鮑淑君，方洪斌

(1.國家發(fā)展和改革委員會 國際合作中心，北京 100045;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

水具有資源供給、水能生產(chǎn)、生物多樣性維系、氣候調(diào)節(jié)等多種生態(tài)服務(wù)功能,是人類社會生存發(fā)展的必要支撐[1-3］。缺水問題是全球經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主要制約因素[4-6］。協(xié)調(diào)缺水流域經(jīng)濟(jì)社會用水、河湖生態(tài)用水等是水科學(xué)領(lǐng)域長期的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)[7］,當(dāng)前相關(guān)研究主要圍繞水資源優(yōu)化配置和水庫群優(yōu)化調(diào)度展開[8-9］。在氣候變化和人類活動等影響下,很多流域和區(qū)域的水資源量呈減少趨勢[10-13］,同時經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)日益龐大、生態(tài)保護(hù)需水量增長,多用水過程協(xié)調(diào)問題愈加復(fù)雜,優(yōu)化模型面臨高維、非線性等求解難題。厘清多用水過程間的競爭與協(xié)作關(guān)系,明確多用水過程協(xié)調(diào)程度,有利于提高數(shù)值模型模擬精度、降低模型求解難度。已有研究多對實(shí)測數(shù)據(jù)或模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析[14-15］,很少從機(jī)理層面揭示多用水過程間的協(xié)調(diào)程度。

黃河流域人均水資源量僅為全國平均水平的23%,單位耕地面積水資源量不足全國平均水平的15%,缺水問題突出,水資源開發(fā)利用率高達(dá)80%[16］。同時,黃河還是多泥沙河流,有限的水資源需要承擔(dān)輸沙任務(wù),經(jīng)濟(jì)社會、輸沙、生態(tài)等方面用水競爭激烈,協(xié)調(diào)難度大[17］。變化環(huán)境下黃河流域面臨更加嚴(yán)峻的缺水問題[18］,同時黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略對流域水資源安全保障提出了更高要求,迫切需要協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會、輸沙、生態(tài)等多用水過程,為黃河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)保護(hù)提供穩(wěn)定支撐。本文解析了多用水過程的競爭與協(xié)作關(guān)系,提出了多用水過程協(xié)調(diào)程度量化方法,量化了黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多過程協(xié)調(diào)程度長期演變過程,分析了協(xié)調(diào)度的影響因素及提升策略,以期為缺水流域水資源安全保障提供參考。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 用水過程競爭與協(xié)作關(guān)系量化方法

引入經(jīng)濟(jì)學(xué)中物品的排他性屬性和競爭性屬性,分析多用水過程間以水為紐帶的競爭與協(xié)作關(guān)系。將水資源的競爭性定義為一個用水戶使用水資源將減少其他用水戶水資源使用量的特性；反之,若一份水資源可以同時被多個用水戶使用,則在這些用水戶的用水方式下水資源具有非排他性。當(dāng)多個用水部門均屬于非排他性用水部門,且部分需水在時間和空間上具有一致性時,就可以用同一份水資源滿足多個用水部門的需水要求,即形成協(xié)作關(guān)系,如圖1所示。用水協(xié)作關(guān)系僅存在于非排他性用水部門之間,其中:t時刻各部門中最大的需水量決定了總需水量DNET,t；t時刻各部門中第二大需水量決定了具有協(xié)作潛力的需水量DCR,t,即在充足供水的情況下具有協(xié)作關(guān)系的用水量；非排他性用水部門間的協(xié)作關(guān)系還取決于t時刻這些部門的可用水量MN,t。在缺水流域/區(qū)域,不能形成協(xié)作關(guān)系的多個用水部門需要競爭有限的可供水量,形成競爭關(guān)系,如圖2所示,t時刻的總需水量DT,t是所有部門需水量之和。

圖1 多個非排他性用水部門間的協(xié)作關(guān)系

圖2 多個用水部門間的競爭關(guān)系

尚文繡等[19］在前期研究中提出了協(xié)作度和競爭度2個指標(biāo)的計算公式:

式中:CR為協(xié)作度,0≤CR≤1,值越大表示協(xié)作關(guān)系越強(qiáng)；CP為競爭度,0≤CP≤1,值越大表示競爭關(guān)系越強(qiáng)；SNT為t1—t2時段非排他性用水部門的總供水量；SCR為具有協(xié)作關(guān)系的用水量(簡稱協(xié)作水量)；MN,t為t時刻非排他性用水部門的可供水量；DNE,i,t為t時刻第i個非排他性用水部門的需水量,i＝1,2,…,n(n為非排他性用水部門數(shù)量)；DNEMAX2,t為t時刻第二大非排他性用水部門的需水量；DT為t1—t2時段的總需水量；ST為t1—t2時段的總供水量；Mt為t時刻的可供水量；DT,t為t時刻的總需水量；DNET,t為t時刻所有非排他性需水總量；DE,j,t為t時刻第j個排他性用水部門的需水量,j＝1,2,…,m(m為排他性用水部門數(shù)量)。

2.2 多用水過程協(xié)調(diào)程度量化方法

多個用水部門間的協(xié)作度越高、競爭度越低,代表用水過程越協(xié)調(diào)?；谟盟偁幣c協(xié)作關(guān)系,以協(xié)調(diào)度表征多用水過程的協(xié)調(diào)程度,其計算公式為

式中:H為協(xié)調(diào)度,0≤H≤1,值越大表示用水過程越協(xié)調(diào)；ε為協(xié)作度的權(quán)重,0≤ε≤1。

協(xié)作度的權(quán)重受競爭度的影響:流域/區(qū)域用水部門間的競爭度越高,說明該流域/區(qū)域缺水越嚴(yán)重,也就越需要用水部門間加強(qiáng)協(xié)作關(guān)系,增強(qiáng)“一水多用”,減少總需水量；反之,競爭度越低,說明該流域/區(qū)域水資源供需矛盾越小,用水部門間進(jìn)行協(xié)作的需求也就越小。因此,令ε＝CP,則式(4)變?yōu)?/p>

2.3 突變檢驗(yàn)方法

采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法分析顯著性水平α＝0.05時長系列逐年協(xié)調(diào)度數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)。對于一組序列長度為z的獨(dú)立序列Yf(f＝1,2,…,z),定義統(tǒng)計量df和UFf:

式中:ri為M-K檢驗(yàn)中構(gòu)造的統(tǒng)計量,當(dāng)序列Yf中的兩個數(shù)值yi＞yj時,ri＝1,否則ri＝0(j＝1,2,…,i)；E(df)和V(df)分別為df的均值和方差。

令UF1＝0。給定顯著性水平α,當(dāng)｜UFf｜＞Uα(Uα為概率超過1-α/2時標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的值)時,表明序列有顯著的趨勢變化。

將Yf逆序排列,根據(jù)式(6)和式(7)得到一組新的UFf,再令統(tǒng)計量UBf＝-UFf。繪制UFf和UBf隨f的變化曲線,如果兩條曲線在顯著性水平α對應(yīng)的兩條臨界線Uα與-Uα之間有交點(diǎn),則交點(diǎn)為突變發(fā)生的時間。

2.4 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

將黃河作為研究區(qū)域,計算黃河河道外經(jīng)濟(jì)社會、河道內(nèi)輸沙和河道內(nèi)生態(tài)3個用水過程間的協(xié)調(diào)度。輸沙用水也常被視為生態(tài)用水,但為了分析河道內(nèi)用水關(guān)系,本文河道內(nèi)生態(tài)用水特指用于維持水生生物生存繁衍的用水。河道內(nèi)輸沙用水和生態(tài)用水間能夠形成協(xié)作關(guān)系,河道內(nèi)用水與河道外用水間具有競爭關(guān)系。

研究時段選擇1988—2019年。對于需水過程:河道外需水量采用定額法計算,經(jīng)濟(jì)社會需水量相關(guān)指標(biāo)來自黃河流域各省(區(qū))統(tǒng)計年鑒；將利津斷面作為河道內(nèi)生態(tài)需水控制斷面,采用相關(guān)研究中得到的面向生態(tài)完整性的生態(tài)需水過程[20］(見表1),選擇4月1日—6月10日一次持續(xù)時間為7 d的較大流量過程,河道內(nèi)年生態(tài)需水量130億m3；根據(jù)實(shí)測洪水資料統(tǒng)計分析結(jié)果,利津斷面流量為2000～4000 m3/s時有利于黃河下游高效輸沙,根據(jù)近年利津斷面實(shí)測來沙量3億t計算,輸沙需水量為70億m3；由于河道內(nèi)有18億m3水量可同時作為輸沙需水量和生態(tài)需水量,因此河道內(nèi)需水總量為182億m3。對于用水過程:河道外用水量來自1988—2019年《黃河流域水資源公報》(無1996年數(shù)據(jù)),河道內(nèi)輸沙和生態(tài)用水量根據(jù)利津水文站實(shí)測日徑流量數(shù)據(jù)計算。

表1 利津斷面河道內(nèi)生態(tài)需水過程

3 結(jié) 果

3.1 河道內(nèi)用水協(xié)作關(guān)系演變過程

1988—2019年黃河河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水協(xié)作度及協(xié)作水量變化過程見圖3,河道內(nèi)供水量與缺水量見圖4。河道內(nèi)年均供水量111.70億m3,最大供水量333.80億m3(2018年),最小供水量僅15.19億m3(1997年)；利津斷面河道內(nèi)年缺水量(需水量減供水量)變化范圍為0～166.67億m3,均值為79.26億m3。黃河河道內(nèi)輸沙用水和生態(tài)用水的協(xié)作度均值為0.06,被同時用作河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水的協(xié)作水量年均7.98億m3。協(xié)作度變化范圍為0～0.14,協(xié)作水量變化范圍為0～30.24億m3,年際變化較大:部分年份(如1997年、2000年、2001年、2016年、2017年)7—9月沒有形成2000～4000 m3/s的有效輸沙流量,導(dǎo)致河道內(nèi)生態(tài)用水與輸沙用水無法形成協(xié)作關(guān)系；部分年份(如2018年和2019年)7—9月發(fā)生了持續(xù)時間較長的有效輸沙流量,生態(tài)用水和輸沙用水間形成了較好的協(xié)作關(guān)系。協(xié)作度與協(xié)作水量的變化趨勢并不完全一致,原因在于協(xié)作度的大小同時受協(xié)作水量和供水量的影響,當(dāng)能夠產(chǎn)生協(xié)作關(guān)系的需水量得到滿足后,協(xié)作度會隨著供水量的增大而減小,因此不能僅通過協(xié)作度一個指標(biāo)來衡量不同用水過程間的協(xié)調(diào)程度。

圖3 黃河河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水協(xié)作度及協(xié)作水量

圖4 黃河河道內(nèi)供水量與缺水量

3.2 河道內(nèi)外用水競爭關(guān)系演變過程

1988—2019年黃河河道內(nèi)外用水競爭度及缺水量變化過程如圖5所示。河道內(nèi)外用水競爭度均值為0.33,在缺水嚴(yán)重的1997年競爭度高達(dá)0.68。2001—2012年競爭度呈下降趨勢,2013—2016年競爭度再度增大,此后呈減小趨勢。黃河流域總?cè)彼繛?7.58億～476.67億m3,年均缺水195.30億m3,其中:河道外年均缺水116.04億m3,河道內(nèi)年均缺水79.26億m3。競爭度的變化趨勢與缺水量基本一致,黃河河道內(nèi)外需水量相對穩(wěn)定,受來水量年際變化的影響,缺水量變化幅度相對較大,成為競爭度的主要影響因素。

圖5 黃河河道內(nèi)外用水競爭度及缺水量變化過程

3.3 多用水過程協(xié)調(diào)度演變過程

1988—2019年黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度變化過程如圖6所示。協(xié)調(diào)度均值為0.46,最小值僅0.10(1997年),最大值為0.82(2019年)。1988—2001年協(xié)調(diào)度總體呈波動減小趨勢,從1988年的0.62減小到2001年的0.21；2002—2012年協(xié)調(diào)度呈波動增大趨勢,從2002年的0.34增大到2012年的0.80；2013—2016年協(xié)調(diào)度呈逐年減小趨勢,從2013年的0.66減小到2016年的0.44；此后協(xié)調(diào)度再度增大。M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示,1988—2019年黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度存在兩個突變點(diǎn),分別發(fā)生在2012年和2016年。

圖6 黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度變化過程

在黃河水資源開發(fā)利用過程中,較理想的用水過程關(guān)系為競爭度低、協(xié)作度和協(xié)調(diào)度高的情況,例如2010—2013年和2018—2019年；需要避免的是競爭度高、協(xié)作度和協(xié)調(diào)度低的情況,例如1997年和2001年。

4 討 論

4.1 協(xié)調(diào)度影響因素分析

黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度受需水過程和供水過程共同影響。河道內(nèi)外需水過程年際變化幅度相對較小,但受天然徑流量的影響,供水過程年際變化較大,河道內(nèi)供水過程年際變化尤為明顯。對比圖6和圖7可知,協(xié)調(diào)度較低的年份均為來水偏枯的年份,例如1991年、1997年、2000年、2001年,天然徑流量分別為393.38億、373.40億、354.10億、290.05億m3,比多年(1956—2016年)平均天然徑流量490.00億m3分別偏低19.72%、23.80%、27.73%、40.81%。黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度變化過程的兩個突變點(diǎn)2012年和2016年分別為天然徑流量由增轉(zhuǎn)減和由減轉(zhuǎn)增的年份,2012—2016年天然徑流量從614.90億m3減小至405.71億m3,協(xié)調(diào)度持續(xù)減小；2016年以后天然徑流量持續(xù)增大,2018年和2019年天然徑流量比多年平均天然徑流量490.00億m3偏豐30%以上,協(xié)調(diào)度大幅上升。

圖7 1988—2019年黃河天然徑流量和供水量

水資源管理策略和水庫調(diào)度模式也是影響黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度的重要用水因素。2002—2012年黃河多用水過程協(xié)調(diào)度呈增大趨勢,但天然徑流量沒有表現(xiàn)出增長趨勢,這一時段協(xié)調(diào)度增大的主要原因:一方面,黃河自1998年12月開始實(shí)施水量統(tǒng)一調(diào)度[21］,2002年以后水量統(tǒng)一調(diào)度對黃河河道外需水的遏制作用逐漸顯現(xiàn),2002—2012年河道外年均需水量512.23億m3,比1988—1998年減小23.54億m3；另一方面,自2002年以來小浪底水庫實(shí)施調(diào)水調(diào)沙,塑造適宜下游輸沙的大流量過程,增大了河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水的協(xié)作度,2002—2012年河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水的年均協(xié)作水量為7.75億m3,比1988—2001年增加30.25%。

4.2 協(xié)調(diào)黃河用水過程的建議

黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度受天然徑流量影響顯著,然而黃河長系列年均天然徑流量呈衰減趨勢,從580.00億m3(1919—1975年)減少到490.00億m3(1956—2016年),且干旱、枯水頻發(fā)[22］。同時,近十幾年來黃河河道外供水量呈增大趨勢,2010—2019年河道外年均供水量312.13億m3,比2000—2009年增加59.51億m3。天然徑流量的衰減與河道外供水量的增加將導(dǎo)致黃河多用水過程協(xié)調(diào)度低的問題長期存在。

為了提升多用水過程協(xié)調(diào)度,需要增大河道內(nèi)用水協(xié)作度并降低河道內(nèi)外用水競爭度。當(dāng)前黃河河道內(nèi)生態(tài)需水主要考慮河道不斷流和指示物種的生存繁衍,對汛期洪水的生態(tài)作用考慮不足,導(dǎo)致河道內(nèi)生態(tài)用水與輸沙用水協(xié)作度低,未來需要加強(qiáng)對汛期洪水生態(tài)功能的研究,明確有利于河流生態(tài)健康的汛期洪水過程,為水資源調(diào)度與管理提供依據(jù)。黃河汛期輸沙大流量過程含沙量高,導(dǎo)致水體溶解氧含量降低,且泥沙附著在魚的腮絲上,造成魚類大量窒息死亡[23］。因此,河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水的協(xié)作潛力仍需進(jìn)一步研究,同時需要探索對水生生物傷害較小的含沙量范圍、高含沙洪水期間魚類避難場所構(gòu)建等,減輕高含沙洪水對水生生物的負(fù)面影響。

黃河流域是資源性缺水流域,人均水資源量不足全國平均的1/4,水資源供需矛盾突出。在南水北調(diào)西線和引漢濟(jì)渭調(diào)水工程生效之前,黃河流域水資源供給缺口巨大[19］。為了從根本上解決流域缺水問題,需要盡快推進(jìn)南水北調(diào)西線、白龍江調(diào)水等跨流域調(diào)水工程建設(shè),增加黃河流域可供水量,降低用水競爭度。

5 結(jié)論

基于缺水流域用水競爭與協(xié)作關(guān)系,本文提出了協(xié)調(diào)度指標(biāo)表征多用水過程協(xié)調(diào)程度,計算了1988—2019年黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度,得到以下結(jié)論:①黃河河道內(nèi)生態(tài)用水和輸沙用水協(xié)作度低、年際波動大,黃河河道內(nèi)外用水競爭度高；②黃河經(jīng)濟(jì)社會-輸沙-生態(tài)多用水過程協(xié)調(diào)度變化范圍為0.10～0.82,突變點(diǎn)為2012年和2016年,2002—2012年協(xié)調(diào)度波動升高,2012—2016年協(xié)調(diào)度持續(xù)降低,之后持續(xù)升高；③天然徑流量對黃河多用水過程協(xié)調(diào)度影響顯著,協(xié)調(diào)度的突變點(diǎn)與天然徑流量的豐枯轉(zhuǎn)變時間具有一致性；④黃河水量統(tǒng)一調(diào)度與小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙均有利于提高黃河多用水過程協(xié)調(diào)度。