约旦扎卡河流域水资源管理的参与性优化方案

[] M.W.

1 研究背景

要实现干旱地区水资源的可持续管理，同时又能满足社会、经济和环境的要求，需要一整套复杂的跨学科方法体系，以及因地制宜、多方参与的综合措施。让当地社区和利益相关者参与到水资源管理中的做法已经得到广泛认可。科研人员、政策决策者以及公众一起参与水资源综合管理的方案规划，可以加强调查研究和政策制定之间的联系。

约旦水资源非常稀缺，是供水压力最大的国家。由于缺水，已经严重威胁到其经济增长、社会凝聚和政治稳定。由于资源稀缺，各领域和各部门供水日趋紧张，用水冲突日益明显。扎卡河流域面临着干旱、年降水量不稳、城镇化人口增长以及水质恶化等问题。

扎卡河是约旦仅次于雅莫科河的第二大河，流域面积4 120 km2，其中，约95%在约旦境内，5%在叙利亚境内。该流域从海拔1 460 m的叙利亚的塞勒海德市绵延至安曼南部，最后向西汇流，注入海拔-350 m的约旦河。该流域是西部半干旱高原区和东部干旱区的过渡区，年降雨量从西北部的超过500 mm，到东部的平均降水量为280 mm，甚至部分地区的年降雨量小于100 mm。扎卡河的河水径流量由塔拉勒国王大坝水库调蓄。流域内水系复杂，且流域内的用水源于地表水、地下水、淡盐水和再生水，或水库存储的灌溉用水。水系具有跨流域调水的特性。

以扎卡河流域为例，对可持续的水资源管理优化方案开展研究，以研究和优化约旦境内重要流域的水资源，研制一种能与利益相关者密切合作、创新的水资源管理方法。该研究项目旨在通过应用建模工具，即水资源模型基准和对方案实施优化来提高效率。

2 水资源模型

水资源模型是WaterWare系统的核心部件之一。WaterWare是一种基于模型的用于水资源管理的信息和决策支持系统。该系统的设计支持实施欧盟水框架指令或类似的国家立法，并已开发了包括约旦扎卡河流域在内的一系列应用程序。

为了能长时间模拟流域，将流域描述为一个具有节点和河段的系统。节点代表河流系统不同部分的水源(比如良田、泉水、子流域)需求点，如农业灌溉区、城市、水库以及调蓄设施，它是天然河道或人工渠道的河段连接点。水资源模型可以长年计算节点每天的需求量和供应量。成本包括供应量、耗损、洪水条件等所有要素；效益来自于满足客户的需求，包括环境需求(如湿地)，或者航道、娱乐或生态系统可持续性的低流量限制需求。

在以往的研究中，也有人应用过水资源模型来研究扎卡河流域。

用于扎卡河流域水资源模型的标准设置如下。

(1) 供应/需求比。表示供需比，若需求得到完全满足，可达最高值1。

(2) 供应的可靠性(%)。表示所有满足需求的节点和时间的比例。

(3) 未分配率(%)。表示在节点(水库、改道、控制节点)未分配的水量比。

(4) 缺水率。表示总需水量中缺少的水，计算方法是将整个时段所有水库、需水量、引水量、补给量以及控制节点的水量相加。缺水量用总需水量的百分比表示。

(5) 含量变化率。表示水资源价值的变化，为当前水模拟年的初始状态百分比。

(6) 洪水天数。表示洪水淹水天数。

(7) 经济效益。表示单位可用水量/提供水量的总效益。

(8) 效益/成本。是所有效益除以所有成本。

(9) 净利润。总效益减去总成本，人均。

(10) 总效益。总效益，人均。

(11) 总成本。总成本，人均。

(12) 水费。是指每立方米水的总成本。

任一年的数据都可以导入水资源模型进行分析。因2001/2002年是平水年，且降水分配合理，所以取其作为基准水文年。此外，所有与地下水和水井开采相关的数据可实行日提取，至于计量站的其他洪水记录数据、计量数据、处理厂的进水和出水数据也可以实现日取。

杰拉什桥(径流测量)水文测量站是最基本的功能节点，在这里，可以将水资源模型的流量计算结果与实际数据进行对比，以验证模型的准确性。此外，考虑到日进水量可以与下水道排放量进行对比，选择的一家污水处理厂(WWTP)可被视为一个控制节点。

由于流域水系中包含了污水处理厂直接排入河流的水，且流域内5个不同流域(阿兹拉克、瓦拉、拉约、斯瓦卡和扎伊流域)相互调水，导致流域水资源供需系统非常复杂。除了约旦峡谷的地表水以外，大部分的地下水被抽调用于家庭。此外，流域内大多数的地表水，包括污水处理厂下泄的水，都存储在水库中，以便为中央约旦河谷提供灌溉用水。

3 利益相关者的作用

参与完成的优化过程分为2个阶段。

(1) 第一阶段是代表个人的利益相关者，通过电子邮件和问卷调查来参与讨论流域的水问题；

(2) 第二阶段，上述的个人、指导委员会成员和项目人员被邀请参与利益相关者讨论会。

主要利益相关者包括：水和灌溉部、约旦河流域管理局、农民协会、环境部，以及农业部、内政部、民间组织、约旦河谷和扎卡河流域高原地区的产业及农民个人。会议旨在向与会者介绍基准方案，并确定主要问题。此外，从利益相关者角度提前输入未来的方案和优化过程。为了建立基于未来目标的最优方案，利益相关者要从上述标准中选择适当的约束条件，确定一套措施(可能需要调解)。

优化方案与水资源模型相关，并基于整个流域的数据(流域基准方案结构)作为一组约束条件和一套措施。约束条件可用来描述优化方案目标，优先多准则方法的第一步是满足主要目标，即满足约束条件，找到一个或多个可行的方法。方法是对于获取最优方案，或最优决策空间的可选方法。可选方法可定义网络结构中任何或所有节点的行为。约束条件和措施可以实现灵活的启发式搜索策略。

本文基于基准方案，确定和实施了扎卡河流域的优化方案。此外，扎卡河流域的利益相关者参与了该过程的各个阶段，特别是在优化研究过程中。

(1) 对获取基本水文、地形和人口统计数据提供了支持。

(2) 提供了家庭耗水数据和方式、工业和农业用水等信息，这些有助于确定节点。

(3) 在确定流域供水、需求、管理和水质方面的主要水问题过程中发挥了重要作用。

(4) 协商扎卡河流域的约束条件，主要是系统的可靠性和供给/需求比。

(5) 作为个人或指导委员会成员参与了优化过程，以实现优化方案的目的。

不同的水处理技术主要包括以下几个方面。

(1) 地下水人工补给。这项技术的年度单位投资要求约为1欧元/m3，单位经营成本(包括低成本维护)，约为0.1欧元/m3。成本指标则是基于现有项目。

(2) 跨流域调水。预计该项目的成本约为8亿欧元，建设后可运行25 a。期间，送水到安曼的费用估计为1.27欧元/m3(包括运营成本)。成本指标来源于研究项目。

(3) 灌溉水管理。现代工具如滴灌系统、灌溉调度传感器将提高灌溉效率和水的生产率。总灌溉面积估计达1 700 hm2。引进这项技术的年单位投资要求是2 000欧元/hm2；单位运行成本，包括维护和修理成本在内，为200欧元/hm2。

(4) 公众意识计划。节约用水是应对约旦水短缺问题最可靠和具有成本效益的解决方案。一些区域和国际会议提出的建议强调了2个基本问题：意识培养活动缺乏和信息交流不畅。大多数的水保护活动都是针对家庭用户，而对农业和工业方面的关注较少。对农民开展水资源保护方面的教育，是实施水资源保护项目所必须的一个环节。该项活动的单位投资约为8 500欧元/a，外加500欧元/a的推广材料费用。

(5) 管网升级改造。大城市的管网由钢或铸铁构成，非常老旧，其腐蚀和泄漏会造成供水管网中的水量严重损失。因此，应将这些陈旧的系统替换为具有较高韧性和塑性，且能承受高压、断裂和泄漏的频率较低的管道。更换成本估计在2.4亿欧元或耗水费用为1.5欧元/m3左右。

(6) 径流收集。在扎卡河流域上游实施径流收集。这种干预会提供额外的灌溉水，以及增加地下水的补给量。同时，它能保持干净的径流，以免与城市污水处理厂的污水混合。期望将在上游收集到的350万m3的水用于灌溉。该项技术的年成本大约是1欧元/m3，而经营成本极低，约为0.1欧元/m3。

(7) 污水回用。西部和北部高原(降水量超过250 mm)的部分区域具有丰富的以雨水养农业的经验。在流域的北部和东部，是以灌溉农业为主(该区域使用地下水灌溉)，且污水回用使该区域的果树生产业迅速扩大。对于灌溉农业地区，利用逐渐增大的污水排放量来灌溉，不仅可以节约供家庭使用的地下水，而且还可以减少污水处理厂过多的污水排放量。这种干预成本(处理和运输的费用)估计为0.5欧元/m3。随着污水处理量的增加，在灌溉面积上种植树木、森林、牧场的规模也将会扩大。

(8) 海水淡化。在流域内，特别是约旦峡谷及其他一些深井里的咸水，可以对其进行淡化以增加供水量。海水淡化包括向需水点调水的成本，估计为0.75欧元/m3。

4 结果与分析

4.1 基准情景

将2001年10月1日至2002年9月30日的相关数据和配置网络作为水资源模型的基准情景，对项目结果进行了总结和分析。数据库与水资源模型相连接，以描述扎卡河流域的气候时间序列监测资料、气象资料和水资源系统的主要组成，比如主要需水节点。

拓扑网络是便于水资源模型对基准模型情景的经济效率进行评估，如供需比、成本/效益比。对现有基础设施的经济价值评估，是基于约旦国家的本地价格。此外，从模拟流量数据与真实流量数据的相容性，即可知晓运用水资源模型是正确的。将实际流量数据作为水资源模型径流计节点的约束条件，基于日实际流量数据序列来校准模拟流量。运用该模型共计算分析了95个节点。

从模拟结果可以看出，供求比为90%，系统的可靠性为58%，缺水率为4.35%，流域中总的未分配水量占17%。未分配的水在流域中未使用，但在终端节点处被排放用于中央约旦河谷灌溉。此外，效益/成本比是0.91，经济效益是-0.03欧元/m3。这表明该系统不能产生任何利润。

4.2 最优方案

将基准情景的结果导入到水资源模型的优化方案中进行分析。基准情景的分析结果表明，系统的可靠性是58%，供给/需求比是90%。将这两个约束条件输入到扎卡河流域的水资源模型优化情景中，并运行水资源模型优化情景，结果在50 000次运行中找出了100个可替代方案。

优化模型的结果表明，供水可靠性范围为76%～84%，供需比为0.988～0.996。这意味着，所选择的约束条件和优化方向是正确的。在运用决策支持系统(DSS)的过程中，获得的一套可行的解决方案，不一定是最佳的方案，因为方案通常是由决策者选取的。这样的解决方案的效率依赖于一个适当的规章制度和交易机制，如适当的经济激励、制度和行为的变化，以及利益相关者的直接参与并最终达成和谐一致的意见。

其他概念源于最优化的过程，例如缺水、经济效率和效益/成本比。

在对约旦案例开展研究的过程中出现的一些概念可以反映该方法的有效性，而其他概念则没有能够反映出利益相关者所建议的水处理技术。

然而基于可以实现优化的概念价值，有100种方案可以作为未来扎卡河流域水资源管理的替代方案。例如，基准情景缺水达4.35%，而在优化方案中，则可达到最小值0.274%。此外，经济效率可能会从基准情景的-0.03，升高至最优方案的0.022。相较于在基准情景时仅有0.91的效益/成本比，在最优方案下，已被最大化至1.034。

5 结 语

扎卡河流域是一个复杂的系统，已经面临着市政、农业和工业生产等各方面各部门用水的严重压力。为此，需要利用基准情景来优化流域的水资源。水资源模型的基准情景能够正确识别扎卡河流域所有的构成要素，它可以根据在拓扑图上所显示的水资源模型的各个节点，来描述径流量的可用性。

当利益相关者或决策者针对不同的功能节点有确定的相应工具(水处理技术)时，扎卡河流域的水资源模型基准情景即可以朝水资源最优化的方向延伸，从而实现流域最优化。这种方法将允许以未来情景和经济参数加以验证。因此，通过设置约束条件和识别不同的工具，终端用户可以评估可选方案，力求以最好的方案来保护流域。

只要扎卡河流域满足约束条件，水资源模型最优方案就能对各种方案的模拟结果进行比较。该模型成功地使扎卡河流域的水资源得到了最优化，尤其是在将供水可靠性和供需比作为约束条件时。