论文快递｜王煜等：黄河流域水资源配置研究与展望

水资源作为不可替代的自然资源和战略性的经济资源，其重要性不仅体现在直接维持人类生存和经济活动的基础作用上，而且体现在其对生态环境的控制性影响。如何合理使用水资源是一个涉及多因素的经济问题，解决这一问题需要综合考虑水资源的稀缺性及不均衡分布、区域经济特性、水资源管理政策，以及开发利用技术创新等［1－5］。水资源分配要考虑社会公平性，尤其在缺水的地区更要突出公平性。另外，水资源具有流动性、可循环再生性、公共属性等，因此与一般经济财产相比，其产权配置更加复杂［6－9］。长期以来，水资源短缺是困扰人类生存发展的一大难题，要协调好上下游、左右岸和各个地区、部门的用水权益，须科学合理配置水资源，做到合理开发和有序用水，协调区域利益关系，保障河流生态安全，促进经济社会高质量发展。国际上很多缺水河流开展了分水机制和理论研究，一些河流在实践中进行了流域水量分配的探索，如墨累－ 达令河［10－11］、 尼罗河［12－13］、科罗拉多河［14－15］ 等。

黄河流域在我国开创了大型流域分水的先河，1987 年黄河水量分配方案颁布实施，在流域层面引入了正式的分配规则，标志着黄河流域水资源管理走上制度化的轨道。目前，围绕黄河流域水资源配置开展了大量研究， 如水资源演变［16－17］、 经济社会需水［18－19］、生态环境需水［20－21］、水资源调控［21－22］、水资源优化配置与协同调度［23－24］、水权制度［25－29］、干旱应对与风险管理［30－32］、分水方案适应性评价与提升策略［33－34］等，已取得了丰富的成果，支撑了黄河流域水资源分配和管理不断完善，但是在变化环境下流域水循环和水资源演变、流域健康水平衡、多层级水网构建和水资源韧性提升等方面仍需要持续研究。

2019 年9 月黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，2023 年4 月《中华人民共和国黄河保护法》施行，黄河保护治理进入新的历史时期。为了进一步推动黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，面对流域环境变化与人类活动错综复杂的叠加影响，在加快构建国家多层级水网大背景下，本文总结回顾黄河流域水资源分配30 多a 研究历程，提出未来黄河流域水资源研究方向，以期为黄河流域水资源优化配置和集约节约利用提供技术支撑。

黄河流域水资源天然禀赋较差，属极度缺水地区，河川径流量具有年内年际变化大、连续枯水段长、来水与用水时空分布不一致等特点。受气候变化与人类活动的复杂交织影响，流域水循环和水资源状况发生了显著变化，水资源供需矛盾日益尖锐。

20 世纪80 年代初以来，相继开展了三次黄河流域水资源调查评价工作，分别对1919—1975 年、1956—2000 年和1956—2016 年系列水资源状况进行了调查评价（见表1）。受人类活动影响，流域下垫面变化显著，黄河天然径流量呈显著减少态势。相较于1919—1975 年系列（反映1956—1979 年下垫面条件），1956—2016 年系列（反映2001—2016 年下垫面条件）黄河的天然径流量减少了90 亿m3，降幅高达16%。从天然径流量的空间分布来看，黄河上游衰减占比9.9%，中游衰减占比75.8%，下游衰减占比14.3%。其中，河口镇至龙门区间是天然径流量衰减最为明显地区，减少40.9 亿m3。

表１　黄河干流主要断面天然径流量评价结果　亿ｍ３

 

从1956—2016 年天然径流量逐年变化来看，出现了1969—1974 年连续枯水段（平均天然径流量422.5亿m3）、1990—2002 年连续枯水段（平均天然径流量395.3 亿m3）和1961—1968 年连续丰水段（平均天然径流量613.3 亿m3），多年平均天然径流量呈减小趋势，丰水年份、连丰年份和枯水年份、连枯年份交替出现。

1956—2016 年，黄河流域人均水资源量为587m3，仅为全国人均量的29%。多年平均年水资源总量为703 亿m3，以占全国2%的水资源量，支撑全国12.2%的人口（包括流域内及流域外的引黄地区，下同）生活用水，全国9.7%的国内生产总值、11.5%的工业增加值、12.7%的粮食产量［35］。

20 世纪80 年代以来，随着经济社会的快速发展，黄河流域供水和用水总量呈增大趋势。黄河供水区总供水量从1980 年的446.30 亿m3 增大至2022 年的492.23 亿m3，其中流域内供水量由343.00 亿m3 增加到409.40 亿m3。流域内用水结构发生了明显转变，农业用水占比从1980 年的87.0%减少到2022 年的64.7%，工业用水占比从7.9%增长到10.4%，生活用水占比从4.9%上升到13.7%，生态用水的比例从0.2%增长到11.2%。同时，1980—2022 年黄河流域各省（区）的用水结构变化较大，其中农业用水占比大幅下降，特别是陕西用水比例下降最为显著；各省（区）的工业用水占比呈现上升态势，其中山东的工业用水占比增长最为显著；在生活用水占比方面，陕西增长最为显著。

现状黄河流域水资源开发利用超过承载能力，缺水问题十分突出，表现为：中下游2 000 km 河段地表水水资源开发利用率超过60%，其中下游河段达到80%；62 个县域地下水超采，超采量超13 亿m3，部分地区地下水位下降影响区域生态环境；河湖生态用水被挤占，导致河流生态用水不足；在农业灌溉方面，供水保障水平相对较低，目前引黄灌区大约有1 000 万亩（1 hm2 ＝15 亩）的有效灌溉区域无法得到有效灌溉，同时超过4 000 万亩的农田无充足灌溉水源；工业项目落实受到制约，城乡用水定额处于全国最低水平，供水安全保障不足等。黄河流域缺水问题已严重威胁国家生态安全、能源安全、粮食安全和社会稳定，须从用水侧管理方面深入推进流域节水控水，加快推进国家多层级水网建设，加快南水北调西线工程前期工作和一期工程立项建设，加强流域骨干水库建设以增强径流丰枯调节能力。

随着黄河流域水资源开发利用程度的不断提高和对沿黄经济社会发展支撑作用的不断增强，黄河流域水资源供需矛盾问题得到了国家和社会各方面的高度重视，相继开展了水资源供需分析、配置、调度和调控方面的大量规划和生产性研究工作。1982—1987 年开展的“黄河水资源利用研究”提出了《黄河可供水量分配方案》（简称黄河“八七”分水方案），标志着我国大江大河首个分水方案就此产生。1990—1992 年开展的“黄河流域水资源经济模型研究”是水利部较早研究的流域模型之一，标志着黄河流域水资源利用规划进入数学模型时代，模型自开发完成后在流域水资源规划领域得到了广泛的应用和不断完善。1992—1996 年开展的“八五”国家重点科技攻关专题“黄河流域水资源合理配置和调度研究”，以黄河流域水资源模拟模型为基础，研究了不同水平年的黄河水资源合理配置问题。1998—2003 年开展的“九五”国家重点科技攻关子专题“黄河水资源实时水量分配”，针对黄河水资源利用及调度管理现状，研究了黄河非汛期径流预报技术，提出了黄河供水计划的编制原则和方法，结合用水的监测和实时结算，提出了黄河干流水量实时分配的方法和方案。2002—2008 年水利部开展黄河流域水资源综合规划，提出了黄河流域2020 年和2030 年的水资源分配格局，奠定了黄河流域最严格水资源管理的基础。

此外，国家围绕黄河流域水资源演变、合理分配和科学调度，还立项开展了多项基础性和前瞻性的重大科学研究项目，包括国家重点基础研究发展规划项目（973 项目）“黄河流域水资源演化规律和可再生性维持机理”、“十一五”国家科技支撑计划项目“黄河健康修复关键技术研究”、“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河流域旱情监测与水资源调配技术研究与应用”、“十三五”国家重点研发计划项目“黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术”、“十四五”国家重点研发计划项目“变化环境下长江黄河丰枯遭遇及极端枯水年水资源调配”等。

上述规划和研究成果支撑了黄河流域及其区域规划编制、流域取用水管理、最严格水资源管理、干支流水库群联合调度、水量分配优化等工作，提升了黄河流域水资源优化调控和节约集约利用水平，发挥了水资源综合效益。下面重点回顾黄河“八七”分水方案制定、水量统一调度、水量分配优化、支流水量分配等方面的研究概况。

20 世纪70 年代以后，黄河流域经济社会得到迅速发展，地表水年用水量从20 世纪50 年代的60 亿～80 亿m3上升到80 年代的250 亿～280 亿m3。1972 年始黄河下游频繁断流，1972—1986 年有10 a 断流，累计断流145 d，平均断流长度为260 km。黄河断流影响了下游地区生活、工业和农业等方面的用水，严重制约区域经济社会快速发展；黄河断流产生河道淤积、水质污染、河槽萎缩等不利情况，对下游的生态环境造成严重损害。1984 年基于充分调查和研究，并与沿黄各省（区）深入协调，全面考虑了其未来的用水需求和黄河可能的最大供水量，遵循“确保基本用水”和“以供定需”的原则，黄委制定了《黄河可供水量分配方案》。《黄河可供水量分配方案》基于1919—1975 年黄河多年平均天然径流量580 亿m3，以1980 年实际用水量为基准并考虑2000 年水平用水预测，考虑保留河道内输沙和其他生态用水量210 亿m3，将南水北调工程生效前的370 亿m3 总可供水量分配给流域内的九省（区）和河北省、天津市。1987 年，国务院办公厅依据这一研究成果下发《关于黄河可供水量分配方案报告的通知》，要求沿黄各省（区）严格执行，自此我国大江大河的首个分水方案开始施行。黄河“八七”分水方案有效地控制了引黄用水量的迅速增加，促进了水资源节约集约利用，支撑了流域经济社会发展。同时，在黄河流域水资源供需矛盾尖锐的背景下，为河道内生态环境分配了210 亿m3用水量，对于确保黄河健康生命和国家生态文明建设具有深远的前瞻意义［6］。

为贯彻落实黄河“八七”分水方案并加强流域水资源统一管理，缓解黄河流域水资源供需矛盾和下游持续断流态势，1998 年12 月原国家计委和水利部共同颁布实施了《黄河可供水量年度分配及干流水量调度方案》和《黄河水量调度管理办法》。依据“同比例丰增枯减、多年调节水库蓄丰补枯”的原则，制定年度各省（区、市）可供耗水量分配方案，进行黄河水量调度。

为强化各省（区）分水总量控制和精细化管理与调度，黄委于2008 年发布了《关于加强黄河取水许可总量控制细化工作的通知》，按照“总量控制、可持续利用”等要求，将各省（区）分水指标细分到地级行政区和干支流，构建“流域－省（区）－地市”三级分水指标体系。

随着经济社会的发展，黄河流域面临着水资源格局的重大调整，表现为总量减小与季节性及地理分布的不稳定性增强，水资源消耗模式和需求结构经历显著变革，需要考虑新径流条件下对黄河水资源重新配置和调整，2008 年开始开展了《黄河流域水资源综合规划》和《黄河流域综合规划》编制工作。在第二次黄河流域水资源及其开发利用调查评价基础上，提出黄河河川径流量呈持续减少趋势，预计到2020 年比现状减少15 亿m3，到2030 年比现状减少20 亿m3；将节水和需水相统一，分析比较了多种节水模式的需水量预测成果，经多次供需平衡分析和综合比较，提出了强化节水模式下不同水平年需水量；根据黄河水沙条件变化情况，采用多种方法综合分析提出了黄河汛期输沙水量和非汛期生态环境需水量；采用最小费用最大流网络法、模拟算法、分解推理法、基于实码加速遗传算法的投影寻踪分类等，构建了黄河流域水资源调配决策支持系统，分3 个阶段拟定了黄河流域水资源配置方案。

国务院于2013 年3 月正式批复《黄河流域综合规划（2012—2030 年）》。根据黄河流域水资源量演变和跨流域调水工程建设情况，提出了3 个阶段黄河流域水资源配置方案，3 个阶段即南水北调东线和中线生效前（现状）、南水北调东线和中线生效至西线一期工程生效前（2020 水平年）和南水北调西线一期工程生效后（2030 水平年）。依据1956—2000 年径流系列黄河多年平均天然径流量534.79 亿m3，综合考虑河道内外用水需求，基于黄河“八七”分水方案，2000 年、2020 年和2030 年水平河道外经济社会配置水量（耗水量）分别为341.16 亿、332.79 亿、401.05 亿m3。自2017 年7 月起，以南水北调东线和中线至西线一期工程生效前河道外耗水量332.79 亿m3为年度分水方案编制的基础。

在《黄河流域水资源综合规划》和《黄河流域综合规划（2012—2030 年）》成果基础上，开展了“黄河流域用水总量控制指标制定”研究，根据国家用水总量控制方案和指标测算方法，提出2020 年、2030 年黄河流域用水控制总量为450.8 亿、512.7 亿m3，实现流域用水与耗水双控制，为实行最严格的水资源管理制度提供依据。

为细化水资源刚性约束要求，结合主要支流水资源特点、区域间用水关系及发展需求，基于对黄河“八七”分水方案、水资源综合规划各省（区）配置策略的深入分析，结合黄河取水总量控制指标细化等成果，在保证各省级行政区地下水可持续开采和维持河流生态系统基本用水要求的前提下，以地表水可利用量限定流域内地表水资源耗水量，对可分配地表水量进行配置。2019—2023 年，洮河、渭河、伊洛河、无定河、北洛河、泾河、窟野河等7 条跨省域支流水量分配方案研究完成并获水利部批复。

2030 水平年，洮河、渭河、伊洛河、北洛河、无定河、泾河、窟野河等7 条支流的河道外地表水多年平均分配耗水量分别为5.94 亿、17.85 亿、15.50 亿、3.10亿、3.30 亿、9.56 亿、0.61 亿m3。除完成这7 条跨省域支流水量分配方案之外，大通河、沁河的水量分配工作也基本完成。支流水量分配可协调相关省（区）用水关系，保障支流基本生态流量和入黄水量，支撑黄河流域生态保护和经济社会高质量发展。

科技部立项开展的“十三五”国家重点研发项目“黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术”，针对黄河“八七”分水方案实施30 a 来流域环境新变化、经济社会发展不平衡新问题、流域用水结构新特征、流域重大工程建设等情况，创新提出公平为主兼顾效率的流域水资源均衡调控理论方法和技术，建立黄河流域水资源均衡调控模型，开展了多场景大量方案研究和优化比选。

新时期水资源配置追求的目标是实现公平与效率的均衡，研究在阿马蒂亚·森社会福利函数基础上，耦合用水公平性FE与用水效率FV，加入均衡参数α，提出水资源配置社会福利函数F ＝FαVF1－αE ，构建耦合公平和效率的水资源均衡调控原理。黄河流域属于缺水流域，需水主要由刚性需水、刚弹性需水和弹性需水组成，刚性需水占比为60%左右，流域需水呈现较强的刚性特征，应建立公平为主兼顾效率的黄河流域水资源均衡配置模型。考虑黄河流域九省（区）的城镇生活、农村生活、工业、农业、城镇生态、农村生态6 类用水和重要断面生态用水要求，优化提出了各分区各行业供水量及河道内关键断面下泄水量。

综合考虑南水北调工程东线、中线受水区和黄河下游引黄地区的空间重叠关系与水量置换可能性等可调整水量因素，上中游基本生活和工业刚性用水等需求因素，流域水资源开发利用程度和河流生态保护要求等控制性因素，设置了多个场景和多个方案。按照新增生活用水配置、整体动态均衡配置、供水增量动态均衡配置三类方法，开展了方案测算和对比分析。方案优化结果显示，近期优化调整方向为上游增加、中游微增、下游减小，考虑南水北调东中线工程向黄河下游引黄地区供水，减小下游引黄指标，增加黄河上中游地区基本生活和工业用水量，河段之间的调整幅度为10亿～20 亿m3，宜小幅度调整以尽量减轻对上游河段和流域生态环境的不利影响。分水指标调整可以缓解流域缺水问题，提高流域分水的公平性和效率，但是仅仅是缓解黄河流域缺水的权宜之计，不能解决黄河流域严峻的资源性缺水问题。未来，结合黄河古贤工程建成运用，可研究增加上中游经济社会用水指标的可能性及其对河流生态环境产生的影响等。南水北调西线工程生效后，考虑调入水量和黄河流域水资源统一调节利用，研究提出黄河流域水资源和跨流域调入水量统筹配置优化方案。研究成果可为黄河“八七”分水方案优化提供理论方法和技术支撑，也可为其他流域或区域的水资源均衡调控提供技术路径［24］。

从百年尺度看，黄河水文循环发生了一些变化，表现为水沙变化十分剧烈，天然径流量明显衰减，来沙量大幅度减少。黄河流域水资源的动态演变及其对气候变化和强人类活动等因素的敏感性，使得水循环过程变得异常复杂，水循环和水资源演变严重影响流域水资源供需状况预测和未来重大水利工程的布局、建设。对黄河流域而言，气候变化、流域下垫面变化、人类活动的影响十分复杂且相互交织，加之未来一批重大水利工程建设运行，使得流域水循环和水资源演变更加复杂。流域水资源演变表现出明显的自然与人工二元驱动特点，有必要从供需双侧对自然与人工条件下流域水循环及水资源演变进行深入研究。在供水侧，气候变化与人类活动共同影响水循环过程，改变水资源的形成与转化规律，应厘清自然与人工各影响因素在水循环中的影响程度和作用机制，明晰水循环变化的驱动机制，并预测其未来的发展趋势。在需水侧，水资源的需求是由社会、经济、生态环境、工程和管理等多个因素形成的，应识别水资源需求的关键驱动因子及主要胁迫要素，刻画其内在响应关系并阐明多因素耦合影响下的需水演变机制［25］。

目前关于用水和需求的研究，多以用水量影响因素分析、用水量预测和节水潜力计算为主，对用水量演变规律和驱动机制研究尚不深入，根据历史用水情况预测未来需水量不确定性较大，不同需水量研究成果存在一定的差异，直接影响重大水资源配置工程的立项决策和工程规模。用水受个体特性、区域因素、社会因素、经济因素、政策因素等的影响，在多种因素耦合和交互作用时，人类生产和生活对水资源的需求将呈现复杂的变化情况。研究应以各行业用水的行为需求为重点，解析用水量演变规律、主要成因和发生重要转变的内部机制；基于对关键因素的作用效率和历史变化分析，模拟未来因素可能发生的条件和用水需求演变趋势，预测相关约束条件下用水量极值和出现时点。

由于气候变化、土地利用模式改变和社会经济超额用水的综合影响，因此缺水的流域水资源开发利用接近甚至超过河流承载极限时，流域生物多样性将遭到破坏，水资源供需平衡关系将受到威胁。地球表层的水循环系统在动态变化过程中表现出一种遵循特定分布和响应关系的“平衡”状态，该状态是陆气相互作用下水循环过程的宏观规律重要体现，并对社会经济发展和生态系统的演变产生重大影响［36］。关于“流域水平衡”“流域耗水平衡”“地下水平衡”“土壤水平衡”和“灌区水平衡”的研究已持续开展较长时间，而如何在变化环境下对我国水资源承载力进行优化、实现健康水平衡状态，被列为2020 年中国科协公布的十大前沿科学议题之一。目前对健康水平衡的认识尚不完善，缺乏理论层面的严格定义，其影响因素、物理机制、驱动方式、分区阈值、判别标准等都有待深入研究。对于黄河流域而言，河道外经济社会用水和河道内生态用水之间的健康水平衡关系、河道外用水不同区域和部门之间的健康水平衡关系，气候变化、下垫面变化、经济社会动态发展、水资源管理政策优化等情况下健康水平衡的变化和调控是需要深入研究的关键问题。

黄河流域地表水和地下水存在着资源量之间的转化关系和相互影响。黄河“八七”分水方案考虑了地下水实际利用和合理控制情况，对河川天然径流量进行了配置。随着经济社会发展，地下水利用量呈增加态势，部分地区出现超采，黄河流域超采量约为15 亿m3。流域水循环系统地表水和地下水具有相互联系、相互转化的特点，单一化配置地表水资源将造成地下水超采、不合理使用，进而影响地下径流及区域生态环境［37］。因此，在地下水用水总量和水位双控的基础上，将流域地表水和地下水统一配置并纳入黄河分水方案是提高流域水资源利用水平的重要途径。在分析流域水文地质条件，水循环要素演变特征和地表水－地下水转化关系基础上，可构建地表水－地下水联合模拟模型，结合未来气候情景，提出地下水－地表水联合调控的流域水资源统一配置方案。

以南水北调工程为主的跨流域调水工程为解决黄河流域缺水问题提供了可能，然而长江流域来水的丰枯变化给调水带来一定不确定性。极端枯水下南水北调不同线路从长江调水的潜力、调水对生态环境和经济社会的影响等问题值得深入探究。此外，南水北调工程的调水区与受水区具有多水源供给、多线路互济、多工程调控、多主体博弈等特征，研究利用天然河湖和人工库渠水力联系构建以黄河为纽带的互济调配水网，协调多种水源存量与增量、发挥多类工程时空调节能力，优化多条线路调水互补关系并建立多线路调水机制方面等亟须创新和突破［38］。

黄河天然径流具有丰枯变化大和连续枯水的特点，近期出现了1960 年、1991 年、1997 年、2000 年、2001 年、2002 年等来水频率超过90%的极端枯水年，以及1922—1932 年、1969—1974 年和1990—2002 年等连续枯水时段，天然来水大幅度减少，导致水资源供需矛盾尖锐，危及流域供水安全、生态安全。极端枯水下流域水资源安全保障不仅要关注缺水量，还需要关注缺水破坏过程和破坏后的恢复过程，确保经历缺水后流域水资源系统可以恢复至正常状态，即具备应对极端枯水的“韧性”［38］。韧性指系统受到扰动后能够恢复到扰动前的状态［39］。应对极端枯水的黄河流域水资源系统韧性调控，应从机理层面解析黄河流域各行业用水破坏底线，识别极端枯水影响下流域水资源系统“抵抗—恢复—适应”的演变过程，明晰流域供用水危机风险传导过程中可阻断的关键“链路”和恢复策略，提出极端枯水下用水分层—供水分级—风险阻断的流域水资源韧性提升优化调配技术，有效提升黄河流域水安全保障能力。

构建数字孪生黄河是推动新阶段黄河流域水利高质量发展的显著标志和重要路径。数字孪生黄河由数据底板、模型平台、知识平台、业务应用以及水利信息化基础设施等组成，运用数字孪生技术，可以显著提升流域水资源模拟分析和调控决策能力。运用高精度的数据底板，可提高水资源分区管理的精细度，加强水资源信息和经济社会、生态系统的耦合集成。运用模型平台，构建灵活、自主、可扩展的模型库，强化气候、经济社会、水资源、水生态、水环境等模型的关联性，实现模型之间的“硬耦合”，建立全链条的水资源模拟分析流程和决策支持系统。运用知识平台，研究气象水文、经济社会、水资源等多源多尺度数据融合和知识图谱构建方法，对流域水资源演变和利用过程进行数字化描述，研发多尺度相似度算法匹配技术，基于历史来水、用水、水库调度、干旱应对等场景推演产生水资源演变和调控知识库。数字孪生黄河基于数据底板，驱动和运用知识图谱、历史场景模式、业务规则以及专家经验，组合调用水资源专业模型［40］，可以显著提升水资源模拟分析精度和调控方案决策支持功能，为提高水资源调控的预报、预警、预演、预案水平提供支持，还能为其他业务领域实现智能管理和精准决策提供支撑。

黄河流域水资源合理利用和优化配置问题受到社会的广泛关注，相继开展了黄河“八七”分水方案制定、全河水量统一调度、新径流条件下分水方案调整、支流水量分配方案制定，以及变化环境下分水方案优化等一系列持续性研究，不断加强了流域水资源管理，有效控制了流域用水快速增长，提高了水资源利用效率，协调了各省（区）用水关系，支撑了流域经济社会发展与生态环境维持，实现了黄河干流25 a 不断流。

根据预测成果，未来黄河流域水资源需求仍将呈现一定的刚性增长，水资源供需矛盾日益凸显，多种水问题相互交织，亟须研究流域水资源科学调控面临的一系列新问题和新挑战。面向黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的推进，从流域水循环和水资源演变、用水规律与需水预测、健康水平衡、流域地表水－地下水统一配置、多层级水网构建下水资源优化配置、应对极端枯水的水资源韧性调配以及数字孪生黄河等方面，提出了适应环境变化和国家多层级水网构建下的黄河流域水资源研究和突破的方向。