區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)分析方法——以引沁灌區(qū)為例

趙維嶺，紀(jì)義虎，左其亭,3*，符運(yùn)友

?區(qū)域農(nóng)業(yè)水管理?

區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)分析方法——以引沁灌區(qū)為例

趙維嶺1，紀(jì)義虎2，左其亭2,3*，符運(yùn)友1

（1.河南省豫北水利工程管理局，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

【目的】進(jìn)行區(qū)域水資源供需平衡分析?！痉椒ā客ㄟ^(guò)分析引沁灌區(qū)水資源供需平衡問(wèn)題，采用定額法結(jié)合相關(guān)發(fā)展規(guī)劃預(yù)測(cè)引沁灌區(qū)2018年及2025年不同情景下的供需水量，提出區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)（），將區(qū)域水資源供需情況劃分為水資源盈余、水資源平衡、水資源短缺3種類型，并進(jìn)一步細(xì)化為9種狀況，對(duì)每種狀況進(jìn)行分析說(shuō)明，以此評(píng)價(jià)引沁灌區(qū)水資源供需平衡狀況。【結(jié)果】在保證率=50%的條件下，2018年及2025年引沁灌區(qū)分別為1.06和0.92，均達(dá)到水資源平衡狀態(tài)，能夠維持正常的生產(chǎn)生活；在保證率=75%和=90%的條件下，2018年引沁灌區(qū)分別為1.71和2.56，分別屬于高度缺水與極度缺水狀況，2025年情況有所好轉(zhuǎn)，分別為1.29和1.45，處于輕度缺水及高度缺水狀態(tài)?！窘Y(jié)論】未來(lái)引沁灌區(qū)水資源供需情況將優(yōu)于現(xiàn)狀，但仍然無(wú)法滿足枯水年各部門的用水需求。

供需水平衡；水資源短缺；引沁灌區(qū)；定額法；區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)（）

0 引言

【研究意義】水資源作為世界上最重要的自然資源之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)都起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，隨著人類活動(dòng)、氣候變化的加劇，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，區(qū)域水資源供需量呈現(xiàn)出明顯的復(fù)雜性及不確定性[2]。在此背景下，分析不同情景下區(qū)域水資源供需平衡狀況，可為其分配及管理提供有力支撐，以此促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展?！狙芯窟M(jìn)展】水資源供需平衡分析，是指對(duì)某一區(qū)域不同時(shí)間段供需水量的關(guān)系分析。對(duì)區(qū)域進(jìn)行水資源供需平衡分析旨在找出區(qū)域水資源供需矛盾與規(guī)律，分析其存在的供需平衡問(wèn)題，探討解決問(wèn)題的方案[3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水資源供需平衡分析的研究成果較多。賈寶杰等[4]采用分項(xiàng)需水量預(yù)測(cè)法和人口綜合需水量指標(biāo)法，對(duì)湖北省黃石市城區(qū)需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)相關(guān)用水指標(biāo)和日用水變化系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了合理性分析；劉鑫等[5]從考慮工程與不考慮工程2個(gè)方面分析了袁河流域水資源供需平衡的時(shí)空變化，并重點(diǎn)分析了流域重要城鎮(zhèn)所在單元的水資源供需平衡情況；Xia等[6]利用建立的多水源多取水口的平原河網(wǎng)水資源供需平衡模型對(duì)荊江南岸河網(wǎng)水資源供需平衡進(jìn)行了計(jì)算分析；劉鑫等[7]利用建立的區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源供需預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了海河流域近期和中期的農(nóng)業(yè)供需水量。【切入點(diǎn)】總體來(lái)看，大多是針對(duì)某個(gè)流域或地區(qū)進(jìn)行供需水量的計(jì)算并分析其特征，其結(jié)果只能對(duì)某個(gè)地區(qū)的水資源供需情況進(jìn)行說(shuō)明，而對(duì)不同區(qū)域、不同情況下水資源供需盈缺程度差異的量化研究尚不充分，仍需進(jìn)一步研究。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】引沁灌區(qū)是豫北地區(qū)極其重要的灌區(qū)，在地理位置、農(nóng)田灌溉條件及作物種植結(jié)構(gòu)等各方面均具有典型代表性，且灌區(qū)內(nèi)水資源供需平衡問(wèn)題復(fù)雜。為了探究區(qū)域水資源供需盈缺程度，本文以引沁灌區(qū)為例，分別計(jì)算灌區(qū)2018年及2025年不同情景下的供需水量，通過(guò)構(gòu)建并分析其區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，揭示灌區(qū)水資源的盈缺程度，以期為灌區(qū)不同情景下采取的水資源管理政策提供參考，為后續(xù)水資源供需盈缺程度的研究提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

引沁灌區(qū)位于河南省西北部，黃河北岸，北起太行山，西跨王屋山，南達(dá)北邙嶺，北緯35°15′—34°55′，東經(jīng)112°25′—112°45′，是黃河支流沁河自晉入豫的第一座大型山嶺灌區(qū)。其位置處于中原城市群的緊密聯(lián)系圈，位于新-焦-濟(jì)（南太行）產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶上，是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，其地理位置見(jiàn)圖1。灌區(qū)包括15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、367個(gè)行政村（其中小浪底樞紐工程移民村30個(gè)），其范圍涵蓋濟(jì)源市、孟州市和洛陽(yáng)市吉利區(qū)，共計(jì)人口60余萬(wàn)。灌區(qū)總土地面積6.79萬(wàn)hm2，其中耕地面積3.36萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.67萬(wàn)hm2，主要農(nóng)產(chǎn)品有小麥、玉米、果樹和瓜菜等。

圖1 引沁灌區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)均來(lái)自《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南水資源公報(bào)》《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《河南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》《河南省水資源綜合利用規(guī)劃》及相關(guān)部門工作報(bào)告等。

2 水資源供需平衡分析及區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)

2.1 區(qū)域水平衡分析及水資源供需平衡問(wèn)題

區(qū)域水平衡分析，是對(duì)一個(gè)地區(qū)所有的水資源進(jìn)行定量化分析計(jì)算，包括地表水、地下水、外調(diào)水、降水、蒸發(fā)等，其主要是對(duì)整個(gè)區(qū)域的水量進(jìn)行分析計(jì)算，以達(dá)到了解區(qū)域總水量及其組成成分的目的。區(qū)域水資源供需平衡分析，是更進(jìn)一步地從各部門角度出發(fā)，分析區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)，是指對(duì)某一區(qū)域一定時(shí)間段內(nèi)，某一發(fā)展水平年和某一保證率的各部門需水量及供水量平衡關(guān)系的分析，以理清區(qū)域水資源供需現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，以此預(yù)測(cè)未來(lái)區(qū)域水資源開發(fā)利用的方向及目標(biāo)，為區(qū)域水資源規(guī)劃的制定提供技術(shù)支持。引沁灌區(qū)目前的供需矛盾突出且特點(diǎn)鮮明，急需進(jìn)行水資源供需平衡分析，其主要問(wèn)題包括：

1）用水競(jìng)爭(zhēng)激烈

引沁灌區(qū)是沁河自晉入豫的第一座大型山嶺灌區(qū)，不僅擔(dān)負(fù)著孟州市、濟(jì)源市和洛陽(yáng)市吉利區(qū)2.67萬(wàn)hm2農(nóng)田的灌溉和10余萬(wàn)人的安全飲水任務(wù)，還擔(dān)負(fù)著抗旱防汛、工業(yè)供水、生態(tài)供水、養(yǎng)殖供水和水力發(fā)電等任務(wù)，灌區(qū)內(nèi)用水競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，存在著嚴(yán)重的供需矛盾問(wèn)題。

2）水源工程與灌區(qū)發(fā)展不匹配

沁河是灌區(qū)的主要水源，其引沁渠首工程采用穿沁河倒虹吸利用拴驢泉水電站尾水向灌區(qū)供水。由于拴驢泉水電站來(lái)水與灌區(qū)灌溉時(shí)段不匹配，水量不穩(wěn)，造成用水時(shí)水量不足，非用水季節(jié)水量下泄入沁河下游，上游來(lái)水大于引沁渠輸水能力時(shí)也下泄入沁河下游，導(dǎo)致水資源供需情況難以預(yù)料，給區(qū)域水資源分配及管理造成較大影響。

3）中間調(diào)蓄能力差

引沁灌區(qū)現(xiàn)狀共有大小蓄水池200座，總?cè)萘?36萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.34萬(wàn)hm2。由于水池未統(tǒng)一管理，缺乏管護(hù)，砼板脫落、砼底損壞等問(wèn)題，目前僅有56座襯砌水池能蓄水灌溉，蓄水量153.34萬(wàn)m3，實(shí)灌面積0.16萬(wàn)hm2，其余水池因滲漏嚴(yán)重，不能蓄水灌溉，無(wú)法發(fā)揮效益，不能滿足“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”式調(diào)蓄灌溉要求，導(dǎo)致部分地區(qū)的需水量無(wú)法得到滿足或發(fā)生洪澇災(zāi)害。

4）管理體系有待完善

灌區(qū)管理體系存在嚴(yán)重漏洞，無(wú)法解決存在的供需矛盾問(wèn)題，具體包括：中、高級(jí)專業(yè)技術(shù)人員的數(shù)量不能滿足灌區(qū)發(fā)展需要的人員結(jié)構(gòu)問(wèn)題；產(chǎn)權(quán)不清、邊界不明使得用水管護(hù)困難，中間加價(jià)加重農(nóng)民負(fù)擔(dān)影響農(nóng)民用水積極性，水費(fèi)收取計(jì)量點(diǎn)及單價(jià)不精細(xì)等管理機(jī)制問(wèn)題；灌區(qū)公益性職責(zé)大使補(bǔ)償渠道匱乏，農(nóng)業(yè)供水成本與現(xiàn)行水價(jià)相差大，農(nóng)民承受能力有限、農(nóng)業(yè)水費(fèi)無(wú)法提升導(dǎo)致渠道維修養(yǎng)護(hù)困難等供水補(bǔ)償問(wèn)題。

2.2 供水量和需水量計(jì)算

2.2.1 供水量計(jì)算

供水量計(jì)算是基于水資源可利用量，在給定的來(lái)水條件下，考慮各用水對(duì)象的需水要求，通過(guò)相關(guān)水利工程可以提供的最大水量計(jì)算。水資源可利用量是指在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，在統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上，通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，在流域水資源總量中可一次性利用的最大水量[8]。其計(jì)算方法為當(dāng)?shù)氐乇硭暗叵滤Y源可利用量之和減去二者之間重復(fù)計(jì)算量（主要為平原區(qū)淺層地下水的渠系滲漏和田間入滲補(bǔ)給量的開采利用部分）。計(jì)算式為[9]：

式中：為水資源可利用量（萬(wàn)m3）；1為地表水資源可利用量（萬(wàn)m3）；2為地下水資源可利用量（萬(wàn)m3）；3為重復(fù)量（萬(wàn)m3）。

地表水資源可利用量計(jì)算式為：

式中：為地表水利用系數(shù)；′為多年平均地表徑流量（萬(wàn)m3）。

根據(jù)地下水補(bǔ)給模數(shù)與灌區(qū)內(nèi)土地面積，可以確定灌區(qū)內(nèi)地下水可開采量。

式中：為地下水補(bǔ)給模數(shù)（m3/km2）；為灌區(qū)內(nèi)總面積（km2）。

2.2.2 需水量計(jì)算

本文計(jì)算的需水量主要包括農(nóng)業(yè)灌溉需水量、農(nóng)業(yè)其他需水量、工業(yè)需水量、城鄉(xiāng)綜合生活需水量、生態(tài)環(huán)境需水量5個(gè)部分[10]。為了保證能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)引沁灌區(qū)需水量，本文通過(guò)預(yù)測(cè)各用水部門需水定額及其對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)，采用分類需水定額法進(jìn)行需水量計(jì)算[11]。

農(nóng)業(yè)灌溉需水量是指從水源經(jīng)各種渠道向田間輸送的灌溉水量，其計(jì)算式為：

式中：WA為第年農(nóng)業(yè)灌溉需水量（m3）；F為第分區(qū)第種作物的有效灌溉面積（km2）；F為第分區(qū)所有作物的有效灌溉面積（km2）；I為第月份第種作物的灌溉定額（m3/km2）；為分區(qū)數(shù)；為作物的種類數(shù)；為1 a中的灌溉月數(shù)。

農(nóng)業(yè)其他需水量主要包括灌區(qū)內(nèi)散養(yǎng)大小牲畜、集中養(yǎng)豬場(chǎng)、果園以及魚塘等的需水量，其計(jì)算式為：

式中：牧為第年牲畜需水量（m3）；n為第種牲畜或家禽頭數(shù)或只數(shù)（頭）；m為第種牲畜或家禽需水定額（m3/（頭·d））；果為第年果園灌溉需水量（m3）；a為第種作物的面積（hm2）；b為第種作物的需水定額（m3/hm2）；魚為第年魚塘需水量（m3）；魚為第年魚塘面積（hm2）；魚為魚塘需水定額（m3/hm2）。

采用萬(wàn)元產(chǎn)值定額法計(jì)算引沁灌區(qū)工業(yè)需水量，即依據(jù)規(guī)劃期內(nèi)確定的工業(yè)增加值和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量，進(jìn)行工業(yè)需水量的推算預(yù)測(cè)，其計(jì)算式為：

式中：工為第年工業(yè)需水量（萬(wàn)m3）；為第年萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量（m3/萬(wàn)元）；A為第年工業(yè)增加值（億元）。

城鄉(xiāng)綜合生活需水量計(jì)算式為：

式中：城鄉(xiāng)為第年城鄉(xiāng)綜合生活需水量（m3）；c為第區(qū)的人口；d為第區(qū)生活需水定額（m3/（人·d））。

生態(tài)環(huán)境需水量主要包括河道生態(tài)補(bǔ)水和綠地及環(huán)衛(wèi)公共用水，河道生態(tài)補(bǔ)水采用水力學(xué)法，其根據(jù)河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標(biāo)來(lái)評(píng)估河流棲息地的保護(hù)水平，從而確定河流需補(bǔ)水量，具體計(jì)算式參考文獻(xiàn)[12-13]。綠地及環(huán)衛(wèi)公共需水量計(jì)算式為：

式中：綠為城鎮(zhèn)綠化需水量（m3）；衛(wèi)為城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生需水量（m3）；為城鎮(zhèn)人口總數(shù)；綠為人均綠地面積（m3）；道為人均澆灑道路面積（m3）；綠為綠化需水定額（m3/（m2·d））；道為澆灑道路面積需水定額（m3/（m2·d））。

本文2025年的人口、工業(yè)增加值、設(shè)計(jì)灌溉面積、牲畜養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模、果園魚塘面積、作物種植比例等均根據(jù)“十三五”、“十四五”發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體過(guò)程不再闡述。

2.3 區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)計(jì)算及理論體系

在對(duì)引沁灌區(qū)水資源供給與需求狀況進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，借鑒生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)[14]，本文提出區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)（Regional Water Resources Supply and Demand Balance Index，）的概念和計(jì)算式，是指區(qū)域需水量與區(qū)域供水量的比值，反映了水資源供給與需求的關(guān)系，其計(jì)算式為：

式中：為區(qū)域水資源需求量（m3）；為區(qū)域水資源供給量（m3）。

當(dāng)＜時(shí)，區(qū)域?qū)λY源的需求小于水資源供給，區(qū)域表現(xiàn)為水資源盈余；當(dāng)＞時(shí)，區(qū)域?qū)λY源的需求大于水資源供給，區(qū)域表現(xiàn)為水資源短缺；當(dāng)＝時(shí)，區(qū)域?qū)λY源的需求等于水資源供給，區(qū)域表現(xiàn)為水資源供需平衡。因此，根據(jù)的大小關(guān)系，可以將區(qū)域水資源供需平衡劃分為水資源盈余、水資源平衡和水資源短缺3種狀態(tài)類型?；凇逗登榈燃?jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL424—2008）中區(qū)域綜合旱情等級(jí)判斷準(zhǔn)則[15]，以區(qū)域農(nóng)牧業(yè)綜合旱情等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為主，結(jié)合歷年區(qū)域水資源短缺實(shí)際情況，根據(jù)各個(gè)旱情等級(jí)下的旱情指數(shù)，求得對(duì)應(yīng)旱情等級(jí)取值范圍下區(qū)域的值取值范圍，以此作為水資源短缺情況下的值劃分標(biāo)準(zhǔn)，水資源盈余狀況時(shí)水資源的盈余程度則對(duì)應(yīng)相應(yīng)的水資源短缺狀況下水資源短缺程度進(jìn)行計(jì)算，最終將水資源供需平衡狀況進(jìn)一步細(xì)分為9個(gè)級(jí)別，基于的區(qū)域水資源供需平衡分類（級(jí)）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 基于RWRI的區(qū)域水資源供需平衡分類（級(jí)）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

基于對(duì)區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建區(qū)域水資源供需平衡理論體系（圖2）。區(qū)域水資源供需平衡是指，以人水和諧、可持續(xù)發(fā)展思想等為導(dǎo)向，遵循水量平衡、水循環(huán)等基本原理，通過(guò)節(jié)水、水污染治理等多種技術(shù)方法，協(xié)調(diào)多方利益，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)的水量協(xié)同分配，使區(qū)域水資源狀況由水資源盈余及水資源短缺不斷向水資源平衡靠攏。其中，根據(jù)上文劃分的區(qū)域水資源供需平衡的3種狀態(tài)類型分別為水資源盈余、水資源平衡和水資源短缺。

圖2 區(qū)域水資源供需平衡理論體系框架

水資源盈余狀態(tài)即區(qū)域水資源供給量＞需求量的狀態(tài)。當(dāng)區(qū)域處于輕度盈余狀況時(shí)，區(qū)域內(nèi)土壤含水率較高，可考慮種植用水量高、收益較大的作物，如水稻等，或?qū)⑺Y源儲(chǔ)存于水庫(kù)等調(diào)蓄工程中，以應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的旱災(zāi)，同時(shí)補(bǔ)充地下水；當(dāng)區(qū)域處于中度盈余狀況，即供水量超出需水量較多時(shí)，為達(dá)到防洪目的，調(diào)蓄工程中不能儲(chǔ)存太多的水，應(yīng)考慮將區(qū)域多余的可供水量外調(diào)至其他區(qū)域，在避免水資源流失的同時(shí)幫助解決其他區(qū)域水資源短缺的問(wèn)題；當(dāng)區(qū)域處于高度盈余狀況時(shí)，說(shuō)明可供水量已遠(yuǎn)大于需水量，此時(shí)可以進(jìn)一步利用好富裕的水資源，同時(shí)應(yīng)注意洪澇災(zāi)害出現(xiàn)，加強(qiáng)防洪工程建設(shè)，預(yù)防城市內(nèi)澇，在保證其他區(qū)域安全的情況下盡快將水轉(zhuǎn)移。

水資源平衡狀態(tài)即區(qū)域水資源供需關(guān)系處在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。區(qū)域水資源既不匱乏也不富余，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整達(dá)到水資源供需平衡。當(dāng)區(qū)域處于平衡有余狀況時(shí)，其可供水量稍多于需水量，人們的生產(chǎn)、生活皆可得到滿足，此時(shí)應(yīng)注意涵養(yǎng)水源，保持湖泊河流水分充足，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；區(qū)域供水量等于區(qū)域需水量，供需平衡狀況為理想狀況，應(yīng)努力向此狀態(tài)靠攏；當(dāng)區(qū)域處于臨界短缺狀況時(shí)，區(qū)域供水量低于需水量，此時(shí)區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取相應(yīng)的節(jié)水措施，提高水資源利用率，各部門共同節(jié)水即可滿足區(qū)域的用水需求。

水資源短缺狀態(tài)已普遍存在于我國(guó)多地區(qū)，即區(qū)域內(nèi)水資源供不應(yīng)求。當(dāng)區(qū)域處于輕度短缺狀況時(shí)，各部門用水競(jìng)爭(zhēng)激烈，各部門水資源需求均達(dá)不到滿足，此時(shí)應(yīng)注意調(diào)整用水結(jié)構(gòu)、調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等；當(dāng)處于高度短缺狀況時(shí)，區(qū)域或?qū)⒂瓉?lái)旱災(zāi)，此時(shí)區(qū)域在采取相應(yīng)節(jié)水措施的同時(shí)應(yīng)注意對(duì)環(huán)境的影響，防止過(guò)度開采地下水造成地面沉降、海水入侵等問(wèn)題，應(yīng)盡快從其他區(qū)域調(diào)水以解決水資源短缺問(wèn)題；當(dāng)區(qū)域處于極度缺水狀況時(shí)，區(qū)域出現(xiàn)大旱，水資源嚴(yán)重匱乏，區(qū)域應(yīng)及時(shí)采用緊急措施如“接力”調(diào)水，盡快從他處調(diào)水維持本區(qū)域的必要生產(chǎn)生活，防止河流斷流現(xiàn)象頻發(fā)等生態(tài)惡化事件的發(fā)生。

3 引沁灌區(qū)水資源供需平衡分析

3.1 供水量分析

引沁灌區(qū)供水水源主要包括外調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、非常?guī)水等。

3.1.1 外調(diào)水

沁河水可利用量受沁河生態(tài)需水量、下游廣利灌區(qū)取水量（引沁與廣利灌區(qū)水量按6∶4分水方案）、河口村水庫(kù)供水等因素制約。因此，沁河可利用水資源量為根據(jù)以上約束條件，扣除不可引用部分，結(jié)合渠首無(wú)壩引水能力及渠道輸水能力、干渠及末端可消納或調(diào)蓄能力綜合確定。2009—2018年多年平均引沁總量為36 485萬(wàn)m3，其中灌區(qū)引沁水量為11 090萬(wàn)m3。從歷年引水情況來(lái)看，引沁灌區(qū)渠系工程有足夠的引水能力滿足灌區(qū)取用水指標(biāo)。同時(shí)，廣利灌區(qū)多年平均引沁水量為10 343萬(wàn)m3，與引沁灌區(qū)引沁水量（多年平均15 297萬(wàn)m3）基本符合6∶4分水方案?？梢?jiàn)，現(xiàn)狀實(shí)際引水可以反映不同來(lái)水條件下可引沁水量。

因此，從引水量角度進(jìn)行分析，結(jié)合引沁灌區(qū)渠首引水情況，確定灌區(qū)多年平均引水量15 297萬(wàn)m3，平水年（=50%）可引水量14 836萬(wàn)m3，枯水年（=75%）可引水量9 575萬(wàn)m3，特枯年（=90%）可引水量7 855萬(wàn)m3。同時(shí)根據(jù)《孟州市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)自來(lái)水廠建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》《河南省小浪底北岸灌區(qū)可行性研究報(bào)告》等相關(guān)成果，規(guī)劃年灌區(qū)內(nèi)孟州市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)擬從小浪底引水10萬(wàn)m3/d，以配合沁河水、地下水、非常規(guī)水等保障產(chǎn)業(yè)區(qū)生產(chǎn)生活用水。

3.1.2 當(dāng)?shù)氐乇硭?/p>

根據(jù)《河南省水資源》，灌區(qū)內(nèi)多年平均徑流深為100 mm，多年平均地表徑流量為6 787萬(wàn)m3，目前地表水利用率為20%，多年平均可利用量為1 357萬(wàn)m3?？紤]規(guī)劃年對(duì)灌區(qū)內(nèi)小水庫(kù)、水池進(jìn)行除險(xiǎn)加固、防滲處理等維護(hù)改造，地表水可利用量逐年增加，但為響應(yīng)國(guó)家保障生態(tài)環(huán)境的號(hào)召，應(yīng)控制地表水利用，保障河道生態(tài)環(huán)境，因此不宜增幅過(guò)多，預(yù)測(cè)至2025年，地表水利用率達(dá)30%，多年平均地表水可利用量為2 036萬(wàn)m3，=50%保證率下可利用量為1 975萬(wàn)m3，=75%保證率下可利用量為1 609萬(wàn)m3，=90%保證率下可利用量為1 181萬(wàn)m3。

3.1.3 地下水

參照《河南省水資源綜合規(guī)劃》《河南省水資源》《河南省水資源配置》等規(guī)劃，并結(jié)合灌區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用情況，至規(guī)劃年2025年，地下水可開采模數(shù)為9.76萬(wàn)m3/km2，根據(jù)式（3）可得，=50%保證率下引沁灌區(qū)地下水可開采量為6 625萬(wàn)m3，=75%保證率下為7 288萬(wàn)m3，=90%保證率下為8 281萬(wàn)m3。

3.1.4 非常規(guī)水

非常規(guī)水主要包括再生水、降水、礦井水等，本文主要考慮再生水資源利用。參照《河南省水資源綜合規(guī)劃》，結(jié)合河南省和地方再生水回收利用率，預(yù)測(cè)2025年灌區(qū)內(nèi)再生水利用率為30%，灌區(qū)內(nèi)再生水可利用量為703萬(wàn)m3。

綜合以上分析，規(guī)劃年2025年灌區(qū)內(nèi)各來(lái)水年可供水總量見(jiàn)表2。

表2 引沁灌區(qū)可供水量

3.2 需水量分析

3.2.1 農(nóng)業(yè)灌溉需水量

根據(jù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整情況和作物的設(shè)計(jì)灌溉定額，計(jì)算引沁灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉凈需水量見(jiàn)表3。由表3可知，由于灌溉面積的增加，2025年平水年和枯水年作物需水量均大于2018年，但2025年特枯年需水量相對(duì)較小，主要由于瓜類灌溉面積的減少使得其特枯年需水量較小。

表3 灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量

3.2.2 農(nóng)業(yè)其他需水量

農(nóng)業(yè)其他用水戶主要包括灌區(qū)內(nèi)散養(yǎng)大小牲畜、集中養(yǎng)豬場(chǎng)、果園以及魚塘等。其中，灌區(qū)內(nèi)牲畜用水主要為散養(yǎng)大、小牲畜，以及集中圈養(yǎng)的養(yǎng)豬場(chǎng)用水，果園、魚塘分別計(jì)算不同保證率下的需水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。由于牲畜、果園、魚塘需水定額均不變，2025年因牲畜數(shù)量增多牲畜需水量稍大于2018年，而果園、魚塘需水量均維持不變。

表4 灌區(qū)牲畜需水量

表5 灌區(qū)果園、魚塘需水量

3.2.3 工業(yè)需水量

引沁灌區(qū)內(nèi)工業(yè)主要為玉川產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、孟州產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)及其他工業(yè)片區(qū)，主要集中在濟(jì)源和焦作孟州。規(guī)劃年工業(yè)增加值用水量擬結(jié)合現(xiàn)狀灌區(qū)內(nèi)工業(yè)用水指標(biāo)，并參照《河南省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃》和《河南省水資源綜合規(guī)劃》2個(gè)規(guī)劃2030年指標(biāo)平均值，綜合分析確定2025年用水指標(biāo)，結(jié)果如表6。隨著技術(shù)水平的提升，灌區(qū)內(nèi)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量減少，但是由于工業(yè)增加值的增多，2025年灌區(qū)工業(yè)需水量仍大于2018年。

3.2.4 城鄉(xiāng)綜合生活需水量

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50013—2018）《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB50282—2016）以及《河南省地方標(biāo)準(zhǔn)-工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》（DB41/T385—2020），結(jié)合現(xiàn)狀用水水平，預(yù)測(cè)2025年城鄉(xiāng)綜合生活需水量，結(jié)果如表7。2025年人口及需水定額都有所提升，使得2025年需水量大于2018年，其中，農(nóng)村需水定額提升較小，且小于城鎮(zhèn)需水定額，但由于農(nóng)村人口較多，農(nóng)村需水量仍大于城鎮(zhèn)需水量。

表6 灌區(qū)內(nèi)工業(yè)需水量

3.2.5 生態(tài)環(huán)境需水量

生態(tài)環(huán)境需水量包括河道生態(tài)補(bǔ)水和綠地及環(huán)衛(wèi)公共用水。引沁灌區(qū)內(nèi)主要河道為北漭河、五指河、泥溝河、大柴河等14條主要河道，其河道生態(tài)補(bǔ)水量為260萬(wàn)m3，擬每年在枯水期補(bǔ)水4次，河道生態(tài)凈需水總量為1 040萬(wàn)m3。根據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137—2011），規(guī)劃人均綠地面積不應(yīng)小于10 m2，規(guī)劃人均交通設(shè)施面積不應(yīng)小于12 m2。結(jié)合灌區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)發(fā)展綜合規(guī)劃及實(shí)際情況，預(yù)測(cè)2025年人均綠地面積為10 m2，澆灑道路面積11.5 m2，經(jīng)計(jì)算，2018年灌區(qū)內(nèi)綠地及環(huán)衛(wèi)公共需水量為202萬(wàn)m3，2025年灌區(qū)內(nèi)綠地及環(huán)衛(wèi)公共凈需水量為305.2萬(wàn)m3。

表7 灌區(qū)城鄉(xiāng)綜合生活需水量

注“84/80”表示濟(jì)源城鎮(zhèn)需水定額為84L/(人·d)，孟州、吉利城鎮(zhèn)需水定額為80L/(人·d)；“67/60”表示濟(jì)源農(nóng)村需水定額為67L/(人·d)，孟州、吉利農(nóng)村需水定額為60L/(人·d)。

綜合以上需水量分析成果，匯總計(jì)算得2025年引沁灌區(qū)各保證率下的凈需水總量，見(jiàn)表8。

表8 灌區(qū)凈需水總量

根據(jù)區(qū)域水資源供需水量的計(jì)算，參照典型輸水線路，逐級(jí)考慮輸水損失，通過(guò)計(jì)算的凈需水量及水資源利用系數(shù)計(jì)算灌區(qū)毛需水量[16]。其中，灌溉水利用系數(shù)均為0.8；引沁水供生活、工業(yè)及生態(tài)水資源利用系數(shù)為0.8；地下水供農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)為0.85，地下水供工業(yè)水資源利用系數(shù)為0.9；地表水供農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)0.68；再生水供工業(yè)和生態(tài)水資源利用系數(shù)0.8；黃河水供孟州產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)水資源利用系數(shù)為0.8。

3.3 區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為引沁灌區(qū)不同水平年不同保證率下的供水量和需水量。根據(jù)圖3可知，2025年引沁灌區(qū)供水量與需水量較2018年均有上升，2018年3種保證率下灌區(qū)皆處于缺水狀態(tài)，其缺水量分別為1 185萬(wàn)、10 428萬(wàn)、18 232萬(wàn)m3。而2025年=50%保證率下供水量可滿足灌區(qū)需水量，=75%及=90%保證率下也屬于缺水狀態(tài)，其缺水量分別為5 837萬(wàn)、8 469萬(wàn)m3。由此可知，2025年灌區(qū)整體情況優(yōu)于2018年，平水年2025年可滿足灌區(qū)用水而2018年無(wú)法滿足，枯水年與特枯年灌區(qū)的用水均無(wú)法得到滿足。

分別計(jì)算2018年及2025年不同保證率下引沁灌區(qū)區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，如圖4所示。從圖4中可以看出，2018年引沁灌區(qū)在各種情況下均處于水資源短缺的狀況，主要原因是農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率較低，且2018年由于部分蓄水池不能參與調(diào)節(jié)作用，使得地表水可利用量也較低。2018年=50%保證率下，灌區(qū)區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)為1.06，屬于水資源平衡類型，盡管無(wú)法完全滿足灌區(qū)水資源需求，但對(duì)灌區(qū)正常的生產(chǎn)生活幾乎不造成影響。而在=75%及=90%的保證率下，灌區(qū)已進(jìn)入水資源短缺狀態(tài)，尤其是=90%的保證率下，此時(shí)灌區(qū)區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)高達(dá)2.56，已經(jīng)達(dá)到水資源極度短缺狀態(tài)，此時(shí)灌區(qū)內(nèi)無(wú)論是生產(chǎn)生活還是生態(tài)環(huán)境用水都面臨極大的挑戰(zhàn)，已無(wú)法維持人們的正?；顒?dòng)。

圖4 2018、2025年不同保證率下引沁灌區(qū)區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)

2025年可以保證=50%保證率下的用水需求，其區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)為0.92，在滿足灌區(qū)用水需求后尚有盈余，灌區(qū)內(nèi)水資源配置優(yōu)先考慮配置引沁水、黃河水、當(dāng)?shù)氐乇硭⒃偕螅叵滤杏虚_發(fā)利用空間，對(duì)于涵養(yǎng)地下水，保護(hù)地下水環(huán)境具有一定的積極作用，可將地下水作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備水源。但是在=75%、=90%保證率下，灌區(qū)仍有不同程度的缺水，盡管如此，2025年=75%、=90%保證率下灌區(qū)只屬于輕度、高度缺水狀態(tài)，離水資源極度短缺狀態(tài)相距較遠(yuǎn)。

4 討論

傳統(tǒng)的水資源供需平衡分析多數(shù)為計(jì)算一個(gè)地區(qū)水資源的供給量與需求量，以此得出具體的缺水?dāng)?shù)值或缺水率[17-18]，如楊陽(yáng)等[3]以慶陽(yáng)市城市水資源現(xiàn)狀為研究對(duì)象，對(duì)水資源進(jìn)行了供需平衡分析，最終得出結(jié)論如“在=50%的情況下，2020年除環(huán)縣外，其余各縣區(qū)均達(dá)到需水量要求，并且均有余水量，不存在缺水現(xiàn)象”等，這種分析可以得出地區(qū)是否缺水以及缺水多少，但無(wú)法得知地區(qū)盈余及缺水程度如何，各地區(qū)相對(duì)差距有多大等問(wèn)題。

本文通過(guò)計(jì)算區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，得出平水年引沁灌區(qū)2018年及2025年均處于水資源平衡狀態(tài)，而枯水年與特枯年盡管2 a都處于水資源短缺狀態(tài)，但2025年處于輕度缺水與高度缺水狀況，而2018年則處于高度缺水和極度缺水狀況，由此得出水資源短缺（盈余）程度的結(jié)果，如文獻(xiàn)[3]若通過(guò)計(jì)算區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，可以得到相關(guān)結(jié)論如：在=50%的情況下，2020年華池縣余水量為16.37萬(wàn)m3，供需平衡指數(shù)為0.93，處于平衡有余狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)注意涵養(yǎng)水源，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等。由此可見(jiàn)，通過(guò)計(jì)算區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，不僅可以明確不同情況下區(qū)域水資源的供需水盈缺狀況，還可以得知區(qū)域水資源盈余（短缺）的程度，以此來(lái)確定水資源分配情況并及時(shí)采取不同措施應(yīng)對(duì)不同程度的水資源盈余（短缺）。同時(shí)，在進(jìn)行多個(gè)地區(qū)水資源供需平衡分析時(shí)，還可以通過(guò)計(jì)算區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)，對(duì)比不同年份不同地區(qū)的水資源供需平衡狀況。

本文僅提出了區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)的概念及計(jì)算方法，并劃定了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和解釋其含義，然而，其標(biāo)準(zhǔn)的劃分較為粗糙，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步完善。同時(shí)，文章只計(jì)算了引沁灌區(qū)1個(gè)區(qū)域2 a的不同情景下的，研究區(qū)較少，時(shí)間尺度較短，需進(jìn)一步對(duì)不同流域或省區(qū)等的長(zhǎng)系列供需水情況進(jìn)行分析，以進(jìn)一步完善區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)體系。

5 結(jié)論

1）2018年=50%保證率下，灌區(qū)為1.06，達(dá)到水資源平衡狀態(tài)，可維持正常生產(chǎn)生活；=75%及=90%保證率下灌區(qū)為1.71和2.56，水資源短缺極其嚴(yán)重。

2）2025年=50%保證率下，灌區(qū)為0.92，達(dá)到平衡有余狀態(tài)，可適當(dāng)涵養(yǎng)地下水資源；=75%及=90%保證率下灌區(qū)分別為1.29和1.45，屬于輕度缺水狀態(tài)，可適當(dāng)調(diào)整灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)以滿足灌區(qū)用水需求。

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Variation in Balance Between Water Supply and Water Demand in Yinqin Irrigation District

ZHAO Weiling1, JI Yihu2, ZUO Qiting2, 3*, FU Yunyou1

(1. Henan Yubei Water Conservancy Engineering Administration Bureau, Xinxiang 453002, China; 2. School of Water Conservancy Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 3. Henan International Joint Laboratory of Water Cycle Simulation and Environmental Protection, Zhengzhou 450001, China)

【Objective】Understanding water demand and water availability in a region is fundamental to securing its sustainable development. Taking Yinqin irrigation district as an example, this paper analyzes the balance between water supply and water demand in attempts to help improve regional water resources management.【Objective】The quota method and the related development planning forecast were first used to evaluate the variation in water supply and demand from 2018 to 2025 under different conditions. We then introduced a supply-demand water balance index () and classified the balance into three types: water surplus, in balance, and water shortage. Thewas further divided into nine conditions. All these were used to evaluate the balance between water supply and demand in the district under different conditions.【Result】When the required water guarantee is 50%,in the district in 2018 and 2025 is 1.06 and 0.92, respectively, indicating that water supply and demand are in balance and water can support normal activities. When the required guarantee is increased to 75% and 90%, however,in the district is 1.71 and 2.56, representing high and extreme water shortage, respectively. These will be improved in 2025, with the associatedbeing 1.29 (75% guarantee rate) and 1.45 (90% guarantee rate), indicating mild and high water shortage, respectively.【Conclusion】Water supply and demand in Yinqin irrigation area is expected to improve in the future, though it is unlikely to meet the demand of all sectors for water, especially in dry years.

water balance between supply and demand; shortage of water resources; Yinqin irrigation area; quota method; regional water resources supply and demand balance index ()

趙維嶺, 紀(jì)義虎, 左其亭, 等. 區(qū)域水資源供需平衡指數(shù)分析方法：以引沁灌區(qū)為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(3): 128-135.

ZHAO Weiling, JI Yihu, ZUO Qiting, et al. Variation in Balance Between Water Supply and Water Demand in Yinqin Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 128-135.

TV213.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021587

1672 - 3317（2023）03 - 0128 - 08

2021-11-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2021YFC3200201）；河南省重大公益性項(xiàng)目（2020-36）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52279027）

趙維嶺（1964-），男。高級(jí)工程師，主要從事水利工程管理工作。E-mail: ywzdsxd@126.com

左其亭（1967-），男。教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail: zuoqt@zzu.edu.cn

責(zé)任編輯：白芳芳