锚定国家需求 以水资源优化配置助力高质量发展
发布时间:2022-11-21

  水资源配置是均衡水与发展的关键措施。统筹水与经济社会发展、生态文明建设的关系,以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路为指引,研究适应区域特征和国家战略需求的水资源配置理论方法,对我国具有格外重要的意义,也是引领近十年水利改革发展、创新突破并取得实际成效的主线。

  一、新形势下国家战略对水资源安全提出更高要求

  近十年国内国际形势发生巨大变化,我国进入新发展阶段。一是城市群规模扩大,城镇化率从2010年的49.7%提高到2020年的63.9%,对资源能源保障和生态环境保护要求提高;二是经济转型,从规模扩张转向质量提升,更重视资源节约集约利用和节能减排;三是经济全球化受阻,贸易壁垒加剧,内需成为发展主动力,需要更多立足自身保障粮食、能源等国家安全。应对复杂形势变化,国家提出了“一带一路”倡议,深入推进生态文明建设,实施京津冀协同发展、长江经济带、黄河流域生态保护和高质量发展等国家重大战略,明确区域发展重点目标,引领区域发展发生历史性变化。

  新形势下的国家战略对水资源安全保障提出了更高要求,具体表现在:①突出节约集约利用,处理好水与经济社会、生态环境的关系,经济社会发展不能超出当地水土资源承载能力;②增强供水安全,应对城镇化水平和产业转型带来的用水集中度提高、供水保障水平提高和应急能力提升等的多重要求;③保障重点,合理布局,满足粮食安全、能源安全、生态安全和区域战略发展需求;④创新配置模式,更好认识水的多重效应,发挥市场机制配置资源的作用,调控水资源产生综合的经济、社会和生态效益。

  面向新的要求,近十年的水资源配置研究和实践,正是以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路为指引,探索有助于高质量发展的路径。

  二、区域水情特征

  我国人均水资源不足世界平均水平的1/3,受气候、地形地貌影响,降水径流时空分布差异相对世界其他区域更为显著,呈现南多北少、雨热同期的特点。南方地区人均水资源量接近3000立方米,北方地区不足1000立方米,其中黄淮海流域不足500立方米,海河流域不足250立方米,低于严重缺水标准。经济水平提升则缺水损失增加,有限的水资源条件导致供需矛盾更加突出,区域、用户用水竞争加剧,不同区域表现出不同的问题,水资源成为发展的制约性因素。

  1.西北内陆区:资源约束紧张

  西北内陆区面积占全国1/3以上,土地资源丰富,能源富集,光热充足,是国家粮食安全的战略后备区,但水资源短板明显。区域平均径流深不足40毫米,干旱少雨、生态脆弱,水资源供需矛盾突出,水资源配置是平衡生态保护和经济社会发展的核心。西北地区的后发优势带来持续增长空间,需要利用好能源、资源优势,在生态安全的前提下推动经济社会健康发展。要从根本上解决该区域严重缺水问题,支撑国家战略,迫切需要完善水资源配置格局,以水资源刚性约束控制发展规模、提高发展质量,优化供给结构,提升水资源利用效率,增强水资源承载能力。

  2.黄淮海、松辽流域:用水竞争强烈

  黄淮海流域面积占全国15%,人口占全国的1/3,经济总量、工农业产值、耕地和灌溉面积均占全国30%以上,但水资源量仅占全国7%。其中京津冀地区是我国乃至世界范围内人类活动对水循环扰动强度最大的区域,以占全国0.7%的水资源承载着全国5%的耕地、8%的人口、9%的经济总量。为了支撑经济社会发展,长期过度开发水资源,不同区域和行业用水竞争强烈,形成城市挤占农村、农村挤占生态的用水模式,河道断流、湖泊湿地萎缩、地下水水位持续下降,付出了巨大的生态环境代价。松辽流域也存在有限水资源条件下的多用户强烈竞争用水问题。因此,水资源配置必须以国家战略为导向,从经济、社会、生态、环境多角度评价综合效应,建立科学决策机制和有序供用水格局,促使从低效用水向高效用水转变。

  3.南方地区:综合调控不足

  南方地区总体水量充沛,虽然局部区域存在水资源短缺、竞争性用水矛盾,但具备流域内部调控解决的条件。因此,水资源配置应侧重水的综合调控利用,协调不同用水目标,解决焦点问题,优先保障重点需求,兼顾一般需求,一水多用、循环利用,减少环境负效应,提高综合效益。

  三、近十年水资源配置理论技术创新

  围绕主要水问题和发展需求,近十年我国在深化水循环机理研究基础上,结合信息技术的发展突破,在多维调控决策、以水定需配置模式、非常规水源配置、智能调配等多方面开展了研究,取得了水资源配置理论技术的创新突破。

  1.深化机理强基础

  伴随监测能力提升,从自然和社会两方面强化了水循环机理过程基础研究。在自然水循环方面,揭示了寒区、旱区、高原等原有水文模拟分析薄弱区域的水循环演变机理,建立了基于“水分-能量-物质”全过程模拟的流域水循环模拟方法,以及不同水文过程的生态效应模拟、水量水质联合评价模拟,初步构建了水资源动态评价的概念框架与技术体系。在社会水循环方面,通过建立农田、城市、工程等不同类型经济社会活动对水循环过程作用的参数化和函数化表达,科学描述了人类活动对水循环分项过程的作用机理,揭示了自然和社会水循环过程相互作用规律,构建了“实测-分离-耦合-建模-调控”的二元水循环科学范式,为水资源调控的综合效应分析评价提供了基础。

  2.多维调控提韧性

  针对流域经济社会发展与生态保护矛盾突出的特点,剖析与水循环密切相关的资源、经济、社会、生态和环境五维属性及其相互关系和临界特征,提出人类活动影响下的水循环多维临界调控理论框架、调控准则、决策机制和调控方法,建立多维整体调控方法体系。通过水资源多维调控提供符合水循环特征的高效用水调控模式和应对措施,可为解决竞争性用水矛盾提供决策支持。通过识别各个目标的临界阈值,提供不同维度的保障底线,避免极端事件和不合理水量调配导致系统进入不可逆状态,建立极限状态和应急状态调控原则,增强系统韧性。

  3.“四水四定”优用水

  将水资源作为最大刚性约束,从“以需定供”转向“以水定需”,提出“四水四定”水资源配置理念。通过解析水与“城地人产”内在关系,分析相应的控制指标,提出“四水四定”协调优化准则,优化行业用水分配,形成系统分析方法和模型工具,统筹“城地人产”规模控制和水量协调分配。通过“四水四定”以水资源条件优化确定区域经济社会发展边界,引导“适水发展”,改变水资源供需理念,有助于构建与水资源承载力相适应的发展布局,促进水资源与人口经济协调,落实水资源刚性约束的管控措施。

  4.“水-能-粮”协同调控

  水是粮食生产和能源产业的支撑体,水与粮食、能源具有复杂的协同竞争关系,其协同调控是实现经济社会可持续发展的关键途径,对保障国家安全具有战略意义。近期研究突破包括:构建社会水循环全过程能量消耗模拟方法与参数体系,提出以能量耗用为统一度量标准的自然-社会水循环强度评价方法,建立不同尺度水循环能流图;基于粮食流动过程提出全口径虚拟水量化表达方法,实现虚拟水流动路径解析和通量核算;开发了水-能源-粮食量化均衡模型工具箱,揭示了能源开发的风险链。通过系列创新突破,提出基于“水-能-粮”纽带关系的协同安全保障战略,为新时期同步实现我国水安全、能源安全、粮食安全提供了理论支撑。

  5.“低碳”配置促减排

  “双碳”战略对水利行业提出了新的挑战,近十年相关研究以革新传统水资源配置模式为突破口,探索面向低碳目标的水资源合理配置理论与关键技术,在已有的“供水低能耗”的经济性目标基础上,逐步向“以流域层面统筹、区域层面协调、工程层面兼顾”的低碳配置理论发展,设定“区域碳源-碳汇平衡”“供水全链条碳排最低”优化目标,分析配置全过程的碳排放效应,将碳减排作为用水综合效益的重要组成部分,引导水在行业间的分配和流转。

  6.智慧调配助决策

  随着保障要求提升,水资源配置决策精细程度不断提升,同时大数据、人工智能等技术革新对决策方式带来深刻变化。智能技术的应用提升了水资源配置的精细过程处理分析能力,配置与调度多维协同得到进一步拓展。通过大数据和人工智能技术应用,推动了配置技术由刚性配置向柔性配置、从静态配置向动态配置提升,从宏观水量配置向实时调度决策转型,建立融合预报、预警、预演和预案的辅助决策支撑体系,实现从水量配置到实时水量调配、城市给排水调配,使水资源配置和调度的衔接更浑然一体。

  7.多水源配置提保障

  强化了外调水与本地水、非常规水与常规水的联合配置。对于外调水,主要是从与本地水的联合配置模式、水价体制、调水生态修复效应等角度开展研究,提出优化外调水利用的可行模式,在南水北调东中线一期等工程中进行应用探索。对于非常规水源,主要从开发利用技术和协同配置模式两方面开展了研究。围绕不同类型非常规水源特性,探索了再生水高效低碳处理、海水淡化膜处理、城乡雨洪补源与高效利用、苦咸水脱盐净化等技术。通过不同水源、用户及开发利用风险约束之间的协同关系,研究常规和非常规水源的协同配置方法和综合利用模式,提出了污水资源化利用实施方案,明确了非常规水源纳入统一配置体系的具体对策措施。

  四、优化配置增强水资源保障能力

  在理论技术研究基础上,开展了一系列重大实践工作,从供需两侧开源节流,优化配置格局,为国家战略的实施推进提供了安全高效的水资源保障。

  1.高效用水见真章

  通过优化配置推动实现水资源高效利用,不仅保障了重点行业的供水安全,同时促进了水资源的高效流转,倒逼产业结构调整和转型升级。2021年我国万元GDP用水量、万元工业增加值用水量较2012年分别下降45%和55%,农田灌溉水有效利用系数从2012年的0.516提高到2021年的0.568。2019年4月《国家节水行动方案》印发实施以来,全国31个省级行政区都建立了部门协调机制或者节水联席会议制度,出台了省级节水实施方案。非常规水源纳入了水资源统一配置,全国非常规水利用量从2012年的44.6亿立方米增加到2021年的138.3亿立方米,缺水城市再生水利用率从2012年的不足10%提高到2021年的20%左右。

  2.生态保障渐落地

  生态流量一直是研究热点,早期仅在生态问题突出河流开展了实践探索。近十年,随着生态文明理念深入人心,生态水量保障得到社会关注和认可,水利部明确提出将生态用水纳入水资源统一配置,生态流量管理实践全面铺开。2020年起,水利部制定出台了河湖生态流量管理政策措施,分四批印发了171条跨省重点河湖的生态流量保障目标,地方制定了省内重点河湖生态流量保障目标并纳入最严格水资源管理制度考核,基本建立了保障河湖生态流量(水位)的管理体系,切实保障了河湖基本生态用水。地下水生态保护也落到实际行动,2014年以来,通过“节、控、换、补、管”等措施实施华北地下水超采综合治理,截至2021年年底,治理区浅层地下水、深层承压水较2018年平均回升1.89米、4.65米,成效明显。2022年启动母亲河复苏行动,华北地区的永定河、潮白河、滹沱河等一批断流多年的河流恢复全线通水,白洋淀重现生机,断流干涸近百年的京杭大运河黄河以北段全线过流贯通,实现了与永定河的百年交汇。

  3.水网动脉显成效

  2013年和2014年南水北调东中线一期工程先后通水,“四横三纵”的国家水网初见轮廓。通水以来北调水量逐步增加,累计调水超过565亿立方米,直接受益人口达1.5亿,改善了40多座大中型城市的供水条件,向50多条河流生态补水近90亿立方米,解决了北方地区缺水的燃眉之急。通过东中线一期工程串联本地水源,形成黄淮海平原多源互济的配置格局,有效支撑了受水区经济增长,拓展了区域发展空间。除了提升常态供水能力,东中线一期工程还发挥了应急保障作用,通过中线工程向密云水库反向输水、地下水水源地补水提高了北京市的水源储备应急能力,通过东线调水在2015—2017年的胶东大旱中确保了青岛、烟台、潍坊、威海等城市供水。骨干调水工程在极端情况可以提供可靠的应急备用能力,对保安全、稳民心起到不可替代的作用。南水北调东中线一期工程在保障供水安全、恢复生态、改善环境等多个方面发挥了巨大的综合效益,有力保障了京津冀协同发展、雄安新区建设、黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略实施,证明了国家水网在促进水资源优化配置、保障国家战略发展目标中具有基础性作用。

  4.水网建设成规模

  近十年开展了各级水网建设,发挥了较好的规模效益。东北地区建成引绰济辽、大伙房水库输水等工程,初步形成连通松辽的水网;中部地区实施引江济淮、鄂北地区水资源配置,与南水北调主动脉衔接,增强了区域整体水量调配能力;西部地区开展了引汉济渭、滇中引水一期、重庆渝西水资源配置、向家坝灌区一期、引洮供水二期等工程,形成省级水网骨干;东南沿海地区建成珠江三角洲水资源配置工程、福建平潭及闽江口水资源配置工程、韩江榕江练江水系连通等工程,改变了沿海地区供水连通性弱、保障程度低的问题;福州、广州等城市建立以监测预警(“眼”)、调度决策(“脑”)、指挥与自动化控制(“手”)相结合的以城区为主体的联排联调,推进了城市水网的综合调配控制。随着省级水网先导区建设的推进,区域水网逐步融合,为构建三纵四横为骨干的国家水网布局夯实了基础。

  总结近十年的成效,我国水资源配置研究和实践始终坚持以问题导向、目标导向为核心,以科学认知为基础,锚定国家发展战略和社会需求,通过水资源优化配置促进经济发展与资源、环境相协调,以水资源“空间均衡”助力经济社会高质量发展。在此过程中,水资源配置理论技术不断深化并得到实践检验,取得了长足发展,处于国际领先水平,有力支撑了水资源安全保障。

  展望未来,我国的水资源配置将适应水情、工情、国情变化的需求,全面提升理论方法与实践能力。理论方面,需要深入解析自然-社会交互作用和协调演化机制,拓展多维均衡协同的水资源配置内涵和范围;技术层面,需要加强水资源评价、配置、调度、管理的有机结合,形成水资源全过程综合动态决策,依托信息技术的革新推动水资源配置向精细化、动态化、智能化方向发展;实践层面,将进一步促进国家骨干水网与地方水网的融合,支撑国家水网科学构建和水资源智能调控,推动水土资源多要素协同配置,探索经济社会发展布局的适应性调整应对策略,持续助力新阶段高质量发展。

  来源:中国水利,2022(19)  作者:王浩 游进军