徒駭河流域水資源供需預(yù)測與可持續(xù)利用對策

趙芬++徐立榮++李春暉++傅新

摘要：徒駭河位于山東省海河流域南部，為山東省北部的發(fā)展提供水資源。隨著社會的高速發(fā)展，徒駭河流域水資源供需矛盾日益突出。本文在不考慮南水北調(diào)東線調(diào)水情況下，以2010年為現(xiàn)狀年，2020年和2030年為預(yù)測年，根據(jù)徒駭河流域的典型特征和徒駭河流域各縣市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，對徒駭河流域供、需水量進(jìn)行預(yù)測，并分析水資源供需平衡狀況。結(jié)果表明：在現(xiàn)狀年2010年，徒駭河流域供水量與需水量基本維持平衡；2020年，徒駭河流域P=50%（平水年）、P=75%（枯水年）缺水量分別為894億m3、356億m3，缺水率分別為1946%、775%；2030年，徒駭河流域P=50%（平水年）、P=75%（枯水年）缺水量分別為1168億m3、652億 m3，缺水率分別為2524%、1409%。即徒駭河流域的水資源在未來10年至20年不能完全滿足生產(chǎn)、生活、生態(tài)的需水要求，需通過有效措施，使流域水資源得到可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：供需水量預(yù)測；生態(tài)需水量；水資源供需平衡；徒駭河流域

中圖分類號：P963文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2016）06003906

Forecast of water resources supplydemand and sustainable utilization countermeasures in the Tuhai River Basin

ZHAO Fen1，2，XU Lirong1，LI Chunhui2，F(xiàn)U Xin1

（1.School of Resources and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，China；2.Key Laboratory for Water and

Sediment Sciences of the Ministry of Education，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

Abstract：The Tuhai River is located in the south of the Haihe River Basin in Shandong Province and provides water resources for the development of the northern region of Shandong Province.The imbalance between supply and demand of water resources has become more prominent with the rapid development of the society.This paper selected 2010 as the status quo year，2020 and 2030 as the forecast years.The water supply and demand in the Tuhai River Basin was forecasted according to the typical characteristics and the social and economic development planning，regardless of the east route of southtonorth water diversion project，and then the balance between supply and demand of water resources was analyzed.The results showed that when P=50%（normal year），P=75% （low flow year），the water deficit of the Tuhai River Basin was respectively 11.2×108m3，5.86×108 m3，the water deficient ratio was 19.66%，11.31% in 2020.When P=50%（normal flow year），P=75% （low flow year），the water deficit of the Tuhai River Basin was respectively 13.98×108 m3，8.82×108 m3，the water deficient ratio was 3.20%，1601% in 2030.The water resources in the Tuhai River Basin would not fully meet the requirements of production，life，ecological system in next 10～20 years，and some effective measures are required to ensure the sustainable utilization

Key words：forecast of water supply and demand；the ecological water demand；water supply and demand balance；the Tuhai River Basin.

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口數(shù)量持續(xù)增加，水資源供需方面的研究越來越受到人們的重視[1]。1956年美國加利福尼亞州開始對水資源的利用、供給及預(yù)測進(jìn)行研究[2]，我國西北地區(qū)也開始了水資源供需平衡的研究[3]。水資源供需研究主要集中在供、需水預(yù)測新模型的應(yīng)用及優(yōu)化算法的求解上[47]，對地區(qū)的某種類型用水量的預(yù)測有少量的研究[810]，目前缺少對某地區(qū)全部用水量的預(yù)測和水資源的供需平衡分析。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取了徒駭河流域作為研究區(qū)，根據(jù)山東省海河局《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》對徒駭河流域供水量、需水量進(jìn)行預(yù)測，繼而對流域的水資源供需平衡進(jìn)行分析，對流域的水資源可持續(xù)開發(fā)利用以及水資源的合理配置具有重要意義。

1徒駭河流域概況

徒駭河位于山東省海河流域南部，于莘縣文明寨流入山東省，從上游到下游依次流經(jīng)山東省的聊城、德州、濟(jì)南、濱州四市，于濱州市沾化縣東風(fēng)港暴風(fēng)站入渤海灣，從西南到東北呈窄長狀。山東省境內(nèi)河道長406 km，流域面積13 296 km2。研究區(qū)范圍見圖1。

徒駭河流域降水、徑流以及輸沙量在時(shí)間分布上較集中，6月-9月的降雨量占全年的77%以上；6月-9月的徑流量占全年的83%以上；7月-8月輸沙量分別占全年輸沙量的88%，因此在計(jì)算徒駭河河道內(nèi)輸沙需水量時(shí)，主要計(jì)算汛期內(nèi)的輸沙需水量。徒駭河3月-9月份的蒸發(fā)量較大，占全年的7562%。4月、5月為春季，降水少、蒸發(fā)大、農(nóng)業(yè)灌溉需水量大，用水矛盾較突出。

2徒駭河流域供、需水量預(yù)測

本文以2010年為現(xiàn)狀水平年，2020年為近期規(guī)劃預(yù)測水平年，2030年為遠(yuǎn)期規(guī)劃預(yù)測水平年，根據(jù)山東省海河流域水利管理局《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》等資料，在不考慮南水北調(diào)東線工程調(diào)水的情況下，對徒駭河流域的供、需水量進(jìn)行預(yù)測。

2.1徒駭河流域供水量預(yù)測

2.1.1地表水

地表水供水量是在保證地表水源條件、地表水資源可利用量安全的前提下，通過合理科學(xué)的措施可供的水量。根據(jù)《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》，徒駭河流域現(xiàn)狀年地表水供水量為280億 m3，預(yù)計(jì)2020年為318億m3，2030年可達(dá)到319億m3。

2.1.2地下水

根據(jù)《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》，徒駭河流域現(xiàn)狀年地下水供水量為1068億m3，2020年、2030年徒駭河流域淺層地下水資源都能夠得到合理的開采利用，由于地下水保護(hù)政策，徒駭河流域地下水供水量呈下降趨勢，預(yù)計(jì)2020年地下水供水量為1109億m3，2030年為1059億m3。

2.1.3非常規(guī)水源

非常規(guī)水源包括：再生水、海水、雨水、微咸水、礦坑水等。

2.1.4客水

徒駭河流域客水主要是引黃，根據(jù)《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》，徒駭河現(xiàn)狀年、2020年、2030年的引黃水量分別為2812億m3、2759億m3、2720億m3。不同規(guī)劃水平年供水量預(yù)測結(jié)果見表1。

根據(jù)地表水、地下水、非常規(guī)水源和客水的供水量預(yù)測水平，預(yù)計(jì)2020年，徒駭河流域供水總量為4595億m3，2030年為4627億m3。2.2徒駭河流域需水量預(yù)測

2.2.1生活需水量

根據(jù)山東省海河流域水利管理局《山東省海河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》和徒駭河流域各市的城市發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)等資料，采用增長率法進(jìn)行流域人口數(shù)量預(yù)測，2010年徒駭河流域人口總數(shù)為1 021萬人，其中城鎮(zhèn)人口為240萬人，農(nóng)村人口為781萬人。預(yù)計(jì)到2020年，人口總數(shù)將達(dá)到1 051萬人，其中城鎮(zhèn)人口為582萬人，占總?cè)丝诘?536%，農(nóng)村人口為469萬人，占總?cè)丝诘?464%；2030年，人口總數(shù)將達(dá)到1 069萬人，其中城鎮(zhèn)人口為748萬人，占總?cè)丝诘?0%，農(nóng)村人口為321萬人，占總?cè)丝诘?0%。生活需水量預(yù)測采用人均日用水定額法，預(yù)計(jì)2020年、2030年城鎮(zhèn)人均用水定額分別為119 L/（人·d）、133 L/（人·d），2020年、2030年農(nóng)村人均用水定額分別為76 L/（人·d）、86 L/（人·d），那么2020年、2030年徒駭河流域居民生活需水量分別為383億m3、464億m3。

2.2.2工業(yè)需水量

據(jù)2010年的徒駭河流域各縣市的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)：工業(yè)實(shí)際年用水量為3029 4億m3，工業(yè)實(shí)際用水重復(fù)利用率為6653%。徒駭河市流域未來工業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，2010年-2020年工業(yè)增加值年增長率在925%左右，可達(dá)3 95047億元；2020年-2030年工業(yè)增加值年增長率為905%左右，可達(dá)9 39606億元。本文根據(jù)工業(yè)增加值和萬元工業(yè)增加值用水定額以及工業(yè)用水重復(fù)率預(yù)測工業(yè)需水量。預(yù)計(jì)到2020年，流域內(nèi)工業(yè)增加值需水量為2714億m3，工業(yè)需水量為574億m3；到2030年，流域內(nèi)工業(yè)增加值需水量為3771億m3，工業(yè)需水量為951億m3。

2.2.3農(nóng)業(yè)需水量

農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)田灌溉需水和林牧漁畜需水兩部分，其中農(nóng)田灌溉需水分為水田、水澆地、菜田需水；林牧漁畜需水包括林果地灌溉需水、畜牧用水、魚塘補(bǔ)水。

農(nóng)田灌溉需水量采用灌溉定額與灌溉水利用系數(shù)方法進(jìn)行預(yù)測[1112]，參照山東省農(nóng)業(yè)發(fā)展與土地利用指標(biāo)，海河流域水澆地、水田灌溉面積以及灌溉綜合凈定額基本維持現(xiàn)狀，灌溉水利用系數(shù)逐漸增大。由于徒駭河流域基本上屬于資源型缺水地區(qū)，農(nóng)田灌溉需水按基本滿足作物生長需求的非充分灌溉定額考慮。以聊城市東昌府區(qū)為例，2020年-2030年該區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額保持不變，P=50%平水年的水田、水澆地、菜田灌溉定額分別為3 570 m3/hm2、3 210 m3/hm2、3 075 m3/hm2；P=75%枯水年的水田、水澆地、菜田灌溉定額分別為2 745 m3/hm2、2 460 m3/hm2、2 370 m3/hm2。

林果地灌溉需水量預(yù)測采用灌溉定額預(yù)測方法；魚塘補(bǔ)水量采用畝均補(bǔ)水定額方法計(jì)算，畝均補(bǔ)水定額根據(jù)魚塘滲透量及水面蒸發(fā)量與降水量的差值加以確定[13]。2010年，流域林果地灌溉定額為3 450 m3/hm2、魚塘補(bǔ)水定額為10 425 m3/hm2；預(yù)計(jì)2020年流域林果地灌溉定額為3 315 m3/hm2、魚塘補(bǔ)水定額為10 005 m3/hm2；2030年流域林果地灌溉定額為3 180 m3/hm2、魚塘補(bǔ)水定額為9 585 m3/hm2；大牲畜日用水量為50 L/（頭·d），小牲畜日用水量為25 L/（頭·d）。

農(nóng)田灌溉需水量與林牧漁畜需水量之和即為農(nóng)業(yè)總需水量，預(yù)計(jì)2020年P(guān)=50%農(nóng)業(yè)需水量為3935億m3，P=75%農(nóng)業(yè)需水量為3397億m3；2030年P(guān)=50%農(nóng)業(yè)需水量為3753億m3，P=75%農(nóng)業(yè)需水量為3237億 m3。

2.2.4生態(tài)需水

徒駭河流域生態(tài)需水包括河道內(nèi)生態(tài)需水和河道外生態(tài)需水兩部分，河道內(nèi)生態(tài)需水量包括河流生態(tài)基流量、自凈需水量、輸沙需水量和水面蒸發(fā)需水量，河道外生態(tài)需水包括城鎮(zhèn)生態(tài)需水和農(nóng)村生態(tài)需水[14]。

（1）河道內(nèi)生態(tài)需水量。

本文選擇保證率法計(jì)算河流生態(tài)基流量。具體步驟如下[1516]：根據(jù)水文資料，對天然年徑流量按由小到大的順序進(jìn)行排列；分別取95%、75%、50%、25%的保證率，計(jì)算所對應(yīng)的天然徑流量；參考國際河流流量推薦值下限（天然徑流量的10%）和上限（天然徑流量的60%）以及河流生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，設(shè)定10%為河流最小生態(tài)需水量，30%為河流最適宜生態(tài)需水量，60%為河流最優(yōu)生態(tài)需水量[17]。

河流自凈需水量指河流稀釋、降解污染物所需的水量，一般采用近十年最小月平均流量，作為河流的自凈需水量[1819]。計(jì)算公式如式（1）：

Wd=min{Wij}（1）

式中：Wd為河流自凈水量（m3）；Wij為近十年最小月平均流量（m3）。

根據(jù)徒駭河流域年內(nèi)輸沙集中在汛期這一特點(diǎn)，計(jì)算徒駭河干流輸沙需水時(shí)，采用計(jì)算公式如下：

Ws=ηα-Ww（2）

Ww=W-S/γs（3）

式中：Ws為輸沙需水量（m3）；η為輸沙效率；α為指數(shù)（η<1時(shí)，α=1；η>1時(shí)，α=0）；Ww為凈水量（m3）；W為徑流量（m3）；S為輸沙量（億t），γs=265 t/m3。

當(dāng)河流水面的蒸發(fā)量大于降水量時(shí)，水面蒸發(fā)需水量大于0；當(dāng)河流水面蒸發(fā)量小于降雨量時(shí)，則認(rèn)為河流的蒸發(fā)需水量為0[20]。公式如下：

We=A（E-P）E>P

We=0E

式中：We為水面蒸發(fā)需水量（m3）；A為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體水面面積（m2）；E為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水面蒸發(fā)量（mm）；P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水面降水量（mm）。

河流生態(tài)基流量、河流自凈需水量和輸沙需水量三者中的最大值與水面蒸發(fā)需水量疊加即為河道內(nèi)生態(tài)需水量。公式如下：

W=max（Wr，Wd，Ws）+We（5）

計(jì)算得到多年平均條件下的年生態(tài)基流量為：聊城站037億m3、劉橋站03億m3、堡集閘092億m3；從上游到下游聊城站、劉橋站、堡集站3站的自凈需水量是逐漸增加的，自凈需水量最大為0085億m3；聊城和堡集閘的輸沙需水量分別為185億m3，614 億m3；徒駭河全年的蒸發(fā)量為044億m3；那么徒駭河河道內(nèi)生態(tài)需水量為54億 m3。

（2）河道外生態(tài)需水量。

河道外生態(tài)需水包括城鎮(zhèn)生態(tài)需水和農(nóng)村生態(tài)需水[14]，其中城鎮(zhèn)生態(tài)需水包含城鎮(zhèn)綠地建設(shè)需水、城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水以及城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生（掃灑）需水三個(gè)方面；農(nóng)村生態(tài)需水包含湖泊沼澤濕地生態(tài)需水、地下水回灌等。由于城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水需水量較小，故而本文忽略了此部分需水量。

根據(jù)《山東水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》以及山東省城市規(guī)劃等有關(guān)資料，綠地需水量以城鎮(zhèn)人均綠地占有量來預(yù)測，城鎮(zhèn)衛(wèi)生需水量以城鎮(zhèn)人均道路面積占有量來預(yù)測，徒駭河流域城鎮(zhèn)公園綠地用水定額為2 800 m3/hm2，城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生的用水定額為230 m3/hm2，2011年-2020年、2021年-2030年均增長率分別為14%和16%；農(nóng)村生態(tài)需水量用增長率的方法進(jìn)行預(yù)測，2011年-2020年農(nóng)村生態(tài)需水增長率35%，2021年-2030年增長率414%。預(yù)計(jì)2020年徒駭河河道外生態(tài)需水量為057億m3，2030年徒駭河河道外生態(tài)需水量為087億 m3。

綜合河道內(nèi)與河道外生態(tài)需水量，預(yù)計(jì)2020年徒駭河流域生態(tài)需水量為597億 m3，2030年徒駭河生態(tài)需水量為627億 m3。

根據(jù)上述對徒駭河流域各縣市的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水量的預(yù)測結(jié)果，計(jì)算出徒駭河流域預(yù)測年相應(yīng)綜合需水量，結(jié)果見表2。

徒駭河流域水資源量供需平衡分析

以流域缺水量與缺水率來衡量徒駭河流域水資源供需平衡狀況（表3），可以看出，在2010年，徒駭河流域供水量總量為4352億m3，需水總量為4394億 m3，供水量與需水量基本維持平衡；預(yù)測2020年，徒駭河流域可供水量總量為4595億m3，P=50%、75%需水總量分別為5489億m3、4951億m3，缺水量分別為894億m3、356億 m3，缺水率分別為1946%、775%；預(yù)測2030年，徒駭河流域可供水量總量為4627億m3，P=50%、75%需水總量分別為5795億m3、5279億 m3，缺水量分別為1168億m3、652億m3，缺水率分別為2524%、1409%。

可見，徒駭河流域的水資源并不能完全滿足生產(chǎn)、生活、特別是生態(tài)的需水量。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水資源的需求量愈來愈大，水資源供需矛盾愈來愈嚴(yán)重，所以合理配置流域水資源，提高流域水資源的可持續(xù)利用率，是解決供需矛盾的重要手段。

4徒駭河流域水資源可持續(xù)利用對策

為實(shí)現(xiàn)徒駭河流域水資源的合理規(guī)劃配置，提高水資源可持續(xù)利用率，維護(hù)徒駭河流域的生態(tài)功能，應(yīng)采取以下措施。

（1）保證徒駭河生態(tài)需水量，維持河流正常的生態(tài)功能。應(yīng)保證徒駭河兩側(cè)河岸帶上的植被緩沖帶有一定的寬度。流域地下水在汛期以及豐水年通過植被緩沖帶得到補(bǔ)給，在非汛期和枯水年流域地下水則通過植被緩沖帶補(bǔ)給河水，使河流生態(tài)需水得到補(bǔ)給，這樣在一定程度上對河水起到調(diào)蓄作用，使得水資源在枯水年或者豐水年波動(dòng)較小，增加了流域供水的穩(wěn)定性。此外，植被緩沖帶還具有凈化水質(zhì)的作用，其平均污染物去除率約為：懸浮固體物70%，重金屬20%～50%，營養(yǎng)鹽為10%～30%[21]，增加了河水的可用水資源。

（2）積極推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉新技術(shù)。目前流域內(nèi)的輸水渠道多為土渠，灌溉水利用系數(shù)只有048～049，比發(fā)達(dá)國家的利用系數(shù)低出近一半。將農(nóng)業(yè)灌溉用的土渠改成石渠，并推廣噴灌、滴灌技術(shù)，提高水資源的利用率。流域內(nèi)采取農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施后，預(yù)計(jì)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力將達(dá)到13 億m3，節(jié)水潛力較大。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對城市工業(yè)和生活的節(jié)約用水管理，提高水的利用效率。

（3）調(diào)整徒駭河流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局。激勵(lì)耗水量小、產(chǎn)值高且低污染企業(yè)的發(fā)展，減少污染物入河量；大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)業(yè)，使得水資源的質(zhì)與量得到優(yōu)化配置。隨著科技的發(fā)展、工業(yè)技術(shù)的提高，工業(yè)用水效率大大提高，工業(yè)需水量將逐漸降低。將工業(yè)節(jié)約的水資源用于補(bǔ)充農(nóng)業(yè)、生態(tài)和和生活等其他用水，使得有限的水資源能夠支撐流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，緩解水資源的供需矛盾。

（4）解決徒駭河流域水資源時(shí)間分布不均問題。徒駭河流域汛期的降雨量和徑流量分別占全年的77%和83%以上，易造成水資源的浪費(fèi)，應(yīng)建設(shè)水利工程，調(diào)蓄汛期水資源，以汛期補(bǔ)非汛期。既滿足河流生態(tài)需水要求，又能緩解流域水資源供需矛盾，緩解春旱、防治夏季洪水災(zāi)害。

（5）充分利用南水北調(diào)續(xù)建配套工程，解決春季河流斷流、蒸發(fā)量大、農(nóng)業(yè)用水集中，用水矛盾突出的問題。對流域水資源進(jìn)行人工生態(tài)調(diào)度，將南水北調(diào)東線工程調(diào)來的長江水送到調(diào)蓄水庫，能有效解決徒駭河流域春季農(nóng)業(yè)用水需求大的問題，緩解春季用水矛盾。

5結(jié)語

本文針對徒駭河流域水資源量不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的問題，以《山東省海河流域綜合規(guī)劃》為基礎(chǔ)，以2010年為現(xiàn)狀年，預(yù)測2020年及2030年徒駭河流域水資源供、需水量，并分析流域水資源供需平衡狀況。研究發(fā)現(xiàn)，在2010年，徒駭河流域供水量與需水量基本維持平衡；2020年，徒駭河流域可供水量不能滿足需水量，水量缺口愈來愈大；預(yù)測2030年，徒駭河流域平水年的缺水量高達(dá)1168億m3、缺水率為2524%，枯水年的缺水量為652億 m3、缺水率高達(dá)1409%。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，徒駭河流域?qū)λY源需求量愈來愈大，水資源供需矛盾愈來愈嚴(yán)重，應(yīng)采取一些維持流域水資源可持續(xù)利用的措施和策略，保障徒駭河流域水資源的高效配置、可持續(xù)開發(fā)和利用。

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