南水北調中線水源區水文特征分析及其水資源適應性利用的思考

摘要：南水北調中線調水工程是為了解決華北地區缺水問題而采取的特大型調水工程，水源區地理特征是調水水量和水質的重要基礎。然而，從目前的研究現狀看，對水源區邊界、面積、河流長度等主要特征參數和水資源特征系統梳理不足，水資源利用仍存在一些問題。基于此，從地理學的角度，借助地理信息技術和統計學方法，結合實地調研，對南水北調中線水源區主要特征參數進行系統梳理；分析和總結水資源特征、水資源開發利用演變過程以及存在的問題；基于水資源適應性利用理論，結合南水北調中線水源區實際，提出其水資源適應性利用的研究思路和戰略措施建議。研究成果對保障南水北調中線可持續調水、支撐水源區水資源開發利用和協同管理提供技術支撐。

關鍵詞：南水北調中線調水工程；水源區；特征參數；水資源開發利用；水資源適應性利用

中圖分類號：TV213.2文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2018）04004208

Hydrological characteristics and adaptive utilization of water resources in water source area of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project

ZUO Qiting1，2，WANG Yan1，TAO Jie1，2，HAN Chunhui1，WANG Xin1

（

1.School of Water Conservancy & Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China； 2.Center for Water Science Research，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China

）

Abstract：

The Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project is a major water diversion project to alleviate the water crisis in North China，and the geographical characteristics in its water source area are important for ensuring the quantity and quality of the diverted water.However，the current research is inadequate on the main [JP+3]characteristic parameters such as boundary，area，and river length of the water source area or on the water resources characteristics.There are still some problems in water resources utilization.In view of this，we systematically teased out the main characteristic parameters of the water source area in the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project from the geographical perspective by using geographic information technology，statistical methods，and field investigation.We analyzed and summarized the characteristics of water resources，the development and utilization process of water resources，and the existing problems thereof.In view of the reality of the water source area of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project，we put forward a research approach and strategic measures on adaptive utilization of water resources based on the theory of adaptive utilization of water resources.The results will provide technical supports for ensuring sustainable water diversion in the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project and for development，utilization and collaborative management of water resources in the water source area.

Key words：

Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project； water source area； characteristic parameters； water resources development and utilization； adaptive utilization of water resources

受人類活動和氣候變化的影響，水系統特征會發生或多或少的變化，比如，氣溫、蒸散發、降水量的增加或減少，同時也會引起徑流過程和特征參數的變化。水資源的開發利用必須要適應這些變化，緩解其帶來的不利影響，以應對因環境變化帶來的水系統變化。南水北調中線工程作為我國一項特大型調水工程，在極大程度上解決了華北區域的水資源短缺問題，了解水源區的水資源情況及主要特征有利于保障調水工程的順利開展。因此，理清南水北調中線水源區的主要特征參數及水資源開發利用問題，開展變化環境下的水資源適應性利用研究具有重要的現實意義和實際應用價值。

目前，國內外有關環境變化對流域、水文、水資源利用的影響方面開展了大量的研究工作[14]。關于南水北調中線水源區的水資源開發利用方面，國內學者主要是從水質、水量和水資源調度三個方面開展的。如封光寅等[5]、金旸等[6]分析了丹江口庫區水質及水源區的氣候變化趨勢，對選擇合理的水量調度方式提供參考；劉勇等[7]、冉篤奎等[8]對丹江口水庫的徑流量進行模擬與預測，為水資源調度提供依據。在水資源適應性利用研究上，國內外主要集中于從宏觀層面進行分析，如Lempert等[9]、PahlWostl C[10]針對環境變化引起的水資源脆弱性，提出對水資源進行適應性管理；筆者[11]在文中闡述了水資源適應性利用的概念、原理、理論機理等，以及在治水實踐中的應用前景。從目前的研究情況來看，對南水北調中線水源區的基礎研究尚有不足，對水源區的邊界、面積、河流長度等主要特征參數和水資源特征缺[HJ1.9mm]乏系統梳理；水資源適應性利用以理論方面的研究居多，對其具體的應用指導還很有限。

因此，本文基于地理信息技術，從DEM數據中提取出南水北調中線水源區邊界，界定其范圍，系統梳理主要特征參數；并對水源區進行分區，介紹各分區水資源特征，及水資源開發利用情況；結合水源區實際，利用水資源適應性利用理論，提出可行的對策方案，以滿足調水及用水要求。

1南水北調中線水源區范圍及特征參數確定

1.1數據來源與方法

本文基于來自地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/）的DEM數據資料，該數字高程資料分辨率為30 m×30 m，并以實地調研為手段，[JP+1]結合地理信息系統和統計學方法[12]，通過ArcGIS軟件技術提取河網水系。在此基礎上，進一步統計得到流域主要特征參數，并根據遙感影像和實際情況對統計結果進行修正，確定得出南水北調中線水源區主要特征參數和水系參數，包括水源區范圍、面積、出口斷面位置、河流長度、集水面積等，為南水北調中線水源區的相關研究工作提供基礎的數據支撐。

1.2流域范圍確定

南水北調中線工程水源區（以下簡稱“水源區”）[CM（22]主要為漢江流域丹江口以上地區，涉及甘肅、陜西、河南、四川、重慶、湖北六省（市），包括漢中、商洛、寶雞、安康、十堰、南陽、三門峽、洛陽等地市。其核心水源區位于丹江口庫區，地處丹江與漢江的匯合處，選取丹江口水庫出口作為水源區出口斷面位置（111°29′33″E，32°33′10″N），基于DEM數據，遵照水系完整性原則，利用ArcGIS中的水文分析模塊

提取流域邊界，見圖1。流域邊界地理坐標位置位于106°5′30″-111°32°50′0″E，31°24′54″-34°11′13″N，經統計得到水源區總集水面積為95 3879 km2，占漢江整個流域面積的60%。其中陜西省境內的集水面積為63 6489 km2，湖北省境內集水面積為21 3813 km2，河南省境內集水面積為7 2673 km2，分別占水源區總集水面積的6673%、2241%和762%，其他三省（市）境內集水面積較小，共3 0904 km2，占總面積的324%。

1.3主要特征參數

水源區屬于亞熱帶半濕潤季風氣候區，河流大多分布在山地丘陵中，多年平均氣溫為14 ℃；多年平均降水量為8495 mm（1961-2013年）[13]，相比全國降水平均水平，水源區降水較為充沛，屬于相對豐水地區，但區域內降水分布較為不均，全年大部分降水集中在6月-9月；水源區多年平均徑流量約為411億m3，是漢江中下游的2倍多，約占整個漢江干流的70%[14]。

水源區內河流水系較為發育，大小支流眾多，有近5 900條，河流流域面積在100～1 000 km2之間的有210多條，超過1 000 km2的有20條左右[15]，漢江的兩條最大支流——丹江和堵河的流域面積均在10 000 km2以上。在1961年-2013年期間，[HJ1.83mm]丹江口水庫年均入庫流量約1 152億m3/s，其中，漢江流域占64%，堵河占11%，丹江及其他小支流占25%[16]。此外，水源區內還建有喜河水庫、石泉水庫、安康水庫、石門水庫等較大型水利工程。為定量確定水源區主要特征參數，本文通過采取實地調研等措施，并基于獲取的DEM數據，利用ArcGIS軟件提取出水源區的水系圖，在此基礎上，對水源區內主要干支流的河長、集水面積、地理位置坐標等特征參數分別進行統計，統計結果見表1。

從表中可以看出，水源區內丹江和堵河是漢江流域的兩條最大支流，其河流長度分別為38262 km、32043 km，集水面積分別為16 13636 km2、12 45033 km2，分別占漢江流域的1692%和1305%。而漢江作為長江最長的一條支流，在水源區內的集水面積為95 3879 km2，河長為93870 km，[JP+1]占漢江干流總長的59%，漢江起源于陜西省境內寧強縣，有南源、中源、北源三個源頭，其中南源為位于勉縣的玉帶河，中源則為位于寧強縣北嶓冢山的漾水，位于留壩縣的沮水為北源。本文根據由DEM數據得到的水源區范圍圖，選取沮水為漢江流域的河源。水源區中北部水系分布較南部更為密集，支流較多且長，其中北部的主要支流由西向東包括褒河、湑水河、酉水河、子午河、旬河、金錢河、丹江等；南部支流由西向東主要有玉帶河、牧馬河、任河、嵐河、堵河等。為了橫向對比主要干支流徑流量大小，查閱有關文獻，列出1970-2005年期間的區內主要河流多年平均徑流量值[1314，1718]，見表1。

2南水北調中線水源區水資源開發利用問題

2.1分區水資源特征

根據全國水資源分區，漢江上游的丹江口庫區以上地區為一個水資源三級區。為了便于對各區域水資源特征進行分析，需要對水資源進行分區。由圖1可看出，漢江與丹江為調水水源（丹江口水庫）的主要組成部分，[HJ2.2mm]而漢江主要流經漢中、安康市和十堰三市，丹江主要流經商洛、南陽二市，因此，本文按照水資源三級分區套地級市行政分區的原則將該水源區劃分為五個分區，見圖2。其中，1區為漢江漢中區、2區為漢江安康區、3區為丹江商洛區、4區為漢江十堰區、5區為丹江南陽區，表2顯示了水源區內各分區的水資源特征。

由表2可知，漢江漢中區以漢中市為主，包括漢中市的漢臺區及勉縣、留壩、佛坪、城固、西鄉、洋縣六縣全境，略陽、寧強二縣的東部，南鄭縣北部，鎮巴縣東北部以及寶雞市的太白縣和鳳縣東部。所轄面積為23 65411 km2，占總面積的2480%，在1971-2010年期間，區域多年平均降水量、水資源量和氣溫分別為95030 mm、14625億m3、1360 ℃。

漢江安康區以安康市為主，包括安康市的寧陜、旬陽、漢陰、石泉、白河、鎮坪、平利、嵐皋、紫陽等九縣和漢濱區全境，以及重慶市的城口縣北部。所轄面積為26 12332 km2，占總面積的2739%，1971-2010年期間，區域內多年平均降水量、水資源量和氣溫分別為90010 mm、10655億m3、1440 ℃。

漢江十堰區以十堰市為主，包括十堰市下轄的丹江口市、張灣區、鄖陽區、茅箭區以及竹山、鄖西和竹溪三縣，還包含房縣西部和神農架林區西北部的部分區域。所轄面積為 21 07604 km2，占總面積的2210%，1971-2010年期間，區域多年平均降水量、水資源量和氣溫分別為89900 mm、8498億m3、1520 ℃。

丹江商洛區以商洛市為主，包含商洛市的商州區以及鎮安、丹鳳、商南、山陽和柞水五縣。所轄面積為16 74821 km2，占總面積的1755%，1971-2010年期間，區域多年平均降水量、水資源量和氣溫分別為75800 mm、4420億m3、1350 ℃。

丹江南陽區以南陽市的淅川、西峽二縣為主，還包括三門峽市的盧氏縣南部以及洛陽市的欒川縣西部的小部分區域。所轄面積為7 78622 km2，占總面積的816%，1971-2010年期間，區域多年平均降水量、水資源量和氣溫分別為82360 mm、2060億m3、1540 ℃。

2.2水資源開發利用演變過程

（1）建國前，農業灌溉是水源區內最主要的水資源開發利用模式。歷史上，漢江上游流域處于十分關鍵的軍事地理位置，對水源區工農業發展與水利建設影響頗深，為此，興建了山河堰（位于褒河）和高堰、楊鎮堰、五門堰（位于湑水河）等一些較為重要的水利樞紐工程。到解放前夕，水源區內主要建設有褒惠渠、漢惠渠、湑惠渠等灌溉工程。其中，在1939年，開始修建漢惠渠，并于1944年建成，該工程引漢江水灌溉沔縣、褒城兩縣。褒惠渠也于1939開始興建，到1942年完成了該工程的大部分。1940年，開始進行湑惠渠的修建，并于1948年竣工。

（2）20世紀50-70年代，水源區內逐步興建了大批水利工程與設施。1955年，完成了強家灣水庫的建設，該工程是陜西省內最早修建的水庫。作為南水北調中線工程的核心水源地——丹江口水庫于1958年9月開始修建，初期工程于1974年全部完成，位于長江支流漢江流域上游，是漢江上最大的水庫。1968年10月，丹江口水庫發電機組開始逐步投入使用，為江漢平原及華中地區工農業正常生產生活需求提供了可靠的保障。1969年，開始石門水庫灌區的修建，歷經4年多，已于1973年竣工。

（3）20世紀80-90年代，水源區開始重視水資源綜合利用和水污染防治工作。1988年水電部遞交了《漢江上游干流梯級開發規劃報告》，1993年10月長江水利委員會編制了《漢江夾河以下干流綜合利用規劃報告》。1994年1月，水利部審查并通過了長江水利委員會提出的《南水北調中線工程可行性研究報告》。至此，水源區內流域干流興建大量水利樞紐工程，將深刻改變水源區內流域水資源形勢。1996年修訂的《水污染防治法》促進了流域管理模式的轉變，通過結合行政區域管理，對解決水源區內流域健康問題及人水矛盾提供支撐。

（4）21世紀以后，水資源循環利用及可持續利用的思想在水源區內水資源開發利用中的地位愈發突出。為緩解南水北調中線工程調水產生的各種負面作用，2009年在漢江中下游開展了四項治理工程的建設。2010年12月，作為長江中下游水污染防治“十一五”規劃中四個專項計劃之一，水利部進一步實施了漢江流域水污染防治計劃，力圖控制流域的水污染狀況，并緩解南水北調中線工程帶來的水環境影響。2012年，又通過并實施了《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十二五”規劃》，以科學調整水資源利用方案的手段來進一步強化污染的防治管理。為緩解我國北方地區的用水矛盾，縮小用水缺口，2014年12月，南水北調中線工程實行全線通水。

2.3水資源開發利用現狀及存在的問題

建國后，我國對漢江上游水資源展開了大規模的開發利用，取得了顯著的成效，并逐步建成以堤防為主，干支流水庫聯合攔蓄的防汛救災體系。1974年完成了丹江口水利樞紐初期工程的全部建設，總裝機容量達90萬kW，為漢江流域最大的水電站。此外，又建有喜河、石泉、安康、黃龍灘、石門等較大型水利工程。很大程度地緩解了水源區的防洪抗旱問題，并發揮出了一定的發電、灌溉、航運等效益。

然而，對水源區的開發利用及丹江口水庫的建設在促進各地經濟社會發展的同時，也帶來了大量的生態環境和水資源問題，而這些問題的集中凸顯和日益尖銳，不僅限制了水資源的可持續利用，也對整個水源區的調水工作造成了不利影響：

（1）影響漢江中下游的用水情況。南水北調中線工程的建設不僅會改變流域內的水文地貌特征，也可能改變河流的天然徑流模式和年內分配特點[19]，同時中線調水還造成了漢江水位的持續偏低，從而對漢江中下游的水資源利用造成了不利影響。隨著人們生活水平的提高及經濟的快速發展，水源區內工業和農業用水不斷擠占中下游地區的生活用水和生態需水，使得漢江流域中下游可利用水資源數量呈逐年降低的趨勢。

（2）水污染情況日益嚴重。區域內面源污染情況較為嚴重，由于農業生產過程中化肥、農藥的不合理使用，生活垃圾以及家畜糞便等隨地表徑流進入河網，對水體水質造成一定的影響；此外，區域內點源污染沒有得到有效控制，其治理情況同樣堪憂，部分地區的生活污水和工業廢水往往未經處理即直接排入河道，加之排污口的不合理設置，使區域內水體水質受到嚴峻威脅。這些都會加重水源區內流域的水污染情況，導致區域可用水量及可調水量減少，影響當地居民生活。

[BT（2+1]3南水北調中線水源區水資源適應性利用研究思路與建議

3.1研究水資源適應性利用的必要性

隨著人類活動的加劇和經濟社會的快速發展，各種水利樞紐工程大量興建，特別是南水北調中線工程的實施，使得原始的自然平衡遭到破壞，導致極端氣候事件頻繁發生，各地的旱澇災害也層出不窮，水系統受氣候和流域水文特性及人類活動等影響日益嚴重，要保障水資源的循環利用及可持續利用，必須針對這些變化而做出適應性的調整，在保持水資源承載力不退化的同時，使其處于可接受的范圍之內。因此，將水資源適應性利用（adaptive utilization of water resources，簡稱AUWR）定義為一種在遵循自然規律和社會發展規律的前提下，適應人類活動、氣候變化等環境變化，同時保障水系統良性循環的水資源利用方式[11]。

在人類活動影響方面，水系統與社會經濟系統、人文生態系統息息相關、互相交織，人類活動雖然促進了社會經濟的發展，給人民生活帶來了便利，但與此同時，對水系統和生態環境也產生了一定的消極影響。南水北調中線工程的開展和調水量的不斷累積增加，以及水源區周邊居民產生的日常生活污水、農業污水，一些工廠和企業排放的工業污水都流入丹江口庫區，導致丹江口水庫的水質下降，不僅影響著調水工程的實施，使得可調水量減少，也對水源區內河流的健康及流域生態環境產生著威脅，并在一定程度上減少了漢江下游流域的水量。傳統的水資源開發利用模式無法避免地會對水源區的生態環境產生一定的負面效應，為了緩和用水矛盾，解決漢江下游居民的用水減少，應當根據不同情況及時調整水資源利用方式，以適應人類活動帶來的水系統變化，使調水后的社會經濟發展、水資源利用和自然環境保護都處于互相適應、和諧共處的穩定關系。

在氣候變化影響方面，目前國內外愈發重視氣候變化的影響，而降水、氣溫等氣候潛在變化和極端氣候事件的發生相對影響著水資源量、蒸發量和可用水量等水資源特征參數。而降水及潛在蒸發量等氣候因素的變化是導致水源區流域徑流量多少的關鍵性因素，對可調水量的動態變化起著十分重要的作用，嚴重影響著受水區的水資源分配情況。如果對處理氣候變化下的水文和水資源利用影響準備不足，可能無法保證水源區的供水、能源生產、生態和環境用水得到有效滿足[20]，使丹江口水庫的供水及水力發電等都會面臨更大的風險。水資源的開發利用應當根據氣候變化影響下的調水量變化而隨時進行調整，在保證水源區內居民生活生產用水的同時，解決受水區的缺水問題，并逐漸緩解對漢江下游徑流的影響。因此，必須對水資源進行適應性利用和管理，針對未來可能的氣候變化趨勢，及時做出調整，開展科學合理的適應性對策研究，來緩解氣候變化給水源區帶來的水資源和能源短缺、洪水干旱風險和環境功能退化等水資源問題。

3.2水資源適應性利用的研究思路

水資源適應性利用是一個復雜的系統工程，需要遵循自然規律和人類社會發展規律，不能隨意地、無規則地去適應環境變化。本文應用人水和諧理論和水資源可持續利用理論，并以此為理論基礎和依據，以人水系統為研究對象，將水資源適應性利用的研究思路分為關鍵影響因子識別、水資源適應性利用評估、方案優選與制定三方面，如圖3，僅僅是對水資源適應性利用研究的一些思考。

（1）關鍵影響因子識別。

對人水關系的相關性，及人水系統之間的相互作用機理展開分析，掌握人水關系的演變規律和過程，在此基礎上，找出影響人水系統和人水關系的重要因素，并識別關鍵影響因子，結合水資源可持續性利用和人水和諧的評判準則量化方法，進一步研究得出水資源適應性利用的評判準則和指標。

（2）水資源適應性利用評估。

為了合理制定水資源適應性利用方案，在此之前，需要對環境變化下水資源適應性利用的整體水平和效果進行定量評估。首先基于影響因子的識別和評價指標的確定，構建其評價指標體系，然后研究計算水資源適應性利用測度，評估其利用水平高低。

（3）方案優選與制定。

想要解決如何適應未來環境變化趨勢，減少對水系統的影響，必須提供相應的水資源適應性利用優選方案。最優水資源利用或管理方案的選擇大多需要通過建立水資源優化配置模型來實現，基于此，可以通過進行水資源適應性利用評估，分析不同變化條件下的可調控因素，進一步建立水資源適應性利用優化配置模型，來對水資源利用進行規劃，得到最為合適的水資源適應性利用方案。

3.3對南水北調中線水源區水資源適應性利用的建議

（1）需要進一步加強研究工作。

文中僅對水資源適應性利用的研究思路作了初步討論，缺乏豐富的理論體系和方法，還需要根據水源區的實際用水及調水情況，在定性的基礎上進行定量化研究，進一步加強理論方法的研究與應用，研究出具體可行的評判準則、量化評估方法、調控方法等，找出影響最大的變化因素，及時進行有效調控，并根據研究結果合理制定用水方案及政策，提出相應調整后的水資源利用方案，以適應各種環境變化，緩解其帶來的不利影響。

（2）深化水源區水資源利用與保護。

目前水源區水資源的開發利用情況較為嚴重，由此也引發了一系列的水問題和生態環境問題，使得人水和諧關系會受到越來越大的破壞。因此，必須對水資源的開發利用進行適應性調控，利用合適的調控方法對各種重要的影響因子進行科學調控，使得調水后水資源開發利用和經濟社會發展能恢復新的和諧關系。必須根據具體調整后的水資源適應性利用方案進行開發，絕對不能隨意和過度開發，要基于人水和諧的原則，滿足開發條件，在保證適宜的調水量分配的同時，減少人類活動對水資源的破壞，推進水資源合理高效利用，深化水資源保護，使供水和需水相適應，確保開發與保護相協調。

（3）提前做好適應性利用對策。

在人類活動和氣候變化條件下，特別是針對水源區的調水情況及其帶來的各種影響，必須要對水源區水資源開發利用進行適應性調整，根據各種潛在的環境變化因素，進行合理預測。尤其要注重了解調水前后產生的各種不同情況，根據以往的相似經歷進行推測和預算，制定出不同條件下的水資源適應性利用規劃，做到對于可能發生的不利事件能夠及時地進行預警。保障在開發利用水源區水資源的過程中，提前做好針對性的措施以及相應的適應性利用對策，科學調整水資源利用方案，使人水和諧達到環境變化下的新平衡。進一步減少中線水源區調水對漢江水位持續偏低所帶來的消極影響，并使中下河段的生態、航運、灌溉、供水條件等得到一定程度的改善，

4結語

本文主要對南水北調中線水源區范圍進行界定，并統計主要參數特征，然后對水源區進行劃分，并對各分區的降水、氣溫和水資源量等特征進行梳理。同時，基于對水源區水資源開發利用狀況的系統研究，分析了當前亟待解決的關鍵問題，進一步提出了水資源適應性利用的概念和研究思路。并在了解水源區實際情況的前提下，提出合理的水資源適應性利用的建議，有助于水源區的開發利用，促進人水和諧發展。但文章僅是針對水資源適應性利用的有關思考進行了簡單的介紹，還缺乏進一步的系統深入研究。期待進一步結合實際來研究適合的定量方法，提出具體的水資源適應性利用方案。

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