摘要：大柳树水利枢纽库大水多沙少，开发条件十分优越，在黄河治理开发中具有承上启下的战略作用，但黄河流域未来径流量预计有所减小且已经建有较多水利枢纽，因此一些学者提出大柳树水利枢纽建设后将无水可蓄无水可调。以下是小编精心整理的《海河流域综合规划必要性论文 (精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！
如何解决中国水资源的短缺问题
摘要：水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的首要控制性要素。长期以来，我们注重经济社会发展，却忽略了水资源的承载能力;注重水资源开发利用，却没有同等重视水资源的节约和保护。随着经济社会的发展，我国人口资源环境的压力加大，一些地方水资源过度开发、水环境过度破坏现象极为严重。我国缺水问题一直存在，而且越来越突出。这使得我们不得不面对如何解决我国水资源短缺的问题。
关键词：水资源;短缺;出路
一、建设节水型社会是解决我国水资源短缺问题的根本出路
近20年来，全国地表水资源量和水资源总量变化不大，但南方地区河川径流量和水资源总量有所增加，增幅接近5%，而北方地区水资源量减少明显，其中以黄河、淮河、海河和辽河流域最为显著，地表水资源量减少17%，水资源总量减少12%，具中海河流域地表水资源量减少41%冰资源总量减少25%。北方部分流域已从周期性的水资源短缺转变为绝对性短缺。
水资源紧缺已成为威胁我国未来水环境安全的一个无法回避的问题，必须强化对水资源短缺的认识和节水意识。大力推进节水型社会建设，建立以水权水市场理论为基础的水资源管理体制和节水运行机制。研究生态性水利和资源性水利，并使我国水利发展真正转入现代水利、可持续发展水利的轨道。
建设节水型社会，这是保障我国经济社会可持续发展的必然选择。建设节水型社会，是解决中国水资源短缺问题最根本、最有效的战略举措。其意义和深远影响不亚于举世瞩目的三峡工程和南水北调工程。
建设节水型社会是解决我国水资源短缺问题的根本出路，是一场深刻的社会变革和制度创新，需要全社会的共同努力。
二、节水型社会的本质特征和实现途径
1、节水型社会建设的核心是制度建设
节水型社会的本质特征是建立以水权、水市场理论为基础的水资源管理体制，形成以经济手段为主的节水机制。建立起自律式发展的节水模式，不断提高水资源的利用效率和效益，促进经济、资源、环境的协调发展。建设节水型社会是对生产关系的变革，是制度建设，是一场革命。
2、节水型社会的实现途径
(1)明晰初始水权。初始水权是国家根据法定程序明晰的水资源使用权。由于水资源是以流域为单元，因此首先要根据流域的水资源规划，进行流域初始水权的分配，再确定各区域的用水权指标。在各流域或区域分配初始水权时，要保证生态用水和环境用水需求，并注意保留一部分用水权指标，作为经济社会发展的水资源储备。
(2)确定水资源宏观总量与微观定额两套指标体系。水资源的宏观总量指标体系用来明确各地区、各行业乃至各单位、各企业、各灌区的水资源使用权指标，实现宏观上区域发展与水资源承载能力相适应。
(3)综合采用法律措施、工程措施、经济措施、行政措施、科技措施，保证用水控制指标的实现。要特别注重经济手段的运用，最重要的是制定科学合理的水价政策，实行“超用加价。节约自奖，转让有偿”，充分发挥价格对促进节水的杠杆作用。
(4)用水户参与管理。这套制度能否有效运转，公众的参与是非常必要的。如成立用水户协会，参与水权、水量的分配、管理、监督和水价的制定。用水户协会要实行民主选举、民主决策、民主管理、民主监督。
(5)制定用水权交易市场规则，建立用水权交易市场，实行用水权有偿转让，实现水资源的高效配置。初始水权分配后。对新增用水需求，主要通过水权交易市场，进行用水权的有偿转让来解决。这样，买卖双方都会考虑节水，社会节水的积极性被调动起来，水资源的使用就会流向高效率、高效益的领域。
3、节水型社会建设中应注意的几个问题
(1)要发挥政府的主导作用。主要有：建设节水型社会的政策支持和资金支持;根据水资源承载能力，调整经济结构和产业结构，分配初始用水权;制定科学的水价形成机制和公平的水市场交易规则，监督水权交易;保障公民，特别是弱势群体基本生活用水的权利和用水安全;保障生态用水和环境用水等等。
(2)无论是缺水地区，还是丰水地区，都要建设节水型社会。这是因为：第一，粗放的用水方式是粗放的经济增长方式的表现，节水型社会建设是为了降低发展成本。第二，节水就是减污，如果不搞节水，就会产生大量污染，节水是为了减少污水处理成本。
(3)要把节水与治污结合起来。节水与防污治污是紧密结合在一起的。节水需要分析水资源承载力，防污治污则需要分析水环境承载力。
三、水权转换是水资源优化配置的重要手段
在社会主义市场经济条件下，为解决水资源短缺问题，要研究并运用水权、水市场理论，充分发挥市场机制的作用，注重经济手段在水资源配置中的重要作用。
1、水权转换可以引导水资源向高效率、高效益方向流动，实现以节水、高效为目标的优化配置，为经济社会发展提供水保障。
2、水权转换既可以在企业和灌区之间进行，也可以延伸到地区和地区之间，整个黄河流域经济结构用水的转换，还可以跨流域进行流域之间的水权转换。
3、进行水权转换，必须加强制度建设，建立健全水权转让的政策法规。
在社会主义市场经济条件下，要做活水资源文章，既要研究技术问题、工程问题，还有很重要的一条，就是要研究制度问题、体制问题。原来我们比较多的是研究生产力的问题，现在要在研究生产力问题的同时，注重研究生产关系问题。通过生产关系的变革和调整，去促进生产力的发展，满足经济社会对水资源的需求。
水权转换的探索是一件十分有意义的事情。在一些地方出现了很好的势头。针对当前水权转让试点工作的发展形势和所面临的一些问题，有几个方面的问题需要深入研究，逐步完善。
第一，加强政府宏观调控。水市场是一个准市场，水权转让涉及工业、农业及农民利益等问题，情况较为复杂，不能完全由市场调节，需要政府和水行政主管部门加强宏观调控，逐步利用市场机制。引导水权交易和水市场的建立。水权转换应在当地水资源总体规划的框架下，按照水资源合理配置的要求进行。
第二，明晰初始水权。要逐步建立完善两套指标体系，一套是水资源的宏观控制体系，一套是水资源的微观定额体系。有了两套指标的约束，各个地区、各个行业、每一项工作都明确了自己的用水指标和节水指标，节水责任就可以层层落实，水权转让也就有了基础，各方权益才能从根本上得到保障。
第三，规范水权转让行为。各地应从实际出发，尽快出台水权转让工作指导意见，使水权转让规范进行。要加快水资源综合规划和节水改造规划的编制工作，建立并严格执行水权转让的可行性评价与审批制度等等，以保证水权转让有序进行。在水权交易时，必须分析灌区的节水潜力，水资源的供给、需求和缺水状况，从节约用水、优化配置水资源和调整产业结构人手，论证水权转让的可行性和必要性。灌区只有节约出多余的水。才能实
施水权转让，不能盲目地从事水权交易。
第四，合理确定水权转让年限。采用灌区改造等工程措施节水时，存在工程维护和工程老化等问题。工程老化后节水功能逐步丧失，渠道需要再次进行更新改造。到底水权转让的年限应该是多少，应该综合考虑工程使用年限等因素来确定。
第五，科学确定水权转让价格
四、节水型社会建设需要全社会的共同努力
1、党中央、国务院高度重视节水型社会建设，作出了一系列重大部署
2000年，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》，首次提出建立节水型社会。2002年的《水法》明确规定：“国家厉行节约用水，大力推行节约用水措施，发展节水型工业、农业和服务业，建立节水型社会”。2005年3月12日，胡锦涛总书记在中央人口资源环境工作座谈会上指出，要把建设节水型社会作为解决我国干旱缺水问题最根本的战略举措。十届人大四次会议通过的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出，要建设资源节约型和环境友好型社会。
2、各地进行了一系列实践探索。节水型社会制度正在建设
2001年3月，水利部确定甘肃省张掖市为全国首家节水型社会建设试点，目前已确立国家和省级节水型社会建设试点100多个。张掖市已经初步形成了“总量控制、定额管理、以水定地(产)、配水到户、公众参与、水量交易、水票流转、城乡一体”的节水型社会建设运行机制和体制，试点取得明显成效，积累了宝贵经验。开展了水资源综合规划，为全国范围内初始水权的分配奠定了基础。有22个省(自治区、直辖市)发布了用水定额，依法推行用水总量控制和定额管理制度，严格执行取水许可制度。许多缺水城市对超计划用水实行累进加价收费，以经济手段促进节水取得了突破性进展。
3、节水型社会建设的目标和主要任务
未来15年将是我国节水型社会建设的关键时期，主要目标是：到2010年，水资源利用效率和效益明显提高，万元GDP用水量年均降低6%以上：全国农业灌溉水有效利用系数从0.45提高到0.5，全国农业灌溉用水基本实现零增长;工业万元增加值用水量从173立方米降到115立方米以下：服务业用水效率接近同期国际先进水平。到2020年，初步建成与小康社会相适应的节水型社会，力争实现经济社会发展用水零增长，在维系良好生态系统的基础上实现水资源的供需平衡。
节水型社会建设的主要任务是建立三大体系：一是建立以用水权管理为核心的水资源管理制度体系：建立政府调控、市场引导、公众参与的节水型社会管理体制。建立和完善包括用水总量控制和定额管理、水权分配和转让、水价等在内的一系列用水管理制度。二是建立与区域水资源承载能力相协调的经济结构体系，实现从“以需水能力定供水能力”到“以供水能力定经济结构”的转变。三是建立与水资源优化配置相适应的节水工程和技术体系。
4、共同努力建设节水型社会
第一，政府要发挥主导作用。要把建设节水型社会作为各级政府的任期目标，建立健全水资源节约责任制，做到层层有责任，逐级抓落实。要编制好节水型社会建设规划，抓好试点，到2010年，初步建成一批国家级节水型社会试点和示范区。要加大政策支持力度。健全法规体系。制定完善严格的产业准入标准和节水标准;实行阶梯制水价制度和超计划、超定额用水收费制度，推进农业用水价格改革;积极推行有利于水资源节约和保护的财税政策。要拓宽投融资渠道，加大投入力度。
第二，社会公众要发挥主力军作用。节水型社会建设与我们每个人都息息相关，需要社会公众的广泛参与。要进一步提高公众对我国水情的认识，增强节水意识。要积极参与节水型社会建设的规划、政策制定，主动配合实施。要倡导文明的生产和消费方式，形成良好的用水习惯，建设与节水型社会相符合的节水文化。
水资源是关系我国经济社会可持续发展的战略资源。面对我国水资源短缺的严峻形势，水利工作者必须肩负起两个使命：一是通过水利发展，不断满足经济社会对水的需求;二是转变水。
作者：马文超
试论大柳树水利枢纽建设的必要性
摘要：大柳树水利枢纽库大水多沙少，开发条件十分优越，在黄河治理开发中具有承上启下的战略作用，但黄河流域未来径流量预计有所减小且已经建有较多水利枢纽，因此一些学者提出大柳树水利枢纽建设后将无水可蓄无水可调。为消除该疑虑，通过多种实测数据分析大柳树水利枢纽建设的必要性，分析指出：①龙羊峡一河口镇区间用水量大、有效库容小，径流调控能力不足，缺少统一调控工程;②龙羊峡、刘家峡水库调控库容不足，导致枯水年宁蒙灌区缺水，丰水年洪水泛滥、水资源流失;③根据南水北调工程西线工程规划，兰州一河口镇段将增加22亿m3供水量，届时该段水资源调控库容将更缺乏：④龙羊峡、刘家峡水库水能利用效率低，宁夏回族自治区水力发电占比极低，大柳树水利枢纽的建立将改善该区能源结构、增加水电能源供给。因此，现状条件下黄河上游仍然有水可蓄、有水可调，建设大柳树水利枢纽是非常必要的。
关键词：径流调控：水力发电：大柳树水利枢纽：黄河
文献标志码：A
doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 009
黄河流域水资源分布不均、供需不平衡，随着社会经济的高速发展，水资源供需矛盾日益突出，同时，黄河水沙调控体系尚未构建完善，加之流域上游梯级水调和电调之间的需求冲突，导致以下问题：首先，黄河上游上段来水量大、下段需水量大，而黄河上游梯级水库分布在其上段，不能完全满足下段宁蒙河段工农业用水与河道生态基流的调控需求;其次，为满足发电需求，需拦蓄丰水期水量，使得有利于输沙的中常洪水出现频率大幅度降低，水沙关系恶化，宁蒙河段河道主槽淤积萎缩，行洪输沙能力急剧下降，导致凌汛稳封期冰下过流能力急剧降低，严重影响宁蒙河段防凌安全;再次，为满足防凌需求，凌汛期前，水库需腾出防凌库容，常导致强迫弃水，而凌汛期需控制下泄流量，从而使发电量严重减少。为此，有专家和水利单位提出应尽快修建大柳树水利枢纽。大柳树水利枢纽位于黄河上游梯级电站的尾部、宁蒙河段的首部，是黄河水沙调控和水资源配置体系的主要组成部分，在黄河治理开发中具有承上启下的战略地位，其开发任务以协调黄河水沙关系和防凌(防洪)为主，兼顾供水、发电等综合运用。何潜等[1]分析了大柳树水利枢纽建设对黄河下游调水、宁蒙灌溉保障及解除凌汛威胁的作用;何憬[2]对大柳树水利枢纽发电方面的效益进行了分析;赵业安等[3]分析认为大柳树水利枢纽建设可增加可用水源，改善水沙条件，增加灌溉、生态、防凌防洪及发电等效益。受全球气候变化的影响，黄河流域未来径流量预计有所减少，一些学者提出大柳树水利枢纽建设后将无水可蓄，为反驳该观点，本文将统计多种实测数据，详细分析大柳树水利枢纽建设的必要性。
1 黄河流域现状条件下仍然有水可调有水可蓄
大柳树水利枢纽位于黄河干流黑山峡出口以上2km、宁夏中卫市境内，黑山峡河段上游流域面积25.2万km2，多年平均径流量333亿m3，可开发装机容量约2 000 MW。根据《黄河流域综合规划》[4]，大柳树水利枢纽主要功能为对上游梯级电站下泄水量进行反调节，结合防凌蓄水将非汛期富余的水量调节到汛期，并将南水北调西线工程配置的河道内输沙用水调节到汛期，改善宁蒙河段水沙关系，消除龙羊峡水库、刘家峡水库汛期大量蓄水运用对宁蒙河段造成的不利影响，并调控凌汛期流量，保障宁蒙河段防凌安全，同時调节径流，为宁蒙河段工农业和生态灌区适时供水。
水库是拦洪蓄水和调节水流的水利建筑物，其拦洪蓄水的目的是用于灌溉、发电、防洪和渔业，黄河是否有水可调有水可蓄，要从有效库容分析。根据《黄河流域水资源综合规划》，1956-2000年系列黄河流域水资源总量为647.0亿m3/a;根据黄河水资源公报统计，2004-2016年黄河流域水资源总量为583.55亿m3/a(不考虑内流区)[5]。黄河干流和支流现有水库总库容为636.63亿m3(其中干流求库分布及参数见表1)。为保障流域灌溉、发电、航运、渔业以及旅游等各用水部门需要，水库水位不能低于某一高程，这一高程的水位称为死水位(见图1)。而为满足兴利需要，在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位。死水位与正常蓄水位之间的库容为兴利库容(也称有效库容)，这一部分库容可对水资源进行调配。
水库供水能力计算公式为
V初+ W来- W田 - W损- W弃=V末 (1)式中：V初 为水库初始蓄水量;W米 为水库来水量; W为用户用水量;W损 为水库蒸发渗漏损失量;W弃 为水库弃水量;V末 为水库期末蓄水量。
某段时间内，水库初始蓄水量V 初，加上水库来水量W来，扣除用户用水量W用、水库蒸发渗漏损失量W损 及水库弃水量W弃 ，得到水库末时间蓄水量V末。
在汛期初期，水库需调节水位至防洪限制水位，到汛末水库可蓄水至正常蓄水位。V末减V初 可得到汛期水库蓄水量W蓄，由于防洪限制水位高于死水位，因此W蓄值小于等于水库的有效库容。不考虑水库损失水量，式(1)可改写为
W 来- W用 - W蓄=W弃 (2)
W蓄≤W有效库容式中：W蓄 为水库蓄水量;W有效库容为水库的有效库容。
由式(2)可知：在汛期，若某段区域W田、W蓄不变，来水量越大，则弃水量就越多，而W蓄 越大则能减小弃水量;在非汛期，W来 较小，而W用 较大，则需要水库供水，水库供水量受W蓄限制且小于W有效库容;在凌汛期，水库需控制W弃，同时 W有较小，区间来水量及上游下泄水量需要水库蓄水，如果形蓄容量不足，则可能导致W弃 过大，凌汛期存在安全隐患。因此，无论是汛期或非汛期凌汛期，W蓄 容量较小，都会导致弃水或者供水不足或者弃水下泄过多的问题。
对比流域水资源量和有效库容分布(见图2，数据来源于《黄河水资源公报》)可知，到2016年年底黄河流域骨干水库累计有效库容为336.60亿m3，小于流域总年均水资源量。从各段来看，龙羊峡以上段水资源量最大，为197.94亿m3;龙羊峡一兰州段水资源量第二，为133.44 m3;龙门一三门峡段水资源量第三，为116.48亿m3;兰州一河口镇段水资源量为负值，其耗水主要依靠上游来水。在汛期，假设龙羊峡以上来水全部拦蓄在龙羊峡水库不下泄，龙羊峡一河口镇段汛期全部来水为69.32亿m3(2003-2016年).而统计龙羊峡多年汛期下水量为70.11亿m3( 2003-2016年)，则汛期该段来水139.43亿m3，耗水量为56.70亿m3(见表2)，而该段有效库容51.82亿m3，假如水库汛期蓄水量最大达到有效库容值，则汛期该段平均弃水量为30.90亿m3。而一般情况下水库蓄水量是小于有效库容的，则汛期平均弃水量将更大，因此现有有效库容无法满足其调控需求。同理，河口镇一龙门段汛期来水量为20.51亿m3，也存在有效库容不足的问题。龙门以下段由干三门峡有效库容未考虑.因此暂不计算。
对比流域总用水量和有效库容分布(见图2、表2)可知，水库库容主要分布在兰州以上河段，该河段有效库容占流域总有效库容的72.99%.该河段用水量占流域总用水量的8.09%。兰州一河口镇河段总用水量最大，占流域总用水量的40.94%.而该河段的有效库容仅占总有效库容的1.54%，用水主要通过干支流的多个小型引提水工程提供。龙门一三门峡河段用水量占流域总用水量的13.82%，该河段的有效库容(不含三门峡水库)仅占总有效库容的2.38%，用水也主要通过干支流的引提水工程，各小型引提水工程取水管理不规范不统一，成本高且水资源浪费严重，历史上不少枯水年份该区间供水量无法满足用水需求。该段供水任务由龙羊峡、刘家峡水库同时承担，导致灌溉期龙羊峡、刘家峡水库不能充分蓄水，而在凌汛期前腾空防凌库容需弃水，凌汛期为防止河道水位壅高而控制下泄水量，导致发电效益降低。因此，建设大柳树水利枢纽可增加有效库容拦蓄弃水，并合理分配各阶段用水量，将大部分扬水变为自流，降低取水成本，提高发电和灌溉效益。综上分析，黄河上中游水资源量与有效库容、用水量与有效库容存在不匹配问题，其中兰州一河口镇段问题最为突出，因此该段有必要建设大型水利枢纽，从而有效调蓄水资源、实现合理优化供水。
2 现状工程条件下上游水库对丰、枯年来水调控不足
兰州一河口镇段宁蒙地区有历史悠久的农业灌区，其中宁夏灌区主要包括卫宁灌区和青铜峡灌区，内蒙古灌区包括河套灌区及黄河南岸灌区等。根据《黄河水资源公报》[5]统计数据，得到2001-2016年宁夏回族自治区及内蒙古自治区各行业多年平均耗水量(见表3)。由表3可知：宁夏与内蒙古农业耗水量占比最大，分别为72.86%和79.22%;宁夏林牧渔畜耗水占比第二(为14.41%)，而内蒙古工业耗水占比第二(为8.13%);宁夏与内蒙古城镇公共及生态环境用水较少。
2000年以来，宁蒙灌区已基本形成较为稳定的种植结构，主要种植春小麦等粮食作物。司源[6]根据“八七”分水方案规定的各省(区)用水标准，结合2000-2009年宁蒙灌区各月耗水过程及耗引比，得到宁蒙灌区逐月需水过程。本文根据司源[6]计算结果得到各月农业耗水比例，结合2001-2016年的农业耗水及各行业耗水多年平均值(见表3)，算出2001-2016年各月宁夏与内蒙古实际耗水，同时得到宁夏与内蒙古农业灌溉取耗水比值分别为0.53、0.82，得到每月宁蒙取水值(由于宁夏退水可流入黄河石嘴山以下河段，因此每月再扣除宁夏退水量)。不同行业对水资源的需求年内变化不同，工业、城镇公共、居民生活、林牧渔畜及生态环境可认为各月均等，最终宁夏、内蒙古各月取水、耗水量见表4。
由表4可知，宁夏取耗水集中在3-8月，内蒙古取耗水集中在4-10月。黄河上游来水经过龙羊峡水库调蓄下泄经过贵德站，其中部分水资源被甘肃省耗用并流入刘家峡水库，经刘家峡水库调蓄下泄到达下河沿站，下河沿一石嘴山区间为宁夏灌区供水，石嘴山以下为内蒙古灌区供水。计算2001-2016年多年平均宁蒙灌区上游主要控制站各月径流量及宁蒙灌区总耗水量、取水量，见图3。由图3可知，经过龙羊峡水库调节，贵德站径流过程月变化较为平稳，再经刘家峡水库调节，小川站径流过程曲线接近宁蒙灌区需水曲线，而下河沿站月径流量均大于宁蒙灌区取耗水需求量。从多年平均分析，龙羊峡、刘家峡水库可为宁蒙灌区调控足够的水量，保障其农业灌溉，但来水较多或较少年份，龙羊峡、刘家峡水库的调控问题即显露出来。分析2003年下河沿以上站径流量(见图4)可知，由于2003年前出现枯水年，因此龙羊峡水库下泄水量逐月降低且较2001-2016年多年平均值偏低，同时刘家峡水库下泄流量也偏小，从而下河沿站4-7月灌溉期径流量严重减少，导致该年农业损失严重[7]。2012年黄河上中游发生1989年以来最大洪水，龙羊峡、刘家峡水库拦蓄洪量54亿m3，最大削峰47%，但贵德、小川、下河沿各站汛期流量远大于多年平均值(见图5)，其中下河沿站8月径流量比多年平均多40亿m3.洪灾造成干流堤防多处渗水、受损，造成经济损失共25亿元[8]。因此，龙羊峡、刘家峽水库的联合调度在丰、枯水年仍然存在较大局限，下河沿站上游缺少大型水利枢纽调峰补枯，不能保障沿黄各省(区)的生产生活用水安全。
3 南水北调工程西线规划来水需要控制性骨干工程调节
近30多a来，我国北方地区主要河流径流量总体呈下降趋势，2025年将有可能面临资源性缺水。我国西北地区日趋严重的荒漠化不仅导致生态问题愈加突出，而且加剧了地区发展不平衡，严重影响了我国经济社会的可持续发展。作为缓解北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施，南水北调工程规划分东、中、西3条线路从长江调水，与长江、淮河、黄河、海河相互连接，构成我国中部地区水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局。
《南水北调工程总体布局》提出，“在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标，主要是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等6省(区)黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。结合兴建黄河干流上的大柳树水利枢纽等工程，还可以向临近黄河流域的甘肃河西走廊地区供水，必要时也可相机向黄河下游补水。规划分三期实施……南水北调工程规划最终调水规模448亿m3，其中：东线148亿m3，中线130亿m3，西线170亿m 3”。
《黄河流域综合规划》指出：2020年，黄河调入水量12.63亿m3(其中引汉济渭一期10亿m3.引乾济石0.47亿m3，引红济石0.90亿m3，南水北调东线工程调入山东黄河流域1.26亿m3);2030年，引汉济渭二期工程增加5亿m3，南水北调西线一期工程增加80亿m3，调入水量增加97.6亿m3，调入水量的一部分用于河道内生态环境，一部分用于工农业生产。南水北调西线一期工程建成后，河口镇以上可供水量将增加，其中兰州一河口镇段相对基准年将增加供水量将近22亿m3(见表5)。目前上游已建工程难以协调宁蒙河段减淤、供水、防凌和发电之间的矛盾，宁蒙河段水沙关系恶化，主槽淤积萎缩，防凌形势十分严峻，附近地区能源基地建设和生态建设要求大柳树水利枢纽提供水源条件。
根据《宁夏回族自治区水资源公报》及《内蒙古自治区水资源公报》统计数据，得到2001-2016年宁夏及2003-2016年内蒙古各行业耗水量占比(见图6、图7)，可知两区农业耗水量最大，但工业耗水量占比与生态用水量占比明显增高，各月工业用水较为平均，而农业用水较为集中，行业结构的调整对兰州一河口镇段供水保障率提出了新的要求，如何合理分配工业与农业的水资源量成为一个亟待解决的难题。根据上述分析可知，现状情况下该段有效库容与水资源量、供水量已经出现严重不匹配问题，而未来增加的水量更需要足够的库容进行工农业与生态耗水的调节，因此建设大柳树水利枢纽势在必行。
4 黄河上游水力发电供给能力有待提高
黄河上游梯级电站除了承担发电任务外，还承担沿岸灌溉、工业及城市生活用水等综合利用任务，因此水库运用方式不仅受电网运行控制，而且受综合用水制约[9]，其中电站下游引黄灌溉用水对电网运行影响最大。宁蒙河段无控制性水利枢纽，为保证宁蒙灌区枯水期用水，龙羊峡、刘家峡电站持续低水位运行，影响后续若干年调度运行，损害电网长期效率[10]。分析1999年以来青海省发电量及消费量(见图8)可知，2004年前青海省水力发电量低.2004年后大幅增长，但年内总发电量小于总电力消费量，因此建设大柳树水利枢纽可以使龙羊峡水库发电量相应增加，青海省用电保障率亦可得到进一步提高。
《中国的能源政策》指出，中国能源必须走科技含量高、资源消耗低的发展道路，实现节约发展、清洁发展和安全发展。分析1999年以来宁夏发电量及消费量可知(见图9)，近20 a来宁夏电力消费量高速增长，但发电量95%以上依靠火力发电，水力发电多年保持在20亿kW.h以下，仅占该区总发电量的2%左右，远远低于全国水力发电占总发电量16%的比例。宁夏境内黑山峡段水能资源丰富，建设水利枢纽有着现实需求及有利的地理条件，大柳树水利枢纽装机容量为200万kW，多年平均发电量为76.1亿kW·h，能有效改善宁夏电力能源结构。
5 结论
(1)汛期龙羊峡一河口镇段区间水资源量加上龙羊峡水库下泄水量远大于该段有效库容，水资源调控能力不足。
(2)兰州一河口镇段总用水量占流域总用水量的40.94%.而该河段的有效库容仅占流域总有效库容的1.54%，该河段的灌溉用水效率低、扬水工程耗电量大、缺少统一调控工程。
(3)丰、枯来水年龙羊峡、刘家峡水库调控库容不足，导致枯水年宁蒙灌区缺水、丰水年水资源流失。
(4)南水北调西线一期工程建成后，兰州一河口镇段将增加22亿m3供水量，届时该段水资源调控能力将更缺乏。
(5)龙羊峡、刘家峡水库受为宁蒙灌区供水制约，水能利用效率低，发电量不高;同时，宁夏水力发电占比极低，火力发电对环境污染大，建设大柳树水利枢纽可以改善该区的电力能源结构。
现状条件下黄河上游仍然有水可蓄、有水可调，且上游兰州一河口镇段亟需建设大型水利枢纽进行水资源调控，因此应该及早开工建设大柳树水利枢纽工程，发挥其综合效益。
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【责任编辑 张华兴】
收稿日期：2019- 07 - 08
基金项目：国家自然科学基金资助项目( 91547204.41901028)
作者简介：宋天华(1984-)，男，宁夏银川人，工程师，硕士，主要从事水利工程管理工作
通信作者：孟长青(1989-)，女(回族)，湖南邵阳人，讲师，博士，研究方向为水文水资源
作者：宋天华 孟长青 王永强 李颖曼 钟德钰
基于非负矩阵分解的水量分配方案后评价
摘要：提出了水量分配方案后评价指标体系，建立了基于非负矩阵分解的水量分配方案后评价模型，并以1983年国务院批复的引滦水量分配方案为研究对象进行了水量分配方案诊断式后评价。该方法利用非负矩阵分解算法将指标矩阵最大程度分解为基向量和权向量，根据权向量元素的数值对水量分配方案进行评级，根据基向量元素的数值判断评价指标的实施状况。通过对引滦水量分配方案质量、实施过程、实施效果和可持续性的调查分析，得出方案综合后评价结果为优，但在来用水可持续性、对水环境影响及水质目标保证率等方面需加以改进。评价结果表明，基于非负矩阵分解原理的后评价方法评价效果较好，可为水量分配方案等项目的后评价提供科学依据。
关键词：水量分配;后评价;指标体系;非负矩阵分解;引滦水量分配
Key words：water allocation;post-evaluation;index system;non-negative matrix factorization;Luanhe River water diversion
水量分配是指對水资源可利用总量或可分配水量向行政区域进行的逐级分配，其方案制定与实施关系到区域经济、社会和环境的综合效益[1]。但由于水文情势和社会经济需求的不断变化，水量分配方案的制定并非是一蹴而就的。如黄河、科罗拉多河和墨累-达令河等流域的水量分配方案在制定与实施过程中都存在着诸多问题，需要进行多次评价与完善[2-4]。开展水量分配方案后评价目的是总结方案制定实施过程中的经验和教训，诊断存在的问题及原因，促进水量分配方案的进一步落实、修正和完善。
后评价牵涉的指标数量多，评价信息庞杂，评价过程中常遇到三大难题：其一，评价过程常涉及高维数据的分析处理;其二，难以从数量较多的评价指标中准确分析出优势和劣势指标，从而进行诊断性后评价;其三，难以确定合适的指标权重。为此，许多学者对综合评价方法的理论和实践进行了研究，评价方法从最初的前后对比法、成功度法、逻辑框架法发展到层次分析法、理想点法、模糊综合评价法、灰色系统评价法和神经网络法等[5-10]，其中被广泛应用的是理想点法和层次分析法，但在应用中均受一定的限制。其中，理想点法在进行后评价时，需给定理想点和权重，且只能得出最终的综合评价结果，无法分析某项指标的优劣，因而只知评价结果，无法进行诊断性后评价;层次分析法需通过两两对比分析得出指标权重，在应对数目较大的后评价指标体系时计算复杂，缺乏效率。
非负矩阵分解是一种高效处理矩阵数据的方法，能够大幅消减原始矩阵的维数，从而提取出矩阵中的关键信息[11]。目前非负矩阵分解在很多领域都得到了广泛的应用，Lee和Seung首次提出NMF理论时便将其用于人脸识别[12]，其后M Arngren[13]、F Kaiser[14]、Y Li[15]等分别将其运用到图像处理、声音识别、数据挖掘等领域。水量分配方案后评价指标数量较多，评价矩阵信息庞杂，因此本文基于非负矩阵分解原理建立一种新的后评价模型，使评价过程更为简便，同时能够实现诊断式后评价。
1 基于NMF原理的后评价方法
非负矩阵分解原理(Non-negative matrix factorization，NMF)是由Lee和Seung1999年在《Nature》上提出的一种新的矩阵分解算法，与其他特征抽取算法相比，该算法对分解结果非负的限制具有实现上的简便性、分解形式和分解结果上的可解释性等优点[16-17]。
NMF算法用数学语言可描述为[18]：对于一个n×m阶的非负矩阵V，可将其分解为一个n×r阶的非负矩阵W和一个r×m阶的非负矩阵H的乘积，即V=W×H。
假设水量分配方案后评价中有n个评价指标和m个评价等级，请k名专家对n项指标进行评分，统计各评价等级专家人数占比，由此可建立评价数据矩阵V：
根据非负矩阵的分解原理，当r=1时矩阵V可近似分解为非负列向量W与非负行向量H的乘积。为最大限度地分解矩阵V，Lee和Seung[12]提出了一种基于欧氏距离的目标函数：
当且仅当，W和H是稳定点时，欧氏距离最小且不再变化。该迭代公式具有收敛性和解的存在性。
分析式(3)可知，当欧氏距离E达到最小值时，W和H均不具备唯一性。当H中的所有元素同时放大k倍，W中所有元素会变成原来的1/k。因此，为保证欧式距离最小时非负分解的唯一性，增加如下独立条件：
矩阵分解偏度δ*表示欧氏距离最小时矩阵分解后的信息丢失程度。偏度δ*越小，矩阵分解后的信息丢失越少，分解结果越真实可信。当分解偏度δ*小于01时，认为分解结果是可以接受的。
在求得列向量W*=(w*1，w*2，…，w*n)T与行向量H*=(h*1，h*2，…，h*m)后，由于基向量集合所有专家对各项指标的评价等级信息，权向量综合了各位专家对所有指标评价等级信息，因此可以用基向量元素的大小衡量各项指标的优劣，用权向量元素的大小判断水量分配方案的综合评价等级。
2 水量分配方案后评价指标体系的构建与评价标准2.1 水量分配方案后评价指标体系的构建
评价指标体系的建立是后评价工作的基础。目前国内尚缺乏用于水量分配方案后评价的指标体系，因此需借鉴其他项目后评价指标体系的建立思路形成初选指标体系，并采用德尔菲法对其进行筛选，其建立流程见图1。
图1中立法后评价是针对已通过并实施的法律进行评估，需评估法律实施过程、效果和立法质量[19-20];而建设项目后评价的指标体系依据行业特性的不同而不同，国家计委要求重点建设项目的后评价内容需包含过程评价、经济效益评价、影响评价和持续性评价[21-23]。水量分配方案和立法均是通过条文发挥效用，因此需评估方案本身的质量、实施过程和效果;同时和立法不同是水量分配方案的既定目标是否能长期持续会受到气候变化、人类活动等因素的影响，因此需评价方案的可持续性[24]。
根据以上分析初步制定了水量分配方案后评估指标体系并采用德尔菲法筛选确定，最终形成了以方案质量、实施过程、实施效果及其可持续性为准则的水量分配方案后评估指标体系，该指标體系由1个目标、4个准则、10个内涵和24项指标构成(表1)。指标体系的设计是基于目标导向的构造原则，即要求水量分配能更好地保护生态、节约水资源和促进水资源可持续利用。
2.2 单向指标评价标准
指标体系建立后，为统一标准，在具体应用时需制定单项指标评价标准。标准依据指标的评估目标和相关的文件制定。限于篇幅对单项指标评价标准的制定不做一一赘述，仅选用一项定性指标和一项定量指标为例加以说明。其中定性指标选用“分配要素合理性”为例。按水利部颁布的《水量分配暂行办法》及《水量分配方案制定技术大纲》 对分配要素的要求，以是否考虑水质、是否考虑地下水、是否考虑生态用水、分配对象是耗损水量还是用水量为考核因素，推荐水量分配要素合理性评价标准如下。
(1)方案给出地表水耗损量及相应的用水量分配成果，进行水质水量双控制，并考虑河道内生态用水，则分配要素合理性为优。
(2)方案给出地表水耗损量分配成果，并考虑河道内生态用水，则分配要素合理性为良。
(3)方案给出地表水耗损量分配成果，则分配要素合理性为中。
(4)方案仅给出地表水取用水量分配成果，则分配要素合理性为差。
定量指标选用“年分配水量偏离系数”为例。当申请用水小于分水指标时，偏离系数是指实际供水和申请用水的偏差值，以检验是否满足需求或造成资源浪费;当申请用水大于分水指标时，偏离系数是指实际供水和分水指标的偏差值，以衡量分配方案的约束效用。即分配水量偏差系数计算公式如下：
式中：i为年份;Si为第i年实际供水;yi为第i年申请用水;Fi为第i年分水指标;pi为第i年偏差。
在具体评价时，推荐以下评价标准：若偏差系数小于10%，评价级别为优;偏差系数为10%～20%，评价级别为良;偏差系数为21%～50%，评价级别为中;偏差系数大于50%，评价级别为差。
3 引滦水量分配方案后评价
3.1 引滦工程水量分配方案
自1983年国务院批复引滦水量分配方案以来，该方案已实施30余年，为天津市和河北省创造了巨大的经济、社会和环境效益[25]。但与此同时该方案还存在诸多问题，如在分配水量时未考虑下游生态用水等，同时受气候变化与人类活动影响，相同保证率条件下潘家口和大黑汀水库的入库水量和可供水量已远低于1983年方案批复时[26]。因此，有必要进行引滦水量分配方案诊断式后评价，为水量分配方案的修订提供依据。
引滦水量分配对象是潘家口水库水量和潘家口至大黑汀水库的区间来水，其中潘家口水库水量分配见表2。
潘大区间水量分配依据1983年印发的《引滦水量分配与供水调度管理办法》：当潘大区间年来水量等于或大于2.2亿m3时，大黑汀水库年供水量为2.1亿m3;当区间年来水量小于2.2亿m3时，年供水量为区间年来水量减去库损0.12亿m3。
3.2 方案后评价计算
评价标准制定后，选用长期从事水量分配方案制定的3位专家和4位从事引滦水量分配工作的地方工作者组成专家组，根据方案的实施情况和单项指标评价标准对引滦水量分配方案进行评价，评价等级为优、良、中、差。统计结果中各等级的专家人数占比，可得数据矩阵V。对矩阵V采用维度为1的非负矩阵分解，可确定各评价指标对应的基元素数值，见表3;同时可得出各评价级别对应的权向量元素数值，见表4;计算指标体系中准则层所对应评价指标的基元素均值，见表5。 3.3 方案后评价结果分析
由于指标矩阵的分解偏度小于0.1，因此评价结果是可以接受的。
为分析求得的基向量和权向量的含义，分别作基元素数值与单项指标专家打分均值相关关系图和权向量元素数值与评价等级专家人数占比之和的相关关系图见图2、图3。
由图2可知，基元素数值与专家打分均值的相关系数为0978 3，因此基向量中元素数值大小可以代表评价指标的优劣;同时由图3可知，权向量中元素数值与级别专家占比之和相关系数为0980 6，因此权向量元素大小可衡量水量分配方案的综合评价等级。由表4可知，后评价级别中“优”对应的权向量元素值最大，因此引滦水量分配方案的评价等级为“优”。
基于上述计算结果，分析引滦水量分配各单项指标执行情况和四个准则的评价结果，可得出以下结论。
(1)方案质量评价。
评价结果为良。
由表5可以看出，该准则层对应的指标层元素均值为0046 3，在4个准则中排名第二。分析表3中对应数据可知，这首先得益于方案的编制和审批均合理合法，符合《水量分配暂行办法》的相关要求;其次，方案与滦河流域早期规划的衔接性良好，此后《滦河流域综合规划报告》和《海河流域水资源综合规划》等的制定也是基于1983年的引滦水量分配方案;最后，确定的区域间分水比例符合天津市和河北省的实际情况，用水公平性良好。
不足之处有两点，一是方案未考虑河道内生态用水，因此分配要素合理性评分略低;二是与三条红线控制指标衔接性较差，这是由于方案编制之初三条红线控制指標还未设立，因此需对水量分配方案进行相关修正。
(2)方案实施过程评价。
评价结果为优。
由表5可以看出，其对应的指标层元素均值为0048 6，是4项准则层中最高的。分析表3中对应数据可知，这首先得益于引滦局制定了详细的供水计划和调水方案，保障了方案实施。其次，来水量预测精度较高，这与实际调查分析的结果是一致的，以调度年2012年-2013年为例，潘家口水库来水量预测误差为58%，潘大区间来水量预测误差为104%，均满足《水文预报规范》对预测精度的要求。同时，确定与下达的分水指标较为合理。2003年-2015年分水指标与方案的平均偏离系数仅为623%。最后，水量分配监控体系完整，控制断面设置合理且完善。
(3)方案总体实施效果评价。
评价结果为中。
由表5可以看出，其对应的指标层均值为0035 8，低于方案质量和实施过程的评价结果。实施效果中较好的方面包括：一是规范了区域的水资源管理制度，明确了滦河流域的水权归属，对区域的水资源管理有良好的示范作用。二是促进了区域的经济社会良好发展，如引滦供水缓解了天津、唐山两地区的用水紧张局面，取得了较大的经济效益和社会效益。第三，天津市多年平均分配水量偏差系数为1207%，河北省为2160%，可以评级为良好，这与计算结果是一致的。
引滦水量分配实施的不利效果是其对滦河下游水生态及环境的不利影响。引滦工程中的潘家口、大黑汀水库建成蓄水后，一直采用滴水不漏的运行方式，导致下游河道干涸，地下水位大幅下降，对沿河各县的经济社会和生态环境有较严重的负面影响。
(4)方案可持续性评价。
评价结果为差。
由表5可以看出，其对应的指标层均值为0034 7，是四个准则层元素中最低的。这主要是因为随着水文情势和用水需求的不断变化，入库水量减少、用水量增加，可分配水量不具有可持续性。这与实际计算分析的结果是一致的，潘家口水库2000年前后来水量情况如图4所示，2000年-2013年系列均值比1980年-1999年系列减少了555%。
1980年-2013年天津、河北两地区的历年引滦水量见图5。由图5可知天津市引滦水量呈先增大后减小的趋势，但变化幅度不大;河北省年引滦水量呈显著下降趋势。总体上引滦工程的年供水量呈下降趋势。因此引滦工程用水不具有可持续性。
相比之下，引滦水量分配政策制度的可持续性则较好。引滦水量分配分工明确，实施机构完善，组织管理体系清晰，且有应对特殊情况的协商制度。同时，管理制度可持续性也较好，其实施过程中的管理制度包括计划用水制度、审批制度、监督考核制度、应急响应制度和合同管理制度等。
4 结论与展望
4.1 结论
(1)本文提出了基于非负矩阵分解的水量分配方案后评价方法，该方法采用非负矩阵法对评价矩阵进行一维非负分解，并根据得到的权向量元素大小确定后评价等级，依据基向量元素大小衡量各评价指标的优劣，避免了常见方法中需给定理想点和权重等的缺陷，计算过程简单，意义明确。
(2)从方案质量、实施过程、实施效果和可持续性四个方面对引滦水量分配方案进行了系统分析，得出引滦水量分配方案综合评价结果为“优”的结论，这主要得益于方案具有合理性和可操作性，实施过程严谨且促进了区域水资源管理。同时指出了引滦水量分配方案及其实施过程中存在的不足，如用水和来水可持续性差，水质目标达标率差和对区域的水环境有不利影响等。
4.2 展望
根据本文研究，建议今后在引滦水量分配方案修订及其实施过程中注意以下问题：首先应根据近些年的来水情况和用水情况重新计算可分配水量和分水比例;其次是加强对水环境和水生态的保护，在实施过程中需考虑水质要求;三是要修正方案使其符合三条红线的要求。
同时，本文的研究尽管有其理论和实践意义，但不可避免地存在一些不足之处。首先，本文提出的指标体系主要是基于前人的研究成果，缺乏指标必要性和有效性的论证;其次，在制定单项指标评价标准时较为主观，不够严谨;最后，在应用非负矩阵分解法进行后评价时，缺乏对该方法优劣性的评价。在未来的研究中，还需要进一步完善。
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作者：胡铁松 张兵堂 程晓峰 熊威
