分配量呈递增趋势。疫情发生至2020年3月,南水北调中线工程已向引丹灌区输水6836.36×104m3,保障了冬小麦返青灌溉和保障灌区春耕。2020年度计划向引丹干渠供水总量达6×108m3,保障灌区粮食产量。因此灌区需水量是影响中线工程水资源分配的一个重要因素。同时结合图4、5,得出灌区年际需水变化与其种植粮食作物生命周期内需水量、粮食作物种植面积有较为明显的相关性。

4结论

a.影响水资源分配的因素主要为库容量、干渠流量、水资源分配量、人口数量、城市发展地位、冰期河道封冻、农业灌区需水量等。b.本文研究仅采用单一变量进行分析,考虑因素还不够全面,影响水资源分配的因素众多,相互作用、关系复杂,因此未来可从多目标角度,通过建立水资源优化配置模型进行分析。