曹 麟，劉家宏，秦大庸 ，桑學(xué)鋒，王明娜，劉淼

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038;2.寧夏水電技師學(xué)院，銀川 750006）

水資源承載力指在一定流域或區(qū)域內(nèi)，其自身的水資源能夠持續(xù)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模，并維系良好的生態(tài)系統(tǒng)的能力[1]。隨著我國人口的劇增和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，水資源的稀缺化已經(jīng)日益成為制約大中型城市發(fā)展的瓶頸。因此，針對(duì)典型區(qū)域的水資源承載力研究就成為地區(qū)開展水利建設(shè)的前提，尤其是像開發(fā)小水電、替代固態(tài)燃料這樣的水利工程。

1 研究背景簡(jiǎn)述

國際上區(qū)域水資源承載力的研究最早見于2000年前后，Michiel A.Rijsberman和他的同事將水資源承載力作為城市水安全保障的衡量標(biāo)準(zhǔn)[2]；而Harris則將區(qū)域的發(fā)展?jié)摿Χx為水資源農(nóng)業(yè)承載力的最值與現(xiàn)值間的空間[3]。施雅風(fēng)等人[4]認(rèn)為水資源承載力在一定意義上等同于區(qū)域的供水量，具有自然-社會(huì)雙重屬性。目前我國對(duì)區(qū)域水資源承載力的理論研究主要集中在區(qū)域水資源狀態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的適配關(guān)系上，而在當(dāng)前三條紅線的約束下，以利用為主的水資源規(guī)劃現(xiàn)在更強(qiáng)調(diào)對(duì)水體的保護(hù)與修復(fù)，因此基于多目標(biāo)優(yōu)化配置的水資源承載力模型研究和實(shí)例應(yīng)用已成為當(dāng)前研究的趨勢(shì)。

2 區(qū)域水資源承載力的模型建立

區(qū)域水資源承載力模型是面向人類－自然耦合的水資源系統(tǒng)分析理論與方法的具體應(yīng)用。該模型以中國水利水電科學(xué)研究院 “自然-人工二元系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，試圖在可持續(xù)發(fā)展的理論指導(dǎo)下，立足于水資源對(duì)不同產(chǎn)業(yè)的支撐功能，以系統(tǒng)工程方法為依據(jù)，以多目標(biāo)規(guī)劃為手段，對(duì)水資源承載能力進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)平衡研究，其基本架構(gòu)如圖1所示[5]。模型的具體目標(biāo)包括：①可供水總量最大化；②GDP總量最大化；③資金支持最大化；重點(diǎn)回答水資源支持條件下的區(qū)域經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展規(guī)模及在一定生活條件下的合理人口數(shù)量、灌溉面積、生態(tài)用水比例等關(guān)鍵參數(shù)的閾值問題。

圖1 水資源承載能力模型架構(gòu)

2.1 決策變量的選取與定義

區(qū)域水資源承載力主要取決于人口及不同產(chǎn)業(yè)對(duì)水的敏感性，因此建立如表1所示的決策變量體系。

2.2 目標(biāo)方程

目標(biāo)方程1：可供水量方程

目標(biāo)方程2：GDP總量方程

其中：Vij代表不同部門在不同時(shí)段創(chuàng)造的價(jià)值。

目標(biāo)方程3：資金平衡方程

其中：Iij代表不同部門在不同時(shí)段獲得的資金支持

2.3 約束條件

包括耕地面積面積約束、人均經(jīng)濟(jì)收入約束等，這里只列與水資源有關(guān)的用水約束條件。

其中：Wij代表不同行業(yè)在規(guī)劃年內(nèi)不同時(shí)段的用水量，具體計(jì)算時(shí)參照以下表達(dá)式：

式中： t代表時(shí)間，即各水平年；d代表不同地區(qū)；s代表不同部門；P代表用水定額

3 以山西為例的水資源承載力計(jì)算

3.1 山西的區(qū)域基本情況

山西省地處中國華北、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，總面積15.63萬km2，呈東北斜向西南的平行四邊形，東有太行山作天然屏障，與河北省為鄰；西南皆以黃河為塹，與陜西省、河南省相望；北跨內(nèi)長城，與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗連[6]。圖2為不同時(shí)段山西降水變化圖，從中可以看出，盡管山西東部一直保持了較高的降水補(bǔ)給量，但19世紀(jì)80年代以來，山西已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)較長的枯水期，水資源量持續(xù)偏少。由于境內(nèi)河流全部外流，2009年山西水資源總量?jī)H有85.76億m3，人均占有水資源量不到全國均值的五分之一，產(chǎn)水系數(shù)為0.11，與全國各省比較，占倒數(shù)第二位，僅比寧夏高一些[7]。

3.2 區(qū)域水資源承載力計(jì)算及結(jié)果

將上述模型編制計(jì)算程序，按模型要求將區(qū)域有關(guān)數(shù)據(jù)代入，反復(fù)調(diào)算，最終得到不同水平年的水資源承載能力，參考結(jié)果見表2所示 （以供水保證率75%為例）。

3.3 結(jié)果分析

（1）區(qū)域水資源承載力能夠支撐生態(tài)用水的不斷增加。

（2）供需平衡狀態(tài)下的水資源的承載能力與區(qū)域人口密切相關(guān)，在無外調(diào)水狀態(tài)下的山西未來發(fā)展應(yīng)以供定需，限制高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）未來5年山西的工業(yè)需水量將再攀高峰，因此必須通過有效的手段進(jìn)行開源節(jié)流，有效降低產(chǎn)業(yè)耗水量，建議從長遠(yuǎn)考慮，全面思考發(fā)展步伐和環(huán)境承載力的關(guān)系。

表1 區(qū)域水資源承載力模型決策變量特征

（4）未來山西農(nóng)業(yè)的需水量增幅將明顯小于生活需水量，因此對(duì)萬元GDP用水量和城市化規(guī)模的控制、壓縮用水大戶、提高用水效率將是區(qū)域建設(shè)的重點(diǎn)。

（5）生態(tài)需水量雖不斷增加，但可用水量將不斷減少，因此，探討對(duì)廢污水的處理尤其是有色金屬冶煉、礦坑水的處理以及中水回用技術(shù)的推廣應(yīng)用應(yīng)成為山西未來水資源管理與保護(hù)中要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

（6）在不增加供水量前提下，采取節(jié)水措施進(jìn)行內(nèi)部挖潛可以提高區(qū)域水資源的承載能力。

表2 不同方案水資源承載力參考值

4 滿足水資源承載力的山西生態(tài)小水電建設(shè)

4.1 山西生態(tài)小水電建設(shè)的現(xiàn)狀

小水電是國際公認(rèn)的可再生綠色能源，生態(tài)小水電建設(shè)主要指小水電建設(shè)中的代燃料生態(tài)保護(hù)工程。在小水電資源豐富的地區(qū)，推廣實(shí)施生態(tài)小水電建設(shè)，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少二氧化碳的排放，鞏固退耕還林等生態(tài)建設(shè)成果，改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能減排，提高山區(qū)農(nóng)民生活水平，幫助農(nóng)民增收和長遠(yuǎn)致富，促進(jìn)全面建設(shè)小康社會(huì)具有重要的作用[11]。

山西省從1955年開始興建了第一座48kW洪洞明姜小水電站以來，從無到有，從小到大，經(jīng)過60年特別是改革開放30多年來的農(nóng)村水電電氣化縣的建設(shè)，到2010年1月，已建成小水電站169處，裝機(jī)容量16.2萬kW，年均發(fā)電3億kWh。其中裝機(jī)500kW以上的小水電站有69處，裝機(jī)容量14.1萬kW，占全省小水電總裝機(jī)的86%，為山西省的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用。以2009年開始建設(shè)、2010年投入運(yùn)行的晉西陵川縣秦家磨雙底生態(tài)水電站為例,該項(xiàng)目為引水式電站，設(shè)計(jì)引水流量0.95m3/s，裝機(jī)容量 3×500+1×250kW，多年平均發(fā)電量 357.5萬kWh，可使2400戶、9000余人用上清潔廉價(jià)的電力，實(shí)現(xiàn)代燃料，保護(hù)森林植被25.84萬畝，每年可減少砍伐林木2.7萬噸，有效保護(hù)當(dāng)?shù)厣种脖唬纳骗h(huán)境，發(fā)揮良好的生態(tài)效益和社會(huì)效益。

盡管近年山西也開工建設(shè)了一些小水電，但由于境內(nèi)大部分的小水電工程主要建于20世紀(jì)80、90年代，經(jīng)過多年運(yùn)行，年久失修，設(shè)備老化，普遍存在著機(jī)組效率差，水能資源不能充分利用的問題[12]。加上部分農(nóng)村水電配套電網(wǎng)未納入全國農(nóng)網(wǎng)改造工程范圍，故障多，網(wǎng)損高，已建水電工程遠(yuǎn)不能充分發(fā)揮應(yīng)有的效益。必須盡快研究水資源緊缺條件下的小水電更新修復(fù)和并網(wǎng)改造的問題。

4.2 山西生態(tài)小水電的未來發(fā)展

山西境內(nèi)山地、丘陵多，平原少,地勢(shì)高差懸殊?？砷_發(fā)利用的水電資源為741.88萬kW，大體包括三部分：一是黃河北干流水電資源640.8萬kW；二是省境內(nèi)小水電資源62萬kW；三是萬家寨引黃入晉工程動(dòng)能資源39.08萬kW[13]。另外還有境內(nèi)抽水蓄能水電資源1020萬kW。全省已開發(fā)利用水電資源135.9萬kW （不包括抽水蓄能120萬kW），利用率僅為18.3%，開發(fā)前景十分廣闊。

考慮到河流生態(tài)需水要同時(shí)滿足河道基流生態(tài)需水及河濱帶生態(tài)高水平用水的要求，采用如上所述的區(qū)域水資源承載力模型進(jìn)行分析，假設(shè)A、B、C分別代表不外調(diào)水、中度外調(diào)水、高度外調(diào)水三種情境，分別對(duì)山西的汾河、沁河和桑干河進(jìn)行方案比選，最終優(yōu)化后得到基于水資源承載力的未來水平年典型河道的生態(tài)用水配置，其中沁河的生態(tài)用水配置見表3[8]。

此生態(tài)供水配置的結(jié)果表明：在本地來水為8.66億m3時(shí)，扣除蒸發(fā)滲漏的2636萬m3水量，可供生產(chǎn)生活的水量為1.15億m3，若考慮沁河為汾河的生態(tài)修復(fù)工程提供的5063萬m3調(diào)水，則恢復(fù)河道外濕地為初級(jí)水平時(shí)，供河濱帶的生態(tài)需水量為1345萬m3，為中、高等水平，則需2241萬m3和3586萬m3，生態(tài)需水呈逐步增加趨勢(shì)。從生態(tài)修復(fù)保障程度高的要求出發(fā)，最終選擇方案為C，即河濱生態(tài)水量為3586萬m3。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)上游河道平均流量為4.2m3/s，最小月流量為1.9m3/s，中游河道平均流量為20.4m3/s，最小月流量為5.7m3/s，均遠(yuǎn)大于相應(yīng)河段的生態(tài)基流，能滿足未來生態(tài)小水電的供水需求。

需要注意的是，此配置方案的實(shí)施前提是汾河的生態(tài)修復(fù)有賴于上游萬家寨的2億m3引黃調(diào)水，因此未來山西沁河生態(tài)小水電建設(shè)的保障程度與萬家寨調(diào)水息息相關(guān)，萬家寨調(diào)水保證程度高，則沁河向汾河補(bǔ)水量就小，可供生態(tài)小水電建設(shè)的水資源量就大。

結(jié)合如圖3、圖4、圖5所示的山西全省各市生態(tài)小水電資源、水利工程分布圖等，則有如下結(jié)論：

（1）就資源分布而言，山西的生態(tài)小水電建設(shè)主要以長治市和晉城市為重點(diǎn)，除此以外，運(yùn)城、忻州市也有微量分布，其他市區(qū)則均不到1%；

（2）長治市和晉城市均屬于降水量多年均值在400～700mm之間的區(qū)間，但二者分屬于海河和黃河流域，水量差異明顯，水系分布也不同，因此，前者的生態(tài)小水電建設(shè)重在多布點(diǎn)，而后者重點(diǎn)在大流量；

（3）長治市的生態(tài)小水電建設(shè)主要是針對(duì)海河流域的濁漳河水資源的調(diào)配展開，具體的落實(shí)縣市是平順縣；而晉城市的生態(tài)小水電建設(shè)，則以沁河 （丹河為其支流）流域的澤州市、沁水縣和市直屬的小水電為主；

（4）按照模型推算，規(guī)劃水平年的全省生態(tài)可用水量?jī)H為水資源總量的2.81%，即僅有2.39億m3，因此生態(tài)小水電的建設(shè)必須考慮對(duì)區(qū)域雨洪的利用，如在降水量多年均值在700mm以上區(qū)間的靈丘、五臺(tái)、左權(quán)也開展生態(tài)小水電建設(shè)的問題。

表3 沁河2015水平年不同方案生態(tài)供水配置情況表 （單位： 萬 m3）

總之，生態(tài)小水電的建設(shè)必須嚴(yán)格按照現(xiàn)有生態(tài)補(bǔ)水總量的要求，認(rèn)真規(guī)劃，全面協(xié)調(diào)，高效利用，尤其是要參考曹河水電站、東焦河水電站等申請(qǐng)過國際能源機(jī)制基金清潔能源CDM項(xiàng)目的資金管理經(jīng)驗(yàn)以及拴驢泉水電站、東焦河水電站的安全建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)化管理經(jīng)驗(yàn)。

4.3 促進(jìn)山西生態(tài)小水電優(yōu)化發(fā)展中的對(duì)策

近年來，山西生態(tài)小水電事業(yè)取得了較快的發(fā)展，但在行業(yè)管理、水能開發(fā)、體制改革等方面還存在一些問題。為此，提出建議如下:

①進(jìn)一步強(qiáng)化水務(wù)部門和小水電管理企業(yè)的行業(yè)對(duì)接。生態(tài)小水電建設(shè)事關(guān)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，又涉及區(qū)域水體資源平衡，因此管理上應(yīng)具有顯明的行業(yè)特性，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，制定出臺(tái)加強(qiáng)行業(yè)管理的意見，由省委創(chuàng)造條件，進(jìn)一步明確水務(wù)部門和小水電管理企業(yè)的各自職能和上下關(guān)系，營造環(huán)境，使行業(yè)管理真正落到實(shí)處。

②進(jìn)一步規(guī)范水電項(xiàng)目的審批程序。嚴(yán)把三條紅線關(guān)口，將涉及取用水的項(xiàng)目審批權(quán)逐級(jí)理順，對(duì)不符合規(guī)劃要求建設(shè)的水電項(xiàng)目一律不予審批或核準(zhǔn)。對(duì)縣域內(nèi)違規(guī)自建的生態(tài)小水電項(xiàng)目要區(qū)別對(duì)待，在資源承載力總量控制條件下，壓大放小，分類處置，科學(xué)有序的建立生態(tài)小水電的開發(fā)建設(shè)程序。

③進(jìn)一步完善現(xiàn)有小水電的續(xù)建配套與管理。建議制定適合本地實(shí)際的生態(tài)水電建設(shè)與管理的辦法， 從水資源費(fèi)、財(cái)政補(bǔ)貼等多方面籌措生態(tài)小水電建設(shè)中的后續(xù)維護(hù)費(fèi)用， 進(jìn)一步強(qiáng)化管理， 完善機(jī)制， 延長小水電的使用壽命， 以管理促建設(shè)， 全面提升生態(tài)小水電的發(fā)展水平。

5 結(jié)論

生態(tài)小水電建設(shè)自2003年起就得到廣泛認(rèn)可，作為水電建設(shè)中的亮點(diǎn)，它的建設(shè)對(duì)改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境、加快山區(qū)開發(fā)、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富具有重要意義。盡管我國小水電資源總量十分豐富，目前的開發(fā)潛力也很大，但由于歷史原因，小水電的規(guī)劃多數(shù)僅從區(qū)域勢(shì)能條件展開，對(duì)滿足資源承載力要求的區(qū)域全面部署考慮卻較少。隨著我國最嚴(yán)格的水資源管理制度的進(jìn)一步實(shí)施，建立 “一龍管水、合力治水”的管理體制，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)水資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源全方位、全領(lǐng)域、全過程的統(tǒng)一管理已成為三條紅線的核心。以山西水資源承載力研究為目標(biāo)的生態(tài)小水電建設(shè)，結(jié)合了地區(qū)的資源承載力，妥善規(guī)劃了小水電建設(shè)的規(guī)模與年限，必將為促進(jìn)水資源緊缺狀態(tài)下的環(huán)境友好型區(qū)域建設(shè)起到良好的示范作用。

[1]水資源承載力與水環(huán)境承載力 [EB/OL].http://www.wdjkj.cn/zdcw/news_view.asp newsid=71

[2]Michiel A Rijsberman,Frans H M.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system[J].Environment Impact Assessment Review,2000,129(3):333-345.

[3]Harris Jonathan M,et.al.Carrying capacity in Agriculture:Globe and regional issue.Ecological Economics[J].1999,129(3):443-461.

[4]姚治君,王建華,江東,等.區(qū)域水資源承載力的研究進(jìn)展及其理論探析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（1）:111-116.

[5]裴源生，趙勇，陸垂裕,等.經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)廣義水資源合理配置[M].鄭州：黃河水利出版社,2006：104-107,115.

[6]山西省環(huán)境質(zhì)量研究[R].太原:山西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2006.

[7]2009中國水資源公報(bào)（附件）[R].北京：中華人民共和國水利部.2010.

[8]山西省水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃[R].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,山西省水資源研究所,2010：57-64.

[9]山西省水利發(fā)展“十一五”規(guī)劃中期評(píng)估報(bào)告[R].太原:山西省水利廳，2008：43-49.

[10]山西省2009年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].http://database.ce.cn/district/tjgb/nf/2009/201003/15/t20100315_21120481.shtml.

[11]實(shí)施小水電代燃料生態(tài)保護(hù)工程的五個(gè)重要意義.[EB/OL].http://www.hhsb.gov.cn/stgc/show.asp?id=314.2007.1.5

[12]山西省小水電代燃料試點(diǎn)項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告[R].太原:山西省水利廳,2006.

[13]馬克騫.山西省小水電開發(fā)建設(shè)中的一些問題及建議[J].小水電，2007，133（1）:21-23.