水文資料缺乏地區(qū)水資源承載能力研究

秦宇, 羅吉忠, 魏文杰, 姜國珍, 張新華

（1. 黔南州水利水電勘測設計研究院, 貴州 黔南州 558000; 2.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川 成都 610017; 3.四川大學水利水電學院 四川 成都 610065; 4. 四川大學后勤集團, 四川 成都 610065; 5. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065）

水文資料缺乏地區(qū)水資源承載能力研究

秦宇1, 羅吉忠2, 魏文杰3, 姜國珍4, 張新華5

（1. 黔南州水利水電勘測設計研究院, 貴州 黔南州 558000; 2.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川 成都 610017; 3.四川大學水利水電學院 四川 成都 610065; 4. 四川大學后勤集團, 四川 成都 610065; 5. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065）

如何解決水文資料缺乏問題一直是水資源承載能力研究中的難點和熱點. 本研究以貴州省都勻市為例, 通過構(gòu)建區(qū)域SWAT分布式水文模型模擬該市相關河流長系列徑流資料、DPSIR模型選取評價指標和模糊綜合評價法的定量計算等一系列手段對都勻市現(xiàn)狀及未來的水資源承載能力進行分析和預測. 結(jié)果表明都勻市近期的一系列水資源開發(fā)舉措將提高其水資源的承載能力, 而中期隨著水資源開發(fā)利用程度的提高, 其承載能力將有所下降, 直至遠期趨于平衡. 承載能力評價結(jié)果能夠為其可持續(xù)發(fā)展提供決策支持, 保證經(jīng)濟、社會與資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.

水文資料缺乏地區(qū); 水資源承載能力; SWAT模型; DPSIR模型; 模糊綜合評價法

水資源承載能力一般是指在一定流域或區(qū)域內(nèi), 其自身的水資源能夠持續(xù)支持的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模, 并維持良好生態(tài)系統(tǒng)的能力[1-2]. 水資源的承載能力將直接作用于區(qū)域未來的社會經(jīng)濟發(fā)展, 同時對當?shù)氐娜丝谝?guī)劃、經(jīng)濟布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和重點發(fā)展領域、發(fā)展速度等產(chǎn)生深遠影響. 目前水資源承載能力計算方法大致可分為PCA、SD法、模糊綜合評價和熵模型[3-4]. 模糊綜合評價法客服了單因素評價的片面性, 將眾多影響因素利用綜合評判矩陣聯(lián)立, 從而得出較全面的評價結(jié)果. 由于其影響因素可以涵蓋社會、經(jīng)濟、民生、環(huán)境等諸多領域,因此其評價結(jié)果具有一定的擴展性, 能夠?qū)碗s社會情況進行綜合闡釋[5]. 雖然模糊綜合評價法具有綜合性強、評價面廣、動態(tài)開放可操作等特點, 然而由于其對基礎數(shù)據(jù), 特別是水資源相關數(shù)據(jù)的要求較高, 制約了部分水文資料缺乏地區(qū)的承載能力計算精度. 正是由于部分地區(qū)水文資料缺乏致使無法摸清區(qū)域水資源現(xiàn)狀及分布,從而出現(xiàn)水資源過度開發(fā)破壞生態(tài)環(huán)境或水資源利用保守經(jīng)濟發(fā)展受制等情況. 如何解決地區(qū)水資源資料缺乏的問題, 構(gòu)建科學適用、結(jié)果可靠的水資源承載能力評價模型, 成為許多學者關心的問題. 本研究以都勻市為例,以SWAT分布式水文模型模擬結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎, 引入DPSIR模型構(gòu)建評價指標體系以及采用模糊綜合評價法全面客觀地計算分析該地區(qū)水資源承載能力及發(fā)展趨勢, 旨在判斷經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境是否平衡發(fā)展.

1 研究區(qū)背景

都勻市位于貴州省南部偏東, 苗嶺山脈南側(cè), 距省會城市貴陽高速公路里程150km. 東與丹寨、三都相連,南與獨山、平塘接壤, 西與貴定相鄰, 北與麻江交界. 都勻市屬中低山山原地貌類型, 地形起伏較大, 高差較為明顯, 地勢西高東低, 北高南低, 平均海拔高度800～1200m, 相對高差1421m. 土地總面積2274km2, 以山地、丘陵為主, 喀斯特地貌分布較廣. 都勻市地處中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū), 雨量充沛, 水資源總量較豐富. 但受地形和氣候差異影響, 降雨量在地區(qū)分布和年內(nèi)分配變化較大. 全市多年平均降雨量1385mm, 地區(qū)變化在1260～1450mm, 總體呈自北向南遞減, 雨量隨海拔高程的上升而增多, 山地大于河谷. 都勻市屬開發(fā)型缺水, 09年以來的干旱及水資源利用程度不足使其規(guī)劃的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建設及跨越式發(fā)展出現(xiàn)瓶頸, 然而由于水文資料缺乏,無法合理規(guī)劃其水資源配臵. 因此建立分布式水文模型模擬區(qū)域水資源現(xiàn)狀, 研究水資源利用趨勢及承載能力,建立符合區(qū)域?qū)嶋H的水資源承載能力評價模型, 制定科學合理的水資源開發(fā)利用方案, 使其經(jīng)濟與自然協(xié)調(diào)發(fā)展, 意義十分重大.

2 模型及方法介紹

2.1 SWAT分布式水文模型

SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務中心開發(fā)的具有較強物理機理的分布式水文模型, 其適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復雜流域[6]. SWAT模型可以模擬和預測氣候變化、土地管理方式等對流域水量、水質(zhì)方面的影響. SWAT模型可以運用研究區(qū)域的數(shù)字高程圖將其分解為以河道作為水力聯(lián)系的子流域, 而子流域又可以根據(jù)土地利用狀況和土壤分布進一步細分為水文響應單元（HRU）. 在SWAT模型內(nèi)還可以根據(jù)不同的需要添加水庫、池塘等工程進行模擬, 同時也能在資料相對缺乏的地區(qū)建模. 目前, 許多學者運用SWAT模型進行水文水資源的探究, 在美國、加拿大、歐洲等地區(qū)已被廣泛地應用并得到不斷的完善.通過對水文資料缺乏地區(qū)進行徑流模擬, 能夠得到精度合理的區(qū)域水資源狀況, 為水資源承載能力計算提供基礎數(shù)據(jù).

構(gòu)建SWAT模型具體步驟為: ①數(shù)據(jù)的搜集和整理. 數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù). 空間數(shù)據(jù)主要為目標流域的DEM（數(shù)字高程圖）、土地利用圖、土壤分布圖等, 水文氣象數(shù)據(jù)包含研究流域范圍內(nèi)或附近具有代表性的雨量站點和氣象站點的逐日實測數(shù)據(jù), 如降水、氣溫、相對濕度、風速和日照時數(shù)等. 雨量站和氣象站選取的數(shù)量和分布位臵對模型模擬結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響. ②水文響應單元劃分. SWAT模型根據(jù)DEM高程數(shù)據(jù)劃分子流域和提取水系, 然后在每個子流域內(nèi)按照土地利用圖和土壤分布圖劃分多個水文響應單元（HRU）. ③模型參數(shù)率定. SWAT模型擁有大量參數(shù)設臵, 通過模型的模擬值和實測值的對比分析從而不斷調(diào)整相關參數(shù), 最終達到較高的模擬精度.

2.2 基于DPSIR模型的水資源承載能力評價指標體系

區(qū)域水資源承載力指標的選擇需要從人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)作用的機理和過程來考慮, 因此針對都勻市研究區(qū)的特點, 我們構(gòu)建了基于“DPSIR”驅(qū)動力(Driving force)-壓力(Pressure)-狀態(tài)(State)-影響(Impact)-響應(Response)的區(qū)域水資源承載力評價指標體系[7]. “DPSIR”流域水生態(tài)承載力評價指標體系從人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)入手, 以人口規(guī)模和經(jīng)濟發(fā)展等為驅(qū)動力, 產(chǎn)生用水需求和廢水排放方面的壓力, 壓力作用于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng), 同時壓力將改變生態(tài)系統(tǒng)原本的狀態(tài), 并且通過棲息地環(huán)境的特征和水質(zhì)參數(shù)來表征其狀態(tài), 然而狀態(tài)的改變將進一步對人類社會產(chǎn)生不同程度的影響. 針對不良影響, 人類會相應地采取社會、經(jīng)濟和技術方面的措施進行改善, 最后通過調(diào)控人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的人口和經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)模和結(jié)構(gòu)以及對響應措施的進一步完善和提高, 實現(xiàn)對狀態(tài)的調(diào)控, 從而達到人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展, 使得區(qū)域水資源系統(tǒng)處于可承載狀態(tài).

2.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法的具體過程為根據(jù)已經(jīng)確定的評價指標體系, 評價指標分級同時計算其權(quán)重, 在單因素評價的基礎上構(gòu)建綜合評判矩陣并對區(qū)域水資源承載能力進行評價[8-10]. 模糊綜合評價法步驟包括: ①利用層次分析法進行指標權(quán)重計算; ②評價指標分級; ③隸屬度函數(shù)的確定; ④綜合評價分析, 具體計算步驟見文獻[10-11].

3 模型應用

3.1 SWAT模型模擬結(jié)果

水文資料缺乏一直是水資源承載能力分析的熱點和難點. 由于都勻市境內(nèi)文峰塔水文站停測所導致徑流數(shù)據(jù)缺失, 從而導致都勻市地表水資源量和生態(tài)需水量難以計算, 而在后續(xù)評價中將直接影響到人均水資源量和生態(tài)環(huán)境用水比例兩個重要指標的確定. SWAT分布式水文模型可以根據(jù)降雨等氣象數(shù)據(jù)和土地利用、土壤等地理數(shù)據(jù)模擬流域產(chǎn)匯流過程, 從而較為精確地得出河道的徑流量, 為后續(xù)的評價工作奠定數(shù)據(jù)基礎.

本文針對都勻下游的下司水文站（該站具有長系列連續(xù)實測徑流資料）進行模擬. 在SWAT模型運行初期,模型給土壤含水量的初始值一般賦值為零, 這對模型模擬結(jié)果影響很大, 因此將模擬初期作為SWAT模型運行的預熱階段. 本次研究以1974—1977年為預熱期, 1978—1993年為校準期, 1994—2003年為驗證期. SWAT模型的模擬流量和實測流量的對比關系見圖1和2.

圖1 下司站1978—1993年月徑流量模擬值與實測值對比圖Fig.1 The comparison chart for simulation and measured values of runoff of Xiasi Station, for 1978-1993

圖2 下司站1994—2003年月徑流量模擬值與實測值對比圖Fig.2 The comparison chart for simulation and measured values of runoff of Xiasi Station, for 1994-2003

SWAT模型模擬精度的高低可以由評價函數(shù)來判定, 常用的評價函數(shù)有三種, 即相對誤差Re、相關系數(shù)R2和Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens. 一般認為, 當R2> 0.6 和Ens> 0.5時, 模型模擬結(jié)果可以接受. 由表1可以看出SWAT模型對都勻市的徑流模擬效果良好.

表1 SWAT模型模擬值和實測值對比精度Tab.1 The accuracy of SWAT model simulation values Compare to measured values

通過下司水文站的資料分析出不同保證率的徑流情況, 再運用率定后的SWAT模型可以輸出所需不同保證率下的月均徑流值. 對SWAT模型輸出結(jié)果的進一步分析可計算出平均地表水資源量為14.43億m3, 這與調(diào)查資料中都勻市地表水資源量14.75億m3非常接近, 進一步證明了模型的可用性, 從而解決了文峰塔水文站停止測流致使都勻市地表水資源量難以計算的問題. 至此, 通過構(gòu)建SWAT模型得到了所需河流的徑流數(shù)據(jù), 為之后的水資源承載能力計算和評估提供了數(shù)據(jù)支撐.

3.2 承載能力評價結(jié)果

區(qū)域水資源承載能力模型的構(gòu)建需要確定其評價指標體系, 人口、經(jīng)濟及環(huán)境的組合是個復雜的系統(tǒng), 如何從中選取具有代表性的指標, 來描述三者共同作用對水資源承載能力的影響是眾多學者關心的問題. 蔡安樂等采用凈灌溉定額、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量、人均日用水量等指標, 對社會行業(yè)用水結(jié)構(gòu)進行了模擬評價[13]. 夏軍、朱一中等采用人均水資源、水資源利用率、人均用水量等指標, 對西北地區(qū)水資源承載能力進行了模擬研究[14].本研究遵循科學性、層次性、動態(tài)性、可操作性及區(qū)域性的原則, 在搜集的都勻市現(xiàn)有資料及構(gòu)建SWAT水文模型的基礎上, 運用DPSIR模型選取指標, 其中編號1-14的指標數(shù)據(jù)可以根據(jù)搜集到的社會、經(jīng)濟、工程規(guī)劃和水質(zhì)等方面的資料并結(jié)合SWAT模型計算結(jié)果來確定. 編號15為生態(tài)環(huán)境用水比例, 生態(tài)環(huán)境用水量的計算方法目前種類繁多, 本研究采用7Q10法進行估算[14]. 具體指標及分值見表2. 再采用模糊綜合評價法對選取的評價指標進行計算, 最終分析出都勻市水資源系統(tǒng)承載能力的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢.

表2 都勻市水資源承載能力評價指標體系及分值Tab.2 The evaluation indicators system and scores of water resources carrying capacity of DuYun city

運用本文所構(gòu)建的模型計算得到都勻市2010年～2030年水資源承載力最終評判結(jié)果, 見表3. 為了定量地反映各等級水資源承載力狀態(tài), 對評判集等級百分制數(shù)量化, 分值越高, 水資源系統(tǒng)承載力越強. 水資源系統(tǒng)承載能力評價等級劃分見表4.

表3 都勻市水資源承載能力評價結(jié)果Tab.3 Results of Water resources carrying capacity evaluation of DuYun city

表4 都勻市水資源系統(tǒng)承載力評價等級劃分Tab.4 Classification of water resources carrying capacity evaluation of DuYun

結(jié)合表3和表4可以看出, 都勻市2010年現(xiàn)狀年的承載能力達到較強的標準, 但仍有較大的上升空間和開發(fā)余力, 由于水資源開發(fā)利用程度不高導致水資源供需矛盾突出, 限制了其發(fā)展, 需要采取一定的政策和措施;而近期的一系列水資源開發(fā)舉措將明顯提升其承載能力, 因此2010～2015年間, 由于新增水利工程及節(jié)水治污雙管齊下, 供水能力得到了較大的提高, 承載能力有所增強; 2015～2020年間, 其承載能力出現(xiàn)一定程度的下降是由于水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)較高, 開發(fā)潛力下降所致; 2020～2030年為遠景年, 都勻市水資源的供給將與其經(jīng)濟社會發(fā)展相協(xié)調(diào), 達到資源與環(huán)境的平衡. 縱觀2010年至2030年都勻市的發(fā)展規(guī)劃, 其承載能力均達到了較強的狀態(tài), 在保證生態(tài)環(huán)境的基礎上開源節(jié)流, 采取興建水利與節(jié)約用水并行, 改善生活水平與改善生態(tài)環(huán)境共進的發(fā)展方式, 從而達到可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài).

4 結(jié)論

水文資料作為基礎數(shù)據(jù), 在區(qū)域水資源承載能力計算中起著重要的作用. 在水文資料缺乏地區(qū)通過構(gòu)建SWAT分布式水文模型的方式模擬徑流狀況, 并與調(diào)查統(tǒng)計資料相結(jié)合對區(qū)域水資源承載能力進行評價, 計算便捷, 方法可行, 有效的解決了基礎資料不齊的問題; DPSIR模型的選用則豐富了評價指標的可選范圍; 模糊綜合評價法充分發(fā)揮了自身優(yōu)勢, 全面考慮了各個評價指標對水資源承載能力狀況的重要程度, 使得評價結(jié)果更加可信; 其評價結(jié)果對實施水資源利用“三條紅線”也有一定的參考意義.

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Analysis of water resources carrying capacity in hydrological data scarce area

QIN Yu1, LUO Ji-zhong2, WEI Wen-jie3, JIANG Guo-zhen4, ZHANG Xin-hua5
(1.Qiannan Prefectural Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, QiannanPrefecture558000, P.R.C.; 2. Sichuan Provincial Department of Transport Traffic Survey and Design Institute, Chengdu 610017, P.R.C.; 3.College of water resource and hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065,R.P.C;4. Rear Service Group of Sichuan University, Chengdu 610065, R.P.C; 5. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065)

How to solve the problem of hydrological data lack is always a difficult and hot spot in the study of water resources carrying capacity. This study takes Duyun city in Guizhou province as an example, through the series of measures like construction of regional SWAT distributed hydrological model to simulate the long river runoff series information of city, DPSIR model selecting evaluation index, and quantitative calculation of fuzzy comprehensive evaluation method to analyze and predict the present situation and the future water resources carrying capacity of Duyun city. The results show that the series of recent Duyun city water resources development measures will improve the water resources carrying capacity. Its carrying capacity will fall because of the improvement of the degree of water resources development and utilization in medium term until the forward back into balance. The carrying capacity evaluation results can provide decision support for its sustainable development to guarantee the economic, social and resources, environmentally coordinated development.

hydrological data scarce area; water resource carrying capacity; SWAT model; DPSIR model; fuzzy comprehensive evaluation method

TV213

A

1003-4271(2014)05-0776-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.05.27

2014-08-05

秦宇(1965-), 男, 漢族, 重慶人, 高級工程師, 研究方向: 水利工程設計、管理與研究. E-mail:qnsdsj@126.com.

張新華(1965-), 男, 四川資中人, 教授, 研究方向: 水力學及河流動力學、水環(huán)境. E-mail:xhzhang@scu.edu.cn.

國家科技重大水專項(2009ZX07104-001); 國家自然科學基金(51379137); 貴州省水利科技項目及四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護重點實驗室自主項目.