極端枯水年黃河流域水資源安全保障策略研究

Study on water resources security guarantee strategies for the Yellow River Basin during extreme water scarcity year

王煜，鄭小康，張迪，尚文繡，周翔南，呂鴻，宋俞良

（1.水利部黃河水利委員會，450003，鄭州；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，450003，鄭州）

摘要：受變化環境影響，黃河流域水文節律非穩態增強，特枯和連枯等極端水文干旱事件不斷加劇，流域水資源安全面臨嚴峻挑戰。基于現狀用水和工程條件下極端枯水年黃河流域水資源面臨的供需矛盾加劇、水生態環境脆弱等嚴峻形勢，提出水資源安全保障目標為通過多種調控措施增加流域供水量，避免因水資源短缺造成的流域經濟社會和生態環境嚴重破壞，保持流域水資源系統的基本功能、結構、服務能力及恢復能力；提出供給側調控對象主要為地表水、地下水、非常規水和外調水等水源，需求側調控對象主要為不同區域、不同行業的用水戶；提出結構化流域水資源供需雙側協同分析方法和模型。從以上3個方面構建了極端枯水年黃河流域水資源安全保障框架，分析了需水分層、多水源挖潛增供、分類分層韌性調控等策略。研究表明：通過采取多項調控措施組合可以在一定程度上緩解極端枯水年份黃河流域水資源嚴重失衡問題，但是流域經濟社會發展和河流生態環境仍然面臨較大不利影響，需要加快南水北調西線調水工程建設和完善黃河水沙調控體系等長效之策。

關鍵詞：極端枯水；黃河流域；水資源安全；調控；策略；韌性；需求側；供給側

作者簡介：王煜，總規劃師，教授級高級工程師，主要從事水利規劃、工程前期技術管理與水文水資源研究工作。

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC3202300）。

黃河流域是我國重要的生態屏障和經濟地帶，在國家發展大局中具有舉足輕重的戰略地位，然而黃河流域水資源稟賦條件較差，經濟社會發展速度與水資源量不協調是流域最大的矛盾。黃河流域人均水資源量約為全國平均水平的1/4，人均用水量比全國平均水平偏低16%（2021年），地表水開發利用率高達80%，經濟社會與生態環境用水競爭激烈，對枯水風險的抵御能力較差。在氣候變化和人類活動的雙重影響下，極端枯水趨于廣發、頻發，黃河流域水安全保障面臨愈發嚴峻的挑戰。在加快構建“四橫三縱”國家水網背景下，如何保障極端枯水年黃河流域水資源安全，是落實黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略中亟待解決的科學問題與實踐難題。

國內學者深入研究了黃河流域和長江流域，分析驟旱事件的時空分布特征及其對供水的影響，提出了跨流域調水、多線路成網互濟精細化調控等應對策略。同時，《節約用水條例》的實施促進了高效節水灌溉模式和技術等方面研究，為減少水資源浪費并提高利用效率提供支撐，但是目前國內針對極端枯水年的節水策略研究相對較少。國際上對極端枯水問題的研究多集中在開發海水淡化技術作為補充水源，以及探索水資源與能源系統的協同安全管理等方面。此外，聯合國教科文組織強調了政策法規在提升水資源管理上的作用，并提倡通過創新技術和國際合作來增強水資源系統的韌性。

當前我國正在加快構建國家水網，多個已建、在建或規劃中工程從長江干支流調水入黃河，為解決極端枯水條件下黃河流域水資源安全保障提供了新機遇。本文提出了現狀用水和工程條件下的極端枯水年黃河流域水資源安全保障目標，分析了調控對象和調控路徑，研究了極端枯水年流域水資源安全調控策略，以期提升黃河流域對極端枯水的抵御能力，為流域水資源管理提供技術支撐。

極端枯水年黃河流域水資源安全面臨嚴峻挑戰

黃河流域具有枯水頻發、連續枯水段持續時間長、極端枯水年來水嚴重偏低等特征。過去100年間黃河先后經歷了1922—1932水文年（黃河水文年為當年7月至次年6月）、1969—1974水文年和1990—2002水文年3個連續枯水段，黃河天然徑流量（花園口斷面，下同）分別較1956—2016年水文系列多年平均值偏低21%、14%和20%。黃河天然徑流量在來水頻率90%的特枯水年偏枯27%以上，最枯水的2002水文年天然徑流量偏枯47%。

黃河干流上的水利工程中，僅有位于青海的龍羊峽水庫具備多年調節能力，流域應對連續枯水段和極端枯水年的水資源年際調控能力不足。例如在1990—2002水文年連續枯水段期間，龍羊峽水庫累計補水75.2億m3，但2003年年初水庫水位接近死水位，幾乎喪失補水能力。2003年上半年黃河來水持續偏枯，水利部在當年4月1日至7月10日啟動《2003年旱情緊急情況下黃河水量調度預案》。此次應急調度期間，黃河來水64.4億m3，比多年平均值偏低50%；黃河干流調度河段實際耗水量70.0億m3，比多年平均值偏低27%，農業缺水問題尤為嚴重。

對比3次黃河流域水資源調查評價成果，黃河天然徑流量呈現下降態勢，從580億m3下降至490億m3，減少15.5%。未來黃河天然徑流衰減或在一定程度上持續發展，使極端枯水發生風險與應對難度進一步加大。

極端枯水年黃河流域水資源安全保障目標和路徑

1.保障目標

由于經濟社會發展以及氣候變化、下墊面變化的復合影響，缺水流域水資源開發利用程度往往接近甚至超過河流承載極限，導致生物多樣性和經濟社會用水保障受到威脅。極端枯水條件下流域水資源安全保障不僅要關注缺水量，更要考慮缺水破壞過程和破壞后的響應過程，確保經歷缺水后流域水資源系統可以恢復至正常狀態，即具備應對極端枯水的韌性。對于黃河流域而言，在現狀用水水平和工程條件下，極端枯水年流域水資源安全保障目標是：

通過一系列調控措施和動態反應，協調河道外經濟社會和河道內生態之間的用水平衡關系、河道外不同區域和用水部門之間的公平用水關系，確保流域水資源系統在面對氣候變化、極端干旱甚至枯水等擾動沖擊時，避免因水資源短缺造成流域經濟和生態環境受到嚴重影響，保持流域水資源系統基本功能、結構、服務能力并具備恢復能力。

2.調控對象

（1）需求側

需求側調控對象主要為不同區域、不同行業的用水戶，通過調控措施調整需水量及需水過程。對于黃河流域，分析特枯年份和連續枯水段不同行業的需水量、需水過程、時空分布等特征，并與平水年份等來水情景進行對比分析，揭示極端枯水對黃河流域需水行為的影響規律。基于流域水資源-經濟-生態耦合關系，以需水管理為基礎，摸清流域水資源供需狀況，評估缺水損失和水資源邊際價值。綜合考慮經濟社會各用戶需水特征、重要性和缺水損失變化過程，分類確定極端枯水下維系基本生活、糧食生產、基礎工業和生態紅線的底線用水量，維持基本生活品質和生產規模的基本用水量，有利于生活生產持續向好的適宜用水量。

（2）供給側

供給側調控對象主要為地表水、地下水、非常規水和外調水等水源，通過調控措施改變可供水量及供水過程。建立極端枯水條件下黃河骨干水庫群分級調度方法，研究龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底等水庫旱警水位，分析極端枯水年黃河流域水庫群最大年際可調節補充水量。分析地下水區域分布、結構、儲量及可開采程度，提出地下水增供閾值和區域開采潛力。基于城市污水再生利用和煤礦礦井水開發現狀分析，從技術、經濟、公眾接受程度等方面分析非常規水可挖潛供水量。考慮供水區域空間重疊性和置換方式，跨流域補水從水源區、調水工程能力、受水區3個方面研究可調水量挖潛增供能力。綜合考慮蓄豐補枯多年調節水庫挖潛、跨年補償地下水彈性開采、非常規水充分利用、跨流域調水補充等增供方法，研究提出可增供水量與多水源分級供水準則。

3.調控路徑

從供需雙側識別影響流域水資源供需平衡的主導因子，分析缺水與社會-經濟-生態系統損失的響應關系，提出結構化的流域水資源供需雙側協同分析方法和模型。

建立極端枯水條件下流域水資源分類分級均衡配置方法，明晰流域生產用水、生活用水和生態用水“三生”用水配置次序、配置水量、保障程度，構建“三生”用水分類分級保障機制。從抑制需求、挖潛增供、成網互濟等方面，建立黃河流域水危機風險分階段阻斷策略庫。通過流域水資源系統韌性調控，提高流域應對極端枯水的韌性水平，保障經濟社會穩定發展和生態環境系統維持。極端枯水年黃河流域水資源安全保障策略框架見下圖。

極端枯水年黃河流域水資源安全保障策略框架

極端枯水年流域水資源安全調控策略

1.需水分層管理

根據馬斯洛需求層次理論，將黃河流域經濟社會用水分為維系生活生產生態基本需求的剛性用水、改善生產生態的剛彈性用水、保障糧食外銷和生態適宜的彈性用水3個層次。以2022年黃河流域實際用水情況為例進行分層，黃河流域實際用水量409.41億m3，其中剛性用水量311.27億m3、剛彈性用水量46.67億m3、彈性用水量51.47億m3，分別占流域內總用水量的76%、11%、13%。除上述流域內用水外，2022年，黃河還向流域外引黃地區供水82.83億m3，在黃河遭遇枯水年份時，應根據來水情況按照豐增枯減原則確定下游引黃地區供水量。在上述剛性用水中，應研究缺水量以及缺水損失關系，考慮生活、基本工業生產和糧食安全等要求，從剛性用水中劃分出不可破壞的底線用水量。

黃河河道內底線生態需水采用水利部印發實施的重點河湖生態流量保障目標中制定的生態基流和最小下泄流量指標，以及《黃河水量調度條例實施細則（試行）》中制定的預警流量和最小流量指標等，蘭州、頭道拐、花園口和利津等主要斷面的底線生態流量控制指標分別為350m3/s、50m3/s、200m3/s和50m3/s，確保極端枯水下河流基本生態流量得到保障，并且通過多種調控措施，協調經濟社會用水和河流生態用水，提高河流生態用水量，保障河流生態環境具備韌性恢復條件。

2.多水源挖潛增供

（1）水庫群蓄豐補枯

旱警水位（流量）是指江河湖庫因來水偏少、水位偏低等情況可能影響相關區域生活、生產、生態用水安全，應予以關注或采取抗旱措施的水位（流量）。根據水利部印發的《江河湖庫旱警水位（流量）計算方法案例》，水庫旱警水位計算方法主要包括典型干旱年法、最大值法和綜合法，考慮到黃河干流骨干水庫的供水矛盾突出、供需關系較為復雜，采用綜合法確定水庫旱警水位。可將旱警水位作為黃河干流骨干水庫減少向河道外供水啟動條件，通過長系列模擬分析，在1990—2002水文年來水條件下，黃河干流梯級水庫群年際可調劑水量不超過50億m3

（2）地下水彈性開采

在極端枯水條件下，考慮地下水補給年際變化特征，適當增加地下水開采，并確保地下水儲量在一定時期內可恢復至枯水前水平。極端枯水條件下適度增加地下水彈性開采，根據流域地下水儲量動態、多年季節變幅和區域實際開采量，在地下水2年恢復期分析情景下，黃河流域地下水彈性開采增供水量不超過30億m3

（3）非常規水充分利用

根據《水利部關于實施黃河流域深度節水控水行動的意見》《水利部 國家發展改革委關于加強非常規水源配置利用的指導意見》要求，黃河流域要科學規劃布局非常規水源，將非常規水源納入水資源供需平衡分析與配置體系，明確非常規水源最低配置量、配置對象及水源類型，統籌推進非常規水源配置利用設施建設和提質改造。積極開發利用再生水，支持工業園區廢水集中處理及再生利用。黃河流域煤炭開采產能高，煤炭礦井水產出量大，推進大型能源基地的煤炭礦井水綜合利用。因地制宜配套建設雨水集蓄利用設施，加強雨水在旱作農業、工業生產、城市雜用、生態景觀等方面應用。2022年黃河流域非常規水利用量21.70億m3，極端枯水年應加大再生水和煤炭礦井水等非常規水利用。

（4）跨流域調水補充

南水北調東線和中線工程受水區與黃河下游引黃地區在空間上存在一定重疊區域，東線和中線工程具有向黃河下游引黃地區供水條件，在黃河極端枯水情景下通過水量置換方式可增加上中游地區黃河供水量，緩解上中游嚴峻缺水形勢。東線工程和中線工程均具有一定挖潛增供能力，綜合考慮工程水源區、工程輸水能力、工程受水區3個方面因素，在保證工程受水區用水情況下，結合工程特點合理挖潛增供，增加向黃河下游引黃地區供水能力。東線考慮抽江水量挖潛和湖泊豐枯互補等挖潛方式，中線考慮引江補漢以及汛期水位動態控制、分期汛限水位優化等挖潛方式。

3.分類分層韌性調控

極端枯水條件下流域可供水量嚴重不足，水資源供需嚴重失衡，應進行水資源分類分層韌性調控。基于分類水源供水邊際效用，考慮外流域調水、地下水彈性開采、水庫群蓄豐補枯和非常規水充分利用等多種措施投入次序。結合需水分層結果，河道外用水調控按照底線、剛性、剛彈性和彈性需水量的保證優先序，河道內用水在保證河流底線生態用水前提下，調控河道內和河道外用水關系，提升水資源系統韌性水平。多場景分析表明，極端枯水年河道內用水占比從多年平均36%適量調減，對提高流域水資源韌性的作用較為顯著。

以2022年黃河流域實際用水遭遇2002極端枯水年為例，運用黃河流域水資源供需分析模擬模型開展多場景研究，分析極端枯水年黃河流域水資源供需嚴重失衡情勢和各項調控策略組合作用。

2022年黃河流域總用水量409.4億m3，下游引黃地區用水量82.83億m3，為近期用水量偏低年份。2002年天然徑流量246億m3，為來水頻率超過95%的極端枯水年份。未考慮挖潛增供措施，即使在壓縮河道內生態環境用水量情境下，流域內供水量僅為312.6億m3，比2022年實際供水量低約96.8億m3（減少23.6%），流域剛彈性用水遭到嚴重破壞，流域內農業供水168.0億m3，遠低于農業實際用水量264.8億m3；流域外的下游引黃地區供水僅為63.0億m3；河流生態用水僅保留21.7億m3，遠低于多年平均水平；流域和引黃供水區水資源失衡將嚴重影響經濟社會發展以及河流健康維持，流域水資源安全保障面臨嚴峻挑戰。

考慮龍羊峽水庫年際補水、地下水彈性開采和東中線置換供水等措施組合、投入次序和運用程度，在增加流域供水30億~76億m3情景下，流域內供水量達到332.5億~362.5億m3，流域外供水量達到70.7億~71.3億m3，利津斷面生態環境用水量僅為38.1億~51.4億m3。在上述挖潛增供措施組合下，即使在一定程度上減少河流生態用水和降低河流生態保障水平，也不能全額保證流域剛彈性用水，更不能滿足現狀年份實際用水，表現在流域農業供水較現狀實際供水短缺17.7%~29.1%，河流生態用水僅為多年平均水平的21.5%~29.0%。說明考慮上述調控措施組合可以在一定程度上緩解極端枯水年份流域水資源嚴重失衡問題，但是仍然對流域農業生產和河流生態環境造成較大不利影響，部分城鎮和工業限量供水，流域水資源保障仍然面臨嚴峻形勢。

此外，由于黃河來水具有連枯的特征，水庫群持續性年際補水能力有限，地下水持續超采也將產生地質和區域生態等問題，上述挖潛增供組合措施僅為應急性措施。保障極端枯水年黃河流域水資源安全不僅需要應急性措施，更需要長效之策，如加快南水北調西線調水等國家水網工程建設、完善黃河水沙調控體系等。

結論與展望

極端枯水條件下黃河流域會面臨更加尖銳的水資源供需矛盾，影響流域水資源安全，事關國家生態安全、能源安全、糧食安全。本文從保障目標、調控對象、調控路徑3個層面，提出了現狀用水水平和工程條件下應對極端枯水的黃河流域水資源安全保障目標和調控路徑。研究了水庫群蓄豐補枯、地下水彈性開采、非常規水充分利用和跨流域調水增供等多種調控措施，提出極端枯水條件下保障黃河流域水資源系統安全的分類分層韌性調控策略。極端枯水年黃河流域水資源安全保障面臨嚴峻挑戰，考慮多項調控措施組合可以在一定程度上緩解極端枯水年份流域水資源嚴重失衡問題，但是仍然對流域經濟社會發展和河流生態環境造成較大不利影響。

為提高黃河流域水資源安全保障水平，特別是提高極端枯水年流域水資源調控能力，在流域深度節水控水前提下，應加快推進黃河水網工程建設。

一方面加快推進南水北調西線工程前期工作，力爭一期工程早日建成生效，從源頭地區補充黃河干流徑流量，增加流域水資源總量，緩解流域資源性缺水問題；

另一方面加快完善黃河水沙調控體系，高標準建設古賢水利樞紐工程，加快黃河黑山峽水利樞紐工程前期工作和立項建設，提高黃河徑流年際年內調節和空間均衡配置能力，從而提升應對極端枯水年份黃河流域水資源韌性調控能力。

Abstract: In the context of environmental change, the non-stationarity of hydrological rhythms in the Yellow River Basin has intensified, resulting in more frequent and severe extreme hydrological drought events, such as prolonged and exceptional dryness. These conditions pose significant challenges to the basin’s water resources security. Based on the severe situation of increasing contradiction between supply and demand and fragile water ecological environment in the Yellow River Basin in extreme dry years under current water use and engineering conditions, it proposed that the objective of water resources security is to increase the water supply in the river basin through various regulatory measures, avoid serious damage to the economic, social, and ecological environment of the river basin caused by water scarcity, and maintain the basic functions, structure, service capacity, and resilience of the river basin's water resource system; the objects of supply side regulation and control are mainly surface water, groundwater, unconventional water and external water sources, while the objects of demand side regulation and control are mainly water users in different regions and different industries; the method and model of bilateral collaborative analysis of water resources supply and demand in structured basin. According to the above three aspects, the framework of water resources security in the Yellow River Basin in extreme dry years is constructed, and strategies such as water demand stratification, multi-water source tapping and increasing supply, and classified stratified resilience regulation are analyzed. The results show that the severe imbalance of water resources in the Yellow River basin can be alleviated to a certain extent by adopting a combination of several control measures, but the economic and social development of the basin and the river ecological environment are still facing great adverse effects. Long-term measures such as speeding up the construction of the water transfer project on the west route of the South-to-North Water diversion project and improving the water and sediment control system of the Yellow River are needed.

Keywords: extreme water scarcity; the Yellow River Basin; water resources security; regulate and control; strategies; resilience; demand side; supply side

本文引用格式：

王煜，鄭小康，張迪，等.極端枯水年黃河流域水資源安全保障策略研究[J].中國水利，2024（24）：55-59+77.

封面攝影｜劉宇源

責編李博遠

校對劉磊寧

審核王慧

監制軒瑋

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