基于水資源系統可持續性的南水北調進京規模分析

劉寒青，劉 靜，趙建世，李海紅，趙 勇，王麗珍，龍愛華

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.清華大學水利水電工程系，北京 100084)

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是社會經濟發展的基礎支撐[1]。水資源系統可持續性狀態是關系到水資源能否保障社會可持續發展的重要依據，采用科學合理的評價指標，定量分析水資源系統的可持續性，能為缺水地區的水資源綜合管理提供科學依據，對有效規避水資源短缺風險、促進社會經濟可持續發展與生態環境的良性循環具有重要意義[2-5]。為此，國內外眾多學者圍繞水資源系統可持續性開展了大量研究。Loucks[2]提出可持續的水資源系統是指在設計和管理上能夠滿足現在和未來的社會目標，同時保持其生態、環境和水文完整性的系統；王麗珍等[6]結合自然、社會、經濟和環境系統的可持續性構建了區域水資源可持續性評價指標體系，引入模糊集理論與層次分析法對北京市1989—2008年的水資源系統可持續性進行了評價；鄭德鳳等[7]基于水資源可持續度概念，應用壓力-狀態-響應模型構建了區域水資源系統可持續能力的評價指標體系，采用主成分分析法對遼寧省2003—2013年的水資源系統可持續能力進行了評價；李玉龍等[8]基于系統協同視角，構建水資源系統可持續發展的協同測度模型，引入社會網絡分析方法探討了北京市2008—2016年的水資源系統可持續發展的協同程度。以往關于水資源系統可持續性的研究多側重于概念內涵的解析、評價方法及其評價指標體系的構建等，在應用研究方面的視角相對單一，大多為對區域水資源系統的歷史與現狀可持續性狀態進行評價[9-15]，很少有研究對區域未來水資源系統可持續性狀態進行預判，將水資源系統可持續性分析與區域水資源安全保障方案等規劃研究相結合。鑒于此，本文基于水資源供需平衡分析對區域未來水資源系統可持續性狀態進行評估，并從水資源系統可持續性的角度探討區域未來水資源安全保障問題，以拓展水資源系統可持續性研究的應用，豐富水資源安全保障方案研究的視角。

北京屬于水資源嚴重短缺的特大城市，自20世紀50年代以來，多次出現嚴重的水危機[16]。為保障北京市供水安全，2014年12月南水北調中線工程正式通水，平均每年向北京市供水10.5億m3，初步緩解了北京市的缺水狀況。然而，隨著北京市人口的持續上升、經濟的快速發展以及生態建設目標的不斷提高，城市需水逐年攀升，而本地水資源條件難以得到改善，水資源供需矛盾日益突出，北京市未來水資源安全保障形勢依然嚴峻[17]。因此，分析北京市水資源供需平衡并對北京市未來水資源系統可持續性做出合理的評價，對于北京市水資源綜合管理、南水北調工程的規劃與調整具有十分重要的現實意義。本文在考慮水資源系統不確定性和復雜性的基礎上，針對北京市2025年多種人口發展與生態建設情景，研究不同水資源供需方案下北京市水資源系統的可持續性及其與南水北調規模的關系，以期為北京市需水管理與南水北調后續工程規劃提供參考。

1 水資源系統可持續性評價指標

目前國際上最具權威性、代表性的水資源系統可持續性評價指標是由Loucks提出、Sandoval-Solis改進的可持續性指數Is，它是衡量水資源系統可持續性的綜合指標，主要基于可靠性、彈性和脆弱性等性能指標，在充分考慮水資源短缺和氣候變化的條件下突出強調水資源系統的適應能力，可用于評估和比較不同供需情景下的水資源綜合管理方案，尤其適用于水文變化與氣候變化條件下的水資源系統可持續性評價[2,18-19]。

a. 可靠性D是與水資源短缺風險相對的概念[20]，為模擬期內(長時間系列)可供水量滿足需水量的概率，可表示為需水得到滿足的年份數與模擬期總年份數之比：

(1)

式中：Te為不發生缺水的年份數；T為模擬期總年份數。計算某年份的可靠性指數時將該年份的需水量與模擬期內各年份可供水量進行比較，可供水量滿足需水量的年份數與總年份數之比即為該年份的可靠性指數。

b. 彈性R是模擬期內不發生連續缺水的概率，表征水資源系統從缺水狀態恢復到正常狀態的能力：

(2)

其中

N=m-n

式中：N為連續2年缺水的次數；m為連續缺水時段的總年份數；n為模擬期內連續缺水時段數(連續缺水年份為2年或以上的時段)。

c. 脆弱性V代表模擬期內系統平均缺水程度，可表示為平均缺水量與需水量之比：

(3)

式中：Td為發生缺水的年份數；St為模擬期內年份t的缺水量；X為需水量。某年份的脆弱性指數即為模擬期的平均缺水量與該年份的需水量之比。

可持續性指數Is可表示為可靠性、彈性和脆弱性3個指標的幾何平均值，能綜合反映水資源系統的穩定性與恢復調節能力[18]：

Is=[DR(1-V)]1/3

(4)

2 北京市未來水資源系統可持續性分析

2.1 水資源供需分析

2.1.1水資源需求

水資源需求分析包括生活、工業、農業、生態需水預測4個方面。考慮北京市未來人口規模與城市生態建設的不確定性，在進行生活、生態需水預測時設置了不同人口發展情景與生態建設目標，不同需水方案下北京市2025年需水預測結果如表1所示。

表1 北京市2025年需水預測Table 1 Water demand forecast of Beijing in 2025

a. 生活需水。生活需水預測采用定額法。考慮北京市2025年人口的不確定性，共設置兩種人口發展情景，情景1為實施人口嚴控政策下的人口發展，根據《北京城市總體規劃(2016—2035年)》(以下簡稱《總體規劃》)設定情景1的人口規模為2 300萬人；情景2為人口自然發展狀態，基于北京市2001—2016年的人口統計數據，采用灰色Verhulst模型進行人口預測[21]，據此設定情景2的人口規模為2 500萬人。參考《北京市“十三五”時期節水型社會建設規劃》與北京市節水型區創建指標標準中對于人均生活用水量的設定，北京市2025年人均生活用水定額采用220 L/d。兩種人口發展情景下的生活需水量分別為18.52億m3和20.13億m3。

b. 工業需水。依據《總體規劃》《北京市“十三五”時期水資源保護與利用規劃》和《北京市“十三五”時期工業轉型升級規劃》的要求，以現狀實際用水為基礎，按照工業用新水零增長、合理增加工業利用再生水量和疏解高耗水工業的規劃，預測北京市2025年萬元工業增加值用水量為7.2 m3，工業需水量穩定控制在3.56億m3。

c. 農業需水。參考《北京市“十三五”時期水資源保護與利用規劃》，采用定額法預測北京市2025年農業需水量為4.93億m3。

d. 生態需水。生態需水即人工生態環境補水，主要包括河湖沼澤補水、生態林草需水、城鎮綠地需水和環境衛生需水。分析河湖沼澤生態環境需水時，考慮河湖改善的不同目標，以《總體規劃》為基礎分別設置了初步修復(低方案)、景觀良好(中方案)、生態健康(高方案)3個生態建設目標方案，3種方案下的河湖沼澤生態環境需水量分別為15.48億m3、18.78億m3和22.48億m3；依據《總體規劃》和《北京市“十三五”時期水資源保護與利用規劃》，生態林草需水主要指百萬畝造林工程等需水1.22億m3；兩種人口規模下的城鎮綠地需水和環境衛生需水分別為1.62億m3和1.49億m3。綜合可得不同情景方案下的生態需水量為18.19億～25.32億m3。

2.1.2可供水量

北京市的可供水水源主要考慮本地地表水、本地地下水、再生水和南水北調水。在進行北京市2025年可供水量分析時，地下水、再生水可供水量可根據相關規劃規定設為定值，而地表水可供水量與南水北調水可供水量由于受北京本地與丹江口水庫來水條件的影響而具有不確定性。

a. 本地地表水。本地地表水可供水量受北京本地來水條件影響，由于未來來水不確定，北京市2025年地表水可供水量也是不確定的。本文以歷史來水條件(1956—2018年)作為未來可能發生的狀況，考慮下墊面、氣候條件等變化對降水與地表水資源量之間關系的影響，對1956—2018年地表水資源量進行系列一致性分析。由圖1可知，同量降水條件下，2000年前后時段地表水資源量相差較大，說明下墊面條件變化對地表水資源量影響較大，為更準確反映現狀下墊面情況下的地表水資源量，本文對2000年以前的地表水資源量進行一致性修正。由于北方地區水資源短缺，地表水資源開發利用率應維持在60%～70%范圍之內[22-23]，考慮北京市未來建設國際一流和諧宜居之都對生態環境質量改善的總體目標，用于河道內生態環境的用水量應相對較大，地表水資源開發利用率可取較低值60%，故本文以修正后地表水資源量的60%作為地表水可供水量，從而生成北京市2025年地表水可供水量的系列值。

圖1 北京市降水量與地表水資源量關系Fig.1 The relation between the amount precipitation and surface water resources in Beijing

b. 本地地下水。本地地下水由于近年來超采嚴重，儲存水量虧損，近期地下水以豐補欠作用難以發揮，因此按照不利情況做好水源供給準備，其可供水量取近期枯水年條件下的可供水量17億m3。

c. 再生水。隨著城市廢污水處理能力和處理標準的提高，再生水已成為北京市主要供水水源之一。2018年，北京市污水排放總量20.4億m3，污水處理率93.4%，再生水利用量10.8億m3，未來隨著城市用水量的增加和污水處理率的提高，再生水的生成量還將有所增加。結合《總體規劃》中2020年污水處理率要提高到95%、再生水利用量不少于 12億m3的要求，本文將北京市2025年再生水可供水量確定為15億m3。

d. 南水北調水。考慮南水北調水可供水量受丹江口水庫來水不確定的影響，本文在分析這一部分可供水量時考慮了丹江口水庫來水頻率為50%、75%、95%以及無南水北調水4種供水條件(以下在圖表中簡稱為“50%、75%、95%、無調水”)，依據南水北調中線一期工程的規劃設計，各頻率下的可供水量依次為10.5億m3、9.5億m3和6.8億m3。

綜上分析，可得出北京市2025年4種供水條件、6種需水方案下的水資源供需情況。由于未來北京本地來水的不確定性，本文將根據歷史水文系列(1956—2018年)計算的地表水可供水量系列值作為北京市2025年可能獲得的63種地表水供水量，因此每種供水條件對應一組可供水量系列值(即63個值)。在進行北京市2025年水資源供需平衡分析時，將各種需水方案下北京市2025年的需水預測值與各種供水條件下的可供水量系列值進行逐一比較，進而基于水資源供需平衡分析計算水資源系統可持續性評價指標。這種充分考慮水文系統不確定性和波動性的分析方法，更能體現水資源可持續性的內涵，即水資源系統在應對環境變化時的適應能力。

2.2 水資源系統可持續性評價

對北京市2025年水資源系統可持續性進行評價，分析不同供水條件和需水方案下北京市未來水資源安全保障形勢。基于北京市2025年水資源供需平衡分析，采用水資源系統可持續性評價指標，計算得到不同供水條件與需水方案下北京市2025年水資源系統可靠性、彈性、脆弱性，進而得到水資源系統可持續性指數，計算結果如表2所示。

表2 北京市2025年水資源系統可持續性指標Table 2 Sustainability indicators of water resources system in Beijing in 2025

為了直觀表明水資源系統可持續性狀態，利用Quick Cluster過程(快速樣本聚類)對表2中各指標進行聚類[24]，劃定“好、較好、中等、較差、差”5類評價等級(等級劃分標準見表3)，不同供水條件與需水方案下北京市2025年水資源系統可靠性、彈性、脆弱性與可持續性的等級情況如圖2所示。由圖2可以看出，在無南水北調水的情況下，各種需水方案下各類評價指標等級均為“差”，南水北調水進京后，北京市未來水資源系統可持續性總體有所改善，但在較高需水方案下或丹江口水庫遭遇特枯水年時，北京市水資源系統可持續性狀況普遍不好，其中水資源系統可靠性在3類分項指標中表現相對更差，且對水資源系統可持續性狀態影響較大，表明水資源短缺風險是影響北京市未來水資源系統可持續性較為關鍵的因素。

表3 可持續性指標評價等級劃分Table 3 Evaluation grade classification of sustainability indicators

(a) 可靠性

(b) 彈性

(c) 脆弱性

(d) 可持續性指數圖2 北京市2025年水資源系統可持續性評價Fig.2 Sustainability evaluation of water resources system in Beijing in 2025

從不同需水方案來看，不同人口規模對水資源系統可持續性的影響相對較小，即方案Ⅰ與Ⅱ、Ⅲ和方案Ⅳ、Ⅴ與Ⅵ的各類指標等級相差較小，而不同生態建設方案對水資源系統可持續性的影響較大，即方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ之間以及方案Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ之間各類指標

等級相差相對較大。這主要是因為北京市人口發展已經進入緩慢增長甚至停滯不前的狀態，人口自然發展狀態與人口嚴控政策下的人口規模相差不大，因而不同人口發展情景下北京市未來水資源系統可持續性狀態相差不大；而在當前生態文明建設的背景下，不同生態建設發展階段的生態需水差異較大，因此未來北京市水資源系統可持續性狀態能否支撐高目標生態建設是一個值得關注的問題。在當前南水北調中線一期工程調水規模下，北京市2025年水資源系統可持續性僅在低目標生態建設方案下可達到“較好”或“好”的狀態，而在高目標生態建設方案下處于“差”或“較差”的狀態，說明南水北調現有調水規模難以很好地支撐北京市未來高目標生態建設。若要滿足北京市未來建設國際一流和諧宜居城市對生態用水的需求，保障較高需水方案下北京市2025年水資源系統的可持續性，則需進一步增大南水北調調水規模。因此，未來應在科學制定需水方案的基礎上合理增大南水北調調水規模，提升北京市水資源安全保障能力，實現首都水資源可持續發展。

從3種不同南水北調供水條件來看，南水北調調出區來水的豐枯情況對北京市水資源系統可持續性會產生較大的影響，尤其是當丹江口水庫來水頻率為95%時，北京市水資源系統可持續性指標Is出現了降級，且無論未來在何種需水方案下，北京市水資源系統可持續性都無法達到“較好”或“好”的狀態，這一方面體現了南水北調水在北京市水資源安全保障中的重要性，同時也可在一定程度上反映出北京市供水對南水北調水的依賴性，且這種依賴性勢必會隨著南水北調供水占比的增加而增強，因此在考慮增大北京市未來南水北調調水規模時，應注意提升承接調蓄南水北調水的能力，加強水資源應急保障措施，提高應急和戰略儲備能力，以保障丹江口水庫遭遇特殊干旱期時北京市的供水安全。

3 南水北調調水規模分析

南水北調是解決北京市水資源短缺問題的重要措施[14,25]，而由上文分析可知南水北調現有調水規模難以使北京市未來在較高需水方案下達到水資源系統可持續性較好的狀態，因此需進一步分析南水北調調水規模對北京市未來水資源系統可持續性的影響。圖3為不同需水方案下北京市2025年水資源系統可持續性隨南水北調調水規模的變化情況，水資源系統可持續性達到不同狀態時南水北調調水規模閾值如表4所示。

圖3 南水北調調水規模與北京市2025年水資源系統可持續性關系Fig.3 The relation between the scale of SNWD and the sustainability of water resources system in Beijing in 2025

表4 北京市2025年南水北調調水規模閾值Table 4 The threshold value of the scale of SNWD in Beijing in 2025

研究結果表明，當南水北調調水規模為9.6億m3時，即可保證2025年北京市在最低需水方案(方案Ⅰ)下達到水資源系統可持續性“好”的狀態，說明南水北調中線一期工程的調水能力能滿足北京市2025年的最低需水方案，但不能使其他需水方案達到水資源系統可持續性“好”的狀態；當南水北調調水量大于16.6億m3時，即可保證實施人口嚴控政策、高目標生態建設方案(方案Ⅴ)下北京市2025年水資源系統可持續性達到“好”的狀態，而南水北調中線一期工程現有調水能力只能使該需水方案下的水資源系統可持續性處于“差”的狀態，說明未來需要進一步增大南水北調調水規模來保障高目標生態建設方案下北京市水資源系統的可持續性；當人口發展突破嚴控規模且實施高目標生態建設方案(方案Ⅵ)時，則需將南水北調調水量提高至18.3億m3才能保證在最高需水方案下水資源系統可持續性達到“好”的狀態，因此在研究南水北調調水規模時，應考慮工程實際情況制定合理的需水方案，對人口發展及生態建設作出科學的規劃。此外，由圖3可以看出，當水資源系統可持續性處于“差”或“較差”狀態時，水資源系統可持續性指數隨調水規模的增大呈現緩慢增大的趨勢，當水資源系統可持續性達到“中等”狀態后，調水規模增加1.2億m3則可使水資源系統可持續性達到“好”的狀態，即在水資源系統可持續性處于“中等”水平時，增加少量南水北調調水量即可使水資源系統可持續性發生質的飛躍，相關決策者在進行南水北調后續工程規劃時可充分考慮這一特性。

4 結 語

本文基于水資源系統可持續性評價方法研究北京市南水北調調水規模，從水資源系統可持續性的角度探討北京市未來水資源安全保障，與傳統的水資源保障方案研究相比，不只是考慮未來某一時期的水資源供需平衡，更多地考慮了水資源系統在不確定條件下的可持續發展狀況，因此，本研究可為支撐北京市社會經濟可持續發展的水資源保障方案研究提供一個新視角。另需強調的是，實際南水北調調水規模與水資源保障方案的研究需要考慮的現實因素非常復雜，本研究主要從思考角度與定性認識上為北京市未來需水管理與南水北調后續工程規劃提供一定的參考依據。