王煜 彭少明 鄭小康 尚文繡

摘要：變化環(huán)境下極端氣象水文事件頻發(fā)，長江、黃河面臨同枯風(fēng)險(xiǎn)。在國家水網(wǎng)建設(shè)背景下，為提高長江、黃河同枯的極端不利情景下黃河流域水資源安全保障能力，本文分析了長江、黃河兩大流域水資源安全面臨的現(xiàn)實(shí)問題，識(shí)別了變化環(huán)境下大型流域枯水遭遇—水危機(jī)形成—跨流域調(diào)水潛力—多線路成網(wǎng)互濟(jì)—極端枯水下水資源安全保障中亟需破解的關(guān)鍵科學(xué)問題，構(gòu)建了水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水的總體研究框架，提出該領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向包括：變化環(huán)境下長江、黃河極端枯水遭遇規(guī)律與空間變異機(jī)制，水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)多鏈路傳導(dǎo)與復(fù)合影響定量評(píng)估，極端枯水下跨流域調(diào)水挖潛增供，長江和黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配與多線路互濟(jì)精細(xì)化調(diào)控、極端枯水下流域水資源韌性提升優(yōu)化調(diào)控等。

關(guān)鍵詞：極端枯水;枯水遭遇;水危機(jī);跨流域水資源調(diào)配;水資源系統(tǒng)韌性;南水北調(diào);黃河;長江

中圖分類號(hào)：TV213??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??文章編號(hào)：1001-6791（2024）01-0011-13

變化環(huán)境下極端氣象水文事件趨于廣發(fā)、頻發(fā)、并發(fā)［1-3］，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告重點(diǎn)關(guān)注氣候變化中的極端事件，并以高信度強(qiáng)調(diào)未來氣候變化將顯著改變干旱和枯水事件的頻率及強(qiáng)度［4］?？缭蕉鄠€(gè)空間尺度的復(fù)合型極端事件變得更為頻繁，跨流域調(diào)水工程調(diào)水區(qū)與受水區(qū)同枯風(fēng)險(xiǎn)上升，大型流域水資源安全保障難度增大［5-6］。在全球氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)干擾的背景下，多流域枯水遭遇規(guī)律識(shí)別、極端枯水下水資源安全保障和跨流域多線路多水源聯(lián)合調(diào)配等既是國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)和研究前沿，也是亟需解決的重大實(shí)踐難題［7-9］。

黃河流域?qū)儋Y源性缺水地區(qū)，人均水資源量僅為全國平均水平的27%，地表水資源開發(fā)利用率高達(dá)80%［10］。2022年《國家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》印發(fā)實(shí)施，提出加快構(gòu)建以自然河湖為基礎(chǔ)、引調(diào)排水工程為通道、調(diào)蓄工程為結(jié)點(diǎn)、智慧調(diào)控為手段的國家水網(wǎng)，發(fā)揮超大規(guī)模水利工程體系的優(yōu)勢(shì)和綜合效益，更好地保障水安全［11］。在國家水網(wǎng)布局下，南水北調(diào)、引漢濟(jì)渭、引紅濟(jì)石等跨流域調(diào)水工程建立了從水資源豐沛的長江流域向黃河流域補(bǔ)水的路徑［12］，為提升黃河流域水資源安全保障能力提供了新機(jī)遇。長江是國家水網(wǎng)主骨架的重要組成部分［10］，作為多個(gè)跨流域調(diào)水工程的調(diào)水區(qū)，與黃淮海流域水資源安全密切相關(guān)。然而，2022年長江發(fā)生1961年以來最嚴(yán)重干旱，引發(fā)流域性嚴(yán)重枯水，在供水、灌溉、發(fā)電等經(jīng)濟(jì)民生領(lǐng)域造成嚴(yán)重?fù)p失，引起舉國關(guān)注［13］。長江干旱枯水警示黃河流域需提升應(yīng)對(duì)長江、黃河同枯情景的能力，確保極端不利情景下黃河流域水資源安全。

水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水涉及不同流域枯水遭遇、跨流域調(diào)水、多水源多工程聯(lián)合配置等問題，國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量研究，從5個(gè)方面總結(jié)了相關(guān)研究進(jìn)展和存在的主要不足：① 不同區(qū)域的極端枯水遭遇本質(zhì)上是氣象水文變量的多區(qū)域組合問題，是包含頻域、時(shí)域和空間域等的多維復(fù)雜過程，在遭遇特征分析上已經(jīng)形成了以Copula函數(shù)為代表的氣象水文變量多維聯(lián)合分布模擬方法［14-15］。變化環(huán)境導(dǎo)致水文序列發(fā)生變異［16］，但傳統(tǒng)的多維隨機(jī)變量構(gòu)造函數(shù)不能反映多變量水文序列的變異性，缺少變化環(huán)境下跨流域極端枯水遭遇規(guī)律及空間變異機(jī)制的分析方法。② 流域水資源系統(tǒng)受到氣象、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等系統(tǒng)的復(fù)合影響［17-18］，不同系統(tǒng)之間存在信息屏障、時(shí)滯傳遞、振蕩分異等復(fù)雜關(guān)系，而且關(guān)聯(lián)因素?cái)?shù)量眾多、來源廣泛、隨機(jī)性強(qiáng)，并通過串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等多種鏈路渠道影響水資源安全，導(dǎo)致極端水文事件對(duì)流域水資源系統(tǒng)的影響機(jī)制極其復(fù)雜［19-20］。當(dāng)前研究針對(duì)氣象、水文、社會(huì)等單一系統(tǒng)，在水危機(jī)形成原因、影響評(píng)價(jià)方法及應(yīng)對(duì)策略等方面取得了較豐富的成果［21-22］，并在機(jī)制層面持續(xù)深挖，解析了單鏈路影響下極端氣象水文干旱形成機(jī)制、水資源供用水響應(yīng)關(guān)系和經(jīng)濟(jì)社會(huì)缺水發(fā)展過程［23-24］，但是缺乏從多鏈路耦合作用出發(fā)識(shí)別水資源安全風(fēng)險(xiǎn)與評(píng)估危害的系統(tǒng)性技術(shù)方法。③ 南水北調(diào)工程是連通長江和黃河兩大流域的重大戰(zhàn)略工程，然而當(dāng)前南水北調(diào)東中線后續(xù)工程和西線工程的調(diào)水規(guī)模尚未確定，對(duì)于枯水遭遇情景下長江向黃河調(diào)水潛力的系統(tǒng)研究不夠［25-27］。④ 面對(duì)日趨頻發(fā)的極端枯水事件，一些國家持續(xù)建設(shè)跨流域調(diào)水工程，完善跨流域多水源聯(lián)合調(diào)配理論與技術(shù)［28-29］，但已有研究局限于單個(gè)調(diào)水工程，跨流域調(diào)水工程成網(wǎng)互濟(jì)的基礎(chǔ)理論與分析方法缺失。⑤ 圍繞干旱枯水下黃河流域水資源調(diào)配，已經(jīng)形成了梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度、設(shè)置水庫旱限水位、多水源聯(lián)合配置等應(yīng)對(duì)方法［22，30-31］，但相關(guān)研究對(duì)極端枯水情景（例如重現(xiàn)期超過100 a的1990—2002連續(xù)枯水段［32］）的考慮不足，且主要關(guān)注供水水源及配置過程，缺少對(duì)用水戶缺水受損及恢復(fù)機(jī)理的研究成果。

本文在國家水網(wǎng)建設(shè)背景下，以黃河、長江兩大流域?yàn)檠芯繀^(qū)，識(shí)別兩大流域同枯情景下黃河流域水資源安全保障面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)提出變化環(huán)境下大型流域枯水遭遇—水危機(jī)形成—跨流域調(diào)水潛力—多線路成網(wǎng)互濟(jì)—極端枯水下水資源安全保障技術(shù)體系的構(gòu)建思路。

1 現(xiàn)實(shí)問題與需求

1.1 環(huán)境變化及其對(duì)長江、黃河水資源的影響

由于所處地理位置、氣候類型不同，全球變化和人類活動(dòng)對(duì)大型河流影響程度、作用方式不同，主要江河徑流量也變化不一。

（1） 黃河徑流顯著減少。近60 a來黃河天然徑流量顯著減少［33］，2001—2016年多年平均天然徑流量比1956—2000年減少了41.80億m3。1956—2016年黃河干流水文站的天然徑流量普遍呈減少趨勢(shì)，中下游尤為明顯，潼關(guān)、花園口、高村和利津4個(gè)水文站的天然徑流量減少趨勢(shì)均通過了5%的顯著性檢驗(yàn)，且這種徑流衰減趨勢(shì)未來仍可能持續(xù)發(fā)展［34］。

（2） 長江徑流變化不明顯。1956—2016年長江徑流量以自然波動(dòng)為主，不同區(qū)域的徑流增減趨勢(shì)存在差異，沒有表現(xiàn)出顯著的整體變化趨勢(shì)，相關(guān)研究預(yù)測(cè)未來長江不同區(qū)域徑流增減不一，但干流上中游段及漢江天然徑流量將減少［35-36］。

1.2 長江、黃河徑流歷史枯水遭遇

黃河歷史上連續(xù)枯水段長、極端枯水頻發(fā)。如圖1所示，1956年以來黃河下游花園口站出現(xiàn)了1969—1974年和1990—2002年連續(xù)枯水段，平均徑流量分別比多年平均值（1956—2016年系列）偏低13.8%和18.5%。在1990—2002年連續(xù)枯水段內(nèi)，1997年、2000年、2001年和2002年天然徑流量均小于95%特枯水年，連續(xù)枯水段與極端枯水年疊加，缺水問題愈發(fā)凸顯，黃河干流連續(xù)斷流，供需嚴(yán)重失衡。

長江天然徑流量大，中下游地處濕潤地區(qū)，但極端枯水仍時(shí)有發(fā)生。例如，2006年長江汛期出現(xiàn)極端枯水，主要水文站徑流量較同期偏低30%～60%，宜昌、漢口、大通等站汛期徑流量達(dá)到有紀(jì)錄以來的最小值［37］。2022年7—8月長江干支流來水偏少20%～80%，干流及主要湖泊水位比常年同期偏低4.5～6.0 m，8月中下游干流出現(xiàn)超100年一遇枯水，多個(gè)水文站刷新歷史同期最低水位［13，38］。長江枯水在影響流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康的同時(shí)，也對(duì)南水北調(diào)東中線調(diào)水造成威脅。

歷史上長江、黃河曾發(fā)生過同枯事件。對(duì)長江下游大通站、黃河下游花園口站1956—2016年天然徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［39］，兩站同時(shí)遭遇枯水年的概率為18.0%（表1）。在全球氣候變化的影響下，20世紀(jì)60年代以來長江流域和黃河流域干旱事件頻率均呈增加趨勢(shì)［5］，相關(guān)研究預(yù)測(cè)未來兩大流域干旱風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步增大［2，40］，氣象干旱將加劇河流枯水風(fēng)險(xiǎn)［41］，導(dǎo)致水資源安全保障難度增長。

1.3 變化環(huán)境下黃河流域水資源安全面臨挑戰(zhàn)

黃河流域以占全國2%的河川徑流量承載了全國15%的耕地面積和12%的人口。為了解決河道內(nèi)外及省區(qū)間爭水問題，1987年國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施“87”分水方案，將黃河多年平均天然徑流量580億m3（1919—1975年系列）中的370億m3分給沿黃各?。▍^(qū)）及流域外的河北、天津。每年水利部黃河水利委員會(huì)根據(jù)未來一年的來水預(yù)測(cè)成果對(duì)分水指標(biāo)豐增枯減，編制年度分水計(jì)劃，確定該年度各?。▍^(qū)）計(jì)劃耗水量。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，分水指標(biāo)與區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)不匹配的問題日益凸顯，尤其在枯水年份和連續(xù)枯水段，水資源供需矛盾更加尖銳，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水呈現(xiàn)剛性特征，部分?。▍^(qū)）超過豐增枯減確定的年度耗水量。2001—2020年間，甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古和山東4?。▍^(qū)）超計(jì)劃耗水量與黃河天然徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2），通過了1%的顯著性

檢驗(yàn)，在全河來水偏枯50.24%的2002年，4?。▍^(qū)）超計(jì)劃耗水量高達(dá)74.0億m3。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，未來黃河流域水資源供需矛盾將進(jìn)一步加劇，相關(guān)研究預(yù)測(cè)2030年正常來水情況下黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)缺水量將超過100億m3，中等枯水情況下經(jīng)濟(jì)社會(huì)缺水量將超過150億m3［42］。

2 科學(xué)問題識(shí)別

中國正在加快構(gòu)建以南水北調(diào)工程為主骨架的國家水網(wǎng)，多條線路從長江流域調(diào)水到黃河流域（圖3）。然而變化環(huán)境下長江、黃河跨流域水資源調(diào)配還面臨諸多科學(xué)問題。

（1） 全球變化背景下極端氣象水文事件增多增強(qiáng)，高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)流域和區(qū)域水文過程均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，大型流域間極端枯水遭遇的頻度和強(qiáng)度更趨復(fù)雜，給國家水資源安全帶來重大影響，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)大型流域枯水遭遇規(guī)律是科學(xué)實(shí)施跨流域調(diào)水、增強(qiáng)枯水調(diào)劑能力的重要基礎(chǔ)。其科學(xué)問題包括變化環(huán)境下大型流域枯水遭遇的特征和規(guī)律、多要素時(shí)空變異的驅(qū)動(dòng)機(jī)制等。

（2） 變化環(huán)境下黃河流域水文節(jié)律非穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)，特枯和連枯等極端水文干旱事件不斷加劇，導(dǎo)致水資源供需嚴(yán)重失衡、水危機(jī)日益凸顯，科學(xué)認(rèn)識(shí)極端枯水下黃河流域水危機(jī)形成機(jī)理是保障流域水資源安全的重大難題。其科學(xué)問題包括極端水文干旱事件的時(shí)空演化規(guī)律，不同供用水破壞機(jī)制、復(fù)合影響和傳導(dǎo)方式，變化環(huán)境下大型流域水危機(jī)阻斷機(jī)制等。

（3） 以南水北調(diào)工程為主的跨流域調(diào)水工程為解決黃河流域缺水問題提供了可能，然而長江流域枯水給調(diào)水規(guī)模帶來了不確定性。其科學(xué)問題包括極端枯水下南水北調(diào)不同線路從長江調(diào)水的潛力、調(diào)水的生態(tài)環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響等。

（4） 南水北調(diào)工程的調(diào)水區(qū)與受水區(qū)具有多水源供給、多線路互濟(jì)、多工程調(diào)控、多主體博弈等特征。其科學(xué)問題包括在極端枯水下利用天然河湖和人工庫渠水力聯(lián)系構(gòu)建以黃河為紐帶的互濟(jì)調(diào)配水網(wǎng)，協(xié)調(diào)多種水源存量與增量、發(fā)揮多類工程時(shí)空調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化多條線路調(diào)水互補(bǔ)關(guān)系并建立多線路調(diào)水機(jī)制等。

（5） 極端枯水下黃河流域水資源供需失衡更為尖銳，水資源調(diào)配難度加劇。其科學(xué)問題包括極端枯水下黃河流域“三生”用水受損規(guī)律和可承受的破壞底線、考慮跨流域調(diào)水情況下的多水源科學(xué)配置、極端枯水下黃河流域水資源系統(tǒng)韌性提升等。

3 總體研究框架與重點(diǎn)研究方向解析

3.1 總體研究框架

面向水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水的需求，從枯水遭遇機(jī)理、枯水成災(zāi)機(jī)制、枯水應(yīng)對(duì)技術(shù)3個(gè)方面，識(shí)別5個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，分析各問題存在的主要難點(diǎn)，提出5個(gè)重點(diǎn)研究方向及各方向之間的支撐關(guān)系，構(gòu)建水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水的總體研究框架（圖4）。重點(diǎn)研究方向中：“變化環(huán)境下長江、黃河極端枯水遭遇規(guī)律與空間變異機(jī)制識(shí)別”將為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)支撐;“黃河流域水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)多鏈路傳導(dǎo)與復(fù)合影響定量評(píng)估”將為開展極端枯水下黃河流域水資源調(diào)配提供物理機(jī)制支撐;“極端枯水下長江向黃河不同線路調(diào)水挖潛增供”將明確極端枯水下的調(diào)水潛力，是開展長江、黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配和黃河流域水資源調(diào)配的基礎(chǔ);“長江、黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配與多線路互濟(jì)精細(xì)化調(diào)控”將明確極端枯水下進(jìn)入黃河的外調(diào)水量;“極端枯水下流域水資源韌性提升優(yōu)化調(diào)配”是整個(gè)研究的最終環(huán)節(jié)，將提出極端枯水下黃河流域水資源安全保障方案。

3.2 變化環(huán)境下長江、黃河極端枯水遭遇規(guī)律與空間變異機(jī)制識(shí)別

調(diào)水區(qū)不同水源之間、受水區(qū)不同區(qū)域之間、調(diào)水區(qū)與受水區(qū)之間的枯水遭遇是跨流域調(diào)水中不可忽視的問題。第1個(gè)科學(xué)問題主要關(guān)注變化環(huán)境下大型流域間極端枯水遭遇規(guī)律與空間變異機(jī)制，破解該問題的關(guān)鍵在于探明極端枯水的主要成因，考慮變化環(huán)境和多維度特征，建立氣象水文多變量多維聯(lián)合分布和空間變異特征的定量分析方法。

針對(duì)第1個(gè)科學(xué)問題，重點(diǎn)突破以下方面：① 建立描述非一致性條件下多條河流、多個(gè)變量之間相關(guān)特性的多維聯(lián)合分布計(jì)算方法（采用藤Copula方法降維，如式（1）和式（2）），量化百年尺度長江、黃河干支流不同區(qū)域枯水遭遇的頻譜特征，解析長江、黃河枯水遭遇時(shí)空分布規(guī)律;② 考慮大氣環(huán)流、下墊面變化等物理過程，探明流域枯水變化的驅(qū)動(dòng)因子和作用方式;③ 基于空間疊加技術(shù)和集合論搭建空間變異診斷模型（式（3）），建立變化環(huán)境下長江、黃河不同區(qū)域枯水遭遇空間變異定量識(shí)別技術(shù)，探明長江、黃河枯水遭遇的空間變異機(jī)制，提升對(duì)變化環(huán)境下水文學(xué)的理論認(rèn)知。

式中：ri，t為數(shù)據(jù)序列，i=1，2，…，p，p為數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，t為時(shí)段編號(hào);f［t］（r1，t，…，rp，t）為數(shù)據(jù)序列的聯(lián)合密度函數(shù);c［t］1，…，p為數(shù)據(jù)集采用的Copula函數(shù)的密度函數(shù);F［t］i（ri，t）、f［t］i（ri，t）分別為數(shù)據(jù)序列ri，t的累積分布函數(shù)和密度函數(shù)。式（2）采用藤結(jié)構(gòu)中的C藤，將多維Copula函數(shù)分解成一系列迭代條件二維Copula函數(shù)，進(jìn)而用二維方法處理高維問題［43］。

式中：v為自變量X對(duì)因變量Y的空間分異性的診斷變量;設(shè)置分區(qū)原則，將自變量X劃分成L個(gè)分區(qū)，因變量Y也隨之被劃分為L個(gè)分區(qū);h為分區(qū)編號(hào)，h=1，2，…，L;Nh為第h個(gè)分區(qū)包含的單元數(shù);N為所有分區(qū)包含的單元數(shù);σh為因變量Y在第h個(gè)分區(qū)的方差;σ為因變量Y在所有分區(qū)的方差。v取值范圍為［0，1］，v值越大，表示自變量X分區(qū)所造成的因變量Y的空間分異性越強(qiáng)，也說明自變量X對(duì)因變量Y的解釋能力越強(qiáng)。

3.3 黃河流域水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)多鏈路傳導(dǎo)與復(fù)合影響定量評(píng)估

極端枯水是導(dǎo)致黃河流域供用水失衡、誘發(fā)水危機(jī)的主要原因。降水偏少、氣溫偏高、農(nóng)業(yè)擴(kuò)灌、水庫運(yùn)行決策等因素都是水危機(jī)的可能誘因，單一誘因或多個(gè)誘因耦合后，作用于氣象-水文-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中的其他要素，通過串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等路徑將水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步傳遞和放大，直至形成水危機(jī)（圖5）。例如，降水減少引發(fā)河流枯水，導(dǎo)致可供水量減少;降水減少和高溫疊加后造成河道外多個(gè)用水部門需水量增加;供需兩側(cè)變化耦合后形成影響河道內(nèi)外多個(gè)用水部門的水危機(jī)。第2個(gè)科學(xué)問題主要關(guān)注極端枯水下黃河流域水危機(jī)形成機(jī)理，破解該問題的關(guān)鍵在于從多鏈路耦合作用出發(fā)，探明水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)在氣象-水文-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中的多鏈路傳導(dǎo)機(jī)制與阻斷技術(shù)方法。

針對(duì)第2個(gè)科學(xué)問題，重點(diǎn)突破以下方面：① 探明黃河流域極端水文干旱時(shí)空演變規(guī)律，識(shí)別極端枯水在黃河流域水資源系統(tǒng)中的多鏈路傳導(dǎo)機(jī)制;② 建立極端枯水下黃河流域供用水穩(wěn)態(tài)模型，探明極端枯水下黃河流域供用水響應(yīng)變化規(guī)律，揭示供用水失衡破壞機(jī)制;③ 識(shí)別黃河流域水資源風(fēng)險(xiǎn)因素及其串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等傳遞鏈路，提出極端枯水下黃河流域多鏈路復(fù)合影響定量評(píng)估方法，研發(fā)多鏈路驅(qū)動(dòng)的黃河流域水資源系統(tǒng)危害評(píng)估模型;④ 研發(fā)水資源供需失衡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估—閾值研判—危害預(yù)警—分級(jí)響應(yīng)方法，構(gòu)建極端枯水下黃河流域水資源極限狀態(tài)斷鏈減災(zāi)策略庫。

3.4 極端枯水下長江向黃河不同線路調(diào)水挖潛增供

南水北調(diào)是黃河流域規(guī)模最大的外調(diào)水工程。南水北調(diào)東線、中線工程供水范圍涉及黃河流域中下游部分區(qū)域及部分流域外供水區(qū)，未來南水北調(diào)西線工程規(guī)劃直接調(diào)水入黃河［27］。第3個(gè)科學(xué)問題主要關(guān)注極端枯水下長江向黃河的調(diào)水潛力，破解該問題的關(guān)鍵在于綜合考慮南水北調(diào)各線路的工程調(diào)節(jié)作用和生態(tài)保護(hù)要求，科學(xué)評(píng)估極端枯水下不同線路的最大可調(diào)水量。

針對(duì)第3個(gè)科學(xué)問題，重點(diǎn)突破以下方面：① 創(chuàng)建考慮河-湖-庫-渠聯(lián)合調(diào)控的東線增供技術(shù)，評(píng)估極端枯水下東線最大可調(diào)水量（式（4））;② 建立基于引江補(bǔ)漢、引江濟(jì)漢和丹江口水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制的中線綜合挖潛技術(shù)，挖掘極端枯水下中線調(diào)水的潛力（式（5））;③ 提出南水北調(diào)西線工程水源水庫群優(yōu)化調(diào)度模式，創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境約束下的跨流域可調(diào)水量評(píng)估技術(shù)（式（6））?；诖笙到y(tǒng)理論，考慮極端枯水影響耦合多類別挖潛模式，提出考慮上、中、下游水力聯(lián)系的長江向黃河最大可調(diào)水量，形成一套涵蓋南水北調(diào)不同線路的可調(diào)水量挖潛增供技術(shù)體系。

南水北調(diào)東線調(diào)水挖潛增供目標(biāo)J1為河-湖-庫-渠棄水量最?。?/p>

南水北調(diào)中線調(diào)水挖潛的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)丹江口水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制：

ZFL，t≤Zt≤（ZFL，t+ΔZt）（5）

南水北調(diào)西線調(diào)水挖潛的重點(diǎn)在于明確河道內(nèi)生態(tài)需水量，調(diào)度需遵守河道內(nèi)生態(tài)需水量約束：

Qm，t-Wm，t≥Em，t（6）

式中：k為南水北調(diào)東線沿線河流、湖泊、水庫、渠道等具有調(diào)蓄及輸送水資源作用的自然水體或水利工程的編號(hào)，k=1，2，…，K;Sk，t和Dk，t分別為t時(shí)段k水體/工程的供水量和需水量;ZFL，t和Zt分別為t時(shí)段丹江口水庫的汛限水位和蓄水位;ΔZt為t時(shí)段丹江口水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限值與汛限水位的差值，其大小取決于洪水預(yù)報(bào)精度及預(yù)見期、水庫泄流能力、下游保護(hù)對(duì)象的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等因素;m為西線調(diào)水區(qū)調(diào)水河段編號(hào)，Qm，t、Wm，t和Em，t分別為t時(shí)段第m個(gè)調(diào)水河段的來水量、調(diào)出水量和河道內(nèi)生態(tài)需水量。

3.5 長江、黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配與多線路互濟(jì)精細(xì)化調(diào)控

長江、黃河之間已經(jīng)形成了河-湖-庫-渠巨型水網(wǎng)系統(tǒng)雛形（圖6）：南水北調(diào)東線一期工程、中線一期工程、引紅濟(jì)石工程已建成生效，引漢濟(jì)渭工程即將生效，可有效補(bǔ)充黃河流域中、下游供水;南水北調(diào)東中線后續(xù)工程、西線工程、白龍江引水工程在規(guī)劃中，將進(jìn)一步增加調(diào)水規(guī)模，其中西線工程影響范圍可覆蓋黃河上、中、下游主要供水區(qū);調(diào)水工程通過人工渠系連通長江、黃河，工程途徑南四湖、洪澤湖等天然湖泊及丹江口水庫、龍羊峽水庫等水利樞紐，構(gòu)成了河-湖-庫-渠之間的水力聯(lián)系通道。第4個(gè)科學(xué)問題主要關(guān)注長江、黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配，破解該問題的關(guān)鍵在于建立河-湖-庫-渠間的成網(wǎng)互濟(jì)機(jī)制，構(gòu)建水網(wǎng)條件下的跨流域水資源精細(xì)化調(diào)控技術(shù)。

針對(duì)第4個(gè)科學(xué)問題，重點(diǎn)突破以下方面：① 理清長江、黃河天然河湖與人工庫渠的水力聯(lián)系及互補(bǔ)關(guān)系，明晰多個(gè)調(diào)水線路間的相互影響機(jī)理，建立跨流域多線路成網(wǎng)互濟(jì)的調(diào)水機(jī)制，提出長江、黃河跨流域多線路成網(wǎng)互濟(jì)方案;② 創(chuàng)建南水北調(diào)多線路互濟(jì)、多水源互補(bǔ)、多時(shí)空尺度嵌套、多目標(biāo)協(xié)同的跨流域水資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)，提出時(shí)空均衡、量質(zhì)協(xié)調(diào)、豐枯互濟(jì)的調(diào)配模式;③ 研發(fā)河-湖-庫-渠巨型水網(wǎng)水資源調(diào)控模擬模型，定量評(píng)估極端枯水情景下多線路向黃河的調(diào)水增供能力，提高跨流域水資源調(diào)配精細(xì)化模擬水平。

3.6 極端枯水下流域水資源韌性提升優(yōu)化調(diào)配

如果發(fā)生長江、黃河同時(shí)枯水的極端不利情景，黃河流域本地水大幅偏少、外調(diào)水可調(diào)水量受限，水資源安全面臨極大挑戰(zhàn)。極端枯水下流域水資源安全保障不僅要關(guān)注缺水量，還需要關(guān)注缺水破壞過程和破壞后的恢復(fù)過程，確保經(jīng)歷缺水后流域水資源系統(tǒng)可以恢復(fù)至正常狀態(tài)，即具備應(yīng)對(duì)極端枯水的“韌性”。韌性指系統(tǒng)受到擾動(dòng)后能夠恢復(fù)到擾動(dòng)前的狀態(tài)［44］。第5個(gè)科學(xué)問題主要關(guān)注在長江、黃河枯水遭遇的情況下黃河流域水資源安全保障，破解該問題的關(guān)鍵在于從機(jī)制層面解析黃河流域各行業(yè)用水破壞底線，明確本地水最大供水潛力，面向多水源建立水資源精準(zhǔn)配置技術(shù)。

針對(duì)第5個(gè)科學(xué)問題，重點(diǎn)突破以下方面：① 研發(fā)結(jié)構(gòu)化的流域水資源供需雙側(cè)協(xié)同分析方法，提出極端枯水下黃河流域“三生”分層用水閾值及底線用水閾值;② 建立極端枯水下地表水調(diào)蓄增供、地下水彈性開采、非常規(guī)水極限利用及外調(diào)水多線路互濟(jì)挖潛增供評(píng)估方法，提出多水源分級(jí)供水準(zhǔn)則;③ 構(gòu)建抑制需求—挖潛增供—成網(wǎng)互濟(jì)的黃河流域水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分階段阻斷策略庫，建立流域水資源系統(tǒng)韌性提升優(yōu)化調(diào)配方法和模型;④ 構(gòu)建跨流域調(diào)配的黃河流域水資源聯(lián)合調(diào)配系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，研發(fā)長江、黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配與多線路互濟(jì)精細(xì)化智能調(diào)控模擬平臺(tái)。提出應(yīng)對(duì)極端枯水的黃河流域水資源安全保障路線圖，提升極端枯水下黃河流域水資源安全保障能力。

極端枯水下流域水資源系統(tǒng)韌性調(diào)控過程如圖7所示。將需水劃分為底線需水、基本需水和適宜需水3個(gè)層次，其中，底線需水是必須保障的最小需水量，供水量低于該閾值會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境造成難以恢復(fù)的嚴(yán)重破壞。對(duì)于缺水流域，常態(tài)情況下供水量低于需水量，部分適宜需水無法得到滿足。隨著枯水的發(fā)生，流域可供水量持續(xù)減少，雖然通過節(jié)水挖潛、水庫增供等方式增加抗旱水源，但是用水破壞不斷加深，水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增加，流域水資源系統(tǒng)韌性水平持續(xù)降低。當(dāng)可供水量等于底線需水時(shí)，需要采取最嚴(yán)格的措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行阻斷，保障底線需水不被突破，將這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)稱為風(fēng)險(xiǎn)阻斷點(diǎn)。此后枯水仍可能繼續(xù)發(fā)展，但需要通過非常規(guī)水源挖潛、啟用應(yīng)急水源、增加外調(diào)水量等多種措施增加可供水量，逐漸減小供需缺口，提升流域水資源系統(tǒng)韌性?？菟_(dá)到峰值后開始逐漸減弱，流域缺水問題進(jìn)一步緩解，基本需水得到保障，逐漸恢復(fù)對(duì)適宜需水的供給，水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)減弱，流域水資源系統(tǒng)韌性持續(xù)提升直至恢復(fù)常態(tài)。

4 結(jié)? 論

在全球氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)的共同影響下，跨越多個(gè)空間尺度的復(fù)合型極端水文事件愈發(fā)頻繁，如果發(fā)生長江、黃河枯水遭遇情景，黃河流域水資源安全保障將面臨極大挑戰(zhàn)。本文分析了黃河流域在應(yīng)對(duì)極端枯水中存在的現(xiàn)實(shí)問題與需求，識(shí)別了關(guān)鍵科學(xué)問題，提出了總體研究框架和重點(diǎn)研究方向，得到以下結(jié)論：

（1） 1956—2016年長江大通站、黃河花園口站有18.0%的概率同時(shí)經(jīng)歷枯水年，且近60 a黃河多個(gè)水文站天然徑流量顯著衰減，未來長江、黃河面臨同枯的風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 針對(duì)水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水的需求，需要解決5個(gè)科學(xué)問題，分別是變化環(huán)境下大型流域枯水遭遇規(guī)律、極端枯水下水危機(jī)形成機(jī)理、極端枯水下南水北調(diào)工程調(diào)水潛力、長江和黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配、極端枯水下黃河流域水資源安全保障。

（3） 需要開展基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)、模型平臺(tái)等系統(tǒng)研究，識(shí)別變化環(huán)境下長江、黃河極端枯水遭遇規(guī)律與空間變異機(jī)制，建立黃河流域水危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)多鏈路傳導(dǎo)與復(fù)合影響定量評(píng)估、極端枯水下長江向黃河不同線路調(diào)水挖潛增供、長江和黃河跨流域聯(lián)合調(diào)配與多線路互濟(jì)精細(xì)化調(diào)控、極端枯水下流域水資源韌性提升優(yōu)化調(diào)配等技術(shù)體系。

開展水網(wǎng)布局下黃河流域應(yīng)對(duì)極端枯水的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，將提升大型流域?qū)O端枯水的應(yīng)對(duì)能力，為深入推進(jìn)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、南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。

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Key scientific issues of dealing with extreme dry events in the

Yellow River basin under the layout of water network

Abstract：Extreme meteorological and hydrological events frequently occur in the changing environment.The Yangtze River and Yellow River are facing the risk of simultaneous dry events.This paper analyzes the practical problems encountered in the Yangtze River basin and Yellow River basin following the construction of the national water network in order to ensure water resources security in the Yellow River basin when these two rivers experience simultaneous dry events.Urgent key scientific problems that need to be addressed include simultaneous dry events of large-scale basins in the changing environment，water crisis formation，interbasin water transfer potential，water network formation and the water transfer mechanism of multi-line projects，water resources security assurance during extreme dry events.An overall research framework for addressing extreme dry events in the Yellow River basin under the layout of the water network is proposed.Key research directions are analyzed from five aspects，namely，occurrence patterns and spatial variation mechanisms of simultaneous dry events in the Yangtze River and the Yellow River;quantitative assessment of multi-link transmission and compound impact of water crisis risk;interbasin water transfer potential in extreme dry events，interbasin water allocation and refined regulation of multi-line water transfer projects;and improvement of the resilience of thebasin water resource system during extreme dry events.

Key words：extreme dry events;simultaneous dry events;water crisis;interbasin water regulation;resilience of water resource system;South-to-North Water Diversion Project;Yellow River;Yangtze River