2.1 通水后受水区水量置换效应宏观分析
一期工程通水后，受水区城市究竟能返还农业和生态多少水量一直是社会各界广泛关注的问题。分析返还水量，首先需要界定城市挤占了多少农业用水量，而目前有资料条件支撑分析的只有城市挪用原本供给农业的水库水量（详见3.4节）；返还水量计算还牵扯到农业是否需要返还问题，根据《中国城市建设统计年报》统计分析，2001—2007年因受水区设市城市的城区扩建已累计占用耕地约105.2万亩，原用于这些耕地上的灌溉用水原则上已不需要返还。
分析城市返还水量的目的：一是为了在总体上把握调水后农业可获得的有保证的供水量，包括当地水资源量和城市废污水排放处理后的可回用水量；二是宏观定量受水区生态环境可增加的水量，包括调水对受水区地下水压采、地表河道基流和入海水量的影响。因本次着重分析受水区城市接受调水后可置换出的水量。
一期工程通水后城市可置换给农业和生态的最大水量包括两部分：①城市获得调水量后可置换出的当地水资源量；②调水新增的城市废污水达标处理量。由于这两部分水量不都是挤占农业用水的水量，故称之为调水后城市置换出的水量比返还水量更贴切，其中可被农业利用的水量尚需结合相应的配套工程措施才能实现。水利部南水北调规划设计管理局和中国水利水电科学研究院已开展了“南水北调东中线受水区城市挤占农业与生态用水的返还方案研究”，故本次不作深入讨论。
2.1.1 引江后城市可置换出的当地水资源量分析
受水区城市获得引江水量后，可置换出的当地水资源量由城区减少的地下水开采量和退出的当地地表水供水量两部分组成。当城区减少的开采量等于规划压采量时，可退出的当地地表水供水量在理论上等于调水量、规划期受水区城市新增需水量、规划压采量和存量节水量之代数和。由于可获得的城市供（用）水量和污水处理量信息源于《中国城市建设统计年报》，其统计范围为设市城市，故本节对城市可置换水量的分析计算范围为设市城市，涉及京、津、冀、鲁、豫受水区设市城市共72座，其引江分配水量约占调水总量的80%。对照《南水北调城市水资源规划》中1999年城镇供（用）水基础数据，受水区1999年设市城市供（用）水量约占城镇供（用）水总量（含县城）的49.4%。
统计分析表明，1999—2007年京、津、冀、鲁、豫受水区内72个设市城市的实际供（用）水量变化不大，最大值2006年约63.8亿m3，最小值2000年约58.8亿m3，2007年62.3亿m3略低于1999年63.1亿m3；2005年统计值63.6亿m3，低于《南水北调城市水资源规划》中的2005年规划值167.8×49.4%=82.9亿m3约19.3亿m3，见表2.1。说明2000年以来，受水区设市城市实际节水强度明显高于规划预测值。
表2.1 京、津、冀、鲁、豫受水区设市城市1999—2007年统计用水量变化单位：亿m3
注 1999—2007年统计用水量引自《中国城市建设统计年报》；2005年规划值引自《南水北调城市水资源规划》。
根据京、津、冀、鲁、豫72座设市城市2005年实测值与相应范围内的《南水北调城市水资源规划》中2005年规划值之差19.4亿m3，按照各水平年等差压减，对《南水北调城市水资源规划》未来水平年需水量进行调整。与2005年统计值相比，压减后设市城市新增需水量2015年约30.95亿m3，2020年约40.65亿m3。根据南水北调一期可研报告中分水口门及引江水地市分配水量分析，一期工程设市城市增供调水量约70.49亿m3，约占京、津、冀、鲁、豫一期工程分水口门净水量的76%。城市可置换出的当地供水量按照下式计算：
城市退出的当地地表供水量=城市增供调水量-城市发展新增需水量-城区规划压采量
分析结果表明，引江后设市城市可退出的当地地表供水量2015年和2020年分别为29.60亿m3和11.52亿m3（表2.2），即随着城市规划水平年需水量的增加，设市城市可返还农业和生态的当地地表水量减少。其中，河北受水区在引江水量满足2020水平年设市城市新增需水和城区规划压采目标后，已退不出当地地表供水量。
综上所述，2020水平年京、津、冀、鲁、豫72座设市城市在获得引江水量70.49亿m3后，可置换出当地供水量29.84亿m3，约占引江水量的42%，其中地下水压采量约17.24亿m3，当地地表水供水量约12.60亿m3。
表2.2 京、津、冀、鲁、豫受水区设市城市可退出当地供水量分析 单位：亿m3
注 1.分水口门净水量引自一期工程可研报告。
2.城区压采量引自《南水北调（东、中线）受水区地下水压采总体方案》（报批稿），2009年9月。
3.山东城市增供水量为用于生活、工业及城市生态环境水量之和。
2.1.2 引江对农业和生态的间接补水量
从水资源合理配置的角度，1m3引江水在供城市新增工业用水后，实际发挥的效益不只1m3，还有约0.75～0.85m3城市排水（废污水排放量），可供农业和生态使用。
受水区城市在获得调水量后，一部分用于满足城市发展新增需水量，一部分用于置换挤占的农业和生态水量。第一部分水量在城市使用后以废污水形式排放，其中部分水量经处理后可被下游农业引用，形成南水北调为农业的二次供水（间接供水）。经验表明，影响城市废污水回用的主要因素：一是供水结构，即水源供给城市生活与城市生产的水量比例；二是排水管网系统，管网系统越完善，汇集程度越高，收集的废污水量就越大，排放系数越大（可收集的排污水量占排污总量的比例）；三是污水处理回用水平，污水处理等级高、回用工程配套，可回用的水量大。京、津、冀、鲁、豫72个设市城市2006年和2007年的供水、排水、污水处理和回用量的统计结果见表2.3，现状污水排放率约83%，污水处理率为66%～72%，处理回用率仅12%～17%。
表2.3 京、津、冀、鲁、豫受水区设市城市现状污水处理利用状况
注 引自2006年、2007年《中国城市建设统计年报》，其中天津因统计口径不同，使污水排放量大于供水量。
对比2007年设市城市污水处理率、排放率与《南水北调城市水资源规划》的规划值可见，山东2010年、2030年废污水处理率规划值，北京2010年、2030年回用率规划值均低于2007年统计值，见表2.4。本次2015年和2020年规划水平年处理率和回用率采用《南水北调城市水资源规划》2010年、2030年规划值内插确定，其中山东受水区处理率、北京受水区回用率以2007年统计值为基础调整，调整后的指标见表2.5。
表2.4 受水区设市城市现状污水处理回用率与规划值比较%
注 2010年、2030年处理率和回用率引自《南水北调城市水资源规划》。
计算结果表明，随着城市发展新增需水量的增长，废污水处理率和回用率的提高，引江后设市城市废污水处理回用量将由2015年的8.45亿m3提高到2020年的11.22亿m3，剩余未回用于经济生产的废污水处理量2015年约12.01亿m3、2020年约16.10亿m3将排放于河道，补充生态环境用水，见表2.5。
表2.5 京、津、冀、鲁、豫受水区设市城市排污水量利用分析
注 山东受水区处理率、北京受水区回用率以2007年统计值为基础调整。
城市排水量中有多少可被农业引用，受两种因素控制：一是城市所处地理位置。处在流域各河系上游的城市，排出的水容易被下游农村引用，如北京和卫河平原城市，排水利用率较高；而滨海城市如天津，排水进入南、北排污河，可被农业的利用率很低。二是城市下游河网沟通程度和水环境状况，常年有水河道，排水利用率相对较高；间断性河流和季节性河流，利用率相对较低；没有正常河流的沟渠性排污方式，农业利用率更低。保定市地处白洋淀以上，以往废污水处理程度低，大多排放到唐河污水库中存放，蒸发渗漏自然消耗，农业引用的水量不多。
2007年受水区设市城市污水处理回用量约6.37亿m3，调水后城市发展新增水量主要靠调水保证，回用于城市的水量有限。据《南水北调城市水资源规划》，在上述回用水量中，城市工业及市政杂用约占1/4，改善生态环境约占1/4，农业灌溉水量占一半左右。