曹 麟，刘家宏，秦大庸 ，桑学锋，王明娜，刘淼

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038;2.宁夏水电技师学院，银川 750006）

水资源承载力指在一定流域或区域内，其自身的水资源能够持续支撑经济社会发展规模，并维系良好的生态系统的能力[1]。随着我国人口的剧增和经济建设的不断发展，水资源的稀缺化已经日益成为制约大中型城市发展的瓶颈。因此，针对典型区域的水资源承载力研究就成为地区开展水利建设的前提，尤其是像开发小水电、替代固态燃料这样的水利工程。

1 研究背景简述

国际上区域水资源承载力的研究最早见于2000年前后，Michiel A.Rijsberman和他的同事将水资源承载力作为城市水安全保障的衡量标准[2]；而Harris则将区域的发展潜力定义为水资源农业承载力的最值与现值间的空间[3]。施雅风等人[4]认为水资源承载力在一定意义上等同于区域的供水量，具有自然-社会双重属性。目前我国对区域水资源承载力的理论研究主要集中在区域水资源状态与社会经济结构的适配关系上，而在当前三条红线的约束下，以利用为主的水资源规划现在更强调对水体的保护与修复，因此基于多目标优化配置的水资源承载力模型研究和实例应用已成为当前研究的趋势。

2 区域水资源承载力的模型建立

区域水资源承载力模型是面向人类－自然耦合的水资源系统分析理论与方法的具体应用。该模型以中国水利水电科学研究院 “自然-人工二元系统”为基础，试图在可持续发展的理论指导下，立足于水资源对不同产业的支撑功能，以系统工程方法为依据，以多目标规划为手段，对水资源承载能力进行综合动态平衡研究，其基本架构如图1所示[5]。模型的具体目标包括：①可供水总量最大化；②GDP总量最大化；③资金支持最大化；重点回答水资源支持条件下的区域经济合理发展规模及在一定生活条件下的合理人口数量、灌溉面积、生态用水比例等关键参数的阈值问题。

图1 水资源承载能力模型架构

2.1 决策变量的选取与定义

区域水资源承载力主要取决于人口及不同产业对水的敏感性，因此建立如表1所示的决策变量体系。

2.2 目标方程

目标方程1：可供水量方程

目标方程2：GDP总量方程

其中：Vij代表不同部门在不同时段创造的价值。

目标方程3：资金平衡方程

其中：Iij代表不同部门在不同时段获得的资金支持

2.3 约束条件

包括耕地面积面积约束、人均经济收入约束等，这里只列与水资源有关的用水约束条件。

其中：Wij代表不同行业在规划年内不同时段的用水量，具体计算时参照以下表达式：

式中： t代表时间，即各水平年；d代表不同地区；s代表不同部门；P代表用水定额

3 以山西为例的水资源承载力计算

3.1 山西的区域基本情况

山西省地处中国华北、环渤海经济开发区，总面积15.63万km2，呈东北斜向西南的平行四边形，东有太行山作天然屏障，与河北省为邻；西南皆以黄河为堑，与陕西省、河南省相望；北跨内长城，与内蒙古自治区毗连[6]。图2为不同时段山西降水变化图，从中可以看出，尽管山西东部一直保持了较高的降水补给量，但19世纪80年代以来，山西已经进入一个较长的枯水期，水资源量持续偏少。由于境内河流全部外流，2009年山西水资源总量仅有85.76亿m3，人均占有水资源量不到全国均值的五分之一，产水系数为0.11，与全国各省比较，占倒数第二位，仅比宁夏高一些[7]。

3.2 区域水资源承载力计算及结果

将上述模型编制计算程序，按模型要求将区域有关数据代入，反复调算，最终得到不同水平年的水资源承载能力，参考结果见表2所示 （以供水保证率75%为例）。

3.3 结果分析

（1）区域水资源承载力能够支撑生态用水的不断增加。

（2）供需平衡状态下的水资源的承载能力与区域人口密切相关，在无外调水状态下的山西未来发展应以供定需，限制高耗能产业的发展。

（3）未来5年山西的工业需水量将再攀高峰，因此必须通过有效的手段进行开源节流，有效降低产业耗水量，建议从长远考虑，全面思考发展步伐和环境承载力的关系。

表1 区域水资源承载力模型决策变量特征

（4）未来山西农业的需水量增幅将明显小于生活需水量，因此对万元GDP用水量和城市化规模的控制、压缩用水大户、提高用水效率将是区域建设的重点。

（5）生态需水量虽不断增加，但可用水量将不断减少，因此，探讨对废污水的处理尤其是有色金属冶炼、矿坑水的处理以及中水回用技术的推广应用应成为山西未来水资源管理与保护中要重点考虑的内容。

（6）在不增加供水量前提下，采取节水措施进行内部挖潜可以提高区域水资源的承载能力。

表2 不同方案水资源承载力参考值

4 满足水资源承载力的山西生态小水电建设

4.1 山西生态小水电建设的现状

小水电是国际公认的可再生绿色能源，生态小水电建设主要指小水电建设中的代燃料生态保护工程。在小水电资源丰富的地区，推广实施生态小水电建设，对保护生态环境，减少二氧化碳的排放，巩固退耕还林等生态建设成果，改善农村能源结构，促进节能减排，提高山区农民生活水平，帮助农民增收和长远致富，促进全面建设小康社会具有重要的作用[11]。

山西省从1955年开始兴建了第一座48kW洪洞明姜小水电站以来，从无到有，从小到大，经过60年特别是改革开放30多年来的农村水电电气化县的建设，到2010年1月，已建成小水电站169处，装机容量16.2万kW，年均发电3亿kWh。其中装机500kW以上的小水电站有69处，装机容量14.1万kW，占全省小水电总装机的86%，为山西省的经济建设发挥了重要作用。以2009年开始建设、2010年投入运行的晋西陵川县秦家磨双底生态水电站为例,该项目为引水式电站，设计引水流量0.95m3/s，装机容量 3×500+1×250kW，多年平均发电量 357.5万kWh，可使2400户、9000余人用上清洁廉价的电力，实现代燃料，保护森林植被25.84万亩，每年可减少砍伐林木2.7万吨，有效保护当地森林植被，改善环境，发挥良好的生态效益和社会效益。

尽管近年山西也开工建设了一些小水电，但由于境内大部分的小水电工程主要建于20世纪80、90年代，经过多年运行，年久失修，设备老化，普遍存在着机组效率差，水能资源不能充分利用的问题[12]。加上部分农村水电配套电网未纳入全国农网改造工程范围，故障多，网损高，已建水电工程远不能充分发挥应有的效益。必须尽快研究水资源紧缺条件下的小水电更新修复和并网改造的问题。

4.2 山西生态小水电的未来发展

山西境内山地、丘陵多，平原少,地势高差悬殊。可开发利用的水电资源为741.88万kW，大体包括三部分：一是黄河北干流水电资源640.8万kW；二是省境内小水电资源62万kW；三是万家寨引黄入晋工程动能资源39.08万kW[13]。另外还有境内抽水蓄能水电资源1020万kW。全省已开发利用水电资源135.9万kW （不包括抽水蓄能120万kW），利用率仅为18.3%，开发前景十分广阔。

考虑到河流生态需水要同时满足河道基流生态需水及河滨带生态高水平用水的要求，采用如上所述的区域水资源承载力模型进行分析，假设A、B、C分别代表不外调水、中度外调水、高度外调水三种情境，分别对山西的汾河、沁河和桑干河进行方案比选，最终优化后得到基于水资源承载力的未来水平年典型河道的生态用水配置，其中沁河的生态用水配置见表3[8]。

此生态供水配置的结果表明：在本地来水为8.66亿m3时，扣除蒸发渗漏的2636万m3水量，可供生产生活的水量为1.15亿m3，若考虑沁河为汾河的生态修复工程提供的5063万m3调水，则恢复河道外湿地为初级水平时，供河滨带的生态需水量为1345万m3，为中、高等水平，则需2241万m3和3586万m3，生态需水呈逐步增加趋势。从生态修复保障程度高的要求出发，最终选择方案为C，即河滨生态水量为3586万m3。经计算，此时上游河道平均流量为4.2m3/s，最小月流量为1.9m3/s，中游河道平均流量为20.4m3/s，最小月流量为5.7m3/s，均远大于相应河段的生态基流，能满足未来生态小水电的供水需求。

需要注意的是，此配置方案的实施前提是汾河的生态修复有赖于上游万家寨的2亿m3引黄调水，因此未来山西沁河生态小水电建设的保障程度与万家寨调水息息相关，万家寨调水保证程度高，则沁河向汾河补水量就小，可供生态小水电建设的水资源量就大。

结合如图3、图4、图5所示的山西全省各市生态小水电资源、水利工程分布图等，则有如下结论：

（1）就资源分布而言，山西的生态小水电建设主要以长治市和晋城市为重点，除此以外，运城、忻州市也有微量分布，其他市区则均不到1%；

（2）长治市和晋城市均属于降水量多年均值在400～700mm之间的区间，但二者分属于海河和黄河流域，水量差异明显，水系分布也不同，因此，前者的生态小水电建设重在多布点，而后者重点在大流量；

（3）长治市的生态小水电建设主要是针对海河流域的浊漳河水资源的调配展开，具体的落实县市是平顺县；而晋城市的生态小水电建设，则以沁河 （丹河为其支流）流域的泽州市、沁水县和市直属的小水电为主；

（4）按照模型推算，规划水平年的全省生态可用水量仅为水资源总量的2.81%，即仅有2.39亿m3，因此生态小水电的建设必须考虑对区域雨洪的利用，如在降水量多年均值在700mm以上区间的灵丘、五台、左权也开展生态小水电建设的问题。

表3 沁河2015水平年不同方案生态供水配置情况表 （单位： 万 m3）

总之，生态小水电的建设必须严格按照现有生态补水总量的要求，认真规划，全面协调，高效利用，尤其是要参考曹河水电站、东焦河水电站等申请过国际能源机制基金清洁能源CDM项目的资金管理经验以及拴驴泉水电站、东焦河水电站的安全建设与标准化管理经验。

4.3 促进山西生态小水电优化发展中的对策

近年来，山西生态小水电事业取得了较快的发展，但在行业管理、水能开发、体制改革等方面还存在一些问题。为此，提出建议如下:

①进一步强化水务部门和小水电管理企业的行业对接。生态小水电建设事关农村基础设施建设完善，又涉及区域水体资源平衡，因此管理上应具有显明的行业特性，要统筹协调，制定出台加强行业管理的意见，由省委创造条件，进一步明确水务部门和小水电管理企业的各自职能和上下关系，营造环境，使行业管理真正落到实处。

②进一步规范水电项目的审批程序。严把三条红线关口，将涉及取用水的项目审批权逐级理顺，对不符合规划要求建设的水电项目一律不予审批或核准。对县域内违规自建的生态小水电项目要区别对待，在资源承载力总量控制条件下，压大放小，分类处置，科学有序的建立生态小水电的开发建设程序。

③进一步完善现有小水电的续建配套与管理。建议制定适合本地实际的生态水电建设与管理的办法， 从水资源费、财政补贴等多方面筹措生态小水电建设中的后续维护费用， 进一步强化管理， 完善机制， 延长小水电的使用寿命， 以管理促建设， 全面提升生态小水电的发展水平。

5 结论

生态小水电建设自2003年起就得到广泛认可，作为水电建设中的亮点，它的建设对改善山区生态环境、加快山区开发、促进地方经济发展和农民脱贫致富具有重要意义。尽管我国小水电资源总量十分丰富，目前的开发潜力也很大，但由于历史原因，小水电的规划多数仅从区域势能条件展开，对满足资源承载力要求的区域全面部署考虑却较少。随着我国最严格的水资源管理制度的进一步实施，建立 “一龙管水、合力治水”的管理体制，统筹城乡水资源，实现对水资源全方位、全领域、全过程的统一管理已成为三条红线的核心。以山西水资源承载力研究为目标的生态小水电建设，结合了地区的资源承载力，妥善规划了小水电建设的规模与年限，必将为促进水资源紧缺状态下的环境友好型区域建设起到良好的示范作用。

[1]水资源承载力与水环境承载力 [EB/OL].http://www.wdjkj.cn/zdcw/news_view.asp newsid=71

[2]Michiel A Rijsberman,Frans H M.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system[J].Environment Impact Assessment Review,2000,129(3):333-345.

[3]Harris Jonathan M,et.al.Carrying capacity in Agriculture:Globe and regional issue.Ecological Economics[J].1999,129(3):443-461.

[4]姚治君,王建华,江东,等.区域水资源承载力的研究进展及其理论探析[J].水科学进展，2002，13（1）:111-116.

[5]裴源生，赵勇，陆垂裕,等.经济生态系统广义水资源合理配置[M].郑州：黄河水利出版社,2006：104-107,115.

[6]山西省环境质量研究[R].太原:山西省环境监测中心站,2006.

[7]2009中国水资源公报（附件）[R].北京：中华人民共和国水利部.2010.

[8]山西省水生态系统保护与修复规划[R].北京:中国水利水电科学研究院,山西省水资源研究所,2010：57-64.

[9]山西省水利发展“十一五”规划中期评估报告[R].太原:山西省水利厅，2008：43-49.

[10]山西省2009年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].http://database.ce.cn/district/tjgb/nf/2009/201003/15/t20100315_21120481.shtml.

[11]实施小水电代燃料生态保护工程的五个重要意义.[EB/OL].http://www.hhsb.gov.cn/stgc/show.asp?id=314.2007.1.5

[12]山西省小水电代燃料试点项目总结报告[R].太原:山西省水利厅,2006.

[13]马克骞.山西省小水电开发建设中的一些问题及建议[J].小水电，2007，133（1）:21-23.