对跨流域调水项目及梯级水库的协同监管，兼顾公平与效率

《Journal of Hydrology》：Coordinated regulation of inter-basin water transfer projects and cascade reservoirs incorporating fairness and efficiency

　　陈牛 | 张建霞 | 王一民 | 郭爱军 | 王学斌 | 李哲浩
中国西安工业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室

**摘要**
跨流域调水（IBWT）项目是缓解水资源时空分布不均导致的水资源短缺问题的最有效方法之一。然而，这些项目的长期可持续性在很大程度上取决于科学的管理。除了处理公平性与效率之间的固有权衡外，IBWT项目必须与接收流域内的现有梯级水库进行系统协调，而不是孤立运行。为此，本研究开发了一个嵌套的两层协调管理框架，该框架兼顾了IBWT项目和梯级系统的公平性与效率。该模型应用于黄河流域（YRB）的南水北调西线工程（SNWT-WI）的第一阶段。建立了三种情景——基本情景（不包含SNWT-WI）、独立运行情景（SO）和协调运行情景（CO）进行对比分析。与独立运行情景相比，协调运行情景在保障区域供水方面表现出显著优势。尽管在河流生态和总发电量方面存在一定的权衡，但协调运行情景的灵活性更强，更能适应水文变化的不确定性，并更符合当前黄河流域的社会经济发展需求。然而，SNWT-WI带来的增加流量增加了溢洪道的泄水量，对现有的梯级水电站运营带来了新的挑战。总体而言，所提出的协调管理模型具有广泛的适用性，为全球大规模IBWT项目的可持续管理提供了有价值的方法学见解。

**引言**
水是生命、生态系统和社会经济发展的基石。然而，全球水资源危机已成为一个迫切的挑战（Hejazi等人，2014年）。根据联合国《世界水发展报告》（2023年），过去40年来全球水资源消耗量每年增长约1%，预计有17亿至24亿人（占全球城市人口的一半）将面临水资源短缺的问题。虽然全球总水量理论上足够，但地区差异和季节性波动导致了严重的水资源短缺，特别是在干旱和半干旱地区（Boretti和Rosa，2019年；Kummu等人，2016年）。跨流域调水项目已成为解决这种时空分布不均问题的直接而有效的工程措施（Ma等人，2021年；Ouyang等人，2020年）。目前，已有超过350个调水项目在40多个国家实施，年度调水量超过5000×10^8立方米，用于满足市政、农业、工业和能源需求（Jia等人，2024年；Jing等人，2024年）。例如，美国实施了调水项目以缓解资源失衡（Dickson和Dzombak，2017年）；西班牙的塔古斯-塞古拉调水项目缓解了欧洲水资源紧张地区的短缺问题（Rey等人，2016年）；澳大利亚的大规模调水项目改善了当地的水电供应（Erskine等人，1999年）。包括南非（Rollason等人，2022年）、克罗地亚（Bonacci和Andri?，2010年）、土耳其（Sanl?等人，2021年）和中国（Ma等人，2020b）在内的许多国家也开展了类似项目。这些项目不仅反映了问题的紧迫性，也表明当自然水资源无法满足人类需求时，工程干预是不可或缺的。

随着全球IBWT项目的不断增加，研究界越来越认识到，仅仅建设基础设施只能暂时缓解水资源短缺问题。这些大型项目的长期可持续性在很大程度上依赖于对调水的协调管理和最优分配，以平衡复杂的区域需求（Guo等人，2020年；Sun等人，2021年；Veena等人，2021年）。然而，将这种协同管理理念转化为实际运作非常复杂。尽管IBWT项目具有不可否认的益处，但气候变化加剧和社会经济的快速发展加剧了各利益相关者之间的水资源冲突，使得这一最优分配变得异常困难（Hund等人，2021年；Niu等人，2022年；Wu等人，2024年）。为了解决这些冲突，已经开发了多种模拟优化模型和多目标优化技术（Ming等人，2023年；Rey等人，2016年；Ye等人，2023年）。随着水资源管理理念的进步和对水资源系统理解的深化，IBWT项目的水资源分配研究开始从单目标框架向多目标框架转变，更加关注不同地区和用水者之间的利益平衡（Guo等人，2020年；Jia等人，2024年；Ouyang等人，2020年；Wu等人，2022年）。在这种情况下，确保效率与公平之间的严格平衡对于区域稳定和可持续发展至关重要。然而，如何系统地量化并将这种平衡融入IBWT项目的复杂运作中，还需要进一步的深入研究。

从技术角度来看，与简单的小规模调水工程不同，大规模IBWT项目和下游梯级水库构成了一个高度复杂的系统。它们的运行和管理一直是流域管理机构的难题。许多研究表明，传统的孤立管理调水方法未能考虑对下游水库的连锁效应，导致运行效率低下和接收地区的水资源安全风险。因此，协调管理框架的优势在于能够协调水资源释放、输送和储存操作，特别是在水资源在空间和时间上高度不稳定的情况下（Das等人，2015年；Singh，2015年）。这种IBWT项目与梯级水库的整合不仅提高了供水的可靠性和效率，还通过确保水资源分配最大化区域利益同时最小化生态和社会干扰，促进了社会经济发展（Cirilo等人，2021年；Gu等人，2017年）。然而，将宏观层面的水资源分配（平衡公平性与效率）与微观层面的项目运作（IBWT项目和梯级水库）相结合，对传统的单层模型提出了重大的计算和结构挑战。为克服这一瓶颈，嵌套的两层框架应运而生，作为一种更优的方法学解决方案。通过将复杂系统分解为用于协调水力项目运行的外层和专门用于区域水资源分配的内层，这种嵌套方法有效降低了大规模系统优化的计算负担，并显著提高了整体求解效率。

中国实例展现了水资源空间分布极度不均的严峻挑战。尽管中国拥有世界第五大淡水储备，但极端地区差异导致人均水资源仅为全球平均水平的四分之一（Huang等人，2021年；Ma等人，2020a）。位于中国北部的黄河流域（YRB）是最典型的例子。该流域养活了全国12%的人口和17%的农业用地，却仅拥有全国2%的水资源（Chen等人，2020年；Li等人，2021年）。人均水资源不足500立方米，仅为全球平均水平的7%，这种严重短缺持续制约着该流域的社会经济发展（Niu等人，2022年）。水资源已成为制约该流域社会经济发展和生态健康的关键因素。作为战略性的工程响应，世界上最大的跨流域调水项目——南水北调（SNWT）旨在纠正这些区域不平衡（Sheng等人，2024年；Su和Chen，2021年）。具体而言，其规划的西线工程（SNWT-WI）最终将每年输送170.0×10^8立方米的水资源，占YRB多年径流量的34.7%。其第一阶段（SNWT-WI）计划每年从雅砻江和大渡江向YRB上游输送80.0×10^8立方米的水资源（通过两条40.0×10^8立方米的输水线路）。鉴于其巨大的规模和复杂性，SNWT-WI不能孤立运行；必须将其与现有的梯级水库无缝整合，以确保高效和公平的水资源分配（Brown等人，2015年；Wang等人，2023b；Zhuang，2016年）。

受上述挑战的启发，本研究旨在开发一个兼顾效率与公平的新协调管理框架。本研究的核心方法创新在于打破IBWT项目孤立运行的传统模式。我们提出了一种嵌套的两层优化模型，以实现IBWT项目与梯级水库的深度协同运作。具体而言，将IBWT视为“虚拟水库”，外层将其无缝整合到梯级水库的运作中，内层则专注于精确的区域水资源分配。通过实现这一集成系统的高效公平运作，本研究不仅直接支持了黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略，也为全球大规模IBWT项目建立了可借鉴的管理范式。

**方法论**
本研究采用供水效用函数和基尼系数来量化水资源管理的公平性，并利用能量分析来评估效率（Niu等人，2023年；Niu等人，2022年；Wang等人，2020年）。同时引入福利经济学中的社会福利函数，以实现水资源管理的公平性与效率之间的平衡。模型框架如图1所示。基于上述研究，我们构建了一个协调管理模型。

**研究区域**
黄河是中国第二长的河流系统，全长5,464公里，流域面积达795,000平方公里。黄河主干流流经青海（QH）、四川（SC）、甘肃（GS）、宁夏（NX）、内蒙古（IM）、陕西（SSX）、山西（SX）、河南（HN）和山东（SD）九个省份（图3），流域覆盖68个城市和45个四级水资源区（中国国家规定的基本水文计算和管理单元）。

**结果与讨论**
将双层优化模型应用于YRB的SNWT-WI项目（图4）。结果显示，SNWT-WI显著改善了YRB的水资源供应。与基本情景相比，在考虑SNWT-WI的情况下，协调运行情景（SO和CO）下的水资源管理在公平性、效率和供水效益方面都有显著提升。公平性函数从基本情景的0.929提升到SO情景的0.934，再到CO情景的0.935。

**结论**
大规模IBWT项目对于缓解水资源短缺至关重要，但当孤立运行时其潜力受到严重限制。本研究构建了一个协调运行模型，将SNWT-WI与YRB现有的梯级水库整合在一起。通过运用供水效用函数、基尼系数和社会福利函数中的能量分析，我们在公平性与效率之间实现了平衡。跨不同情景的比较分析揭示了以下核心观点：

**未引用的参考文献**
Rogers等人（无日期）。