北方缺水城市水資源短缺問題解決策略研究
----以廊坊市為例

付意成，邢乃春，趙進勇，張守平，張 劍

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038; 2. 水利部水利水電規劃設計總院, 北京 100120； 3.重慶交通大學，重慶 400074)

0 引 言

水資源短缺作為影響中國經濟社會可持續發展的關鍵因素，特別是北方缺水城市，已在一定程度上嚴重制約了區域經濟發展和人民生活水平提高。全國660多個城市中有400 多個城市缺水，114個城市嚴重缺水，其中，北方缺水城市占總數的62%，南方城市占38%[1]。城市可利用水資源量匱乏，已成為城市發展過程中無法規避的難題。為此，學者探討基于水資源循環利用、節水開源、非常規水利用、外調水等不同策略組合的區域水資源短缺解決思路，為緩解區域城市水資源短缺起到積極促進作用。世界上許多國家和地區把城市污水再生利用作為解決水資源短缺的重要戰略之一[2]。城市污水資源化應用，應基于完整的用水體系和廢水回收再利用體系?；诖耍G平[3]依據循環經濟的3R原則，對雨水、生活污水、工業污水的循環經濟利用模式進行具體分析，提出循環利用的方法及途徑；陸靜超等[4]提出，破解城市水資源循環短缺問題的關鍵在于構建大區域的水資源網絡化配置格局，解決與之相關的水污染嚴重、水生態退化和城市洪澇風險，實現區域水資源的均衡利用。地表水資源短缺、地下水超采嚴重、城市污水排放量大等問題已成為北方缺水城市的通病。為此，各大城市競相推廣的海綿城市建設，實現城區雨洪控制與利用示范工程的有機結合。李喜林等[5]對小區雨水利用可行性進行分析，推薦了適合建筑小區雨水利用的工藝流程，并對主體構筑物進行了設計；胥衛平[6]等從雨水徑流模型、降雨量分析、雨洪資源利用政策等方面對國內外雨洪資源利用的研究成果進行梳理，提出了缺水城市雨洪資源利用技術經濟評價方法。世界各國的實踐表明，在技術可行的條件下，再生水是一種安全可靠的替代水源，是解決城市缺水危機的重要戰略選擇[7-9]。北方缺水城市的開源潛力較小，在節水潛能最大程度發揮的情況下，為滿足區域社會經濟發展、生態健康維持對水量、水質的需求，遠距離調水成為解決“城市干渴”的首要選擇。城市調水在某種程度上可以解決問題，但不能成為常態，“造血”型發展模式才是解決缺水問題的根本策略。此外，北方缺水城市的地下水超采也日益嚴重，如北京、石家莊等城市是華北地區地下水沉降中心，地下水位埋深大于10 m的區域占華北平原總面積的40%，且潛水含水層最大埋深達65 m[10,11]。北方缺水城市解決水資源短缺問題的關鍵在于合理配置本地地表水、地下水、再生水、雨洪水、外調水、過境水“六水”資源，提升城市供水保證率；構建豐枯互濟的多水源連通網絡，實現地下水采補平衡。筆者基于“綠色發展、生態水利”的最新理念，結合北方缺水城市的發展定位，提出全方位、多角度開源，綜合、網絡化、高效利用的方針策略，開發區域內多種水資源的內在價值，探討解決城市缺水難題策略。

1 北方缺水城市水資源短缺癥結分析

中國北方地區的水資源稟賦條件遠差于南方。受地理位置、氣候條件的影響，中國北方地區降水量少，蒸發量大，水資源貧乏，城市發展過程中的水資源供需矛盾突出。在變化環境條件下，中國北方河川徑流量呈減少趨勢，且隨著經濟社會的快速發展，區域需水大幅增加，城市水資源供需矛盾加劇[12]。此外，北方的水資源量與經濟社會發展極不匹配。如黃淮海地區，水資源量僅為全國總量的7%，而人口、耕地和GDP卻占全國總量的35%、39%和32%，區域“水少貢獻大”的發展模式在一定程度上加劇了水資源分布與經濟社會條件不匹配間的矛盾[13,14]。北方地區除受水量補給偏少影響外，區域內河的水量儲存狀況也不容樂觀。如位于華北地區的白洋淀自20世紀60年代以來，先后歷經6次干涸，淀內生態系統全面衰退[15]；北京市從1999年以來，進入連續枯水期，地表水資源量衰減59%，地下水資源量衰減37%，入境水量衰減77%，水資源量減少和城市快速擴張的矛盾加劇[16]。北方為緩解日益突出的用水矛盾，大規模的興修水利工程、超采地下水、跨流域引水，由此造成區域內原有的產匯流規律被打破，土壤蓄水容量增加，地表產流減少[12]。流域下墊面變化和經濟社會的快速發展是影響北方地區徑流減少的主要因素，也是造成北方城市缺水的主要原因。

本文在深入分析城市水資源不足與用水結構不合理的基礎上，工農業用水技術落后、浪費嚴重、生態環境惡化、水源污染等因素造成了我國北方多個城市水資源短缺現象嚴重。如2005-2014 年我國工業廢水排放量逐漸下降，但總量較大，重復利用率雖逐年升高，與發達國家90%的重復率仍存在較大差距[17]。北方城市的缺水除受技術影響外，還與用水觀念錯誤、用水理念缺失相關，大多城市對于非接觸的景觀用水及道路噴灑用水多取用生活用水，或直接抽取地下水，對再生水、雨洪水的利用率偏低，甚至沒有相關的規劃。此外，大多城市周邊河道往往由于生活、工業污水的直排導致其不具有生態景觀價值，淪為城市的排污溝，功能幾乎喪失。同時，由于廢水的下滲導致地下水水質受到影響，又加劇了水資源短缺的影響。

2 研究區水資源短缺形勢分析

2.1 研究區概況

廊坊市位于河北省中部偏東，海河流域中下游，地理坐標在東經116°06′37″～117°15′05″，北緯38°28′14″～40°05′02″之間，北臨北京，東與天津交界，南接滄州，西和保定毗連，面積6 429 km2。廊坊市地處京津兩大城市之間，環渤海腹地，享有“京津走廊明珠”和“連京津之廊、環渤海之坊”等美譽。廊坊中心城區距北京、天津分別為50和60 km，與京津兩個機場相隔70 km，距天津新港100 km，緊鄰建設中的北京新機場。

廊坊市現轄廣陽、安次兩區，三河、霸州兩個縣級市，大廠、香河、永清、固安、文安、大城6個縣，共包括90個鄉鎮3209個行政村。2013年，廊坊市GDP實現1 943.1 億元，三次產業結構為10.4∶52.6∶37.0。全市財政收入占GDP比重18%。年末全市戶籍人口為439.4萬人。廊坊市現有水廠5座，全年供水量為3 530.8 萬m3。

廊坊市河流水系屬海河流域北三河水系(潮白河、薊運河、北運河)、永定河水系、大清河水系、子牙河水系等四大水系。境內主要河流包括泃河、北運河、潮白河、青龍灣減河、永定河、白溝河、大清河和子牙河等。廊坊市多年平均降水量為539.7 mm，其中北四河下游平原為588.9 mm，大清河淀東平原為532.6 mm。降水量年內分配非常不集中，大部分站點全年降水量的80%左右集中在汛期(6-9月)，汛期降水量又主要集中在7、8月份，甚至更短時間。因此，廊坊市本底水資源量不足，汛期水量集中，洪水資源化利用潛力較大。

2.2 研究區水資源形勢分析

囿于長期以來的經濟社會發展模式，京津冀三地地下水超采嚴重，排污量巨大，對整個流域已造成了明顯影響。京津冀流域水系連通性要求加快推進水資源保護協同發展，統籌考慮水資源與水環境的關系，突出“聯合支撐作用”。

廊坊市是河北省唯一沒有地表水庫的設區市。雖轄區內有4大河系、10條主要行洪河道、10條主要排瀝河道、國家防總直接調度的4大蓄滯洪區，但受上游城市大型攔河閘的影響，絕大多數河道常年無水。近10年來，廊坊市河流重點監測斷面水質以劣V類為主。出境斷面水質達標率偏低。因此，廊坊市存在嚴重的資源性、水質性缺水問題。2013年人均水資源占有量為133 m3，僅為河北省人均水資源量的43.3%(307 m3)、全國人均水資源量的6.3%；缺水率26%(扣除地下水超采，缺水量為2.67 億m3)，缺水狀況嚴重。為此，緩解廊坊市水資源短缺主要包括開源、節流兩個途徑。

廊坊市供水水源主要有地下水、大氣降水、當地地表水、外調水、再生水。2013年廊坊市整體水資源開發利用率為51.5%，地表水資源開發利用率為14.6%，地表引蓄工程能力不足；地下水開發利用率為155%(地下水開采量為8.06 億m3，地下水資源量為5.2 億m3)，表明地下水超采嚴重。因此，廊坊市一直以開采地下水為主，地表水則作為補充水源。

3 研究區水資源配置格局

3.1 配置基本原則

(1)經濟社會可持續發展和生態環境良性循環。水資源合理配置需處理好經濟社會發展、生態和環境保護與水資源開發利用的關系。水資源是經濟社會系統的重要生產要素，又是生態和環境的重要組成部分。隨著競爭性用水要求的不斷增長，水資源的有限性、緊缺性矛盾日益突出。在資源環境有限性約束下，水資源合理配置應以水資源可持續利用、經濟社會可持續發展、生態和環境良性循環為目標，以圖實現人、水和自然的和諧。

(2)公平、高效和可持續利用。廊坊市水資源配置是在海河流域水資源規劃和河北現代水網規劃的總體格局下，綜合分析廊坊市水資源開發利用、南水北調和河北省引黃水量的基礎上，遵循公平、高效和可持續利用的原則，進行區域和部門間水資源合理配置。

(3)處理好當地水資源、外調水和再生水回用等其他水源間的關系。廊坊市水資源配置遵循“多用天上水，攔蓄過境水，強化節水，加大利用非常規水，大力引用黃河水，積極推進利用長江水，壓采地下水”的原則，在充分挖掘當地水資源供水潛力和節水潛能的基礎上，積極爭取南水北調東線水量，相機引取黃河水量，實現當地水、過境水、再生水、長江水、黃河水、地下水“六水互濟”。

(4)不同行業用水配置優先序：優先保證城鎮生活和農村生活用水、充分保障工業用水、合理滿足農業用水、盡量滿足生態用水需求。

3.2 配置基本思路

由于廊坊市本底水資源有限，資源性缺水嚴重，規劃在充分利用當地水資源量并深度挖掘節水潛力的前提下，加大利用引江水和引黃水力度，積極爭取南水北調中線及東線延長線分水指標，壓采地下水，實現廊坊市水資源的可持續利用。

根據廊坊市水資源現狀和監測數據，水資源配置將廊坊縣(市、區)分別概化為獨立9個計算單元。結合廊坊市水系連通規劃、南水北調和引黃濟冀等規劃確定的水系連通和外調水連通渠系，構建廊坊市水資源配置系統網絡圖。然后，建立以基本計算單元水資源供用耗排平衡方程、水利工程供水平衡方程以及各類約束方程，以供水凈效益最大、損失水量最小以及生態保護期望值為目標函數構成數學規劃模型；利用世界銀行和美國GAMS公司研制的通用數學模型系統進行求解。本文通過對設定方案進行計算和對比分析，給出水資源配置推薦方案，為水資源配置方案修訂提供依據。

水資源優化模型系統以運籌學為理論基礎，將流域或區域作為一個整體，在給定的邊界條件和約束條件下，以設定的目標函數為引導，通過求解巨型方程組，反復迭代得到各節點的水資源分配結果。

(1)對于多水源的水資源配置系統，本文考慮不同供水水源利用的優先序，采用以下目標函數：

MaxOBJ1=

(1)

式中：asur、adiv、agrd、asfl、arec分別為地表水、外調水、地下水、當地可利用水以及污水處理回用水的權重系數；XZSC、XZSI、XZSE、XZSA、XZSR分別為地表水城鎮生活供水量、地表水工業供水量、地表水城鎮生態供水量、地表水農業供水量、地表水農村生活供水量；XZDC、XZDI、XZDE、XZDA、XZDR分別為外調水城鎮生活供水量、外調水工業供水量、外調水城鎮生態供水量、外調水農業供水量、外調水農村生活供水量；XZGC、XZGI、XZGE、XZGA、XZGR分別為地下水城鎮生活供水量、地下水工業供水量、地下水城鎮生態供水量、地下水農業供水量、地下水農村生活供水量；XZSFC、XZSFI、XZSFE、XZSFA、XZSFR分別為當地可利用水城鎮生活供水量、當地可利用水工業供水量、當地可利用水城鎮生態供水量、當地可利用水農業供水量、當地可利用水農村生活供水量；XZTI、XZTE、XZTA分別為污水處理回用水工業供水量、污水處理回用水城鎮生態供水量、污水處理回用水農業供水量。

(2)考慮各用水戶的供水優先序原則，同時滿足農業用水在時間上和空間上的寬淺式破壞，本文采用以下目標函數：

XAMAjtyαa+XZMRjtyαr)+λXMIN?ty,j

(2)

式中：aj為各計算單元的權重系數；ac、ai、ae、aa、ar分別為城鎮生活供水、工業供水、城鎮生態供水、農業供水以及農村生活供水的權重系數；λ為農業破壞均勻度的權重系數；XZMC、XZMI、XZME、XZMA、XZMI、XMIN分別為城鎮生活供水、工業供水、城鎮生態供水、農業供水、農村生活供水、最小損失水量。

(3)為實現河湖損失水量最小，采用以下目標函數：

?tm,ir

(4)

式中：air為反映水庫重要程度的權重系數；β1、β2分別為水庫在汛期與非汛期下泄水量的權重系數；XRSV、XCSRL分別為水庫蓄水庫容、地表水渠道供工業水量。

3.3 綠色水網總體思路

為實現廊坊水資源優化配置、防洪安全和水生態環境保護與修復，以廊坊自然水系和天然坑洼為依托，在已建渠系的基礎上，通過清淤疏浚、除險加固和必要開挖等工程措施，從區域水系連通、洼淀濕地水系連通和城區水系連通工程三個層面具體落地，根據水量多少實時調整水生態修復措施，以水帶綠(以水為中心，水體與濱岸帶綠色相間)和以綠代水(水量不足，綠色的草地功能替代水體服務價值)相互轉變，構建縱橫相接、水源互濟、蓄泄兼籌、功能完備的廊坊綠色水網，湖河水系連通格局是水流驅動因素作用于水生態系統關鍵過程的重要前提，是解決區域內部水資源短缺，促進經濟發展及規劃實施的重要依托[18,19]。

(1)經濟社會高產值供水網。依托南水北調中線及東線延長線和引黃濟廊等地下水工程，打造廊坊經濟社會高產值供水體系。所謂高產值供水體系指能供給產生較高經濟社會價值行業用水需求的供水體系，其余低產值對水質要求較低的行業由當地水資源滿足。由于廊坊水資源短缺且地表水質較差，南水北調中、東線調水是廊坊城鎮生活、二產和部分三產的供水核心，引黃水較本地水水質偏優，也應優先用足供給當地農業及生態需水。因此，以南水北調中線、廊涿干渠、天津干渠、保滄干渠、南水北調東線延長線、引黃濟廊以及相關配套工程共同構成廊坊高產值供水網。

(2)人水相親宜居城市支撐網。依托廊坊市各縣(市區)城區天然地形，利用現有溝渠連通相關自然河道、洼地構建城區水系，充分利用天然徑流和再生水資源，改善自然景觀并修復水生態，為廊坊市人水相親宜居城市建設提供水資源支撐。

(3)區域完善生態系統服務功能保障網。依托廊坊市自然水系、洼淀濕地和已有溝渠，實施區域水系連通、濕地坑塘連通工程。利用潮白河和泃河雨洪資源，修建泃河-鮑邱河和潮白河-鮑邱河連通工程；借助牛牧屯引河實現北運河、潮白河間的水量互通；疏浚擴建原有渠道實現白溝河-牤牛河連通，解決牤牛河道最小生態基流量不足問題；利用文安洼、賈口洼和東淀天然地勢和自然河道互連互通，盡量多蓄滯天然雨洪資源。

3.4 配置過程

(1)計算方法。廊坊市充分利用當地、地下水資源，合理配置并進行優化調度，優先滿足生活、生產需要，再滿足生態景觀用水需求。在調度過程中遵循最嚴格水資源管理制度，以不同水平年用水總量和地下水開發利用總量指標為總控。實施水系連通工程，增加河槽和濕地蓄水能力，攔蓄雨洪，實現不同類型水資源的時空優化調度。同時，嚴格控制地下水超采，嚴禁抽取地下水直接供給河道內生態用水。

根據“先節水后調水，先治污后通水，先環保后用水”的基本原則，本文采用“三次平衡”分析思想進行水資源供需平衡分析，包括水資源供需一次平衡分析、二次平衡分析和三次平衡分析。以地下水補充當地水為基礎的水資源供需三次平衡分析，是在二次平衡分析的基礎上，進一步考慮跨流域調水補充當地水后，將當地水與地下水作為整體進行合理配置后的平衡分析。作為模型的主要控制環節，基準年地表水與地下水供水量、地表水可利用量、計算單元社會經濟耗水系數、主要控制斷面下泄流量、湖泊濕地耗水量、社會經濟耗水與生態用水比例、湖泊-坑塘-濕地蓄水變量計算貫穿其中，計算步驟包括：①廊坊市9個計算單元地表水與地下水供水量以及水資源分區的耗水計算，其中，水資源分區地表水耗水量不超過地表水可利用量，地下水供水量不超過地下水可開采量；②調整基準年計算單元綜合耗水率接近目標控制值；③基準年水資源優化配置分析計算：通過建立基準年與規劃水平年間的耗水關系，可進行規劃水平年水資源供需平衡分析和耗水平衡分析?；鶞誓甑乃|模擬分析結果，是規劃水平年污染物入河量消減、滿足水體水質目標的基礎；④擬定規劃水平年水資源優化配置方案集；⑤規劃水平年水資源優化配置分析計算：根據擬定的水資源優化配置方案集，利用水資源優化配置GAMS模型軟件系統分析計算，得到各個方案水資源供需平衡、耗水、河流生態流量、河流水質模擬、污染物消減、水功能區達標情況等結果。⑥提出水資源總體配置格局：根據推薦的水資源優化配置方案，提出廊坊市水資源總體配置格局。

(2)計算結果。本文在充分挖掘本地節水潛力的前提下，充分利用地下水，壓采地下水，經過3次平衡分析后，廊坊市供需平衡最優方案見表1。考慮到水資源分區特點，在與當地水務部門統計數據口徑協調一致的前提下，供需平衡計算中地表水主要包括當地水、過境水、雨洪水，外調水包括南水北調引江水，引黃水，再生水，地下水(包括微咸水)。在充分發揮廊坊市當地水資源和上游來水供水能力的情況下，用好用足南水北調中線供水，并進一步引用南水北調東線延長線地下水和強化節水條件下，2030年廊坊市多年平均缺水量為0.02 億m3，缺水率為0.1%；需水量為13.63 億m3，供水量為13.61 億m3。其中地表水供水量為2.88 億m3，地下水供水量為4.68 億m3，凈地下水供水量為3.77 億m3，其他類型水源供水量為2.30 億m3。通過三次平衡，2030年廊坊市水資源供需基本平衡。

在進行水資源供需平衡長系列調節計算時，本文展示供需平衡多年平均結果，而50%保證率和多年平均結果接近，因此，計算中僅對50%保證率的供需平衡結果進行分析。本文在供需平衡計算中，將雨洪水計算結果歸入當地水，將微咸水歸入地下水量平衡計算中。

表1 廊坊市供需平衡最優方案(按水源分類) 百萬m3

4 結 語

本文在對北方缺水城市水資源短缺特點及原因進行分析的基礎上，結合廊坊市作為缺水城市的共性特點，提出“多用天上水，攔蓄過境水，強化節水，加大利用非常規水，大力引用黃河水，積極推進利用長江水，壓采地下水”的缺水解決思路，在充分挖掘當地水資源供水潛力和節水潛能的基礎上，遵循“先節水后調水，先治污后通水，先環保后用水”的基本原則，在加大節水力度，全方位開源的基礎上，積極爭取南水北調水量，相機引取黃河水量，實現當地水、過境水、再生水、長江水、黃河水、地下水“六水互濟”。

本文提出的廊坊市城市缺水解決策略對北方缺水城市解決缺水問題具有普適性，但各個地區在水源構成、水量分配過程中存在差異，因此，在具體應用時應針對特殊情況靈活變通，確保區域水資源的可持續開發利用。

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