南水北调东、中线受水区水资源、经济、生态和谐发展模型

南水北调工工程实施后,各受水区也面临着一些亟待解决的问题,例如外调水与当地原有水资源的配置、水利管理运行模式与体制、不同水质的水处理、地下水压采问题等等。本文以山东省为例就以上各种问题作一探讨。

河北省水资源匮乏,水环境污染严重。南水北调中线工程的实施将为缓解河北省的水危机产生极为重要的意义。为了更好地保护利用供水区水资源,必须采取切实可行的水资源保护措施。

南水北调东线工程是一项特大型跨流域、多水源的调水工程,配置与调度其沿线受水区城市的水资源是一个极其复杂的过程.本文建立了基于复杂系统的南水北调东线受水区城市水资源配置模型,并通过实例数据对模型中各类对象间的相互作用情况进行模拟,得到了有关受水区城市水资源配置中各类对象间相互作用以及演化行为的模拟结果.

选取南水北调中线一期工程受水区为研究对象,以受水区涉及的112座县级市(区、县城)为单元,进行生态水文分区。根据受水区的生态水文特征,建立生态水文分区的指标体系值数据库。经过spss聚类分析,共分为5个生态水文区。系统分析了各生态水文区的生态水文特征,尤其是对表征地下水超采严重程度的指标——地下水位的动态变化进行了重点分析。分区结果可为深入进行南水北调中线工程沿线生态影响评估及水资源可持续管理提供科学依据。

南水北调中线霸州市供水区主要为霸州市城区和胜芳工业区供水,为保证南水北调通水后水资源的高效利用,对供水区不同水资源量进行分析,提出配置方案。

[目的]了解南水北调中线工程水源区与受水区历史旱涝变化特征,分析及预估该工程因气候变化导致"无水可调"的风险,为科学调度与决策提供依据。[方法]利用南水北调中线工程流域内近500a旱涝资料及1961—2015年气象站日降水量资料,分析近500a来南水北调中线工程水源区及受水区的旱涝遭遇特征及调水保障概率,同时利用21个cmip5全球气候模式降尺度后的模拟预估结果,对rcp4.5排放情景下未来的旱涝遭遇特征进行预估研究。[结果](1)近500a来,水源区旱年出现概率呈先减少后增加趋势,20世纪以来水源区干旱年出现概率处于历史高位,达31.7%；(2)受水区淮河流域的调水保障概率最高(达87.3%),唐白河流域调水保障概率最低(为78.4%)；(3)20世纪以来各流域与水源区同旱概率均处于历史高位,汉—唐、汉—海持续同旱概率高于汉—淮；(4)秋汛期(9—11月)为调水最有利的时段,非汛期3个流域的调水保障概率均在80%以上。(5)cmip5模式预估结果显示未来各受水区调水保障概率均在87%以上。[结论]20世纪以来水源区与受水区同旱概率处于近500a来高位,未来调水朝有利方向发展,但21世纪后期面临较大的同涝风险。

为科学、合理地制定南水北调工程水价,以南水北调可行性研究报告中的投资数据为基础,采用分段分解法将投资分解到干线工程途经的地市级行政区,基于受益分摊原则,按照各受水行政区规划的分配调水量,将输水损失、工程投资、运行成本等在东线和中线途经行政区中进行分摊,确定各行政区分摊的调水总成本费用,计算得出不同资本金利润率下各行政受水区的调水水价,以期为南水北调运行管理阶段的水价制定提供参考。

南水北调中线工程实施后,河南省受水区将形成一个由南水北调水、当地地表水和地下水、城市中水等多种水源的联合供水系统。针对南水北调来水过程不均,受水区水缺乏必要的调蓄工程等特点,分析制定了水资源配置原则,建立了多水源、多目标联合调算的水资源配置模型,通过长系列供需平衡计算,合理确定了不同受水区域和不同部门间的供需水量,并提出了如何充分利用南水北调水和当地水资源的建议和措施。为保障受水区水资源可持续利用、水环境得到恢复和改善、促进经济社会可持续发展提供了科学依据。

南水北调工程供水是商品,完整的南水北调工程水价要包括资源水价、工程水价和环境水价南水北调工程水价可以通过调节水资源供需平衡和水价格弹性,以正确引导商品水的消费模式和消费需求从而促进受水区产业结构调整,引导南水北调工程良性运行,实现受水区水资源的优化配置。

本文结合陕西省内南水北调工程,针对规划水平年2020年和2030年,从仅有当地供水系统供水和南水北调供水系统供水两个方面,以缺水率和缺水指数为评估指标进行研究。对南水北调供水系统,分别考虑建立当仅有三河口水库单独供水、黄金峡水库和三河口水库联合供水两种方案,当采用黄金峡水库和三河口水库联合供水时,以南水北调可调水量限制条件分情景一:可调水量10亿m3;情景二:可调水量15.5亿m3进行探讨。研究结果表明:当仅有当地供水系统供水时,受水区内水资源供需紧张;当以南水北调供水系统仅考虑三河口水库供水时,受水区内缺水状况依然存在,当以可调水量10亿m3黄金峡水库和三河口水库联合供水时,年缺水指数由2020年的3.17增加到2030年的8.18,水资源供需状况依然紧张,以可调水量15.5亿m3供水时年缺水指数由2020年的0.82增加到2030年的3.31,较情景一年缺水指数已有改善。可见,以可调水量15.5亿m3供水时,2020年基本可以满足需水要求,但2030年后供需矛盾仍然突出,必须安排新的水源以满足后期增加的水资源需求。

建设南水北调工程是缓解我国北方地区水资源短缺状况,促进水资源优化配置的重要措施。工程通水后,将形成受水区当地地表水、地下水、工程水和南水北调工程外调水等多水源供水格局。通过建立受水区多水源水价模型,适当调整受水区综合水价,引导人们调整用水行为,可以实现南水北调工程的良性运行和受水区水资源的优化配置,达到人与自然的和谐共处。

南水北调工程是缓解我国北方地区水资源短缺状况,促进水资源优化配置的重要工程。工程通水后,将形成受水区当地地表水、地下水、工程水和南水北调工程外调水多种水源供水格局。通过建立受水区多水源水价模型,适当调整受水区综合水价,引导人们调整用水行为,可以实现南水北调工程的良性运行和受水区水资源的优化配置,达到人与自然的和谐共处。

南水北调一期工程是缓解我国北方地区水资源短缺状况,促进水资源优化配置的重要措施。工程通水后,将形成受水区当地地表水、地下水、工程水和南水北调工程外调水多种水源供水格局。通过建立受水区多水源水价模型,适当调整受水区综合水价,引导人们调整用水行为,可以实现南水北调工程的良性运行和受水区水资源的优化配置,达到人与自然的和谐共处。

通过对石家庄市南水北调受水区的水资源开发利用现状和规划水平年的供需预测分析,提出了石家庄市是资源性缺水地区,只能通过外流域调水来解决缺水矛盾,阐述了南水北调工程建设势在必行,只有尽快实施南水北调工程,才是解决石家庄市水危机的根本措施。并在考虑引江水的基础上,进行了水资源的优化配置,提出了水资源配置对策和配置方案。

水资源价值的定量分析对于创建科学合理的水价体系和缓解缺水地区的水资源供需矛盾有着重要意义.通过效益分摊系数法计算了南水北调中线和东线受水区工业和农业单位用水的净效益,建立了以区域用水净效益最大为目标函数、以供需水量限制及调水水渠流量限制为约束条件的水资源优化配置模型.应用线性规划求解得到南水北调东线受水区黄河以南、山东半岛和黄河以北3个子区的水资源影子价格分别为1.00元/m^3、4.31元/m^3和3.89元/m^3,南水北调中线受水区河南、河北、北京和天津4个子区的水资源影子价格分别为3.67元/m^3、4.41元/m^3、2.20元/m^3和2.19元/m^3.该结果即为水资源理论价值,可为南水北调受水区制定科学合理的水价标准和完善水价体系提供科学依据.

根据河南省水资源状况及国民经济发展总体规划、城市总体规划,预测受水区城市2010水平年总需水量41．89亿m~3,当地可供水量11．50亿m~3,供需平衡后尚缺水30．39亿m~3。南水北调中线工程实施后多年平均向受水区供水29．79亿m~3,可有效地缓解受水地区严重缺水状况,改善区域生态环境,支撑该地区经济和社会可持续发展。

河南省南水北调受水区主要包括南阳、漯河、郑州等11座城市。为了明确受水区的水量供需情况,以2004年为现状年进行水量评价,在此基础上对2015年水量进行预测及水量均衡分析。分析结果为:受水区现状年总供水量21.35亿m3,2015年水量将出现负均衡,缺水9.36亿m3。

一、陕西省南水北调受水区概况1.陕西省南水北调陕西省南水北调工程包括三条调水线路,即西线引红济石工程、中线引汉济渭工程和东线引乾济石工程。其中,引红济石工程正处在施工建设阶段,预计2015年完工;引汉济渭工程目前正在施工建设阶段,该工程规划在汉江干流修建黄金峡水电枢纽,并在黄金峡水电站枢纽库区左岸修建抽水站,抽汉江干流的水通过"黄三"隧洞进入汉江左岸支流子午河上

水资源价值的定量分析对于创建科学合理的水价体系和缓解缺水地区的水资源供需矛盾有着重要意义。通过效益分摊系数法计算了南水北调中线和东线受水区工业和农业单位用水的净效益,建立了以区域用水净效益最大为目标函数、以供需水量限制及调水水渠流量限制为约束条件的水资源优化配置模型。应用线性规划求解得到南水北调东线受水区黄河以南、山东半岛和黄河以北3个子区的水资源影子价格分别为1.00元/m3、4.31元/m3和3.89元/m3,南水北调中线受水区河南、河北、北京和天津4个子区的水资源影子价格分别为3.67元/m3、4.41元/m3、2.20元/m3和2.19元/m3。该结果即为水资源理论价值,可为南水北调受水区制定科学合理的水价标准和完善水价体系提供科学依据。

基于copula理论,以标准化降水蒸散指数（spei）为干旱指标,建立了南水北调中线工程水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年spei的联合分布,并结合未来气候模式数据,研究了变化情景下南水北调中线工程水源区与海河受水区各时期干旱遭遇概率变化及其对工程运行风险的影响.研究结果表明：过去几十年,南水北调中线工程水源区与海河受水区总体呈现变旱趋势;在rcp4.5和rcp8.5两种未来气候变化情景下,水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年同旱事件发生概率较现状有不同程度的增加,尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明显增大,增加的幅度分别达到2.99%-6.1%和2.67%-3.63%.在未来变化情景下,水源区与海河受水区干旱遭遇变化可能会对工程运行带来风险,因此,有必要研究相应的适应性对策以保证工程的正常安全运行.

根据南水北调中线工程河北省受水区水资源的特点,通过对水资源优化配置研究,以重点解决充分利用外调水、提高重点供水目标保证率、促进区域水资源供需状况相对平衡为目标,建立该区域的水资源优化配置模型,对模型的目标函数、约束条件和参数确定进行了初步探讨,并对模型的计算结果进行了分析。

运用多目标规划和动态规划的基本理论,以济平干渠供水区为例,建立了南水北调工程山东段实时调度数学模型,用遗传算法对所建立的模型进行求解,获得供水区水资源优化分配方案、东平湖及济平干渠按年、月、旬等不同时段的优化调度方案。结果表明,遗传算法求解多目标优化问题较为有效,研究成果对南水北调工程山东段水资源的实时调度及管理具有一定的理论价值和实际意义。