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缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

尚文绣 彭少明 王煜 方洪斌 武见 许明一

尚文绣, 彭少明, 王煜, 方洪斌, 武见, 许明一. 缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
引用本文: 尚文绣, 彭少明, 王煜, 方洪斌, 武见, 许明一. 缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
SHANG Wenxiu, PENG Shaoming, WANG Yu, FANG Hongbin, WU Jian, XU Mingyi. Competition and cooperation relationship of water utilization in water shortage basins: a case study of Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
Citation: SHANG Wenxiu, PENG Shaoming, WANG Yu, FANG Hongbin, WU Jian, XU Mingyi. Competition and cooperation relationship of water utilization in water shortage basins: a case study of Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009

缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2017YFC0404406

国家自然科学基金资助项目 51879240

详细信息
    作者简介:

    尚文绣(1990-), 女, 山东曹县人, 博士, 工程师, 主要从事水文水资源研究工作。E-mail:wenzi11191@163.com

  • 中图分类号: TV213.4

Competition and cooperation relationship of water utilization in water shortage basins: a case study of Yellow River basin

Funds: 

the National Key R&D Program of China 2017YFC0404406

the National Natural Science Foundation of China 51879240

  • 摘要: 缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示:2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州-河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。
  • 图  1  多个非排他性用水部门间的协作关系

    Figure  1.  Cooperative relationship among water use sectors

    图  2  多个用水部门间的竞争关系

    Figure  2.  Competitive relationship among water use sectors

    图  3  不同情景下黄河流域缺水量

    Figure  3.  Water shortage of the Yellow River basin in different scenarios

    图  4  2017年不同河段缺水量

    Figure  4.  Water shortage of different reaches in 2017

    图  5  2030年不同情景河段缺水量

    Figure  5.  Water shortage of different reaches in different 2030 scenarios

    表  1  不同情景下的河段需水量

    Table  1.   Water demands of different reaches in different scenarios 亿m3

    河段 河段编号 河道外地表水需水量 河道内生态需水量 输沙需水量
    2017年 2030年 汛期 非汛期
    龙羊峡以上 1 2.490 3.240 50.20 17.31
    龙羊峡—兰州 2 41.74 43.60 76.73 27.61
    兰州—河口镇 3 171.4 174.4 78.62 77.00 120.0
    河口镇—龙门 4 17.68 22.12 88.23 31.71
    龙门—三门峡 5 98.65 102.8 109.7 41.71
    三门峡—花园口 6 22.49 24.84 122.0 45.57
    花园口以下 7 28.01 27.92 123.0 50.00 170.0
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    表  2  不同情景下的河段可供水量

    Table  2.   Available water for supply of different reaches in different scenarios 亿m3

    河段 河段编号 河道外地表水可供水量1 河段出口断面水量
    2017年 2030年情景1 2030年情景2 2017年 2030年情景1 2030年情景2
    龙羊峡以上 1 2.180 3.130 3.220 140.8 209.2 289.1
    龙羊峡—兰州 2 23.55 30.89 37.43 255.5 299.3 370.3
    兰州—河口镇 3 145.7 125.3 167.1 127.9 202.6 231.6
    河口镇—龙门 4 8.890 16.92 20.31 146.7 234.4 267.3
    龙门—三门峡 5 67.11 74.85 98.35 191.9 274.4 303.5
    三门峡—花园口 6 15.91 22.26 22.65 193.5 274.3 300.2
    花园口以下 7 23.39 22.77 24.25 89.58 185.8 211.4
    注:1已扣除向流域外供给的地表水量
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    表  3  黄河流域不同河段不同情景下用水部门的竞争与协作关系

    Table  3.   Cooperative and competitive relationships in different reaches of the Yellow River basin in different scenarios

    河段 河段编号 竞争度 协作度
    2017年 2030年情景1 2030年情景2 2017年 2030年情景1 2030年情景2
    龙羊峡以上 1 0.01 0 0
    龙羊峡—兰州 2 0.12 0.09 0.04
    兰州—河口镇 3 0.26 0.23 0.08 0.39 0.49 0.45
    河口镇—龙门 4 0.26 0.04 0.01
    龙门—三门峡 5 0.21 0.11 0.02
    三门峡—花园口 6 0.41 0.12 0.06
    花园口以下 7 0.59 0.31 0.25 0.37 0.66 0.69
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    表  4  不同输沙需水下花园口以下河段的竞争度和协作度

    Table  4.   Degree of competition and cooperation below Huayuankou with different sediment transport water demand

    需水情况 2017年 2030年情景1 2030年情景2
    竞争度 协作度 竞争度 协作度 竞争度 协作度
    调整前 0.59 0.37 0.31 0.66 0.25 0.69
    调整后 0.55 0.65 0.24 0.81 0.18 0.83
    变化 -0.04 0.28 -0.07 0.15 -0.07 0.14
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-08
  • 网络出版日期:  2020-05-19
  • 刊出日期:  2020-11-30

缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2017YFC0404406

    国家自然科学基金资助项目 51879240

    作者简介:

    尚文绣(1990-), 女, 山东曹县人, 博士, 工程师, 主要从事水文水资源研究工作。E-mail:wenzi11191@163.com

  • 中图分类号: TV213.4

摘要: 缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示:2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州-河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。

English Abstract

尚文绣, 彭少明, 王煜, 方洪斌, 武见, 许明一. 缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
引用本文: 尚文绣, 彭少明, 王煜, 方洪斌, 武见, 许明一. 缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
SHANG Wenxiu, PENG Shaoming, WANG Yu, FANG Hongbin, WU Jian, XU Mingyi. Competition and cooperation relationship of water utilization in water shortage basins: a case study of Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
Citation: SHANG Wenxiu, PENG Shaoming, WANG Yu, FANG Hongbin, WU Jian, XU Mingyi. Competition and cooperation relationship of water utilization in water shortage basins: a case study of Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
  • 当前全球正面临日益严峻的水资源短缺问题[1-3], 以水定需、量水而行、因水制宜是实现人类社会可持续发展的重要战略[4]。中国以占世界6%的水资源支撑了世界约20%的人口和15%的经济总量, 正常年份缺水超过500亿m3, 且水资源分布空间差异大, 黄淮海平原、西北内陆河等区域缺水问题十分突出[5-6], 解决缺水流域水资源供需矛盾成为中国生态文明建设中的重要内容[7-8]

    围绕解决缺水流域水资源供需矛盾开展了诸多研究, 包括水库群优化调度、跨流域调水、非常规水源利用等供给侧手段[9-10], 节水技术、产业结构调整、需水预测等需水侧手段[11-13]。但在资源性缺水的背景下, 部分区域在已有措施下仍存在缺水问题, 例如黄河流域在考虑强化节水、严格管理以及跨流域调水等措施的情况下, 预测2030年正常来水情况下仍缺水26.65亿m3[14]。面对这一问题, 有必要开展用水部门间的竞争与协作关系研究, 引导需水过程优化, 在已有方法的基础上进一步缓解水资源供需矛盾。根据各部门水资源利用特征和耦合关系, 采用过程优化使需水过程与水资源时空分布相匹配、增加水资源在不同用水部门间的重复利用。需水过程优化需要明确不同用水部门之间以水为纽带的竞争与协作关系。在缺水问题的推动下, 不同用水部门之间的竞争关系研究较多, 包括通过水库调度模型、水资源配置模型等分析不同用水部门之间的竞争关系[15], 以及通过缺水率、供水保证率、水资源承载状态等指标量化评估竞争关系等[16-18]。但对用水部门协作关系的研究较少, 部分成果研究了“一水多用”的水资源利用方式和经济效益[19-20], 但并未深入探究不同用水部门之间协作的内在机制。

    黄河流域缺水问题十分严峻, 水资源开发利用率高达80%, 要花费很大力气才能保持黄河不断流[21]。且在变化环境的影响下, 流域内水资源量持续减少、需水量刚性增加[22-23], 水资源供需矛盾极为突出, 亟待优化需水过程、缓解供水压力。黄河流域鲜见用水部门竞争与协作关系研究。本文基于水资源利用特征定义和量化用水部门之间的竞争与协作关系, 提出需水过程优化目标, 并以黄河流域为例分析不同情景下的流域用水竞争与协作关系, 以期为缺水流域水资源管理提供新的评估方法和优化思路。

    • 物品的排他性和竞争性属性在经济学中得到了广泛应用和分析[24-26]。排他性指可以阻止一个人使用该物品的特性;非排他性指使用者在使用物品中难以排除其他人对该物品的使用的特性;竞争性指一个人使用一种物品将减少其他人对该物品使用的特性。这种属性分析方法在水资源上也得到了应用, 主要用于水资源提供的生态服务的属性界定[27]。本文将这一属性分析方法延伸到水资源利用上, 主要关注资源约束和用水方式对用水关系的影响, 假设用水户的取水均得到许可、水利设施完善、水资源调度科学, 即政策、设施等不会成为约束条件。

      将水资源的竞争性定义为一个用水户使用水资源将减少其它用水户对水资源使用的特性。在水资源充足的区域, 用水总量不受约束, 水资源不具有竞争性。本文仅关注缺水流域, 即可用水量低于需水总量的流域, 在这些流域一个用水户使用水资源将减少其它用水户的可用水量, 因此水资源具有竞争性。

      本文中水资源是否具有排他性仅受到用水方式的影响。将水资源的排他性定义为当一个用水户使用水资源时, 可以阻止其它用水户使用该水资源的特性, 即在某种用水方式下一份水资源只能被一个用水户使用。如果一份水资源可以同时被多个用水户使用, 则在该用水方式下水资源不具有排他性。消耗、转移、改变水质等用水方式均能使水资源具有排他性, 例如工业生产中被消耗掉的水资源不能被其它用水户使用;而另一些用水方式下多个用水部门可以同时使用同一份水资源, 例如河道内生态用水可以同时作为发电用水、航运用水和输沙用水等。

      如果一个用水部门的用水方式使得被利用的水资源具有排他性, 那么将此用水部门定义为排他性用水部门, 其需水和用水分别定义为排他性需水和排他性用水;反之, 如果一个用水部门的用水方式使得被利用的水资源不具有排他性, 那么将此用水部门定义为非排他性用水部门, 其需水和用水分别定义为非排他性需水和非排他性用水。

      物品在消费中有没有排他性或竞争性往往是一个程度的问题[24], 同样, 水资源的竞争性和排他性并不是绝对的, 会随着水资源量、产业布局、用水方式、用水效率等发生改变。例如, 跨流域调水工程可以增加缺水流域的水资源量, 使竞争性变得很小甚至消失;一种用水方式导致水质恶化, 从而使水资源具有排他性, 如果引入了能够利用污水的用水户, 那么该用水方式下水资源将不具有排他性。

    • 在缺水流域, 不同的用水方式使得一些用水部门可以同时使用同一份水资源, 而另一些用水部门需要同时竞争同一份水资源, 这就形成了用水的协作与竞争关系。

      用水的协作关系指一份水资源同时被两个及以上的用水部门利用。当多个用水部门均属于非排他性用水部门、且部分需水在时间和空间上具有一致性时, 就可以用同一份水资源满足多个用水部门间时空一致的需水, 即形成协作关系。用水协作关系仅存在于非排他性用水部门之间, 而排他性用水部门无法与其它用水部门共享水资源。对于非排他性用水部门, t时刻各部门中最大的需水量决定了总需水量DNET, t, 如图 1(a)图 1(b)所示;t时刻各部门中第二大的需水量决定了具有协作潜力的需水量DCR, t, 即在充足供水的情况下的具有协作关系的用水量, 如图 1(a)图 1(c)所示。在水资源配置中, 非排他性用水部门间的协作关系还取决于t时刻这些部门的可供水量MN, t。如图 1(b)图 1(c)所示, 当t时刻具有协作潜力的需水量DCR, t超过可供水量MN, t时, 超出部分由于得不到配水无法发挥共享水资源的特征。

      图  1  多个非排他性用水部门间的协作关系

      Figure 1.  Cooperative relationship among water use sectors

      在水资源供给中, 当某一时刻总需水量超过可供水量时, 不能共享水资源的用水部门间需要竞争有限的可供水量, 就形成了竞争关系。形成竞争关系的条件为可供水量不足、且不同用水部门间无法形成协作关系:当可供水量充足时, 不同用水部门间不需要竞争同一份水资源;具有协作关系的用水部门可以共享同一份水资源, 彼此之间不需要进行竞争。图 2(a)中的用水部门间均无法形成协作关系, t时刻的总需水量DT, t是所有部门需水量之和, 如图 2(b)所示;t1t2时段的总供水量ST小于总需水量DT, 用水部门间形成了竞争关系, 如图 2(c)所示。

      图  2  多个用水部门间的竞争关系

      Figure 2.  Competitive relationship among water use sectors

    • 协作关系代表了不同用水部门间的“一水多用”。在某一时段内被多个用水部门共享的水量占比越大, 意味着用水部门间的协作关系越强。相关研究中鲜见对用水部门协作关系的量化方法, 因此本文提出了协作度来衡量不同用水部门间的协作关系。将t1t2时段内各用水部门间的协作度CR定义为被2个及以上的用水部门共享的供水量占总供水量的比例, 即

      $$ {C_{\rm{R}}} = \frac{{{S_{{\rm{CR}}}}}}{{{S_{{\rm{NT}}}}}} = \frac{{\int_{{t_1}}^{{t_2}} {\min } \left( {{M_{{\rm{N}}, t}}, {D_{{\rm{NEMAX}}2, t}}} \right){\rm{d}}t}}{{\int_{{t_1}}^{{t_2}} {\min } \left( {{M_{{\rm{N}}, t}}, \max \left( {{D_{{\rm{NE}}, 1, t}}, {D_{{\rm{NE}}, 2, t}}, \cdots {D_{{\rm{NE}}, n, t}}} \right)} \right){\rm{d}}t}} $$ (1)

      式中: SNTt1t2时段内的非排他用水部门的供水量, 即图 1(b)中的阴影面积, m3SCRSNT中能够被多个用水部门共享的水量, 即图 1(c)中的阴影面积, m3MN, tt时刻非排他用水部门的可供水量, m3/d;DNE, i, tt时刻第i种非排他性用水部门的需水量, i=1, 2, …, n, 如图 1(a)所示, m3/d;DNEMAX2, tt时刻需水量第二大的非排他性用水部门的需水量, m3/d。协作度CR为量纲一参数, 取值范围0~1, CR越大, 说明不同用水部门间的协作关系越强。

    • 竞争关系代表了不同用水部门对不充足的水资源的争夺。在某一时段内需水量与可供水量之差越大, 不同用水部门间对水资源的竞争也就越激烈, 因此缺水率常被用来反映不同用水部门间的竞争程度[18, 28]。缺水率简洁直观, 本文采用缺水率量化竞争关系。在进行竞争关系分析时, 将所有能够形成协作关系的非排他性用水部门进行合并, 以保证所有用水部门间均无法再形成协作关系。将t1-t2时段内各用水部门间的竞争度CP定义为:

      $$ C_{\mathrm{P}}=\frac{D_{\mathrm{T}}-S_{\mathrm{T}}}{D_{\mathrm{T}}}=\frac{\int_{t_{1}}^{t_{2}} D_{\mathrm{T}, t} \mathrm{~d} t-\int_{t_{1}}^{t_{2}} \min \left(M_{t}, D_{\mathrm{T}, t}\right) \mathrm{d} t}{\int_{t_{1}}^{t_{2}} D_{\mathrm{T}, t} \mathrm{~d} t} $$ (2)
      $$ D_{\mathrm{T}, t}=D_{\mathrm{NET}, t}+\sum\limits_{j=1}^{m} D_{\mathrm{E}, j, t} $$ (3)

      式中: DTt1t2时段内的总需水量, 即图 2(b)中的阴影面积, m3STt1t2时段内的总供水量, 即图 2(c)中的阴影面积, m3Mtt时刻的可供水量, m3/d;DT, tt时刻的总需水量, m3/d;DNET, tt时刻所有非排他性需水总量, m3/d;DE, j, tt时刻第j个排他性用水部门的需水量, j=1, 2, …, m, 如图 2(a)所示, m3/d。竞争度CP为量纲一参数, 取值范围0~1, 且CP越大, 竞争关系越强。

    • 竞争度与协作度之间存在关联:在数值上, 如果流域/区域可供水量和各用水部门需水量保持不变, 增大协作度意味着多部门间共享的水资源量增加、总需水量减小, 从而使竞争度降低;在重要性上, 流域/区域用水竞争度越大, 意味着缺水越严重、越需要增加用水部门间的协作以减小总需水量, 因此增大协作度也愈发重要。

      在缺水流域为了减少不同用水部门间的用水矛盾, 应以增加协作度、减少竞争度为目标, 即:

      $$ C_{\mathrm{RT}}=\max \left\{C_{\mathrm{R}}\left(M_{\mathrm{N}, t}, D_{\mathrm{NE}, i, t}\right)\right\} $$ (4)
      $$ C_{\mathrm{PT}}=\min \left\{C_{\mathrm{P}}\left(M_{t}, D_{\mathrm{NET}, t}, D_{\mathrm{E}, i, t}\right)\right\} $$ (5)

      式中: CRT是协作度CR的目标值; CPT是竞争度CP的目标值。

      通过增加协作度, 可以增加不同用水部门间共享的水资源量, 从而减少总需水量、减轻供水压力;通过减少竞争度, 可以使需水过程与供水能力更加匹配, 减少部分时段的供水压力。

      可以从两方面实现增加协作度、减少竞争度的目标:在供给侧, 可通过调水工程、优化配置等手段增加可供水量、调整供水过程, 使供水过程更加匹配需水过程;在需求侧, 可通过抑制需求、优化需水过程等手段减少需水量、调整需水过程, 使需水过程更加匹配供水过程。增加协作度、减少竞争度意味着水资源供需关系更加协调, 本质上是在实现水资源供需的空间均衡、时间匹配。

      跨流域调水、优化配置、节水等是缓解水资源供需矛盾的常用方法。缺水流域进行水资源优化配置和调度时, 由于水资源供需矛盾大、资源性缺水、工程调蓄能力不足、供需关系复杂等问题, 仅通过优化供水过程有时难以取得理想的配水结果。面对缺水流域存在的问题, 以式(4)和式(5)为目标优化需水过程, 缓解水资源供需矛盾, 从而减轻水资源优化配置和调度的难度, 可被视为缺水流域水资源优化配置和调度的辅助措施。

    • 黄河流域水资源供需矛盾极为突出, 研究黄河流域用水部门间的竞争与协作关系, 能够为优化经济布局、挖掘用水部门间的协作潜力、合理配置水资源提供支撑。

      将黄河流域划分成7个河段, 根据《黄河流域水资源公报(2017年)》和《黄河流域综合规划(2020—2030年)》(以下简称《黄流规》)[14]得到不同情景下各河段的需水量和可供水量(表 1表 2)。2030年设置2个情景:情景1不考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程;情景2考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程。选择河段出口断面或邻近出口的断面计算整个河段的生态需水量, 各河段生态需水计算断面分别为贵德、兰州、河口镇、龙门、三门峡、花园口和利津, 根据《黄流规》河道内生态需水量按Tennant法和分项计算法计算, Tennant法汛期7—10月选取多年平均流量的40%、非汛期11—6月选择多年平均流量的20%。《黄流规》设置的汛期输沙需水控制断面为河口镇和利津, 因此, 仅考虑兰州—河口镇及花园口以下2个河段的汛期输沙需求。

      表 1  不同情景下的河段需水量

      Table 1.  Water demands of different reaches in different scenarios 亿m3

      河段 河段编号 河道外地表水需水量 河道内生态需水量 输沙需水量
      2017年 2030年 汛期 非汛期
      龙羊峡以上 1 2.490 3.240 50.20 17.31
      龙羊峡—兰州 2 41.74 43.60 76.73 27.61
      兰州—河口镇 3 171.4 174.4 78.62 77.00 120.0
      河口镇—龙门 4 17.68 22.12 88.23 31.71
      龙门—三门峡 5 98.65 102.8 109.7 41.71
      三门峡—花园口 6 22.49 24.84 122.0 45.57
      花园口以下 7 28.01 27.92 123.0 50.00 170.0

      表 2  不同情景下的河段可供水量

      Table 2.  Available water for supply of different reaches in different scenarios 亿m3

      河段 河段编号 河道外地表水可供水量1 河段出口断面水量
      2017年 2030年情景1 2030年情景2 2017年 2030年情景1 2030年情景2
      龙羊峡以上 1 2.180 3.130 3.220 140.8 209.2 289.1
      龙羊峡—兰州 2 23.55 30.89 37.43 255.5 299.3 370.3
      兰州—河口镇 3 145.7 125.3 167.1 127.9 202.6 231.6
      河口镇—龙门 4 8.890 16.92 20.31 146.7 234.4 267.3
      龙门—三门峡 5 67.11 74.85 98.35 191.9 274.4 303.5
      三门峡—花园口 6 15.91 22.26 22.65 193.5 274.3 300.2
      花园口以下 7 23.39 22.77 24.25 89.58 185.8 211.4
      注:1已扣除向流域外供给的地表水量

      2017年河道内外可供水量低于2030年情景1, 主要原因在于2030年使用长系列径流数据计算, 年均径流量535.0亿m3, 且长系列调算下水库维持蓄泄平衡;2017年实际来水偏枯, 年径流量476.0亿m3, 且年末水库蓄水量比年初增加67.00亿m3

    • 黄河流域不同河段不同情景下用水部门的竞争与协作关系如表 3所示。2017年兰州以上河段用水部门间的竞争度较低, 兰州以下竞争度较高, 兰州—河口镇、河口镇—龙门、三门峡—花园口及花园口以下4个河段用水竞争尤为激烈。2017年黄河流域总缺水量236.7亿m3, 其中河道内缺水141.0亿m3, 河道外缺水95.72亿m3(图 3)。如图 4所示, 兰州以上河段河道内需水基本得到完全满足, 但兰州以下河段河道内缺水量较大, 且均发生于汛期, 兰州—河口镇、三门峡—花园口及花园口以下3个河段河道内缺水分别达到69.81亿m3、70.72亿m3和141.0亿m3;河道外缺水主要发生在兰州—河口镇和龙门—三门峡河段, 分别为25.69亿m3和31.54亿m3;兰州—河口镇和花园口以下2个河段的河道内外总缺水量远高于其它河段, 分别为95.50亿m3和145.6亿m3

      表 3  黄河流域不同河段不同情景下用水部门的竞争与协作关系

      Table 3.  Cooperative and competitive relationships in different reaches of the Yellow River basin in different scenarios

      河段 河段编号 竞争度 协作度
      2017年 2030年情景1 2030年情景2 2017年 2030年情景1 2030年情景2
      龙羊峡以上 1 0.01 0 0
      龙羊峡—兰州 2 0.12 0.09 0.04
      兰州—河口镇 3 0.26 0.23 0.08 0.39 0.49 0.45
      河口镇—龙门 4 0.26 0.04 0.01
      龙门—三门峡 5 0.21 0.11 0.02
      三门峡—花园口 6 0.41 0.12 0.06
      花园口以下 7 0.59 0.31 0.25 0.37 0.66 0.69

      图  3  不同情景下黄河流域缺水量

      Figure 3.  Water shortage of the Yellow River basin in different scenarios

      图  4  2017年不同河段缺水量

      Figure 4.  Water shortage of different reaches in 2017

      2017年兰州—河口镇和花园口以下2个河段河道内总供水量分别为127.2亿m3和79.02亿m3, 同时被输沙和河道内生态使用的供水量分别为50.19亿m3和29.02亿m3, 河道内用水的协作度分别为0.39和0.37。兰州—河口镇和花园口以下非汛期河道内生态需水得到满足, 但汛期河道内缺水量极大, 导致河道内用水的协作度较低。汛期河道内缺水的主要原因在于水资源调蓄能力增强和两岸取水增加, 导致河口镇和利津断面汛期水量显著减少: 1956—2000年河口镇断面和利津断面汛期平均水量119.8亿m3和194.0亿m3, 分别占全年的54%和62%;2000—2017年河口镇断面和利津断面汛期平均水量降至64.00亿m3和79.00亿m3, 分别占全年的36%和52%;2017年河口镇断面和利津断面汛期水量仅50.19亿m3和29.02亿m3, 分别占全年的39%和32%。

      如果《黄流规》提出的河道内生态需水和输沙需水得到完全满足, 那么兰州—河口镇河段河道内用水的协作度为0.40, 花园口以下河段河道内用水的协作度为0.56, 协作度较小的主要原因在于: ① 《黄流规》制定的河道内生态需水是固定的最小/适宜生态需水, 缺少高流量脉冲、洪水等大流量过程, 汛期河道内生态需水量远低于输沙需水量, 协作空间有限;② 《黄流规》仅考虑了汛期输沙需求, 没有考虑非汛期河道内生态水量的输沙能力, 使非汛期无法形成协作关系。

    • 不考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 2030年龙羊峡以下河段均存在可供水量不足的问题, 兰州—河口镇及花园口以下用水竞争度较高(表 3)。如图 5(a)所示, 兰州—河口镇、三门峡—花园口及花园口以下3个河段存在河道内缺水, 分别为35.61亿m3、19.91亿m3和72.23亿m3;各河段均存在河道外缺水, 其中兰州—河口镇及龙门—三门峡2个河段缺水量较大, 分别为49.16亿m3和27.92亿m3;兰州—河口镇及花园口以下河道内外总缺水量较大, 分别为84.77和77.38亿m3, 其它河段总缺水量均低于28亿m3。不考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 2030年黄河流域预计总缺水量175.1亿m3, 其中河道内缺水72.23亿m3, 河道外缺水102.8亿m3(图 3)。

      图  5  2030年不同情景河段缺水量

      Figure 5.  Water shortage of different reaches in different 2030 scenarios

      考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 各河段用水竞争度均减小, 兰州—河口镇河段需水基本得到满足, 但花园口以下河段用水竞争度依然较高(表 3)。如图 5(b)所示, 兰州—河口镇、三门峡—花园口及花园口以下3个河段河道内缺水量分别减少了12.08亿m3、9.640亿m3和13.47亿m3;各河段河道外缺水量均有所减少, 其中兰州—河口镇河段减少了41.84亿m3、龙门—三门峡河段减少了23.50亿m3;各河段河道内外总缺水量均有所减少, 其中兰州—河口镇河段降幅最大, 为53.92亿m3。考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 2030年黄河流域预计总缺水量84.36亿m3, 其中河道内缺水58.76亿m3, 河道外缺水25.60亿m3(图 5)。

      不考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 2030年兰州—河口镇和花园口以下2个河段河道内总供水量分别为161.4亿m3和147.8亿m3, 同时被输沙和河道内生态使用的供水量分别为78.62亿m3和97.77亿m3, 河道内用水的协作度分别为0.49和0.66。考虑南水北调西线和引汉济渭调水工程时, 2030年兰州—河口镇和花园口以下2个河段河道内总供水量分别为173.5亿m3和161.2亿m3, 同时被输沙和河道内生态使用的供水量分别为78.62亿m3和111.2亿m3, 河道内用水的协作度分别为0.45和0.69。情景1和情景2兰州—河口镇河段具有协作关系的河道内需水量已经得到完全满足, 因此, 南水北调西线和引汉济渭增加河道内供水量使协作度减小;情景1和情景2花园口以下河段具有协作关系的河道内需水量均未得到满足, 因此, 南水北调西线和引汉济渭增加河道内供水量使协作度增加。

    • 2030情景1和2030情景2对比结果显示, 南水北调西线和引汉济渭调水工程有效降低了竞争度。除了向黄河流域调水的工程外, 黄河流域有多个向流域外调水的工程, 例如引黄入冀补淀工程、引黄入晋工程等, 这些外调水工程使黄河流域内缺水形式更加严峻。本文计算过程中引黄入晋等外调水工程引水量已从地表水可供水量中扣除, 但引黄入冀补淀工程实施较晚, 黄流规中并未考虑。在方案中增加引黄入冀补淀工程, 即12月至次年2月从黄河下游河段向河北省调水6.200亿m3。计算结果显示:如果引黄入冀补淀工程占用河道外配水量, 2030情景1和2030年方案2花园口以下河段竞争度均增加0.03;如果占用河道内配水量, 由于河道内非汛期配水量高于非汛期河道内生态需水量, 减去引黄入冀补淀调水量后仍可以满足河道内需水, 因此2030情景1和2030年方案2花园口以下河段竞争度与协作度不变。

    • 目前黄河下游输沙主要在调水调沙期间进行。调水调沙并非严格按照《黄流规》设计在汛期下泄输沙水量, 一部分调水调沙在非汛期完成: 2002—2015年间共进行了19次调水调沙, 其中有11次调水调沙起始时间在非汛期6月;2002—2015年调水调沙期间利津断面水量共计640.0亿m3, 其中非汛期水量312.9亿m3, 平均每年非汛期调水调沙水量22.35亿m3

      按照目前调水调沙需水, 将利津断面非汛期输沙需水量设置为22.35亿m3, 汛期输沙需水量从170.0亿m3降至147.6亿m3。如表 4所示, 输沙需水调整后2017年、2030年情景1、2030年情景2花园口以下河段竞争度均降低、协作度均升高。原因在于输沙需水调整后非汛期河道内生态需水与输沙需水可以共享水资源, 花园口以下河段河道内需水量从220.0亿m3减少至197.6亿m3, 因此河道内协作关系增加, 河道内外竞争关系减弱。

      表 4  不同输沙需水下花园口以下河段的竞争度和协作度

      Table 4.  Degree of competition and cooperation below Huayuankou with different sediment transport water demand

      需水情况 2017年 2030年情景1 2030年情景2
      竞争度 协作度 竞争度 协作度 竞争度 协作度
      调整前 0.59 0.37 0.31 0.66 0.25 0.69
      调整后 0.55 0.65 0.24 0.81 0.18 0.83
      变化 -0.04 0.28 -0.07 0.15 -0.07 0.14
    • 黄河流域是中国重要的生态屏障和经济地带, 习近平在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上明确指出要“共同抓好大保护, 协同推进大治理”, 这就要求黄河水资源分配更加符合生态保护和经济社会发展需求[21]。用水竞争与协作关系是水资源分配的重要引导:为了降低兰州—河口镇和下游河段用水竞争度, 近期下游河段可考虑更多地使用南水北调东、中线水资源, 将流域内水资源更多地分配给上游河段, 远期需持续推进南水北调西线工程;为了提高河道内生态用水和输沙用水间的协作度, 建议一方面科学评估河道内需水过程, 重视洪水脉冲的生态作用;另一方面通过调水工程和节水措施增加河道内汛期配水量, 还水于河。

    • (1) 基于经济学理论和水资源利用特征分析了水资源的排他性和非排他性, 定义了用水部门之间的竞争关系和协作关系;建立了协作度指标和竞争度指标以量化用水竞争关系和协作关系, 并提出了增加协作度、减少竞争度的需水过程优化目标, 引导需水过程和供水过程向更加匹配的方向发展。

      (2) 分析了黄河流域用水部门间的竞争与协作关系, 结果显示:不同情景下兰州以下各河段用水部门之间均存在竞争关系, 且兰州—河口镇和花园口以下2个河段的竞争度较高、缺水量远高于其它河段;跨流域调水能够降低黄河流域用水竞争度, 南水北调西线和引汉济渭使黄河流域河道内缺水量和河道外缺水量分别减少13.47亿m3和77.23亿m3;河道内生态水量和输沙水量间的协作度较低, 原因在于一方面汛期河道内供水量不足, 另一方面当前的流域规划中没有考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水量;将利津断面部分汛期输沙需水调整到非汛期可以降低竞争度、增加协作度。

      (3) 本文在水资源属性分析时主要考虑了水资源总量和用水方式, 实际上水利工程、取水许可、调度策略等均会对水资源的属性造成影响;优化需水过程十分复杂, 涉及到需水的时空分布、供水能力等多方面, 本文仅提出了优化目标, 优化方法与模型将是未来的研究方向。

参考文献 (28)

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