吉林西部河湖連通計(jì)劃可行性論證——基于該地水資源的供需預(yù)測(cè)與分析

張忻，聶君宇，李佳薇

吉林西部河湖連通計(jì)劃可行性論證——基于該地水資源的供需預(yù)測(cè)與分析

張忻，聶君宇，李佳薇

（吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130021）

吉林西部水資源短缺，供需矛盾突出，亟待采取有關(guān)措施予以緩解?；谠摰厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)、地形地貌和水文條件概況，借助VensimPLE和ArcGIS建立的數(shù)學(xué)、地理模型，預(yù)測(cè)了未來(lái)15年該地水資源供需情況，分析了河湖連通計(jì)劃對(duì)該地人口分布的影響，表明了河湖連通計(jì)劃實(shí)施的必要性。進(jìn)而，借助Matlab建立的灰色預(yù)測(cè)模型，討論了計(jì)劃實(shí)施后的水資源供需情況。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：計(jì)劃的實(shí)施使得該地水資源供應(yīng)量將于2027年首次超過(guò)需求量，且兩者差值隨著時(shí)間推移而增大，表明河湖連通計(jì)劃是解決吉林西部水資源短缺問(wèn)題的長(zhǎng)遠(yuǎn)之策。

河湖連通；吉林西部；灰色預(yù)測(cè)；數(shù)學(xué)模型；水資源短缺

引言

吉林西部水資源短缺且分布不均，水資源問(wèn)題一直備受人們關(guān)注，亟需尋求辦法解決水資源矛盾。本文基于對(duì)吉林西部背景情況及水資源狀況的分析，探究了河湖連通對(duì)吉林西部地區(qū)的必要性，同時(shí)分析了河湖連通的實(shí)施對(duì)吉林西部水資源供需情況的影響，從而確認(rèn)河湖連通計(jì)劃的可行性，能夠較好地解決吉林西部水資源短缺問(wèn)題。

1　吉林西部概況

1.1社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況

按聯(lián)合國(guó)提出的人口密度標(biāo)準(zhǔn)，在半干旱的農(nóng)牧區(qū)人口密度不應(yīng)大于20人/km2[1]。2014年，吉林西部人口238萬(wàn)，平均人口密度40人/km2，大大超出了聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，給資源及環(huán)境帶來(lái)了很大負(fù)擔(dān)，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)繁榮造成了負(fù)面影響。

1.2地形地貌狀況

基于1990年的1∶100 000地形圖，獲得分辨率為30 m×30 m的DEM（數(shù)字高程模型）柵格數(shù)據(jù)，繪制出DEM柵格圖，如圖1所示。吉林西部地區(qū)處于松遼平原西北部，地勢(shì)較為平坦，西北部分略高于東南部分，平均海拔110～180 m。該區(qū)風(fēng)蝕地貌較明顯，沙丘、沙壟為風(fēng)力所至，主要形成于全新世和晚新世晚期[2]。

圖1　吉林西部DEM柵格圖

1.3水文條件

吉林西部水域面積僅為270 km2，地表水分布不均，閉流區(qū)域面積很大，地表徑流量少。本區(qū)主要大的河流有松花江和嫩江，雖然河流的年徑流量很大，但都屬于難以利用的地表客水。然而地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)不均衡，一方面大量開(kāi)采地下水（現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)率已超過(guò)80%）；另一方面由于缺少引水工程，致使過(guò)境的洪水資源白白流失[3]。

2　河湖連通計(jì)劃必要性論證

2.1水資源供需情況預(yù)測(cè)與分析

根據(jù)如圖2所示的吉林西部水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，借助VensimPLE對(duì)2015～2030年共16年間的水資源供需情況等指標(biāo)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行仿真模擬，得到如表1所示的結(jié)果。吉林西部主要行業(yè)需水量預(yù)測(cè)情況、水資源供需情況預(yù)測(cè)分別如圖3和圖4所示。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是對(duì)信息反饋系統(tǒng)研究的一種分析，它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)、聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的觀點(diǎn)，從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及要素間的相互聯(lián)系和反饋進(jìn)行分析，易于解決社會(huì)系統(tǒng)中存在的反饋、時(shí)滯與非線性問(wèn)題，是研究半定量、趨勢(shì)性問(wèn)題的有效工具[4]。通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，可以動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)出吉林西部水資源的供需狀況。

圖2　系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)圖

表1　2015～2030年吉林西部水資源供需情況預(yù)測(cè)

圖3　吉林省西部主要行業(yè)需水量預(yù)測(cè)

圖4　吉林西部水資源供需情況預(yù)測(cè)

根據(jù)表1及圖3、圖4，每十年作為一大分析階段可知：到2020年，吉林西部人口增長(zhǎng)較快，三個(gè)產(chǎn)業(yè)需水量均增大，其中工業(yè)發(fā)展較為迅速，漲幅最大，但是供水量小于需求量，水資源供需比僅為0.72；到2030年，農(nóng)業(yè)需水量增長(zhǎng)最快，工業(yè)和服務(wù)業(yè)需水量也呈逐漸上漲趨勢(shì)，但是可供水量卻變化不大，因此水資源供需比迅速下降至0.58。

對(duì)上述模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論:

（1）從用水狀況來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水占總量的一半，起主導(dǎo)作用。然而其投入產(chǎn)出比要遠(yuǎn)低于第二、第三產(chǎn)業(yè)，因此需要采取措施保證耕地充足的水資源供應(yīng)。

（2）水資源的供需比對(duì)城市的發(fā)展影響較大。一般情況下，水資源可供量己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的要求。因此，應(yīng)采取可行性措施提高水資源的供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡。

2.2水資源供需分布情況分析

從1975年吉林西部地形圖中提取水系數(shù)據(jù)，從USGS遙感影像網(wǎng)站獲取分辨率為30 m×30 m的1990年和2014年的TM遙感影像，從中提取吉林西部地表水系數(shù)據(jù)及水系分布，如圖5所示。

圖5　吉林西部1975年、1990年和2014年水系分布圖

在ArcGIS 10.1中，為水系圖層制作2 000 m、4 000 m、6 000 m、10 000 m的多環(huán)緩沖區(qū)，將其分別與居民點(diǎn)相交，進(jìn)行景觀格局分析，如圖6所示。

圖6　吉林西部1975年、1990年和2014年地表水系緩沖區(qū)內(nèi)居民點(diǎn)分布圖

從1975年水系緩沖區(qū)的分布圖可以看出，吉林西部水系主要集中在北部區(qū)域，水系稀少，對(duì)居民點(diǎn)的分布沒(méi)有明顯影響，而在1990年和2014年中，超過(guò)60%的居民點(diǎn)與水系的距離在4 000 m以?xún)?nèi)，大于4 000 m時(shí)，隨著離河流距離逐漸增加，農(nóng)村居民點(diǎn)的斑塊數(shù)、斑塊面積和斑塊密度也在不斷的減少，平均斑塊面積呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，平均斑塊指數(shù)表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。這說(shuō)明在1990年～2014年之間，隨著人口的不斷增加，越來(lái)越多的居民點(diǎn)的地理位置的選擇位于距離水系小于4 000 m范圍內(nèi)，而吉林西部地表水系面積卻不斷減少，這將導(dǎo)致吉林西部居民地住宅分布為“空心區(qū)”，即研究區(qū)中部土地空閑，四周居民地密集，土地利用極為不合理。所以為滿(mǎn)足人們對(duì)水量的需求，亟需尋求水資源轉(zhuǎn)移舉措。

3　河湖連通計(jì)劃與預(yù)測(cè)

3.1河湖連通內(nèi)容

河湖水系是由自然演進(jìn)過(guò)程中形成的江、河、湖泊、沼澤、洼淀等水體以及經(jīng)人工改造后形成的水庫(kù)、閘堤、渠系和運(yùn)河等水利工程共同組成的一個(gè)復(fù)雜體系；河湖連通則是在自然力和人力的雙重作用下，人類(lèi)有意識(shí)地改造河湖水系、實(shí)現(xiàn)水資源有效配置的行為[5]。

3.2河湖連通影響

河湖連通計(jì)劃將對(duì)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生很重要的影響。河湖連通能夠有效減輕洪水災(zāi)害，減少水資源過(guò)多地區(qū)因洪水泛濫而產(chǎn)生的損失。同時(shí)，對(duì)水資源缺乏地區(qū)，河湖連通能夠增加水資源供給，不僅使莊稼能夠的到充足的水量供應(yīng)，保證糧食安全，而且使城市居民擁有足夠的生活用水，從而提高系統(tǒng)整體的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

3.3計(jì)劃提供水量

通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)2016～2030年供需水量的模擬結(jié)果推測(cè)出河湖連通計(jì)劃每年要求至少提供的水量如圖7所示。

圖7　河湖連通計(jì)劃每年要求提供的水量

3.4灰色預(yù)測(cè)

3.4.1灰色預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)河湖連通供水量

通過(guò)2013～2015年吉林省西部河湖連通計(jì)劃所提供的水量，運(yùn)用MATLAB預(yù)測(cè)2016～2030年，即未來(lái)15年吉林省西部河湖連通的供水量發(fā)展趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8　河湖連通計(jì)劃每年應(yīng)該提供的水量

3.4.2結(jié)果分析

根據(jù)模擬河湖連通計(jì)劃每年應(yīng)該提供的水量與預(yù)測(cè)出實(shí)際能提供的水量（圖9）進(jìn)行分析：干預(yù)計(jì)劃實(shí)際供水量和要求供水量均呈上漲趨勢(shì)。干預(yù)計(jì)劃實(shí)際供水量上升先慢后快，上升的幅度逐漸加大；而要求干預(yù)計(jì)劃所提供水量上升趨勢(shì)則是先加快后減慢。

2017～2026年，干預(yù)計(jì)劃實(shí)際供水量低于要求干預(yù)計(jì)劃所提供水量吉林西部地區(qū)仍會(huì)面臨水資源短缺的問(wèn)題；而2027～2030年，干預(yù)計(jì)劃實(shí)際供水量將超過(guò)要求干預(yù)計(jì)劃所提供水量，水資源的短缺問(wèn)題得以解決。且通過(guò)預(yù)測(cè)河湖連通實(shí)際供水量的發(fā)展趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，若不考慮干預(yù)計(jì)劃所帶來(lái)的其他影響，在2030年之后，吉林西部將不會(huì)受到水資源短缺的影響。

圖9　要求與實(shí)際水資源供求對(duì)比圖

4　結(jié)論

吉林西部水資源供需矛盾突出，河湖連通能夠較好地解決這一問(wèn)題。將水資源局部轉(zhuǎn)移，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源富裕和不足地區(qū)之間的用水平衡。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型得出計(jì)劃要求所提供水量，并且運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)法對(duì)河湖連通實(shí)際供水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，表明河湖連通計(jì)劃的實(shí)施將使吉林西部于2027年起扭轉(zhuǎn)水資源供不應(yīng)求的情況，是解決吉林西部水資源短缺問(wèn)題的長(zhǎng)遠(yuǎn)之策。

[1]趙鳳琴. 吉林西部土地生態(tài)環(huán)境安全研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2005.

[2]阿依古麗. 吉林西部草地動(dòng)態(tài)變化分析與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)價(jià)[D]. 吉林: 吉林大學(xué), 2009.

[3]宋繼林. 建設(shè)吉林西部河湖連通工程增強(qiáng)地區(qū)水利支撐保障能力[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2014(4): 1-4.

[4]王銀平.天津市水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的研究[D]. 天津: 天津大學(xué),2007.

[5]唐傳利.關(guān)于開(kāi)展河湖連通研究有關(guān)問(wèn)題的探討[J]. 中國(guó)水利, 2011(6): 86-89.

Feasibility Demonstration of the Connectivity of Rivers and Lakes in Western Jilin——based on Prediction and Analysis on Supply and Demand of Water Resources

ZHANG Xin, NIE Jun-yu, LI Jia-wei
(Jilin University, Changchun, Jilin, 130021, China)

The water resource in western Jilin is in great shortage, and the contradiction between supply and demand is outstanding. It is urgent to take measures to alleviate such conditions. As per the basic facts of social economy, topographic features and hydrologic conditions as well as the mathematical and geographical model established by VensimPLE and ArcGIS, the supply and demand of water resources is predicted, the impact of the connectivity of rivers and lakes on the population distribution is analyzed, showing the necessity of its implementation. Then, by using the grey prediction model established by Matlab, the supply and demand of water resources after the implementation of the plan is discussed. The predicted data show that, the water supply will exceed water demand for the first time in the year 2027 provided the implementation of the plan, and their difference will enlarge as time passes, showing that the connectivity of rivers and lakes is a long-term strategy to solve water resources shortage in western Jilin. Key words: Connectivity of Rivers and Lakes; Western Jilin; Grey Prediction; Mathematical Model; Water Shortage

TV213.4

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2095-8412 (2016) 05-917-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.024

張忻(1995-)，女，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院土地資源管理專(zhuān)業(yè)本科生。

聶君宇(1995-)，女，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院資源勘查工程專(zhuān)業(yè)本科生。

李佳薇(1994-)，女，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地理科學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生。