流域水资源开发利用程度评价的若干问题探讨——以海河流域为例

丁菊莺，宋秋波，任涵璐，刘博静

（1.湖南省国际工程咨询集团有限公司，湖南 长沙 410126；2.水利部海河水利委员会，天津 300170；3.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津 300170）

水资源开发利用程度也叫水资源利用率，是用水量占水资源总量的比率，体现某个时序周期内流域或区域水资源已被开发（采）利用的程度（强度）。其可用来综合评价流域水资源总体开发状况，指导管理者编制流域水资源规划，针对问题科学合理开展水资源管理；可从成因上将自然生态系统中的表象问题，如河道断流、湿地萎缩、包气带干化、地裂缝、地面沉降、海（咸）水入侵等，与人类活动中的不合理行为进行关联；可辅助分析流域或区域在一定可预见期内可开发利用的潜力；可用于开展生态环境用水被挤占量和退还量的分析计算。

《水资源规划规范》（GB/T 51051-2014）[1]中仅对水资源开发利用程度分析评价的方法作出了简要阐述，对其中涉及的诸多复杂因素如时段和区域界定、代表性系列选取、山丘区地下水开采对地表径流的影响、非常规水如何参与计算等方面缺乏具体指导和相关案例，造成计算结果存在人为因素影响大、科学性欠缺等问题。

2017 年以来，水利部开展的第三次全国水资源调查评价成果表明，海河流域水资源量较第二次调查评价衰减明显，且衰减态势尚无臻于稳定的迹象。本文以水资源开发利用程度评价中的代表性系列选取为核心，以我国水资源最为短缺、供需矛盾最为突出、下垫面变化最为剧烈的流域之一——海河流域为研究对象，对流域水资源开发利用程度计算的若干重点问题进行分析与探讨。

1 代表性系列选取

《水资源规划规范》（GB/T 51051-2014）中指出，应根据水资源评价分析和供水量调查分析成果，分别计算地表水资源开发利用率、地下水资源开采率及水资源开发利用率等指标，对水资源开发利用程度及状况进行评价[1]。规范明确指出：对应水资源开发利用率的计算可采用近期当地水资源形成的年平均供水量（含调出水量）与多年平均年水资源量的比值表示[2]。规范中强调应计算某个系列周期的内容，且要求为多年平均水资源量。

第三次水资源调查评价海河流域已有比较完整的61 a 水文系列，在满足水文系列不少于30 a 的条件下，计算系列可有多种不同选择，本次选择海河流域内各代表性河流的典型水文测站进行代表期分析，选取测站长系列、1956—2000、1970—2016、1980—2016、1956—2016 年共5 个系列进行分析对比，从中筛选出适宜计算水资源开发利用程度的水文系列。

水文系列的代表性分析，主要是通过对周期性、稳定性和代表期分析来揭示系列对总体的代表程度[3]。一般用模比系数差积曲线反映周期性，系列中应有明显的丰、平、枯水期；用模比系数累积平均值曲线反映稳定性，当模比系数累积平均值计算到一定期限，数值波动幅度无限趋近于1，表明系列具有稳定性。本次收集到1956—2016 年共61 a 径流量数据，进行分析如下。

1.1 系列基本参数分析

系列代表性分析可通过样本容量、均值、总体方差等参数来体现。分别对不同系列进行计算，从均值来看，1956—2016 年系列代表效果较好；从方差来看，1980—2016 年系列较为平稳；从变差系数来看，1980—2016 年系列年际变化更为缓和。仅从基本参数来看，5 个系列中1980—2016 年为相对最稳定的系列。具体情况，详见表1。

表1 各代表站统计参数计算结果

1.2 系列周期性分析

通过模比系数差积曲线[4]观察周期性：完整的上升段表示一个丰水期，完整的下降段表示一个枯水期，围绕一个数值小范围波动表示一个平水期。观察图1 中海河流域1980—2016 年的水资源量系列，从一般性枯水期开始，十几年后快速进入一个丰水段，到1998年结束，其中经历了1996年的洪水年作为丰水年极大值，然后经历了十几年的连续枯水，2002年为特枯年。2001年后，丰枯交替比较剧烈，但没有连续丰枯现象。总体判断是，该系列具有完整的丰枯交替特征，也有不同频率的典型代表年，相对而言缺乏比较有代表性的平水段，但总体是具有代表性的。

图1 海河流域各系列模比系数差积曲线

从1970 年开始的系列，由于20 世纪70 年代总体径流量较大，导致系列均值抬升。从差积曲线来看，呈现1972—1979、1993—1998年2个明显的短期丰水段，1980—1984 年短期枯水段，1985—1992 年平水段，1999—2011 年中长期枯水段。与1980—2016 年系列相比，极值点保持一致。总体系列代表性满足要求，有明显平水期，但仅有一个较长枯水段，其余丰枯时段都较短，代表性欠佳。

1.3 系列稳定性分析

通过模比系数累积平均值曲线[4]观察系列稳定性：系列长度都超过30 a，总体都可达到稳态。1956—2016 年系列和1956—2000 年系列的累积平均值从正值下降逐渐趋近于1，证明系列总体呈现前期丰水、后期枯水，通过后期稳定的枯水状态拉低前期丰水状态影响，从而使得系列逐渐趋于稳定。而1970—2016 年系列仅在系列初期出现短暂枯水，之后处于丰水或平水期，依靠后期连续枯水使得系列趋于稳定。1980—2016 年水文系列前1/3 时段趋于枯水，中间1/4 时段处于相对丰水，后期约1/3 时段处于枯水期，经过丰枯交替逐渐趋于稳定。从曲线特征判断，在满足稳定性前提下，1980—2016 年系列稳定性较好，如图1所示。

1.4 径流序列变异分析

另选2 个典型水文站（滦河滦县站、潮白河密云水库站）径流量序列，应用5 a 滑动平均法进行变异点分析，如图2所示。

图2 典型水文站径流量及5 a滑动平均过程线

由径流过程线及相应的5 a 滑动平均过程线可看出2个水文站的年径流量序列均呈现总体下降的趋势，且1980 年前径流量变化幅度较1980 年后剧烈，初步判断径流量序列可能存在变异[5]。

采用Mann-Kenddall 秩次相关检验法[6，7]对2 个水文站的径流量序列进行趋势性检验。在给定的显著水平α=0.05 的条件下，查表得知Zα/2=1.96。经计算，滦县站和密云水库的M-K值分别为-5.812 和-5.613，可知＞Zα/2，且M-K＜0，说明径流量序列有明显的下降趋势。再通过累积距平法[8]确定变异点年份，2 个代表站年径流量的累积距平曲线均在1979年出现最大值，诊断1979年为径流序列变异点，如图3所示。

图3 典型水文站径流量及累积距平曲线

因此，为体现流域内近期开发利用状况，推荐选用1979年后具有代表性的长系列作为资源量系列。

1.5 最优系列比选

常规来说，在满足“三性”条件的前提下，系列越长代表性越好，除非稳定性发生了变化。经上述分析，比较具有代表性的系列有2个：1956—2016年系列和1980—2016年系列。分析如下。

（1）在降雨量变化差别不大的情况下，影响径流的主要因素是人类活动引起的下垫面变化，包括但不限于山区水土保持、地表水和地下水取用、水利工程建设、土地利用转化等，其中人类活动开发利用的主要手段是大规模水利工程的建设。海河流域水利工程的建设主要集中在20世纪50—70年代，这期间修建了大量的水库，至1980年前后，除个别水库（如桃林口水库）外，其他水利工程基本修建完成进入运行。因此，从20 世纪80 年代初期开始，人类对水资源开发利用的方式基本趋于稳定。

（2）从个别站超长系列分析结果来看，20 世纪50年代中后期到70年代前期，整个海河流域处于近150 a 水文系列当中最丰的一个时段，对比2012、2013、2016、2018、2021 等多个平水或丰水年，结合有关气象预测，海河流域很难重现20世纪60—70年代的水文水资源状况。

（3）海河流域水文系列有2 个比较明显的拐点，分别是2000 和1979 年。从2000 年前后统计20 a，近40 a是从特丰水期到特枯水期，然后到平水期，呈现为一个较为完整的丰枯交替系列，在比选代表性系列时，不宜从2000 年切断，否则1956—2000 年系列呈现单向性，2000—2016 年不满足系列长度。而1979 年后的系列具有明显的丰枯交替特征，之前的系列则无法反映近年来开发利用实际情况，尤其是20世纪80年代以后大规模的地下水超采状况。

综上所述，1980—2016 年系列满足水文系列长度不小于30 a 的一般要求，在调查评价中已开展过可靠性、一致性和代表性分析，且具有较好的周期性与稳定性，可作为评价海河流域水资源开发利用程度的基础。

2 海河流域水资源开发利用程度评价

考虑流域水系特点和开发利用差异性，本文以海河流域水资源二级分区为单元计算水资源开发利用率，主要对地表水和水资源总量开发利用率进行计算。

2.1 评价期水资源开发利用现状

海河流域可供开发利用的水资源主要有本地地表水、外调水、地下水、非常规水等水源，外调水主要指南水北调工程、引黄工程供水等。2019 年海河流域总供用水量380.6亿m3，其中本地地表水、外调水、浅层地下水、深层承压水、非常规水分别为81.7 亿、110.5 亿、137.1 亿、22.8 亿、28.53 亿m3，从供水组成来看，外调水和地下水成为海河流域主要供水水源。

从供水角度看，1980 年以来海河流域供水总体呈现快速增长而后缓慢下降的趋势，年总供水量为344 亿～402 亿m3，2000 年前变幅较为明显，之后逐渐稳定，如图4所示。

图4 供用水变化趋势

1980年为海河流域干旱年，而1979年为海河流域丰水年，大中型水库蓄水较多，全流域总供水量达到396 亿m3；至1985 年，流域水资源状况较好，总供水量降低到344 亿m3，为近30 a 最低值；此后，伴随经济社会进入快速发展期，供水量也呈现稳定增长趋势，到2000 年增长到402 亿m3，为近30 a 最高值；2000—2016 年，总供水量总体呈缓慢下降趋势；2016年后，总供水量缓慢增加。

从用水角度看，流域用水量与经济社会发展密不可分，2000 年以前集约式经济发展和粗放式用水导致流域用水总量快速增加，到2000年达到402亿m3，大大超过水资源承载能力[9]，水资源短缺导致供需矛盾突出，引发地下水超采和生态环境破坏。2000年后，伴随经济社会发展方式逐渐变化，节约用水水平不断提升，用水量呈稳步下降趋势，全流域年用水总量基本稳定在370 亿m3上下。从用水结构变化看，不断加速的城镇化进程导致生活用水不断提升，生态文明建设步伐加快也导致人工生态与环境补水量持续快速增长，而国民经济和产业结构的转型使得工业用水量和农业灌溉用水量呈现下降趋势。

2.2 地表水资源开发利用率

地表水开发利用率计算时应对地表供水量进行扣减和还原，扣减外区域供本区域的水量，还原本区域供外区域的水量，考虑山丘区地下水开采净消耗量，得到当地地表水供水量。海河流域涉外调水历史悠久，自20 世纪50 年代开始便有鲁、豫两省引黄河水用于灌溉，之后津、冀、晋陆续建成引黄工程并通水；南水北调东线一期、中线一期工程也分别于2013 年年底、2014 年年底相继通水，受水区涉及京、津、冀、豫、鲁共5个省市，主要为城镇生活和工业供水。流域内也存在水资源二级区之间跨区调水，主要有引滦入津、山东省引卫工程等。

具体计算时，根据多年来海河流域实际调水情况对各区地表供水量处理如下：①滦河冀东沿海需还原引滦入津工程供天津海河北系、海河南系水量；②海河北系应扣减引黄、引江、引滦、河北省四库（岗南、黄壁庄、王块、安各庄4座大型水库）向北京调水量；③海河南系需要还原四库向北京的调水量和徒骇马颊河引漳河水量，同时扣减引黄、引江、引滦水量；④徒骇马颊河应扣减引黄水量和引漳河水量。此外，海河北系有大量由北运河（北京）下泄的再生水，流到下游天津被统计为本地地表水，但实际上天津的主要供水水库如于桥水库、尔王庄水库本地自产水量很少，水库中大量都是上游下泄而来的再生水，在对海河北系进行计算时，需酌情扣减再生水对当地地表水资源开发利用的影响。

1980—2016 年，海河流域多年平均地表水资源量为136.7 亿m3，多年平均当地地表水供水量103.2亿m3，流域地表水开发利用程度为75.5%。不同水资源二级区之间差别较大，海河北系开发利用程度最高，达97.7%。其次为海河南系与滦河及冀东沿海，分别为74.6%、68.8%；徒骇马颊河由于当地径流均为平原产流，在海河流域开发利用率最低为46.4%。

2.3 水资源总量开发利用率

计算水资源总量开发利用率时，除扣减和还原地表水供水量中对应水资源二级区跨区域调水量外，还应扣减未计入水资源总量评价范围的深层承压水供水量。

1980—2016 年，流域水资源总开发利用程度达105.7%。其中，滦河及冀东沿海开发利用率81.6%，海河北系高达123%，海河南系为113.4%，徒骇马颊河为74.7%。具体情况，详见表2。

表2 海河流域1980—2016年水资源开发利用程度分析

2.4 水资源开发利用程度分析

海河流域水资源禀赋条件较差，而流域内京津冀地区社会经济发展水平较高，其经济社会发展与水资源禀赋条件是不匹配的。新中国成立后，海河流域的水利建设得到了较大规模的发展，最主要的体现即南水北调工程和引黄工程的建设，且流域内的引滦调水工程也为平衡水资源供需矛盾做出了巨大贡献。

本节水资源开发利用率的计算，主要是评价区域本底情况的开发利用程度。计算结果显示，海河流域多年平均地表水资源开发利用率较高，主要体现在海河北系内京津冀地区，水资源对区域初期经济社会发展起到了推动作用；但新时代水资源保护政策也对区域经济社会发展带来了限制。全流域水资源总体开发利用程度已超过100%，笔者分析主要影响因素为区域内多年来的地下水超采状况导致[10]。从水资源承载能力角度来说，当地水资源禀赋条件无法支撑流域或区域内的经济社会高质量发展。随着海河流域内京津冀协同发展、雄安新区、环渤海带等重要经济发展战略的实施，以及南水北调中线工程供水能力的限制，未来流域内水资源供需矛盾将更加严峻，需要引进新的外调水工程，缓解流域内重要经济区的供水压力。

3 若干问题探讨

3.1 时空范围选取

通常认为在计算水资源开发利用程度时，应当尽量以河流水系流域为单元进行计算。行政区单元内流域出入境比较复杂，如“上游行政区下泄水量是否满足下游需求、下游行政区是否超用上游下泄的过境水量、各行政区河流生态水量的分摊问题”等，在未明确水量分配方案的前提下，计算存在上述基础性问题，选择河流水系为单元则比较少涉及地表水出入境的问题。《全国水资源综合规划技术细则》中指出：“大江大河水资源开发利用程度按独立流域或一级支流为单元进行分析，中小流域由各省（自治区、直辖市）选择进行分析[11]。”综上所述，海河流域河流水系出入区关系复杂，选择相对独立的水资源二级分区为单元进行计算较为合理。

进行计算时段选取时则要尽可能体现近期下垫面情况，资源量系列须具有足够的代表性。

3.2 厘清调入调出关系

在计算区涉及调水时，本着开发利用量与资源量相对应的原则，应当把调入水量归还给供水区。如在计算近期北京市地表水资源开发利用率时，会涉及北京2008—2014 年河北省四库向北京应急调水水量，应当将这部分水量从当地地表水中予以扣除，归还到河北省地表供水量中；在计算河北省地表水资源开发利用率时，涉及引黄济冀水量应予以扣除，并归还到黄河流域供水中。其本质理念是供水工程把水供出，即代表“开发利用”了本区的资源量。

3.3 考虑山区地表水与地下水的转换关系

山丘区的地表水多以地下水形式被运用，但开采地下水对地表径流影响很大，直接导致地表径流衰减，所以在计算时应理解为地表水开发利用。海河流域山丘区地下水开采量较大，对地表水资源的袭夺影响不可忽略，因此本文在计算地表水资源开发利用率时将统计的山丘区地下水开采量计入资源量，将山丘区地下水开采净消耗量计入开发利用量中，更能反映实际开发利用情况。

3.4 非常规用水如何参与评价

近年来，海河流域非常规水用量增加，如北京的再生水、天津的淡化海水等。在计算流域总体水资源开发利用率时，非常规水资源的处理较为复杂，主要分为3类，笔者进行了如下思考。

（1）未计入资源量评价的水，指用水户退回本区域并被检测到的水量如深层承压水、雨水、微咸水、淡化海水、矿坑水等。理论上来说，如果它们不被开发利用，可能会导致资源量被更多地消耗，但在实际工作中一般不直接计入，除非其退水被计入资源量，则在开发利用量中进行相应的考虑。

（2）跨流域调水的回归水量，在海河流域水资源评价时已分别计入地表和地下水资源量中，往往以再生水的方式被开发利用，应计入开发利用量。

（3）再生水。若再生水的初始用户水源是外调水，则用户对当地水的用水需求会相应降低，此类再生水理论上不应计入用水总量。若再生水的初始用户用的是本地地表水、地下水，实际意义上代表的是当地水资源利用效率的提升，当再生水用量增加时，则新鲜水量的需求会相应减少，此时由需求降低带来的出境水量变化是增加的；但再生水提升了水的重复利用率，由排水减少带来的出境水量变化是减少的；由此导致总体上出境水量会有一定增加，可以理解为当地地表水的原始“开发利用”量减少了。由于上游地区的出境水量在一定程度上会影响下游用水，此时再生水是否计入用水总量应当慎重考虑。

3.5 核心问题是开发利用量和资源量的对应

海河流域在2002年开展水资源规划编制工作时曾开展过1980—2000年流域水资源开发利用程度分析，当时地表水开发利用率采用的开发利用量是1980、1985、1990、1995、2000 年共5 个年份的当地地表水供水量均值代替了该时段的年均供水量；资源量数据采用1980—2000 年地表水资源量评价值，开发利用量和资源量是对应的。水资源总量开发利用程度评价中采用5个典型年份供水总量（扣除深层承压水和跨一级流域外调水供水量），资源量数据为系列水资源总量，开发利用量和资源量也是对应的。本文选用的水资源量系列为1980—2016 年长系列，因此对应的供水量也采用1980—2016年年均供水量。

4 结论与展望

（1）流域区域水资源开发利用程度评价比较复杂，在满足规范规定方法的前提下，要注意的问题有时空序列的选取、调入调出关系的厘清、山区地表水与地下水转换关系的考虑、非常规用水量的处理等，其核心是代表系列选取与统计数据合理性分析。

（2）海河流域2019年总供用水量为380.6亿m3。随着经济社会发展，流域多年平均当地地表水开发利用程度已较高，达到了72.1%，大大超过了国际公认的40%合理上限[12]；外调水的比重逐渐加大，对外流域调水的依赖性逐渐增强；加之流域内多年来大量开采地下水，远远超出地下水可开采资源量，导致水资源总量开发利用率高达105.7%。未来应遏制水资源过度开发的局面，统筹考虑当地水、外调水和非常规水源，调配供水体系，优化供水格局，以保障流域的供水安全。自2018 年以来，水利部大力推进华北平原区地下水超采治理已取得巨大成效，说明水资源被过度开发的问题已引起行业主管部门的重视，

（3）本文以海河流域为例进行水资源开发利用率分析计算，虽然计算公式较为简单，但在具体工作中并非易事。本文总结了计算关键点，如区域调入调出关系、非常规用水的考虑等，均为计算过程中需要着重分析的部分。此外，本文着重于论述以流域为计算单元的水资源开发利用程度分析，针对以行政区域为评价单元的水资源开发利用程度分析更为复杂，除需要关注流域分析的关键点之外，还需要厘清行政区域涉及水系的出入区关系，希望在实际工作中引起技术工作者的注意。