水文资料缺乏地区水资源承载能力研究

秦宇, 罗吉忠, 魏文杰, 姜国珍, 张新华

（1. 黔南州水利水电勘测设计研究院, 贵州 黔南州 558000; 2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院, 四川 成都 610017; 3.四川大学水利水电学院 四川 成都 610065; 4. 四川大学后勤集团, 四川 成都 610065; 5. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川 成都 610065）

水文资料缺乏地区水资源承载能力研究

秦宇1, 罗吉忠2, 魏文杰3, 姜国珍4, 张新华5

（1. 黔南州水利水电勘测设计研究院, 贵州 黔南州 558000; 2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院, 四川 成都 610017; 3.四川大学水利水电学院 四川 成都 610065; 4. 四川大学后勤集团, 四川 成都 610065; 5. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川 成都 610065）

如何解决水文资料缺乏问题一直是水资源承载能力研究中的难点和热点. 本研究以贵州省都匀市为例, 通过构建区域SWAT分布式水文模型模拟该市相关河流长系列径流资料、DPSIR模型选取评价指标和模糊综合评价法的定量计算等一系列手段对都匀市现状及未来的水资源承载能力进行分析和预测. 结果表明都匀市近期的一系列水资源开发举措将提高其水资源的承载能力, 而中期随着水资源开发利用程度的提高, 其承载能力将有所下降, 直至远期趋于平衡. 承载能力评价结果能够为其可持续发展提供决策支持, 保证经济、社会与资源、环境的协调发展.

水文资料缺乏地区; 水资源承载能力; SWAT模型; DPSIR模型; 模糊综合评价法

水资源承载能力一般是指在一定流域或区域内, 其自身的水资源能够持续支持的社会经济发展规模, 并维持良好生态系统的能力[1-2]. 水资源的承载能力将直接作用于区域未来的社会经济发展, 同时对当地的人口规划、经济布局、产业结构和重点发展领域、发展速度等产生深远影响. 目前水资源承载能力计算方法大致可分为PCA、SD法、模糊综合评价和熵模型[3-4]. 模糊综合评价法客服了单因素评价的片面性, 将众多影响因素利用综合评判矩阵联立, 从而得出较全面的评价结果. 由于其影响因素可以涵盖社会、经济、民生、环境等诸多领域,因此其评价结果具有一定的扩展性, 能够对复杂社会情况进行综合阐释[5]. 虽然模糊综合评价法具有综合性强、评价面广、动态开放可操作等特点, 然而由于其对基础数据, 特别是水资源相关数据的要求较高, 制约了部分水文资料缺乏地区的承载能力计算精度. 正是由于部分地区水文资料缺乏致使无法摸清区域水资源现状及分布,从而出现水资源过度开发破坏生态环境或水资源利用保守经济发展受制等情况. 如何解决地区水资源资料缺乏的问题, 构建科学适用、结果可靠的水资源承载能力评价模型, 成为许多学者关心的问题. 本研究以都匀市为例,以SWAT分布式水文模型模拟结果为数据基础, 引入DPSIR模型构建评价指标体系以及采用模糊综合评价法全面客观地计算分析该地区水资源承载能力及发展趋势, 旨在判断经济发展与资源环境是否平衡发展.

1 研究区背景

都匀市位于贵州省南部偏东, 苗岭山脉南侧, 距省会城市贵阳高速公路里程150km. 东与丹寨、三都相连,南与独山、平塘接壤, 西与贵定相邻, 北与麻江交界. 都匀市属中低山山原地貌类型, 地形起伏较大, 高差较为明显, 地势西高东低, 北高南低, 平均海拔高度800～1200m, 相对高差1421m. 土地总面积2274km2, 以山地、丘陵为主, 喀斯特地貌分布较广. 都匀市地处中亚热带季风湿润气候区, 雨量充沛, 水资源总量较丰富. 但受地形和气候差异影响, 降雨量在地区分布和年内分配变化较大. 全市多年平均降雨量1385mm, 地区变化在1260～1450mm, 总体呈自北向南递减, 雨量随海拔高程的上升而增多, 山地大于河谷. 都匀市属开发型缺水, 09年以来的干旱及水资源利用程度不足使其规划的经济开发区建设及跨越式发展出现瓶颈, 然而由于水文资料缺乏,无法合理规划其水资源配臵. 因此建立分布式水文模型模拟区域水资源现状, 研究水资源利用趋势及承载能力,建立符合区域实际的水资源承载能力评价模型, 制定科学合理的水资源开发利用方案, 使其经济与自然协调发展, 意义十分重大.

2 模型及方法介绍

2.1 SWAT分布式水文模型

SWAT模型是由美国农业部农业研究服务中心开发的具有较强物理机理的分布式水文模型, 其适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂流域[6]. SWAT模型可以模拟和预测气候变化、土地管理方式等对流域水量、水质方面的影响. SWAT模型可以运用研究区域的数字高程图将其分解为以河道作为水力联系的子流域, 而子流域又可以根据土地利用状况和土壤分布进一步细分为水文响应单元（HRU）. 在SWAT模型内还可以根据不同的需要添加水库、池塘等工程进行模拟, 同时也能在资料相对缺乏的地区建模. 目前, 许多学者运用SWAT模型进行水文水资源的探究, 在美国、加拿大、欧洲等地区已被广泛地应用并得到不断的完善.通过对水文资料缺乏地区进行径流模拟, 能够得到精度合理的区域水资源状况, 为水资源承载能力计算提供基础数据.

构建SWAT模型具体步骤为: ①数据的搜集和整理. 数据包括空间数据和水文气象数据. 空间数据主要为目标流域的DEM（数字高程图）、土地利用图、土壤分布图等, 水文气象数据包含研究流域范围内或附近具有代表性的雨量站点和气象站点的逐日实测数据, 如降水、气温、相对湿度、风速和日照时数等. 雨量站和气象站选取的数量和分布位臵对模型模拟结果也会产生一定的影响. ②水文响应单元划分. SWAT模型根据DEM高程数据划分子流域和提取水系, 然后在每个子流域内按照土地利用图和土壤分布图划分多个水文响应单元（HRU）. ③模型参数率定. SWAT模型拥有大量参数设臵, 通过模型的模拟值和实测值的对比分析从而不断调整相关参数, 最终达到较高的模拟精度.

2.2 基于DPSIR模型的水资源承载能力评价指标体系

区域水资源承载力指标的选择需要从人类社会经济系统和自然生态系统作用的机理和过程来考虑, 因此针对都匀市研究区的特点, 我们构建了基于“DPSIR”驱动力(Driving force)-压力(Pressure)-状态(State)-影响(Impact)-响应(Response)的区域水资源承载力评价指标体系[7]. “DPSIR”流域水生态承载力评价指标体系从人类社会经济系统入手, 以人口规模和经济发展等为驱动力, 产生用水需求和废水排放方面的压力, 压力作用于水生生态系统和陆地生态系统, 同时压力将改变生态系统原本的状态, 并且通过栖息地环境的特征和水质参数来表征其状态, 然而状态的改变将进一步对人类社会产生不同程度的影响. 针对不良影响, 人类会相应地采取社会、经济和技术方面的措施进行改善, 最后通过调控人类社会经济系统中的人口和经济发展的规模和结构以及对响应措施的进一步完善和提高, 实现对状态的调控, 从而达到人类社会经济系统与自然生态系统的可持续发展, 使得区域水资源系统处于可承载状态.

2.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法的具体过程为根据已经确定的评价指标体系, 评价指标分级同时计算其权重, 在单因素评价的基础上构建综合评判矩阵并对区域水资源承载能力进行评价[8-10]. 模糊综合评价法步骤包括: ①利用层次分析法进行指标权重计算; ②评价指标分级; ③隶属度函数的确定; ④综合评价分析, 具体计算步骤见文献[10-11].

3 模型应用

3.1 SWAT模型模拟结果

水文资料缺乏一直是水资源承载能力分析的热点和难点. 由于都匀市境内文峰塔水文站停测所导致径流数据缺失, 从而导致都匀市地表水资源量和生态需水量难以计算, 而在后续评价中将直接影响到人均水资源量和生态环境用水比例两个重要指标的确定. SWAT分布式水文模型可以根据降雨等气象数据和土地利用、土壤等地理数据模拟流域产汇流过程, 从而较为精确地得出河道的径流量, 为后续的评价工作奠定数据基础.

本文针对都匀下游的下司水文站（该站具有长系列连续实测径流资料）进行模拟. 在SWAT模型运行初期,模型给土壤含水量的初始值一般赋值为零, 这对模型模拟结果影响很大, 因此将模拟初期作为SWAT模型运行的预热阶段. 本次研究以1974—1977年为预热期, 1978—1993年为校准期, 1994—2003年为验证期. SWAT模型的模拟流量和实测流量的对比关系见图1和2.

图1 下司站1978—1993年月径流量模拟值与实测值对比图Fig.1 The comparison chart for simulation and measured values of runoff of Xiasi Station, for 1978-1993

图2 下司站1994—2003年月径流量模拟值与实测值对比图Fig.2 The comparison chart for simulation and measured values of runoff of Xiasi Station, for 1994-2003

SWAT模型模拟精度的高低可以由评价函数来判定, 常用的评价函数有三种, 即相对误差Re、相关系数R2和Nash-Suttcliffe系数Ens. 一般认为, 当R2> 0.6 和Ens> 0.5时, 模型模拟结果可以接受. 由表1可以看出SWAT模型对都匀市的径流模拟效果良好.

表1 SWAT模型模拟值和实测值对比精度Tab.1 The accuracy of SWAT model simulation values Compare to measured values

通过下司水文站的资料分析出不同保证率的径流情况, 再运用率定后的SWAT模型可以输出所需不同保证率下的月均径流值. 对SWAT模型输出结果的进一步分析可计算出平均地表水资源量为14.43亿m3, 这与调查资料中都匀市地表水资源量14.75亿m3非常接近, 进一步证明了模型的可用性, 从而解决了文峰塔水文站停止测流致使都匀市地表水资源量难以计算的问题. 至此, 通过构建SWAT模型得到了所需河流的径流数据, 为之后的水资源承载能力计算和评估提供了数据支撑.

3.2 承载能力评价结果

区域水资源承载能力模型的构建需要确定其评价指标体系, 人口、经济及环境的组合是个复杂的系统, 如何从中选取具有代表性的指标, 来描述三者共同作用对水资源承载能力的影响是众多学者关心的问题. 蔡安乐等采用净灌溉定额、工业万元产值耗水量、人均日用水量等指标, 对社会行业用水结构进行了模拟评价[13]. 夏军、朱一中等采用人均水资源、水资源利用率、人均用水量等指标, 对西北地区水资源承载能力进行了模拟研究[14].本研究遵循科学性、层次性、动态性、可操作性及区域性的原则, 在搜集的都匀市现有资料及构建SWAT水文模型的基础上, 运用DPSIR模型选取指标, 其中编号1-14的指标数据可以根据搜集到的社会、经济、工程规划和水质等方面的资料并结合SWAT模型计算结果来确定. 编号15为生态环境用水比例, 生态环境用水量的计算方法目前种类繁多, 本研究采用7Q10法进行估算[14]. 具体指标及分值见表2. 再采用模糊综合评价法对选取的评价指标进行计算, 最终分析出都匀市水资源系统承载能力的现状及未来发展趋势.

表2 都匀市水资源承载能力评价指标体系及分值Tab.2 The evaluation indicators system and scores of water resources carrying capacity of DuYun city

运用本文所构建的模型计算得到都匀市2010年～2030年水资源承载力最终评判结果, 见表3. 为了定量地反映各等级水资源承载力状态, 对评判集等级百分制数量化, 分值越高, 水资源系统承载力越强. 水资源系统承载能力评价等级划分见表4.

表3 都匀市水资源承载能力评价结果Tab.3 Results of Water resources carrying capacity evaluation of DuYun city

表4 都匀市水资源系统承载力评价等级划分Tab.4 Classification of water resources carrying capacity evaluation of DuYun

结合表3和表4可以看出, 都匀市2010年现状年的承载能力达到较强的标准, 但仍有较大的上升空间和开发余力, 由于水资源开发利用程度不高导致水资源供需矛盾突出, 限制了其发展, 需要采取一定的政策和措施;而近期的一系列水资源开发举措将明显提升其承载能力, 因此2010～2015年间, 由于新增水利工程及节水治污双管齐下, 供水能力得到了较大的提高, 承载能力有所增强; 2015～2020年间, 其承载能力出现一定程度的下降是由于水资源开发利用程度已经较高, 开发潜力下降所致; 2020～2030年为远景年, 都匀市水资源的供给将与其经济社会发展相协调, 达到资源与环境的平衡. 纵观2010年至2030年都匀市的发展规划, 其承载能力均达到了较强的状态, 在保证生态环境的基础上开源节流, 采取兴建水利与节约用水并行, 改善生活水平与改善生态环境共进的发展方式, 从而达到可持续发展的状态.

4 结论

水文资料作为基础数据, 在区域水资源承载能力计算中起着重要的作用. 在水文资料缺乏地区通过构建SWAT分布式水文模型的方式模拟径流状况, 并与调查统计资料相结合对区域水资源承载能力进行评价, 计算便捷, 方法可行, 有效的解决了基础资料不齐的问题; DPSIR模型的选用则丰富了评价指标的可选范围; 模糊综合评价法充分发挥了自身优势, 全面考虑了各个评价指标对水资源承载能力状况的重要程度, 使得评价结果更加可信; 其评价结果对实施水资源利用“三条红线”也有一定的参考意义.

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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, 汉族, 重庆人, 高级工程师, 研究方向: 水利工程设计、管理与研究. E-mail:qnsdsj@126.com.

张新华(1965-), 男, 四川资中人, 教授, 研究方向: 水力学及河流动力学、水环境. E-mail:xhzhang@scu.edu.cn.

国家科技重大水专项(2009ZX07104-001); 国家自然科学基金(51379137); 贵州省水利科技项目及四川大学水力学与山区河流开发保护重点实验室自主项目.