北京市水资源战略储备动用模型及对策措施
2024-02-21韩中华刘雪娇
韩 丽，郑 科，韩中华，刘雪娇
(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；3.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)
战略储备是为解决发展中出现的严重自然灾害或者由于战争等突发事件引起的重大供需矛盾建立的储备[1]。2003年，国务院印发的《中国21世纪初可持续发展行动纲要》指出，建成重要资源战略储备安全体系是我国21世纪初可持续发展的具体目标之一。水与石油、粮食一样是国家可持续发展的战略性资源[2-3]，是经济社会发展的基础性、先导性、控制性要素[4]。水资源战略储备概念是基于国家战略层面，在极端水危机下用水安全的保障，需要建立储备体系[5-6]，并在大城市实行多水源供给的水资源战略储备制度。
北京市作为拥有2300万人口的超大城市，经济体量大、现代化程度高、国际影响力强，对水资源安全保障提出高要求。水资源是首都经济社会持续稳定发展的刚性约束[7]，是确保首都充分发挥政治经济作用的支撑。立足于水资源时空分配极其不均的市情水情，加强“丰存枯济”、打好应对水资源丰枯变化主动仗，强化水资源战略保障、中长期储备和应急功能[8]，增强防范抵御重大风险能力，保障首都水资源战略安全，水资源战略储备体系的建立，既是现实所迫，更是长远所需。
1 水资源战略储备应对风险分析及储备内涵界定
1.1 影响水资源保障安全的风险种类和特点
对北京市历年水情进行梳理，经分析主要有3种风险类型，见表1。
表1 北京市水资源风险类型及特征表
(1)长期(极端)气候干旱风险。北京市降雨时空分布不均，年际间丰枯交替。年内降水主要集中在汛期3个月，占全年的75%。北京市干旱主要存在两大特点：一是干旱频次高，根据《中国气象灾害大典(北京卷)》资料以及北京站1841—2016年降水系列统计，自元初1271年至2021年这750年间，北京地区发生干旱的年数为388年，干旱频率达到51.73%，平均两年一遇。二是连旱频数大，北京地区常有连续数年甚至10年以上的连续干旱特征，在记载干旱的388年中，连续干旱2年以上年数达289年，占干旱总年数的74%；连旱5年以上的年数为146年，占干旱总年数的38%，最长连枯年达16年[9]。这导致此类风险具有长期性、渐变性的特点，且影响和波及范围广，随持续干旱时间延长，灾害会不断加重。
(2)突发公共事故灾难影响。如南水北调中线工程故障导致断水、洪水导致的水库垮坝溃坝等事故，具有突发性和应急性。《北京志·自然灾害卷·地震志》记载唐山地震波及北京，密云水库、北台上水库、西峪水库、桃峪口水库等遭受坝体滑坡、裂缝、坝基断层、闸门变形等不同程度的震害，全市共有大中小型水闸、涵洞(管)等建筑物110余座遭受坍塌、沉陷、裂缝等不同程度的震害。此类风险要求水源保障需快速切换，而事故的轻重缓急和灾难程度、恢复时间长短等会直接影响供水的后续保障工作。
(3)水源污染风险。长期干旱、突发公共事故和违法违规超标排污等均可能会导致水源污染[10]，原因不同导致的情形不同，有不同特点，其污染范围、程度、恢复时间长短等直接影响后续供水保障工作。
1.2 水资源战略储备内涵界定
1.2.1储备分类及格局
水资源储备主要包括地表储备、地下储备两种方式，其对应的储备区域分别称为地表水储备区和地下水储备区。地表水储备区即为城市供水发挥重要作用的地表水水库。地下水储备区主要为地下水开采水源地相对集中且补、径、排条件相对较好的区域。
根据首都地表水流域和地下水系统特点，在潮白河、永定河、北运河、蓟运河及大清河五大流域冲洪积扇中上部，分别布局密怀顺、西郊、昌平、平谷和房山5个地下水战略储备区。1999—2007年连续枯水期间，为支撑城市运行和建设发展，保障城市供水安全，相继对五大地下水储备区进行大量开采，形成了巨大储备空间。
水资源储备现状格局主要包括密云水库、官厅水库、怀柔水库、十三陵水库和海子水库等地表水储备区，密怀顺、西郊、平谷、昌平和房山五大地下水源地地下水储备区，如图1所示。
图1 北京市水资源战略储备区空间分布
1.2.2储备模式
水资源战略储备主要应对气候型持续干旱、工程型长期断水、水质型重大水源污染三大风险，按照风险程度，一般分为应急储备、中期储备、长期储备3种储备模式，其中应急储备主要应对突发事件导致的短期、临时、局部水源风险，一般通过日常调蓄水量保障[11]。中期储备主要应对较长时期气候干旱(连续枯水年或特枯年)或重特大突发事件造成的较大范围、较长时间、较大规模的水源风险，此时日常调蓄水量远不能保障，必须建立较大规模的水资源储备。长期储备主要应对长期水资源危机，首都高质量发展和水资源安全矛盾加剧，是不得已才动用的储备水量[12]。如过度超采地下水、抽取水库死水位以下蓄水等，这部分水量动用后极易引发严重的地质损害和生态灾害等。基于以上3种储备模式，本文所研究的战略储备主要指中长期储备。
2 北京市水资源战略储备动用模型
储备动用预警是水资源战略储备制度的核心要点，本研究提出储备动用测算方法，建立动用模型，为储备动用分级响应提供支撑，为水资源战略储备制度的建立、实施提供科学依据。
2.1 北京市水资源储备现状
2.1.1北京市水资源状况
北京市属于资源型重度缺水地区，水资源主要来源于天然降水和跨流域调水。自2014年南水北调中线工程通水后，北京市初步具备了水资源涵养、储备水资源的条件。2021年北京市降雨条件较好，永定河实现全线通水，密云水库蓄水突破新高，达到35.79亿m3，满足建立水资源战略储备制度的条件[13]。未来，北京市主要工作为涵养恢复地下水水资源。
根据《水资源统计公报》(1950—2021年)、《北京市水务统计年鉴》(2010—2021年)统计，在南水入京后，北京水资源现状持续向好[14]。除2021年特殊降雨条件外，北京市多年平均降水量585mm，2001—2020年平均水资源总量为25.60亿m3，整体趋于减少趋势，1950—2021降水量如图2所示。北京市供水主要由地表水、地下水、外调水和再生水4部分组成。2021年总水资源配置量40.81亿m3，其中地表水12.01亿m3，地下水13.63亿m3，南水北调水9.64亿m3，再生水5.52亿m3。
图2 北京市1950—2021年降水量图
北京市地表水主要包括密怀系统、官厅系统、张坊-燕化系统和中小水利工程。现有大中型水库18座，总蓄水量35.87亿m3，Ⅱ类标准水质水量31.03亿m3。地下水方面，北京市地下水开采量逐年减少，2021年北京平原地区地下水平均埋深回升至16.39米，成为北京市地下水20年来最高水位，目前北京市地下水资源总量为30.33亿m3。跨流域调水主要为南水北调中线水。南水不仅保障城区的用水需求，对河湖生态环境的改善和地下水位的回升也发挥了重大作用。截至2021年，南水入京总量超过73亿m3，2021年南水总供水量12.51亿m3，月均1亿m3。再生水主要用于河湖补水，部分用于环卫绿化和生产生活用水。随着污水处理能力和再生水利用效率的稳步提升，污水资源化增加，再生水也将发展为北京市重要战略储备水源之一[15]。
2.1.2水资源战略储备区储备空间分析
(1)储备空间
北京市的战略储备空间主要分为中期储备空间和长期储备空间，中长期储备的水源划分情况如图3所示。除了常规的地表水、地下水可以作为战略储备水之外，随着代替水源的发展和国家水网建设，非常规水源和调水工程水源将具备相同的稳定性[17]，因此，未来这两种水源将成为长期储备的重要组成部分。
图3 水资源战略储备框架图
密云水库作为地表主要饮用水水源地，总库容43.75亿m3，水库死水位126m，对应死库容4.2亿m3；主汛期汛限水位152m，对于水库库容30.4亿m3，考虑到密云水库蓄水量低于10亿m3时，容易发生水华，为保护地表水水质，密云水库日常蓄水量不宜低于10亿m3，由此确定密云水库战略储备空间为20亿m3。由于官厅水库生态修复工作尚未完成，暂不考虑其战略储备作用。
在南水入京前，地下水供水占全市总供水量2/3。常年超量开采地下水，导致华北平原地区地下水漏斗区，形成了不泄流边界条件，造成了天然的地下蓄水池。地下水储备区以2015年最低水位为储备下限，以各地下储备区控高水位为储备上限(1998年历史水位流场)，五大蓄水区存储能力约50亿m3。
(2)中期储备量
综合考虑密云水库库容情况和对中心城区用水情况调研，按照中心城区生产生活年用水量一倍左右为中期战略储备库容，确定地表水源中期战略储备为10亿m3。
在当前5个地下水储备区的储备能力下，预留日常调蓄水量空间10亿m3后，预设5区战略储备量40亿m3，基于北京市第三次水资源调查评价成果，考虑连续9年干旱且丹江口水库枯水(95%)作为情景，结合北京市生产生活用水总量分区保障情况，以水危机发生后保障正常用水一年为标准，地下水储备区以储备上线和储备下线之间30亿m3量为中期储备。
(3)长期储备量
1)地表水水源
基于上文密云水库所确定的储备空间，结合长期储备水水量特征以及密云水库多年平均蓄水情况，确定密云水库长期储备为10亿m3。
2)地下水源
地下水储备区储备下线以下10亿m3称为长期储备(非极端情况下不动用)。
2.2 战略预设条件与储备边界
2.2.1预设条件
(1)基于北京市枯多丰少的基本市情水情，以枯水年作为测算背景，直接将减少水量在密云水库蓄水和地下水中表征，不再单独计算。
(2)地下水受事故灾难和水污染风险影响较小，且风险可通过日常管理加以控制，测算中假定地下水安全可靠。
(3)南水北调断水量，以丹江口水库入库缺口为南水北调断水情景，按1个月对应水量1亿m3测算，以丹江口水库历史枯水最长时间假定南水北调最长断水时间不超18个月。后期可据情况调整。
2.2.2储备边界
确定密云水库蓄水量、地下水蓄水量、调蓄量和战略储备量等边界量，其中战略储备量分为长期储备和中期储备，详见表2。
表2 水资源战略储备边界量
2.3 机制构建
2.3.1测算过程
将地表水和地下水总库容各分为3部分，分别为调蓄库容、中期战略储备库容和长期储备库容，根据水量平衡原理及先地表后地下的调度原则，制定储备动用规则(如图4所示)，构建战略储备动用理论模型。
图4 北京市战略储备动用规则
(1)以战略储备量为基准，计算缺水量
Q总=Q南+Q密+Q地
(1)
式中，
Q总—以战略储备量为基准，密云水库、地下水蓄水区及南水北调断水导致的缺水总量。
Q南—南水北调因工程、水质等风险导致断水的缺水量。
Q密—以战略储备量为基准，密云水库蓄水量下降值，S密>C密中+C密长时，Q密=0m3。
Q地—以战略储备量为基准，地下水蓄水区蓄水量下降值，S地>C地中+C地长时，Q地=0m3。
(2)根据缺水量，分水源计算密云水库和地下水蓄水区战略储备动用量。
当总可调蓄量不足以填补南水北调断水导致的缺口水量时，
①T总+C密中>Q南，则由密云水库中期战略储备量补齐南水北调水源缺口。
R密=Q密+Q南-密云，R地=Q地
(2)
②T总+C密中 R密=Q密+Q南-密云，R地=Q地+Q南-地下 (3) 当总调蓄量可以填补南水北调断水导致的缺口水量时， R密=Q密R地=Q地 (4) 动用水资源战略储备总量 R总=R密+R地 (5) 式中，R总—需动用的总战略储备量，R总≤C总；R密—需动用的密云水库战略储备量，由密云水库总蓄水量和战略储备量差值和补给南水断水导致的缺口水量组成，R密≤C密中+C密长；R地—需动用的地下水战略储备量，由地下水总蓄水量和战略储备量差值和补给南水断水导致的缺口水量组成，R地≤C地中+C地长。 2.3.2预警分级 基于理论模型测算，按照近期保障城市基本生产生活2～3年水量、远期保障4～5年水量，测算市级水源近、远期战略储备目标为40亿m3左右和70亿m3左右。按照水资源风险由低到高，即拟动用储备量由少到多，确定预警条件及储备动用4个级别，见表3。 表3 水资源风险预警分级 针对连续干旱风险，根据北京市1950—2021年72年降水量数据进行分析，发生干旱的年数为29年，占总年数40%，年平均降水量456mm，占多年平均降水量的78%；发生连旱2年及以上干旱的次数8次，连旱3年及以上3次，为1960—1962年、1999—2003年、2005—2007年，其中1999—2003年、2005—2007年两次连旱中间的2004年降水量为564mm，小于多年平均降水量，可以认定1999—2007年为连续9年干旱，平均降水量470mm。1980—1984年间，连旱两次，其中1982年降水量为585mm，可认定有旱度强持续短的间接连旱特征，平均降水量为462.8mm，去1982丰水年后平均降水量为432.3mm。1965—1968年区间内旱情稳定，属于样本段影响最低区间，平均降水量为534.3mm，去1966、1967年后平均降水量为431.5mm。 针对工程断水风险，南水北调中线水已成为北京城市主要供水水源，南水北调中线来水情况对北京市供水影响较大。按《南水北调中线一期工程可行性研究总报告》成果分析得出，以断水6个月动用储备的触发条件，南水北调工程最长断水时间不超过18个月，分别按照梯度递减设计4种情景。 针对干旱导致的地下水位持续下降风险，将情景一设为极端枯水情况，即地下蓄水量为0，情景设计自储备动用触发条件(蓄水量降至中期储备上线以下)至极端枯水情况梯度递减。 面对三大水源风险，根据北京市的供水水源情况，可将密云水库、南水北调中线工程及地下水源遭受破坏程度，并以各自历史最不利情况分水源计算，综合预测出战略储备动用水量，情景组合详见表4。 表4 北京市水源风险情景组合表 基于理论模型，对典型历史阶段战略储备动用水量进行预测，确定储备动用等级，启动响应程序和保障方案。详见表5。 表5 水资源战略储备动用水量模型预测结果 单位：亿m3 从预测结果看，按照预设的战略储备总能力60亿m3，可满足前三种情景储备动用量(40亿、27亿、8亿m3)，但与情景一(68亿m3)还存在缺口，情景一已接近远期战略储备目标(70亿m3)，表明要保障情景一条件下的水资源安全，还需增加储备能力10亿m3，即战略储备总能力应达到70亿m3。 (1)全面提升水资源战略储备工程能力。加快构建连通地表水、地下水、外调水等多源互济的补给和调用通道格局，发挥战略储备工程体系作为首都水资源保障压舱石的基础性作用，确保补得进、存得住、取得出、配得上、供得足，有保障。加快编制水资源战略储备区建设规划，结合国家加快首都水网规划建设要求，立足本市水资源空间均衡配置，积极对接流域主骨架和大动脉，推进打通影响水资源配置连通的卡口堵点，统筹划定回补区、储备区、开采区，规划补给调用通道，着力构建“系统完备、安全可靠，集约高效、绿色智能，循环通畅、调控有序”的城乡水网体系，构建首都水安全保障空间格局。 (2)建立完善水资源战略储备动用制度。贯穿水资源战略储备动态管理、储备动用、管理保护等各环节、建立完善水资源战略储备体系的建设、储备、利用、保护全过程、各环节的制度体系。聚焦战略储备动用阶段，分析不同风险及水源条件组合下的储备动用情景、分析需动用的储备量，构建储备动用分析模型，构建分级预警级别和触发条件，分析不同水源动用原则、动用次序和动用级别，建立分级预警机制，明确触发条件，明确动用程序，明确战略储备动用必要性、动用量、动用顺序、可能持续时间、保障措施和结束条件，提出调度要求，保障供水安全。强化应急情况下的分级、分区、分行业限水方案，研究建立限时、限量、限功能供水制度，社会面严格用水指标管控，必要时对洗浴、洗车、娱乐等用水行业实施用水管制，切实保障首都功能和居民生活用水安全。 (3)建立完善水资源战略储备组织体系和管理机制。建立水资源战略储备集中统一管理体制，平时加强战略水源的优化调配，战时强化统一调度。战略水源地要集中由政府统一管理，各区水资源调度必须服从市级水资源统一调度，服从调度决策、执行调度指令，保障重点区域、重点部门水资源安全；建立集中储备、联调联保和各自为战、分区分片保障相结合的组织管理体系。采用“市级战略水源集中储备、统一调用”、“各区新城和农村地区战略水源保障以本地储备为主，采取集中、连片、分散等多种保障方式分区分片保障”模式，建立健全全市水资源战略储备体系；建立社会广泛参与、人员物资有机结合的水安全保障社会动员机制。各级政府、各相关部门与地方部队协同作战，能力动员、物质动员和群众动员配套进行，形成有效防灾减灾的社会动员机制。
2.4 情景预测
3 水资源战略储备动用措施建议
