徒駭河流域水資源供需預測與可持續利用對策

趙芬++徐立榮++李春暉++傅新

摘要：徒駭河位于山東省海河流域南部，為山東省北部的發展提供水資源。隨著社會的高速發展，徒駭河流域水資源供需矛盾日益突出。本文在不考慮南水北調東線調水情況下，以2010年為現狀年，2020年和2030年為預測年，根據徒駭河流域的典型特征和徒駭河流域各縣市的社會經濟發展規劃，對徒駭河流域供、需水量進行預測，并分析水資源供需平衡狀況。結果表明：在現狀年2010年，徒駭河流域供水量與需水量基本維持平衡；2020年，徒駭河流域P=50%（平水年）、P=75%（枯水年）缺水量分別為894億m3、356億m3，缺水率分別為1946%、775%；2030年，徒駭河流域P=50%（平水年）、P=75%（枯水年）缺水量分別為1168億m3、652億 m3，缺水率分別為2524%、1409%。即徒駭河流域的水資源在未來10年至20年不能完全滿足生產、生活、生態的需水要求，需通過有效措施，使流域水資源得到可持續利用。

關鍵詞：供需水量預測；生態需水量；水資源供需平衡；徒駭河流域

中圖分類號：P963文獻標志碼：A文章編號：16721683（2016）06003906

Forecast of water resources supplydemand and sustainable utilization countermeasures in the Tuhai River Basin

ZHAO Fen1，2，XU Lirong1，LI Chunhui2，FU Xin1

（1.School of Resources and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，China；2.Key Laboratory for Water and

Sediment Sciences of the Ministry of Education，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

Abstract：The Tuhai River is located in the south of the Haihe River Basin in Shandong Province and provides water resources for the development of the northern region of Shandong Province.The imbalance between supply and demand of water resources has become more prominent with the rapid development of the society.This paper selected 2010 as the status quo year，2020 and 2030 as the forecast years.The water supply and demand in the Tuhai River Basin was forecasted according to the typical characteristics and the social and economic development planning，regardless of the east route of southtonorth water diversion project，and then the balance between supply and demand of water resources was analyzed.The results showed that when P=50%（normal year），P=75% （low flow year），the water deficit of the Tuhai River Basin was respectively 11.2×108m3，5.86×108 m3，the water deficient ratio was 19.66%，11.31% in 2020.When P=50%（normal flow year），P=75% （low flow year），the water deficit of the Tuhai River Basin was respectively 13.98×108 m3，8.82×108 m3，the water deficient ratio was 3.20%，1601% in 2030.The water resources in the Tuhai River Basin would not fully meet the requirements of production，life，ecological system in next 10～20 years，and some effective measures are required to ensure the sustainable utilization

Key words：forecast of water supply and demand；the ecological water demand；water supply and demand balance；the Tuhai River Basin.

隨著社會經濟的飛速發展以及人口數量持續增加，水資源供需方面的研究越來越受到人們的重視[1]。1956年美國加利福尼亞州開始對水資源的利用、供給及預測進行研究[2]，我國西北地區也開始了水資源供需平衡的研究[3]。水資源供需研究主要集中在供、需水預測新模型的應用及優化算法的求解上[47]，對地區的某種類型用水量的預測有少量的研究[810]，目前缺少對某地區全部用水量的預測和水資源的供需平衡分析。本文在前人研究的基礎上，選取了徒駭河流域作為研究區，根據山東省海河局《山東省海河流域綜合規劃報告》對徒駭河流域供水量、需水量進行預測，繼而對流域的水資源供需平衡進行分析，對流域的水資源可持續開發利用以及水資源的合理配置具有重要意義。

1徒駭河流域概況

徒駭河位于山東省海河流域南部，于莘縣文明寨流入山東省，從上游到下游依次流經山東省的聊城、德州、濟南、濱州四市，于濱州市沾化縣東風港暴風站入渤海灣，從西南到東北呈窄長狀。山東省境內河道長406 km，流域面積13 296 km2。研究區范圍見圖1。

徒駭河流域降水、徑流以及輸沙量在時間分布上較集中，6月-9月的降雨量占全年的77%以上；6月-9月的徑流量占全年的83%以上；7月-8月輸沙量分別占全年輸沙量的88%，因此在計算徒駭河河道內輸沙需水量時，主要計算汛期內的輸沙需水量。徒駭河3月-9月份的蒸發量較大，占全年的7562%。4月、5月為春季，降水少、蒸發大、農業灌溉需水量大，用水矛盾較突出。

2徒駭河流域供、需水量預測

本文以2010年為現狀水平年，2020年為近期規劃預測水平年，2030年為遠期規劃預測水平年，根據山東省海河流域水利管理局《山東省海河流域綜合規劃報告》等資料，在不考慮南水北調東線工程調水的情況下，對徒駭河流域的供、需水量進行預測。

2.1徒駭河流域供水量預測

2.1.1地表水

地表水供水量是在保證地表水源條件、地表水資源可利用量安全的前提下，通過合理科學的措施可供的水量。根據《山東省海河流域綜合規劃報告》，徒駭河流域現狀年地表水供水量為280億 m3，預計2020年為318億m3，2030年可達到319億m3。

2.1.2地下水

根據《山東省海河流域綜合規劃報告》，徒駭河流域現狀年地下水供水量為1068億m3，2020年、2030年徒駭河流域淺層地下水資源都能夠得到合理的開采利用，由于地下水保護政策，徒駭河流域地下水供水量呈下降趨勢，預計2020年地下水供水量為1109億m3，2030年為1059億m3。

2.1.3非常規水源

非常規水源包括：再生水、海水、雨水、微咸水、礦坑水等。

2.1.4客水

徒駭河流域客水主要是引黃，根據《山東省海河流域綜合規劃報告》，徒駭河現狀年、2020年、2030年的引黃水量分別為2812億m3、2759億m3、2720億m3。不同規劃水平年供水量預測結果見表1。

根據地表水、地下水、非常規水源和客水的供水量預測水平，預計2020年，徒駭河流域供水總量為4595億m3，2030年為4627億m3。2.2徒駭河流域需水量預測

2.2.1生活需水量

根據山東省海河流域水利管理局《山東省海河流域綜合規劃報告》和徒駭河流域各市的城市發展規劃目標等資料，采用增長率法進行流域人口數量預測，2010年徒駭河流域人口總數為1 021萬人，其中城鎮人口為240萬人，農村人口為781萬人。預計到2020年，人口總數將達到1 051萬人，其中城鎮人口為582萬人，占總人口的5536%，農村人口為469萬人，占總人口的4464%；2030年，人口總數將達到1 069萬人，其中城鎮人口為748萬人，占總人口的70%，農村人口為321萬人，占總人口的30%。生活需水量預測采用人均日用水定額法，預計2020年、2030年城鎮人均用水定額分別為119 L/（人·d）、133 L/（人·d），2020年、2030年農村人均用水定額分別為76 L/（人·d）、86 L/（人·d），那么2020年、2030年徒駭河流域居民生活需水量分別為383億m3、464億m3。

2.2.2工業需水量

據2010年的徒駭河流域各縣市的統計年鑒數據：工業實際年用水量為3029 4億m3，工業實際用水重復利用率為6653%。徒駭河市流域未來工業穩步發展，2010年-2020年工業增加值年增長率在925%左右，可達3 95047億元；2020年-2030年工業增加值年增長率為905%左右，可達9 39606億元。本文根據工業增加值和萬元工業增加值用水定額以及工業用水重復率預測工業需水量。預計到2020年，流域內工業增加值需水量為2714億m3，工業需水量為574億m3；到2030年，流域內工業增加值需水量為3771億m3，工業需水量為951億m3。

2.2.3農業需水量

農業需水包括農田灌溉需水和林牧漁畜需水兩部分，其中農田灌溉需水分為水田、水澆地、菜田需水；林牧漁畜需水包括林果地灌溉需水、畜牧用水、魚塘補水。

農田灌溉需水量采用灌溉定額與灌溉水利用系數方法進行預測[1112]，參照山東省農業發展與土地利用指標，海河流域水澆地、水田灌溉面積以及灌溉綜合凈定額基本維持現狀，灌溉水利用系數逐漸增大。由于徒駭河流域基本上屬于資源型缺水地區，農田灌溉需水按基本滿足作物生長需求的非充分灌溉定額考慮。以聊城市東昌府區為例，2020年-2030年該區農業灌溉用水定額保持不變，P=50%平水年的水田、水澆地、菜田灌溉定額分別為3 570 m3/hm2、3 210 m3/hm2、3 075 m3/hm2；P=75%枯水年的水田、水澆地、菜田灌溉定額分別為2 745 m3/hm2、2 460 m3/hm2、2 370 m3/hm2。

林果地灌溉需水量預測采用灌溉定額預測方法；魚塘補水量采用畝均補水定額方法計算，畝均補水定額根據魚塘滲透量及水面蒸發量與降水量的差值加以確定[13]。2010年，流域林果地灌溉定額為3 450 m3/hm2、魚塘補水定額為10 425 m3/hm2；預計2020年流域林果地灌溉定額為3 315 m3/hm2、魚塘補水定額為10 005 m3/hm2；2030年流域林果地灌溉定額為3 180 m3/hm2、魚塘補水定額為9 585 m3/hm2；大牲畜日用水量為50 L/（頭·d），小牲畜日用水量為25 L/（頭·d）。

農田灌溉需水量與林牧漁畜需水量之和即為農業總需水量，預計2020年P=50%農業需水量為3935億m3，P=75%農業需水量為3397億m3；2030年P=50%農業需水量為3753億m3，P=75%農業需水量為3237億 m3。

2.2.4生態需水

徒駭河流域生態需水包括河道內生態需水和河道外生態需水兩部分，河道內生態需水量包括河流生態基流量、自凈需水量、輸沙需水量和水面蒸發需水量，河道外生態需水包括城鎮生態需水和農村生態需水[14]。

（1）河道內生態需水量。

本文選擇保證率法計算河流生態基流量。具體步驟如下[1516]：根據水文資料，對天然年徑流量按由小到大的順序進行排列；分別取95%、75%、50%、25%的保證率，計算所對應的天然徑流量；參考國際河流流量推薦值下限（天然徑流量的10%）和上限（天然徑流量的60%）以及河流生態保護目標，設定10%為河流最小生態需水量，30%為河流最適宜生態需水量，60%為河流最優生態需水量[17]。

河流自凈需水量指河流稀釋、降解污染物所需的水量，一般采用近十年最小月平均流量，作為河流的自凈需水量[1819]。計算公式如式（1）：

Wd=min{Wij}（1）

式中：Wd為河流自凈水量（m3）；Wij為近十年最小月平均流量（m3）。

根據徒駭河流域年內輸沙集中在汛期這一特點，計算徒駭河干流輸沙需水時，采用計算公式如下：

Ws=ηα-Ww（2）

Ww=W-S/γs（3）

式中：Ws為輸沙需水量（m3）；η為輸沙效率；α為指數（η<1時，α=1；η>1時，α=0）；Ww為凈水量（m3）；W為徑流量（m3）；S為輸沙量（億t），γs=265 t/m3。

當河流水面的蒸發量大于降水量時，水面蒸發需水量大于0；當河流水面蒸發量小于降雨量時，則認為河流的蒸發需水量為0[20]。公式如下：

We=A（E-P）E>P

We=0E

式中：We為水面蒸發需水量（m3）；A為計算時段內水體水面面積（m2）；E為計算時段內水面蒸發量（mm）；P為計算時段內水面降水量（mm）。

河流生態基流量、河流自凈需水量和輸沙需水量三者中的最大值與水面蒸發需水量疊加即為河道內生態需水量。公式如下：

W=max（Wr，Wd，Ws）+We（5）

計算得到多年平均條件下的年生態基流量為：聊城站037億m3、劉橋站03億m3、堡集閘092億m3；從上游到下游聊城站、劉橋站、堡集站3站的自凈需水量是逐漸增加的，自凈需水量最大為0085億m3；聊城和堡集閘的輸沙需水量分別為185億m3，614 億m3；徒駭河全年的蒸發量為044億m3；那么徒駭河河道內生態需水量為54億 m3。

（2）河道外生態需水量。

河道外生態需水包括城鎮生態需水和農村生態需水[14]，其中城鎮生態需水包含城鎮綠地建設需水、城鎮河湖補水以及城鎮環境衛生（掃灑）需水三個方面；農村生態需水包含湖泊沼澤濕地生態需水、地下水回灌等。由于城鎮河湖補水需水量較小，故而本文忽略了此部分需水量。

根據《山東水資源綜合規劃報告》以及山東省城市規劃等有關資料，綠地需水量以城鎮人均綠地占有量來預測，城鎮衛生需水量以城鎮人均道路面積占有量來預測，徒駭河流域城鎮公園綠地用水定額為2 800 m3/hm2，城鎮環境衛生的用水定額為230 m3/hm2，2011年-2020年、2021年-2030年均增長率分別為14%和16%；農村生態需水量用增長率的方法進行預測，2011年-2020年農村生態需水增長率35%，2021年-2030年增長率414%。預計2020年徒駭河河道外生態需水量為057億m3，2030年徒駭河河道外生態需水量為087億 m3。

綜合河道內與河道外生態需水量，預計2020年徒駭河流域生態需水量為597億 m3，2030年徒駭河生態需水量為627億 m3。

根據上述對徒駭河流域各縣市的生活、工業、農業、生態需水量的預測結果，計算出徒駭河流域預測年相應綜合需水量，結果見表2。

徒駭河流域水資源量供需平衡分析

以流域缺水量與缺水率來衡量徒駭河流域水資源供需平衡狀況（表3），可以看出，在2010年，徒駭河流域供水量總量為4352億m3，需水總量為4394億 m3，供水量與需水量基本維持平衡；預測2020年，徒駭河流域可供水量總量為4595億m3，P=50%、75%需水總量分別為5489億m3、4951億m3，缺水量分別為894億m3、356億 m3，缺水率分別為1946%、775%；預測2030年，徒駭河流域可供水量總量為4627億m3，P=50%、75%需水總量分別為5795億m3、5279億 m3，缺水量分別為1168億m3、652億m3，缺水率分別為2524%、1409%。

可見，徒駭河流域的水資源并不能完全滿足生產、生活、特別是生態的需水量。隨著社會經濟的發展，對水資源的需求量愈來愈大，水資源供需矛盾愈來愈嚴重，所以合理配置流域水資源，提高流域水資源的可持續利用率，是解決供需矛盾的重要手段。

4徒駭河流域水資源可持續利用對策

為實現徒駭河流域水資源的合理規劃配置，提高水資源可持續利用率，維護徒駭河流域的生態功能，應采取以下措施。

（1）保證徒駭河生態需水量，維持河流正常的生態功能。應保證徒駭河兩側河岸帶上的植被緩沖帶有一定的寬度。流域地下水在汛期以及豐水年通過植被緩沖帶得到補給，在非汛期和枯水年流域地下水則通過植被緩沖帶補給河水，使河流生態需水得到補給，這樣在一定程度上對河水起到調蓄作用，使得水資源在枯水年或者豐水年波動較小，增加了流域供水的穩定性。此外，植被緩沖帶還具有凈化水質的作用，其平均污染物去除率約為：懸浮固體物70%，重金屬20%～50%，營養鹽為10%～30%[21]，增加了河水的可用水資源。

（2）積極推廣農業節水灌溉新技術。目前流域內的輸水渠道多為土渠，灌溉水利用系數只有048～049，比發達國家的利用系數低出近一半。將農業灌溉用的土渠改成石渠，并推廣噴灌、滴灌技術，提高水資源的利用率。流域內采取農業節水灌溉措施后，預計農業節水潛力將達到13 億m3，節水潛力較大。此外，還應加強對城市工業和生活的節約用水管理，提高水的利用效率。

（3）調整徒駭河流域產業結構和布局。激勵耗水量小、產值高且低污染企業的發展，減少污染物入河量；大力發展第三產業、節能環保型產業，使得水資源的質與量得到優化配置。隨著科技的發展、工業技術的提高，工業用水效率大大提高，工業需水量將逐漸降低。將工業節約的水資源用于補充農業、生態和和生活等其他用水，使得有限的水資源能夠支撐流域經濟的發展，緩解水資源的供需矛盾。

（4）解決徒駭河流域水資源時間分布不均問題。徒駭河流域汛期的降雨量和徑流量分別占全年的77%和83%以上，易造成水資源的浪費，應建設水利工程，調蓄汛期水資源，以汛期補非汛期。既滿足河流生態需水要求，又能緩解流域水資源供需矛盾，緩解春旱、防治夏季洪水災害。

（5）充分利用南水北調續建配套工程，解決春季河流斷流、蒸發量大、農業用水集中，用水矛盾突出的問題。對流域水資源進行人工生態調度，將南水北調東線工程調來的長江水送到調蓄水庫，能有效解決徒駭河流域春季農業用水需求大的問題，緩解春季用水矛盾。

5結語

本文針對徒駭河流域水資源量不能滿足社會經濟發展要求的問題，以《山東省海河流域綜合規劃》為基礎，以2010年為現狀年，預測2020年及2030年徒駭河流域水資源供、需水量，并分析流域水資源供需平衡狀況。研究發現，在2010年，徒駭河流域供水量與需水量基本維持平衡；2020年，徒駭河流域可供水量不能滿足需水量，水量缺口愈來愈大；預測2030年，徒駭河流域平水年的缺水量高達1168億m3、缺水率為2524%，枯水年的缺水量為652億 m3、缺水率高達1409%。

隨著社會經濟的發展，徒駭河流域對水資源需求量愈來愈大，水資源供需矛盾愈來愈嚴重，應采取一些維持流域水資源可持續利用的措施和策略，保障徒駭河流域水資源的高效配置、可持續開發和利用。

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