對南水北調工程效益拓展至灤河流域的若干思考

趙勇,何凡,何國華,路培藝,曲軍霖,汪勇,王慶明

(中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

南水北調工程是國家水網(wǎng)的主骨架、大動脈，事關戰(zhàn)略全局，事關長遠發(fā)展，事關人民福祉[1]。自2014年12月南水北調東中線一期工程全面建成通水至2021年12月累計向北方調水近500億m3，直接受益人口達1.4億人，顯著提升了北京、天津等受水城市水資源承載能力[2-3]，在經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護方面發(fā)揮了重要作用[4]。2021年5月14日中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平主持召開推進南水北調后續(xù)工程高質量發(fā)展座談會并發(fā)表重要講話。他強調“一要堅持系統(tǒng)觀念，用系統(tǒng)論的思想方法分析問題，處理好開源和節(jié)流、存量和增量、時間和空間的關系，做到工程綜合效益最大化”[5]。在京津冀協(xié)同發(fā)展等不斷推進以及我國北方主要江河來水來沙銳減[6-8]、地下水超采等水生態(tài)環(huán)境問題突出[9-11]的背景下，如何保障北方地區(qū)經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的用水需求，進一步提高南水北調工程綜合效益[12]，已經(jīng)成為我國水利工程規(guī)劃和水科學研究的重大課題。

灤河流域作為冀西北生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)(張家口市、承德市)和河北省沿海率先發(fā)展核心區(qū)(唐山市、秦皇島市)，肩負著拱衛(wèi)京津冀區(qū)域生態(tài)安全和保障經(jīng)濟發(fā)展的雙重任務。引灤工程是灤河流域經(jīng)濟社會發(fā)展的生命線，隨著南水北調中線一期工程建成通水以及中東線后續(xù)工程規(guī)劃建設，引灤工程與南水北調工程以天津為節(jié)點產(chǎn)生了水力聯(lián)系，南水北調受水區(qū)和灤河流域具備了水資源協(xié)同安全保障的條件[13]。基于此，本研究根據(jù)灤河水系統(tǒng)演變態(tài)勢，提出將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃，優(yōu)化灤河水量分配方案，協(xié)同保障南水北調受水區(qū)和灤河流域水資源安全的構想。

1 引灤工程受水區(qū)水系統(tǒng)健康狀態(tài)演變

1.1 引灤工程概況

20世紀70年代末，由于經(jīng)濟迅速發(fā)展，人口劇增，北京市和天津市用水量迅速加大[14-15]，與此同時海河流域來水持續(xù)減少[16]。1981年，為保障北京市用水，國務院決定停止密云水庫向天津市和河北省供水，天津市成為我國當時缺水最嚴重的特大城市。為解決天津市供水危機，1981年5月國務院召開了解決天津城市用水問題的會議，安排部署建設引灤工程。引灤工程分南北二線，北線即引灤入津工程，南線即引灤入唐工程，分別向天津市和唐山市供水，取水水源為位于唐山市遷西縣的潘家口水庫。1983年6月國務院明確了在不同供水保證率條件下天津市和河北省的水量分配比例，并沿用至今，見表1。1983年10月1日和1984年12月26日引灤入津工程和引灤入唐工程分別建成通水，至2018年引灤工程分別向天津市和唐山市累積供水187.0億m3和222.5億m3，有力保障了天津市和唐山市的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。

表1 引灤水量分配方案

1.2 受水區(qū)水系統(tǒng)健康狀態(tài)演變

根據(jù)劉丹等[17]的研究成果，水系統(tǒng)是一個包含自然水循環(huán)要素和經(jīng)濟社會發(fā)展要素在內的復雜系統(tǒng)，表征水系統(tǒng)健康狀態(tài)的指標應涵蓋地表水、地下水、資源供給以及生態(tài)環(huán)境保護等多個方面。為了揭示引灤工程建成通水以來受水區(qū)(包括天津市和唐山市)的水系統(tǒng)健康狀態(tài)演化過程，本研究根據(jù)受水區(qū)水資源稟賦特征和存在的主要問題，采用單位面積深層地下水開采量、人均可利用地表水資源量、河流入海水量指數(shù)(某年入海水量與多年平均入海水量比值)、地下水淺層水位4項指標，計算引灤工程受水區(qū)水系統(tǒng)健康指數(shù)，并將評估結果劃分為非常健康、健康、亞健康、失衡和嚴重失衡5種狀態(tài)(不同指標分類標準見表2)。

表2 水系統(tǒng)健康指數(shù)評價指標

受水區(qū)水系統(tǒng)健康指數(shù)是由單項指標健康分值、指標權重共同決定。

Hi=∑PiWi

(1)

式中:Hi為區(qū)域水系統(tǒng)第i項指標的健康分值，處于[0,10]，根據(jù)水系統(tǒng)健康評價標準即可確定水系統(tǒng)健康等級狀態(tài)；Pi為指標i的計算分值；Wi為指標i的權重值，考慮到本研究設置的4個評價指標在計算過程中均十分重要，因此認為各個指標權重相等，都為0.25。

Pi的評估分為兩種類型:水系統(tǒng)健康指數(shù)隨著指標特征值增大而增大的稱為Ⅰ類指標，比如人均可用地表水資源量，其健康得分計算見式(2)；水系統(tǒng)健康指數(shù)隨著指標特征值增大而減小的稱為Ⅱ類指標，比如地下水淺層水位，其健康得分計算見式(3)。

(2)

(3)

式中：Xi為指標i的統(tǒng)計值；Kup為評價指標的上限分值；Skup為健康等級閾值上限；Sklow為健康等級的閾值下限。

本研究中天津市和唐山市深層地下水開采數(shù)據(jù)來自于《天津市水資源公報》[18]和《河北省水資源公報》[19]，可利用地表水資源量數(shù)據(jù)來自《海河流域水資源綜合規(guī)劃》[20]和全國第三次水資源調查評價相關成果；入海水量數(shù)據(jù)來自于《天津市水資源公報》和《唐山市水資源公報》[21]，地下水淺層水位數(shù)據(jù)來自《全國地下水位年鑒》[22]和《中國地質環(huán)境監(jiān)測地下水位年鑒》[23]。

利用式(1)至(3)，根據(jù)天津市、唐山市實際數(shù)據(jù)，計算得出1983年引灤工程建成以來天津市、唐山市水系統(tǒng)健康狀態(tài)見圖1。可以看出，1983—2020年天津市水系統(tǒng)健康指數(shù)總體上呈現(xiàn)先下降后上升的過程：2000年以前由于水資源供需矛盾突出，天津市水系統(tǒng)狀態(tài)不斷惡化，部分年份甚至接近嚴重失衡；2000年后隨著水資源量波動增加，區(qū)域水系統(tǒng)健康狀態(tài)有所提升；2010年后隨著引黃濟津規(guī)模擴大，尤其是南水北調中線一期工程通水，天津市水系統(tǒng)健康狀態(tài)明顯好轉，部分年份達到亞健康狀態(tài)。與此同時，過去30年唐山市水系統(tǒng)健康狀態(tài)呈現(xiàn)不斷惡化的趨勢，總體從亞健康狀態(tài)下滑至失衡狀態(tài)。由于華北地區(qū)地下水超采治理行動的不斷推進，唐山市單位面積深層地下水開采量不斷減少，從1983年的8.3億m3下降到2020年的2.6億m3，除此之外，人均可利用地表水資源量、河流入海水量指數(shù)、地下水淺層水位3項指標均不斷惡化，特別是人均可利用水資源量由1983—2000年的314 m3下降到2000—2020年的142 m3，降幅達到54.9%。對比來看，由于天津市、唐山市相似的水文氣象條件，在引黃濟津、南水北調等外流域調水工程未通水之前，天津市和唐山市的水系統(tǒng)健康指數(shù)表現(xiàn)出相似的波動規(guī)律，但隨著天津市外部水源的持續(xù)輸入，近年來天津市水系統(tǒng)健康狀態(tài)逐步變好，自2014年開始超過唐山市。

圖1 天津市、唐山市水系統(tǒng)健康狀態(tài)評價

2 灤河流域水系統(tǒng)失衡主要表征

從圖1可以看出，近年來地處灤河流域的唐山市水系統(tǒng)健康狀態(tài)不斷惡化。從流域視角看，其水系統(tǒng)失衡表征主要體現(xiàn)在以下4個方面。

流域水資源衰減。與黃河、海河等北方流域相似，近年來灤河流域來水也出現(xiàn)明顯衰減，水資源總量由第一次水資源調查評價的67.8億m3(1956—1979年)減少至第二次評價的63.2億m3(1956—2000年)，并進一步減少至第三次評價的55.8億m3(1956—2016年)，第三次評價結果較第一次減少了12億m3，降幅達17.7%，其中地表水和地下水資源降幅分別達到30.72%和10.10%。根據(jù)引灤工程水量分配方案，越是干旱年份，河北省(即灤河下游地區(qū))可獲得的水量分配比例就越低(表1)，對于只有灤河作為唯一地表水源的唐山以及同樣地處灤河水系的秦皇島等地區(qū)較為不利。作為引灤工程的水源地，潘家口水庫可供水量也持續(xù)下降，在1956—1979年來水系列下，潘家口水庫年均徑流量為26.9億m3，而在1990—2010年來水系列下則衰減為14.1億m3，降幅接近50%。

河流生態(tài)環(huán)境受損。灤河曾是海河流域水生態(tài)環(huán)境條件最好、水土資源匹配條件最優(yōu)，也是流域內極少數(shù)從未斷流的河道[24]。然而，由于水資源顯著衰減和大規(guī)模向外調水，近年來灤河水生態(tài)環(huán)境問題較為突出，入海水量持續(xù)減少見圖2。根據(jù)水利部海河水利委員會計算成果，灤河干流規(guī)劃入海水量為4.21億m3。而灤河干流水文監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2000—2017年中有13年入海水量達不到規(guī)劃水量目標，占全部年份的72%，這13年平均入海水量僅為1.27億m3。從徑流的月變化過程上看，2000年以來共有21個月份發(fā)生斷流，占全部月份的10%。除了汛期棄水外，枯水季節(jié)潘家口水庫至灤河入?？?00余km生態(tài)用水較為匱乏[25]。目前，除灤河干流外，流域內主要河流全部成為季節(jié)性河流。由于河道生態(tài)水量不足，下游曹妃甸、樂亭、蘆臺、漢沽等地區(qū)海水入侵嚴重，部分地區(qū)地下水已經(jīng)無法使用。隨著唐山、秦皇島城市建設的深入推進，灤河下游市政綠化、河湖補水等生態(tài)需水同樣面臨較大缺口。

圖2 1956—2020年灤河干流入海水量變化

地下水采補平衡難以實現(xiàn)。由于地表水保障不足，灤河下游地區(qū)大量開采利用地下水，1980—2014年年均超采5.1億m3，累積超采量150億m3，超采區(qū)范圍達3 800 km2。截至2019年，灤河流域海水入侵面積超過2 000 km2，部分地區(qū)地下水位埋深達到20 m以上，見圖3。地下水位下降還導致嚴重的地面沉降，根據(jù)中國地質環(huán)境監(jiān)測院研究成果，1992—2015年與唐山市接壤的天津市寧河漏斗區(qū)、唐山市曹妃甸漏斗區(qū)、樂亭曹莊子漏斗區(qū)中心累計沉降量分別為2 498.85、1 905.43、839.35 mm，并且漏斗區(qū)范圍不斷擴大，已經(jīng)由沿海地區(qū)擴展到中北部人口聚集區(qū)[26]。相比南水北調中線工程受水區(qū)的其他縣市，灤河水是下游地區(qū)唯一地表水源且引水指標已經(jīng)分配完畢，無法通過新增水源置換地下水，壓采只能依靠減少本地用水需求實現(xiàn)，2016年以來灤河下游通過壓減灌溉面積、調整種植結構等措施已減少地下超采量2.02億m3，但距采補平衡仍有較大差距。

圖3 2019年灤河下游平原區(qū)地下水位埋深分布

經(jīng)濟社會發(fā)展用水難以保障?？晒┧坎蛔阋呀?jīng)成為灤河中下游地區(qū)供水安全的主要制約。灤河下游的唐山市2000年和2010年曾遭遇枯水年，導致數(shù)10萬人飲水困難和稻田大量減產(chǎn)。2000年大旱期間，秦皇島214座水庫、500多座塘壩全部干涸，全市水庫蓄水量較常年同期減少了75%，除灤河干流及其主要支流青龍河外，其余河流全部斷流。為了保障經(jīng)濟社會健康發(fā)展，灤河流域積極推進全社會節(jié)水，以唐山為例，目前唐山市用水效率已經(jīng)處于全國先進水平，萬元工業(yè)增加值用水量僅為全國平均的32%；畝均灌溉用水量約為全國平均的50%；同時充分利用沿海優(yōu)勢，將高耗水行業(yè)向沿海地區(qū)布局，海水直接利用量達4.8億m3，即使如此，水資源短缺(特別是枯水年來水不足)日益成為經(jīng)濟社會發(fā)展的制約瓶頸。

3 將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃的構想

3.1 基本構想

在推進南水北調后續(xù)工程高質量發(fā)展現(xiàn)有規(guī)劃方案主要考慮了受水區(qū)的用水需求，對與之有水力聯(lián)系的潛在影響區(qū)考慮不足，制約了南水北調工程綜合效益的充分發(fā)揮。面對灤河流域存在的嚴重水問題，將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃，在原有供水規(guī)模的基礎上調整增加天津市引江水量，部分置換引灤水，將更多的水留在灤河流域，可最大程度解決灤河流域缺水問題。優(yōu)化調整引灤水量分配方案，不需要新增工程措施，就可以將南水北調工程戰(zhàn)略效益向北延伸到灤河流域，惠及承德、唐山和秦皇島等地市，受益人口超過1 000萬人，真正實現(xiàn)天津市和灤河流域水資源協(xié)同安全保障。

3.2 前提條件

將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃無疑涉及到引灤水量分配方案的再調整，需要統(tǒng)籌考慮天津、唐山兩市的供用水特征，以及南水北調工程和引灤工程的復雜關聯(lián)關系(圖4)，其中天津市水資源安全保障應作為引灤水量分配方案調整的首要前提。隨著南水北調中線工程通水，引江水已經(jīng)成為天津市最主要的供水水源，全市水安全保障能力已大幅提升。即便如此，天津市依然是我國缺水城市之一，水資源供需矛盾依舊突出，引灤水仍是當前天津市供水安全的重要支撐。即便未來南水北調東、中線二期工程通水，在天津市缺水的情形下，引灤工程還需要繼續(xù)發(fā)揮供水能力，隨時做好應急供水的準備。

圖4 南水北調工程與引灤入津工程線路關系

3.3 關鍵支撐

將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃需要水量、調蓄能力和水價3個關鍵支撐：

一是南水北調東、中線后續(xù)工程水量支撐。在南水北調東、中線后續(xù)規(guī)劃中統(tǒng)籌考慮引灤水量分配需求，通過調整增加天津市引江水量，為灤河水回頭提供水量保障。

二是水資源調蓄能力支撐。天津市目前擁有本地地表水、地下水、引灤水、中線水等多種水源，未來還可能增加南水北調東線工程供水，如何將這些水源合理調蓄是影響天津市水安全的重要因素。目前天津市水庫調蓄能力幾乎已達到上限，為進一步提升天津市外調水調蓄能力，降低水庫擴建、改建投入，可考慮利用崗南、黃壁莊、王快、西大洋等河北省南水北調沿線水庫進行調蓄，真正實現(xiàn)京津冀水資源一體化運行及保障。

三是水價補償支撐。水價是高效用水的主要經(jīng)濟機制，是提高水資源節(jié)約集約利用水平的基本經(jīng)濟杠桿[27]。目前南水北調中線原水供天津市價格為2.16元/m3，而引灤水供生活和工業(yè)價格僅為0.35元/m3，兩者差異較大，未來可在充分考慮包括水資源保護、水環(huán)境治理、工程后期維護等因素的基礎上，核算引灤工程真實供水成本，同時還要考慮天津調增引江水帶來工程建設運行成本，開展不同情景方案下的水價制定。

3.4 實施步驟設想

綜合考慮灤河水系統(tǒng)健康狀態(tài)及水量調整面臨的問題，提出引灤水量分配方案三步走的優(yōu)化調整策略：

第一步，遇枯水年份，調整調水原則。在保證天津市供水安全的前提下，灤河水量分配優(yōu)先保證流域內生活生產(chǎn)用水，避免出現(xiàn)枯水年份嚴重供水危機。

第二步，將枯水年份分配比例常態(tài)化。根據(jù)枯水年份灤河水資源供需平衡分析，優(yōu)化天津市和唐山市枯水年分水比例，并將枯水年份灤河水量分配方案常態(tài)化。

第三步，優(yōu)化水量分配方案。在南水北調中線或東線后續(xù)工程通水后，更多考慮灤河流域生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會發(fā)展需求，進一步優(yōu)化水量分配方案，還水于灤河。

4 結 論

近年來，地處灤河流域的唐山市水系統(tǒng)健康狀態(tài)不斷惡化，整個灤河流域水系統(tǒng)失衡突出表現(xiàn)在流域水資源衰減、河流生態(tài)環(huán)境受損、地下水采補平衡難以實現(xiàn)和經(jīng)濟社會發(fā)展用水難以保障4個方面。與此同時，隨著南水北調中線一期工程建成通水以及東、中線后續(xù)工程規(guī)劃建設，引灤工程與南水北調工程以天津市為節(jié)點產(chǎn)生了水力聯(lián)系，南水北調受水區(qū)和灤河流域具備了水資源協(xié)同安全保障的條件。因此，本文提出將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃的設想，并提出“一個前提”“三項支撐”和“三步實施”的實施策略。“一個前提”即引灤水量分配方案調整，要以天津市水資源安全保障作為首要前提；“三項支撐”即東線和中線后續(xù)工程水量支撐、水資源調蓄能力支撐、水價補償支撐；“三步實施”即以南水北調東線二期工程為重要節(jié)點，分三步調整引灤水分配方案。將灤河流域納入南水北調后續(xù)工程規(guī)劃，并適當調整引灤水量分配方案，不需要新增工程措施，就可以將南水北調工程效益向北延伸到灤河流域，進一步發(fā)揮南水北調工程的最大效益。