方國華，趙文萃，李 鑫，陸軼群

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210009)

我國是一個水資源短缺的國家，且具有水資源時空分布不均、水環(huán)境不斷惡化等特點。南水北調(diào)東線工程江蘇段是我國跨流域調(diào)水的重大工程之一[1]，是有效緩解京津冀地區(qū)和山東半島水資源供需不平衡問題的基礎建設工程。習近平總書記強調(diào)，為確保南水北調(diào)后續(xù)工程的高質(zhì)量發(fā)展，要堅持和落實節(jié)水優(yōu)先方針，長期深入做好節(jié)水工作[2]。南水北調(diào)東線工程江蘇段作為調(diào)水工程的起始段，其水資源現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢對于能否保證持續(xù)調(diào)水十分關鍵。目前，南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)本地水資源量不足，保障受水區(qū)水資源供給主要依賴工程調(diào)用過境水。國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展需要更高的水資源保障能力，水資源不足仍然是制約江蘇省持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸[3]，而節(jié)水是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置與可持續(xù)利用的前提和關鍵[4]。因此，研究南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)的節(jié)水潛力，對于提高區(qū)域水資源優(yōu)化配置能力，加快推進受水區(qū)節(jié)水型社會建設和提高用水效率具有重要的參考價值和現(xiàn)實意義。

近年來，許多學者針對特定用水戶節(jié)水潛力以及區(qū)域整體節(jié)水潛力開展了相關研究。針對特定用水戶的節(jié)水潛力，Yue等[5]考慮地下水均衡，提出了基于優(yōu)化的多尺度農(nóng)業(yè)潛力計算方法，并以西北干旱區(qū)石羊河流域民勤縣為例進行了計算；唐曉靈等[6]提出了在灰色預測法基礎上結(jié)合定額比較法，應用網(wǎng)絡SBM-DEA模型計算出工業(yè)用水效率并估算關中城市未來工業(yè)節(jié)水潛力；吳迪等[7]結(jié)合多種節(jié)水方式下的再生水利用，建立SWAT模型分析相應灌溉節(jié)水潛力的變化規(guī)律。針對區(qū)域整體節(jié)水潛力，劉昌明等[8]考慮5種用水戶確定了城市節(jié)水潛力計算模型，對南水北調(diào)中線城市2030年節(jié)水潛力進行計算；向龍等[9]提出了“供需動態(tài)平衡”雙向水資源配置方法，計算了節(jié)水約束指標下的需水量和節(jié)水潛力，進行了基于節(jié)水優(yōu)先的玉環(huán)縣水資源配置；呂燦翔等[10]提出了在節(jié)水的基礎上進行需水預測，并對引江補漢工程范圍區(qū)域進行了節(jié)水潛力及需水計算，為確定工程規(guī)模提供科學依據(jù)。

由已有的相關研究可知，關于節(jié)水潛力的概念和節(jié)水潛力分析計算已取得了較好的進展，但還存在節(jié)水指標概念不夠明晰、節(jié)水潛力計算考慮不夠全面等問題。此外，對調(diào)水工程來說，受水區(qū)的節(jié)水潛力和節(jié)水的程度，直接影響調(diào)水工程的調(diào)水規(guī)模和調(diào)水量的大小。為此，本文結(jié)合南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)實際情況，從生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)3方面探討和改進節(jié)水潛力分析計算方法，分析計算節(jié)水潛力，根據(jù)“先節(jié)水后調(diào)水”的原則確定南水北調(diào)東線工程江蘇段調(diào)水量，并對節(jié)水經(jīng)濟效益和社會生態(tài)效益進行分析。

1 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)節(jié)水現(xiàn)狀

1.1 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)劃分

南水北調(diào)東線工程江蘇段地處長江與淮河的下游區(qū)域。南起長江下游揚州，北至南四湖下級湖，東瀕黃海，西連安徽。工程輸水干線長達404 km，將洪澤湖、駱馬湖與下級湖相串聯(lián)，并且與蘇北灌溉總渠、淮沭河等骨干河道相貫通。受水區(qū)包括揚州的高郵、江都與寶應縣，鹽城的阜寧縣以及淮安、宿遷、徐州、連云港的所有轄區(qū)。根據(jù)南水北調(diào)東線工程江蘇境內(nèi)沿線各部門用水戶位置，結(jié)合江蘇省江水北調(diào)系統(tǒng)供水范圍，將研究區(qū)域劃分為3個一級區(qū)間并細化為12個二級區(qū)間，見表1。

表1 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)分區(qū)

南水北調(diào)東線工程江蘇境內(nèi)受水區(qū)多年平均年降水量為914.6 mm，當?shù)氐乇硭Y源量為85.7億m3，且基本來源于大氣降水。受水區(qū)地表徑流深空間分布差異較大，趨勢為由南向北、西北方向減少。同時，在時間上徑流分配不均，年內(nèi)汛期(5—9月)徑流量大，約占全年的90%。

1.2 節(jié)水現(xiàn)狀分析

近年來，南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)積極推進節(jié)水型社會建設，采取了多種工程及非工程節(jié)水措施。實施水資源總量和強度雙控管理，積極落實《江蘇省節(jié)約用水條例》，開展節(jié)水型工業(yè)園區(qū)建設；科學制定區(qū)域年度用水計劃，對重點領域、行業(yè)、產(chǎn)品等用水節(jié)水工作進行全過程監(jiān)管；全面落實國家節(jié)水行動，在最嚴格水資源監(jiān)管體制中增加對節(jié)水建設目標的考察，將萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量列為高質(zhì)量發(fā)展的考察標準。

根據(jù)中國水資源公報、南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)各市級水資源公報以及淮河流域水資源公報，選取8個具有代表性且數(shù)據(jù)易于獲取的用水指標，進行研究區(qū)域節(jié)水現(xiàn)狀分析，并將受水區(qū)用水指標與江蘇省和全國用水指標進行對比(表2)。

由表2可見，與江蘇省、全國現(xiàn)狀年用水指標相比，受水區(qū)范圍內(nèi)人均用水量略高于江蘇省人均用水水平，且超過全國人均用水量的34.5%，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量高于江蘇省、全國水平的22.3%、19.1%。在生活用水方面，城鎮(zhèn)生活人均用水量略高于江蘇省且高于全國水平的19.32%。受水區(qū)用水存在城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損高、居民對節(jié)約用水的認識不深刻[11]等問題。持續(xù)發(fā)展的國民經(jīng)濟水平和不斷提高的人民生活水平需要更高的水資源保障能力，仍需進一步挖掘南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)節(jié)水潛力。

2 節(jié)水潛力分析計算方法

本文研究的受水區(qū)節(jié)水潛力是指通過采取各種工程以及非工程的節(jié)水措施，預測未來節(jié)水技術發(fā)展情況，在預期可達到的節(jié)水目標下，根據(jù)現(xiàn)狀發(fā)展水平下的用水情況可挖掘的研究區(qū)域未來可能節(jié)約的最大水量[12-13]，包括城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)3類用水戶，不包括新增用水戶。

節(jié)水潛力計算最為廣泛認可和使用的是水利部提出的節(jié)水潛力計算公式[14]，該公式針對城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)節(jié)水潛力分別提出計算公式，具有適用范圍廣、數(shù)據(jù)易于獲取等優(yōu)點。但水利部計算公式中未考慮節(jié)水管理水平提高、水循環(huán)系統(tǒng)改造等方面的節(jié)水潛力，故本文引入城鎮(zhèn)生活用水定額、工業(yè)用水重復利用率對水利部節(jié)水潛力計算公式進行改進。

2.1 城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力分析

表2 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)現(xiàn)狀年主要用水指標及對比

城鎮(zhèn)生活用水包括城鎮(zhèn)家庭生活用水和公共用水，受到人民生活水平進步以及城鎮(zhèn)化進程加快的影響[15]。本文提出在考慮推廣節(jié)水型器具、推進供水管網(wǎng)改造等工程節(jié)水設施建設的基礎上，引入城鎮(zhèn)生活用水定額變量Q，用來反映用水計量加強、開展節(jié)約用水宣傳等非工程節(jié)水措施對節(jié)水潛力的影響。城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力的計算公式為

(1)

式中：Ws,q為研究區(qū)域年城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力，萬m3；Ws0為現(xiàn)狀年城鎮(zhèn)生活用水量(包括第三產(chǎn)業(yè)用水量及建筑業(yè)用水量)，萬m3；L0、L1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年預期可達到的管網(wǎng)漏損率，%；R0為研究區(qū)域現(xiàn)狀年城鎮(zhèn)人口數(shù)量，萬人；J為節(jié)水器具可節(jié)約水量，取30L/(人·d)；P0、P1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年預期可達到的節(jié)水器具普及率，%；Qc0、Qc1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年預期可達到的城鎮(zhèn)生活用水定額(不重復考慮推廣節(jié)水型器具、推進供水管網(wǎng)改造等工程節(jié)水設施建設的節(jié)水量)，L/(人·d)。

2.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析

農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在農(nóng)田灌溉用水節(jié)水潛力，一方面可通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、加強農(nóng)業(yè)用水管理等降低灌溉定額，另一方面可通過推廣高效節(jié)水灌溉技術、培育農(nóng)業(yè)節(jié)水品種等技術措施以及改造渠道防滲等工程措施使灌溉水利用系數(shù)提高[16]。

這塊寶石花手表，水老師戴過多年，又從手上摘下，親自給蔣海峰戴上。蔣海峰揚起手腕，想喚起沉睡的記憶：“這是伯父當年送給我的，我一直戴在手上。唉，我辜負了他的期望！”

考慮到南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)地處溫帶氣候與亞熱帶氣候的過渡區(qū)，受水區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)作物的灌溉定額差異較大，本文提出將農(nóng)作物分為以水稻為主的水田農(nóng)作物和小麥、玉米、棉花等旱田農(nóng)作物分別考慮其灌溉定額。農(nóng)業(yè)用水節(jié)水潛力采用以下公式計算：

(2)

式中：Wn,q為農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，萬m3；As0、Ah0分別為現(xiàn)狀年水田和旱地的灌溉面積，萬hm2；Qs0、Qh0分別為現(xiàn)狀年水田和旱地灌溉定額，m3/hm2；Qs1、Qh1分別為規(guī)劃年預期可達到的水田和旱地灌溉定額，m3/hm2；μ0、μ1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年預期可達到的農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)。

2.3 工業(yè)節(jié)水潛力分析

在保障工業(yè)正常發(fā)展的前提條件下，本文在考慮推廣節(jié)水技術、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、改造高耗水工業(yè)等降低萬元工業(yè)增加值取水量[17]的基礎上，引入工業(yè)用水重復利用率η，反映水循環(huán)系統(tǒng)改造、加強工業(yè)再生水利用等節(jié)水措施對工業(yè)節(jié)水潛力的影響，計算公式如下：

(3)

式中：Wg,q為工業(yè)節(jié)水潛力，萬m3；Zg為現(xiàn)狀年年工業(yè)增加值，億元；Qg0、Qg1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年萬元工業(yè)增加值用水量，m3；Wg0為現(xiàn)狀年工業(yè)用水量，萬m3；η0、η1分別為現(xiàn)狀年、規(guī)劃年預期可達到的工業(yè)用水重復利用率，%。

3 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)節(jié)水潛力計算

3.1 預期可達節(jié)水目標

本文基于南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)2020年實際用水水平及節(jié)水現(xiàn)狀，結(jié)合南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展情況，參照江蘇省水利發(fā)展規(guī)劃、建設節(jié)約用水型社會的目標體系以及國內(nèi)國際先進地區(qū)節(jié)水水平，提出規(guī)劃年2030年南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)預期可達的節(jié)水目標。到2030年，南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量預計為11.5 m3，農(nóng)業(yè)灌溉水利用率達0.634，城市公共供水管網(wǎng)漏損率9%，城鎮(zhèn)節(jié)水器普及率100%。節(jié)水目標與《江蘇省國家節(jié)水行動實施方案》《江蘇省“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》等互相印證，與南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)實際相符合。南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)現(xiàn)狀年用水指標與規(guī)劃年節(jié)水目標，見表3。

3.2 節(jié)水潛力計算及結(jié)果分析

基于規(guī)劃年節(jié)水目標，計算得到南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)2030年節(jié)水潛力為15.91億m3，節(jié)水潛力較大，可達現(xiàn)狀年南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)用水總量的9.58%。其中，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力分別為11.05億m3、3.44億m3和1.41億m3。各二級受水區(qū)中，連云港受水區(qū)節(jié)水潛力最大，達2.59億m3，洪澤湖周邊、三河、中運河、徐洪河受水區(qū)節(jié)水潛力較小，均不足1.0億m3。受水區(qū)各二級區(qū)間各行業(yè)節(jié)水潛力計算結(jié)果見表4。

表3 南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)現(xiàn)狀年用水指標與規(guī)劃年節(jié)水目標

表4 各二級區(qū)間各行業(yè)節(jié)水潛力計算結(jié)果 單位：萬m3

受水區(qū)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力占比分別為69.48%、21.63%和8.89%，受水區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力最大，工業(yè)節(jié)水潛力占比次之，生活節(jié)水潛力占比最少。未來受水區(qū)節(jié)水工作仍以農(nóng)業(yè)節(jié)水為主要任務，優(yōu)化農(nóng)田灌溉模式，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水工藝發(fā)展，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增效。

圖1 各一級區(qū)間用水戶節(jié)水潛力對比(單位：億m3)

4 節(jié)水效益分析

南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)通過采取優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高灌溉水利用系數(shù)等節(jié)水措施可達到的預期節(jié)水潛力為15.91億m3，可帶來跨流域工程調(diào)水量降低、受水區(qū)用水保證率增加和水環(huán)境改善等[18]一系列節(jié)水效益，現(xiàn)對節(jié)水帶來的經(jīng)濟效益和社會生態(tài)效益進行分析。

4.1 經(jīng)濟效益

4.1.1工程經(jīng)濟效益

傳統(tǒng)節(jié)水潛力的分析限于現(xiàn)狀發(fā)展實物量指標下的分析預測，本文根據(jù)“先節(jié)水后調(diào)水”的原則，通過分析未來節(jié)水措施挖掘預期可達的節(jié)水目標，確定南水北調(diào)東線工程江蘇段調(diào)水量，分析節(jié)水潛力帶來的工程經(jīng)濟效益。

采用指數(shù)法和灰色系統(tǒng)法預測規(guī)劃年的人口、工業(yè)生產(chǎn)總值等社會發(fā)展實物量指標，2030年受水區(qū)總?cè)丝? 085.93萬人，工業(yè)增加值9 473.26億元，農(nóng)業(yè)有效灌溉面積2 824.16萬hm2?；?030年預期可達的節(jié)水目標，預測多年平均來水下受水區(qū)總需水量，扣除當?shù)乜衫盟?，作為南水北調(diào)工程江蘇段供水任務。

梳理南水北調(diào)東線工程江蘇段主要泵站、湖泊以及骨干河渠間的連接關系，在考慮湖泊調(diào)蓄能力約束、泵站工作能力約束、北調(diào)控制水位約束等約束條件的基礎上，以受水區(qū)總?cè)彼孔钚『捅谜究偰芎淖钚槟繕耍⒛纤闭{(diào)東線江蘇段調(diào)度模型并求解，得到基于節(jié)水潛力挖掘的優(yōu)化調(diào)度方案(以下簡稱節(jié)水方案)。

將節(jié)水方案調(diào)度結(jié)果與現(xiàn)狀水資源利用水平下常規(guī)調(diào)度結(jié)果對比，見表5。與常規(guī)方案相比，節(jié)水方案泵站總抽水量減少28.31億m3，可降低泵站能耗5 427.74萬kW·h，根據(jù)南水北調(diào)東線一期可研報告[20]，電價采用0.5元/kW·h計算，可減少電費2 713.87萬元。

表5 節(jié)水方案和基本方案調(diào)度結(jié)果對比

4.1.2供水經(jīng)濟效益

將節(jié)水總量近似按受水區(qū)用水比例分配，分別計算生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)相應的節(jié)水經(jīng)濟效益。參考江蘇省和淮河流域水資源公報，受水區(qū)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水占比分別為11%、17%和72%，相應節(jié)約水量為1.75億m3、2.70億m3和11.46億m3。其中，生活節(jié)水效益采用水價法計算[21]，工業(yè)節(jié)水效益按分攤系數(shù)法計算[22]，農(nóng)業(yè)節(jié)水效益按單方水效益計算。計算得總節(jié)水經(jīng)濟效益可達27.59億元。具體分析如下：

a.城鎮(zhèn)生活用水節(jié)約水量1.75億m3，參考國家發(fā)改委2014年確定的南水北調(diào)水單方水水價，江蘇境內(nèi)受水區(qū)所屬的南四湖以南地區(qū)的供水價格為0.36元/m3，計算得到產(chǎn)生的生活節(jié)水效益為0.63億元。

b.工業(yè)用水節(jié)約水量2.70億m3，參考南水北調(diào)東線工程規(guī)劃以及相關研究成果[21]，受水區(qū)工業(yè)用水分攤系數(shù)取0.01，2030年受水區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量預估為11.5m3，計算得工業(yè)節(jié)水效益為23.52億元。

c.農(nóng)業(yè)用水節(jié)約水量11.46億m3，根據(jù)《江蘇省南水北調(diào)配套工程規(guī)劃報告》，江蘇省北調(diào)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉單方水效益綜合平均為0.3元，計算得出農(nóng)業(yè)節(jié)水效益為3.44億元。

4.2 社會效益

節(jié)水潛力的挖掘提高了受水區(qū)用水保障程度，改善水資源供需不平衡的狀況，各二級區(qū)間節(jié)水方案與常規(guī)方案供水量與需水滿足度對比見表6。節(jié)水方案下受水區(qū)缺水量減少，整體需水滿足度提升5%，且各區(qū)間缺水率更為均衡，滿足了“共擔缺水風險”的調(diào)度原則，提升沿線居民生活質(zhì)量，有利于縮小地區(qū)發(fā)展差距，促進受水區(qū)經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展。

表6 各二級區(qū)間節(jié)水方案與常規(guī)方案供水量與需水滿足度對比

4.3 生態(tài)效益

南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)污水來源主要為工業(yè)和生活污水，節(jié)水潛力的挖掘可減少受水區(qū)污水排放，降低化學需氧量(COD)對水體的污染。參考《污水綜合排放標準》《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》等規(guī)定，確定受水區(qū)生活、工業(yè)用水污水排放系數(shù)為0.80 和0.25，處理后COD質(zhì)量濃度分別為150 mg/L和120 mg/L，計算得到受水區(qū)可減少COD排放量3 702.5 t，提升受水區(qū)水環(huán)境承載能力，維護河流生態(tài)平衡。若將節(jié)約水量用于增加生態(tài)環(huán)境用水會帶來明顯的環(huán)境效益，有助于地表徑流和地下水的恢復，維持城市綠地，有效涵養(yǎng)水源，提高水資源承載能力，促進沿線城市走生態(tài)型、現(xiàn)代化、健康發(fā)展的道路。

5 結(jié) 論

a.結(jié)合南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)受水區(qū)社會經(jīng)濟情況、節(jié)水現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，綜合確定受水區(qū)2030年預期可達的節(jié)水目標。預計受水區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量降低為11.5 m3，農(nóng)業(yè)灌溉水利用率達0.634，城市公共供水管網(wǎng)漏損率9%，城鎮(zhèn)節(jié)水器普及率100%。

b.在考慮推廣節(jié)水型器具、推進供水管網(wǎng)改造等節(jié)水措施的基礎上，本文引入城鎮(zhèn)生活用水定額Q和工業(yè)用水重復利用率η對水利部節(jié)水潛力計算公式進行改進，計算得到受水區(qū)2030年節(jié)水潛力為15.91億m3，占現(xiàn)狀年用水總量的9.58%。其中，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力占節(jié)水潛力總量的69.48%，表明農(nóng)業(yè)節(jié)水仍是未來節(jié)水工作的重點。

c.對節(jié)水產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會生態(tài)效益進行分析。與常規(guī)方案相比，節(jié)水方案下工程總抽水量減少28.31億m3，可降低泵站能耗5 427.74萬kW·h，節(jié)水經(jīng)濟效益達27.59億元。節(jié)水潛力的挖掘使受水區(qū)需水滿足度提升5%，減少COD排放量3702.5t，提高受水區(qū)用水保障程度，改善水資源供需不平衡的狀況，提升水環(huán)境承載能力，促進受水區(qū)經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展。