基于“四水四定”政策的缺水流域水资源优化配置研究——以内蒙古窟野河流域为例

《Water》：Optimal Allocation of Water Resources Under the “Four Waters and Four Determinations” Policy: A Case Study of the Kuye River Basin in Inner Mongolia, China

　　

：为缓解内蒙古窟野河流域严峻的供需失衡矛盾并促进社会经济与生态协调发展，本研究基于通用水资源配置与模拟模型（General Water Allocation and Simulation, GWAS）构建了水资源优化配置模型。以2023年为基准年，对短期规划年（2030年）和长期规划年（2035年）开展月尺度水资源优化配置，并依据“四水四定”原则提出适宜的发展规模。结果表明，2030年优化配置总水量为195.25×106 m3，2035年为207.41×106 m3，总体缺水率分别为3.63%和5.02%。缺水发生在3月至11月的农业灌溉季节，主要集中在5月至9月。两个规划年的供水结构均显著优化，地表水占比由13.28%上升至14.03%，非常规水源占比由47.50%上升至52.13%，地下水占比由39.22%下降至33.84%。在用水配置方面，工业配水量稳步上升，农业配水量由2030年的13.52%下降至2035年的10.22%，用水逐步向工业和生活等高效节水部门转移。在“四水四定”政策下，计算得到2030年可支撑可持续发展的农业灌溉面积为15.93×104亩，2035年为15.07×104亩，同时估算了城市建设、人口集聚、工业和服务业的发展规模。研究结果为窟野河流域在水资源刚性约束下实现绿色高质量发展提供了定量依据，也为其他干旱半干旱地区优化水资源配置和实施“四水四定”政策提供了重要参考。

论文解读文章：

一、研究背景与意义

水资源是人类生存、经济生产和生态平衡的基础支撑。在人类活动加剧和全球气候变化的双重影响下，许多流域面临水资源短缺、水生态系统退化和水污染等相互交织的问题，水资源已成为制约社会经济系统与生态保护协调发展的关键约束。2019年，中国政府提出新时代治水思路“四水四定”框架，即以水资源承载力、水生态和水环境容量为区域发展的红线，依据水资源确定城市发展规模、土地利用规模、人口规模和产业生产规模，推动水资源管理从需求驱动供给向供给驱动需求转变。

窟野河是黄河“几”字弯腹地的关键支流，也是黄河上中游重要的产水区，在黄河流域生态保护和高质量发展战略中具有举足轻重的地位。然而，窟野河流域生态脆弱，河道径流以高含沙量、粗颗粒的洪水过程为主，是黄河严重淤积的重要成因，地表水难以在流域内有效利用，地下水开采长期处于较高水平。随着国家级能源化工基地建设的加速推进，其他部门的可用水量急剧减少，工业、农业、生活、生态用水之间的竞争日益激烈。现有配置格局已无法满足流域“城、地、人、产”协调发展的需要。随着跨流域调水工程相继建成投运以及非常规水源利用规模不断扩大，窟野河流域的供水系统和供水水源日趋复杂多元，仅开展年尺度配置研究已难以满足精细化管理需求，开展月尺度优化配置尤为必要。

二、研究内容与技术方法

研究人员以2023年为基准年，在“四水四定”政策指导下，构建了窟野河流域多水源、多用户、多目标的GWAS模型，提出了2030年短期规划年和2035年长期规划年的水资源优化配置方案，分析了月尺度供用水状况和缺水空间分布特征，并估算了流域可持续发展适宜的人口规模和社会经济规模。

研究采用的主要技术方法包括：定额法预测生活、工业、农业和生态用水需求；基于水资源利用规划中的总量和强度双控目标，结合水网连通规划和“三条红线”，细化2030年和2035年地表水和地下水可配置量，并将再生水、矿井水和雨水纳入配置调控体系；构建GWAS模型，设置空间均衡目标和负荷均衡目标两个目标函数，考虑水资源承载能力约束、需水约束、输水能力约束和非负变量约束，采用改进精英策略非支配排序遗传算法（NSGA-II-S）求解模型，以各水源向各用户的配水量为决策变量，通过综合满意度评价选取最终方案。模型参数中，水源到部门配置比例采用2020—2023年多年平均值，部门权重依据用水优先序设定为生活10、生态9、工业8、农业7，负荷均衡权重和空间均衡权重分别设为0.5和1.0。模型验证采用2020—2023年实际供水与用水数据，年尺度总体模拟误差介于0.07%至2.18%之间，月尺度多数月份误差小于5%，观测值与模拟值的相关系数超过0.999，验证了模型的高精度。

三、研究结果

3.1 2030年和2035年优化配置方案

2030年总需水量预测为202.61×10⁶ m³，优化配置总量为195.25×10⁶ m³，其中地表水25.93×10⁶ m³、地下水76.57×10⁶ m³、再生水38.61×10⁶ m³、矿井水52.14×10⁶ m³、雨水2.00×10⁶ m³。2035年总需水量预测为218.37×10⁶ m³，优化配置总量为207.41×10⁶ m³，其中地表水29.10×10⁶ m³、地下水70.18×10⁶ m³、再生水47.59×10⁶ m³、矿井水58.54×10⁶ m³、雨水2.00×10⁶ m³。

3.2 流域优化配置分析

通过单元—部门—水源关系分析发现，各部门用水量排序为工业、生活、生态、农业。工业用水主要依赖矿井水和再生水等非常规水源，生活用水几乎全部由地下水供给，生态用水以非常规水源为主、地下水为辅，农业用水由地表水和地下水联合供给。流域供水已基本形成本地地表水与地下水、黄河引水、非常规水源和应急备用水源联合保障的体系。

3.3 流域缺水分析

2030年流域缺水量为7.36×10⁶ m³，缺水率3.63%；2035年缺水量为10.96×10⁶ m³，缺水率5.02%。生活、工业和生态用水需求均得到完全满足，仅农业部门出现不同程度缺水，缺水率在2030年和2035年分别达到21.81%和34.09%。月尺度上，5月至9月缺水率较高，正值作物生长高峰期，灌溉需水达到峰值而供水不足。流域同时存在产业结构不合理导致的结构性缺水和水资源禀赋有限导致的工程性缺水。

3.4 流域供水结构分析

年尺度上，地表水占比由2030年的13.28%上升至2035年的14.03%，非常规水源占比由47.50%上升至52.13%，地下水占比由39.22%下降至33.84%。月尺度上，1月、2月、3月和12月地下水供给达到峰值，因冬季地表水难以开发利用；4月至10月地下水占比低于冬季，非常规水源占比逐渐增加；11月秋灌主要依赖地表水，地表水占比达到全年最高。

3.5 流域用水结构分析

年尺度上，农业配水占比由2030年的13.52%下降至2035年的10.22%，工业配水占比由36.40%上升至39.31%，生活和生态配水占比基本稳定。用水逐步从农业向效率和供水保障要求更高的工业和生活部门转移。月尺度上，农业配水集中在3月至11月，生态配水主要发生在5月至10月，1月、2月和12月仅有生活用水和工业用水。

四、讨论与结论

在“四水四定”政策下，研究人员计算得到2030年可支撑可持续发展的农业灌溉面积为15.93×10⁴亩，2035年为15.07×10⁴亩；建成区面积两个规划年均维持171.87 km²不变；城镇化率在2030年和2035年分别达到93.45%和94.73%；工业增加值在2030年和2035年分别达到1423.07×10⁸元和1766.76×10⁸元。

研究结论表明，通过协调生活、生产和生态用水，窟野河流域从根本上扭转了过去生产用水挤占生态用水的局面。供水结构显著优化，降低了地下水超采风险，提高了供水安全性。用水配置从农业向生活、工业等高效率、低耗水部门转移，促进了水资源系统与社会经济发展、人口规模和产业结构之间的时空耦合与协调发展。研究结果为窟野河流域水资源刚性约束下的绿色高质量发展提供了定量依据，也为其他干旱半干旱地区优化水资源配置和实施“四水四定”政策提供了重要参考。

研究存在一定局限性。人口和产业增长规模基于当地国民经济和社会发展规划目标确定，供水量和用水效率采用水资源利用规划批准值作为模型输入，模型权重和参数受政策约束较强，未开展系统敏感性分析，也未构建供水、产业增长、人口和用水效率的情景组合。研究结果代表规划目标约束下的确定性优化配置方案，而非风险决策的概率基础。未来可在更长时序数据和参数概率分布基础上引入情景分析和不确定性分析，进一步检验配置方案在丰枯来水变化下的抗旱韧性及其对关键参数变化的稳健性，并据此识别不同社会经济增长路径下的适应性调整策略。