基于區(qū)域水資源承載力的山西生態(tài)小水電建設

曹 麟，劉家宏，秦大庸 ，桑學鋒，王明娜，劉淼

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038;2.寧夏水電技師學院，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)濟社會發(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)濟建設的不斷發(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準[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]。施雅風等人[4]認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-社會雙重屬性。目前我國對區(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)與社會經(jīng)濟結構的適配關系上，而在當前三條紅線的約束下，以利用為主的水資源規(guī)劃現(xiàn)在更強調(diào)對水體的保護與修復，因此基于多目標優(yōu)化配置的水資源承載力模型研究和實例應用已成為當前研究的趨勢。

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用。該模型以中國水利水電科學研究院 “自然-人工二元系統(tǒng)”為基礎，試圖在可持續(xù)發(fā)展的理論指導下，立足于水資源對不同產(chǎn)業(yè)的支撐功能，以系統(tǒng)工程方法為依據(jù)，以多目標規(guī)劃為手段，對水資源承載能力進行綜合動態(tài)平衡研究，其基本架構如圖1所示[5]。模型的具體目標包括：①可供水總量最大化；②GDP總量最大化；③資金支持最大化；重點回答水資源支持條件下的區(qū)域經(jīng)濟合理發(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)用水比例等關鍵參數(shù)的閾值問題。

圖1 水資源承載能力模型架構

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 目標方程

目標方程1：可供水量方程

目標方程2：GDP總量方程

其中：Vij代表不同部門在不同時段創(chuàng)造的價值。

目標方程3：資金平衡方程

其中：Iij代表不同部門在不同時段獲得的資金支持

2.3 約束條件

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

其中：Wij代表不同行業(yè)在規(guī)劃年內(nèi)不同時段的用水量，具體計算時參照以下表達式：

式中： t代表時間，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給量，但19世紀80年代以來，山西已經(jīng)進入一個較長的枯水期，水資源量持續(xù)偏少。由于境內(nèi)河流全部外流，2009年山西水資源總量僅有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)域水資源承載力計算及結果

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

3.3 結果分析

（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，在無外調(diào)水狀態(tài)下的山西未來發(fā)展應以供定需，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行開源節(jié)流，有效降低產(chǎn)業(yè)耗水量，建議從長遠考慮，全面思考發(fā)展步伐和環(huán)境承載力的關系。

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)域建設的重點。

（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的推廣應用應成為山西未來水資源管理與保護中要重點考慮的內(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

4.1 山西生態(tài)小水電建設的現(xiàn)狀

小水電是國際公認的可再生綠色能源，生態(tài)小水電建設主要指小水電建設中的代燃料生態(tài)保護工程。在小水電資源豐富的地區(qū)，推廣實施生態(tài)小水電建設，對保護生態(tài)環(huán)境，減少二氧化碳的排放，鞏固退耕還林等生態(tài)建設成果，改善農(nóng)村能源結構，促進節(jié)能減排，提高山區(qū)農(nóng)民生活水平，幫助農(nóng)民增收和長遠致富，促進全面建設小康社會具有重要的作用[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，到2010年1月，已建成小水電站169處，裝機容量16.2萬kW，年均發(fā)電3億kWh。其中裝機500kW以上的小水電站有69處，裝機容量14.1萬kW，占全省小水電總裝機的86%，為山西省的經(jīng)濟建設發(fā)揮了重要作用。以2009年開始建設、2010年投入運行的晉西陵川縣秦家磨雙底生態(tài)水電站為例,該項目為引水式電站，設計引水流量0.95m3/s，裝機容量 3×500+1×250kW，多年平均發(fā)電量 357.5萬kWh，可使2400戶、9000余人用上清潔廉價的電力，實現(xiàn)代燃料，保護森林植被25.84萬畝，每年可減少砍伐林木2.7萬噸，有效保護當?shù)厣种脖唬纳骗h(huán)境，發(fā)揮良好的生態(tài)效益和社會效益。

盡管近年山西也開工建設了一些小水電，但由于境內(nèi)大部分的小水電工程主要建于20世紀80、90年代，經(jīng)過多年運行，年久失修，設備老化，普遍存在著機組效率差，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，已建水電工程遠不能充分發(fā)揮應有的效益。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行分析，假設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，分別對山西的汾河、沁河和桑干河進行方案比選，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)供水配置的結果表明：在本地來水為8.66億m3時，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)修復工程提供的5063萬m3調(diào)水，則恢復河道外濕地為初級水平時，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。從生態(tài)修復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)計算，此時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，均遠大于相應河段的生態(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，此配置方案的實施前提是汾河的生態(tài)修復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)小水電建設的保障程度與萬家寨調(diào)水息息相關，萬家寨調(diào)水保證程度高，則沁河向汾河補水量就小，可供生態(tài)小水電建設的水資源量就大。

結合如圖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，則有如下結論：

（1）就資源分布而言，山西的生態(tài)小水電建設主要以長治市和晉城市為重點，除此以外，運城、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)小水電建設重在多布點，而后者重點在大流量；

（3）長治市的生態(tài)小水電建設主要是針對海河流域的濁漳河水資源的調(diào)配展開，具體的落實縣市是平順縣；而晉城市的生態(tài)小水電建設，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)可用水量僅為水資源總量的2.81%，即僅有2.39億m3，因此生態(tài)小水電的建設必須考慮對區(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、左權也開展生態(tài)小水電建設的問題。

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)小水電的建設必須嚴格按照現(xiàn)有生態(tài)補水總量的要求，認真規(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過國際能源機制基金清潔能源CDM項目的資金管理經(jīng)驗以及拴驢泉水電站、東焦河水電站的安全建設與標準化管理經(jīng)驗。

4.3 促進山西生態(tài)小水電優(yōu)化發(fā)展中的對策

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進一步強化水務部門和小水電管理企業(yè)的行業(yè)對接。生態(tài)小水電建設事關農(nóng)村基礎設施建設完善，又涉及區(qū)域水體資源平衡，因此管理上應具有顯明的行業(yè)特性，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，制定出臺加強行業(yè)管理的意見，由省委創(chuàng)造條件，進一步明確水務部門和小水電管理企業(yè)的各自職能和上下關系，營造環(huán)境，使行業(yè)管理真正落到實處。

②進一步規(guī)范水電項目的審批程序。嚴把三條紅線關口，將涉及取用水的項目審批權逐級理順，對不符合規(guī)劃要求建設的水電項目一律不予審批或核準。對縣域內(nèi)違規(guī)自建的生態(tài)小水電項目要區(qū)別對待，在資源承載力總量控制條件下，壓大放小，分類處置，科學有序的建立生態(tài)小水電的開發(fā)建設程序。

③進一步完善現(xiàn)有小水電的續(xù)建配套與管理。建議制定適合本地實際的生態(tài)水電建設與管理的辦法， 從水資源費、財政補貼等多方面籌措生態(tài)小水電建設中的后續(xù)維護費用， 進一步強化管理， 完善機制， 延長小水電的使用壽命， 以管理促建設， 全面提升生態(tài)小水電的發(fā)展水平。

5 結論

生態(tài)小水電建設自2003年起就得到廣泛認可，作為水電建設中的亮點，它的建設對改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境、加快山區(qū)開發(fā)、促進地方經(jīng)濟發(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)域勢能條件展開，對滿足資源承載力要求的區(qū)域全面部署考慮卻較少。隨著我國最嚴格的水資源管理制度的進一步實施，建立 “一龍管水、合力治水”的管理體制，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)水資源，實現(xiàn)對水資源全方位、全領域、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的生態(tài)小水電建設，結合了地區(qū)的資源承載力，妥善規(guī)劃了小水電建設的規(guī)模與年限，必將為促進水資源緊缺狀態(tài)下的環(huán)境友好型區(qū)域建設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展及其理論探析[J].水科學進展，2002，13（1）:111-116.

[5]裴源生，趙勇，陸垂裕,等.經(jīng)濟生態(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)測中心站,2006.

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

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[10]山西省2009年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].http://database.ce.cn/district/tjgb/nf/2009/201003/15/t20100315_21120481.shtml.

[11]實施小水電代燃料生態(tài)保護工程的五個重要意義.[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項目總結報告[R].太原:山西省水利廳,2006.

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