新戰略與規劃工程下的黃河流域未來水資源配置格局研究

劉柏君，彭少明，崔長勇

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

黃河流域以我國2%的河川徑流量承擔著15%耕地面積和12%人口的需水，同時肩負外流域調水需求。鮑振鑫等[1]研究發現，1956-2016年間除黃河源區徑流變化不明顯外，黃河流域徑流整體呈現顯著的減少趨勢，流域下游徑流減少最為顯著。吳晗等[2]分析發現，源區氣溫呈現上升趨勢，降水變化不明顯；同時，叢培月等[3]研究得出降水和氣溫是影響黃河徑流一致性的主要因素；劉紅珍等[4]、馬柱國等[5]認為，黃河流域徑流受到全球變暖和人類活動的直接影響。由此，氣候變化與人類活動的影響使得黃河水資源供需形勢越發緊張[6-9]，缺水成為黃河未來面臨的巨大挑戰之一[10-11]。近些年，學者們對黃河開展了多方面研究。如周鴻文等[12]通過建立黃河流域耗水系統評價模型，對影響流域耗水的因素進行了評價分析；Luo等[13]采用基于灰色信息環境的兩階段智能模型評估了黃河寧蒙河段冰災害風險；韓艷利等[14]分析了黃河重要水功能區水質特征與變化趨勢；汪銀龍等[15]構建了黃河中游板澗河和毫清河流域等無資料地區SWAT模型，月徑流模擬結果良好。可以看出，針對黃河的研究主要集中在徑流模擬、水庫調度、水沙關系、水資源承載力評價方面，而關于流域水資源配置格局的研究仍有缺失[16-19]。

隨著黃河流域生態保護和高質量發展與流域城市群發展戰略的陸續提出[20-21]以及南水北調西線工程、古賢和黑山峽水庫工程的深入論證[22],使黃河流域水資源配置格局面臨著全新的形勢。解析面向黃河的新戰略和水利工程規劃，分析其給流域水資源帶來的可能影響，從而基于黃河未來水資源供需形勢，提出全新的水資源配置思路，探究黃河流域未來水資源配置格局，對流域水資源管理和水量精細化調度具有重要意義。

2 黃河流域概況及其水資源配置格局現狀

2.1 黃河流域概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，位于東經95°53′～119°05′，北緯32°10′～41°50′之間，流經青、川、甘、寧、蒙、陜、晉、豫、魯等9省(區)，干流河道全長5 464 km，流域面積79.5×104km2(包括內流區4.2×104km2)。其中，河口鎮(內蒙古托克托縣)以上為黃河上游流域，面積42.8×104km2，干流河長3 472 km，是黃河徑流的主要來源區；河口鎮至桃花峪(河南鄭州市)區域為黃河中游流域，面積34.4×104km2，干流河長1 206 km，是黃河洪水和泥沙的主要來源區；桃花峪以下區域為黃河下游流域，面積2.3×104km2，干流河長786 km。黃河流域概況與主要控制斷面見圖1。

圖1 黃河流域概況與主要控制斷面

2.2 水資源配置格局現狀

黃河流域現有水資源配置格局的基本依據為國務院1987年頒布的《黃河可供水量分配方案》(“八七”分水方案)[23]，其采用1919-1975年系列年徑流量580×108m3作為黃河天然徑流量，分別以1980和2000年為現狀年和水平年，按照優先保證人民生活用水和國家重點建設的工業用水、保證黃河下游沖沙入海水量、適度發展引黃灌溉、黃河航運與漁業用水水量相機發展、黃河水資源開發利用上-中-下游兼顧、工農業取用地下水規模保持現狀等原則制定出的沿黃各省用水分配方案可見表1。“八七”分水方案分配河道外耗水量370×108m3，河道內水量210×108m3，分配比例為64 ∶36。在河道外耗水量370×108m3中，上中下游分別配置127.1×108、121.5×108、121.4×108m3，上、中、下游分配比例為34 ∶33 ∶33；干支流分別配置264.90×108、105.1×108m3，干支流分配比例為72 ∶28；流域內外分別配置260.6×108、109.4×108m3，流域內外分配比例為70 ∶30[23]。

表1 沿黃各省用水分配方案(“八七”分水方案)

當前，黃河流域初步形成了多源豐枯互補、大中小微并舉的供水工程體系，為流域及下游引黃地區800×104hm2農林牧灌溉、50多座大中城市、420個縣(旗)、黃河中上游能源基地、中原和勝利油田提供了水源保障。分析發現，黃河流域2001-2016年天然徑流量為461×108m3，其中河道外地表水耗水量為299×108m3，入海水量為162×108m3，比例達65 ∶35。河道外上中下游耗水量分別為127×108、67×108、105×108m3，比例為43 ∶22 ∶35；流域內與流域外耗水量分別為202×108、97×108m3，比例為68 ∶32。由此可知，現狀黃河流域水資源配置基本維持黃河“八七”分水方案的分配比例關系。

3 黃河流域新戰略與規劃工程研究

3.1 新戰略解析

(1)2019年9月，中國針對黃河流域提出了“黃河流域生態保護和高質量發展”新戰略，將水資源作為最大剛性約束是其最為核心的內容[20-21]，因此，最大剛性約束可做如下解釋：流域經濟社會需要以水資源量為剛性約束條件進行發展，即要防止和糾正過度開發水資源，倒逼發展規模、結構、布局的優化，換言之，在明確流域各地可用水量基礎上，通過充分節水，厘清不同行業用水的控制性指標，即根據可用水資源量和用水定額，提出不同區域生活、工業、農業控制性用水量，以此為約束，最終實現水資源、社會、經濟、生態、環境的多維均衡。與西部大開發、一帶一路戰略相比，黃河流域生態保護和高質量發展戰略更具有約束性、均衡性、保護性，不再單純地提倡快速發展，而是凸顯了在水資源剛性約束下進行社會-經濟-生態-環境的一體化可持續發展。(2)蘭州-西寧、寧夏沿黃經濟區、關中平原、呼和浩特-包頭-鄂爾多斯-榆林、太原平原 、中原經濟區等城市群發展戰略[24-25]。面向黃河流域的城市群發展新戰略解析如圖2所示。

圖2 黃河流域城市群發展新戰略解析

綜上可知，節約集約利用水量，加強生態環境保護，加強城市一體化發展，以水資源量優化國土資源規劃，基于水資源可利用量確定城鎮發展規模、農業灌溉面積、工業發展速度、能源發展規模等指標，提高區域水資源配置能力，深入研究外流域調水可行性等是影響黃河流域未來水資源配置格局的主要因素。通過戰略的逐步實施，黃河流域可用水量會有所增加，流域生態環境能得到有效改善，流域人口與城鎮分布會更為合理，不同產業發展規模、速率會得到優化。但由于黃河流域天然來水量不足，推動黃河干流控制性水庫與南水北調西線工程建設對戰略實施效果具有重要保障作用。

3.2 規劃工程分析

黃河流域規劃的主要工程有南水北調西線，古賢、黑山峽等大型調蓄水庫(見圖1)。南水北調西線是國家“四橫三縱”水資源配置格局的重要組成部分，可將長江水資源調至黃河流域，工程擬從金沙江、雅礱江、大渡河3條河流調水，擬定多年平均年調水總量為80×108m3。

規劃的古賢水利樞紐工程地處黃河大北干流磧口至禹門口河段，壩址位于壺口瀑布上游約10 km處，左岸為山西省吉縣，右岸為陜西省宜川縣，是一座以防洪減淤為主，兼顧發電、供水和灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。古賢水利樞紐工程總庫容134.6×108m3，其中防洪庫容12×108m3，調水調沙庫容20×108m3，攔沙庫容93.6×108m3，水庫正常蓄水位627 m，死水位588 m。

黃河黑山峽河段地處甘肅、寧夏交界處，全長71 km，規劃的黑山峽水庫地處黑山峽出口向上2 km處，以反調節、防凌、防洪為主，兼顧供水、生態灌溉、發電等作用[26]。水庫正常蓄水位1 380 m，總庫容114.8×108m3，主要向寧夏中部和賀蘭山東麓、陜西北部、內蒙古鄂爾多斯和阿拉善、甘肅民勤等區域供水，近期與遠期分別規劃生態灌區40×104hm2和125×104hm2，同時為黑山峽區域生活及能源工業供水[26]。

通過分析，1919-1975年系列黃河多年平均徑流量580×108m3；1956-2000年和1956-2010年系列徑流量相比1919-1975年系列分別減少45×108m3(減幅7.8%)和97.6×108m3(減幅16.8%)。未來由于氣候變化和黃土高原水土保持等影響，黃河河川徑流量可能繼續減少，南水北調西線工程是為彌補黃河天然來水較少的缺陷、進一步增加流域可用水資源量而規劃。

同時，黃河流域徑流時空分布不均，汛期7-10月徑流量占全年的57.9%，而用水主要集中在非汛期，占全年的65%。蘭州以下徑流量占全河的33.5%，用水占全河的93%，來水與用水在地區和時間上不相適應。當前，黃河干流僅有龍羊峽一座多年調節水庫，龍羊峽水庫以下2 877.5 km的上中游河段有劉家峽、小浪底兩座不完全年調節水庫，調節庫容為86×108m3，豐水年和豐水期攔蓄水量能力有限。古賢、黑山峽等水庫就是為了提升流域水資源時空調配能力，進一步加強流域水資源精細化調度。

4 未來黃河流域水資源配置格局研究

4.1 黃河流域社會經濟變化特征分析

黃河流域1953年人口約4 100萬人，至1980年增至8 177萬人，人口平均年增長率為2.59%。1980年以后，人口增長速度有所減緩，至2016年人口平均年增長率為1.06%。2016年黃河流域總人口為11 957萬人，占全國總人口的8.6%，全流域人口密度為150人/km2，高于全國平均值144人/km2；其中城鎮人口為6 421萬人，城鎮化率為53.7%。流域人口從1980年的8 177萬人增加到2016年的11 957萬人，36年來增加了3 780萬人。1980-2016年黃河流域人口變化特征見表2。

表2 1980-2016年黃河流域人口變化特征

注：表中人口年均增長率均以相鄰上一計算年份為基準。

此外，2016年黃河流域GDP為41 275×108元，為1980年(“八七”分水方案基準年)的45倍，年均增幅11.2%，其中30年來工業增加值增加了50倍。黃河流域各省(區)GDP變化特征雷達圖分析結果見圖3。圖3顯示，2016年流域內甘肅、山西、青海等省區GDP較1980年略微減少，流域內河南、陜西、山東、寧夏、內蒙古等省區GDP較1980年略微增加。

另外，黃河流域農田有效灌溉面積從1980年的4.33×106hm2，增加到2016年的5.58×106hm2，增長率達28.9%。1980-2016年黃河流域農業、工業和生活用水結構分布見圖4。圖4表明，流域1980年農業用水、工業用水、生活用水比例分別為87.0%、7.9%、5.1%，其2016年相應用水比例分別為71.7%、16.8%、11.5%。

圖3 2016與1980年相比黃河流域各省(區)GDP變化特征

4.2 未來水資源供需分析

基于已有研究成果[27-28]，預計農田灌溉水利用系數提高到0.61，工業用水重復利用率達到95.6%，公共供水管網漏損率控制在9%，由此計算黃河流域毛節水(用水節水)潛力為32.9×108m3，其中農業為28.5×108m3，工業和城鎮生活為4.4×108m3；按耗水量核算，黃河流域凈節水潛力為24.5×108m3，其中農業為21.5×108m3，工業和生活為3.0×108m3。同時，預計2016-2035年黃河流域GDP將以4.8%的年均增長率穩步發展；2035年總人口達13 249萬人，城鎮化率達到70.9%，規劃發展農田灌溉面積0.49×106hm2，農田灌溉面積達到約6.07×106hm2。考慮到2016年黃河流域河道外總需水量為492.87×108m3，采取強化節水措施，預測黃河流域2035年河道外總需水量為548.22×108m3(見表3)，年增長率為0.56%。

圖4 1980-2016年黃河流域農業、工業和生活用水結構分布

表3 黃河流域2016年河道外需水量及其2035年預測結果

在充分考慮黃河流域節水潛力的前提下，預測2035年黃河流域內多年平均需水量為548.22×108m3，流域內國民經濟缺水量為133.09×108m3，缺水主要集中在龍羊峽至蘭州區間、蘭州至河口鎮區間、龍門至三門峽區間、花園口以下，缺水率分別為19.4%、32.2%、19.0%、27.7%(如表4所示)。缺水行業主要集中在生活和工業，生活和工業缺水量為84.00×108m3。

表4 黃河流域2035年供需平衡預測分析

4.3 未來黃河流域水資源配置格局探究

未來黃河流域水資源配置思路變為：以可用水量合理規劃城市群人口、城市和產業發展規模，控制用水過快增長；嚴格控制青銅峽、河套、寶雞峽、汾渭平原、下游引黃等灌區(灌區分布見圖1)灌溉規模，調整種植結構，推進適水種植；對甘肅、寧夏、內蒙古及山東等超指標用水省(區)，暫停新增取水許可，推行用水總量控制方案。因此，以規劃工程生效前后探究未來黃河流域水資源配置格局。

(1)規劃工程生效前。甘肅、寧夏、內蒙古及山東等省(區)存在超年度分水指標現象，水量統一調度以來年均超年度指標32.2×108m3，其中山東省年均超年度指標14.9×108m3。因此，規劃工程生效前，黃河流域水資源配置應把水資源量作為最主要的剛性約束，合理分配水量、管住用水，確保河道不斷流、水質不超標，保障黃河年均入海水量不低于150×108m3。

(2)規劃工程生效后。南水北調西線工程以及黑山峽和古賢水庫生效后，構建“三線梯級、聯調聯供、節水充分、補短強管”的黃河流域水資源配置格局。“三線梯級”指構建以南水北調西線、中線、東線和黃河干流龍羊峽、劉家峽、黑山峽、古賢、三門峽、小浪底等6座控制性梯級調蓄水庫組成的流域水資源配置工程體系；“聯調聯供”指通過“三線梯級”工程體系，強化黃河干流水資源精細化調度，優化河道水量時空分布，實現蘭州、頭道拐、潼關、花園口、利津等主要斷面過流需求，保障年均入海水量不低于200×108m3；“節水充分”指強化農業節水，加強灌區、企業節水改造，加大再生水、集蓄雨水、微咸水等非常規水源利用水平；“補短強管”指搭建大氣-陸地一體化水文水質監測網絡，嚴格監督考核，完善黃河干支流水量統一調度體系，細化分水，科學用水。

5 結 論

本文通過解析面向黃河流域的新戰略和規劃水利工程，分析其給流域水資源帶來的可能影響，從而基于黃河未來水資源供需形勢，探討了黃河流域未來水資源配置格局，主要結論如下：

(1)2035年，在黃河流域充分挖掘節水潛力情況下，流域內國民經濟缺水量為133.09×108m3，黃河水資源供需情勢仍不容樂觀。

(2)規劃中的水利工程生效前，黃河流域水資源配置應把水資源量作為最主要的剛性約束，合理分配水量、管住用水，重點保證黃河年均入海水量不低于150×108m3。

(3)在水資源剛性約束下，結合流域城市群發展要求，規劃的水利工程生效后，黃河可通過構建“三線梯級、聯調聯供、節水充分、補短強管” 的流域水資源配置格局，重點保證蘭州、頭道拐、潼關、花園口、利津等主要斷面過流量需求，保障年均入海水量不低于200×108m3。

(4)構建大氣-陸地一體化水文水質監測體系、加強節約集約用水、水量精細化調度、均衡配置水資源是未來黃河流域實現“強監管補短板”的重要手段。