基于高質量供需平衡的區域水資源優化調控方案
——以京津冀地區為例

肖 雪，李 清 清，陳 述

(1.長江科學院 水資源綜合利用研究所，湖北 武漢 430010； 2.長江科學院 流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

水資源供需分析是水資源保護利用的基礎。通過分析區域供水、用水狀況和發展趨勢，揭示供需之間的矛盾，在維護生態環境的前提下，提出保證水資源安全供應的方案和措施，使水資源的開發利用獲得最大的經濟社會效益和環境效益，對改善生態環境和保障經濟社會可持續發展都具有重要的意義。

目前，水資源配置和調控方面的研究主要集中在理論方法[1-3]和模型建立[4-6]、優化配置與平衡對策[7-9]等方面。其中，游進軍等[10-11]總結了現有水資源供需分析工作中存在的問題，并提出了新形勢下水資源供需形勢分析的總體思路和主要任務；同時，針對黃河流域未來發展面臨的供需矛盾，提出了調控的對策建議。王宗志等[12]針對水資源常規配置中供需分離、配置與調度不結合的問題進行了研究，建立了流域水資源供需雙側調控模型；并以南四湖流域為例提出了水資源優化調度和配置方案。張詩倩等[13]在對山東省水資源狀況和利用情況進行研究的基礎上，采用系統動力學構建了水資源供需分析模型，并提出了經濟社會發展和水資源可持續利用的方案。彭少明等[14]分析了黃河徑流演變及流域供用水變化特征，在此基礎上，提出了新發展戰略下流域水資源供需態勢與對策。

新時代的治水思路要求“把水資源作為最大的剛性約束”，對水資源供需分析提出了更高的要求。具體表現為：在需求側抑制不合理的用水需求，倒逼發展規模、發展結構、發展布局優化，確保經濟社會發展不超過水資源承載能力；在供給側強化供水保障，充分挖掘供水潛力，合理配置各類水資源，優化供水水源結構，以滿足經濟社會高質量發展的剛性合理用水需求；最終實現高質量供需平衡，使得水資源配置格局與經濟社會發展相適應。本文通過開展水資源供需雙向調控分析，來探索可持續發展的高質量水資源供需平衡方案，并以京津冀地區為研究對象，對區域水資源供需情況進行全面具體的分析，基于分析結果，提出了基于高質量供需平衡的區域水資源優化調控方案及其實現對策和措施。本文研究成果可為加強區域水資源優化配置和科學調度、實現區域水資源供給與社會經濟發展相適應提供科學合理的參考。

1 供需分析與優化調控思路

1.1 需求側分析與調控

在一般供需分析中，未來用水需求主要是根據經濟社會發展布局和相關產業政策、符合節水要求的用水定額標準等進行預測。為了發揮水資源剛性約束的作用，用水需求分析應在充分節水的基礎上來進一步劃分層次，從而才能充分體現水資源利用的節約高效和用水需求的合理剛性。

(1) 在需水分析中體現充分節水，就是在進行區域水資源供需分析和配置方案的制定時，在對現狀節水水平進行評價的基礎上深挖節水潛力，對規劃水平年需水定額進行管控，建立與區域特點和經濟社會發展水平相適應的節水標準和用水定額指標，以抑制需求過快增長。

(2) 需水合理剛性主要是根據不同用戶的重要性來區分合理性需求和剛性需求。現狀用水存在合理與不合理之分，而規劃需求就必須遏制不合理的用水需求。進行需水預測時，將合理用水需求進行層次劃分，主要劃分為剛性需求和一般合理需求兩大類。其中，剛性需水是指保障基本民生、國家重大戰略、重要生態安全的用水需求。當合理用水需求增長過快時，可通過優化調整產業結構來進行調控。

1.2 供水側分析與調控

一般在供需分析中，供水潛力主要依據工程供水能力、水資源稟賦等條件來確定。為滿足剛性約束要求，供水潛力分析要進一步考慮到水資源、水環境、水生態的承載能力。亦即在保障基本生態水量的基礎上，確定不同的水源開發利用潛力以優化供水格局。

(1) 保障基本生態水量，主要體現在通過劃定河湖生態用水的底線和水資源開發利用的上限，解決河湖過度開發和生態用水擠占的問題；此外，還應將地下水最大允許開采量作為區域地下水合理開發利用閾值的上限，防止地下水超采。即在保障河湖生態流量和地下水管控目標的前提下，充分挖掘供水潛力，保障區域經濟社會發展的合理用水在水資源承載能力范圍之內。

(2) 優化水源結構，主要體現在多種可利用水源在區域和用水部門間進行的優化調配。除了合理開發利用本地地表水和地下水以外，對非常規水源應考慮區域經濟技術發展水平和達到國家非常規水利用的相關要求；外調水以已建和在建的外調水工程水量分配指標為上限，應考慮工程達效并充分挖潛；通過考慮多種水源的可供水量，來對用水需求進行合理配置以提高供水保障。

1.3 高質量供需平衡分析

實現高質量供需平衡，不是簡單的供給等于需求，而是要在更高水平上實現平衡[15]。實現高質量的供需平衡的總體思路為：① 通過動態的供需雙向調控，需求端在強化節水的前提下根據不同用戶的重要性對未來用水需求進行層次劃分，確保剛性需求，滿足一般合理需求，遏制不合理需求；② 供給側在保障基本生態水量的前提下充分挖掘供水潛力，多水源聯合調配；③ 以滿足剛性合理用水需求為目標，優先保證剛性需水，保障一般合理用水需求，通過實施供需雙向調控以降低缺水量，并逐步達到高質量的水資源供需平衡。

高質量水資源供需平衡分析總體思路框架如圖1所示，與一般的水資源供需平衡分析的區別如表1所列。

圖1 高質量水資源供需平衡分析總體思路框架Fig.1 Overall analysis framework of water resources high-quality supply and demand balance

表1 高質量水資源供需平衡與一般水資源供需平衡區別

2 研究區優化調控方案

2.1 研究區概況

京津冀地區主體位于華北平原，界于北緯36°05′～42°40′，東經113°27′～119°50′之間，由北京、天津2個直轄市以及河北省組成，總面積為21.6萬km2，占全國面積的2.3%。京津冀地區主要水系為灤河水系和海河水系，多年平均地表水資源量為88.2億m3，多年平均年地下水資源量為141.4億m3，多年平均水資源總量為186.4億m3。2010～2018年，供用水總量平均值為251.7億m3，現狀地表水資源開發利用率為69%，水資源總量開發利用率高達119%，處于水資源嚴重超載狀態，長期靠超采地下水與擠占河道內的生態環境用水來滿足經濟社會發展的用水需求[16-17]。緊缺的水資源與地區經濟社會發展水平極不相關適應，是中國水資源供需矛盾最突出的地區，制約了區域社會經濟的持續健康發展。2014年底，南水北調中線工程正式通水，在一定程度上緩解了京津冀地區的水資源供需矛盾，但由于近年來本地水資源量的減少，水資源緊缺形勢依然嚴峻，供需矛盾依舊突出[18-20]。

2.2 情景設計與結果分析

綜合考慮京津冀地區協同發展的空間布局，按照“以水四定”的要求，以京津冀地區水資源環境承載能力為約束，綜合考慮不同行業用水的重要程度以及社會經濟發展狀況，對多年平均來水情形下的供需水量開展分析計算。為了實現高質量的供需平衡，分別從供水、需水兩端的優化調控進行多次平衡分析，以2018年為現狀基準年，2035年為規劃水平年，將現狀基準年和規劃水平年的區域水資源供需分析與調控設置了5種情景，具體如表2所列。

2.2.1用水需求分析與調控

京津冀地區的用水需求調控重點考慮的是保證合理的剛性需水，即在實施強化節水措施的基礎上推進產業結構優化調整。主要是通過限制高耗水產業的發展、減少高耗水作物種植等措施來抑制用水需求。

表2 京津冀地區供需雙向優化調控方案情景設計Tab.2 Scenario design of supply and demand optimal regulation schemes in Beijing-Tianjin-Hebei region

(1) 現狀基準年正常需水方案?，F狀基準年的需水量以現狀2018年的實際用水量為基礎確定。其中，灌溉需水量采用灌溉定額和有效灌溉面積計算；其他類別的需水量，則直接采用現狀2018年的實際用水量，經計算，現狀基準年的需水量為266.2億m3。

(2) 規劃水平年正常需水方案。在不考慮采取節水措施的情況下：① 生活需水量依據人口預測成果和合理的人均生活需水定額進行預測。隨著城鎮化率和居民生活水平的提高，城鎮綜合生活需水量將明顯增加，雖然農村居民生活用水定額也有所增長，但是由于農村人口的減少，其需水量將會略有下降，預測2035年京津冀地區的生活需水量為75.0億m3。其中，生活需水均為剛性需水。② 工業需水量按萬元工業增加值用水量和火電裝機規模等指標進行預測，隨著經濟發展，預測2035年京津冀地區的工業需水量為47.1億m3。其中，工業中剛性用水為扣除鋼鐵、紡織印染、造紙、石化、化工以及制革等高耗水產業的用水，納入地區市場準入清單的產業基本用水需求。③ 農業需水中的農田灌溉需水量是根據灌溉定額、灌溉水利用系數和有效灌溉面積進行測算；林牧漁業需水中的灌溉林果地和灌溉草場需水量的預測，采用灌溉定額預測的方法，魚塘補水量的預測采用畝均補水定額的方法計算得到；在此基礎上，預測2035年京津冀地區的多年平均農業需水量為156.8億m3。其中，農業需水中的剛性用水主要包括農村人口的基本口糧田和糧食主產區按照合理節水水平確定的灌溉用水。④ 河道外生態環境需水量包括綠化環衛需水以及河湖補水量，未來城鎮綠化和道路澆灑面積會增加，河湖補水面積也會增加，預測河道外生態需水量將明顯增加至47.4億m3。其中，河道外生態環境需水可將基本綠化環衛和重要河湖生態補水等作為剛性用水。⑤在不考慮進一步采取節水措施的情況下，預測2035年京津冀地區的多年平均需水總量為326.3億m3，其中剛性需水量為251.0億m3。

(3) 規劃水平年考慮強化節水和產業結構調整方案。通過采取強化節水和產業結構調整等措施抑制用水需求：① 生活需水預測時，考慮到強化節水生活用水定額有所下降，2035年京津冀地區的生活需水量為63.9億m3。② 工業需水預測時，一方面考慮到節水工藝水平的提高，規劃年萬元工業增加值用水定額不斷下降；另一方面考慮京津冀地區產業結構的調整，第二產業比重不斷下降，高耗水產業限制發展，工業需水量增長幅度較小，到2035年京津冀地區的工業需水量為31.3億m3。③ 農業需水預測時，考慮到在采取發展節水灌溉技術等強化節水措施后灌溉水的利用系數會有所提高，此外，在采取調整種植結構等措施后，京津冀地區的灌溉需水量受土地退耕休耕、改種抗旱作物、退灌等影響需水量未來將會較大幅度地下降，因此預測到2035年京津冀地區多年平均農業需水量為123.4億m3。④ 對河道外生態環境需水預測時，考慮到在加強節水措施后，到2035年的需水量為36.1億m3。⑤在考慮強化節水和產業結構調整等措施的情況下，預測2035年京津冀地區的多年平均需水總量為254.7億m3，其中，剛性需水量為228.1億m3。

2.2.2供水潛力分析與調控

京津冀地區供水端的調控措施主要是：在退還地表水擠占和地下水超采的基礎上，進行優化調配，增加非常規水源和外調水等多渠道水源，以滿足京津冀地區的協同發展剛性用水需求。

(1) 地表水可供水量。京津冀地區的現狀地表水工程取水能力已大于地表的水可利用量，為了使河道內維持一定比例的水量，解決河道內的生態用水擠占問題，需要對地表水的供水量進行控制。以水資源二級區和地級行政區為單元，通過系列調算，計算得到京津冀地區的多年平均地表水可供水量為45.9億m3，地表水開發利用率控制在52%左右。

(2) 地下水可供水量。地下水可供水量以平原區地下水可開采量為控制，考慮逐步退減地下水超采量的要求，經核算，得到京津冀地區平原區的地下水可供水量為87.9億m3。

(3) 非常規水可供水量?？紤]到規劃水平年京津冀地區的非常規水利用水平達到世界先進水平，污水處理回用率按京津冀地區平均為60%、北京達到80%計算；微咸水的利用主要分布在河北省的中東部區域，海水的利用主要分布在天津市和河北省沿海地區，在現狀利用量的基礎上，考慮工藝發展潛力，增加少量微咸水和海水的利用量，由此確定非常規水的可供水量可以達到28.0億m3。

(4) 外調水可供水量。南水北調中線一期工程于2014年建成通水，規劃向京津冀地區調水49.5億m3，其中，北京市10.5億m3、天津市8.6億m3、河北省30.4億m3(分水口門)；京津冀地區目前有5條引黃供水線路，不考慮應急供水，向河北省配置水量5.0億m3(分水口門)。規劃水平年，對于供水潛力,一方面考慮到引江補漢工程實施后中線一期工程向京津冀地區調水將會增加至63.3億m3(分水口門)；另一方面，應考慮到南水北調東線二期工程將新增調水至天津市和河北省。

2.2.3供需平衡分析

開展了不同情景下的京津冀地區供需平衡分析，分析結果如表3所列。

表3 京津冀地區供需平衡分析和優化調控結果Tab.3 The results of supply-demand balance analysis and optimal regulation in Beijing-Tianjin-Hebei region

(1) 情景1?，F狀基準年2018年，京津冀地區多年平均河道外總需水量為266.2億m3，實際供水量為250.0億m3，地下水超采量為42.0億m3，河道內生態缺水量為16.3億m3，考慮退減地下水超采和地表水擠占后可供水量為191.7億m3，合計現狀綜合缺水量為74.5億m3，缺水率為28.0%。根據供需分析結果可知：現狀年，實際綜合缺水主要表現在供水不足、超采地下水和擠占河道內生態用水等3個方面，現狀水資源供需處于嚴重不均衡狀態。

(2) 情景2。規劃水平年2035年，京津冀地區多年平均河道外總需水量為326.3億m3，在現狀供水能力達標的基礎上，考慮南水北線中線一期工程調水達到規模并加大非常規水源的利用，供水量為216.3億m3，總缺水量為110.0億m3，缺水率為33.7%?？梢姡S著經濟社會的發展，在現有供水水源結構下，京津冀地區的規劃年供水遠不能滿足用水需求，水資源供需不平衡形勢較為嚴峻。因此，應進一步從供需兩端進行優化調控以實現供需平衡。

(3) 情景3。規劃年水平年2035年，考慮通過進一步強化節水和調整產業結構進行需水預測，京津冀地區多年平均河道外總需水量為254.7億m3，在現狀供水能力達標的基礎上，考慮南水北調中線一期工程調水達到規模并加大非常規水源的利用，供水量為216.3億m3，總缺水量為38.4億m3，缺水率為15.1%。其中，剛性需水缺水量為19.2億m3，剛性缺水率為8.4%。根據供需平衡分析結果可知：在規劃年，采取強化節水和產業結構調整措施來調控用水需求，京津冀地區剛性需水仍難以得到滿足，水資源供需不能達到平衡。因此，為了滿足用水的需求，在上述方案的基礎上，應考慮增加供水水源來滿足剛性用水需求，以達到水資源供需基本平衡。

(4) 情景4。規劃年水平年2035年，考慮通過進一步強化節水和調整產業結構來進行需水預測，京津冀地區多年平均河道外總需水量為254.7億m3，在現狀供水能力達標、南水北調中線一期工程調水達到規模、加大非常規水源利用的基礎上，考慮在引江補漢工程實施后增加南水北調中線一期調水以及南水北調東線二期調水共19.2億m3來滿足剛性用水需求，供水量為235.5億m3，剛性需水缺水量為0，合理性需水缺水量為19.2億m3，缺水率為7.5%。根據供需分析結果可知：在規劃年，采取強化節水和產業結構調整、新增部分外調水進行優化調配的措施，京津冀地區的剛性需水量可以得到滿足；但其他合理需水量仍不能滿足，供需只能達到基本平衡。要滿足全部合理需水量，則需要考慮再增加調水，以實現高水平的水資源供需平衡。

(5) 情景5。規劃年水平年2035年，考慮通過進一步強化節水和調整產業結構來進行需水預測，京津冀地區多年平均河道外總需水量為254.7億m3，為了滿足全部合理需水量，考慮進一步擴大南水北調東線二期工程調水量，供水量為244.8億m3，剛性需水缺水量為0億m3，其他合理性需水缺水量為9.9億m3，缺水率為3.9%。在此條件下，京津冀地區的合理性需水量基本上能得到滿足，能夠達到高水平的水資源供需平衡。即通過供需雙向逐步調控，使京津冀地區的缺水量逐漸減少，規劃水平年由供需矛盾較大逐漸實現基本平衡，直至達到高質量的平衡。

3 結 論

本文以京津冀地區為研究區域，探索并提出了高質量水資源供需平衡的調控思路，根據京津冀地區水資源和經濟社會發展現狀，通過設置多種情景對區域水資源供需情況進行分析計算和調控對比，提出了京津冀地區實現高質量水資源供需平衡的調控方案。

(1) 通過對供需兩側進行分析計算可知：① 現狀情景下，京津冀地區的水資源供需不平衡形式較為嚴峻，由于供水不足，地下水超采和河道內生態用水擠占，綜合缺水率為28.0%，缺水率較高；② 未來情景下，通過進一步強化節水、推進產業結構優化調整、加大非常規水源的利用以及新增外調水等措施來進行調控，可以使京津冀地區的綜合缺水率降低至3.9%，基本上可以實現高質量水資源的供需平衡。

(2) 要實現區域水資源的高質量供需平衡，建議從供需兩端采取優化調控措施：① 基于需求端，通過全面節水，優化調整產業結構，依法壓減或淘汰高耗水產業不達標產能，減少高耗水作物種植面積等強化水資源的剛性約束；② 對于供水端，通過在保障河道生態流量和地下水采補平衡基礎上合理開發當地水，加大非常規水源的利用，適度增加外調水，形成外調水和本地水、地表水和地下水聯合調度的多水源供水格局，進一步優化水資源的配置與調度。