南水北调西线工程受水区研究

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关键词:节水潜力;南水北调西线工程;农业节水;水权;

黄河流域黄河流域是我国缺水问题最严重的流域之一［1－4］，人均水资源量仅489m3(根据1956—2016年平均水资源总量、2021年人口计算)，属于极度缺水地区［5］。黄河流域地表水开发利用率已达80%，河道内外、省(区)之间用水竞争激烈，生态水量不足等问题长期存在，沿黄省(区)大量新的用水项目受水资源限制无法实施，缺水已成为黄河流域生态保护和高质量发展中亟待解决的难题［6－9］。挖掘节水潜力是解决缺水问题的重要途径［10－11］，近年来黄河流域从推广高效节水技术、种植结构与灌溉制度优化、渠系节水改造、开展水权转让试点等方面持续深入推进节水工作［12－14］，用水效率显著提升。截至2019年，黄河流域高效节水灌溉面积已达到有效灌溉面积的39%［15］;全流域灌溉水利用系数达到0．56.与全国平均水平基本持平。黄河上中游地区已将节水作为工业项目立项的主要评判指标之一，原煤生产、煤制烯烃、煤制油等行业节水技术处于国内领先水平。虽然黄河流域节水工作取得了突出成效，但与世界最高水平相比仍有差距［16］。在经济社会发展和气候变化的双重影响下，黄河水资源量呈衰减趋势，缺水问题日趋严重，未来仍需要进一步挖掘节水潜力［17－20］。水网工程能够优化水土资源配置、带动经济社会均衡发展［21］，国家“十四五”规划纲要做出了推进国家水网工程建设的重要部署。南水北调工程是国家水网的主骨架，当前东线、中线一期工程均已生效，西线工程仍在规划中［22］。南水北调西线工程从长江上游调水到黄河源头区，可改变全河水资源配置格局，对解决黄河流域及西北地区缺水问题至关重要。论证西线工程调水规模前，需要明确西线工程受水区节水潜力，保障工程设计的科学性。笔者通过量化黄河流域西线工程受水区节水潜力，分析节水实践中面临的突出问题，评估节水措施在解决黄河流域缺水问题上发挥的作用。

1黄河流域现状节水水平

以2019年为现状年，分析规划水平年2035年的节水潜力。黄河流域大部分位于干旱半干旱缺水地区，受水资源紧缺困扰和最严格水资源管理制度的约束，流域内各省(区)通过工程、技术、经济、管理等措施进行节水型社会建设已见成效，多个行业节水水平高于全国平均水平，但与国内最高水平相比仍有差距，见表1。2019年黄河流域人均用水量和万元GDP用水量分别是全国平均水平的76．6%和91．1%，在10个水资源一级区(下文简称“一级区”)中排名分别为第3和第4，分别比一级区最高水平高33．6%和64．4%。在城镇生活节水上，黄河流域人均城镇生活用水量仅低于海河区，是全国平均水平的72．0%;在工业节水上，黄河流域万元工业增加值用水量是全国平均水平的56．3%，但比最高水平的海河区高27．1%;在农业节水上，黄河流域耕地实灌用水量是全国平均水平的87．7%，比最高水平的海河区高70．6%。黄河流域节水水平空间差异较大。上游青海、甘肃、宁夏、内蒙古等省(区)经济发展相对落后，且自然环境较恶劣，降水稀少、蒸发强烈、生态环境脆弱，人均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和耕地实灌用水量均高于中下游地区。中游山西、陕西能源丰富，煤电、煤化工等产业较发达，节水水平较高，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量处于流域内最高水平。下游河南、山东引黄灌区气候条件相对较好、节水灌溉配套设施相对完善，耕地实灌用水量小于上中游地区。

2研究方法

2．1研究区域和数据来源

南水北调西线工程受水区包括位于黄河流域上中游地区的青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西和山西6个省(区)在黄河流域内的部分，简称上中游六省(区)。供用水数据主要来自历年《中国水资源公报》《黄河水资源公报》和相关省(区)水资源公报，人口、经济、灌溉面积等数据主要来自《中国统计年鉴》《中国水利统计年鉴》和相关省(区)统计年鉴，并结合省(区)调研情况对数据系列进行补充完善。由于四川省在黄河流域内的面积、用水、人口等均较少，因此不对该省进行单独分析。

2．2节水潜力概念和内涵

节水潜力可分为毛节水潜力和净节水潜力。毛节水潜力是在未来可预知条件下，通过采取一系列工程和非工程节水措施，与现状年用水量相比，相同的用水户在未来可减少的年用水量。毛节水潜力是未来可预知条件下，单从节水措施的角度考虑可以实现的节水潜力，未考虑其中因节水而减少的可重复利用的灌溉回归水量和地下水补给量，因此毛节水潜力也称为理论节水潜力。净节水潜力是指在可预知的技术条件下，通过采取节水技术措施，相同的用水户未来预期年耗水量与现状年耗水量的差值。净节水潜力是从区域水资源系统整体出发，考虑水资源在系统中的消耗规律，通过采取各种节水措施所减少的耗水量，体现了区域真实的节水潜力。对于黄河流域，净节水潜力与黄河“八七”分水方案所指水量以及流域外调入水量相对应，具有等同的分析和比较基础，可采用耗水系数转换法计算净节水潜力。

2．3城镇生活节水潜力分析方法

城镇生活毛节水潜力和净节水潜力计算公式:ΔUG(i，j)=U1(i，j)［L1(i，j)－L2(i，j)］(1)ΔUN(i，j)=CU(i，j)ΔUG(i，j)(2)式中:i为省(区)编号;j为省(区)内分区编号，各省(区)分区数量不同;ΔUG(i，j)、ΔUN(i，j)分别为城镇生活毛节水潜力和净节水潜力，亿m3;U1(i，j)为现状城镇生活用水量，亿m3;L1(i，j)、L2(i，j)分别为现状、2035年城镇供水管网漏损率;CU(i，j)为城镇生活用水综合耗水系数。2．4工业节水潜力分析方法工业毛节水潜力和净节水潜力计算公式:ΔIG(i，j)=V1(i，j)Q2(i，j)［η2(i，j)－η1(i，j)］+I1(i，j)［P1(i，j)－P2(i，j)］(3)ΔIN(i，j)=CI(i，j)ΔIG(i，j)(4)式中:ΔIG(i，j)、ΔIN(i，j)分别为工业毛节水潜力和净节水潜力，亿m3;V1(i，j)为现状工业增加值，亿元;Q2(i，j)为2035年工业增加值用水定额，m3/元;η1(i，j)、η2(i，j)分别为现状、2035年工业用水重复利用率;I1(i，j)为现状工业用水量，亿m3;P1(i，j)、P2(i，j)分别为现状、2035年工业供水管网漏损率;CI(i，j)为工业用水综合耗水系数。2．5农业节水潜力分析方法假设2035年研究区的实灌面积、作物种植结构和灌溉定额与现状相同，农业毛节水潜力和净节水潜力计算公式为ΔAG(i，j)=∑kB1(i，j，k)S1(i，j，k)［1/F1(i，j，k)－1/F2(i，j，k)］(5)ΔAN(i，j)=CA(i，j)ΔAG(i，j)(6)式中:ΔAG(i，j)、ΔAN(i，j)分别为农业毛节水潜力、净节水潜力，亿m3;k为作物类型编号;B1(i，j，k)为第k种作物的现状实灌面积，亿hm2;S1(i，j，k)为第k种作物的现状实际净灌溉定额，m3/hm2;F1(i，j，k)、F2(i，j，k)分别为现状、2035年第k种作物的灌溉水利用系数;CA(i，j)为农业用水综合耗水系数。农业节转潜力代表了农业可通过节水转让给其他行业的最大水量。结合各分区降水蒸发条件，分析黄河流域各分区现状种植结构各主要作物单位产出消耗水分最少时的灌溉定额，即经济灌溉净定额。当现状实际净灌溉定额高于经济灌溉净定额时，农业节水量可以转让给其他行业，否则认为灌溉水存在亏缺，农业节水量可以减少总供水量，但不可转让给其他行业。农业节转潜力计算公式:ΔAT(i，j)=∑kΔAN(i，j，k)［S1(i，j，k)≥SE(i，j，k)］(7)式中:ΔAT(i，j)为农业节转潜力，亿m3;ΔAN(i，j，k)为第k种作物的农业毛节水潜力，亿m3;SE(i，j，k)为第k种作物的经济灌溉净定额，m3/hm2。

3节水潜力计算结果分析

3．1节水控制指标

南水北调西线工程受水区节水潜力主要包括城镇生活节水潜力、工业节水潜力和农业节水潜力。根据行业用水特点选择节水控制指标，城镇生活节水控制指标为城镇供水管网漏损率，工业节水控制指标为工业用水重复利用率和工业供水管网漏损率，农业节水控制指标为灌溉水利用系数。综合考虑国家规程规范、国内外先进用水指标、沿黄省(区)现状用水及节水技术推广情况等，制定2035年黄河流域及流域内各省(区)节水控制指标目标值，见表2。采用完成度量化现状节水控制指标与目标值的差距:Ｒ(m)={1－T2(m)－T1(m)/max［T1(m)，T2(m)］}×100%(8)式中:m为指标编号;Ｒ(m)为第m个指标的完成度;T1(m)、T2(m)分别为第m个指标的现状值和目标值。

3．2现状节水水平与目标值的差距

黄河流域及流域内各省(区)现状节水控制指标完成度见表3。黄河流域现状城镇供水管网漏损率为12．9%，节水控制指标完成度为75．2%;工业供水管网漏损率为12．7%，节水控制指标完成度为73．2%。现状河南、内蒙古和青海3个省(区)供水管网漏损问题较严重，城镇供水管网漏损率均超过15%，工业供水管网漏损率均超过14%，未来城镇生活和工业节水任务较重。甘肃省现状城镇生活供水管网漏损率为8．6%、工业供水管网漏损率为8．2%，是流域内最高水平，已经基本实现2035年节水目标。黄河流域现状工业用水重复利用率为91．2%，节水控制指标完成度为95．4%。近年来黄河流域特别是上中游地区通过高耗水行业结构调整和布局优化，空冷、闭式水循环等节水技术大力推广等，使工业节水水平不断提高，流域万元工业增加值用水量由2000年的75．0m3降至2019年的21．6m3，工业节水已达到国内较高水平，其中煤电和煤化工项目节水处于国际较高水平。现状只有经济发展相对滞后的青海省工业用水重复利用率较低(58．4%)，节水控制指标完成度为68．7%，其他7个省(区)工业用水重复利用率在87．6%以上，节水控制指标完成度超过95．0%。黄河流域现状灌溉水利用系数为0．56，节水控制指标完成度为91．8%。流域内不同省(区)灌溉水利用系数目标值存在差异。农业节水目标的设置需要考虑自然气候条件、生态环境约束、超大型灌区特点等宁蒙地区多年平均降水量仅180mm，蒸发强烈，生态环境脆弱，农业灌溉水量发挥着补给地下水的生态作用［11］。该地区分布有超大型灌区河套灌区，输配水系统包括总干渠以及干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠、毛渠7级渠道，斗渠以上渠道长度达到0．7万km，农渠、毛渠总长度约4．4万km，渠系越长水量损失越大，灌溉水利用系数提高越困难，需要根据实际情况适当调低农业节水目标。

3．3节水潜力分析

按照设定的2035年节水控制指标目标值，计算得到黄河流域毛节水潜力约为25亿m3，城镇生活、工业、农业分别占5%、11%、84%;净节水潜力约为19亿m3，城镇生活、工业、农业分别占5%、10%、85%。其中，被列为西线工程受水区的上中游六省(区)是流域节水的重点区域，毛节水潜力约为21亿m3，净节水潜力约为16亿m3。

3．4农业用水节转潜力及转让可行性

经分析，50%降雨频率下，黄河流域现状种植结构满足作物生长需求的平均经济灌溉净定额为2850m3/hm2。青海、甘肃、宁夏、山东4个省(区)现状实际净灌溉定额大于作物经济灌溉净定额，在减少净灌溉定额方面尚有潜力;内蒙古、陕西、山西、河南4个省(区)现状实际净灌溉定额均小于作物经济灌溉净定额，均为灌溉水亏缺。黄河流域农业节转潜力约为10亿m3，其中上中游六省(区)农业节转潜力约为9亿m3。农业节转潜力是农业节约下来的水量中能转让给其他行业的部分，需要结合水权转让来实现［12］。黄河“八七”分水方案限定了沿黄省(区)用水指标［8］，但分配水量难以满足各省(区)经济社会发展需求，近20a来经常出现超指标耗水问题，见图1。无法获得足够的引黄用水指标，因此多个省(区)新的引黄用水项目无法落地实施。农田灌溉用水量占全河总用水量的63．8%(见图2)，将农业节水量转让给其他行业是缓解黄河流域缺水问题的一种可能途径。黄河流域管理机构按照“节水、压超、转让、增效”“可计量、可考核、可控制”的原则，从供给侧着手，鼓励开展水权转让，培育水市场。结合黄河流域宁夏和内蒙古水权转让实践，分析农业节转水量转让实施的可行性。宁夏和内蒙古从2003年开始开展水权转让试点工作，由新增工业项目出资开展灌区节水工程改造，将灌区输水损失水量节约下来有偿转让给工业企业，转让期一般为25a，以实现在不增加引黄水量的前提下，满足新增工业用水需求。宁夏水权转让试点采取企业出资“点对点”实施灌区节水改造，截至2019年共批复实施水权转让节水改造工程24项，集中在青铜峡灌区，累计转让黄河水量1．92亿m3。内蒙古水权转让主要采取“政府推动、整片推进、企业出资”的方式，主要涉及鄂尔多斯南岸灌区、包头镫口灌区和巴彦淖尔河套灌区，截至2019年累计转让水量3．28亿m3，支持了58个工业项目用水。虽然近20a来，上游用水量没有明显增加(受初始水权限制)，但GDP维持了较高增长速率，究其原因是挖掘了节水潜力。虽然水权转让项目推动了农业节水改造，并保障了部分新建工业项目的用水需求，促进了区域经济发展，但是在实际操作中出现了诸多问题。首先，节水工程建设周期长、转让水量少且投资大，导致工业企业购买意愿不强烈;其次，田间高效节水使灌溉过程变得复杂，但没有给农民带来直接收益，导致农民出让水权积极性不高;第三，部分节水工程建设期间节省下的水量被用于扩耕，导致可用于转让的水量减少［14，23］。因此，在缺少严格的监管机制和足够的经济效益的情况下，未来很难高效地将农业节水量转让给其他行业。

3．5节水对解决黄河流域缺水问题的作用

国务院批复实施的《黄河流域综合规划(2012—2030年)》预测了在南水北调西线一期工程未生效的情景下2030年黄河流域及各省(区)缺水情况［24］:正常来水年，预测黄河流域缺水量104．15亿m3，其中上中游六省(区)缺水96．39亿m3，占全流域缺水量的92．5%;中等枯水年，预测黄河流域缺水量153．10亿m3;特枯水年，预测黄河流域缺水量220．29亿m3。南水北调西线一期工程生效前正常来水年份，2030年西线工程受水区青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西缺水量分别为7．23亿、19．06亿、22．25亿、18．08亿、24．29亿、5．48亿m3，西线工程非受水区四川、河南、山东缺水量分别为0．01亿、3．01亿、4．74亿m3。黄河流域节水潜力远低于未来的缺水量，依靠节水难以解决黄河流域资源性缺水问题。推广高效节水措施是进一步挖掘节水潜力的重要途径。黄河含沙量大，利用黄河水进行喷灌、微灌时必须进行泥沙处理，目前主要采用沉淀池沉降，处理效率低、运行成本高，限制了滴灌、微灌等高效节水措施的大面积推广，使黄河流域大部分地区农业节水以渠系防渗与配套工程措施为主。黄河流域河套灌区、汾渭平原等属全国粮食主产区，农业以大田种植业为主，主要种植小麦、玉米等粮食作物，经济价值较低，农民对高效节水措施的经济承受能力弱，而国家粮食安全决定了短期内黄河流域种植结构不可能调整为以水果、蔬菜等经济价值高、适合高效节水技术的作物为主，高效节水措施未来在黄河流域的发展受限。此外，黄河上中游地区生态环境脆弱，大力推行节水灌溉会导致地下水补给量减少，进而引起绿洲退化、沙漠扩张。黄河流域生态本底脆弱，同时又是重要的经济地带和粮食主产区，水资源供需矛盾严峻，沿黄各省(区)经济社会高质量发展受限，生态水量不足问题长期存在。流域节水已经达到国内较高水平，考虑生态保护、灌区特征、粮食安全、能源安全等因素，未来节水潜力有限，难以通过节水解决缺水问题。随着黄河流域生态保护和高质量发展、国家水网工程等战略的实施，未来需要通过南水北调西线工程等跨流域调水工程增加黄河可供水量，从根本上解决黄河流域缺水问题。

4结论

通过研究南水北调西线工程受水区节水潜力，分析了节水对解决黄河流域缺水问题的作用，得到以下结论:黄河流域现状用水效率总体高于全国平均水平，但与国内最高水平相比仍有一定差距;与2035年节水控制指标目标值相比，现状城镇供水管网漏损率目标的完成度为75．2%，工业供水管网漏损率目标的完成度为73．2%，工业用水重复利用率和灌溉水利用系数已接近目标值;黄河流域节水潜力集中于农业和上中游地区，黄河流域毛节水潜力约为25亿m3，其中农业占84%、上中游六省(区)占84%，净节水潜力约为19亿m3，其中农业占85%、上中游六省(区)占84%;黄河流域节水潜力远低于缺水量，且农业节水量转让给其他行业存在诸多困难，由于泥沙问题使得高效节水措施推广受限，因此节水只是缓解局部缺水问题的措施，未来需要通过南水北调西线工程等跨流域调水工程解决黄河流域资源性缺水问题。

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作者:杨立彬 崔长勇 贺丽媛 尚文绣 单位:黄河勘测规划设计研究院有限公司 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室 黄河实验室