极端枯水年黄河流域水资源安全保障策略研究
Study on water resources security guarantee strategies for the Yellow River Basin during extreme water scarcity year
王煜¹，郑小康²，张迪²，尚文绣²，周翔南²，吕鸿²，宋俞良¹
（1.水利部黄河水利委员会，450003，郑州；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，450003，郑州）
摘要：受变化环境影响，黄河流域水文节律非稳态增强，特枯和连枯等极端水文干旱事件不断加剧，流域水资源安全面临严峻挑战。基于现状用水和工程条件下极端枯水年黄河流域水资源面临的供需矛盾加剧、水生态环境脆弱等严峻形势，提出水资源安全保障目标为通过多种调控措施增加流域供水量，避免因水资源短缺造成的流域经济社会和生态环境严重破坏，保持流域水资源系统的基本功能、结构、服务能力及恢复能力；提出供给侧调控对象主要为地表水、地下水、非常规水和外调水等水源，需求侧调控对象主要为不同区域、不同行业的用水户；提出结构化流域水资源供需双侧协同分析方法和模型。从以上3个方面构建了极端枯水年黄河流域水资源安全保障框架，分析了需水分层、多水源挖潜增供、分类分层韧性调控等策略。研究表明：通过采取多项调控措施组合可以在一定程度上缓解极端枯水年份黄河流域水资源严重失衡问题，但是流域经济社会发展和河流生态环境仍然面临较大不利影响，需要加快南水北调西线调水工程建设和完善黄河水沙调控体系等长效之策。
关键词：极端枯水；黄河流域；水资源安全；调控；策略；韧性；需求侧；供给侧
作者简介：王煜，总规划师，教授级高级工程师，主要从事水利规划、工程前期技术管理与水文水资源研究工作。
基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC3202300）。
黄河流域是我国重要的生态屏障和经济地带，在国家发展大局中具有举足轻重的战略地位，然而黄河流域水资源禀赋条件较差，经济社会发展速度与水资源量不协调是流域最大的矛盾。黄河流域人均水资源量约为全国平均水平的1/4，人均用水量比全国平均水平偏低16%（2021年），地表水开发利用率高达80%，经济社会与生态环境用水竞争激烈，对枯水风险的抵御能力较差。在气候变化和人类活动的双重影响下，极端枯水趋于广发、频发，黄河流域水安全保障面临愈发严峻的挑战。在加快构建“四横三纵”国家水网背景下，如何保障极端枯水年黄河流域水资源安全，是落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略中亟待解决的科学问题与实践难题。
国内学者深入研究了黄河流域和长江流域，分析骤旱事件的时空分布特征及其对供水的影响，提出了跨流域调水、多线路成网互济精细化调控等应对策略。同时，《节约用水条例》的实施促进了高效节水灌溉模式和技术等方面研究，为减少水资源浪费并提高利用效率提供支撑，但是目前国内针对极端枯水年的节水策略研究相对较少。国际上对极端枯水问题的研究多集中在开发海水淡化技术作为补充水源，以及探索水资源与能源系统的协同安全管理等方面。此外，联合国教科文组织强调了政策法规在提升水资源管理上的作用，并提倡通过创新技术和国际合作来增强水资源系统的韧性。
当前我国正在加快构建国家水网，多个已建、在建或规划中工程从长江干支流调水入黄河，为解决极端枯水条件下黄河流域水资源安全保障提供了新机遇。本文提出了现状用水和工程条件下的极端枯水年黄河流域水资源安全保障目标，分析了调控对象和调控路径，研究了极端枯水年流域水资源安全调控策略，以期提升黄河流域对极端枯水的抵御能力，为流域水资源管理提供技术支撑。
极端枯水年黄河流域水资源安全面临严峻挑战
黄河流域具有枯水频发、连续枯水段持续时间长、极端枯水年来水严重偏低等特征。过去100年间黄河先后经历了1922—1932水文年（黄河水文年为当年7月至次年6月）、1969—1974水文年和1990—2002水文年3个连续枯水段，黄河天然径流量（花园口断面，下同）分别较1956—2016年水文系列多年平均值偏低21%、14%和20%。黄河天然径流量在来水频率90%的特枯水年偏枯27%以上，最枯水的2002水文年天然径流量偏枯47%。
黄河干流上的水利工程中，仅有位于青海的龙羊峡水库具备多年调节能力，流域应对连续枯水段和极端枯水年的水资源年际调控能力不足。例如在1990—2002水文年连续枯水段期间，龙羊峡水库累计补水75.2亿m³，但2003年年初水库水位接近死水位，几乎丧失补水能力。2003年上半年黄河来水持续偏枯，水利部在当年4月1日至7月10日启动《2003年旱情紧急情况下黄河水量调度预案》。此次应急调度期间，黄河来水64.4亿m³，比多年平均值偏低50%；黄河干流调度河段实际耗水量70.0亿m³，比多年平均值偏低27%，农业缺水问题尤为严重。
对比3次黄河流域水资源调查评价成果，黄河天然径流量呈现下降态势，从580亿m³下降至490亿m³，减少15.5%。未来黄河天然径流衰减或在一定程度上持续发展，使极端枯水发生风险与应对难度进一步加大。
极端枯水年黄河流域水资源安全保障目标和路径
1.保障目标
由于经济社会发展以及气候变化、下垫面变化的复合影响，缺水流域水资源开发利用程度往往接近甚至超过河流承载极限，导致生物多样性和经济社会用水保障受到威胁。极端枯水条件下流域水资源安全保障不仅要关注缺水量，更要考虑缺水破坏过程和破坏后的响应过程，确保经历缺水后流域水资源系统可以恢复至正常状态，即具备应对极端枯水的韧性。对于黄河流域而言，在现状用水水平和工程条件下，极端枯水年流域水资源安全保障目标是：
通过一系列调控措施和动态反应，协调河道外经济社会和河道内生态之间的用水平衡关系、河道外不同区域和用水部门之间的公平用水关系，确保流域水资源系统在面对气候变化、极端干旱甚至枯水等扰动冲击时，避免因水资源短缺造成流域经济和生态环境受到严重影响，保持流域水资源系统基本功能、结构、服务能力并具备恢复能力。
2.调控对象
（1）需求侧
需求侧调控对象主要为不同区域、不同行业的用水户，通过调控措施调整需水量及需水过程。 对于黄河流域，分析特枯年份和连续枯水段不同行业的需水量、需水过程、时空分布等特征，并与平水年份等来水情景进行对比分析，揭示极端枯水对黄河流域需水行为的影响规律。基于流域水资源-经济-生态耦合关系，以需水管理为基础，摸清流域水资源供需状况，评估缺水损失和水资源边际价值。综合考虑经济社会各用户需水特征、重要性和缺水损失变化过程，分类确定极端枯水下维系基本生活、粮食生产、基础工业和生态红线的底线用水量，维持基本生活品质和生产规模的基本用水量，有利于生活生产持续向好的适宜用水量。
（2）供给侧
供给侧调控对象主要为地表水、地下水、非常规水和外调水等水源，通过调控措施改变可供水量及供水过程。 建立极端枯水条件下黄河骨干水库群分级调度方法，研究龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等水库旱警水位，分析极端枯水年黄河流域水库群最大年际可调节补充水量。分析地下水区域分布、结构、储量及可开采程度，提出地下水增供阈值和区域开采潜力。基于城市污水再生利用和煤矿矿井水开发现状分析，从技术、经济、公众接受程度等方面分析非常规水可挖潜供水量。考虑供水区域空间重叠性和置换方式，跨流域补水从水源区、调水工程能力、受水区3个方面研究可调水量挖潜增供能力。综合考虑蓄丰补枯多年调节水库挖潜、跨年补偿地下水弹性开采、非常规水充分利用、跨流域调水补充等增供方法，研究提出可增供水量与多水源分级供水准则。
3.调控路径
从供需双侧识别影响流域水资源供需平衡的主导因子，分析缺水与社会-经济-生态系统损失的响应关系，提出结构化的流域水资源供需双侧协同分析方法和模型。
建立极端枯水条件下流域水资源分类分级均衡配置方法，明晰流域生产用水、生活用水和生态用水“三生”用水配置次序、配置水量、保障程度，构建“三生”用水分类分级保障机制。从抑制需求、挖潜增供、成网互济等方面，建立黄河流域水危机风险分阶段阻断策略库。通过流域水资源系统韧性调控，提高流域应对极端枯水的韧性水平，保障经济社会稳定发展和生态环境系统维持。极端枯水年黄河流域水资源安全保障策略框架见下图。
▲ 极端枯水年黄河流域水资源安全保障策略框架
极端枯水年流域水资源安全调控策略
1.需水分层管理
根据马斯洛需求层次理论，将黄河流域经济社会用水分为维系生活生产生态基本需求的刚性用水、改善生产生态的刚弹性用水、保障粮食外销和生态适宜的弹性用水3个层次。以2022年黄河流域实际用水情况为例进行分层，黄河流域实际用水量409.41亿m³，其中刚性用水量311.27亿m³、刚弹性用水量46.67亿m³、弹性用水量51.47亿m³，分别占流域内总用水量的76%、11%、13%。除上述流域内用水外，2022年，黄河还向流域外引黄地区供水82.83亿m³，在黄河遭遇枯水年份时，应根据来水情况按照丰增枯减原则确定下游引黄地区供水量。在上述刚性用水中，应研究缺水量以及缺水损失关系，考虑生活、基本工业生产和粮食安全等要求，从刚性用水中划分出不可破坏的底线用水量。
黄河河道内底线生态需水采用水利部印发实施的重点河湖生态流量保障目标中制定的生态基流和最小下泄流量指标，以及《黄河水量调度条例实施细则（试行）》中制定的预警流量和最小流量指标等，兰州、头道拐、花园口和利津等主要断面的底线生态流量控制指标分别为350m³/s、50m³/s、200m³/s和50m³/s，确保极端枯水下河流基本生态流量得到保障，并且通过多种调控措施，协调经济社会用水和河流生态用水，提高河流生态用水量，保障河流生态环境具备韧性恢复条件。
2.多水源挖潜增供
（1）水库群蓄丰补枯
旱警水位（流量）是指江河湖库因来水偏少、水位偏低等情况可能影响相关区域生活、生产、生态用水安全，应予以关注或采取抗旱措施的水位（流量）。根据水利部印发的《江河湖库旱警水位（流量）计算方法案例》，水库旱警水位计算方法主要包括典型干旱年法、最大值法和综合法，考虑到黄河干流骨干水库的供水矛盾突出、供需关系较为复杂，采用综合法确定水库旱警水位。可将旱警水位作为黄河干流骨干水库减少向河道外供水启动条件，通过长系列模拟分析，在1990—2002水文年来水条件下，黄河干流梯级水库群年际可调剂水量不超过50亿m³。
（2）地下水弹性开采
在极端枯水条件下，考虑地下水补给年际变化特征，适当增加地下水开采，并确保地下水储量在一定时期内可恢复至枯水前水平。极端枯水条件下适度增加地下水弹性开采，根据流域地下水储量动态、多年季节变幅和区域实际开采量，在地下水2年恢复期分析情景下，黄河流域地下水弹性开采增供水量不超过30亿m³。
（3）非常规水充分利用
根据《水利部关于实施黄河流域深度节水控水行动的意见》《水利部 国家发展改革委关于加强非常规水源配置利用的指导意见》要求，黄河流域要科学规划布局非常规水源，将非常规水源纳入水资源供需平衡分析与配置体系，明确非常规水源最低配置量、配置对象及水源类型，统筹推进非常规水源配置利用设施建设和提质改造。积极开发利用再生水，支持工业园区废水集中处理及再生利用。黄河流域煤炭开采产能高，煤炭矿井水产出量大，推进大型能源基地的煤炭矿井水综合利用。因地制宜配套建设雨水集蓄利用设施，加强雨水在旱作农业、工业生产、城市杂用、生态景观等方面应用。2022年黄河流域非常规水利用量21.70亿m³，极端枯水年应加大再生水和煤炭矿井水等非常规水利用。
（4）跨流域调水补充
南水北调东线和中线工程受水区与黄河下游引黄地区在空间上存在一定重叠区域，东线和中线工程具有向黄河下游引黄地区供水条件，在黄河极端枯水情景下通过水量置换方式可增加上中游地区黄河供水量，缓解上中游严峻缺水形势。东线工程和中线工程均具有一定挖潜增供能力，综合考虑工程水源区、工程输水能力、工程受水区3个方面因素，在保证工程受水区用水情况下，结合工程特点合理挖潜增供，增加向黄河下游引黄地区供水能力。东线考虑抽江水量挖潜和湖泊丰枯互补等挖潜方式，中线考虑引江补汉以及汛期水位动态控制、分期汛限水位优化等挖潜方式。
3.分类分层韧性调控
极端枯水条件下流域可供水量严重不足，水资源供需严重失衡，应进行水资源分类分层韧性调控。基于分类水源供水边际效用，考虑外流域调水、地下水弹性开采、水库群蓄丰补枯和非常规水充分利用等多种措施投入次序。结合需水分层结果，河道外用水调控按照底线、刚性、刚弹性和弹性需水量的保证优先序，河道内用水在保证河流底线生态用水前提下，调控河道内和河道外用水关系，提升水资源系统韧性水平。多场景分析表明，极端枯水年河道内用水占比从多年平均36%适量调减，对提高流域水资源韧性的作用较为显著。
以2022年黄河流域实际用水遭遇2002极端枯水年为例，运用黄河流域水资源供需分析模拟模型开展多场景研究，分析极端枯水年黄河流域水资源供需严重失衡情势和各项调控策略组合作用。
2022年黄河流域总用水量409.4亿m³，下游引黄地区用水量82.83亿m³，为近期用水量偏低年份。2002年天然径流量246亿m³，为来水频率超过95%的极端枯水年份。未考虑挖潜增供措施，即使在压缩河道内生态环境用水量情境下，流域内供水量仅为312.6亿m³，比2022年实际供水量低约96.8亿m³（减少23.6%），流域刚弹性用水遭到严重破坏，流域内农业供水168.0亿m³，远低于农业实际用水量264.8亿m³；流域外的下游引黄地区供水仅为63.0亿m³；河流生态用水仅保留21.7亿m³，远低于多年平均水平；流域和引黄供水区水资源失衡将严重影响经济社会发展以及河流健康维持，流域水资源安全保障面临严峻挑战。
考虑龙羊峡水库年际补水、地下水弹性开采和东中线置换供水等措施组合、投入次序和运用程度，在增加流域供水30亿~76亿m³情景下，流域内供水量达到332.5亿~362.5亿m³，流域外供水量达到70.7亿~71.3亿m³，利津断面生态环境用水量仅为38.1亿~51.4亿m³。在上述挖潜增供措施组合下，即使在一定程度上减少河流生态用水和降低河流生态保障水平，也不能全额保证流域刚弹性用水，更不能满足现状年份实际用水，表现在流域农业供水较现状实际供水短缺17.7%~29.1%，河流生态用水仅为多年平均水平的21.5%~29.0%。说明考虑上述调控措施组合可以在一定程度上缓解极端枯水年份流域水资源严重失衡问题，但是仍然对流域农业生产和河流生态环境造成较大不利影响，部分城镇和工业限量供水，流域水资源保障仍然面临严峻形势。
此外，由于黄河来水具有连枯的特征，水库群持续性年际补水能力有限，地下水持续超采也将产生地质和区域生态等问题，上述挖潜增供组合措施仅为应急性措施。保障极端枯水年黄河流域水资源安全不仅需要应急性措施，更需要长效之策，如加快南水北调西线调水等国家水网工程建设、完善黄河水沙调控体系等。
结论与展望
极端枯水条件下黄河流域会面临更加尖锐的水资源供需矛盾，影响流域水资源安全，事关国家生态安全、能源安全、粮食安全。本文从保障目标、调控对象、调控路径3个层面，提出了现状用水水平和工程条件下应对极端枯水的黄河流域水资源安全保障目标和调控路径。研究了水库群蓄丰补枯、地下水弹性开采、非常规水充分利用和跨流域调水增供等多种调控措施，提出极端枯水条件下保障黄河流域水资源系统安全的分类分层韧性调控策略。极端枯水年黄河流域水资源安全保障面临严峻挑战，考虑多项调控措施组合可以在一定程度上缓解极端枯水年份流域水资源严重失衡问题，但是仍然对流域经济社会发展和河流生态环境造成较大不利影响。
为提高黄河流域水资源安全保障水平，特别是提高极端枯水年流域水资源调控能力，在流域深度节水控水前提下，应加快推进黄河水网工程建设。
一方面加快推进南水北调西线工程前期工作，力争一期工程早日建成生效，从源头地区补充黄河干流径流量，增加流域水资源总量，缓解流域资源性缺水问题；
另一方面加快完善黄河水沙调控体系，高标准建设古贤水利枢纽工程，加快黄河黑山峡水利枢纽工程前期工作和立项建设，提高黄河径流年际年内调节和空间均衡配置能力，从而提升应对极端枯水年份黄河流域水资源韧性调控能力。
Abstract: In the context of environmental change, the non-stationarity of hydrological rhythms in the Yellow River Basin has intensified, resulting in more frequent and severe extreme hydrological drought events, such as prolonged and exceptional dryness. These conditions pose significant challenges to the basin’s water resources security. Based on the severe situation of increasing contradiction between supply and demand and fragile water ecological environment in the Yellow River Basin in extreme dry years under current water use and engineering conditions, it proposed that the objective of water resources security is to increase the water supply in the river basin through various regulatory measures, avoid serious damage to the economic, social, and ecological environment of the river basin caused by water scarcity, and maintain the basic functions, structure, service capacity, and resilience of the river basin's water resource system; the objects of supply side regulation and control are mainly surface water, groundwater, unconventional water and external water sources, while the objects of demand side regulation and control are mainly water users in different regions and different industries; the method and model of bilateral collaborative analysis of water resources supply and demand in structured basin. According to the above three aspects, the framework of water resources security in the Yellow River Basin in extreme dry years is constructed, and strategies such as water demand stratification, multi-water source tapping and increasing supply, and classified stratified resilience regulation are analyzed. The results show that the severe imbalance of water resources in the Yellow River basin can be alleviated to a certain extent by adopting a combination of several control measures, but the economic and social development of the basin and the river ecological environment are still facing great adverse effects. Long-term measures such as speeding up the construction of the water transfer project on the west route of the South-to-North Water diversion project and improving the water and sediment control system of the Yellow River are needed.
Keywords: extreme water scarcity; the Yellow River Basin; water resources security; regulate and control; strategies; resilience; demand side; supply side
本文引用格式：
王煜，郑小康，张迪，等.极端枯水年黄河流域水资源安全保障策略研究[J].中国水利，2024（24）：55-59+77.
封面摄影｜ 刘宇源
责编｜李博远
校对｜ 刘磊宁
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