流域水資源開發(fā)利用程度評價的若干問題探討
——以海河流域為例

丁菊鶯，宋秋波，任涵璐，劉博靜

（1.湖南省國際工程咨詢集團有限公司，湖南 長沙 410126；2.水利部海河水利委員會，天津 300170；3.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300170）

水資源開發(fā)利用程度也叫水資源利用率，是用水量占水資源總量的比率，體現(xiàn)某個時序周期內流域或區(qū)域水資源已被開發(fā)（采）利用的程度（強度）。其可用來綜合評價流域水資源總體開發(fā)狀況，指導管理者編制流域水資源規(guī)劃，針對問題科學合理開展水資源管理；可從成因上將自然生態(tài)系統(tǒng)中的表象問題，如河道斷流、濕地萎縮、包氣帶干化、地裂縫、地面沉降、海（咸）水入侵等，與人類活動中的不合理行為進行關聯(lián)；可輔助分析流域或區(qū)域在一定可預見期內可開發(fā)利用的潛力；可用于開展生態(tài)環(huán)境用水被擠占量和退還量的分析計算。

《水資源規(guī)劃規(guī)范》（GB/T 51051-2014）[1]中僅對水資源開發(fā)利用程度分析評價的方法作出了簡要闡述，對其中涉及的諸多復雜因素如時段和區(qū)域界定、代表性系列選取、山丘區(qū)地下水開采對地表徑流的影響、非常規(guī)水如何參與計算等方面缺乏具體指導和相關案例，造成計算結果存在人為因素影響大、科學性欠缺等問題。

2017 年以來，水利部開展的第三次全國水資源調查評價成果表明，海河流域水資源量較第二次調查評價衰減明顯，且衰減態(tài)勢尚無臻于穩(wěn)定的跡象。本文以水資源開發(fā)利用程度評價中的代表性系列選取為核心，以我國水資源最為短缺、供需矛盾最為突出、下墊面變化最為劇烈的流域之一——海河流域為研究對象，對流域水資源開發(fā)利用程度計算的若干重點問題進行分析與探討。

1 代表性系列選取

《水資源規(guī)劃規(guī)范》（GB/T 51051-2014）中指出，應根據(jù)水資源評價分析和供水量調查分析成果，分別計算地表水資源開發(fā)利用率、地下水資源開采率及水資源開發(fā)利用率等指標，對水資源開發(fā)利用程度及狀況進行評價[1]。規(guī)范明確指出：對應水資源開發(fā)利用率的計算可采用近期當?shù)厮Y源形成的年平均供水量（含調出水量）與多年平均年水資源量的比值表示[2]。規(guī)范中強調應計算某個系列周期的內容，且要求為多年平均水資源量。

第三次水資源調查評價海河流域已有比較完整的61 a 水文系列，在滿足水文系列不少于30 a 的條件下，計算系列可有多種不同選擇，本次選擇海河流域內各代表性河流的典型水文測站進行代表期分析，選取測站長系列、1956—2000、1970—2016、1980—2016、1956—2016 年共5 個系列進行分析對比，從中篩選出適宜計算水資源開發(fā)利用程度的水文系列。

水文系列的代表性分析，主要是通過對周期性、穩(wěn)定性和代表期分析來揭示系列對總體的代表程度[3]。一般用模比系數(shù)差積曲線反映周期性，系列中應有明顯的豐、平、枯水期；用模比系數(shù)累積平均值曲線反映穩(wěn)定性，當模比系數(shù)累積平均值計算到一定期限，數(shù)值波動幅度無限趨近于1，表明系列具有穩(wěn)定性。本次收集到1956—2016 年共61 a 徑流量數(shù)據(jù)，進行分析如下。

1.1 系列基本參數(shù)分析

系列代表性分析可通過樣本容量、均值、總體方差等參數(shù)來體現(xiàn)。分別對不同系列進行計算，從均值來看，1956—2016 年系列代表效果較好；從方差來看，1980—2016 年系列較為平穩(wěn)；從變差系數(shù)來看，1980—2016 年系列年際變化更為緩和。僅從基本參數(shù)來看，5 個系列中1980—2016 年為相對最穩(wěn)定的系列。具體情況，詳見表1。

表1 各代表站統(tǒng)計參數(shù)計算結果

1.2 系列周期性分析

通過模比系數(shù)差積曲線[4]觀察周期性：完整的上升段表示一個豐水期，完整的下降段表示一個枯水期，圍繞一個數(shù)值小范圍波動表示一個平水期。觀察圖1 中海河流域1980—2016 年的水資源量系列，從一般性枯水期開始，十幾年后快速進入一個豐水段，到1998年結束，其中經歷了1996年的洪水年作為豐水年極大值，然后經歷了十幾年的連續(xù)枯水，2002年為特枯年。2001年后，豐枯交替比較劇烈，但沒有連續(xù)豐枯現(xiàn)象。總體判斷是，該系列具有完整的豐枯交替特征，也有不同頻率的典型代表年，相對而言缺乏比較有代表性的平水段，但總體是具有代表性的。

圖1 海河流域各系列模比系數(shù)差積曲線

從1970 年開始的系列，由于20 世紀70 年代總體徑流量較大，導致系列均值抬升。從差積曲線來看，呈現(xiàn)1972—1979、1993—1998年2個明顯的短期豐水段，1980—1984 年短期枯水段，1985—1992 年平水段，1999—2011 年中長期枯水段。與1980—2016 年系列相比，極值點保持一致。總體系列代表性滿足要求，有明顯平水期，但僅有一個較長枯水段，其余豐枯時段都較短，代表性欠佳。

1.3 系列穩(wěn)定性分析

通過模比系數(shù)累積平均值曲線[4]觀察系列穩(wěn)定性：系列長度都超過30 a，總體都可達到穩(wěn)態(tài)。1956—2016 年系列和1956—2000 年系列的累積平均值從正值下降逐漸趨近于1，證明系列總體呈現(xiàn)前期豐水、后期枯水，通過后期穩(wěn)定的枯水狀態(tài)拉低前期豐水狀態(tài)影響，從而使得系列逐漸趨于穩(wěn)定。而1970—2016 年系列僅在系列初期出現(xiàn)短暫枯水，之后處于豐水或平水期，依靠后期連續(xù)枯水使得系列趨于穩(wěn)定。1980—2016 年水文系列前1/3 時段趨于枯水，中間1/4 時段處于相對豐水，后期約1/3 時段處于枯水期，經過豐枯交替逐漸趨于穩(wěn)定。從曲線特征判斷，在滿足穩(wěn)定性前提下，1980—2016 年系列穩(wěn)定性較好，如圖1所示。

1.4 徑流序列變異分析

另選2 個典型水文站（灤河灤縣站、潮白河密云水庫站）徑流量序列，應用5 a 滑動平均法進行變異點分析，如圖2所示。

圖2 典型水文站徑流量及5 a滑動平均過程線

由徑流過程線及相應的5 a 滑動平均過程線可看出2個水文站的年徑流量序列均呈現(xiàn)總體下降的趨勢，且1980 年前徑流量變化幅度較1980 年后劇烈，初步判斷徑流量序列可能存在變異[5]。

采用Mann-Kenddall 秩次相關檢驗法[6，7]對2 個水文站的徑流量序列進行趨勢性檢驗。在給定的顯著水平α=0.05 的條件下，查表得知Zα/2=1.96。經計算，灤縣站和密云水庫的M-K值分別為-5.812 和-5.613，可知＞Zα/2，且M-K＜0，說明徑流量序列有明顯的下降趨勢。再通過累積距平法[8]確定變異點年份，2 個代表站年徑流量的累積距平曲線均在1979年出現(xiàn)最大值，診斷1979年為徑流序列變異點，如圖3所示。

圖3 典型水文站徑流量及累積距平曲線

因此，為體現(xiàn)流域內近期開發(fā)利用狀況，推薦選用1979年后具有代表性的長系列作為資源量系列。

1.5 最優(yōu)系列比選

常規(guī)來說，在滿足“三性”條件的前提下，系列越長代表性越好，除非穩(wěn)定性發(fā)生了變化。經上述分析，比較具有代表性的系列有2個：1956—2016年系列和1980—2016年系列。分析如下。

（1）在降雨量變化差別不大的情況下，影響徑流的主要因素是人類活動引起的下墊面變化，包括但不限于山區(qū)水土保持、地表水和地下水取用、水利工程建設、土地利用轉化等，其中人類活動開發(fā)利用的主要手段是大規(guī)模水利工程的建設。海河流域水利工程的建設主要集中在20世紀50—70年代，這期間修建了大量的水庫，至1980年前后，除個別水庫（如桃林口水庫）外，其他水利工程基本修建完成進入運行。因此，從20 世紀80 年代初期開始，人類對水資源開發(fā)利用的方式基本趨于穩(wěn)定。

（2）從個別站超長系列分析結果來看，20 世紀50年代中后期到70年代前期，整個海河流域處于近150 a 水文系列當中最豐的一個時段，對比2012、2013、2016、2018、2021 等多個平水或豐水年，結合有關氣象預測，海河流域很難重現(xiàn)20世紀60—70年代的水文水資源狀況。

（3）海河流域水文系列有2 個比較明顯的拐點，分別是2000 和1979 年。從2000 年前后統(tǒng)計20 a，近40 a是從特豐水期到特枯水期，然后到平水期，呈現(xiàn)為一個較為完整的豐枯交替系列，在比選代表性系列時，不宜從2000 年切斷，否則1956—2000 年系列呈現(xiàn)單向性，2000—2016 年不滿足系列長度。而1979 年后的系列具有明顯的豐枯交替特征，之前的系列則無法反映近年來開發(fā)利用實際情況，尤其是20世紀80年代以后大規(guī)模的地下水超采狀況。

綜上所述，1980—2016 年系列滿足水文系列長度不小于30 a 的一般要求，在調查評價中已開展過可靠性、一致性和代表性分析，且具有較好的周期性與穩(wěn)定性，可作為評價海河流域水資源開發(fā)利用程度的基礎。

2 海河流域水資源開發(fā)利用程度評價

考慮流域水系特點和開發(fā)利用差異性，本文以海河流域水資源二級分區(qū)為單元計算水資源開發(fā)利用率，主要對地表水和水資源總量開發(fā)利用率進行計算。

2.1 評價期水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

海河流域可供開發(fā)利用的水資源主要有本地地表水、外調水、地下水、非常規(guī)水等水源，外調水主要指南水北調工程、引黃工程供水等。2019 年海河流域總供用水量380.6億m3，其中本地地表水、外調水、淺層地下水、深層承壓水、非常規(guī)水分別為81.7 億、110.5 億、137.1 億、22.8 億、28.53 億m3，從供水組成來看，外調水和地下水成為海河流域主要供水水源。

從供水角度看，1980 年以來海河流域供水總體呈現(xiàn)快速增長而后緩慢下降的趨勢，年總供水量為344 億～402 億m3，2000 年前變幅較為明顯，之后逐漸穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 供用水變化趨勢

1980年為海河流域干旱年，而1979年為海河流域豐水年，大中型水庫蓄水較多，全流域總供水量達到396 億m3；至1985 年，流域水資源狀況較好，總供水量降低到344 億m3，為近30 a 最低值；此后，伴隨經濟社會進入快速發(fā)展期，供水量也呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢，到2000 年增長到402 億m3，為近30 a 最高值；2000—2016 年，總供水量總體呈緩慢下降趨勢；2016年后，總供水量緩慢增加。

從用水角度看，流域用水量與經濟社會發(fā)展密不可分，2000 年以前集約式經濟發(fā)展和粗放式用水導致流域用水總量快速增加，到2000年達到402億m3，大大超過水資源承載能力[9]，水資源短缺導致供需矛盾突出，引發(fā)地下水超采和生態(tài)環(huán)境破壞。2000年后，伴隨經濟社會發(fā)展方式逐漸變化，節(jié)約用水水平不斷提升，用水量呈穩(wěn)步下降趨勢，全流域年用水總量基本穩(wěn)定在370 億m3上下。從用水結構變化看，不斷加速的城鎮(zhèn)化進程導致生活用水不斷提升，生態(tài)文明建設步伐加快也導致人工生態(tài)與環(huán)境補水量持續(xù)快速增長，而國民經濟和產業(yè)結構的轉型使得工業(yè)用水量和農業(yè)灌溉用水量呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 地表水資源開發(fā)利用率

地表水開發(fā)利用率計算時應對地表供水量進行扣減和還原，扣減外區(qū)域供本區(qū)域的水量，還原本區(qū)域供外區(qū)域的水量，考慮山丘區(qū)地下水開采凈消耗量，得到當?shù)氐乇硭┧俊：：恿饔蛏嫱庹{水歷史悠久，自20 世紀50 年代開始便有魯、豫兩省引黃河水用于灌溉，之后津、冀、晉陸續(xù)建成引黃工程并通水；南水北調東線一期、中線一期工程也分別于2013 年年底、2014 年年底相繼通水，受水區(qū)涉及京、津、冀、豫、魯共5個省市，主要為城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水。流域內也存在水資源二級區(qū)之間跨區(qū)調水，主要有引灤入津、山東省引衛(wèi)工程等。

具體計算時，根據(jù)多年來海河流域實際調水情況對各區(qū)地表供水量處理如下：①灤河冀東沿海需還原引灤入津工程供天津海河北系、海河南系水量；②海河北系應扣減引黃、引江、引灤、河北省四庫（崗南、黃壁莊、王塊、安各莊4座大型水庫）向北京調水量；③海河南系需要還原四庫向北京的調水量和徒駭馬頰河引漳河水量，同時扣減引黃、引江、引灤水量；④徒駭馬頰河應扣減引黃水量和引漳河水量。此外，海河北系有大量由北運河（北京）下泄的再生水，流到下游天津被統(tǒng)計為本地地表水，但實際上天津的主要供水水庫如于橋水庫、爾王莊水庫本地自產水量很少，水庫中大量都是上游下泄而來的再生水，在對海河北系進行計算時，需酌情扣減再生水對當?shù)氐乇硭Y源開發(fā)利用的影響。

1980—2016 年，海河流域多年平均地表水資源量為136.7 億m3，多年平均當?shù)氐乇硭┧?03.2億m3，流域地表水開發(fā)利用程度為75.5%。不同水資源二級區(qū)之間差別較大，海河北系開發(fā)利用程度最高，達97.7%。其次為海河南系與灤河及冀東沿海，分別為74.6%、68.8%；徒駭馬頰河由于當?shù)貜搅骶鶠槠皆a流，在海河流域開發(fā)利用率最低為46.4%。

2.3 水資源總量開發(fā)利用率

計算水資源總量開發(fā)利用率時，除扣減和還原地表水供水量中對應水資源二級區(qū)跨區(qū)域調水量外，還應扣減未計入水資源總量評價范圍的深層承壓水供水量。

1980—2016 年，流域水資源總開發(fā)利用程度達105.7%。其中，灤河及冀東沿海開發(fā)利用率81.6%，海河北系高達123%，海河南系為113.4%，徒駭馬頰河為74.7%。具體情況，詳見表2。

表2 海河流域1980—2016年水資源開發(fā)利用程度分析

2.4 水資源開發(fā)利用程度分析

海河流域水資源稟賦條件較差，而流域內京津冀地區(qū)社會經濟發(fā)展水平較高，其經濟社會發(fā)展與水資源稟賦條件是不匹配的。新中國成立后，海河流域的水利建設得到了較大規(guī)模的發(fā)展，最主要的體現(xiàn)即南水北調工程和引黃工程的建設，且流域內的引灤調水工程也為平衡水資源供需矛盾做出了巨大貢獻。

本節(jié)水資源開發(fā)利用率的計算，主要是評價區(qū)域本底情況的開發(fā)利用程度。計算結果顯示，海河流域多年平均地表水資源開發(fā)利用率較高，主要體現(xiàn)在海河北系內京津冀地區(qū)，水資源對區(qū)域初期經濟社會發(fā)展起到了推動作用；但新時代水資源保護政策也對區(qū)域經濟社會發(fā)展帶來了限制。全流域水資源總體開發(fā)利用程度已超過100%，筆者分析主要影響因素為區(qū)域內多年來的地下水超采狀況導致[10]。從水資源承載能力角度來說，當?shù)厮Y源稟賦條件無法支撐流域或區(qū)域內的經濟社會高質量發(fā)展。隨著海河流域內京津冀協(xié)同發(fā)展、雄安新區(qū)、環(huán)渤海帶等重要經濟發(fā)展戰(zhàn)略的實施，以及南水北調中線工程供水能力的限制，未來流域內水資源供需矛盾將更加嚴峻，需要引進新的外調水工程，緩解流域內重要經濟區(qū)的供水壓力。

3 若干問題探討

3.1 時空范圍選取

通常認為在計算水資源開發(fā)利用程度時，應當盡量以河流水系流域為單元進行計算。行政區(qū)單元內流域出入境比較復雜，如“上游行政區(qū)下泄水量是否滿足下游需求、下游行政區(qū)是否超用上游下泄的過境水量、各行政區(qū)河流生態(tài)水量的分攤問題”等，在未明確水量分配方案的前提下，計算存在上述基礎性問題，選擇河流水系為單元則比較少涉及地表水出入境的問題。《全國水資源綜合規(guī)劃技術細則》中指出：“大江大河水資源開發(fā)利用程度按獨立流域或一級支流為單元進行分析，中小流域由各省（自治區(qū)、直轄市）選擇進行分析[11]。”綜上所述，海河流域河流水系出入區(qū)關系復雜，選擇相對獨立的水資源二級分區(qū)為單元進行計算較為合理。

進行計算時段選取時則要盡可能體現(xiàn)近期下墊面情況，資源量系列須具有足夠的代表性。

3.2 厘清調入調出關系

在計算區(qū)涉及調水時，本著開發(fā)利用量與資源量相對應的原則，應當把調入水量歸還給供水區(qū)。如在計算近期北京市地表水資源開發(fā)利用率時，會涉及北京2008—2014 年河北省四庫向北京應急調水水量，應當將這部分水量從當?shù)氐乇硭杏枰钥鄢瑲w還到河北省地表供水量中；在計算河北省地表水資源開發(fā)利用率時，涉及引黃濟冀水量應予以扣除，并歸還到黃河流域供水中。其本質理念是供水工程把水供出，即代表“開發(fā)利用”了本區(qū)的資源量。

3.3 考慮山區(qū)地表水與地下水的轉換關系

山丘區(qū)的地表水多以地下水形式被運用，但開采地下水對地表徑流影響很大，直接導致地表徑流衰減，所以在計算時應理解為地表水開發(fā)利用。海河流域山丘區(qū)地下水開采量較大，對地表水資源的襲奪影響不可忽略，因此本文在計算地表水資源開發(fā)利用率時將統(tǒng)計的山丘區(qū)地下水開采量計入資源量，將山丘區(qū)地下水開采凈消耗量計入開發(fā)利用量中，更能反映實際開發(fā)利用情況。

3.4 非常規(guī)用水如何參與評價

近年來，海河流域非常規(guī)水用量增加，如北京的再生水、天津的淡化海水等。在計算流域總體水資源開發(fā)利用率時，非常規(guī)水資源的處理較為復雜，主要分為3類，筆者進行了如下思考。

（1）未計入資源量評價的水，指用水戶退回本區(qū)域并被檢測到的水量如深層承壓水、雨水、微咸水、淡化海水、礦坑水等。理論上來說，如果它們不被開發(fā)利用，可能會導致資源量被更多地消耗，但在實際工作中一般不直接計入，除非其退水被計入資源量，則在開發(fā)利用量中進行相應的考慮。

（2）跨流域調水的回歸水量，在海河流域水資源評價時已分別計入地表和地下水資源量中，往往以再生水的方式被開發(fā)利用，應計入開發(fā)利用量。

（3）再生水。若再生水的初始用戶水源是外調水，則用戶對當?shù)厮挠盟枨髸鄳档停祟愒偕碚撋喜粦嬋胗盟偭俊Ｈ粼偕某跏加脩粲玫氖潜镜氐乇硭⒌叵滤瑢嶋H意義上代表的是當?shù)厮Y源利用效率的提升，當再生水用量增加時，則新鮮水量的需求會相應減少，此時由需求降低帶來的出境水量變化是增加的；但再生水提升了水的重復利用率，由排水減少帶來的出境水量變化是減少的；由此導致總體上出境水量會有一定增加，可以理解為當?shù)氐乇硭脑肌伴_發(fā)利用”量減少了。由于上游地區(qū)的出境水量在一定程度上會影響下游用水，此時再生水是否計入用水總量應當慎重考慮。

3.5 核心問題是開發(fā)利用量和資源量的對應

海河流域在2002年開展水資源規(guī)劃編制工作時曾開展過1980—2000年流域水資源開發(fā)利用程度分析，當時地表水開發(fā)利用率采用的開發(fā)利用量是1980、1985、1990、1995、2000 年共5 個年份的當?shù)氐乇硭┧烤荡媪嗽摃r段的年均供水量；資源量數(shù)據(jù)采用1980—2000 年地表水資源量評價值，開發(fā)利用量和資源量是對應的。水資源總量開發(fā)利用程度評價中采用5個典型年份供水總量（扣除深層承壓水和跨一級流域外調水供水量），資源量數(shù)據(jù)為系列水資源總量，開發(fā)利用量和資源量也是對應的。本文選用的水資源量系列為1980—2016 年長系列，因此對應的供水量也采用1980—2016年年均供水量。

4 結論與展望

（1）流域區(qū)域水資源開發(fā)利用程度評價比較復雜，在滿足規(guī)范規(guī)定方法的前提下，要注意的問題有時空序列的選取、調入調出關系的厘清、山區(qū)地表水與地下水轉換關系的考慮、非常規(guī)用水量的處理等，其核心是代表系列選取與統(tǒng)計數(shù)據(jù)合理性分析。

（2）海河流域2019年總供用水量為380.6億m3。隨著經濟社會發(fā)展，流域多年平均當?shù)氐乇硭_發(fā)利用程度已較高，達到了72.1%，大大超過了國際公認的40%合理上限[12]；外調水的比重逐漸加大，對外流域調水的依賴性逐漸增強；加之流域內多年來大量開采地下水，遠遠超出地下水可開采資源量，導致水資源總量開發(fā)利用率高達105.7%。未來應遏制水資源過度開發(fā)的局面，統(tǒng)籌考慮當?shù)厮⑼庹{水和非常規(guī)水源，調配供水體系，優(yōu)化供水格局，以保障流域的供水安全。自2018 年以來，水利部大力推進華北平原區(qū)地下水超采治理已取得巨大成效，說明水資源被過度開發(fā)的問題已引起行業(yè)主管部門的重視，

（3）本文以海河流域為例進行水資源開發(fā)利用率分析計算，雖然計算公式較為簡單，但在具體工作中并非易事。本文總結了計算關鍵點，如區(qū)域調入調出關系、非常規(guī)用水的考慮等，均為計算過程中需要著重分析的部分。此外，本文著重于論述以流域為計算單元的水資源開發(fā)利用程度分析，針對以行政區(qū)域為評價單元的水資源開發(fā)利用程度分析更為復雜，除需要關注流域分析的關鍵點之外，還需要厘清行政區(qū)域涉及水系的出入區(qū)關系，希望在實際工作中引起技術工作者的注意。