北京市水資源戰略儲備動用模型及對策措施

韓 麗，鄭 科，韓中華，劉雪嬌

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

戰略儲備是為解決發展中出現的嚴重自然災害或者由于戰爭等突發事件引起的重大供需矛盾建立的儲備[1]。2003年，國務院印發的《中國21世紀初可持續發展行動綱要》指出，建成重要資源戰略儲備安全體系是我國21世紀初可持續發展的具體目標之一。水與石油、糧食一樣是國家可持續發展的戰略性資源[2-3]，是經濟社會發展的基礎性、先導性、控制性要素[4]。水資源戰略儲備概念是基于國家戰略層面，在極端水危機下用水安全的保障，需要建立儲備體系[5-6]，并在大城市實行多水源供給的水資源戰略儲備制度。

北京市作為擁有2300萬人口的超大城市，經濟體量大、現代化程度高、國際影響力強，對水資源安全保障提出高要求。水資源是首都經濟社會持續穩定發展的剛性約束[7]，是確保首都充分發揮政治經濟作用的支撐。立足于水資源時空分配極其不均的市情水情，加強“豐存枯濟”、打好應對水資源豐枯變化主動仗，強化水資源戰略保障、中長期儲備和應急功能[8]，增強防范抵御重大風險能力，保障首都水資源戰略安全，水資源戰略儲備體系的建立，既是現實所迫，更是長遠所需。

1 水資源戰略儲備應對風險分析及儲備內涵界定

1.1 影響水資源保障安全的風險種類和特點

對北京市歷年水情進行梳理，經分析主要有3種風險類型，見表1。

表1 北京市水資源風險類型及特征表

(1)長期(極端)氣候干旱風險。北京市降雨時空分布不均，年際間豐枯交替。年內降水主要集中在汛期3個月，占全年的75%。北京市干旱主要存在兩大特點：一是干旱頻次高，根據《中國氣象災害大典(北京卷)》資料以及北京站1841—2016年降水系列統計，自元初1271年至2021年這750年間，北京地區發生干旱的年數為388年，干旱頻率達到51.73%，平均兩年一遇。二是連旱頻數大，北京地區常有連續數年甚至10年以上的連續干旱特征，在記載干旱的388年中，連續干旱2年以上年數達289年，占干旱總年數的74%；連旱5年以上的年數為146年，占干旱總年數的38%，最長連枯年達16年[9]。這導致此類風險具有長期性、漸變性的特點，且影響和波及范圍廣，隨持續干旱時間延長，災害會不斷加重。

(2)突發公共事故災難影響。如南水北調中線工程故障導致斷水、洪水導致的水庫垮壩潰壩等事故，具有突發性和應急性。《北京志·自然災害卷·地震志》記載唐山地震波及北京，密云水庫、北臺上水庫、西峪水庫、桃峪口水庫等遭受壩體滑坡、裂縫、壩基斷層、閘門變形等不同程度的震害，全市共有大中小型水閘、涵洞(管)等建筑物110余座遭受坍塌、沉陷、裂縫等不同程度的震害。此類風險要求水源保障需快速切換，而事故的輕重緩急和災難程度、恢復時間長短等會直接影響供水的后續保障工作。

(3)水源污染風險。長期干旱、突發公共事故和違法違規超標排污等均可能會導致水源污染[10]，原因不同導致的情形不同，有不同特點，其污染范圍、程度、恢復時間長短等直接影響后續供水保障工作。

1.2 水資源戰略儲備內涵界定

1.2.1儲備分類及格局

水資源儲備主要包括地表儲備、地下儲備兩種方式，其對應的儲備區域分別稱為地表水儲備區和地下水儲備區。地表水儲備區即為城市供水發揮重要作用的地表水水庫。地下水儲備區主要為地下水開采水源地相對集中且補、徑、排條件相對較好的區域。

根據首都地表水流域和地下水系統特點，在潮白河、永定河、北運河、薊運河及大清河五大流域沖洪積扇中上部，分別布局密懷順、西郊、昌平、平谷和房山5個地下水戰略儲備區。1999—2007年連續枯水期間，為支撐城市運行和建設發展，保障城市供水安全，相繼對五大地下水儲備區進行大量開采，形成了巨大儲備空間。

水資源儲備現狀格局主要包括密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫、十三陵水庫和海子水庫等地表水儲備區，密懷順、西郊、平谷、昌平和房山五大地下水源地地下水儲備區，如圖1所示。

圖1 北京市水資源戰略儲備區空間分布

1.2.2儲備模式

水資源戰略儲備主要應對氣候型持續干旱、工程型長期斷水、水質型重大水源污染三大風險，按照風險程度，一般分為應急儲備、中期儲備、長期儲備3種儲備模式，其中應急儲備主要應對突發事件導致的短期、臨時、局部水源風險，一般通過日常調蓄水量保障[11]。中期儲備主要應對較長時期氣候干旱(連續枯水年或特枯年)或重特大突發事件造成的較大范圍、較長時間、較大規模的水源風險，此時日常調蓄水量遠不能保障，必須建立較大規模的水資源儲備。長期儲備主要應對長期水資源危機，首都高質量發展和水資源安全矛盾加劇，是不得已才動用的儲備水量[12]。如過度超采地下水、抽取水庫死水位以下蓄水等，這部分水量動用后極易引發嚴重的地質損害和生態災害等。基于以上3種儲備模式，本文所研究的戰略儲備主要指中長期儲備。

2 北京市水資源戰略儲備動用模型

儲備動用預警是水資源戰略儲備制度的核心要點，本研究提出儲備動用測算方法，建立動用模型，為儲備動用分級響應提供支撐，為水資源戰略儲備制度的建立、實施提供科學依據。

2.1 北京市水資源儲備現狀

2.1.1北京市水資源狀況

北京市屬于資源型重度缺水地區，水資源主要來源于天然降水和跨流域調水。自2014年南水北調中線工程通水后，北京市初步具備了水資源涵養、儲備水資源的條件。2021年北京市降雨條件較好，永定河實現全線通水，密云水庫蓄水突破新高，達到35.79億m3，滿足建立水資源戰略儲備制度的條件[13]。未來，北京市主要工作為涵養恢復地下水水資源。

根據《水資源統計公報》(1950—2021年)、《北京市水務統計年鑒》(2010—2021年)統計，在南水入京后，北京水資源現狀持續向好[14]。除2021年特殊降雨條件外，北京市多年平均降水量585mm，2001—2020年平均水資源總量為25.60億m3，整體趨于減少趨勢，1950—2021降水量如圖2所示。北京市供水主要由地表水、地下水、外調水和再生水4部分組成。2021年總水資源配置量40.81億m3，其中地表水12.01億m3，地下水13.63億m3，南水北調水9.64億m3，再生水5.52億m3。

圖2 北京市1950—2021年降水量圖

北京市地表水主要包括密懷系統、官廳系統、張坊-燕化系統和中小水利工程。現有大中型水庫18座，總蓄水量35.87億m3，Ⅱ類標準水質水量31.03億m3。地下水方面，北京市地下水開采量逐年減少，2021年北京平原地區地下水平均埋深回升至16.39米，成為北京市地下水20年來最高水位，目前北京市地下水資源總量為30.33億m3。跨流域調水主要為南水北調中線水。南水不僅保障城區的用水需求，對河湖生態環境的改善和地下水位的回升也發揮了重大作用。截至2021年，南水入京總量超過73億m3，2021年南水總供水量12.51億m3，月均1億m3。再生水主要用于河湖補水，部分用于環衛綠化和生產生活用水。隨著污水處理能力和再生水利用效率的穩步提升，污水資源化增加，再生水也將發展為北京市重要戰略儲備水源之一[15]。

2.1.2水資源戰略儲備區儲備空間分析

(1)儲備空間

北京市的戰略儲備空間主要分為中期儲備空間和長期儲備空間，中長期儲備的水源劃分情況如圖3所示。除了常規的地表水、地下水可以作為戰略儲備水之外，隨著代替水源的發展和國家水網建設，非常規水源和調水工程水源將具備相同的穩定性[17]，因此，未來這兩種水源將成為長期儲備的重要組成部分。

圖3 水資源戰略儲備框架圖

密云水庫作為地表主要飲用水水源地，總庫容43.75億m3，水庫死水位126m，對應死庫容4.2億m3；主汛期汛限水位152m，對于水庫庫容30.4億m3，考慮到密云水庫蓄水量低于10億m3時，容易發生水華，為保護地表水水質，密云水庫日常蓄水量不宜低于10億m3，由此確定密云水庫戰略儲備空間為20億m3。由于官廳水庫生態修復工作尚未完成，暫不考慮其戰略儲備作用。

在南水入京前，地下水供水占全市總供水量2/3。常年超量開采地下水，導致華北平原地區地下水漏斗區，形成了不泄流邊界條件，造成了天然的地下蓄水池。地下水儲備區以2015年最低水位為儲備下限，以各地下儲備區控高水位為儲備上限(1998年歷史水位流場)，五大蓄水區存儲能力約50億m3。

(2)中期儲備量

綜合考慮密云水庫庫容情況和對中心城區用水情況調研，按照中心城區生產生活年用水量一倍左右為中期戰略儲備庫容，確定地表水源中期戰略儲備為10億m3。

在當前5個地下水儲備區的儲備能力下，預留日常調蓄水量空間10億m3后，預設5區戰略儲備量40億m3，基于北京市第三次水資源調查評價成果，考慮連續9年干旱且丹江口水庫枯水(95%)作為情景，結合北京市生產生活用水總量分區保障情況，以水危機發生后保障正常用水一年為標準，地下水儲備區以儲備上線和儲備下線之間30億m3量為中期儲備。

(3)長期儲備量

1)地表水水源

基于上文密云水庫所確定的儲備空間，結合長期儲備水水量特征以及密云水庫多年平均蓄水情況，確定密云水庫長期儲備為10億m3。

2)地下水源

地下水儲備區儲備下線以下10億m3稱為長期儲備(非極端情況下不動用)。

2.2 戰略預設條件與儲備邊界

2.2.1預設條件

(1)基于北京市枯多豐少的基本市情水情，以枯水年作為測算背景，直接將減少水量在密云水庫蓄水和地下水中表征，不再單獨計算。

(2)地下水受事故災難和水污染風險影響較小，且風險可通過日常管理加以控制，測算中假定地下水安全可靠。

(3)南水北調斷水量，以丹江口水庫入庫缺口為南水北調斷水情景，按1個月對應水量1億m3測算，以丹江口水庫歷史枯水最長時間假定南水北調最長斷水時間不超18個月。后期可據情況調整。

2.2.2儲備邊界

確定密云水庫蓄水量、地下水蓄水量、調蓄量和戰略儲備量等邊界量，其中戰略儲備量分為長期儲備和中期儲備，詳見表2。

表2 水資源戰略儲備邊界量

2.3 機制構建

2.3.1測算過程

將地表水和地下水總庫容各分為3部分，分別為調蓄庫容、中期戰略儲備庫容和長期儲備庫容，根據水量平衡原理及先地表后地下的調度原則，制定儲備動用規則(如圖4所示)，構建戰略儲備動用理論模型。

圖4 北京市戰略儲備動用規則

(1)以戰略儲備量為基準，計算缺水量

Q總=Q南+Q密+Q地

(1)

式中，

Q總—以戰略儲備量為基準，密云水庫、地下水蓄水區及南水北調斷水導致的缺水總量。

Q南—南水北調因工程、水質等風險導致斷水的缺水量。

Q密—以戰略儲備量為基準，密云水庫蓄水量下降值，S密>C密中+C密長時，Q密=0m3。

Q地—以戰略儲備量為基準，地下水蓄水區蓄水量下降值，S地>C地中+C地長時，Q地=0m3。

(2)根據缺水量，分水源計算密云水庫和地下水蓄水區戰略儲備動用量。

當總可調蓄量不足以填補南水北調斷水導致的缺口水量時，

①T總+C密中>Q南，則由密云水庫中期戰略儲備量補齊南水北調水源缺口。

R密=Q密+Q南-密云，R地=Q地

(2)

②T總+C密中

R密=Q密+Q南-密云，R地=Q地+Q南-地下

(3)

當總調蓄量可以填補南水北調斷水導致的缺口水量時，

R密=Q密R地=Q地

(4)

動用水資源戰略儲備總量

R總=R密+R地

(5)

式中，R總—需動用的總戰略儲備量，R總≤C總；R密—需動用的密云水庫戰略儲備量，由密云水庫總蓄水量和戰略儲備量差值和補給南水斷水導致的缺口水量組成，R密≤C密中+C密長；R地—需動用的地下水戰略儲備量，由地下水總蓄水量和戰略儲備量差值和補給南水斷水導致的缺口水量組成，R地≤C地中+C地長。

2.3.2預警分級

基于理論模型測算，按照近期保障城市基本生產生活2～3年水量、遠期保障4～5年水量，測算市級水源近、遠期戰略儲備目標為40億m3左右和70億m3左右。按照水資源風險由低到高，即擬動用儲備量由少到多，確定預警條件及儲備動用4個級別，見表3。

表3 水資源風險預警分級

2.4 情景預測

針對連續干旱風險，根據北京市1950—2021年72年降水量數據進行分析，發生干旱的年數為29年，占總年數40%，年平均降水量456mm，占多年平均降水量的78%；發生連旱2年及以上干旱的次數8次，連旱3年及以上3次，為1960—1962年、1999—2003年、2005—2007年，其中1999—2003年、2005—2007年兩次連旱中間的2004年降水量為564mm，小于多年平均降水量，可以認定1999—2007年為連續9年干旱，平均降水量470mm。1980—1984年間，連旱兩次，其中1982年降水量為585mm，可認定有旱度強持續短的間接連旱特征，平均降水量為462.8mm，去1982豐水年后平均降水量為432.3mm。1965—1968年區間內旱情穩定，屬于樣本段影響最低區間，平均降水量為534.3mm，去1966、1967年后平均降水量為431.5mm。

針對工程斷水風險，南水北調中線水已成為北京城市主要供水水源，南水北調中線來水情況對北京市供水影響較大。按《南水北調中線一期工程可行性研究總報告》成果分析得出，以斷水6個月動用儲備的觸發條件，南水北調工程最長斷水時間不超過18個月，分別按照梯度遞減設計4種情景。

針對干旱導致的地下水位持續下降風險，將情景一設為極端枯水情況，即地下蓄水量為0，情景設計自儲備動用觸發條件(蓄水量降至中期儲備上線以下)至極端枯水情況梯度遞減。

面對三大水源風險，根據北京市的供水水源情況，可將密云水庫、南水北調中線工程及地下水源遭受破壞程度，并以各自歷史最不利情況分水源計算，綜合預測出戰略儲備動用水量，情景組合詳見表4。

表4 北京市水源風險情景組合表

基于理論模型，對典型歷史階段戰略儲備動用水量進行預測，確定儲備動用等級，啟動響應程序和保障方案。詳見表5。

表5 水資源戰略儲備動用水量模型預測結果 單位：億m3

從預測結果看，按照預設的戰略儲備總能力60億m3，可滿足前三種情景儲備動用量(40億、27億、8億m3)，但與情景一(68億m3)還存在缺口，情景一已接近遠期戰略儲備目標(70億m3)，表明要保障情景一條件下的水資源安全，還需增加儲備能力10億m3，即戰略儲備總能力應達到70億m3。

3 水資源戰略儲備動用措施建議

(1)全面提升水資源戰略儲備工程能力。加快構建連通地表水、地下水、外調水等多源互濟的補給和調用通道格局，發揮戰略儲備工程體系作為首都水資源保障壓艙石的基礎性作用，確保補得進、存得住、取得出、配得上、供得足，有保障。加快編制水資源戰略儲備區建設規劃，結合國家加快首都水網規劃建設要求，立足本市水資源空間均衡配置，積極對接流域主骨架和大動脈，推進打通影響水資源配置連通的卡口堵點，統籌劃定回補區、儲備區、開采區，規劃補給調用通道，著力構建“系統完備、安全可靠，集約高效、綠色智能，循環通暢、調控有序”的城鄉水網體系，構建首都水安全保障空間格局。

(2)建立完善水資源戰略儲備動用制度。貫穿水資源戰略儲備動態管理、儲備動用、管理保護等各環節、建立完善水資源戰略儲備體系的建設、儲備、利用、保護全過程、各環節的制度體系。聚焦戰略儲備動用階段，分析不同風險及水源條件組合下的儲備動用情景、分析需動用的儲備量，構建儲備動用分析模型，構建分級預警級別和觸發條件，分析不同水源動用原則、動用次序和動用級別，建立分級預警機制，明確觸發條件，明確動用程序，明確戰略儲備動用必要性、動用量、動用順序、可能持續時間、保障措施和結束條件，提出調度要求，保障供水安全。強化應急情況下的分級、分區、分行業限水方案，研究建立限時、限量、限功能供水制度，社會面嚴格用水指標管控，必要時對洗浴、洗車、娛樂等用水行業實施用水管制，切實保障首都功能和居民生活用水安全。

(3)建立完善水資源戰略儲備組織體系和管理機制。建立水資源戰略儲備集中統一管理體制，平時加強戰略水源的優化調配，戰時強化統一調度。戰略水源地要集中由政府統一管理，各區水資源調度必須服從市級水資源統一調度，服從調度決策、執行調度指令，保障重點區域、重點部門水資源安全；建立集中儲備、聯調聯保和各自為戰、分區分片保障相結合的組織管理體系。采用“市級戰略水源集中儲備、統一調用”、“各區新城和農村地區戰略水源保障以本地儲備為主，采取集中、連片、分散等多種保障方式分區分片保障”模式，建立健全全市水資源戰略儲備體系；建立社會廣泛參與、人員物資有機結合的水安全保障社會動員機制。各級政府、各相關部門與地方部隊協同作戰，能力動員、物質動員和群眾動員配套進行，形成有效防災減災的社會動員機制。