付意成，邢乃春，赵进勇，张守平，张 剑

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038; 2. 水利部水利水电规划设计总院, 北京 100120； 3.重庆交通大学，重庆 400074)

0 引 言

水资源短缺作为影响中国经济社会可持续发展的关键因素，特别是北方缺水城市，已在一定程度上严重制约了区域经济发展和人民生活水平提高。全国660多个城市中有400 多个城市缺水，114个城市严重缺水，其中，北方缺水城市占总数的62%，南方城市占38%[1]。城市可利用水资源量匮乏，已成为城市发展过程中无法规避的难题。为此，学者探讨基于水资源循环利用、节水开源、非常规水利用、外调水等不同策略组合的区域水资源短缺解决思路，为缓解区域城市水资源短缺起到积极促进作用。世界上许多国家和地区把城市污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一[2]。城市污水资源化应用，应基于完整的用水体系和废水回收再利用体系。基于此，荆平[3]依据循环经济的3R原则，对雨水、生活污水、工业污水的循环经济利用模式进行具体分析，提出循环利用的方法及途径；陆静超等[4]提出，破解城市水资源循环短缺问题的关键在于构建大区域的水资源网络化配置格局，解决与之相关的水污染严重、水生态退化和城市洪涝风险，实现区域水资源的均衡利用。地表水资源短缺、地下水超采严重、城市污水排放量大等问题已成为北方缺水城市的通病。为此，各大城市竞相推广的海绵城市建设，实现城区雨洪控制与利用示范工程的有机结合。李喜林等[5]对小区雨水利用可行性进行分析，推荐了适合建筑小区雨水利用的工艺流程，并对主体构筑物进行了设计；胥卫平[6]等从雨水径流模型、降雨量分析、雨洪资源利用政策等方面对国内外雨洪资源利用的研究成果进行梳理，提出了缺水城市雨洪资源利用技术经济评价方法。世界各国的实践表明，在技术可行的条件下，再生水是一种安全可靠的替代水源，是解决城市缺水危机的重要战略选择[7-9]。北方缺水城市的开源潜力较小，在节水潜能最大程度发挥的情况下，为满足区域社会经济发展、生态健康维持对水量、水质的需求，远距离调水成为解决“城市干渴”的首要选择。城市调水在某种程度上可以解决问题，但不能成为常态，“造血”型发展模式才是解决缺水问题的根本策略。此外，北方缺水城市的地下水超采也日益严重，如北京、石家庄等城市是华北地区地下水沉降中心，地下水位埋深大于10 m的区域占华北平原总面积的40%，且潜水含水层最大埋深达65 m[10,11]。北方缺水城市解决水资源短缺问题的关键在于合理配置本地地表水、地下水、再生水、雨洪水、外调水、过境水“六水”资源，提升城市供水保证率；构建丰枯互济的多水源连通网络，实现地下水采补平衡。笔者基于“绿色发展、生态水利”的最新理念，结合北方缺水城市的发展定位，提出全方位、多角度开源，综合、网络化、高效利用的方针策略，开发区域内多种水资源的内在价值，探讨解决城市缺水难题策略。

1 北方缺水城市水资源短缺症结分析

中国北方地区的水资源禀赋条件远差于南方。受地理位置、气候条件的影响，中国北方地区降水量少，蒸发量大，水资源贫乏，城市发展过程中的水资源供需矛盾突出。在变化环境条件下，中国北方河川径流量呈减少趋势，且随着经济社会的快速发展，区域需水大幅增加，城市水资源供需矛盾加剧[12]。此外，北方的水资源量与经济社会发展极不匹配。如黄淮海地区，水资源量仅为全国总量的7%，而人口、耕地和GDP却占全国总量的35%、39%和32%，区域“水少贡献大”的发展模式在一定程度上加剧了水资源分布与经济社会条件不匹配间的矛盾[13,14]。北方地区除受水量补给偏少影响外，区域内河的水量储存状况也不容乐观。如位于华北地区的白洋淀自20世纪60年代以来，先后历经6次干涸，淀内生态系统全面衰退[15]；北京市从1999年以来，进入连续枯水期，地表水资源量衰减59%，地下水资源量衰减37%，入境水量衰减77%，水资源量减少和城市快速扩张的矛盾加剧[16]。北方为缓解日益突出的用水矛盾，大规模的兴修水利工程、超采地下水、跨流域引水，由此造成区域内原有的产汇流规律被打破，土壤蓄水容量增加，地表产流减少[12]。流域下垫面变化和经济社会的快速发展是影响北方地区径流减少的主要因素，也是造成北方城市缺水的主要原因。

本文在深入分析城市水资源不足与用水结构不合理的基础上，工农业用水技术落后、浪费严重、生态环境恶化、水源污染等因素造成了我国北方多个城市水资源短缺现象严重。如2005-2014 年我国工业废水排放量逐渐下降，但总量较大，重复利用率虽逐年升高，与发达国家90%的重复率仍存在较大差距[17]。北方城市的缺水除受技术影响外，还与用水观念错误、用水理念缺失相关，大多城市对于非接触的景观用水及道路喷洒用水多取用生活用水，或直接抽取地下水，对再生水、雨洪水的利用率偏低，甚至没有相关的规划。此外，大多城市周边河道往往由于生活、工业污水的直排导致其不具有生态景观价值，沦为城市的排污沟，功能几乎丧失。同时，由于废水的下渗导致地下水水质受到影响，又加剧了水资源短缺的影响。

2 研究区水资源短缺形势分析

2.1 研究区概况

廊坊市位于河北省中部偏东，海河流域中下游，地理坐标在东经116°06′37″～117°15′05″，北纬38°28′14″～40°05′02″之间，北临北京，东与天津交界，南接沧州，西和保定毗连，面积6 429 km2。廊坊市地处京津两大城市之间，环渤海腹地，享有“京津走廊明珠”和“连京津之廊、环渤海之坊”等美誉。廊坊中心城区距北京、天津分别为50和60 km，与京津两个机场相隔70 km，距天津新港100 km，紧邻建设中的北京新机场。

廊坊市现辖广阳、安次两区，三河、霸州两个县级市，大厂、香河、永清、固安、文安、大城6个县，共包括90个乡镇3209个行政村。2013年，廊坊市GDP实现1 943.1 亿元，三次产业结构为10.4∶52.6∶37.0。全市财政收入占GDP比重18%。年末全市户籍人口为439.4万人。廊坊市现有水厂5座，全年供水量为3 530.8 万m3。

廊坊市河流水系属海河流域北三河水系(潮白河、蓟运河、北运河)、永定河水系、大清河水系、子牙河水系等四大水系。境内主要河流包括泃河、北运河、潮白河、青龙湾减河、永定河、白沟河、大清河和子牙河等。廊坊市多年平均降水量为539.7 mm，其中北四河下游平原为588.9 mm，大清河淀东平原为532.6 mm。降水量年内分配非常不集中，大部分站点全年降水量的80%左右集中在汛期(6-9月)，汛期降水量又主要集中在7、8月份，甚至更短时间。因此，廊坊市本底水资源量不足，汛期水量集中，洪水资源化利用潜力较大。

2.2 研究区水资源形势分析

囿于长期以来的经济社会发展模式，京津冀三地地下水超采严重，排污量巨大，对整个流域已造成了明显影响。京津冀流域水系连通性要求加快推进水资源保护协同发展，统筹考虑水资源与水环境的关系，突出“联合支撑作用”。

廊坊市是河北省唯一没有地表水库的设区市。虽辖区内有4大河系、10条主要行洪河道、10条主要排沥河道、国家防总直接调度的4大蓄滞洪区，但受上游城市大型拦河闸的影响，绝大多数河道常年无水。近10年来，廊坊市河流重点监测断面水质以劣V类为主。出境断面水质达标率偏低。因此，廊坊市存在严重的资源性、水质性缺水问题。2013年人均水资源占有量为133 m3，仅为河北省人均水资源量的43.3%(307 m3)、全国人均水资源量的6.3%；缺水率26%(扣除地下水超采，缺水量为2.67 亿m3)，缺水状况严重。为此，缓解廊坊市水资源短缺主要包括开源、节流两个途径。

廊坊市供水水源主要有地下水、大气降水、当地地表水、外调水、再生水。2013年廊坊市整体水资源开发利用率为51.5%，地表水资源开发利用率为14.6%，地表引蓄工程能力不足；地下水开发利用率为155%(地下水开采量为8.06 亿m3，地下水资源量为5.2 亿m3)，表明地下水超采严重。因此，廊坊市一直以开采地下水为主，地表水则作为补充水源。

3 研究区水资源配置格局

3.1 配置基本原则

(1)经济社会可持续发展和生态环境良性循环。水资源合理配置需处理好经济社会发展、生态和环境保护与水资源开发利用的关系。水资源是经济社会系统的重要生产要素，又是生态和环境的重要组成部分。随着竞争性用水要求的不断增长，水资源的有限性、紧缺性矛盾日益突出。在资源环境有限性约束下，水资源合理配置应以水资源可持续利用、经济社会可持续发展、生态和环境良性循环为目标，以图实现人、水和自然的和谐。

(2)公平、高效和可持续利用。廊坊市水资源配置是在海河流域水资源规划和河北现代水网规划的总体格局下，综合分析廊坊市水资源开发利用、南水北调和河北省引黄水量的基础上，遵循公平、高效和可持续利用的原则，进行区域和部门间水资源合理配置。

(3)处理好当地水资源、外调水和再生水回用等其他水源间的关系。廊坊市水资源配置遵循“多用天上水，拦蓄过境水，强化节水，加大利用非常规水，大力引用黄河水，积极推进利用长江水，压采地下水”的原则，在充分挖掘当地水资源供水潜力和节水潜能的基础上，积极争取南水北调东线水量，相机引取黄河水量，实现当地水、过境水、再生水、长江水、黄河水、地下水“六水互济”。

(4)不同行业用水配置优先序：优先保证城镇生活和农村生活用水、充分保障工业用水、合理满足农业用水、尽量满足生态用水需求。

3.2 配置基本思路

由于廊坊市本底水资源有限，资源性缺水严重，规划在充分利用当地水资源量并深度挖掘节水潜力的前提下，加大利用引江水和引黄水力度，积极争取南水北调中线及东线延长线分水指标，压采地下水，实现廊坊市水资源的可持续利用。

根据廊坊市水资源现状和监测数据，水资源配置将廊坊县(市、区)分别概化为独立9个计算单元。结合廊坊市水系连通规划、南水北调和引黄济冀等规划确定的水系连通和外调水连通渠系，构建廊坊市水资源配置系统网络图。然后，建立以基本计算单元水资源供用耗排平衡方程、水利工程供水平衡方程以及各类约束方程，以供水净效益最大、损失水量最小以及生态保护期望值为目标函数构成数学规划模型；利用世界银行和美国GAMS公司研制的通用数学模型系统进行求解。本文通过对设定方案进行计算和对比分析，给出水资源配置推荐方案，为水资源配置方案修订提供依据。

水资源优化模型系统以运筹学为理论基础，将流域或区域作为一个整体，在给定的边界条件和约束条件下，以设定的目标函数为引导，通过求解巨型方程组，反复迭代得到各节点的水资源分配结果。

(1)对于多水源的水资源配置系统，本文考虑不同供水水源利用的优先序，采用以下目标函数：

MaxOBJ1=

(1)

式中：asur、adiv、agrd、asfl、arec分别为地表水、外调水、地下水、当地可利用水以及污水处理回用水的权重系数；XZSC、XZSI、XZSE、XZSA、XZSR分别为地表水城镇生活供水量、地表水工业供水量、地表水城镇生态供水量、地表水农业供水量、地表水农村生活供水量；XZDC、XZDI、XZDE、XZDA、XZDR分别为外调水城镇生活供水量、外调水工业供水量、外调水城镇生态供水量、外调水农业供水量、外调水农村生活供水量；XZGC、XZGI、XZGE、XZGA、XZGR分别为地下水城镇生活供水量、地下水工业供水量、地下水城镇生态供水量、地下水农业供水量、地下水农村生活供水量；XZSFC、XZSFI、XZSFE、XZSFA、XZSFR分别为当地可利用水城镇生活供水量、当地可利用水工业供水量、当地可利用水城镇生态供水量、当地可利用水农业供水量、当地可利用水农村生活供水量；XZTI、XZTE、XZTA分别为污水处理回用水工业供水量、污水处理回用水城镇生态供水量、污水处理回用水农业供水量。

(2)考虑各用水户的供水优先序原则，同时满足农业用水在时间上和空间上的宽浅式破坏，本文采用以下目标函数：

XAMAjtyαa+XZMRjtyαr)+λXMIN∀ty,j

(2)

式中：aj为各计算单元的权重系数；ac、ai、ae、aa、ar分别为城镇生活供水、工业供水、城镇生态供水、农业供水以及农村生活供水的权重系数；λ为农业破坏均匀度的权重系数；XZMC、XZMI、XZME、XZMA、XZMI、XMIN分别为城镇生活供水、工业供水、城镇生态供水、农业供水、农村生活供水、最小损失水量。

(3)为实现河湖损失水量最小，采用以下目标函数：

∀tm,ir

(4)

式中：air为反映水库重要程度的权重系数；β1、β2分别为水库在汛期与非汛期下泄水量的权重系数；XRSV、XCSRL分别为水库蓄水库容、地表水渠道供工业水量。

3.3 绿色水网总体思路

为实现廊坊水资源优化配置、防洪安全和水生态环境保护与修复，以廊坊自然水系和天然坑洼为依托，在已建渠系的基础上，通过清淤疏浚、除险加固和必要开挖等工程措施，从区域水系连通、洼淀湿地水系连通和城区水系连通工程三个层面具体落地，根据水量多少实时调整水生态修复措施，以水带绿(以水为中心，水体与滨岸带绿色相间)和以绿代水(水量不足，绿色的草地功能替代水体服务价值)相互转变，构建纵横相接、水源互济、蓄泄兼筹、功能完备的廊坊绿色水网，湖河水系连通格局是水流驱动因素作用于水生态系统关键过程的重要前提，是解决区域内部水资源短缺，促进经济发展及规划实施的重要依托[18,19]。

(1)经济社会高产值供水网。依托南水北调中线及东线延长线和引黄济廊等地下水工程，打造廊坊经济社会高产值供水体系。所谓高产值供水体系指能供给产生较高经济社会价值行业用水需求的供水体系，其余低产值对水质要求较低的行业由当地水资源满足。由于廊坊水资源短缺且地表水质较差，南水北调中、东线调水是廊坊城镇生活、二产和部分三产的供水核心，引黄水较本地水水质偏优，也应优先用足供给当地农业及生态需水。因此，以南水北调中线、廊涿干渠、天津干渠、保沧干渠、南水北调东线延长线、引黄济廊以及相关配套工程共同构成廊坊高产值供水网。

(2)人水相亲宜居城市支撑网。依托廊坊市各县(市区)城区天然地形，利用现有沟渠连通相关自然河道、洼地构建城区水系，充分利用天然径流和再生水资源，改善自然景观并修复水生态，为廊坊市人水相亲宜居城市建设提供水资源支撑。

(3)区域完善生态系统服务功能保障网。依托廊坊市自然水系、洼淀湿地和已有沟渠，实施区域水系连通、湿地坑塘连通工程。利用潮白河和泃河雨洪资源，修建泃河-鲍邱河和潮白河-鲍邱河连通工程；借助牛牧屯引河实现北运河、潮白河间的水量互通；疏浚扩建原有渠道实现白沟河-牤牛河连通，解决牤牛河道最小生态基流量不足问题；利用文安洼、贾口洼和东淀天然地势和自然河道互连互通，尽量多蓄滞天然雨洪资源。

3.4 配置过程

(1)计算方法。廊坊市充分利用当地、地下水资源，合理配置并进行优化调度，优先满足生活、生产需要，再满足生态景观用水需求。在调度过程中遵循最严格水资源管理制度，以不同水平年用水总量和地下水开发利用总量指标为总控。实施水系连通工程，增加河槽和湿地蓄水能力，拦蓄雨洪，实现不同类型水资源的时空优化调度。同时，严格控制地下水超采，严禁抽取地下水直接供给河道内生态用水。

根据“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水”的基本原则，本文采用“三次平衡”分析思想进行水资源供需平衡分析，包括水资源供需一次平衡分析、二次平衡分析和三次平衡分析。以地下水补充当地水为基础的水资源供需三次平衡分析，是在二次平衡分析的基础上，进一步考虑跨流域调水补充当地水后，将当地水与地下水作为整体进行合理配置后的平衡分析。作为模型的主要控制环节，基准年地表水与地下水供水量、地表水可利用量、计算单元社会经济耗水系数、主要控制断面下泄流量、湖泊湿地耗水量、社会经济耗水与生态用水比例、湖泊-坑塘-湿地蓄水变量计算贯穿其中，计算步骤包括：①廊坊市9个计算单元地表水与地下水供水量以及水资源分区的耗水计算，其中，水资源分区地表水耗水量不超过地表水可利用量，地下水供水量不超过地下水可开采量；②调整基准年计算单元综合耗水率接近目标控制值；③基准年水资源优化配置分析计算：通过建立基准年与规划水平年间的耗水关系，可进行规划水平年水资源供需平衡分析和耗水平衡分析。基准年的水质模拟分析结果，是规划水平年污染物入河量消减、满足水体水质目标的基础；④拟定规划水平年水资源优化配置方案集；⑤规划水平年水资源优化配置分析计算：根据拟定的水资源优化配置方案集，利用水资源优化配置GAMS模型软件系统分析计算，得到各个方案水资源供需平衡、耗水、河流生态流量、河流水质模拟、污染物消减、水功能区达标情况等结果。⑥提出水资源总体配置格局：根据推荐的水资源优化配置方案，提出廊坊市水资源总体配置格局。

(2)计算结果。本文在充分挖掘本地节水潜力的前提下，充分利用地下水，压采地下水，经过3次平衡分析后，廊坊市供需平衡最优方案见表1。考虑到水资源分区特点，在与当地水务部门统计数据口径协调一致的前提下，供需平衡计算中地表水主要包括当地水、过境水、雨洪水，外调水包括南水北调引江水，引黄水，再生水，地下水(包括微咸水)。在充分发挥廊坊市当地水资源和上游来水供水能力的情况下，用好用足南水北调中线供水，并进一步引用南水北调东线延长线地下水和强化节水条件下，2030年廊坊市多年平均缺水量为0.02 亿m3，缺水率为0.1%；需水量为13.63 亿m3，供水量为13.61 亿m3。其中地表水供水量为2.88 亿m3，地下水供水量为4.68 亿m3，净地下水供水量为3.77 亿m3，其他类型水源供水量为2.30 亿m3。通过三次平衡，2030年廊坊市水资源供需基本平衡。

在进行水资源供需平衡长系列调节计算时，本文展示供需平衡多年平均结果，而50%保证率和多年平均结果接近，因此，计算中仅对50%保证率的供需平衡结果进行分析。本文在供需平衡计算中，将雨洪水计算结果归入当地水，将微咸水归入地下水量平衡计算中。

表1 廊坊市供需平衡最优方案(按水源分类) 百万m3

4 结 语

本文在对北方缺水城市水资源短缺特点及原因进行分析的基础上，结合廊坊市作为缺水城市的共性特点，提出“多用天上水，拦蓄过境水，强化节水，加大利用非常规水，大力引用黄河水，积极推进利用长江水，压采地下水”的缺水解决思路，在充分挖掘当地水资源供水潜力和节水潜能的基础上，遵循“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水”的基本原则，在加大节水力度，全方位开源的基础上，积极争取南水北调水量，相机引取黄河水量，实现当地水、过境水、再生水、长江水、黄河水、地下水“六水互济”。

本文提出的廊坊市城市缺水解决策略对北方缺水城市解决缺水问题具有普适性，但各个地区在水源构成、水量分配过程中存在差异，因此，在具体应用时应针对特殊情况灵活变通，确保区域水资源的可持续开发利用。

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