黃河水量統一調度回顧與展望

喬西現

（黃河水利委員會水資源管理與調度局，河南鄭州450003）

1 黃河斷流問題及危害

黃河水資源貧乏且年內分布不均,非汛期徑流量小而農灌需水量大,尤其隨著流域及相關地區經濟社會發展用水量大幅度增加,20世紀90年代河道外年均耗水量接近300億m3,供需矛盾日益突出,導致黃河斷流在1972年首次出現之后愈演愈烈,90年代幾乎年年斷流。1972—1999年的28 a中,有22 a出現斷流,平均“四年三斷流”,最嚴重的1997年下游利津站斷流時間長達226 d,斷流河段長度約占黃河下游河道長度的90%［1］。黃河重要支流斷流也有加劇趨勢,在天然徑流量大于10億m3/a的7條支流中,汾河、渭河、伊洛河、沁河、大汶河等5條支流均出現過斷流。黃河下游頻繁斷流不僅造成局部地區生活、生產供水危機,還造成了生態系統嚴重破壞以及巨大經濟損失：20世紀70年代,斷流使黃河下游有關地區工業年均損失1.8億元、糧食減產9億kg；90年代,斷流造成工業年均損失31.5億元、糧食減產20億kg；1997年,斷流導致下游沿黃地區130萬人發生飲水困難；斷流致使河口濕地萎縮、海水入侵及近海生態惡化［2］,入海水量由1970年的353.6億m3銳減至2000年的48.6億m3,下游河流濕地及洪漫濕地分別減少46%、34%,渤海淺海海域失去重要的餌料來源,生物鏈發生斷裂,干流魚類資源由125種減少到47種,流域水生態失衡加劇；斷流使黃河河道輸沙用水銳減,主河槽淤積嚴重,增大了下游懸河洪水威脅。

為解決黃河連年斷流問題、應對黃河水資源供需矛盾尖銳的態勢、維持河流健康生命,20世紀90年代末,國務院授權黃河水利委員會統一調度黃河水量。

2 黃河水量統一調度的依據、目標及原則

2.1 統一調度的依據

2.1.1 可供水量分配依據

1987年國務院批復的《黃河可供水量分配方案》（簡稱“八七”分水方案,見表1),是每年度制定黃河水量調度計劃時確定年度可供耗水量指標及各省（區、市)引黃耗水指標的依據。黃河供水范圍包括流域內的青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東及流域外的河北、天津等11個省（區、市)。

“八七”分水方案明確黃河流域多年（1919—1975年)平均天然徑流量為580億m3,可供黃河流域及供水區耗用的水量為370億m3,輸沙及生態入海水量為210億m3（這一部分水量主要是汛期洪水,大部分無法利用)。

表1 黃河可供水量分配方案億m3

2.1.2 有關法律法規及制度依據

1998年原國家計委、水利部聯合頒布實施的《黃河水量調度管理辦法》（簡稱《辦法》),2006年8月1日開始施行的《黃河水量調度條例》,水利部于2007年11月20日頒布實施的《黃河水量調度條例實施細則（試行)》,2008年6月黃河防總頒布實施的《黃河流域抗旱預案（試行)》,2014年12月國家防總頒布實施的《黃河干流抗旱應急調度預案》等,規定了黃河水量調度原則、調度方式、調度方案編制的程序、調度執行的精度要求、應急抗旱啟動的條件及程序、應急抗旱響應措施等。

2.2 統一調度的目標

在實施黃河水量統一調度初期,調度目標主要是通過統一調度和嚴格管理,遏制頻繁斷流的趨勢,確保黃河不斷流。

2006年8月1日起施行《黃河水量調度條例》后,調度目標為首先滿足城鄉居民的生活用水需要,合理安排農業、工業、生態環境用水,防止黃河斷流。黨的十八大以來,黃河水量調度更加注重生態調度、保障生態用水、建設生態文明。

2.3 統一調度的原則

黃河水量調度遵守“國家統一分配水量,省（區)負責配水用水,用水總量和斷面流量雙控制,重要取水口和骨干水庫統一調度”的原則。

（1)統一分配、統一調度。由于流域水量調度涉及流域內各省（區)各級行政區及各行業、各部門,河流上中下游和左右岸用水要求各異,需要以流域為單元統一分配水量、統一調度才能實現水資源在全流域的優化配置和公平公正用水。

（2)總量控制。總量控制是指對于流域內各行政區域用水總量按照水量調度方案進行某一時間段內的用水總量控制,包括年、月、旬的總量控制。省（區)、市（地)、縣（旗)三級地方人民政府計劃主管部門會同同級水行政主管部門,根據用水定額、經濟技術條件以及水量分配方案確定的可供本行政區域使用的水量,制訂年度用水計劃,對區域內的年度用水實行總量控制。

（3)斷面流量控制。斷面流量控制是對重要控制斷面和省界斷面一定時段內的流量進行控制,以達到水量調度方案和實時水量調度指令的要求。

（4)分級管理、分級負責。國務院水行政主管部門和國務院發展改革主管部門負責組織、協調、監督、指導黃河水量調度工作；黃委負責黃河水量調度的組織實施和監督檢查工作；有關縣級以上地方人民政府水行政主管部門和黃河水利委員會所屬管理機構,負責所轄范圍內黃河水量調度的實施和監督檢查工作；水庫管理部門按照電調服從水調的原則,根據調度指令安排發電計劃。

3 黃河水量統一調度的實施

3.1 調度范圍逐漸全覆蓋

1999年3月,黃河水利委員會正式啟動黃河水量統一調度。《黃河水量調度條例》實施之前,調度時段為當年11月至次年6月（即用水和防凌、電力調度矛盾十分突出的非汛期),調度河段局限在黃河干流,其中前3 a調度河段為上游劉家峽水庫至頭道拐和中下游三門峽至利津兩個河段,從2002年起調度河段擴展到劉家峽水庫以下全部干流。在《黃河水量調度條例》于2006年8月1日實施之后,調度時段由非汛期擴展到全年,調度河段延伸到龍羊峽水庫以下全部干流河段,并啟動了洮河、湟水、汾河、伊洛河、沁河、渭河、清水河、大汶河和大黑河等9條支流的水量調度工作,實現了黃河干支流水量統一調度。

3.2 調度工作精細嚴格

3.2.1 加強預測預報，保障調度方案科學精細

一是編制年度水量調度計劃。每年的10月中下旬,根據長期徑流預報、骨干水庫蓄水情況以及各省（區)用水需求情況,進行年度水資源供需形勢分析,綜合考慮供水安全、生態安全、電網安全等多目標需求,科學編制年度水量調度計劃并報水利部批準后實施,為做好全年度水量調度工作奠定基礎。

二是滾動編制月、旬水量調度方案。在年度水量調度計劃基礎上,根據逐月最新徑流預報和各省（區)前期實際用水情況及后期用水計劃建議,滾動編制、下達逐月水量調度方案,3—6月用水高峰期編制、下達逐旬水量調度方案。

三是及時下達實時調度指令。用水高峰期,為實現骨干水庫泄流過程與用水過程精準對接,最大限度地提高有限水資源的利用效率,根據實時雨情、水情及用水需求情況的變化,考慮水流傳播時間,利用枯水調度模型每日滾動計算龍羊峽、劉家峽、小浪底等骨干水庫的泄流指標,根據計算結果,及時下達實時調度指令,適時調整骨干水庫泄流指標。

3.2.2 加強協商溝通，保障調度方案合理可行

為確保編制的水量調度方案科學合理、切實可行,建立了較為完善的溝通協商機制。每年10月底或11月初召開年度水量調度工作會議,協商確定年度水量調度計劃,安排部署年度水量調度工作；每年4月中旬,在黃河上游河段進入用水高峰期之際,召開黃河上游河段水量調度協調會,討論前期水量調度執行情況,協商用水高峰期4月下旬至6月分旬水量調度方案,在年度水量調度計劃基礎上,進一步優化骨干水庫泄流過程和各省（區)配水過程。除此之外,根據水量調度工作需要隨時溝通協商,及時解決出現的問題。

3.2.3 加強監督管理，保障調度方案嚴格執行

為保障調度方案嚴格執行,對水庫出庫流量和省際重要控制斷面流量執行精度都提出具體要求：水庫日平均出庫流量誤差不得超過控制指標的±5%；其他控制斷面月、旬平均流量不得低于控制指標的95%,日平均流量不得低于控制指標的90%。通過黃河水量調度管理系統每日密切關注骨干水庫泄流、省際及重要控制斷面流量和各省（區)引水情況,一旦發現斷面流量沒有達標或超計劃用水情況,及時通知有關單位立即采取措施；在用水高峰期或水情緊張時期,及時派出水量調度督查組到現場檢查斷面流量情況和重要取水口引水情況,形成了日常督查、全面督查和強化督查相結合的督查方式,保障水量調度方案的嚴格執行。

3.3 調度手段不斷健全

3.3.1 行政手段

黃河水量調度計劃、調度方案和調度指令的執行,實行地方人民政府行政首長負責制。每年度在水利部網站公告年度黃河水量調度責任人,加強社會監督,督促各省（區)加強對黃河水量調度工作的領導,保障調度計劃、調度方案、調度指令嚴格執行。年度調度結束后,對年度黃河水量調度情況進行公告。

3.3.2 法律手段

2006年國務院頒布《黃河水量調度條例》,2007年水利部出臺《黃河水量調度條例實施細則（試行)》。黃河水利委員會依據國家有關法規和規章,先后制定、修訂了《黃河下游水量調度工作責任制（試行)》《黃河水量調度突發事件應急處置規定》《黃河重大水污染事件應急調查處理規定》《黃河流域抗旱預案（試行)》《黃河干流抗旱應急調度預案》等10余個辦法和規定。目前,黃河水量調度管理的法律手段已基本完備,黃河水量調度已步入法制化軌道。

3.3.3 工程手段

通過優化調度黃河干流龍羊峽、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底和支流陸渾、故縣、東平湖等骨干水庫,蓄豐補枯,調節水資源時空分布,大大提高了水資源利用率,尤其提高了枯水年和連續枯水年的供水能力。

3.3.4 科技手段

通過“黃河水量調度管理系統和國家水資源監控能力”項目建設,實現實時獲取水情、雨情、引退水等在線監測信息,初步滿足了水量調度重要信息快速采集、傳輸的時效性要求,能夠快速進行不同時間尺度調度方案的滾動編制,結合枯水調度模型,模擬水流演進過程,進行小流量預警預報,科學制定實時調度指令,顯著提高了水量調度的決策支持能力。

已建成的黃河引退水遠程監控系統可以對遠在千里之外的重點涵閘進行緊急啟閉控制,提高了化解斷流風險的能力。

3.3.5 經濟手段

一是通過理順水價體系,促進節約用水。國家發改委2005年、2013年兩次調整黃河下游非農業用水渠首工程水價,寧蒙引黃灌區出臺了新的引黃水價政策,黃河下游普遍推行了兩水分供分計、“訂單供水、退單收費”制度。

二是在寧蒙兩區推行水權轉換工作。為積極探索利用市場手段優化配置黃河水資源的途徑,2003年開始在寧蒙兩區開展了水權轉換試點工作,頒布實施了《黃河水權轉換實施管理辦法》,在明晰初始水權的前提下,由新建工業項目的業主單位出資進行灌區節水改造工程建設,將渠道輸水過程中滲漏損失的水量節約下來,有償轉換給新建工業項目,提高水資源的利用效率和效益。

4 黃河枯水調度模型

4.1 基本原理

枯水調度是在黃河枯水期為優化配置水資源、精細調度骨干水庫、防止黃河斷流而開展的水量調度。枯水期水量調度模型基于水量平衡原理,考慮各河段水流傳播時間、水量損失、區間加水和引水等因素,進行逐河段正向演算和反向演算,準確計算劉家峽、小浪底等骨干水庫泄流指標。在枯水期水資源比較緊缺時,水庫按模型演算的指標下泄,既不會造成水資源浪費,也不會造成河道斷流。

4.2 流量演進計算方程

天然河道的水流運動一般屬于非恒定流,根據質量及能量守恒原理可得到非恒定流的連續方程及動量方程（即圣維南方程組)［3］：

式中：A為河道斷面面積；v為水流流速；x為河道長度；t為時間；i為水力坡降；h為水深；g為重力加速度；C為謝才系數；R為水力半徑；加速水頭；為流速水頭。

利用水文學方法對圣維南方程組進行簡化和概化,把連續方程簡化為水量平衡方程,把動量方程簡化為槽蓄方程［4］：

式中：Q 為流量；Q上,1、Q上,2分別為上斷面時段始、末入流量,m3/s；Q下,1、Q下,2分別為下斷面時段始、末出流量,m3/s；Δt為計算時段,d；S 為槽蓄水量； S1、S2分別為河段始、末槽蓄水量,m3。

按照精細調度需要,黃河枯水調度分為月、旬和日調度。根據黃河下游河段大量實測資料擬合率定參數,考慮區間來水、區間引水、蒸發滲漏損失和水流傳播時間影響的月、旬水量平衡方程為

式中：s為斷面序號；t為時序（月序號或旬序號)；Qst為s斷面t時段斷面平均流量；α為流量傳播系數；為t時段s斷面至s+1斷面的區間支流加水流量；t為t時段s斷面至s+1斷面的區間用水流量；為t時段s斷面至s+1斷面的區間蒸發滲漏損失（用流量表示)；Δt為調度時段長（月或旬的天數)；τ為河段流量傳播歷時。

上述方程是考慮水量傳播因素由上斷面流量演算下斷面流量的公式,即正向演算。當進行反向控制計算時,可以采用以下公式：

日調度枯水流量演進模型水量平衡方程如下：

5 黃河下游生態流量調度指標的確定

5.1 調度思路

黃河生態流量調度選擇黃河下游作為試點河段,通過水文水資源及河流生態、環境等基礎情況的調查評估,明確試點河段河流功能定位和生態目標,研究河段生態需水特征與要求,綜合擬定試點河段生態流量指標體系。

5.2 生態流量控制斷面的確定

試點河段生態流量斷面分為重要斷面和一般斷面：重要斷面考慮水利工程控制、取水控制和支流匯入影響等情況,滿足黃河下游河流生態系統功能和涉水敏感對象生態流量的控制和考核要求,確定花園口、高村、利津為重要控制斷面；一般斷面滿足河段取用水和生態用水的耦合計算及河段敏感保護對象的水量管理控制要求,確定西霞院、夾河灘和濼口等為一般斷面。

5.3 河段控制斷面生態流量指標的確定

綜合考慮黃河水資源承載條件和生態保護要求,考慮黃河汛期防洪調度、非汛期下游灌溉供水調度、冬三月凌汛調度等調度情況,提出黃河下游河段生態流量指標體系：花園口、利津斷面4—6月生態敏感時段最小生態流量分別為200、30～50 m3/s,非汛期其他時段生態基流分別為150、30 m3/s；4—6月魚類產卵期,西霞院、花園口、夾河灘、高村、濼口斷面形成15 d左右300～1 000 m3/s的流量過程,利津斷面形成15 d左右75～1 000 m3/s的流量過程；在水資源條件許可的情況下,4—10月下游河道形成 7 d以上 2 600～4 000 m3/s的流量過程,一方面維持下游生態廊道形態結構與生態功能,另一方面為黃河下游濕地功能保護補給水量。

6 黃河水量統一調度取得的成效

6.1 實現了黃河連續20 a不斷流

實施黃河水量統一調度后,通過科學配置、精細調度、嚴格管理,扭轉了20世紀90年代黃河幾乎年年斷流的局面,實現了自1999年8月12日以來黃河連續20 a不斷流。

2000—2018年,黃河花園口多年平均天然徑流量為461億m3,較多年同期偏少13%,其中2000—2002年連續3 a來水均偏枯30%以上,雖然比斷流最嚴重的1997年來水還少,但均實現了不斷流。2003年1—7月來水只有多年同期均值的一半,為有實測資料以來同期最小值,龍羊峽、劉家峽水庫水位都逼近死水位,頭道拐6月最小流量降至15 m3/s,逼近斷流,通過“精準預測、精細調度、嚴格監督、精心協調”［4］,加強對重要取水口現場監督,緊急壓減引水,終于控制住頭道拐流量不再下降,保障了黃河干流不斷流。

在世界上其他國家大江大河斷流問題仍未得到有效解決的情況下,黃河的斷流問題得到解決,體現了中國政府治理大江大河的能力和執政管理水平。

6.2 保障了流域供水安全、糧食安全和能源安全

黃河流域及供水區的內蒙古、河南、山東、河北等省（區)為我國糧食主產區,寧夏、內蒙古、山西、陜西等省（區)為我國能源基地。黃河水量統一調度以來（1999—2018年),黃河流域累計供水6 000億m3以上,為流域及供水區人飲安全、糧食豐收、能源安全提供了水源保障。其間,實施了16次引黃入冀補淀應急調水,累計向河北供水58.72億m3；20次向山東膠東跨流域調水,累計調水35.54億m3。

6.3 流域生態環境持續改善

（1)黃河下游生態環境得到持續改善。黃河水量統一調度以來（1999—2018年),利津年均入海水量157.33億m3,比統一調度前（1990—1998年,下同)年均值增加8.54億m3；生態用水關鍵期3—6月利津入海水量平均為39.98億m3,比統一調度前同期每年增加17.07億m3,增幅達74%；2008—2018年,實施基于汛前調水調沙的黃河下游生態調度以及生態流量調度,累計向黃河三角洲自然保護區濕地補水3.49億m3；2016年以來,實施黃河下游生態流量調度,各斷面流量均達到了規定的生態流量指標,尤其2018年,利用黃河水情較好的有利時機,7月4—26日塑造了維持下游生態廊道功能和向濕地補水的2 600～4 000 m3/s流量過程。

入海水量的增加、河口濕地淡水補給以及塑造維持下游河道生態廊道功能的大流量過程,有效促進了下游生態系統的改善。地下水補充量呈逐年增加趨勢,下游濕地面積進一步增加,生態廊道功能得以維持,魚類種類及多樣性增加,久違的洄游魚類重新出現,黃河三角洲自然保護區鳥類增加到368種,其中國家一級保護鳥類12種,河口三角洲再現草豐水美、鳥鳴魚躍的動人景象。

（2)助力烏梁素海生態綜合治理。為貫徹習近平總書記指示精神,2018年黃委聯合內蒙古自治區政府實施引黃河水向烏梁素海生態應急補水,助力烏梁素海生態治理,全年補水5.94億m3,使烏梁素海水域面積擴大、水質明顯好轉,魚類從前些年幾乎絕跡恢復到目前的20余種,鳥類達到264種、數量恢復至600余萬只,疣鼻天鵝從2000年的200余只發展到現在的近千只。

7 展 望

盡管黃河水量調度取得了顯著成效,但是黃河流域水資源短缺、供需矛盾突出以及生態環境脆弱的狀況沒有改變,黃河缺水形勢依然十分嚴峻,斷流壓力長期存在［5］。隨著我國經濟社會的發展、“一帶一路”倡議的推進,水資源剛性需求將進一步增加,保障供水安全、生態安全的挑戰更加嚴峻。因此,針對黃河水量調度工作,要進一步貫徹習近平總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”新時期治水方針,著重開展以下幾方面工作。

（1)加快節水型社會建設。按照國家建立資源節約型、環境友好型社會的要求,督促各省（區)加強節水型社會建設,進一步促進節約用水,提高農田渠系灌溉用水系數,降低工業萬元增加值用水量,明確用水效率紅線,限制高耗水景觀和高耗水工業項目,嚴格定額管理,提高水資源利用效率。

（2)大力推進水生態文明建設。合理確定黃河流域重點河流生態流量指標,加強生態流量調度,在水資源條件許可時積極實施河道外湖泊、濕地生態補水和地下水壓采,修復脆弱的生態環境。

（3)完善黃河水沙調控體系。盡快建設黃河上游大柳樹、中游古賢和磧口等水庫,完善黃河水沙調控體系,最大限度地提高水資源開發利用率。為從根本上有效解決黃河缺水問題,應加快實施南水北調西線工程建設,保障黃河奔流不息,更好地造福中華民族。