跨流域调水系统研究与实践

□王宏江

摘 要 就跨流域调水系统的基本概念、特点及国内外跨流域调水工程规划管理决策分析研究状况，跨流域调水系统研究与实施的作用与意义以及跨流域调水系统规划与管理决策涉及的几个基本问题进行简要的分 析。以引滦入津跨流域调水系统为依托，以可持续发展为导向，结合我国现状，从规划后评价与运行管理的角度对跨流域调水系统水资源管理中尚未被重点研究而又很关键的有关问题进行分析研究。
关键词 引滦入津 跨流域调水系统 水资源管理

　　 随着人口的增长和经济的发展，水资源问题已经成为制约人类生存与可持续发展的瓶颈因素。水资源分布不均匀性与人类社会需水不均衡性，使得调水成为必然。跨流域调水是在两个或两个以上的流域系统之间，通过调剂水量余缺所进行的合理水资源开发利用，它是改善水土资源组合的现有格局，实现水资源合理配置，保证国家社会、经济和环境持续协调发展的一项重要战略任务，因而受到世界各国政府的关注。从工程设施角度考虑，跨流域调水系统一般包括水源工程(如蓄水、引水、提水等工程)，输配水设施(渠道或管道、隧洞和河道等)，渠系建筑物(如交叉、节制和分水等建筑物)，受水区内的蓄水、引水、提水等设施。

　　 一、国内外相关领域研究

　　 跨流域调水(Interbasin WaterTransfers，以下简称IWT)系统是结构复杂、形式多样的多水源、多地区、多目标、多用途的高维复杂系统。如何利用现代决策理论的最新成果，结合这类工程规划管理决策研究中的实际情况，提出先进、实用的规划调度理论与方法，是提高复杂环境下工程规划管理决策成果质量(包含决策成果的精度和有效性，强调决策成果的实用性即决策方法的可操作性和决策结果的可接受性)的客观要求。半个多世纪来，国内外专家学者提出了许多跨流域调水工程规划调度决策模型与方法，归纳起来可分为两大类：一是通过各种方法对复杂跨流域调水系统进行简化后，采用单一的数学规划模型或模拟模型进行跨流域调水工程的规划调度决策研究；二是直接采用大系统优化决策模型和方法，通过先建立各种类型的大系统递阶结构模型，然后再运用多种数学规划或模拟技术(含自优化模拟技术)相结合的求解方法，进行该类工程的规划管理决策研究。其后，Becker & Yeh(1974年)又针对CVP中单一水库的实时运行问题，提出了LPDP组合算法；进一步采用LP与随机DP相结合的方法，研究了1WT优化控制过程中水库最终蓄水状态对未来损失期望值的影响问题等。近些年来，随着模糊数学、决策支持系统与专家系统、神经网络等新型理论、方法的不断发展和完善，人们开始探索这些新的理论、方法在跨流域调水工程规划管理决策研究中应用的可能性。自20世纪70年代以来，大系统多目标混合模型与决策方法在跨流域调水规划管理决策研究中得到了广泛应用，如Jamieson等人(1986年)从一般IWT的规划、设计和管理决策过程出发，建立了跨流域调水规划的混合决策模型结构，并建议采用混合整数规划模型优选系统结构、模拟模型设计所含工程设施的尺寸大小、动态规划方法进行系统实时决策研究等。近些年来，决策支持系统等智能化理论开始在跨流域调水工程规划管理决策分析研究中得到了推广和应用。近10年，有关水价、水资源承载力、水市场化等方面的研究在我国如雨后春笋般地开展了起来，非点源污染的机理、模型与防治措施的研究也得到了一定的发展。

　　 二、跨流域调水系统规划与管理决策涉及的基本问题

　　 跨流域调水将重新调整水土资源配置与社会经济发展的关系，其影响巨大而久远。任何一项跨流域调水工程的规划与管理决策都会涉及许多复杂又困难的问题，它们主要包括政治与法律、技术、社会经济、环境4个方面的问题。

　　 1．政治与法律方面

　　 在跨流域调水诸问题中，政治与法律方面的问题往往最复杂。不同的国家对水权有不同的立法。例如，根据印度宪法，“水”是由邦管辖的，中央政府只起协调作用。在美国，不同的州实行不同的水权制度，其中内华达州等9个州(多为西部较干旱的州)实行“优先使用权制度”，即谁先取水并加以有效利用，谁的水权等级就高，时间先后是决定用户取用水量的主要依据，当水源不能满足用户需水时，先减少水权等级低的用户水量；马里兰州等29个州(多为东部水量丰富的州)实行“沿岸使用权制度”(即沿岸土地所有者有权合理使用过境河流的水量，但必须以保持河中水流天然状态，不因人为因素而使河水突然减少或水质受到损害并且兼顾上下游用水户利益作为“合理使用”的判据)；而加利福尼亚州等12个州实行上述双重水权制度。国家批准或实施跨流域调水工程的权力，除涉及通航目标外，不能超越州政府有关水权的法规。在这样的法律背景下，实施跨流域调水规划无疑要克服许多政治法律方面的困难。在中国、俄罗斯以及其他一些国家，宪法规定水资源属国家所有，从法律上为中央政府实施跨流域调水计划提供了依据。然而，由于水资源的重新配置将在很大程度上影响地区经济和社会的发展，因而任何一项跨流域调水计划的决策和实施，同样会遇到来自地方行政当局提出的各种要求和阻力。尽管存在上述政治和法律方面的困难，但当一项跨流域调水规划真正被确认会给所涉及的地区经济和社会发展带来显著利益并为广大公众认识
后，该项规划将会受到热情的支持。

　　 2．技术方面

　　 ①“可调水量”问题，它是跨流域调水最核心的问题。受水区往往过分强调供水补给而忽视了对用水实际需求的研究，调水区则容易过多地强调本地区社会经济发展的重要性而增大本地区未来的用水需要量。严格地说，要确定跨流域调水的“可调水量”，应当在可持续发展思想指导下，把调水区与受水区耦合成一个统一的跨流域水资源大系统，建立系统的社会一经济一环境一资源综合发展模型，并根据系统最佳综合效益原则予以确定。由此可见，“可调水量”应是反映系统内水资源最佳配置的综合指标，既要考虑调水区的可供水能力，也要考虑受水区的利用效率。

　　 ②经济合理的输水渠道工程规模(如各渠段的设计流量、加大流量以及纵横断面等)问题。

　　 ③工程范围内调蓄设施的工程布局及其相应的蓄水容积大小问题。

　　 ④输水沿线所涉及的渠系建筑物和交叉建筑物的形式、结构、规模大小等问题的研究。

　　 ⑤提水泵站的合理规模和级配，以及提水泵站群联合运行的优化调度和实时调度的方法及规则等问题。

　　 ⑥水质环境的监控、测试、防治技术和设施，以建立有效的水质环境监测和管理系统问题。

　　 ⑦各种土质条件下输配水工程的合理结构形式及其防渗技术问题研究。

　　 ⑧工程建设和运行管理的管理信息系统及其决策支持系统等问题的研究。

　　 3．社会经济方面

　　 ①研究社会主义市场经济体制下跨流域调水的有偿供水原则和价格管理体系。

　　 ②研究建立与社会主义市场经济体制相适应的跨流域调水工程运行管理机制。

　　 ③研究工程运行管理过程中出现争水矛盾与利益冲突问题的处理方法。

　　 ④研究水质保护的政策、法规及监督机制。

　　 ⑤研究水权转移的法制法规建设和对水量调水区的经济补偿政策。

　　 ⑥研究兴建跨流域调水工程的集资政策与投资分摊政策等。

　　 ⑦研究工程建设的管理模式，包括明确建设管理的层次结构及其相应的职能，拟定分期建设计划等。

　　 ⑧研究跨流域调水与节水、节能、能源开发、水资源保护和管理等方面的战略关系等。

　　 ⑨研究决策者的权力结构及其变化动态。

　　 ⑩研究工程决策的时机问题，包括工程迫切需要建设的程度，国家社会经济的发展形势，各方面(如中央、地方和个人)的经济承受能力，有关流域和地区认识上的一致性程度，工程
本身研究深度和广度是否符合建设发展的要求，施工和管理等方面的技术条件是否可行等等。

　　 4．环境方面

　　 跨流域调水会对工程全线的水质与生态环境产生影响，并随不同的跨流域调水工程而表现出不同的侧重面和影响程度。其影响按区域范围可归纳为：

　　 (1)调水区的环境问题

　　 通常，跨流域调水要求调水区的水质优良。如果调水区已受污染，则应先治污后调水，并采用适当的水源保护措施，防治水源污染。即便如此，调水区也会因水量调出而产生以下环境问题：调水将不同程度地影响水源局部地区的气温升高、水温升高、水质恶化、泥沙淤积，诱发水库地震，水生生物发生变迁，淹没文物古迹，破坏自然景观；调水有利于减轻水源下游地区的洪涝灾害，但也会因下游水量的减少而导致下游河道的航深降低，河道冲淤规律变化，生物多样性消失，已有水利工程设施功能降低甚至失效，农业灌溉面积减少；若引水口距河流人海口较近，还会改变河口水位，导致河口泥沙淤积，增加海水(盐水)入侵，引起河口与近海的生态系统变化；若从某流域的支流引水，则可能因该支流汇人干流的水量减少，导致支流受干流河水顶托而排污能力下降，在支流出口处发生水质恶化等。

　　 (2)水量通过区的环境问题

　　 利用天然河道输水和湖泊调蓄，将改变原河流和湖泊的水文、水力特征；大型渠道输水有利于发展航运，改善自然景观；输水沿线水量的增多，可能使水生物和鱼类的数量、种类增多；输水沿线水量的增加，一方面有利于改善沿线的水质环境，另一方面，如果输水沿线存在水污染源且向输水渠道或河道排放，将会导致调水量受到污染；输水沿线若存在膨胀土、滑坡、断层、地震多发区等不良地质条件，则容易导致渗漏和崩塌甚至诱发局部地震，给沿线的生态环境造成较大破坏。

　　 当输水线路经过较强暴雨区时，可能产生调水区与通过区或受水区之间的洪水遭遇，形成更大的洪涝灾害：当输水线路与地表水流向或地下水流向正交时，则可能因阻止了地表水或地下水的出路而导致洪涝碱灾害；输水沿线的输水渗漏，一方面有利于抬高地下水位、缓 解输水沿线的供水紧张状况，另一方面也可能导致土壤次生盐碱化；当输水线路经过人口稠密地区时，一方面可为居民增加新水源和风景区，另一方面也会导致大量移民和工矿企业及城镇的搬迁；输水工程施工时，会引起输水沿线的地貌与生态景观改变和环境污染等。

　　 (3)受水区的环境问题

　　 通常，规划管理合理的调水工程，常常会给受水区带来明显的环境效益。如：可为受水区的工业、生活用水提供新的水源，增加灌溉面积和灌溉水量，可使生态环境系统得到改善，防止地下水过量开采，促进工业和城市的发展等。向严重干旱或沙漠地区调水的环境效益将更为显著。但如果规划管理不合理，也可能会因水量的增多而导致一些不良影响。如：地下水位过度升高，引起土壤次生盐碱化；使低洼地区引起土壤潜育化和沼泽化；引起细菌、病毒通过水媒介蔓延，如水域扩大有利于蚊虫孳生，引起疾病流行；在钉螺孳生地区，钉螺随水迁移可能导致血吸虫病扩散等。

　　 三、引滦入津跨流域调水系统有关问题分析研究

　　 引滦人津调水系统是天津市工业与城市生活的主要水源，目前，由于水资源普遍短缺，引滦人津跨流域调水是否仍合理可行，跨流域调水涉及的诸多水资源问题该如何进行有效管 理，都需要系统地分析研究。

　　 引滦人津跨流域调水系统关键问题的分析研究，主要包括以下几方面。

　　 ①系统分析论述了水资源的定义与内涵及其特征；对区域水资源的组成及潜力进行了系统分析，并建立了区域水资源可持续利用的判别模式；给出了水资源承载力的定义，揭示其 内涵与特征，在此基础上建立了水资源承载力的计算模型，并对水资源承载力的特性及影响因素进行了全面分析，运用所建立的模型方法初步分析计算了天津市及滦河流域的现状水资 源承载力状况，并以引滦人津跨流域调水系统为例，开创性地运用水资源承载力对跨流域调水系统调水的合理性问题进行了分析研究。

　　 ②在对小波理论基本概念和方法分析总结的基础上，选择了适当的小波函数一sym4小波，通过小波信息量系数，探讨了引滦供水系统来水时间序列有序性和周期成分的状况，通过对月径流流量总体趋势的分析发现，每经过10～12年，就会出现一次月流量高峰，如1959、1969、1979、1991年。而且20世纪50～80年代，总来水量呈阶梯状下降。这表明随着天津市的经济发展，生产用水、生活用水和生态用水的需求量都在增大，在这种情况下，仅依靠引滦供水系统保证不了天津市的用水需求。天津市对南水北调等其他水源的需求是根本性的。

　　 ③对水价的研究现状进行了分析论述，提出了水价(包括跨流域调水系统水价)构成的理论公式，对水价构成中各基本要素的内涵、形成机理进行了系统深入地分析，进而创新性地提出了各水价要素(资源水价)及其相关参数的计算确定方法，并对2000典型年滦河流域、天津市和引滦人津调水系统的水价问题进行了实证研究；对水价与需水量的关系以及用户对水价的承受能力等问题进行了一定的分析探讨。

　　 ④水市场是水资源合理配置的一种有效途径，也是水资源可持续利用管理的方式之一，借鉴国外经验并结合我国国情，分析了我国跨流域调水系统水市场机制与特点，论述了我国跨流域调水系统水市场建立的思路与措施，分析了以交易系统整体经济效益最优与单个交易用户效益最优两种情况下交易额确定的方法，并对水交易发生的条件进行了初步的量化分析，以期为我国水市场理论与实践的发展奠定基础。

　　 ⑤系统在总结遗传算法基本原理和研究进展状况的基础上，探讨了其在供水系统优化问题上的应用前景，并结合引滦入津引供水系统核心枢纽的实际情况，研究建立了基于遗传算 法的泵站机组运行调度模型，给出了编码规则、适应函数的选择、遗传算子的设计、控制参数的选取等基本步骤，并根据有关资料对该方法进行了实际应用检验，结果表明可以利用遗传算法研究供水系统的优化问题。

　　 ⑥结合我国现状，分析建立了4种情况下河渠系统水环境质量管理的模糊优化模型，该类模型较传统的水质管理模型更适宜我国现状水质管理情况，并以引滦入津跨流域调水系统为例，进行了具体的应用研究；考虑到跨流域调水系统沿程非点源污染的客观存在，简要介绍了非点源污染的研究现状、机理与模型，并对非点源污染的防治、管理与控制措施进行了一定的分析探讨。
通过对跨流域调水系统水资源综合管理的理论与方法的研究，并以引滦人津调水系统为对象，对相关的理论与方法进行了实证研究。本研究不仅对跨流域调水系统的水资源综合管 理具有普遍的指导意义，而且对引滦人津调水系统的综合管理决策具有直接的借鉴与参考价值。