基于生態環境需水量反推的西江流域地表水資源可利用量計算

關鍵詞：可利用量；間接算法；生態環境需水量；西江流域

中圖分類號：TV213. 4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0072-07

水資源可利用量包含在流域水資源總量中，是其重要組成部分，具有耗水的屬性［1］。目前，水資源可利用量特別是地表水的可利用量的概念內涵表述以及方法計算等尚不明確，并且計算過程繁瑣、所需基礎資料龐雜。國內及國外的學者對地表水資源的可利用量內涵要義理解有所不同［2］，不同之處主要表現在：一是國內學者暫不考慮回歸水的利用，而國外的計算中則將其考慮在內［3］；二是針對無法控制利用的汛期洪水量，國外考慮少，但在水權方面的考慮相較國內分析全面［4］。目前，用以計算地表水資源可利用量的方法多樣，在國內主要采用的是扣損法［5］，扣損法主要是基于流域地表水資源量，在扣除掉不能被利用水量、不可能被利用水量后剩余的水量即為地表水資源可利用量。如李曉波［6］采用扣損法，以大凌河流域為研究對象，在地表水資源量中減去用于維持水生態環境所需的最小水量及不可被利用水量分析計算了大凌河主要控制斷面和整個流域的地表水資源可利用量。國外的計算方法，如美國得克薩斯州WAM模型是建立在優先水權制度上的，美國俄勒岡州水資源可利用量計算方法也是遵循優先占用原則，墨西哥水資源可利用量指數法則綜合考慮了水量和水質2種要素等。因此，如何使得水資源可利用量的計算方法既要適合區域地理特性、適合河流水系特征而又便于計算，就顯得尤為重要。根據近年來開展的全國第三次水資源調查評價工作培訓指南，水資源可利用量的計算可分為直接算法和間接算法2種。

直接算法，顧名思義是通過長系列資料的調節計算，直接得出地表水資源的可利用量數值，平衡水生態環境系統和社會經濟發展兩方面的用水需求是重點，是比較常見的方法。該計算方法將河道外社會經濟發展的用水需求作為首要的因素來考慮，優點是充分考慮了合理的河道外用水需求變化，統籌了地表、地下和外調水等多種形式水源，直接計算出地表水資源的可利用量和水生態環境系統所需水量的多年平均值，以及不同頻率來水條件下的結果。缺點是直接算法需要的基礎資料細且繁多，所需時間長。

間接算法是通過計算流域目標生態環境需水量，利用公式反算出地表水資源可利用量。核心理念仍是找尋社會經濟和生態環境系統用水需求的平衡點，從生態系統用水需求入手，計算目標水生態環境需水量，并兼顧社會經濟發展系統，優點是計算結果依據流域天然水文情勢和時空分布情況，同時綜合考慮了水資源開發利用現狀和規劃安排，方法簡便易操作，結果靈活可調整。考慮西江流域范圍廣、涉及的水利工程多，計算所需基礎資料收集難度大，以及生態環境的重要性，本文嘗試采用間接算法來計算西江流域地表水資源可利用量，減少計算過程的難度，為其他流域計算地表水資源可利用量提供借鑒。

1西江流域概況

西江為珠江的主干流［7］，源頭為云南省曲靖境內的烏蒙山余脈馬雄山東麓，北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江等是其主要支流。西江干流全長2075km，流域總面積35. 31 萬km²，境內面積34. 05 萬km²。西江流域水系見圖1。

西江流域地處中國南部，北回歸線橫貫流域中部偏南地區，受東南季風和西南季風影響，整體上處于熱帶以及亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量豐沛。流域存在明顯的多雨期與少雨期，多雨期大都集中在4—9月（汛期）、少雨期一般為10月至次年3月（枯期）。汛期降雨量所占流域全年降雨總量的百分比約為70%～80%，其中，連續最大的4個月降雨量占全年降雨總量的百分比可達60%～70%，而且流域內降雨量在年內分配很不均勻。

由于降雨主要集中于汛期，形成流域汛期洪水峰高、量大，枯期流量相對較小的特點。根據第三次水資源調查評價，西江流域1956—2016年多年平均年徑流深675. 1mm，西江流域小于多年平均年徑流深的有南北盤江區、紅水河區、郁江區，主要分布在珠江區西部，其他分區都大于珠江區多年平均年徑流深。分區多年平均年徑流深大致呈現東部分區大于西部分區的特點。多年平均年徑流深在1000 mm以上的分區為桂賀江；多年平均年徑流深800～1000 mm的分區為柳江；多年平均年徑流深400～800 mm的分區為南北盤江、紅水河、郁江、黔潯江及西江（梧州以下）。

2地表水資源可利用量

地表水資源的可利用量通常的概念解釋是：在可預見的一段時期內，綜合考慮生活、生態和生產“三生”用水需求，平衡協調河道外與河道內用水，利用技術可行的措施，在現狀下墊面條件下本地地表水資源量中可以提供給河道外使用的水量最大值［8-9］。根據《第三次全國水資源調查評價技術細則》，明確不能計入地表水資源可利用量［10］的水量包括回歸水、廢污水、再生水等，并將不可利用洪水以及其他與河流生態有關需求的水量、與社會經濟發展有關但需要開展河流水量調度且發揮生態效益的水量計入目標水生態環境需水量。因此，地表水資源的可利用量從資源的角度出發，分析可能被消耗利用的水資源數量［11］。

2. 1計算公式及步驟

地表水資源可利用量的多年平均值是從地表水資源量中扣除掉河道內水生態環境所需水量后剩余的水量。采用式（1）、（2）計算：

河道內水生態環境所需水量［12］包括基本的河道內水生態環境所需水量和目標水生態環境所需水量2種。基本所需水量是指能夠維持住河湖天然的基本形態、水生態環境系統基本的生存棲息地和水體自我凈化的能力而所要保留在河道內的一定水量及水流過程；目標需水量則是為了維持好河湖以及生態系統生存棲息地既有目標要求的生態環境功能，如輸沙、壓咸、航運等，所保留在河道內的一定水量及水流過程。

在計算地表水資源的可利用量時，不同的河道內水生態環境所需水量應根據不同的流域自身的特點和水資源稟賦條件進行確定。對于水資源較豐沛、開發利用程度較低的流域，河道內水生態環境所需水量宜按照生態環境保護目標的較高值確定。對水資源緊缺、開發利用程度較高的地區，應根據水資源條件確定河道內水生態環境所需水量的合理值。

馬興華等［13］認為梧州（四）水文監測斷面處的水生態環境所需水量應考慮西江河道內水生態需水要求以及珠江三角洲壓咸需水要求來確定。朱遠生等［14］認為珠江流域內最重要的魚類洄游通道和魚類產卵場在西江干流。西江高要斷面以上涉及西江肇慶段國家級水產種質資源保護區及西江下游主要漁場，考慮到西江干流水生態環境重要性，且流域現狀水資源開發利用程度相對較低（2010—2016年多年平均開發利用率為14. 4%），地表水資源可利用量的計算中宜采用目標水生態環境需水量。

本文采用間接算法進行計算，計算步驟如下。

步驟一 確定河道內目標水生態環境需水量的初始比例。根據各河流水資源情勢差異，確定目標水生態環境需水量百分比初始值。區域內水資源情勢較好，開發利用程度較低的取上限，反之取下限。多年平均目標生態環境需水占天然徑流百分比取值范圍見表1。

步驟二 根據最新批復的流域綜合規劃中2030年水資源配置確定的區域地表水資源開發利用程度反推計算目標水生態環境需水量（包括入海水量）。以（100%－規劃確定的地表水資源開發利用程度）作為目標水生態環境需水量對比值。如果初始值和對比值差異大于等于±20%，則將初始值相應調整±20%；差異為±（10%～20%）內的，相應調整±10%；差距在±10%范圍以內的，可不作調整。

步驟三 將調整后的目標水生態環境需水結果用該流域（斷面）1956—2016年系列實測徑流進行檢驗，檢驗目標水生態環境需水滿足程度。原則上滿足程度不低于75%，當滿足程度小于75%時表明確定的目標水生態環境需水偏高，可進一步適當下調；當滿足程度大于等于75%時，目標水生態環境需水也可上調。

步驟四 利用式（1）計算地表水資源的可利用量，利用式（2）計算可利用率。

2. 2高要斷面目標生態環境需水量計算

選取西江流域高要水文站作為流域控制斷面，高要水文站集雨面積為35. 2萬km²，控制了整個流域99%的面積。根據第三次水資源調查評價，高要站1956—2016 年系列地表水資源多年平均值為2284. 3億m³。

a）目標水生態環境需水量初始值。西江流域2010—2016年多年平均水資源開發利用率為14. 4%，屬于低開發利用區域。根據表1低開發利用區域所需的目標水生態環境需水占比不低于70%。高要斷面以上涉及的各行政區域開發利用程度差別較大，且已有的《珠江河湖生態水量（流量）研究報告》［16］中確定的梧州（四）斷面目標水生態環境需水量百分比為74%（相應的需水量為1 561. 3億m³）。對處于同一個流域的不同斷面，存在著上游斷面生態需水占比高于下游斷面的一般規律，綜合考慮，高要斷面目標水生態環境需水占比初始值取72%，相應的需水量為1 644. 7億m³。

b）目標水生態環境需水量對比值。規劃水平年2030年，高要站斷面以上河道外總需水量為372億m³（南北盤江區79億m³、紅柳江區102億m³、郁江區91億m³、西江區100億m³，合計372億m³）［17］，計算的開發利用程度為16. 3%，反推的目標水生態環境需水量占比對比值為83. 7%，需水量為1 912. 0億m³。

c）初始值與對比值的比較。兩者經比較，差異在±（10%～20%），根據計算步驟將初始值相應調大11%。調整后的目標水生態環境需水量為1827. 3億m³，與對比值相差4. 0%。

d）檢驗目標水生態環境需水量的滿足程度。通過采用1956—2016年高要站實測年徑流量系列檢驗，調整后確定的目標水生態環境需水量的滿足程度為82. 0%，大于75. 0%，滿足要求，見表2。

e）高要站斷面以上地表水資源的可利用量。根據式（1），高要斷面以上地表水資源可利用量為斷面以上地表水資源量與河道內目標生態環境需水量的差值，計算結果為457. 0億m³。

2. 3西江流域地表水資源可利用量

根據上述高要站地表水資源可利用量計算步驟，高要斷面以上地表水資源可利用量為457. 0億m³，可利用率為20. 0%。西江流域國內總面積與高要站集雨面積相差4%左右，流域地表水資源可利用率可直接采用高要站斷面以上的地表水資源可利用率，即西江流域地表水資源可利用率為20%。根據第三次水資源調查評價，西江流域1956—2016年多年平均地表水資源量為2 298. 4億m³，根據式（2）計算得西江流域多年平均地表水資源可利用量為459. 7億m³，河道內目標生態環境需水量為1 838. 7億m³。

3合理性評價

3. 1與水量分配方案的比較

國家發展和改革委員會及水利部于2020年8月批復了西江流域水量分配方案（發改農經〔2020〕1270號），至規劃水平年2030年，在保障河道內水生態環境需水量的基礎上，綜合考慮流域內地下水及其他水源配置水量、跨流域調水等因素，確定本流域地表水可分配用水量及耗損量，見表3。

由表3可知，多年平均來水條件下，西江流域向本流域分配的河道外總水量為345. 59億m³，耗損量為189. 39億m³，本次計算的西江流域多年平均地表水資源可利用量為459. 7億m³，滿足水量分配的需求。

3. 2與開發利用程度的比較

根據第三次水資源調查評價，基準年2016年西江流域實際供水量［19］為326. 67億m³，占珠江區供水總量38. 8%。供水水源以地表水為主，其供水量為314. 66億m³，占總供水量的96. 3%，其中調入水量0. 48億m³，調出水量1. 42億m³。地下水供水量為11. 20億m³，占3. 4%，其他水源供水量為1. 75億m³，占0. 5%。

2010—2016年西江流域多年平均供水量為331. 10億m³（含港澳），平均開發利用率為14. 4%，計算的地表水資源可利用率為20%，高于現狀開發利用程度，為遠期流域規劃水平年河道外需水留有一定的增長空間，比較見表4。

3. 3與基本的水生態環境需水量比較

從水生態系統的多樣性以及復雜性角度出發，水生態需水量的計算方法多種多樣，總體上分為水文學法和水力學法等［20］。水文學法是基于河流天然徑流系列，以天然徑流量（或近似天然徑流量）多年平均值的一定比例作為河流的水生態環境需水量［21］；逐月頻率曲線法是指通過構建各月水文頻率曲線，將95%頻率相應的月平均流量和已有成果確定的非汛期生態流量取外包，作為對應月份斷面的基本生態水量，并組成年內不同時段值；水力學方法涉及河道各種水力參數，如河寬、水深、水力半徑等，常用的有濕周法等。根據第三次水資源調查，推薦的西江流域高要斷面基本生態環境需水量來源于《珠江河湖生態水量（流量）研究報告》，采用的是能體現水量變化過程且取值較為合適的逐月頻率曲線法（頻率取95%）和已有成果非汛期生態流量取外包值作為基本生態水量計算的推薦方法，成果見表5。

西江流域高要斷面的基本生態水量全年值為1156. 5億m³，計算的高要斷面生態需水量為1 827. 3億m³，大于該斷面基本生態環境需水量，滿足河道內基本生態環境需水要求。

3. 4與第二次水資源調查評價成果的比較

第二次水資源調查評價中可利用量的計算采用的是倒算法，所謂倒算法是將水資源量中扣除掉不可以被利用和不可能被利用水量中的多年平均汛期下泄洪水量后得出水資源的可利用量，見式（3）：

由于在南方區域河流中，汛期河道內水生態環境、生產需水量與下泄的洪水量交織在一起，因此，汛期一般不單獨考慮河道內的水生態環境及生產需水量。對于地表水資源的可利用量分析，僅需考慮扣減非汛期河道內水生態及生產需水量。

根據上述計算公式，第二次水資源調查評價計算系列采用1956—2000年，西江流域多年平均地表水資源量為2 301. 5億m³，地表水資源的可利用量多年平均值為477. 6 億m³，相應的可利用率為20. 8%。第三次水資源調查評價中西江流域水資源量與第二次水資源調查評價結果比較減少3. 1 億m³，可利用率減小0. 8%，變化較小。

4結論

西江1956—2016年系列地表水資源可利用量多年平均值為459. 7億m³，可利用率為20%，在統籌考慮生態環境用水情況下，能滿足本流域未來河道外需水增長及水量分配指標要求，計算結果合理。流域水資源可利用量的評價成果可為未來一段時間內開展規劃修編、總量控制指標修訂、水量分配與調度，以及強化流域水資源剛性約束與優化流域水資源配置等工作提供重要基礎數據，也是水資源管理部門的重要管理抓手，如可在跨流域調水等影響流域水資源配置格局的重大工程規劃等階段判斷工程建設的可行性。

本文嘗試利用間接法來計算西江流域水資源的可利用量，該方法計算簡便，核心是從水生態系統用水需求入手，在平衡協調自然生態系統和社會經濟兩者用水的基礎上，通過推求目標水生態環境需水，反推可利用量。該方法兼顧了經濟社會發展系統，計算結果依據流域天然水文情勢和時空分布情況，同時考慮了水資源開發利用現狀和規劃安排，對于資料缺乏的流域及生態保護目標重要的流域適用。該方法還應用于南盤江、北盤江、九洲江、黃泥河等29條河流，成果均反映在第三次水資源調查評價中。

研究中生態環境需水量僅為年值，未考慮汛期和非汛期的需水過程，下一步研究中將考慮生態環境需水過程，細化可利用量計算公式，使得計算結果更符合流域實際。