基于ET的水資源綜合管理規(guī)劃研究
——以山西省介休市為例

(山西省水利水電科學(xué)研究院， 山西 太原　030002)

基于蒸發(fā)蒸騰量(ET)的水資源管理理念是在世行全球環(huán)境基金(GEF)海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目中首次提出的?；贓T的水資源規(guī)劃是根據(jù)水資源供給情況來確定水資源的需求量[1]。在2001～2005年世行貸款節(jié)水灌溉項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，提出以“真實(shí)節(jié)水”為手段，通過ET管理即采取工程[2-3]、農(nóng)業(yè)和管理等綜合節(jié)水措施，把節(jié)水灌溉項(xiàng)目區(qū)的耗水量控制在包括降水在內(nèi)的水資源許可范圍內(nèi), 使無效ET得以大幅降低，實(shí)現(xiàn)了水資源供耗平衡，達(dá)到項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收和水資源可持續(xù)利用的目標(biāo)[4-7]。因此，在水資源日益匱乏的情況下，立足于水循環(huán)全過程，實(shí)施“真實(shí)節(jié)水”，深入開展以區(qū)域ET管理為核心的水資源需求管理，既是對水資源可持續(xù)利用的保障，也是對傳統(tǒng)水資源管理必要的補(bǔ)充[8]。

隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，供水量也隨之增長，而耗水量卻未得到相應(yīng)控制，在區(qū)域水資源可利用量有限的情況下，為滿足社會(huì)發(fā)展的需要，開始超采地下水，由此引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。以往通過工程措施而產(chǎn)生的節(jié)水效果主要是減少了取用水量的工程節(jié)水，并未能真正解決水資源緊缺問題。因此，在資源型缺水地區(qū)提出貫徹執(zhí)行資源型節(jié)水觀念與措施，將先進(jìn)的ET管理理念應(yīng)用于水資源規(guī)劃管理中[9-10]，對推進(jìn)此類地區(qū)的水資源可持續(xù)利用具有重要意義。以山西省介休市為例，在其水資源日益短缺的情況下，提高水資源利用效率，采用以供定需的模式制定合理的節(jié)水措施，從而達(dá)到目標(biāo)ET值，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1　研究區(qū)概況

介休市位于山西省中部，晉中盆地南端，汾河?xùn)|岸。境內(nèi)東南部山巒起伏，溝壑縱橫，西北部地勢平坦，土地肥沃。市轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積744 km2。屬大陸性氣候，多年平均降水量497.9 mm，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)河流均屬黃河流域汾河水系，主要有汾河、龍鳳河、樊王河、興地河等。汾河為最大河流，除興地河常年有清水流量外，其余支流均屬季節(jié)性河流。

煤礦是當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)，主要分布在西部的義棠、綿山及東部的張?zhí)m、連福4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。根據(jù)晉中市二次水資源評(píng)價(jià)，介休市多年(1980～2000年)平均水資源總量為9 720萬m3，人均擁有水資源量為220 m3，是全國的 11.0%，全省的 55.4%，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。20世紀(jì)80年代中期以來，由于地下水的嚴(yán)重超采，導(dǎo)致洪山泉泉水?dāng)嗔?，城關(guān)-宋古漏斗區(qū)向縱深發(fā)展加劇。

2　模型構(gòu)建

2.1　模型選定

水文模型對流域水文過程及水資源狀況的模擬都需要流域的實(shí)測水文、氣象資料作為研究基礎(chǔ)，確定水文模型數(shù)學(xué)方程的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的取值范圍。然而由于水文站點(diǎn)及氣象站點(diǎn)布設(shè)對人力、財(cái)力、物力及技術(shù)的高要求，使得基礎(chǔ)資料的獲取難度增大。為了利用僅有的資料對介休市水資源狀況進(jìn)行模擬，該研究以分布式時(shí)變增益模型(DTVGM)為基礎(chǔ)，改進(jìn)了SWAT產(chǎn)流部分和水循環(huán)的參數(shù)化機(jī)制。主要是對流量參數(shù)水量平衡系數(shù)(WB)的率定，并用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)和相關(guān)系數(shù)(R) 來評(píng)估模型在率定過程中的模擬結(jié)果。模型的率定就是尋求使模型的模擬值與對應(yīng)實(shí)測值盡可能一致的參數(shù)。文中采用SWAT-CUP軟件自帶的SUFI-2模塊進(jìn)行參數(shù)的自動(dòng)率定。

DTVGM的特點(diǎn)在于將集總式TVGM水文非線性系統(tǒng)模擬通過DEM平臺(tái)，結(jié)合子流域水文模擬，推算分布式流域水循環(huán)模擬。該模型具有分布式水文概念性模擬的特征和水文系統(tǒng)分析適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在水文資料信息不完全或者不確定性干擾條件下完成分布式水文模擬與分析，是水文非線性系統(tǒng)方法與分布式水文模擬的一種結(jié)合。DTVGM子流域產(chǎn)流模型如下

R(t)=Gs(t)X(t)+Gg(t)API(t)

(1)

DTVGM子流域匯流模型為

Qg2=Rg(1-KKG)U+Qg1KKG

(2)

式中，Gs為流域的產(chǎn)流系數(shù)(0≤G(t)≤1.0)；X(t)為實(shí)際降雨過程；API為流域土壤前期影響雨量；Qg為出流量；Rg為地表產(chǎn)流過程；KKG為確定線性水庫參數(shù)；U為折算系數(shù)。

2.2　數(shù)據(jù)庫

汾河流域汾河二壩-義棠之間流域改進(jìn)后的SWAT模型構(gòu)建采用的空間數(shù)據(jù)包括DEM、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)。選用的空間數(shù)據(jù)均采用Krasovsky橢球體，Albers等積圓錐投影，使其可以在同一坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)疊加分析和模擬計(jì)算。土地利用圖和土壤類型圖均轉(zhuǎn)換為與數(shù)字高程模型(DEM)具有同樣?xùn)鸥翊笮〉腉rid格式。結(jié)合改進(jìn)后的SWAT模型結(jié)構(gòu)，僅需收齊雨量數(shù)據(jù)和水文站點(diǎn)的實(shí)測逐日流量數(shù)據(jù)，按照模型要求建立了各項(xiàng)數(shù)據(jù)庫。

2.3　子流域劃分

DEM是對地形地貌離散狀況的數(shù)字表達(dá)，也是進(jìn)行水系生成、子流域劃分、水文過程模擬的基礎(chǔ)。在Arcgis界面下選擇40 000 hm2為臨界集水面積，通過對DEM圖的處理計(jì)算，將義棠以上流域劃分為36個(gè)子流域，其中的兩個(gè)子流域涵蓋了整個(gè)介休市。

2.4　模型參數(shù)率定

模型參數(shù)的率定是使模型的模擬值與對應(yīng)實(shí)測值盡可能一致，計(jì)算結(jié)果可比較真實(shí)地反映實(shí)際情況?？紤]到SWAT模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，土壤、土地利用、植被覆蓋屬性等參數(shù)主要結(jié)合SWAT模型自帶的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)值確定；輸入各分區(qū)的水資源數(shù)據(jù)，并根據(jù)介休市的實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)率定。而流量參數(shù)的優(yōu)選采用自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合的方法。

SWAT模型參數(shù)眾多，總體可以分為兩類。第一類可根據(jù)參數(shù)的物理意義直接標(biāo)定，如土壤物理屬性參數(shù)、土地利用、植被覆蓋屬性參數(shù)的取值主要結(jié)合SWAT模型自帶的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)值確定[11]。本文側(cè)重于流域的徑流模擬研究，因而第二類參數(shù)主要是流量參數(shù)的率定?？紤]到SWAT模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文采用自動(dòng)優(yōu)選和手動(dòng)優(yōu)選相結(jié)合的方法優(yōu)選第二類參數(shù)。該研究針對產(chǎn)流參數(shù)采用3個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，分別是WB、NSE和R。采用SCE-UA智能算法并基于棠控制站1981～2003年月徑流量多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)后SWAT模型的率定。

2個(gè)子流域內(nèi)改進(jìn)后的SWAT模型的產(chǎn)流參數(shù)依托DTVGM分布式時(shí)變增益模型的產(chǎn)流機(jī)制，以義棠站實(shí)測流量進(jìn)行參數(shù)率定。采用智能優(yōu)化算法，以義棠站(1981～2003年)月徑流量為多目標(biāo)函數(shù)，采用改進(jìn)后SWAT模型的產(chǎn)匯流過程中的產(chǎn)流模型對參數(shù)、地下產(chǎn)流系數(shù)參數(shù)進(jìn)行率定，區(qū)間流域率定出的參數(shù)即為子流域的產(chǎn)流參數(shù)，可直接用來進(jìn)行介休市地表水資源狀況的模擬。模擬結(jié)果為：NSE效率系數(shù)為0.863，R為 0.952，WB為1.01，所率定改進(jìn)后的SWAT模型在汾河二壩-義棠區(qū)間流域的適用性良好。

2.5　SWAT模型模擬結(jié)果

選取義棠控制站1981～2003年、2004～2013年分別作為SWAT模型的率定期與檢驗(yàn)期，依次為 0.863、0.659，模擬值和實(shí)測值的R各為 0.95、0.85。

汾河二壩-義棠之間流域整個(gè)模擬期(1981～2013年)的SWAT模型模擬的徑流結(jié)果表明，NSE為 0.842，R為 0.931，因此，所構(gòu)建的SWAT模型適用性良好。

3　水資源概況

3.1　水資源分區(qū)

根據(jù)介休市水文地質(zhì)條件以及地下水補(bǔ)排關(guān)系，將其分為3個(gè)水資源區(qū)，分別是丘陵區(qū)隱伏巖溶水系統(tǒng)即城關(guān)-宋古地下水漏斗區(qū)、洪山泉巖溶水系統(tǒng)以及第四系孔隙水(興地河巖溶水)系統(tǒng)區(qū)，見表1。

表1　介休市水資源分區(qū)

根據(jù)地下水分區(qū)系統(tǒng)，若將地表水利用量保持在2012年水平，地下水水資源量看作為可供水量，則根據(jù)水資源分區(qū)的需水量情況和現(xiàn)狀條件，洪山泉巖溶水以及丘陵區(qū)隱伏巖溶水系統(tǒng)的地下水均存在一定的虧缺，說明這兩個(gè)水資源分區(qū)內(nèi)水資源量難以維持持續(xù)的用水需求。第四系孔隙水系統(tǒng)在平水年其水資源量可以滿足該地區(qū)的用水需求，但是由于該區(qū)水資源主要依靠地下水系統(tǒng)進(jìn)行豐、枯水年調(diào)節(jié)，水資源開發(fā)利用程度較低，具有一定的開發(fā)利用潛力。

3.2　水資源量

根據(jù)晉中市水資源公報(bào)，介休市2012年水資源總量為7 454萬m3，其中地表水資源量2 521萬m3，地下水資源量5 311萬m3，重復(fù)計(jì)算量378萬m3。另外，P=50%和P=75%水文年的水資源量見表2。

供水結(jié)構(gòu)中，2012年水利工程供水量為9 055萬m3。其中，地表供水2 410萬m3，占總供水量的27%；地下水6 645萬m3(90%來自于洪山泉區(qū)和漏斗區(qū))，中水利用量150萬m3。通過對不同行業(yè)用水、耗水、排水現(xiàn)狀分析，可以看出，農(nóng)業(yè)灌溉用水、耗水量最大，其次是煤礦與其他工業(yè)組成的工業(yè)用水量以及農(nóng)村生活的耗水量(見表3)，因此要控制和減少總用水量以及降低耗水量，改進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉方式、煤礦用水工藝，增加工業(yè)和生活污水中水回用尤為重要。

表2　不同水文年水資源量　萬m3

表3　各行業(yè)用水、耗水及排水現(xiàn)狀　萬m3

4　ET值的確定

現(xiàn)狀ET和目標(biāo)ET均采用水量平衡法和模型模擬法計(jì)算。

(1)水量平衡法。水量平衡方程：

ET=P+(Is+Ig)-(Ws+Wg)-(Os+Og)

(3)

式中，P為區(qū)域內(nèi)年降水量，萬m3；Is和Ig為地表水、地下水年入境流量，萬m3；Ws和Wg為年內(nèi)區(qū)域各種地表水和地下水儲(chǔ)量的變化量，萬m3；ET為年蒸發(fā)蒸騰量，萬m3；Os和Og為地表水、地下水年出境流量，萬m3。

(2)模型模擬法?；贓T的水資源管理研究中， 分為自然ET和社會(huì)ET。社會(huì)ET是指在水資源利用中損耗的水量，主要包括農(nóng)業(yè)灌溉、生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共和生態(tài)5個(gè)部分。其中：自然ET由SWAT模型模擬計(jì)算；社會(huì)ET是結(jié)合各部門和行業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水情況求得不同水文年型下的ET值。

4.1　現(xiàn)狀ET

現(xiàn)狀ET指現(xiàn)狀條件下實(shí)際發(fā)生的區(qū)域蒸散發(fā)的總和。

(1)水量平衡法。項(xiàng)目區(qū)流域面積為744 km2，無大型調(diào)蓄水利工程，地表水調(diào)蓄能力較小，所以Ws=0；地下水補(bǔ)給主要由降水和河川徑流側(cè)向補(bǔ)給，通過有限的地下水補(bǔ)排關(guān)系分析，Og-Os近似為零；Os-Is主要由降水徑流構(gòu)成，即為地表徑流量；WG根據(jù)漏斗區(qū)演變和介休市水資源配置規(guī)劃(2004年)報(bào)告及相關(guān)研究資料綜合給出為704萬m3/a。由于缺乏地下水開采和補(bǔ)給數(shù)據(jù)，P= 50%地下水儲(chǔ)量負(fù)均衡值近似為704萬m3/a。P=75%是采用多年平均負(fù)均衡值704萬m3/a加上了農(nóng)業(yè)灌溉增加的耗水量為2 136萬m3， 值見表4。

表4　水量平衡法估算的ET值

表5　自然和社會(huì)分項(xiàng)ET值

表6　基于水量平衡法估算的目標(biāo)ET值

(2)模型模擬法。經(jīng)計(jì)算，2012年ET值為482 mm，與P=50%的ET值484 mm接近，其中有412 mm為自然環(huán)境所消耗，為不可控ET，作為規(guī)劃水文年的本底值考慮；剩余的70 mm為社會(huì)ET，是通過農(nóng)業(yè)灌溉、產(chǎn)品生產(chǎn)等增加的蒸騰蒸發(fā)和消耗的水量，約占實(shí)際總ET的14%，同樣P=50%和P=75%的 值見表5。

水量平衡法和模型模擬法計(jì)算出的ET非常接近，因此，采用二者的平均值作為各水文年的實(shí)際ET。

4.2　目標(biāo)ET

目標(biāo)ET是指在一個(gè)特定發(fā)展階段的流域或區(qū)域內(nèi)，以其水資源條件為基礎(chǔ)，以生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為約束，滿足經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好發(fā)展與和諧社會(huì)建設(shè)要求的可消耗水量。

(1)水量平衡法。主要從區(qū)域整體角度出發(fā)，依據(jù)水循環(huán)原理，推求目標(biāo)ET?，F(xiàn)狀條件下項(xiàng)目區(qū)地下水仍然處于超采狀況，地下水漏斗和洪山泉出流也將難以恢復(fù)，從逐步穩(wěn)定和恢復(fù)項(xiàng)目區(qū)地下水位出發(fā)，提出了2020年和2030年2種水文年型的地下水均衡值。2020年優(yōu)先考慮從第四系孔隙水水資源分區(qū)(興地河區(qū))向丘陵隱伏巖溶地下水系統(tǒng)(城關(guān)-宋古漏斗區(qū))補(bǔ)水400萬m3/a，計(jì)算出P為50%和75% 水文年的目標(biāo)ET分別為 473.5 mm和417.4 mm；2030年在調(diào)水優(yōu)先滿足生活和工業(yè)用水的情況下，從外流域調(diào)水量為1000萬m3，目標(biāo)ET分別為 472.1 mm和 414.7 mm，地下水漏斗區(qū)和恢復(fù)洪山泉區(qū)到天然狀態(tài)下約需18 a(見圖6)。

(2)模型模擬法。項(xiàng)目區(qū)的自然ET是利用分布式水文模型計(jì)算，遙感監(jiān)測模型校核。由于土地利用類型變化總體不大，計(jì)算出不同規(guī)劃年的自然ET相同；在考慮項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合其社會(huì)發(fā)展情況，分別計(jì)算出各行業(yè)規(guī)劃年的社會(huì)ET值，見表7。

5　供需水預(yù)測

5.1　供水預(yù)測

以“節(jié)水優(yōu)先，高效用水，適當(dāng)調(diào)水(優(yōu)先境內(nèi)調(diào)水)”為總體思路。

境內(nèi)調(diào)水預(yù)計(jì)通過世行貸款節(jié)水灌溉二期項(xiàng)目新建的興地河橡膠壩工程每年可向丘陵隱伏巖溶水系統(tǒng)供水400萬m3；外流域調(diào)水主要有東山供水和中部引黃工程，其中：東山調(diào)水工程可供水量為3 000萬m3，中部引黃2020年供水量為1 346萬m3，2030年達(dá)到1 840萬m3。

5.2　需水預(yù)測

需水預(yù)測包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、城鎮(zhèn)公共及生態(tài)需水5個(gè)部分，均采用定額法。其中各行業(yè)的需水量、耗水量見表8～11。

表7　不同水文年的目標(biāo)ET值　mm

表8　規(guī)劃年不同節(jié)水方案農(nóng)業(yè)灌溉總需水量及耗水量　萬m3

注：低、中、高節(jié)水方案為節(jié)水灌溉面積分別占總灌溉總面積的比例。

表9　規(guī)劃年不同節(jié)水方案工業(yè)需水量和耗水量 　萬m3

注：煤礦低、中、高節(jié)水代表節(jié)水工藝改造達(dá)到的比例；其他工業(yè)的低、高節(jié)水指耗水系數(shù)，2020年、2030年分別為0.2和0.18。

表10　規(guī)劃年不同節(jié)水方案居民生活需水量及耗水量　萬m3

注：高、低節(jié)水方案中城鎮(zhèn)節(jié)水器具的可節(jié)約水量分別占總用水量的比例。

表12 推薦方案各鄉(xiāng)鎮(zhèn)需水量及社會(huì)ET值

表11　規(guī)劃年城鎮(zhèn)公共、生態(tài)需水量及耗水量　萬m3

5.3　方案優(yōu)選及分配

在供需水預(yù)測基礎(chǔ)上，設(shè)置不同規(guī)劃情景條件下的各行業(yè)節(jié)水方案，并對其進(jìn)行方案組合，將農(nóng)業(yè)高、中、低節(jié)水作為方案集的主要類別得到了36種水資源規(guī)劃方案的初始集。通過方案優(yōu)選，結(jié)合介政函[2015]54號(hào)文件要求，提出2020年和2030年P(guān)=50%、P=75%水文年的推薦方案，即農(nóng)業(yè)中節(jié)水、工業(yè)和生活均為高節(jié)水，據(jù)此推薦方案各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需水量與ET進(jìn)行分配，作為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)需水總量分配和用水效率考核的依據(jù)，見表12。

為確保規(guī)劃順利實(shí)施，應(yīng)建立健全各級(jí)水資源保護(hù)管理機(jī)構(gòu)，制定基于ET管理的水權(quán)制度，強(qiáng)化水資源管理體系，實(shí)現(xiàn)需水總量(9 500萬m3)和地下水凈利用量(5 000萬m3)及目標(biāo)ET的控制目標(biāo)，達(dá)到洪山泉區(qū)和漏斗區(qū)的地下水位在2020年不降低、2030年逐漸回升的目標(biāo)。

6　結(jié)　語

(1)通過基于水量平衡的“自上而下”方法和基于各分項(xiàng)目標(biāo)ET方法確定了介休市2020年和2030年的目標(biāo)ET，并經(jīng)過多次調(diào)整，提出了適合介休市實(shí)際的目標(biāo)ET值，實(shí)現(xiàn)介休市用水總量和地下水凈利用量及目標(biāo)ET的控制目標(biāo)，達(dá)到洪山泉區(qū)和漏斗區(qū)的地下水位在2020年不降低、2030年逐漸回升的目標(biāo)；

(2)對介休市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需水和耗水情況進(jìn)行了進(jìn)一步分析，給出了2020年和2030年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需水量和耗水量，可為介休市水資源配置和基于遙感的耗水管理奠定基礎(chǔ)。

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