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在气候变化、自然变迁、人类活动等因素的影响下, 河川径流、泥沙、经济社会需水等不断变化, 给水资源配置带来了巨大挑战[1-2]。黄河流域水少沙多、水资源时空分布不均, 是中国水资源供需矛盾最突出的流域之一, 变化环境下流域水资源配置难度进一步增大[3-5]。1987年国务院颁布实施的《黄河可供水量分配方案》(“八七”分水方案)是黄河流域水资源配置的基准, 对1919—1975系列年多年平均天然径流量580.0亿m3进行了分配。黄河现行分水方案考虑来水的动态性, 根据来水量对“八七”分水方案分水指标同比例丰增枯减得到黄河年度水量分配方案[6]。然而, 近年来“八七”分水方案的不适应性日益凸显[7]: “八七”分水方案以1980年用水量为基础, 客观上水量分配偏好下游地区, 不适应当前沿黄省(区)用水格局[8]；黄河流域缺水问题长期存在, 甘肃、宁夏、内蒙古、山东等省(区)耗水量经常性超过分水指标[9]；黄河来水衰减严重[10], 2000—2018年多年平均天然径流量(466.4亿m3)比1987—1999年减少16.24亿m3。
黄河流域是中国重要的生态屏障和经济地带, 为实现黄河流域生态保护与高质量发展, 有必要根据自然环境变化和经济社会发展形势对“八七”分水方案进行动态调整[11-12]。20世纪90年代以来, 随着中游水土流失治理力度增加和水库调控能力增强, 黄河主要测站实测来沙量显著减小[13-14], 下游利津站年均来沙量从4.15亿t(1987—1999年)降至1.15亿t(2000—2018年), 输沙需水量随之减少[15], 为动态调整分水方案提供了可行性。此外, 黄河干支流建成了大量骨干水利枢纽工程, 水沙调控能力显著提高, 为水资源动态配置提供了工程支撑。水资源动态配置是国内外研究热点, 相关研究主要考虑径流的变化性, 已经形成了耦合预报、滚动修正、风险管控等技术方法[16-19]。但目前鲜有研究在水资源配置中考虑泥沙的变化性, 导致已有成果难以应用于黄河流域。虽然一些研究提出了“八七”分水调整方案, 但部分省(区)分水指标的显著降低使调整方案不具备可行性, 且缺少根据变化环境动态调整的机制[8, 11]。
本文旨在通过动态调整黄河流域水资源配置方案为提升河道内生态保护和维护沿黄省(区)高质量发展提供水资源保障。在优先满足河流和近海生态需水的基础上, 采用多沙河流高效输沙方法, 根据来水来沙情况动态调整河道内分水指标；采用基于均衡调控的水资源配置方法, 兼顾公平和效率, 将节省的输沙水量配置给河流生态系统和沿黄省(区), 形成根据变化水沙条件动态调整的水资源配置方案。
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黄河流域水资源动态配置的核心思路是“保存量, 分增量”, 配置机制包括2个部分: 第一, 根据年度来水情况和黄河“八七”分水方案, 确定同比例丰增枯减后的各省(区)初始配置水量(即“存量”)和河道内初始分水指标; 第二, 在黄河来沙减少的背景下, 按照“生态优先, 还水于河”原则, 优先保障河道内生态需水, 通过塑造高效输沙洪水过程节省输沙水量, 将河道内节省出的水量作为河道外分水指标的“增量”分配给沿黄各省(区)。黄河流域水资源动态配置流程如图 1所示。
图 1 黄河流域水资源动态配置流程
Figure 1. Flow chart of the dynamic allocation of water resources in the Yellow River basin
步骤1:计算初始分水指标。基于未来1 a的来水量预估值, 对“八七”分水方案同比例丰增枯减, 得到河道内初始分水指标(API)和河道外各省区初始分水指标(APOi, i=1~9代表沿黄9省(区))。暂不考虑调整跨流域供水的河北省与天津市的分水指标。
步骤2:计算输沙需水量。分别将汛期、非汛期、全年3个时段河流生态需水和近海海域生态需水的最大值作为利津断面汛期生态需水量(DEF)、非汛期生态需水量(DEN)和年生态需水量(DEY)。预估未来1 a进入黄河下游的沙量(SY), 根据利津断面非汛期生态需水量(DEN)计算下游河段非汛期输沙量(CN), 采用高效输沙理论计算维持下游河道冲淤平衡或少量淤积的利津断面汛期输沙需水量(DSF)。
步骤3:计算河道内可节约的分水指标。ΔA是河道内可节约的分水指标, 计算方法如式(1)所示。
$$ \Delta A=A_{\mathrm{PI}}-\max \left(D_{\mathrm{SF}}, D_{\mathrm{EF}}\right)-D_{\mathrm{EN}} $$ (1) 步骤4:调整河道内分水指标。如果ΔA＞0, 则将河道内分水指标从API调整为ACI, ACI=max (DSF, DEF)+ DEN；ACI包括河道内汛期输沙分水指标(ACS)和河道内非汛期生态分水指标(ACE), ACS=max (DSF, DEF), ACE=DEN。否则按照步骤1得到的分水指标进行配水。
步骤5:分配河道外分水指标增量。如果ΔA＞0, 动态调整河道外分水指标, 将ΔA作为增量按照均衡调控方法[20]分配给沿黄9省(区)。沿黄9省(区)分配到的增量为ΔAi, i=1~9。
步骤6:调整河道外分水指标。经过动态调整后, 沿黄9省(区)分水指标调整为ACOi, ACOi=APOi+ΔAi, i=1~9。
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将利津断面作为黄河干流河道内生态需水的控制断面, 同时考虑河流生态需水和近海海域生态需水, 取外包线作为利津断面生态需水。
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采用栖息地模拟法评估利津断面附近河段的河流生态需水量。选择鲤鱼作为指示物种, 通过MIKE21建立利津断面附近约20 km河段主槽及滩区的二维水力学模型模拟不同流量下的流速水深分布, 基于鲤鱼产卵期、生长期和越冬期对流速和水深的需求, 建立流量—栖息地面积曲线, 将栖息地面积达到峰值面积的1/3时对应的流量范围作为最小生态需水的取值范围[21]。通过天然水文情势特征值对栖息地模拟结果进行校正:
$$ E_{\mathrm{I} \min , k}=\max \left(E_{\mathrm{IH} \min , k}, F_{\mathrm{IN} \min , k}\right) $$ (2) 式中: EI min, k为鲤鱼第k个生命阶段的最小生态需水, m3/s, k=1, 2, 3, 分别代表产卵期、生长期和越冬期；EIH min, k为栖息地模拟法得到的鲤鱼第k个生命阶段最小生态需水, m3/s；FIN min, k为近天然时期鲤鱼第k个生命阶段利津断面实测最小流量, m3/s。计算得到利津断面河道内全年最小生态需水量82.25亿m3, 其中非汛期45.05亿m3, 汛期37.20亿m3。
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采用水文变化的生态限度法(Ecological Limits of Hydrologic Alteration, ELOHA)研究近海水域生态水量[22]。将近海洄游鱼类栖息地面积作为生态指标, 建立入海水量和栖息地面积之间的水文—生态关系:
$$ H = f\left( {{W_{\rm{o}}}} \right) $$ (3) 式中: H为近海洄游鱼类栖息地面积, km2；Wo为入海水量, 亿m3。
调查资料显示, 盐度不超过27‰是黄河近海洄游鱼类鱼卵和仔稚鱼存活的基本条件[23]。将维持近海盐度不超过27‰的低盐区面积不低于380.0 km2作为生态变化可接受程度的下限, 基于入海水量和近海盐度监测数据, 得到近海全年最小生态需水量106.0亿m3, 其中非汛期60.00亿m3。
综合考虑河流生态需水和近海海域生态需水, 得到利津断面非汛期最小生态需水量60.00亿m3、汛期最小生态需水量46.00亿m3。
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相关研究证实, 黄河下游洪水的输沙水量与排沙比(排出河段的沙量与进入河段沙量的比值)的关系根据含沙量大小的不同而分带分布, 同一含沙量级洪水的输沙水量随着排沙比的增大而减小, 当排沙比达到一定程度后, 随着排沙比的增大, 输沙水量不再明显减小；黄河下游高效输沙洪水主要位于含沙量40~80 kg/m3、流量2 000~4 000 m3/s的区间内, 此时洪水排沙比不低于80%、输沙水量不低于25 m3/t[24]。根据下游来水来沙情况, 通过水库调度塑造高效输沙洪水, 可以减少河道内输沙水量, 从而减小河道内分水指标。实测资料和模型计算结果显示, 当天然来水来沙条件适宜或经过中游水库调节塑造出适宜的水沙条件时, 小浪底水库可以塑造出高效输沙洪水过程[25]。
黄河下游冲淤平衡时应满足:
$$ C_{\mathrm{Y}}=\left(1-R_{\mathrm{d}}\right) S_{\mathrm{Y}}=C_{\mathrm{N}}+C_{\mathrm{FF}}+C_{\mathrm{FM}} $$ (4) 式中: CY、CN、CFF和CFM分别为全年、非汛期、汛期洪水期和汛期平水期下游的输沙量, t；Rd为淤积比, 即全年淤积的沙量占来沙量的比例。下游来沙少时以河道冲淤平衡为主, 即Rd=0；来沙多时允许下游出现少量淤积, Rd应不超过15%。汛期平水期是汛期不发生高效输沙洪水的时段。
非汛期水量采用生态需水量, 汛期平水期水量采用多年平均水量(WSFM), 通过水量与输沙量之间的经验公式得到CN和CFM。基于高效输沙洪水过程的经验公式[26], 得到汛期洪水期输送CFF所需的水量(WSFF)。利津断面汛期输沙需水量为
$$ D_{\mathrm{SF}}=W_{\mathrm{SFF}}+W_{\mathrm{SFM}}-G_{\mathrm{F}} $$ (5) 式中: GF为汛期下游两岸引水量。
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水资源均衡调控是通过统筹流域内区域和行业间的用水效率及用水公平性, 实现水资源的可持续利用与生态环境系统良性维持。将河道外需水划分成刚性需水和弹性需水, 刚性需水在配置中优先满足, 弹性需水进行均衡调控。刚性需水是维系基本生活、一般工业生产、农业口粮种植、河湖基本健康的用水需求；弹性需水是提高生活品质、发展高耗水工业、达到高标准膳食要求的农业生产、河湖健康的用水需求。
流域用水效率表征指标(FV)计算公式如下:
$$ F_{\mathrm{V}}=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(F_{\mathrm{V} 1, i}+F_{\mathrm{V} 2, i}+F_{\mathrm{V} 3, i}\right) $$ (6) 式中: n为流域内的分区总数；FV1, i、FV2, i和FV3, i分别为第i个分区的水资源经济价值、水资源社会价值和水资源生态环境价值, 本文采用能值法计算[20, 27]。
根据配水量与两类需水的满足程度关系, 提出用水满意度函数表达式:
$$ S(P)= \begin{cases}1-\left(1-S_{1}\right) \frac{P}{P_{1}} & P \leqslant P_{1} \\ S_{1} \frac{1-P}{1-P_{1}} & P_{1}<P \leqslant 1\end{cases} $$ (7) 式中: S(P)为用水满意度；P为缺水率；P1为供水量等于刚性需水量时的缺水率；S1为P1对应的满意度。
为反映区域及行业间的用水公平, 将流域每一个分区内不同用水部门满意度的均值定义为主体满意度, 不同分区内同一行业的满意度的均值定义为部门满意度, 计算公式分别为:
$$ B_{i}=\frac{1}{m} \sum\limits_{j=1}^{m} S\left(P_{j, i}\right) $$ (8) $$ I_{j}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^{n} S\left(P_{j, i}\right) $$ (9) 式中: Bi为第i个分区的主体满意度；Ij为第j种行业的部门满意度；m为流域内用水行业数量；n为流域内分区数量；Pj, i为第i个分区第j种行业的缺水率。
流域用水公平表征指标(FE)计算公式如下:
$$ F_{\mathrm{E}}=\sqrt{\left(1-G_{\mathrm{B}}\right)\left(1-G_{\mathrm{I}}\right)} $$ (10) 式中: GB为主体满意度Bi的基尼系数；GI为部门满意度Ij的基尼系数。基尼系数反映了收入分配不平等的程度, 取值范围0~1, 取值越大代表分配越不均。本文采用基尼系数的计算方法反映水资源在不同地区及不同用水部门间分配的不公平性。
水资源均衡调控模型的目标函数为
$$ \max \left\{F\left(A_{\mathrm{CO} i, j}\right)\right\}=\max \left\{F_{\mathrm{V}}^{\alpha}\left(A_{\mathrm{CO} i, j}\right) F_{\mathrm{E}}^{1-\alpha}\left(A_{\mathrm{CO} i, j}\right)\right\} $$ (11) 式中: F为水资源调控效果的表征函数；α为均衡参数, 取值范围0~1, 根据已有研究成果本文中α取值0.50[20]；ACOi, j是第i个省(区)第j个行业的供水量。
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设置5个水资源配置方案(表 1), 来水均采用1956—2016年多年平均天然径流量: 基准方案根据来水对分水指标丰增枯减, 反映现行水资源配置结果；设置3个来沙情景下的动态配置方案, 采用高效输沙方法和“保存量、分增量”的动态配置思路调整河道内外分水指标；设置来沙4.00亿t情景下的全局均衡调控方案作为对照, 即采用高效输沙方法调整河道内分水指标, 然后将河道外分水指标的“存量”和“增量”统一进行均衡调控。
表 1 水资源配置方案设置
Table 1. Water allocation scheme settings
方案 配置方法 天然年径流量/亿m3 下游年来沙量/亿t 基准方案 同比例丰增枯减 490.0 / 动态配置方案1 增量动态配置 490.0 4.00 动态配置方案2 增量动态配置 490.0 5.00 动态配置方案3 增量动态配置 490.0 6.00 全局均衡调控方案 增量和存量统一动态配置 490.0 4.00 “八七”分水方案将黄河1919—1975年多年平均天然径流量580.0亿m3中的210.0亿m3作为河道内用水, 370.0亿m3分配给沿黄9省(区)以及流域外的河北省、天津市(表 2)。2013年国务院批复了《黄河流域综合规划(2012—2030年)》(简称“黄流规”), 该规划以“八七”分水方案为基础, 预测2020水平年多年平均天然径流量519.8亿m3, 考虑到南水北调东、中线工程生效, 将河北与天津的分水指标调整为6.20亿m3, 将河北与天津减少的分水指标按照“八七”分水方案的比例分配给沿黄9省(区)。黄河现行的水量配置方案是依据“黄流规”方案进行丰增枯减得到的, 因此, 本文基准方案依据“黄流规”2020水平年分水方案丰增枯减得到。水量分配中需要考虑流域外调入水量, 包括山东省1.26亿m3和陕西省11.37亿m3(其中3.04亿m3作为河道内生态用水), 但流域外调入水量不计入黄河分水指标。)
表 2 “八七”分水方案与黄流规中的分水指标
Table 2. Water allocation of the 1987 Water Allocation Scheme and the Yellow River basin comprehensive planning
亿m3 方案 省(区)分水指标 河道内分水指标 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 河北天津 合计 “八七”分水 14.10 0.40 30.40 40.00 58.60 38.00 43.10 55.40 70.00 20.00 370.0 210.0 黄流规 13.16 0.37 28.37 37.32 54.68 35.46 40.22 51.69 65.32 6.20 332.8 187.0 -
采用经验公式得到黄河下游不同来沙量下的输沙需水量, 兼顾生态需水量得到全年河道内需水量(表 3)。
表 3 不同来沙量情景下动态配置方案河道内需水量
Table 3. In-stream water demand in the dynamic allocation plan with different sediment transport
方案 下游来沙量/亿t 汛期输沙需水量/亿m3 全年淤积比/% 河道内需水量/亿m3 动态配置方案1 4.00 95.10 10.00 155.1 动态配置方案2 5.00 114.3 10.00 174.3 动态配置方案3 6.00 121.8 15.00 181.8 -
由于河道外分水指标分配的是耗水量, 为了方便分析, 本文中的河道外需水量指的是完全满足河道外需水时的耗水量, 河道外缺水量指的是完全满足河道外需水时的耗水量与河道外分水指标的差值。采用定额法, 得到黄河流域河道外需水量403.4亿m3, 其中刚性需水量210.1亿m3, 弹性需水量193.3亿m3, 如表 4所示。采用能值法得到各省(区)各行业弹性需水的单方水价值, 如表 5所示。
表 4 黄河流域各省(区)河道外弹性需水量
Table 4. Off-stream elastic water demand of provinces in the Yellow River basin
亿m3 行业 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 工业 0.84 0 6.67 3.62 6.58 4.81 5.86 2.30 2.18 农业 8.44 0.19 15.55 23.75 48.90 21.55 17.06 19.40 5.63 合计 9.28 0.19 22.22 27.37 55.48 26.36 22.92 21.70 7.81 表 5 黄河流域各省(区)单方水价值
Table 5. Water value per cubic meter of provinces in the Yellow River basin
元/m3 行业 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 农业 0.57 0.44 0.72 0.51 0.95 1.61 2.44 2.70 2.17 工业 18.84 18.34 22.09 20.61 23.47 24.42 20.78 23.46 25.10 -
基准方案河道内分水176.3亿m3, 河道外分水313.7亿m3。对于动态配置方案, 当下游来沙4.00亿t、5.00亿t时, 河道内需水量扣除3.04亿m3外调水供水量后, 小于基准方案下的河道内分水指标, 因此, 河道内分水指标分别减小24.24亿m3和5.07亿m3, 节省的分水指标主要分配给青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西等上中游省(区)；当下游来沙量达到6.00亿t时汛期输沙需水量较大, 导致扣除外调水供水量后的河道内需水量超过基准方案河道内分水指标, 因此不调整分水指标(表 6)。全局均衡调控方案下河道内分水指标同动态配置方案1, 山西和河南的分水指标低于基准方案, 其他7省(区)的分水指标均高于动态配置方案1(表 7)。
表 6 不同方案下河道内外分水指标
Table 6. In-stream and off-stream water allocation of different schemes
亿m3 方案 省(区)分水指标 河道内分水指标 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 河北天津 合计 基准方案 12.41 0.35 26.75 35.18 51.55 33.43 37.92 48.73 61.58 5.85 313.7 176.3 动态配置方案1 15.88 0.37 34.68 41.45 55.13 35.59 37.92 48.73 62.38 5.85 338.0 152.1 动态配置方案2 14.15 0.35 29.54 35.69 51.55 33.45 37.92 48.73 61.58 5.85 318.8 171.2 动态配置方案3 12.41 0.35 26.75 35.18 51.55 33.43 37.92 48.73 61.58 5.85 313.7 176.3 全局均衡调控方案 16.33 0.38 35.76 42.63 57.94 36.38 35.41 44.64 62.67 5.85 338.0 152.1 表 7 其他方案各省(区)分水指标相对于基准方案分水指标的增量
Table 7. Water allocation increments of provinces in other plans compared with the benchmark plan
亿m3 方案 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 合计 动态配置方案1 3.47 0.02 7.93 6.27 3.58 2.16 0 0 0.80 24.24 动态配置方案2 1.74 0 2.80 0.51 0 0.02 0 0 0 5.07 全局均衡调控方案 3.92 0.03 9.01 7.45 6.39 2.95 -2.51 -4.09 1.09 24.24 -
基准方案下全流域河道外弹性缺水量85.95亿m3, 弹性缺水率44.46%, 不同省(区)弹性缺水率差别较大(表 8)。上游缺水较严重, 青海、甘肃、宁夏和内蒙古4省(区)平均弹性缺水率55.05%, 甘肃省和青海省的弹性缺水率分别高达81.35%和77.87%。中下游4省缺水问题相对较小, 平均弹性缺水率29.07%, 其中山西省和河南省的弹性缺水率分别为25.64%和17.73%。基准方案下省(区)缺水差异反映了“八七”分水方案对当前用水格局的不适应性。
表 8 黄河流域各省(区)弹性缺水率
Table 8. Water shortage rate of elastic water demand of provinces in the Yellow River basin
% 方案 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 全流域 基准方案 77.87 50.57 81.35 62.41 37.07 37.07 25.64 17.73 43.66 44.46 动态配置方案1 40.43 39.78 45.64 39.51 30.61 28.87 25.64 17.73 33.39 31.92 动态配置方案2 59.09 50.53 68.75 60.56 37.07 37.00 25.64 17.73 43.66 41.84 全局均衡调控方案 35.59 34.16 40.77 35.20 25.55 25.88 36.58 36.59 29.72 31.92 “八七”分水方案不适应性问题已长期存在。在实际执行中, 流域耗水总量得到有效控制, 但部分省(区)耗水量超出其年度分配指标。2000—2018年省(区)超分配指标问题主要集中在甘肃、宁夏、内蒙古和山东等省(区), 上游地区超指标问题尤为严重[6]。黄河上游地区经济欠发达, 经济结构中第一产业占比较大, 用水效率较低, 是国家巩固脱贫攻坚成果、实施乡村振兴战略、实现东西部协调发展的重点区域, 需要提高水资源对经济社会发展的支撑水平。此外, 黄河流域是资源性缺水流域, 目前南水北调西线工程尚未开工, 上游尚不具备外调水补水条件, 而南水北调东、中线一期工程已经生效, 给河南山东提供了置换引黄水的条件。因此, 在调整“八七”分水方案时, 有必要适当增加上游省(区)分水指标。
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下游来沙4.00亿t时, 动态配置方案1河道外分水指标比基准方案增加24.24亿m3, 全流域弹性缺水率从44.46%降至31.92%, 河道外分水指标增量配置结果如表 7所示。公平原则主要体现在: 弹性缺水率最小的河南省和山西省分水指标维持不变, 其他7个省(区)分水指标均增加, 且增量主要集中于缺水较严重的甘肃、青海、宁夏等上游省(区)。效率原则主要体现在: 动态配置后, 单方水价值较高的内蒙古、陕西和山东弹性缺水率均降至34.00%以下, 而单方水价值较低的青海、四川、甘肃和宁夏弹性缺水率仍高于39.00%。
下游来沙5.00亿t时, 动态配置方案2河道外分水指标比基准方案增加5.07亿m3, 全流域弹性缺水率从44.46%降至41.84%。增量主要分配给了弹性缺水率最大的甘肃、青海和宁夏(表 7), 且增加分水指标后3省(区)的弹性缺水率仍高于其他6省(区)。
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对比基准方案、动态配置方案和全局均衡调控方案, 在相同来沙情景下, 全局均衡调控方案用水效率表征指标(FV)和用水公平表征指标(FE)均最高, 其次是动态配置方案。但是黄河流域分水方案的调整必须考虑方案的可行性。
黄河流域水资源供需矛盾突出, 分水问题十分复杂。“八七”分水方案的研究和出台历时5 a, 经历了中央及省(区)的多次座谈、调查与协商, 最终在国务院的推行下才得以实施。当前沿黄省(区)均面临不小的水资源缺口, 调低任一省(区)的分水指标均可能引起该省(区)的强烈反对, 导致分水方案调整难以落地实施。在全局均衡调控方案中, 山西省和河南省的分水指标分别较基准方案减少了2.51亿m3和4.09亿m3(表 6和表 7), 导致方案的可行性较低。动态配置方案采用“保存量, 分增量”的思路, 保证各省(区)分水指标不低于现行方案, 从而提高调整分水方案的可行性。
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为了实现变化条件下多沙河流水资源科学配置, 本文以黄河流域为研究对象, 在优先保障河流和近海生态需水的基础上, 采用排沙比高、输沙水量小的高效输沙洪水塑造方法, 动态调整河道内分水指标。
(1) 提出了变化水沙条件下“保存量、分增量”的水资源动态配置思路, 根据来水对“八七”分水方案丰增枯减得到初始分水指标, 按照来沙动态调整河道内初始分水指标, 将河道内节省的水量依据公平和效率原则配置给沿黄省(区)。
(2) 黄河流域水资源动态配置结果显示: 在下游来沙4.00亿t和5.00亿t的情景下, 河道内分水指标分别减小24.24亿m3和5.07亿m3, 河道内节省的水量主要分配给青海、甘肃、宁夏等上游省(区)。本文建立的配置方法坚持“生态优先”原则, 兼顾了变化的径流和泥沙, 适用于多沙河流水资源动态配置；保障了沿黄省(区)分水指标只增不减, 提高了“八七”分水方案动态调整的可行性。
Study on the dynamic allocation mechanism of water resources in the Yellow River basin considering runoff, sediment and ecosystem
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摘要: 黄河"八七"分水方案已实施30余年，亟需动态调整分水方案以适应变化的水沙条件和用水格局。为在变化水沙条件下科学配置水资源，以黄河流域为研究对象，提出"保存量、分增量"的动态配置思路，在优先满足河流和近海生态需水的基础上，根据变化来水来沙塑造高效输沙洪水减少河道内分水指标，兼顾公平和效率将河道内节省的水量作为增量配置给沿黄省（区）。配置结果显示：黄河下游来沙4.00亿~5.00亿t时，采用高效输沙方法黄河河道内分水指标减少5.07亿~24.24亿m3，上游省（区）分水指标增加；动态配置方案体现了生态优先原则，保障沿黄省（区）分水指标不低于现行指标，并增加部分省（区）分水指标。研究成果为多沙河流动态配置水资源提供了科学方法，为"八七"分水方案调整提供了参考。Abstract: The 1987 Water Allocation Scheme has been in effect in the Yellow River basin for more than 30 years. This scheme needs to be adjusted dynamically to suit changing flow, sediment, and water use patterns. In order to allocate water resources scientifically in a changing environment, this paper develops a dynamic water allocation idea: "keeping the stock and allocating the increment", taking the Yellow River basin as the study area. This method involves first seeing to the water needs of the river habitat and the coastal waters. Then hyperconcentrated floods are created according to the dynamic sediment condition to cut down the amount of water needed to transport sediment. The water saved instream is regarded as the increment of off-stream water allocation. The increment is allocated to provinces along the Yellow River with consideration of both equilibrium and efficiency. Results show that the instream water allocation decreases 0.507-2.424 billion m3 though the highly efficient sediment transport method when the amount of sediment coming into the downstream area is 0.400-0.500 billion t. The increment of off-stream water allocation is mainly allocated to provinces in the upstream area. The dynamic water allocation method gives first priority to the environmant and natural habitats and ensures that the adjusted water allocation to each province is no less that the current amount. This paper provides a scientific method for sandy rivers to allocate water dynamically and provides a reference to the adjustment of the 1987 Water Allocation Scheme.
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图 1 黄河流域水资源动态配置流程
Figure 1. Flow chart of the dynamic allocation of water resources in the Yellow River basin
表 1 水资源配置方案设置
Table 1. Water allocation scheme settings
方案 配置方法 天然年径流量/亿m3 下游年来沙量/亿t 基准方案 同比例丰增枯减 490.0 / 动态配置方案1 增量动态配置 490.0 4.00 动态配置方案2 增量动态配置 490.0 5.00 动态配置方案3 增量动态配置 490.0 6.00 全局均衡调控方案 增量和存量统一动态配置 490.0 4.00 
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表 2 “八七”分水方案与黄流规中的分水指标
Table 2. Water allocation of the 1987 Water Allocation Scheme and the Yellow River basin comprehensive planning
亿m3 方案 省(区)分水指标 河道内分水指标 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 河北天津 合计 “八七”分水 14.10 0.40 30.40 40.00 58.60 38.00 43.10 55.40 70.00 20.00 370.0 210.0 黄流规 13.16 0.37 28.37 37.32 54.68 35.46 40.22 51.69 65.32 6.20 332.8 187.0
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表 3 不同来沙量情景下动态配置方案河道内需水量
Table 3. In-stream water demand in the dynamic allocation plan with different sediment transport
方案 下游来沙量/亿t 汛期输沙需水量/亿m3 全年淤积比/% 河道内需水量/亿m3 动态配置方案1 4.00 95.10 10.00 155.1 动态配置方案2 5.00 114.3 10.00 174.3 动态配置方案3 6.00 121.8 15.00 181.8
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表 4 黄河流域各省(区)河道外弹性需水量
Table 4. Off-stream elastic water demand of provinces in the Yellow River basin
亿m3 行业 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 工业 0.84 0 6.67 3.62 6.58 4.81 5.86 2.30 2.18 农业 8.44 0.19 15.55 23.75 48.90 21.55 17.06 19.40 5.63 合计 9.28 0.19 22.22 27.37 55.48 26.36 22.92 21.70 7.81
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表 5 黄河流域各省(区)单方水价值
Table 5. Water value per cubic meter of provinces in the Yellow River basin
元/m3 行业 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 农业 0.57 0.44 0.72 0.51 0.95 1.61 2.44 2.70 2.17 工业 18.84 18.34 22.09 20.61 23.47 24.42 20.78 23.46 25.10
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表 6 不同方案下河道内外分水指标
Table 6. In-stream and off-stream water allocation of different schemes
亿m3 方案 省(区)分水指标 河道内分水指标 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 河北天津 合计 基准方案 12.41 0.35 26.75 35.18 51.55 33.43 37.92 48.73 61.58 5.85 313.7 176.3 动态配置方案1 15.88 0.37 34.68 41.45 55.13 35.59 37.92 48.73 62.38 5.85 338.0 152.1 动态配置方案2 14.15 0.35 29.54 35.69 51.55 33.45 37.92 48.73 61.58 5.85 318.8 171.2 动态配置方案3 12.41 0.35 26.75 35.18 51.55 33.43 37.92 48.73 61.58 5.85 313.7 176.3 全局均衡调控方案 16.33 0.38 35.76 42.63 57.94 36.38 35.41 44.64 62.67 5.85 338.0 152.1
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表 7 其他方案各省(区)分水指标相对于基准方案分水指标的增量
Table 7. Water allocation increments of provinces in other plans compared with the benchmark plan
亿m3 方案 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 合计 动态配置方案1 3.47 0.02 7.93 6.27 3.58 2.16 0 0 0.80 24.24 动态配置方案2 1.74 0 2.80 0.51 0 0.02 0 0 0 5.07 全局均衡调控方案 3.92 0.03 9.01 7.45 6.39 2.95 -2.51 -4.09 1.09 24.24
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表 8 黄河流域各省(区)弹性缺水率
Table 8. Water shortage rate of elastic water demand of provinces in the Yellow River basin
% 方案 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 全流域 基准方案 77.87 50.57 81.35 62.41 37.07 37.07 25.64 17.73 43.66 44.46 动态配置方案1 40.43 39.78 45.64 39.51 30.61 28.87 25.64 17.73 33.39 31.92 动态配置方案2 59.09 50.53 68.75 60.56 37.07 37.00 25.64 17.73 43.66 41.84 全局均衡调控方案 35.59 34.16 40.77 35.20 25.55 25.88 36.58 36.59 29.72 31.92
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[1] MEKONNEN M M, HOEKSTRA A Y. Four billion people facing severe water scarcity[J]. Science Advances, 2016, 2(2): e1500323. doi: 10.1126/sciadv.1500323 [2] 王浩, 王旭, 雷晓辉, 等. 梯级水库群联合调度关键技术发展历程与展望[J]. 水利学报, 2019, 50(1): 25-37. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201901005.htm WANG H, WANG X, LEI X H, et al. The development and prospect of key techniques in the cascade reservoir operation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(1): 25-37. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201901005.htm [3] 王煜, 彭少明, 郑小康. 黄河流域水量分配方案优化及综合调度的关键科学问题[J]. 水科学进展, 2018, 29(5): 614-624. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.05.002 WANG Y, PENG S M, ZHENG X K. Key scientific issues of water allocation plan optimization and comprehensive operation for Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2018, 29(5): 614-624. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.05.002 [4] YIN Y Y, TANG Q H, LIU X C, et al. Water scarcity under various socio-economic pathways and its potential effects on food production in the Yellow River basin[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, 21(2): 791-804. doi: 10.5194/hess-21-791-2017 [5] 张金良, 练继建, 张远生, 等. 黄河水沙关系协调度与骨干水库的调节作用[J]. 水利学报, 2020, 51(8): 897-905. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202008002.htm ZHANG J L, LIAN J J, ZHANG Y S, et al. Coordination degree of water-sediment relationship of the Yellow River and regulating effect of the backbone reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(8): 897-905. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202008002.htm [6] 王煜, 彭少明, 武见, 等. 黄河"八七"分水方案实施30 a回顾与展望[J]. 人民黄河, 2019, 41(9): 6-13, 19. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.09.002 WANG Y, PENG S M, WU J, et al. Review of the implementation of the Yellow River water allocation scheme for thirty years[J]. Yellow River, 2019, 41(9): 6-13, 19. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.09.002 [7] 王煜, 彭少明, 郑小康, 等. 黄河"八七"分水方案的适应性评价与提升策略[J]. 水科学进展, 2019, 30(5): 632-642. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.003 WANG Y, PENG S M, ZHENG X K, et al. Adaptability assessment and promotion strategy of the Yellow River Water Allocation Scheme[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(5): 632-642. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.003 [8] 贾绍凤, 梁媛. 新形势下黄河流域水资源配置战略调整研究[J]. 资源科学, 2020, 42(1): 29-36. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZY202001004.htm JIA S F, LIANG Y. Suggestions for strategic allocation of the Yellow River water resources under the new situation[J]. Resources Science, 2020, 42(1): 29-36. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZY202001004.htm [9] 彭少明, 郑小康, 王煜, 等. 黄河流域水资源-能源-粮食的协同优化[J]. 水科学进展, 2017, 28(5): 681-690. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.005 PENG S M, ZHENG X K, WANG Y, et al. Study on water-energy-food collaborative optimization for Yellow River basin[J]. Advances in Water Science, 2017, 28(5): 681-690. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.005 [10] 王浩, 赵勇. 新时期治黄方略初探[J]. 水利学报, 2019, 50(11): 1291-1298. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201911001.htm WANG H, ZHAO Y. Preliminary study on harnessing strategies for Yellow River in the new period[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(11): 1291-1298. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201911001.htm [11] 左其亭, 吴滨滨, 张伟, 等. 跨界河流分水理论方法及黄河分水新方案计算[J]. 资源科学, 2020, 42(1): 37-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZY202001005.htm ZUO Q T, WU B B, ZHANG W, et al. A method of water distribution in transboundary rivers and the new calculation scheme of the Yellow River water distribution[J]. Resources Science, 2020, 42(1): 37-45. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZY202001005.htm [12] 刘晓燕, 王瑞玲, 张原锋, 等. 黄河河川径流利用的阈值[J]. 水利学报, 2020, 51(6): 631-641. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202006001.htm LIU X Y, WANG R L, ZHANG Y F, et al. Threshold of the runoff utilization of the Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(6): 631-641. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202006001.htm [13] 赵阳, 胡春宏, 张晓明, 等. 近70年黄河流域水沙情势及其成因分析[J]. 农业工程学报, 2018, 34(21): 112-119. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.014 ZHAO Y, HU C H, ZHANG X M, et al. Analysis on runoff and sediment regimes and its causes of the Yellow River in recent 70 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(21): 112-119. (in Chinese) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.014 [14] 胡春宏, 张晓明, 赵阳. 黄河泥沙百年演变特征与近期波动变化成因解析[J]. 水科学进展, 2020, 31(5): 725-733. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.05.009 HU C H, ZHANG X M, ZHAO Y. Cause analysis of the centennial trend and recent fluctuation of the Yellow River sediment load[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(5): 725-733. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.05.009 [15] 胡春宏, 张治昊. 论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度[J]. 水利学报, 2020, 51(9): 1015-1025. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202009003.htm HU C H, ZHANG Z H. Discussing of the critical threshold of equilibrium sediment transport in the Yellow River and the degree of soil erosion control in the Loess Plateau[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1015-1025. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202009003.htm [16] 王煜, 尚文绣, 彭少明. 基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统[J]. 水科学进展, 2019, 30(2): 175-185. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.003 WANG Y, SHANG W X, PENG S M. Yellow River basin drought response system based on the prediction and operation of cascade reservoirs[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(2): 175-185. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.003 [17] YU Y, WANG P F, WANG C, et al. Combined monthly inflow forecasting and multiobjective ecological reservoir operations model: case study of the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2017, 143(8): 05017004. doi: 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000786 [18] 孙万光, 李成振, 姜彪, 等. 水库群供调水系统实时调度研究[J]. 水科学进展, 2016, 27(1): 128-138. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.01.014 SUN W G, LI C Z, JIANG B, et al. Study of real-time scheduling of reservoir group of supply and water diversion systems[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(1): 128-138. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.01.014 [19] 卢迪, 周如瑞, 周惠成, 等. 耦合长期预报的跨流域引水受水水库调度模型[J]. 水科学进展, 2016, 27(3): 458-466. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.014 LU D, ZHOU R R, ZHOU H C, et al. Reservoir operation model coupling long-term forecast of intake reservoir in inter-basin water diversion[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(3): 458-466. (in Chinese) doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.014 [20] 王煜, 彭少明, 武见, 等. 黄河流域水资源均衡调控理论与模型研究[J]. 水利学报, 2020, 51(1): 44-55. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202001006.htm WANG Y, PENG S M, WU J, et al. Research on the theory and model of water resources equilibrium regulation in the Yellow River basin[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(1): 44-55. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202001006.htm [21] 尚文绣, 彭少明, 王煜, 等. 面向河流生态完整性的黄河下游生态需水过程研究[J]. 水利学报, 2020, 51(3): 367-377. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202003014.htm SHANG W X, PENG S M, WANG Y, et al. Research on the ecological integrity-oriented environmental flow regime of the Lower Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(3): 367-377. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202003014.htm [22] 董哲仁, 赵进勇, 张晶. 环境流计算新方法: 水文变化的生态限度法[J]. 水利水电技术, 2017, 48(1): 11-17. doi: 10.3969/j.issn.1672-9900.2017.01.004 DONG Z R, ZHAO J Y, ZHANG J. A new method for environmental flow assessment: ecological limits of hydrological alteration (ELOHA)[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2017, 48(1): 11-17. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-9900.2017.01.004 [23] 于守兵, 凡姚申, 余欣, 等. 黄河河口生态需水研究进展与展望[J]. 水利学报, 2020, 51(9): 1101-1110. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202009011.htm YU S B, FAN Y S, YU X, et al. Advances and prospects of ecological water demands in the Yellow River Estuary[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1101-1110. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202009011.htm [24] 李小平, 李勇, 曲少军. 黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究[J]. 人民黄河, 2010, 32(12): 71-73, 248. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2010.12.030 LI X P, LI Y, QU S J. Study on characteristics of flood scour and fill and high efficient sediment transport of the Lower Yellow River[J]. Yellow River, 2010, 32(12): 71-73, 248. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2010.12.030 [25] 李勇, 窦身堂, 谢卫明. 黄河中游水库群联合调控塑造高效输沙洪水探讨[J]. 人民黄河, 2019, 41(2): 20-23, 28. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.02.005 LI Y, DOU S T, XIE W M. Study on integrated regulation of the reservoirs in the middle Yellow River to form floods for high-efficient sediment transport[J]. Yellow River, 2019, 41(2): 20-23, 28. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.02.005 [26] 李小平, 田勇, 王卫红. 黄河下游洪水的适宜含沙量研究[C]//国际环境系统科学与工程会议. 德克萨斯: 信息工程研究所, 2011: 532-537. LI X P, TIAN Y, WANG W H. Study of suitable sediment concentration of flood in the Lower Yellow River[C]//International Conference on Environmental Systems Science and Engineering. Texas: Information Engineering Research Institute, 2011: 532-537. (in Chinese) [27] DI D Y, WU Z N, GUO X, et al. Value stream analysis and emergy evaluation of the water resource eco-economic system in the Yellow River basin[J]. Water, 2019, 11(4): 710. doi: 10.3390/w11040710 -
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