王 剛，潘 濤，齊 珺，宋新山，金 鑫，翁白莎

（1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京100037；2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海201620；3.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院天津300072；4.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003；5.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

不同水源供水與水庫運(yùn)行方案下水利工程群應(yīng)對(duì)干旱能力評(píng)價(jià)研究
——以漳衛(wèi)河流域?yàn)槔?

王 剛1，2，潘 濤1，3，齊 珺1，宋新山2，金 鑫4，翁白莎5

（1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京100037；2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海201620；3.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院天津300072；4.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003；5.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

綜合考慮不同水庫汛限水位和多種供水水源方案設(shè)置5種情景方案，通過長系列優(yōu)化調(diào)算分析不同方案下漳衛(wèi)河流域的缺水狀況，并基于干旱應(yīng)對(duì)能力水平指數(shù)（HEGdca）評(píng)價(jià)不同方案下流域水利工程群整體應(yīng)對(duì)不同程度干旱事件的能力。結(jié)果表明：抬高汛限水位會(huì)降低流域整體應(yīng)對(duì)干旱能力，大量超采地下水和南水北調(diào)中線調(diào)水方案均能顯著提高流域干旱應(yīng)對(duì)水平，但從改善流域生態(tài)環(huán)境的角度，外流域調(diào)水是解決流域干旱缺水問題的必然選擇。對(duì)漳衛(wèi)河流域而言，從干旱應(yīng)對(duì)的角度，水庫宜采用固定汛限水位的運(yùn)行方式。充分利用外調(diào)水源并適當(dāng)超采部分地下水，是未來一定的發(fā)展階段內(nèi)比較符合漳衛(wèi)河流域?qū)嶋H情況的水資源利用方式。

水利工程群；干旱；應(yīng)對(duì)能力；汛限水位；供水水源；多方案比選；漳衛(wèi)河流域

水利工程可以對(duì)水資源進(jìn)行時(shí)間尺度和空間尺度上的再分配，降低復(fù)雜氣候水文條件下來水的不確定性，為不同用水戶提供相對(duì)穩(wěn)定的供水水源，是應(yīng)對(duì)區(qū)域干旱和規(guī)避旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵途徑之一［1-3］。在干旱易發(fā)地區(qū)布置水利工程顯然是應(yīng)對(duì)干旱的前提，而工程整體效率與效益的發(fā)揮除了與工程合理布局有聯(lián)系之外，還與工程的運(yùn)行管理水平密切相關(guān)［4-5］。蓄水工程，尤其是大型骨干工程，具有顯著的調(diào)節(jié)性能，可改善天然來水過程與用水過程在時(shí)間上的不匹配性，保障干旱缺水時(shí)段的用水需求。一般而言，提高水庫汛限水位，可減少汛前棄水量，在一定程度上能增加水庫的供水效益［6-7］。但現(xiàn)實(shí)中單一水源供水的情況較少，多由蓄、引、提、調(diào)等水利工程組成的復(fù)雜供水系統(tǒng)供水。從流域水資源系統(tǒng)整體的角度，調(diào)整水庫汛限水位對(duì)于水利工程群整體供水效益有何影響，這方面的文獻(xiàn)報(bào)道還比較少。

漳衛(wèi)河流域位于海河流域南部，是我國傳統(tǒng)的干旱缺水地區(qū)，也是南水北調(diào)中線工程的受水區(qū)之一。中線工程已于2014年12月份正式通水，流域外調(diào)水是否會(huì)顯著改變本地區(qū)的水資源開發(fā)利用的格局，對(duì)于提高本地區(qū)干旱應(yīng)對(duì)能力的效果如何等，也是當(dāng)前工程人員和決策者所關(guān)心的問題。本研究以漳衛(wèi)河流域?yàn)檠芯堪袇^(qū)，考慮流域內(nèi)大型水庫汛限水位調(diào)整及調(diào)水前后水利工程條件的變化，設(shè)置5種水庫運(yùn)行和水源供水的情景方案；從干旱期水資源供需平衡出發(fā)，以干旱應(yīng)對(duì)能力水平指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估了不同方案下流域年均缺水狀況及應(yīng)對(duì)不同程度干旱事件的能力，為流域水利工程運(yùn)行管理和干旱應(yīng)對(duì)提供決策支撐。

1 研究區(qū)概況

漳衛(wèi)河流域?qū)儆谀线\(yùn)河水系，地理坐標(biāo)為112.44°～115.34°E，35.01°～37.62°N，流域面積為3.53×104km2。流域內(nèi)現(xiàn)有關(guān)河、后灣、漳澤、岳城、盤石頭、小南海等6座大型水庫，總庫容27.13×108m3，占多年平均地表水資源量的86.4%。目前，山西省規(guī)劃在漳河上游修建下交漳和吳家莊水庫，但頗具爭議。引、提水工程共計(jì)3 723處，總設(shè)計(jì)供水能力38.81×108m3。另外流域內(nèi)有兩處流域外（黃河）調(diào)水工程，受水區(qū)為焦作和新鄉(xiāng)兩地，現(xiàn)狀供水能力為6.33×108m3［8］。同時(shí)，漳衛(wèi)河流域也是南水北調(diào)中線工程的受益區(qū)，按照近期97.1×108m3的調(diào)水規(guī)模，流域內(nèi)的焦作、新鄉(xiāng)、安陽、鶴壁、邯鄲等地區(qū)總計(jì)可獲得8.04×108m3的水量分配指標(biāo)［9］。目前漳衛(wèi)河流域地下水超采比較嚴(yán)重，地下水整體開發(fā)利用率達(dá)到175%。

為方便構(gòu)建模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)算，需要?jiǎng)澐至饔蛴?jì)算單元。以漳衛(wèi)河流域的水系分布為基礎(chǔ)，結(jié)合流域內(nèi)行政單元的劃分，以流域水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市為基本計(jì)算單元，將整個(gè)流域劃分為漳衛(wèi)河山區(qū)晉中、山區(qū)長治、平原安陽等13個(gè)計(jì)算單元。圖1為概化后的漳衛(wèi)河流域水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1 漳衛(wèi)河流域水資源系統(tǒng)概化

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 干旱應(yīng)對(duì)能力水平指數(shù)

水利工程群應(yīng)對(duì)干旱的本質(zhì)是干旱期水利工程提供的水量能夠滿足用戶多大程度的用水需求［3］。文獻(xiàn)［3］中將水利工程群應(yīng)對(duì)干旱能力水平指數(shù)定義為：一定水平年，一定干旱頻率下，干旱期水利工程的可供水量與需水量的比值。其表達(dá)式為：

式中：HEGdca（t，p）為水利工程群（Hydrological Engineering Group，HEG）在水平年t、干旱頻率p下的應(yīng)對(duì)干旱能力（drought coping ability，dca）；WSd（t，p）為水平年t、干旱頻率p下，干旱期間水利工程群調(diào)節(jié)下的供水能力；WRd為水平年t、干旱頻率p下，干旱期間保證正常的生產(chǎn)、生活所需水量，包括生產(chǎn)、生活和生態(tài)三部分的水量。水平年t主要反映不同水平年水利工程體系的數(shù)量、規(guī)模及布局情況的差異；干旱頻率p則反映不同的干旱程度。

2.2 干旱時(shí)段及供需水量

根據(jù)干旱應(yīng)對(duì)能力水平指數(shù)的定義，關(guān)鍵是要確定干旱期以及計(jì)算干旱期的需水量和可供水量。在文獻(xiàn)［3］中，以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI為診斷指標(biāo)識(shí)別流域干旱過程，并結(jié)合游程理論劃分干旱期，進(jìn)而采用Copula函數(shù)構(gòu)造干旱歷時(shí)與干旱強(qiáng)度的聯(lián)合分布，并推求干旱聯(lián)合分布的重現(xiàn)期；構(gòu)建了面向干旱的水資源優(yōu)化配置模型，采用長系列調(diào)算方法確定每個(gè)干旱期內(nèi)水利工程群的可供水量；對(duì)干旱期的需水量和需水過程的推求方法也有系統(tǒng)的論述。這些不是本文研究的重點(diǎn)，這里不贅述。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文確定干旱期所使用的降水資料及用于計(jì)算農(nóng)業(yè)需水所用的輻射、氣溫、水氣壓、風(fēng)速等氣象資料，均來自中國地面氣象資料日值數(shù)據(jù)集，可從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載。漳衛(wèi)河流域內(nèi)各計(jì)算單元的工業(yè)、生活、生態(tài)用水?dāng)?shù)據(jù)參考了山西、河南、河北三省的水利統(tǒng)計(jì)年鑒以及邯鄲、新鄉(xiāng)、安陽等相關(guān)地市的水資源公報(bào)。模型調(diào)算所使用的各個(gè)計(jì)算單元1956-2000年水資源量數(shù)據(jù)來源于全國第二次水資源綜合規(guī)劃成果。設(shè)置水庫運(yùn)行方案所用的水庫參數(shù)由漳河上游管理局提供，未來規(guī)劃水平年外調(diào)水量數(shù)據(jù)基于水利部長江水利委員會(huì)研究制定的《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃》成果［9］進(jìn)行估算。

3 結(jié)果與討論

3.1 方案設(shè)置

（1）現(xiàn)狀年、固定汛限水位方案

南水北調(diào)中線工程實(shí)施以前，在現(xiàn)狀水利工程條件下，水庫汛期運(yùn)行統(tǒng)一采用主汛期汛限水位運(yùn)行，作為基準(zhǔn)方案1。

（2）現(xiàn)狀年、汛限水位調(diào)整方案

在現(xiàn)狀水利工程條件下，水庫按照主汛期、后汛期和過渡期采用不同的汛限水位運(yùn)行，作為方案2。漳衛(wèi)河流域汛期為6-9月份，但具體到每座水庫，其汛期劃分又有所差別。由于本文水資源調(diào)配模型供需水計(jì)算的時(shí)間尺度是以月為單位，為簡便起見，特別規(guī)定主汛期為7月，后汛期為9月，6月和8月為過渡期，參照各水庫運(yùn)行參數(shù)，各分期流域主要大型水庫汛限水位調(diào)整方案見表1。

表1 大型水庫汛限水位調(diào)整方案

表2 近期調(diào)水方案下各評(píng)價(jià)單元增加的可供水量

（3）現(xiàn)狀年、地下水超采20%方案

在方案1的基礎(chǔ)上，將地下水開發(fā)利用限值由可開采量上調(diào)為超采20%，調(diào)整模型約束條件重新進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，作為方案3。

（4）近期中線調(diào)水方案

考慮南水北調(diào)中線工程實(shí)施以后流域內(nèi)增加的可供水量，同時(shí)根據(jù)人口、工業(yè)增長預(yù)測(cè)對(duì)規(guī)劃年生活、工業(yè)需水量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，作為方案4。漳衛(wèi)河流域可獲得約8.04×108m3的調(diào)水量，各工程受益區(qū)增加的可供水量如表2所示。根據(jù)外調(diào)水優(yōu)先供應(yīng)生活和工業(yè)、兼顧農(nóng)業(yè)用水的原則，在水資源調(diào)配模型中，先將外調(diào)水分配給工業(yè)和生活使用，如有剩余則放在水庫或引水節(jié)點(diǎn)，與本地水資源一起調(diào)配使用。

（5）近期中線調(diào)水、地下水超采10%方案

在方案4的基礎(chǔ)上，允許地下水最高可超采10%，作為方案5。

3.2 不同情景方案下的干旱應(yīng)該能力對(duì)比分析

3.2.1 不同水庫運(yùn)行方式下干旱應(yīng)對(duì)能力對(duì)比

通過對(duì)比前兩種情景方案下漳衛(wèi)河流域及各計(jì)算單元的缺水率和水利工程應(yīng)對(duì)干旱能力水平指數(shù)，即可得出不同水庫運(yùn)行方式對(duì)流域干旱應(yīng)對(duì)能力的影響。在現(xiàn)狀水利工程條件下采用固定汛限水位，經(jīng)模型長系列優(yōu)化調(diào)算，在統(tǒng)計(jì)時(shí)段1970-2000年內(nèi)，漳衛(wèi)河流域平均年缺水量為25 091萬m3，年均缺水率約為5.54%。而在現(xiàn)狀水利工程條件下采用調(diào)整汛限水位方案，模型調(diào)算結(jié)果表明，1970-2000年全流域平均年缺水量將達(dá)到40 490萬m3，年均缺水率為8.95%。方案2與基準(zhǔn)方案1對(duì)比，除了漳衛(wèi)河山區(qū)焦作、山區(qū)新鄉(xiāng)、平原新鄉(xiāng)3個(gè)評(píng)價(jià)單元的年均缺水量略有減少外，其他單元的年均缺水量均有不同程度增加，尤其是漳衛(wèi)河平原邯鄲、山區(qū)安陽、平原安陽3個(gè)下游用水單元的缺水量顯著增加（圖2）。同時(shí)，方案2下漳衛(wèi)河流域整體應(yīng)對(duì)10年一遇、10～20年一遇、20～30年一遇、30～50年一遇、80～100年一遇等不同重現(xiàn)期的干旱的水平指數(shù)分別由方案1下的0.984、0.971、0.966、0.939、0.840降低至0.967、0.944、0.921、0.910、0.815（圖3）。

圖2 不同水庫汛限水位方案下流域各計(jì)算單元年均缺水量對(duì)比

一般認(rèn)為，采用分期汛限水位，適當(dāng)提高過渡期和后汛期防洪限制水位，可增加水庫的蓄水量，增強(qiáng)水庫的供水效益，因此應(yīng)該對(duì)提高區(qū)域應(yīng)對(duì)干旱能力有利。但采用方案2得到的結(jié)果卻劣于方案1。以漳衛(wèi)河山區(qū)長治為例，該評(píng)價(jià)單元是漳澤、后灣、關(guān)河三庫供水直接受益區(qū)，調(diào)整汛限水位，減少汛期棄水量，理論上能增加水庫的供水效益。但實(shí)際情況是：固定汛限水位下，水庫年均供水量12 204萬m3，引提水工程年均供水量14 517萬m3；而調(diào)整汛限水位后，水庫年均供水量10 853萬m3，引提水工程年均供水量13 194萬m3。年均缺水量由6 312萬m3增加至8 885萬m3。就提高水庫汛限水位，流域多數(shù)用水單元缺水量增加的原因可從以下兩個(gè)方面解釋。一是漳衛(wèi)河流域引、提水工程的供水能力很強(qiáng)，上游水庫汛期降低水位產(chǎn)生的棄水會(huì)被下游的引提水工程再利用，所以水利工程群總的供水效益不會(huì)因?yàn)樗畮鞐壦档?。相反，抬高汛限水位不僅會(huì)降低本單元的引、提水工程供水量，還對(duì)下游其它用水單元尤其是沒有蓄水工程調(diào)節(jié)的用水單元供水影響較大。二是汛期雨量一般較為充沛，也是作物需水旺盛期。但在氣候變化背景下，流域夏旱時(shí)有發(fā)生，根據(jù)1956-2013年的統(tǒng)計(jì)資料，漳衛(wèi)河流域夏旱發(fā)生概率約為30.9%［10］。當(dāng)夏旱發(fā)生時(shí)，水庫提高汛限水位減少供水量，而水庫下泄水量減少又對(duì)下游引提水工程供水量有較大影響，所以夏旱發(fā)生年份缺水量勢(shì)必會(huì)增加。

圖3 5種情景方案下流域各計(jì)算單元干旱應(yīng)對(duì)能力對(duì)比

3.2.2 不同水源供水方案對(duì)干旱應(yīng)對(duì)能力的影響

通過對(duì)比方案3、4、5三種情景，可以得出相同水庫運(yùn)行方式下（固定汛限水位）采用不同水源供水方案對(duì)漳衛(wèi)河流域干旱應(yīng)對(duì)能力的影響（圖4）。方案3為現(xiàn)狀水利工程條件下地下水允許超采20%。與基準(zhǔn)方案1相比，該方案下流域各評(píng)價(jià)單元1970-2000年平均缺水量均有較明顯的減少，全流域年均缺水量減少至15 374萬m3，減幅達(dá)38.7%，流域年均缺水率為3.39%。干旱應(yīng)對(duì)能力水平指數(shù)也有一定的提高，尤其是應(yīng)對(duì)20～30年一遇、30～50年一遇和50～80年一遇等較嚴(yán)重的干旱事件，分別由0.966、0.939、0.840提高到0.989、0.972、0.869。方案4是規(guī)劃水平年南水北調(diào)中線調(diào)水方案。與方案1相比，中線調(diào)水實(shí)施以后，各工程受益區(qū)用水單元中除了漳衛(wèi)河山區(qū)安陽、平原鶴壁、平原安陽因需水量同步增長，而導(dǎo)致缺水量有所增加以外，其他評(píng)價(jià)單元年均缺水量均有不同程度的減少，而流域上游非調(diào)水受水區(qū)的用水單元（漳衛(wèi)河山區(qū)長治、山區(qū)晉中和山區(qū)晉城）的缺水量則有一定程度的增加，流域總年均缺水量減少為23 647萬m3，比基準(zhǔn)方案下年均缺水量減少1 444萬。方案5是規(guī)劃水平年在中線調(diào)水方案的基礎(chǔ)上再允許地下水超采10%。與基準(zhǔn)方案相比，該方案下各計(jì)算單元多年平均缺水量顯著減少，流域年均總?cè)彼繛?5 668萬m3，與方案3超采地下水20%方案下的缺水狀況相當(dāng)，漳衛(wèi)河流域整體應(yīng)對(duì)不同重現(xiàn)期的干旱事件的能力水平指數(shù)也基本與方案3的一致（見圖3）。

圖4 不同水源供水方案下流域各計(jì)算單元年均缺水量對(duì)比

在上述三種水源供水方案中，方案3大量超采地下水是目前漳衛(wèi)河流域水資源開發(fā)利用的常態(tài)，相對(duì)基準(zhǔn)方案1，地下水供水量由170 193萬m3增加到190 743萬m3，雖然在一定程度上緩解了流域的干旱缺水狀況，但是已經(jīng)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題［11-12］，是不可持續(xù)的。方案4中線調(diào)水方案對(duì)于解決流域的干旱缺水問題效果顯著，同時(shí)也能通過外調(diào)水置換出一部分地下水供水量，但考慮到未來一定階段內(nèi)用水需求的剛性增長，仍需超采部分地下水量彌補(bǔ)用水缺口。因此，方案5是比較貼合規(guī)劃水平年用水實(shí)際的供水方案。

4 結(jié)論

本文綜合考慮水庫汛期不同運(yùn)行方式和可能的供水水源方案設(shè)置5種情景方案，并評(píng)價(jià)了不同方案下漳衛(wèi)河流域年均缺水狀況及應(yīng)對(duì)不同程度干旱事件的能力，可以得出以下結(jié)論。

（1）汛限水位調(diào)整或許能提高單個(gè)水利工程的供水效益，但對(duì)于整個(gè)區(qū)域水利工程群應(yīng)對(duì)干旱的能力未必都是有利的。對(duì)于漳衛(wèi)河流域而言，從干旱應(yīng)對(duì)的角度，宜采用固定汛限水位。

（2）地下水作為一種相對(duì)穩(wěn)定的供水水源，對(duì)于緩解區(qū)域干旱缺水狀況的作用是顯著的，但超采地下水已經(jīng)產(chǎn)生了較明顯的生態(tài)環(huán)境問題，是不可持續(xù)的。南水北調(diào)中線工程是解決流域水資源緊缺問題的必然選擇，地下水適宜作為應(yīng)急水源使用。

（3）中線調(diào)水對(duì)提高區(qū)域干旱應(yīng)對(duì)能力、降低區(qū)域干旱風(fēng)險(xiǎn)的效果也是顯著的，但在未來一定發(fā)展階段，水資源需求的剛性增長是客觀存在的。為應(yīng)對(duì)未來調(diào)水實(shí)施以后個(gè)別用水單元仍然可能存在的用水缺口，在較嚴(yán)重的干旱情景下超采部分地下水也是合理的。

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［12］石建省，王昭，張兆吉，等.華北平原深層地下水超采程度計(jì)算與分析［J］.地學(xué)前緣，2010，17（6）：215-220.

Drought Coping Ability Assessment of Hydraulic Engineering Projects under Different W ater Supp ly and Reservoir Operation Program s：A Case Study in Zhangwei River Basin

Wang Gang1，2，Pan Tao1，3，Qi Jun1，Song Xinshan2，Jin Xin4and Weng Baisha5
（1．Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Chinese National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control，Beijing 100037，China；2．College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai201620，China；3．School of Environmental Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；4．Hydrological Bureau of Liaoning Province，Shenyang 110003，China；5．China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Considering both adjustment of reservoir limited water level and differentwater supply sources，five combined scenarios have been set.Thewater shortage situation of the ZhangweiRiver basin under different scenarioswere analyzed according to the simulation results of water resources optimal allocation model，and based on the drought coping ability index of hydraulic engineering group（HEGdca），the overall drought coping ability of the basin for different scenarioswas also assessed.The results show that raising the reservoir limited water level could reduce the drought coping ability of the whole basin.Both the programs of over-exploitation of groundwater and the South-to-North Water Diversion project can significantly reduce the drought risk.However，from the respective of ecological improvement and environmental protection，inter-basin water transfer is an inevitable choice to solve the problem of drought and water shortage in the study basin.For the Zhangwei River basin，fixed reservoir limited water level should be adopted to cope with droughts.It is a reasonable pattern of water resources utilization in line with the local conditions thatmaking full use of transferring water as well as part over-exploited groundwater for a certain development stage.

hydraulic engineering projects；drought；coping ability；flood control level；water supply source；multi-program comparison；Zhangwei River basin

X43

A

1000-811X（2015）04-0121-05

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.023

王剛，潘濤，齊珺，等.不同水源供水與水庫運(yùn)行方案下水利工程群應(yīng)對(duì)干旱能力評(píng)價(jià)研究——以漳衛(wèi)河流域?yàn)槔跩］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（4）：121-125.［Wang Gang，Pan Tao，Qi Jun，etal.Study on Drought Coping Ability Assessment of Hydraulic Engineering Projects under Different Water Supply and Reservoir Operation Programs：A Case Study in Zhangwei River Basin［J］. Journal of Catastrophology，2015，30（4）：121-125.］

2015-04-29

2015-06-07

國家自然科學(xué)基金青年基金（51409266）；北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)院基金（2012-B-08）

王剛（1985-），男，河南平頂山人，博士，主要從事變化環(huán)境下水資源綜合應(yīng)對(duì)、水資源與水環(huán)境管理相關(guān)研究.

E-mail：Gangwnan＠163.com