黑河流域水資源供需平衡與配置研究

孫棟元，李元紅，胡想全，王軍德，盧書超，程玉菲

（甘肅省水利科學研究院，蘭州730000）

在干旱和半干旱區，水資源是最寶貴的自然資源，它不僅是荒漠綠洲形成、發展和穩定的基礎，也是維系生態系統和流域生態安全與經濟社會和諧發展的決定性因素［1－2］。然而，隨著人口與經濟的增長，水資源的需求量不斷增加，可利用水資源不足成為區域生態恢復、經濟發展和人民生活水平不斷提高的限制因素，同時水環境又不斷惡化，水資源短缺已成為全球性問題［3－4］。流域水資源優化配置是在水資源生態經濟復合系統內，按照可持續性、有效性、公平性和系統性的原則，遵循生態規律和經濟規律，對特定流域內不同形式的水資源，通過各種工程和非工程措施，以單位產值的水資源消耗最小，生態系統提供的服務最大為目標，在生態與社會經濟用水之間、區域之間、經濟用水部門之間進行科學調配，盡可能提高流域整體的用水效率，促進流域水資源的可持續利用、生態系統的健康穩定和區域的可持續發展［5－6］。

黑河是我國第二大內陸河，流經青海、甘肅、內蒙古三省區。它是河西走廊綠洲的支柱，北部沙漠的命脈。水資源是該流域維持生態平衡的主要保障，是綠洲發育的生命源泉。有限的水資源既要保證上中游工農業生產的正常需求，又要確保向下游輸水，恢復下游生態環境［7－8］。為緩解黑河下游河湖干涸、荒漠化、生態環境惡化的局面，實行以水資源合理配置為核心的流域水資源綜合統一管理，在水資源有效管理的基礎上實現流域水資源合理配置和高效利用。本文在流域水資源開發利用現狀分析基礎上，采用系統分析方法，對流域水資源需求和供水能力進行分析，并對未來規劃水平年（2015年、2020年和2030年）水資源配置進行分析，從而為未來流域水資源開發利用和合理配置提供技術支撐。

1 水資源開發利用現狀

1.1 供水量

2010年黑河流域總供水量為3.388×109m3，供水類型主要為地表水、地下水、其他水源。其中地表水2.675×109m3，占總供水量的78.96%；地下水7.01×108m3，占總供水量的20.69%；其他水源0.12×108m3，占總供水量的0.35%［9］。

1.2 用水量

2010年黑河流域總用水量3.388×109m3，其中農業灌溉用水量2.880×109m3，占總用水量的85.01%；林牧漁畜用水量2.62×108m3，占總用水量的7.73%；工業用水量1.49×108m3，占總用水量的4.40%；居民生活用水0.67×108m3，占總用水量的1.98%，其中城鎮居民生活用水0.51×108m3，農村居民生活用水0.16×108m3；生態環境用水0.30×108m3，占總用水量的0.88%［9］。2010年黑河流域用水構成如圖1所示。

圖1 黑河流域2010年用水構成

從圖1可以看出，在2010年黑河流域用水構成中，經濟效益相對較差的農業灌溉用水所占比重較大，超過全流域用水的80%以上，而經濟效益相對較好的工業用水所占比重較低，僅為4.40%。

1.3 耗水量

2010年黑河流域總耗水量2.344×109m3，其中農業灌溉耗水量2.060×109m3，占總耗水量的87.88%；林牧漁畜耗水量1.84×108m3，占總耗水量的7.85%；工業耗水量0.48×108m3，占總耗水量的2.05%；居民生活耗水0.38×108m3，占總耗水量的1.62%；生態環境耗水0.14×108m3，占總耗水量的0.60%［9］。從上述可知，黑河流域耗水量仍以農業灌溉耗水量為主，占總耗水量的80%以上。

2 水資源開發利用中存在的問題

2.1 水資源嚴重短缺，供需矛盾突出

按照水利部《黑河水量分配方案》確定的正義峽下泄水量，中游張掖市人均水資源量只有1 250 m3，為全國平均的61%。按現有人口增長速度，到2015年，人均水資源量將降為1 000 m3，屬嚴重缺水地區。此外，黑河徑流年內分配不均，來水與需水過程很不協調，干流缺乏骨干調蓄工程，客觀上加劇了水資源供需矛盾。

2.2 水資源供需失衡，經濟用水擠占生態用水

解放以來黑河中游地區大規模墾荒種糧，灌溉面積由解放初期的106 667～120 000 h m2增長到目前的282 440 h m2，從黑河流域現狀用水地區分布看，中游用水占全流域用水的82.16%，從用水結構來看，中游地區的農業仍然是用水的主體，其用水量占總用水量的95%，其中農田灌溉、林牧業用量分別占87.12%和7.17%［10］，該地區也是我國西部重要的糧食基地，提供的商品糧占全省商品糧的35%。農業和國民經濟其他部門用水的增長，擠占了中下游地區尤其是下游地區的生態用水，如何在現有的水資源條件約束下，在確保中游地區生產用水的前提下，確保下游地區的生態環境需水量是急需解決的問題。

2.3 供用水結構不合理，水資源利用經濟效益低下

黑河流域用水以農業用水為主，用水結構優化推進緩慢，農田用水結構造成區域單方水DGP產出偏低，導致水資源利用經濟效益低下，而水資源配置方案和水權制度的完善進展不足，成為農田灌溉用水供給量居高不下的首要原因。

2.4 用水管理不夠完善，管理制度不健全

黑河中下游地區用水計量、水費征收、取水計劃及監督管理工作均不夠完善，中、下游之間，中游地區的各縣之間管理力度不一。流域內涉及到的取水許可與水資源有償使用制度、水功能區制度、總量控制和定額管理制度等，由于管理等方面原因，這些制度還存在一定問題，同時由于執法不嚴，違法和干擾管理現象也較為普遍。

3 水資源需求分析

（1）生活需水量預測。生活需水與黑河流域經濟社會發展水平、居民收入水平、水價、生活用水習慣、節水器具的普及與推廣等因素有關。隨著生活水平的提高，居民生活用水將呈增長趨勢。根據甘肅省現狀實際用水水平，城鎮生活平均綜合用水定額為154 L／（人·d），節水器具普及率僅為55%，城鎮管網漏損率達20%，存在一定程度的水資源浪費。參照《甘肅省行業用水標準》及近年來甘肅省用水水平及其變化趨勢，并綜合《甘肅省水利發展“十二五”規劃》，經分析確定2015年、2020年和2030年黑河流域城鎮綜合需水定額分別為160，165，175 L／（人·d），節水器具普及率分別提高到65%，75%，85%以上，城鎮管網漏損率分別降低到18%，15%，13%以內。同時隨著農村居民生活水平提高，考慮農村自來水供水人口比例不斷提高，農村生活用水將有所增加，根據《村鎮供水工程設計規范》，2015年、2020年和2030年分別為60，65，75 L／（人·d）。在上述指標基礎上，結合《甘肅省水資源綜合規劃》預測的人口發展結果，計算得到流域生活需水量［9］。

（2）農業需水量預測。農業需水包括農田灌溉和林牧漁業需水。黑河流域按照《黑河流域近期治理規劃》進行流域治理后，現狀灌溉面積仍超出規劃治理目標，考慮中游生態，規劃水平年維持現狀農田有效灌溉面積277 540 h m2，2020年配水面積維持現狀實灌面積268 720 h m2，2030年考慮南水北調西線工程水量指標，配水灌溉面積可恢復到有效灌溉面積277 540 h m2。隨著種植結構調整，大力發展節水灌溉面積、大幅度提高高效節水比例、加強管理節水、加快灌區節水改造、加大田間節水改造力度等措施，黑河流域農業需水量將呈下降趨勢。甘肅省在“十二五”期間實施《甘肅省河西走廊國家級高效節水灌溉示范區項目》，實施千萬畝灌溉面積高效節水，黑河流域作為該項目實施的重點區域之一，將進一步增加高效節水灌溉面積比例。根據《甘肅省水資源綜合規劃》，經分析確定2015年、2020年和2030年黑河流域農田灌溉綜合用水凈定額分別為5 550，5 505，5 430 m3／h m2，灌溉水利用系數分別為0.53，0.64，0.67，園林草綜合用水凈定額為3 345 m3／h m2。在上述指標基礎上，結合《甘肅省水資源綜合規劃》預測的農業灌溉面積和林牧漁發展結果，計算得到流域農業需水量［9］。

（3）工業需水量預測。根據2009年底國務院批復的《甘肅省循環經濟總體規劃》，甘肅被列為全國第一個循環經濟試點省份，明確將甘肅建設成為國家循環經濟示范區，同時在新一輪西部大開發和區域發展戰略、工業強省戰略帶動下，甘肅工業發展將實現轉型跨越發展，使工業所占全省GDP比重達到60%以上，未來20年將是加快工業化進程的重要時期，甘肅工業將呈快速發展態勢。同時結合《甘肅省水資源綜合規劃》，黑河流域將繼續把工業結構的整體優化和升級作為第二產業結構優化的重點，大力引進發展高新技術產業，把發展高新技術產業和環保型產業作為流域工業產業結構優化的重要環節，力爭形成具有較強市場適應性和競爭力的產業結構，提高經濟的整體運行質量。隨著節水技術的推廣和深入，工業節水力度在加大、用水工藝在提高，未來黑河流域將以風電、光電、火核電等能源產業以及新能源裝備制造業為主。在現狀資料的基礎上，預測在采取相應節水措施的條件下，2015年、2020年和2030年黑河流域非火電工業萬元增加值用水量分別降為63.5，39.9，17.5 m3／萬元，工業用水重復利用率分別達到65%，75%，85%以上。新增火核電項目嚴格按照國家行業用水指標控制，采用國內外先進的節水工藝設備，對2011—2020年新增項目每千瓦裝機用水量控制在3.2 m3／k W以內，工業用水重復利用率控制在96%以上；2021—2030年水平年新增項目每1 k W裝機用水量控制在3.0 m3／k W以內，工業用水重復利用率控制在98%以上。并對現狀各火電廠進行核查，對工藝落后的企業要求進行技改，以降低每1 k W裝機用水量。在上述指標基礎上，根據流域萬元工業增加值用水量估算各年工業需水量。

（4）生態環境需水量預測。生態環境需水量包括河道外需水量和河道內需水量，流域河道外生態環境需水量主要由綠地灌溉和道路灑水兩部分組成。根據規劃的公共綠地和城市道路面積以及相應的需水定額，同時考慮各水平年河道外生態環境需水量的保證率，預測流域河道外生態環境需水量。流域內水資源量相對緊缺，河道內需水量只能靠降水和未充分利用的再生水補充，因此對流域河道內生態環境需水量不進行預測。

（5）總需水量預測。匯總生活、農業、工業和生態需水量預測結果，得到流域各規劃水平年需水量，2015年、2020年和2030年黑河流域總需水量分別為3.271×109m3，3.044×109m3和3.071×109m3。黑河流域2010—2030年各行業需水量變化趨勢預測見圖2。

圖2 黑河流域2010－2030各行業需水量變化趨勢預測

從圖2可以看出，2010—2030年，隨著高效節水技術的推廣和應用，農業需水量呈現下降趨勢，生活、工業和生態需水呈現逐年增加的趨勢，總需水量呈下降趨勢。

4 供水能力分析

（1）地表水可供水量。黑河流域工程的布局，以保障區域經濟社會發展的正常需水和有效遏制生態環境惡化趨勢為基本目標，近期通過全面實施高效節水農業和灌區改造工程以及內陸河各流域生態保護和重點治理工程，充分挖掘區域內節水潛力，提高水資源利用效率，促進區域經濟、生態協調可持續發展；遠期通過實施必要的跨流域調水工程，增加區域供水能力，基本解決制約流域經濟社會發展和生態環境恢復的資源性缺水問題。根據《甘肅省水資源綜合規劃》，地表水可利用量采用水利工程控制的調節性水量和通過引水提取的河道基流量進行計算［9］。在充分考慮現有及規劃蓄水工程、生態修復工程和其他工程條件下，不同特征年份地表水可利用量見表1。

（2）地下水可供水量。黑河流域淺層地下水開采利用程度高，根據《甘肅省水資源綜合規劃》成果［9］，結合地下水水位多年動態觀測資料和年開采量資料，采用實際開采量調查法，確定平原區淺層地下水的可開采量。規劃水平年地下水可供水量，在基準年地下水可供水量的基礎上，根據地下水允許開采量，在有開采潛力且城市及農村生活用水十分緊張的局部地區，可適度開采地下水。考慮到在2020年、2030年，在無重點外調水源的情況下，黑河流域嚴格按照流域規劃確定的開采指標進行控制。根據規劃成果，在未來滿足生態環境用水的前提下，增加地下水開采量，因此2015—2030年地下水呈現增加趨勢。黑河流域地下水資源可利用量如表1所示。

（3）其他水資源可利用量。其他供水工程主要包括集雨工程、污水處理工程等。按發展節水型社會的要求，積極推進污水處理及污水處理回用工程建設。在各水平年規劃中，城鎮生活和工業用水收集處理量在2015年、2020年和2030年分別達到排污量的70%，80%，90%；一般城市回用率在2020年、2030年分別達到30%，40%，重點城市分別達到40%，50%。根據《甘肅省水資源綜合規劃》預測成果，平水年（50%）黑河流域2015年、2020年和2030年可利用其他水資源量分別為0.21×108m3，0.30×108m3和0.48×108m3。

（4）可供水總量預測。根據上述分析，平水年（50%）黑河流域2015年、2020年和2030年可供水總量分別為2.841×109m3，2.972×109m3和3.033×109m3（見表1）。

表1 黑河流域不同水平年不同保證率可供水量

5 水資源配置與供需平衡分析

5.1 水資源配置方案

根據水資源總體規劃要求，水資源配置方案是以滿足行業需求為出發點，兼顧區域發展需求，以采取強化節水措施的水資源供需分析成果為基礎，按照水資源可利用量對河道外用水消耗實施總量控制，按照河流生態環境要求進行斷面水量控制，按照節水型社會建設要求進行用水定額控制，對流域水資源在經濟社會系統和生態環境系統之間，不同部門和區域之間以及不同用水行業之間進行合理調配，使得水資源配置格局與經濟社會發展及生態環境保護的要求相協調，實現水資源合理利用，促進社會經濟可持續發展。在保障經濟社會又好又快發展的同時，有效保護水資源，維護生態平衡，改善環境質量。根據黑河流域不同水平年不同保證率水資源可供水量，對規劃水平年2015年、2020年和2030年各行業供水量進行配置，水資源配置結果見表2。到2030年生活用水量由現狀年的0.72×108m3增加到1.09×108m3，基本滿足了流域人口增長和城市發展的需要。工業生產配置的水量由現狀的1.49×108m3增加到3.96×108m3，在建設節水型工業體系的基礎上，基本滿足保障流域實現新型工業化發展的需要。配置的農業水量由現狀的3.288×109m3減少到2.495×109m3，減少的農業用水量中大量的水直接用于退還擠占的生態環境用水和農村地區生態環境建設。

表2 黑河流域各行業水量配置

5.2 供需平衡分析

根據黑河流域不同水平年可供水量和需水量預測成果，進行不同水平年的水資源供需平衡分析。具體結果見表3。在50%保證率下，黑河流域2015年需水量3.271×109m3，供水量2.841×109m3，缺水量4.30×108m3，缺水率13.15%；2020年需水量3.041×109m3，供水量2.972×109m3，缺水量0.69×108m3，缺水率2.27%；2030年需水量3.071×109m3，供水量3.033×109m3，缺水量0.38×108m3，缺水率1.24%。在75%保證率下，黑河流域2015年需水量3.271×109m3，供水量2.732×109m3，缺水量5.39×108m3，缺水率16.48%；2020年需水量3.041×109m3，供水量2.863×109m3，缺水量1.78×108m3，缺水率5.85%；2030年需水量3.071×109m3，供水量2.925×109m3，缺水量1.46×108m3，缺水率4.75%。針對黑河流域生態環境問題，在水資源配置時考慮地下水超采嚴重的問題，嚴格控制地下水的開采量，并且加大再生水的使用量。

表3 黑河流域不同水平年水資源供需分析

需水量／10 8 m3供水量／10 8 m3缺水率／地表水 地下水 其他 合計缺水量／10 8 m3%年份 保證率／%2015 50 32.71 20.85 7.35 0.21 28.41 4.30 13.15 75 32.71 19.78 7.35 0.19 27.32 5.39 16.48 2020 50 30.41 20.85 8.57 0.30 29.72 0.69 2.27 75 30.41 19.78 8.57 0.28 28.63 1.78 5.85 2030 50 30.71 20.85 9.00 0.48 30.33 0.38 1.24 75 30.71 19.78 9.00 0.47 29.25 1.46 4.75

6 結論

黑河流域水資源短缺形勢依然嚴峻，存在著水資源利用率低、用水結構不合理、水資源管理體系不健全等一系列問題，必須積極推進節水和水資源保護工作的開展。

根據水資源規劃成果，系統分析了黑河流域水資源需求、供水能力，提出了流域水資源配置方案，并對水資源供需平衡進行了分析，結果表明在50%保證率下，黑河流域2015年需水量3.271×109m3，供水量2.841×109m3，缺水量4.30×108m3，缺水率13.15%；2020年需水量3.041×109m3，供水量2.972×109m3，缺水量0.69×108m3，缺水率2.27%；2030年需水量3.071×109m3，供水量3.033×109m3，缺水量0.38×108m3，缺水率1.24%。針對黑河流域水資源現狀，可以采取降低管網漏損率，提高居民家庭節水器具普及率，提高工業用水重復利用率，調整農業種植結構，大力發展高效節水技術，促進污水和再生水的利用等方式，有效地促進用水效率的提高，達到節水目的。繼續加強流域水資源高效管理，改善流域生態環境，提高流域內水資源可持續利用能力。

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