跨流域調(diào)水水量配置問題研究

跨流域調(diào)水水量配置問題研究

1開發(fā)和建設(shè)跨流域洪水工程,成為水資源研究的新方向水資源的缺乏已成為制約中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的瓶頸。由于受到地形和氣候的影響,中國的水資源分布很不均勻。根據(jù)近十年中國水資源公報等數(shù)據(jù)統(tǒng)計,南方水資源量占全國的81%,而北方僅占19%。北方人口和灌溉耕地分布占全國的46%和59%,國內(nèi)生產(chǎn)總值占全國的45%,人均水資源量卻不到南方流域的三分之一,水資源與土地、人口以及社會經(jīng)濟中心的分布極不協(xié)調(diào)。在不同區(qū)域內(nèi)部,水資源和土地、光熱資源的分布也不協(xié)調(diào),造成水源區(qū)與用水中心的偏離。因而,實施跨流域調(diào)水是緩解區(qū)域水資源短缺的有效措施。但由于調(diào)水工程其對于區(qū)域經(jīng)濟社會、環(huán)境和生態(tài)的巨大影響,使得工程的規(guī)劃設(shè)計和運行必須綜合權(quán)衡各方面因素決策,尋求合理方案。目前,國內(nèi)已經(jīng)興建了“引灤入津”“引黃濟青”等多項跨流域調(diào)水工程。同時,南水北調(diào)東中線一期工程正在實施,其他諸如東北地區(qū)的“東水西調(diào)”和“北水南調(diào)”、山西的“萬家寨引黃”等多個大型跨流域調(diào)水工程也在規(guī)劃或者建設(shè)之中。未來調(diào)水工程的運行調(diào)度將成為水資源管理部門乃至各級政府的重點。可以預見,對調(diào)水工程的研究必將逐漸擴展并深入,成為水資源領(lǐng)域以及相關(guān)學科的一個熱點方向,而科學的水量配置是外調(diào)水工程規(guī)劃和運行管理的理論基礎(chǔ)。所以,總結(jié)現(xiàn)有的外地水水量配置和工程調(diào)度運行的相關(guān)研究,揭示存在的各種問題,深入探討跨流域調(diào)水工程運行調(diào)度和水量配置的技術(shù)方法和未來發(fā)展趨勢具有重大意義。2中國研究現(xiàn)狀2.1在跨流域補水決策的應(yīng)用技術(shù)研究跨流域調(diào)水是水資源開發(fā)利用的高級階段,具有較高的技術(shù)含量和復雜性,對于外調(diào)水工程的規(guī)劃、運行管理和效果評價等相關(guān)研究通常都是以具體工程為背景進行,尚未形成系統(tǒng)的學科。20世紀90年代劉國緯以南水北調(diào)東線工程為實例,闡述了跨流域調(diào)水系統(tǒng)運行管理的基本原理和方法,包括水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分析、來水預報和用水預測模型、年優(yōu)化調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)問題,首次全面完成了對跨流域調(diào)水系統(tǒng)相關(guān)概念和理論方法的全面論述。中國水科院等單位系統(tǒng)總結(jié)了以往工作經(jīng)驗,將宏觀經(jīng)濟、系統(tǒng)方法與區(qū)域水資源規(guī)劃實踐相結(jié)合,提出了基于宏觀經(jīng)濟的多層次、多目標、群決策方法的水資源優(yōu)化配置理論,開發(fā)出華北宏觀經(jīng)濟水資源優(yōu)化配置模型,對南水北調(diào)工程實施的多個方案進行了情景分析,在水資源配置整體框架中分析了外調(diào)水分配的基本原則及其影響作用。優(yōu)化方法和相應(yīng)模型是研究跨流域調(diào)水配置的重要手段。20世紀80年代,雷聲隆(1989)等在常規(guī)模擬技術(shù)基礎(chǔ)上,引入在線辨識、自適應(yīng)補償?shù)葯C制提出了多庫聯(lián)調(diào)的自優(yōu)化模擬模型,對東線一期工程五個湖泊的聯(lián)合調(diào)度效應(yīng)進行了研究,以最小抽江水量為目標,考慮供水、航運、水庫運行等多種約束,得出了低能耗滿足系統(tǒng)用水需求的調(diào)水方案。以此為基礎(chǔ),邵東國和郭元裕等(1994)提出了以自優(yōu)化模擬技術(shù)為核心的跨流域調(diào)水決策模型,并引入了大系統(tǒng)多層次分解協(xié)調(diào)和多維動態(tài)規(guī)劃等技術(shù)方法,通過模型運行可以確定調(diào)水系統(tǒng)的工程布局及其運行調(diào)度過程,并以南水北調(diào)東線工程為例,計算了供水和航運在不同保證率目標和沿線渠道水流雙向流動條件下的優(yōu)化決策方案。自優(yōu)化模擬技術(shù)對于調(diào)水工程運行的應(yīng)用其優(yōu)勢即在于可以充分結(jié)合運行規(guī)則,同時便于操作者控制。仿真系統(tǒng)構(gòu)建也是研究跨流域調(diào)水系統(tǒng)的重要手段。趙勇等(2003)在對南水北調(diào)東線工程進行系統(tǒng)概化的基礎(chǔ)上,用系統(tǒng)仿真理論建立了該工程的水量調(diào)配仿真系統(tǒng)和調(diào)度模型,并采用模糊數(shù)學的理論將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標函數(shù)求解,進行了水量調(diào)配計算。孟文杰(2002)和劉建林(2003)等也分別對南水北調(diào)的中線和東線系統(tǒng)建立了聯(lián)合調(diào)水仿真模型。采用優(yōu)化方法分析跨流域調(diào)水工程的規(guī)劃和運行調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問題之一便是如何確定目標函數(shù)。由于跨流域調(diào)水涉及的因素較多,可以從受水區(qū)的用水需求滿足度、調(diào)水工程的運行成本、系統(tǒng)棄水等多個角度考慮,但多目標問題分析和求解的復雜性也限制了對不同目標的并行考慮,因而采用簡捷的目標表達多層因素是一種較好的選擇。吳澤寧等(1997)在總結(jié)流域水資源系統(tǒng)特點基礎(chǔ)上,提出以調(diào)出流域的調(diào)節(jié)水庫和受水區(qū)流域的蓄水水庫和輸水系統(tǒng)的運行費用最小為目標,以一個目標反映多重需求,采用閉環(huán)控制系統(tǒng)方法建立了具有自優(yōu)化功能的通用流域水資源系統(tǒng)模擬規(guī)劃模型,進而給出跨流域調(diào)水工程系統(tǒng)規(guī)劃模型。王勁峰等(1997)提出了區(qū)際調(diào)水時空優(yōu)化配置理論模型,該模型通過設(shè)定調(diào)水工程最優(yōu)運行的目標和相關(guān)約束,實現(xiàn)對水資源進行時間、空間和部門三個維度上的分配,為區(qū)域調(diào)水的可行性和水量分配方案提供決策支持。在實時調(diào)度中系統(tǒng)的預留期效益也是影響調(diào)水工程運行的一大因素,而工程運行調(diào)度圖是解決這一問題的簡便實用方法。張建云等(1995)針對南水北調(diào)東線工程的優(yōu)化調(diào)度提出了優(yōu)化和模擬技術(shù)結(jié)合的方法,并在目標函數(shù)中考慮了各子目標函數(shù),以此解決不同供水目標平衡協(xié)調(diào)問題,確定了工程調(diào)度圖的優(yōu)化方法。盧華友等(1997)建立了基于多維動態(tài)規(guī)劃和模擬技術(shù)相結(jié)合的大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)實時調(diào)度模型,提出了利用水源區(qū)水庫調(diào)度圖指導面臨時段的調(diào)水決策以考慮預留期效益的建議,并以南水北調(diào)中線工程為背景進行了實例驗算。王銀堂等(2001)針對南水北調(diào)中線工程供水系統(tǒng)的特點,應(yīng)用大系統(tǒng)遞階分析的原理和方法,建立了三層遞階水量優(yōu)化調(diào)度模型,采用模擬技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的途徑,求解出滿足系統(tǒng)整體供水目標的工程運行調(diào)度圖。近年來,隨著調(diào)水工程和系統(tǒng)水資源調(diào)配重要性的凸現(xiàn),一些比較新的思路方法也得到了應(yīng)用。王慧敏等(2004)提出基于供應(yīng)鏈管理的南水北調(diào)水資源配置與調(diào)度方法,并分析了南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度供應(yīng)鏈的概念模型和運作模式。于陶等(2006)分析了南水北調(diào)東線工程的建設(shè)與運行機制,將新型金融工具—期權(quán)理論引入到水權(quán)轉(zhuǎn)讓中,建立南水北調(diào)東線工程虛擬“水銀行”,指出該方法在規(guī)避水源用戶相應(yīng)的自然和市場風險的同時,有利于重塑節(jié)水與效益的關(guān)系,是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的一種有效途徑。張郁(2006)通過分析美國加州“水銀行”的水權(quán)交易模式,提出借鑒現(xiàn)代銀行業(yè)的運行機制,并結(jié)合受水區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀,建立規(guī)范化、組織化和現(xiàn)代化的南水北調(diào)“水銀行”水權(quán)交易模式,并采取相應(yīng)的政府宏觀調(diào)控措施,可以切實體現(xiàn)南水北調(diào)工程的“國家宏觀調(diào)控、準市場運作、企業(yè)化經(jīng)營、用水戶參與”的基本思路。2.2開發(fā)管理方面的水權(quán)和水市場體制由于跨流域調(diào)水涉及不同區(qū)域的水資源管理部門,工程的管理體制以及水價系統(tǒng)對于調(diào)水系統(tǒng)的持續(xù)運行極為重要。目前對跨流域調(diào)水工程的管理模式和水價方面的相關(guān)研究逐漸引起社會重視。以電力系統(tǒng)負荷類比分析外調(diào)水在受水區(qū)水量配置中作用,始終存在以外調(diào)水作為調(diào)峰和基荷兩種基本策略。就工程可行性分析而言,應(yīng)當是在本地水不足時才考慮外調(diào)水的補充,所以其分析思路應(yīng)當是優(yōu)先本地水,再考慮由外調(diào)水對需求缺口進行補充。考慮調(diào)水過程的設(shè)計供水能力,若在工程建成后按照完全優(yōu)先本地水源的方式運行,則調(diào)水工程只能在枯水時段或用水高峰時才能啟用,不利于工程的經(jīng)濟運行;而外調(diào)水完全優(yōu)先則又會可能造成成本更低的本地水的浪費。針對上述困境,目前兩部式水價是一種比較合理可行的價格機制,既可保障外調(diào)水工程的基本運行,同時提高用水效率,充分發(fā)揮外調(diào)水和本地水的聯(lián)合調(diào)配作用。兩部制水價將供水價格分為容量水價和計量水價兩部分。容量水費用于補償供水工程每年發(fā)生的固定費用,計量水費用于補償供水工程的變動費用。該水價體制有效兼顧了供水的自然屬性、經(jīng)濟屬性以及供需水變動的規(guī)律性,可以保障調(diào)水工程的正常運行并持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮效益,同時兼顧供水經(jīng)營者和用水戶雙方的利益。通過兩部式水價的實施可以達到外調(diào)水和本地水聯(lián)合供水的目標,二者承擔供水的關(guān)系見圖1。以兩部式水價思路為指導,不少學者進行了相關(guān)的水價機制和水量配置研究。楊方廷等(2002)提出了中線工程水價仿真模型系統(tǒng),建立了目標函數(shù)、水價模型、還貸模型及約束模型,分析確定了主要仿真參數(shù)。通過仿真分析,測算了不同條件下的中線受水區(qū)供水價格的變化,并利用投入產(chǎn)出模型分析了水價變化對相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品價格的影響。鄢碧鵬等(2005)分析了容量水價和計量水價的構(gòu)成和影響因素,明確了容量水價主要由國家投資政策決定,是國家調(diào)控調(diào)水水價的基本手段,計量水價由供水的資源成本、工程成本和環(huán)境成本組成,是調(diào)水工程市場化運作的基礎(chǔ),提出了容量水價和計量水價的計算方法。葉新霞等(2005)提出了包括固定水價、變動水價和混合水價在內(nèi)的三部制水價計收方式,并按干渠、口門和用戶端等不同層次和重點測算水價,通過水費占工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和居民收人的比例及調(diào)水工程對水價總水平影響的程度等分析用戶對調(diào)水水價的承受能力。有關(guān)跨流域調(diào)水的水權(quán)和水市場體制也是影響管理制度建設(shè)和水量分配的重要因素。雖然水權(quán)和水市場等概念引入國內(nèi)的時間不長,還處于摸索和試點建設(shè)的階段。但跨流域調(diào)水的水權(quán)是關(guān)系到水資源開發(fā)中的公平和效率原則的核心問題,跨流域調(diào)水形成的區(qū)域水資源重分配,可以形成更高的水資源利用效率,促進經(jīng)濟發(fā)展,也可能因規(guī)劃設(shè)計不周導致區(qū)域間的不公平。水權(quán)實際上是對調(diào)水利益的劃分,合理控制水權(quán)分配才能便于進一步界定各級政府和管理部門的責、權(quán),明晰供水管理公司與受水用戶之間的水量配置關(guān)系。劉斌等(2002)以南水北調(diào)工程為例論述了調(diào)水工程和水權(quán)制度之間的關(guān)系。闡述了當?shù)厮畽?quán)的明晰是確定調(diào)水需求量的關(guān)鍵、明確調(diào)水水權(quán)是工程建設(shè)和管理的前提、水權(quán)是解決水源地補償?shù)谋匾侄?。劉洪?2002)參照水權(quán)基本理論,從市場經(jīng)濟體制、水資源狀況和工程實際出發(fā),提出了南水北調(diào)工程水權(quán)分配的基本思路,并將水權(quán)具體分解為生活用水優(yōu)先、糧食安全原則、可持續(xù)發(fā)展、效率優(yōu)先、補償原則和政治影響因素等多項原則,控制不同時期和區(qū)域的調(diào)水分配。李萍等(2002)提出通過跨流域調(diào)水水權(quán)制度和水量分配之間的量化關(guān)聯(lián),避免以往規(guī)劃中以需求確定工程規(guī)模,從而給出合理的調(diào)水規(guī)模和運行原則。黃薇等(2006)針對跨流域調(diào)水水權(quán)分配與水市場運行機制初步探討,提出了跨流域調(diào)水初始水權(quán)分配方法、水市場的三級結(jié)構(gòu),提出了跨流域調(diào)水初始水權(quán)下的水市場運行和管理模式及制度化建設(shè)框架。2.3水文生態(tài)工程的宏觀影響評價研究由于跨流域調(diào)水工程規(guī)模龐大,對受水區(qū)和水源區(qū)的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境具有多重效應(yīng)的影響。因此,調(diào)水工程水量配置后的綜合效應(yīng)和影響評價也逐漸受到重視,成為外調(diào)水配置研究中不可缺少的一部分。李善同和許新宜(2004)提出了適合我國國情的大型水利工程宏觀影響評價的指標和定量分析方法,對南水北調(diào)工程經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境三方面的宏觀影響作了評價研究,給出了大型跨流域調(diào)水工程全面綜合評價的實例。方生等(2002)針對黃淮海平原地下水超采嚴重的事實,評價了南水北調(diào)對恢復區(qū)域地下水位的效應(yīng),分析了外調(diào)水和本地水聯(lián)合配置實現(xiàn)受水區(qū)的恢復地下水位并防止外調(diào)水導致的次生鹽堿化問題的具體措施。劉昌明(2003)闡述了南水北調(diào)工程對修復華北平原地下水枯竭的潛在生態(tài)效應(yīng),并提出了技術(shù)與體制的框架,明確指出南水北調(diào)重大生態(tài)效益之一在于對地下水回灌的作用。馮耀龍等(2004)提出以水資源承載力為途徑分析跨流域調(diào)水合理性的方法,給出了跨流域調(diào)水應(yīng)遵循的幾條原則,通過模糊數(shù)學方法建立了針對各原則實施評價的隸屬函數(shù),從而定量給出了跨流域調(diào)水合理性評價的綜合評價方法。3關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢3.1技術(shù)問題研究由于跨流域調(diào)水工程的復雜性,目前對調(diào)水工程的各類研究多集中于某一具體方面,缺乏綜合性和整體性,對跨流域調(diào)水工程的運行調(diào)度、水量分配方面還需要解決以下主要技術(shù)問題。3.1.1水量配置的經(jīng)濟性由于水文過程隨機性,受水區(qū)來水量和需水量都有相當大的不確定性。通常受水區(qū)具有一定的本地水資源量,在枯水和用水高峰將出現(xiàn)缺水,而水量豐沛和水量需求不高的時段可以由本地水資源進行供給。因而,受水區(qū)對調(diào)水的需求具有比較強的時段性。由于較高的運行維護費,跨流域調(diào)水成本必然高于本地水價。從受水區(qū)水量配置的經(jīng)濟性講,本地水量必然優(yōu)先于外調(diào)水量,后者作為補充水量。而從工程經(jīng)濟運行角度講,則結(jié)論正好相反。受水區(qū)若單純采用外調(diào)水量作為補充水源則必然會影響到外調(diào)水工程的經(jīng)濟合理性,而單純強調(diào)外調(diào)水優(yōu)先利用則可能浪費本地水且提高用水成本。因而,跨流域外調(diào)水以何種方式進入本地供水市場,是涉及到工程能否成立的根本性問題,外調(diào)水的分配必須考慮其供水方式和水價影響,這也是優(yōu)化建模的基礎(chǔ)。3.1.2科學調(diào)配,合理運行在外調(diào)水和本地水配置的基本關(guān)系和原則確定條件下,還需要考慮當?shù)厮c外調(diào)水的統(tǒng)一科學調(diào)配,使供水經(jīng)濟效率最高,同時各類工程的運行調(diào)度也盡量合理。實現(xiàn)外調(diào)水和本地水的聯(lián)合調(diào)配,需要動態(tài)適應(yīng)不同受水區(qū)來水和需求之間的關(guān)系,當外調(diào)水工程和本地天然或人工水系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)時,聯(lián)合調(diào)度中還需要考慮工程與非供水目標的協(xié)調(diào)。3.1.3正面效應(yīng)和負效應(yīng)跨流域調(diào)水工程是一個復雜的系統(tǒng),對水量調(diào)出區(qū)和受水區(qū)都有較大的影響,涉及區(qū)域水循環(huán)、社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境與生態(tài)的影響等各方面。其中包括正面效應(yīng),也包括負效應(yīng)。對于生態(tài)的影響既包括調(diào)水形成水源置換后引起的區(qū)域整體生態(tài)變化,也包括工程對沿線區(qū)域直接的生態(tài)和環(huán)境影響。如何通過科學手段對工程建成后的各種效應(yīng)作綜合分析,從而評價出不同方面的正負效應(yīng),可以為工程實施后的管理措施提供有益的建議。3.1.4宏觀配置成果—從長期調(diào)度目標到短期調(diào)度運行之間的實現(xiàn)方式目前對于水資源規(guī)劃和中長期的水量優(yōu)化配置已經(jīng)有比較深入的研究,但從宏觀配置成果到短期運行調(diào)度的實施還存在差距。即如何考慮工程的物理性限制條件并通過相關(guān)水力學模擬來檢驗中長期水量分配的有效性和運行方式還缺乏深入研究和可靠的方法。3.2發(fā)展外引過程,科學確定調(diào)配方案由于跨流域調(diào)水的復雜性,對外調(diào)水的配置需要從系統(tǒng)整體角度入手,統(tǒng)籌考慮多方面因素并兼顧實際可行性,實現(xiàn)對外調(diào)水的統(tǒng)一科學調(diào)配,使調(diào)水工程充分發(fā)揮作用,并為外調(diào)水利用相關(guān)政策、水價體系、運行管理機制等提供合理建議。針對上述問題可以預見未來需要從以下方面作深入研究。3.2.1動態(tài)調(diào)度方案外調(diào)水工程能否長期穩(wěn)定發(fā)揮效益的關(guān)鍵是工程的耗費能否得到足額、及時、均衡的補償,如實行單一計量水價,在供水量較大的時段,用水戶的水費負擔較重,在供水量較小的時段,供水經(jīng)營者的水費收入又不足以彌補基本運行費用。同時,針對不同時期的不同目標需要制定相應(yīng)的政策,動態(tài)實施工程調(diào)度方案。對于不同工程設(shè)施制定不同時期和條件下的運行規(guī)則,滿足系統(tǒng)總體效益最大化的條件。3.2.2調(diào)度區(qū)域的確定水資源合理配置要統(tǒng)籌兼顧調(diào)水區(qū)與受水區(qū)的利益,全面發(fā)揮水資源的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益,包括合理確定受水區(qū)的需調(diào)水量和調(diào)水區(qū)的可調(diào)水量,以保障調(diào)水區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。同時統(tǒng)籌考慮工程的經(jīng)濟技術(shù)合理性、生態(tài)環(huán)境的可承受性,使工程總體布局與生產(chǎn)力布局和生態(tài)建設(shè)與環(huán)境布局相協(xié)調(diào),通過配置分析確定供水范圍和受水用戶,以保證充分有效利用調(diào)入水量。3.2.3水型城市發(fā)展的激勵機制及管理模式節(jié)水是調(diào)水的前提,外調(diào)水通水之后,受水區(qū)的節(jié)水目標以及節(jié)余水量的利用途經(jīng)和經(jīng)濟效益需要作科學的分析評價,探索出受水區(qū)節(jié)水型城市建