常福宣，陳 進(jìn)，張洲英

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水資源綜合利用研究所;b.院長(zhǎng)辦公室;c.信息中心，武漢 430010)

跨流域調(diào)水工程是緩解或解決水資源空間分布不均問題的重要手段，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境效益。但是跨流域調(diào)水對(duì)水源區(qū)的負(fù)面影響也不容忽視。南水北調(diào)中線工程以漢江為水源，但是目前在漢江流域，特別是漢江中下游存在干旱威脅和水質(zhì)污染等問題，南水北調(diào)中線調(diào)水減少了漢江中下游的水資源，可能會(huì)加大水資源的供需矛盾和供水風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在分析漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出減少其供水風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策措施。

1 漢江中下游水資源的基本形勢(shì)及面臨的主要問題

漢江是長(zhǎng)江中游最大支流，源于秦嶺南麓，流經(jīng)陜西、湖北 2省，于武漢匯入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng)1 577 km，流域面積15.9萬km2。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，水量較豐沛，流域水資源總量為582億m3［1］。與干旱的北方相比，漢江流域的水資源相對(duì)較為豐富，被作為南水北調(diào)中線工程的水源地，取水水源地為丹江口水庫(kù)。根據(jù)《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃》，近期和遠(yuǎn)期的調(diào)水量分別為103億m3和121億m3，調(diào)水量將達(dá)到流域水資源總量的20%左右。調(diào)水將極大地改變漢江流域的水資源量及其時(shí)空分布，影響流域特別是漢江中下游的供水安全。目前漢江中下游的水資源存在以下幾個(gè)方面的問題。

(1)流域水資源雖然較為豐富，但年內(nèi)分配不均。5—10月份徑流量占全年75%左右，且年際變化較大，是長(zhǎng)江各主要支流中變化最大的河流。

(2)洪澇災(zāi)害頻繁。漢江中下游洪水來量大，中下游河槽泄洪能力與來水量極不平衡，漢江堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻繁。

(3)漢江中下游用水量很大，干旱威脅大。漢江中游屬于重旱和次重旱區(qū)，漢江下游屬次旱區(qū)。由于水源工程供水能力不足，灌溉工程不配套等原因，致使干旱災(zāi)害成為影響漢江中下游農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。

(4)漢江中下游生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重。隨著地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和沿江城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大，漢江的污水排量較大，漢江干流的水質(zhì)污染嚴(yán)重。在枯水季節(jié)，漢江中下游干流極易發(fā)生藻類大面積暴發(fā)的“水華”事件。

2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

2.1 漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)是指在某一特定環(huán)境下，在某一特定時(shí)間段內(nèi)，某種損失發(fā)生的可能性及損失的大小。風(fēng)險(xiǎn)主要來自于不確定性，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的基本任務(wù)是找出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)之所在和引起風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，即風(fēng)險(xiǎn)源。水資源風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別需要在分析水資源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從影響水資源變化規(guī)律的因素入手，分析水資源系統(tǒng)的不確定性因素，進(jìn)而識(shí)別出水資源供需變化規(guī)律的風(fēng)險(xiǎn)因素。

水資源系統(tǒng)是一個(gè)開放的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，由于客觀世界的復(fù)雜性及人類認(rèn)識(shí)客觀世界的局限性，水資源系統(tǒng)總是伴隨著各種不確定性因素的困擾［2-3］。一般水資源系統(tǒng)的不確定性可分為水文不確定性、水流不確定性、建筑結(jié)構(gòu)不確定性、經(jīng)濟(jì)不確定性和人類的主觀不確定性［3-4］。水資源供水系統(tǒng)由一系列的供水工程和用水戶組成，因此有需水量和可供水量2個(gè)不確定性因素。需水量的影響因素是人口、經(jīng)濟(jì)總量、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和行業(yè)用水效率。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、行業(yè)用水重復(fù)利用率的偏低、用水設(shè)施的落后、需水定額預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確，均可能會(huì)使需水變大或偏?。?］。在不考慮水質(zhì)因素且供水設(shè)施可靠的情況下，可供水量則受到天然來水量和水利工程運(yùn)行調(diào)度的影響。與一般的水資源系統(tǒng)相比，跨流域調(diào)水水源影響區(qū)供水風(fēng)險(xiǎn)增加了外調(diào)水量這樣一個(gè)重要的影響因素。此外，一般的跨流域調(diào)水工程都需要在水源地修建大型的蓄水工程，為了向流域外調(diào)水，必須對(duì)水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度提出要求，因此又增加了水庫(kù)調(diào)度這一影響因素。

作為南水北調(diào)中線工程的水源影響區(qū)——漢江中下游干流區(qū)水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)源包括:①漢江上游來水，即丹江口水庫(kù)的入庫(kù)水量，這一因素受到漢江上游的降水和用水量的影響;②南水北調(diào)中線調(diào)水量，這一因素受到北方受水區(qū)需水量和當(dāng)?shù)厮Y源量的影響，實(shí)際運(yùn)行過程中的外調(diào)水量由丹江口水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度所確定;③丹江口水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度，這一因素主要與入庫(kù)水量和調(diào)度規(guī)則有關(guān)，而調(diào)度規(guī)則又與管理有關(guān)，是水源地及其影響區(qū)與受水區(qū)等相關(guān)利益方博弈的結(jié)果，而調(diào)度過程中還會(huì)受到防洪和發(fā)電的影響;④漢江中下游干流區(qū)間來水量;⑤漢江中下游干流區(qū)當(dāng)?shù)毓┧芰?⑥漢江中下游河道內(nèi)需水量;⑦漢江中下游河道外用水量。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

為了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估計(jì)和評(píng)價(jià)，需要一定的量化指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行表征。本文選取反映缺水風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)度和易損性2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)度與可靠性

以荷載L表示供水區(qū)域的需水量，抗力R表示對(duì)應(yīng)的供水能力，如果把供水系統(tǒng)失效狀態(tài)記為F∈(L＞R)，正常狀態(tài)記為 S∈(L≤R)，則供水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度為［5-11］

式中Xt為供水系統(tǒng)狀態(tài)變量。相應(yīng)地，供水系統(tǒng)的可靠性為

如果對(duì)供水系統(tǒng)的工作狀態(tài)有長(zhǎng)期的記錄，可靠性也可以定義為供水系統(tǒng)能夠正常供水的時(shí)間與整個(gè)供水期歷時(shí)之比［5］。

2.2.2 易損性

易損性評(píng)價(jià)供水系統(tǒng)缺水損失程度，在一定的供水期間，缺水越嚴(yán)重，供水系統(tǒng)的易損性也越大，即損失程度也越嚴(yán)重。易損性可定義為平均缺水量與平均需水量之比［2，5］，即

式中Wdt和Wat分別表示各時(shí)段需水量和實(shí)際供水量，根據(jù)此定義，易損性可以認(rèn)為是平均缺水率。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

采用隨機(jī)模擬生成丹江口入庫(kù)流量和漢江中下游區(qū)間來水的序列(10 000年長(zhǎng)序列)，利用漢江中下游干流區(qū)需水所得到的丹江口水庫(kù)補(bǔ)償下泄流量過程，采用丹江口可調(diào)水量計(jì)算方案的調(diào)度運(yùn)用規(guī)則［1］，以日為單位計(jì)算出丹江口水庫(kù)的下泄過程。利用計(jì)算出的丹江口水庫(kù)下泄過程，結(jié)合漢江中下游后河道內(nèi)與河道外需水量，以及當(dāng)?shù)毓┧芰?，根?jù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的定義，可以計(jì)算出漢江中下游供水的各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值。分別計(jì)算了不調(diào)水、近期調(diào)水、遠(yuǎn)期調(diào)水、近期調(diào)水特枯年、以及年內(nèi)不同月份的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值(表1、表2)，由計(jì)算結(jié)果得出以下幾點(diǎn)結(jié)論［12］:①在不調(diào)水的條件下，漢江中下游的水資源存在一定的供需矛盾，供水存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但是風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)不大;②在近期調(diào)水的條件下，由于南水北調(diào)從漢江調(diào)走了百億m3的水量，調(diào)水對(duì)漢江中下游的水資源供需風(fēng)險(xiǎn)的影響很大，風(fēng)險(xiǎn)度和易損性都明顯增大;在遠(yuǎn)期調(diào)水的條件下，由于調(diào)水量增加，風(fēng)險(xiǎn)度和易損性進(jìn)一步增大;③在特枯年份，由于上游來水量減少和需水量增加，相比于正常年份水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度增大，易損性增大;④在年內(nèi)不同時(shí)段，3—6月份發(fā)生缺水的風(fēng)險(xiǎn)度較高，調(diào)水則使?jié)h江中下游在不同時(shí)段的供水風(fēng)險(xiǎn)都增加了，特別是大幅度地增大了7月份的供水風(fēng)險(xiǎn)。

表1 漢江中下游風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of risk indicators in the middle and lower reaches of Hanjiang river

表2 漢江中下游年內(nèi)不同時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of risk indicators of each month of the year in the middle and lower reaches of Hanjiang river

3 敏感性分析與風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

3.1 供水風(fēng)險(xiǎn)敏感性分析

敏感性分析是研究一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化敏感程度的方法，通過敏感性分析可以確定哪些參數(shù)或因素對(duì)系統(tǒng)有較大的影響，并采取針對(duì)性措施降低不確定因素的影響。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，敏感性分析一般通過將影響參數(shù)或影響因素在其變化范圍內(nèi)取幾個(gè)離散的數(shù)值，不同的數(shù)值稱為水平值，在不同水平值條件下分別計(jì)算系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，分析風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)不同影響因素變化的敏感程度。前面的風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別表明，漢江中下游干流區(qū)水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)源包括了7個(gè)方面的因素。對(duì)漢江中下游干流區(qū)而言，需水(包括河道內(nèi)需水與河道外需水)則主要受到人為因素的影響，其中農(nóng)業(yè)需水還要受到降水量等自然因素的影響，具有一定的不確定性;在干流河道內(nèi)需水和當(dāng)?shù)毓┧芰σ欢ǖ那闆r下，可供水量的最主要影響因素是來水的不確定，包括丹江口水庫(kù)的下泄水量和中下游的區(qū)間來水，而丹江口水庫(kù)的下泄水量又受到入庫(kù)水量和外調(diào)水量的影響。因此影響漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)的主要因素可分為3個(gè)方面:漢江中下游需水量、來水量(包括丹江口水庫(kù)入庫(kù)水量和中下游區(qū)間來水量)和外調(diào)水量［13］。

(1)漢江中下游需水量，包括河道外需水和河道內(nèi)需水，兩者統(tǒng)一考慮，以丹江口水庫(kù)補(bǔ)償下泄過程表示，并上下浮動(dòng)10%。考慮到在實(shí)踐中預(yù)測(cè)值往往比實(shí)際值偏大，在下浮10% 的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)水平值為下浮20%。因此將需水量取4個(gè)水平值，即上浮10%、正常預(yù)測(cè)值、下浮10%和下浮20%。

(2)來水量，即丹江口水庫(kù)入庫(kù)水量和中下游區(qū)間來水量，取3個(gè)水平值，即正常值、上浮動(dòng)10%和下浮動(dòng)10%，Cv和 Cs/Cv值不變，Cv為變差系數(shù)，Cs為偏態(tài)系數(shù)。

(3)調(diào)水量，同樣取4個(gè)水平值，即上浮10%，正常預(yù)測(cè)值、下浮10%和下浮20%。

通過各影響因素不同水平值組合方案的各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，采用極差分析表明［12-13］:漢江中下游干流區(qū)水資源系統(tǒng)對(duì)上述3個(gè)敏感因素的敏感性最大的是漢江中下游需水量，其次是上游來水，最后才是外調(diào)水量。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的基本思想是基于風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)關(guān)系:風(fēng)險(xiǎn)程度=危險(xiǎn)概率×危險(xiǎn)嚴(yán)重程度。如果能夠定量計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)程度，則可遵循風(fēng)險(xiǎn)程度水平來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。目前廣泛采用具有代表性的一種方法是美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL-STD-882)中提供的定性分級(jí)方法。該分級(jí)方法分別規(guī)定了危險(xiǎn)嚴(yán)重性等級(jí)以及危險(xiǎn)概率的定性等級(jí)，通過不同的等級(jí)組合進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)水平分級(jí)。危險(xiǎn)嚴(yán)重程度等級(jí)和危險(xiǎn)概率等級(jí)的組合用半定量打分法的思想構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣(表3)。用矩陣中指數(shù)的大小作為風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)準(zhǔn)則:指數(shù)為1—5的為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，6—9的為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，10—17的是三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，18—20的是四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)定性分級(jí)(MIL－STD－882)Table 3 Risk severity levels and probability levels(MIL－STD－882)

參考MIL-STD-882，可以建立水資源系統(tǒng)的缺水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以風(fēng)險(xiǎn)度定義危險(xiǎn)概率等級(jí)，易損性定義危險(xiǎn)嚴(yán)重性等級(jí)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)度定義將水資源系統(tǒng)發(fā)生缺水的概率等級(jí)定為五級(jí):“很小”(風(fēng)險(xiǎn)度＜0.2)、“較小”(0.2≤風(fēng)險(xiǎn)度 ＜0.4)、“中等”(0.4≤風(fēng)險(xiǎn)度 ＜0.6)、“較大”(0.6≤風(fēng)險(xiǎn)度 ＜0.8)、“很大”(風(fēng)險(xiǎn)度≥0.8)。根據(jù)易損性(平均缺水率)定義缺水的嚴(yán)重程度等級(jí)也定為五級(jí):“不缺水”、“輕微缺水”(缺水率 ＜5%)、“中度缺水”(5%≤缺水率 ＜10%)、“嚴(yán)重缺水”(10%≤缺水率＜20%)和“特別嚴(yán)重缺水”(缺水率≥20%)。最終建立如表4的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。

表4 水資源風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Table 4 Water shortage risk classification

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和前面風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算［12］，多年平均的調(diào)算結(jié)果表明:調(diào)水對(duì)漢江中下游供水的風(fēng)險(xiǎn)度影響較大，風(fēng)險(xiǎn)度由不調(diào)水的“很小”增大到遠(yuǎn)期調(diào)水的“較小”，但是易損性的變化相對(duì)不大，處于“輕微缺水”的狀態(tài)，因此其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)都為三級(jí);但是，在特枯年份的計(jì)算結(jié)果表明，其風(fēng)險(xiǎn)度為“中等”，易損性為“中度缺水”的狀態(tài)，因此其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)都為二級(jí)。這說明調(diào)水對(duì)特枯年份漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)的影響較大。

4 降低風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策措施

根據(jù)前面漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，對(duì)于南水北調(diào)中線工程，降低其水源影響區(qū)水資源供需風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策措施主要包括:①北方受水區(qū)加強(qiáng)用水管理，減少調(diào)水量;②丹江口水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度，嚴(yán)格電調(diào)服從水調(diào)，在保證防洪安全的基礎(chǔ)上，水庫(kù)多蓄水，以便于在枯水季節(jié)向下游多泄水;研究丹江口水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，用于增加枯水年份枯水季節(jié)的可供水量;③加強(qiáng)漢江中下游干流區(qū)內(nèi)部水利工程的管理和調(diào)度，增加本地工程的供水能力;④控制排污，減少漢江中下游發(fā)生“水華”等水質(zhì)事件的概率;⑤加強(qiáng)漢江中下游干流區(qū)用水管理，在枯水季節(jié)減少用水量;⑥加強(qiáng)漢江上游用水管理和水利工程的管理，增加枯水季節(jié)丹江口水庫(kù)的入庫(kù)流量;⑦加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，包括漢江上游和中下游區(qū)間來水的水文監(jiān)測(cè)和漢江中下游干流水質(zhì)監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)來水量預(yù)報(bào)，為丹江口水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度和流域水資源統(tǒng)一調(diào)度提供支持;⑧編制在特枯年特殊枯水期的水資源應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)敏感性分析的結(jié)果，結(jié)合漢江中下游實(shí)際情況，可以得出各影響因素及其相應(yīng)對(duì)策，見表5。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的結(jié)果，在正常情況下，漢江中下游的水資源風(fēng)險(xiǎn)被評(píng)價(jià)為三級(jí)，可以通過采取措施降低其發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。其對(duì)策措施主要包括:①漢江中下游控制排污，減少漢江中下游發(fā)生“水華”等水質(zhì)事件的概率;②漢江中下游干流區(qū)供用水日常管理，規(guī)范用水，減少各方矛盾;③丹江口水庫(kù)調(diào)度和引江濟(jì)漢工程的管理，發(fā)揮這些工程的補(bǔ)償作用，從而降低漢江中下游發(fā)生缺水的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 影響因素及對(duì)策措施Table 5 Influencing factors and corresponding countermeasures

在特枯年份，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)被評(píng)為二級(jí)，其破壞性較大，但是發(fā)生的概率相對(duì)較小。針對(duì)這類事件，可以編制特殊枯水期應(yīng)急預(yù)案，通過應(yīng)急措施降低缺水事件的影響。應(yīng)急預(yù)案的對(duì)策措施除了在正常情況下的控制排污和加強(qiáng)調(diào)度管理等基礎(chǔ)上，還應(yīng)該包括臨時(shí)性的應(yīng)急響應(yīng)措施:①進(jìn)一步加強(qiáng)漢江中下游干流區(qū)用水管理，在枯水季節(jié)減少河道外用水量;②進(jìn)一步加強(qiáng)漢江中下游干流區(qū)內(nèi)部水利工程的管理和調(diào)度，增加本地工程的供水能力;③加強(qiáng)漢江上游用水管理和水利工程的管理，增加枯水季節(jié)丹江口水庫(kù)的入庫(kù)流量;④北方受水區(qū)加強(qiáng)用水管理，必要時(shí)減少調(diào)水量，從而增加丹江口水庫(kù)的下泄流量;⑤制定丹江口水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案和漢江流域水資源應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。根據(jù)上述各項(xiàng)措施的影響大小和難易程度，在編制應(yīng)急預(yù)案時(shí)分級(jí)響應(yīng)提出相應(yīng)的響應(yīng)措施。

5 結(jié)語

對(duì)于跨流域調(diào)水水源影響區(qū)，除了需水量和當(dāng)?shù)毓┧こ痰目晒┧窟@2個(gè)不確定性因素外，還增加了外調(diào)水量和水源蓄水工程運(yùn)行調(diào)度等影響因素。由于多了外調(diào)水量這樣一個(gè)重要的不確定性因素，跨流域調(diào)水水源影響區(qū)發(fā)生缺水的風(fēng)險(xiǎn)將可能增大，缺水程度加深。本文對(duì)漢江中下游干流區(qū)水資源系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，計(jì)算了不同條件下的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo);以風(fēng)險(xiǎn)度和易損性的不同等級(jí)組合建立風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)漢江中下游供水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí);根據(jù)不同時(shí)段的分級(jí)結(jié)果，結(jié)合敏感性分析結(jié)果針對(duì)各影響因素采取相應(yīng)的對(duì)策措施，特別是在枯水年份編制水資源應(yīng)急預(yù)案，可以降低跨流域調(diào)水對(duì)水源影響區(qū)供水風(fēng)險(xiǎn)的影響，減少缺水損失。

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