基于综合概念框架的辽阳市需水量变化趋势分析

侯铁铮

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

基于综合概念框架的辽阳市需水量变化趋势分析

侯铁铮

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

为提高需水量变化趋势预测的准确性，提出基于综合概念框架的需水量预测方法。该方法可综合考虑气象因子、作物腾发量、工业发展等因素对需水量的影响，并可对不同情景下的需水量进行预测。采用该方法对辽阳市的需水量现状进行了重构，结果与实际情况几乎一致，证明了该方法的可行性。采用该方法对辽阳市未来15a内的需水量变化趋势进行预测，结果表明辽阳在未来的水资源配置压力较大，因此应根据预测情况合理规划应对措施。

综合概念框架；辽阳市；需水量；变化趋势

0 前 言

近几十年我国的水资源管理策略主要倾向于供给侧，这使得过采地下与地表水资源问题严重，而水库及渠道的大量建设也对生态环境造成了一定的负面影响[1]。近几年，我国水资源管理人员已经认识到水资源可持续发展的重要性，因此逐渐将管理策略转向需求侧，从而进行供需平衡分析并对水资源配置进行优化。但是，由于评价过程的复杂性，目前人们对需水量的了解还很不足。尽管我国大多地区的水资源管理人员已经掌握其所在地区的取水量以及水资源分配的基本情况，但对于需水量的空间及时间变化情况还不甚了解。由于水资源管理逐渐转向需求侧，因此有必要提出较为可靠的需水量评价方法，该方法应能够考虑人类活动以及气候变化等需水量影响因素，并能够对需水量的空间及时间分布进行准确的预测[2]。文章的目的是提出分析需水量变化情况的综合概念框架方法，该方法可将人类活动及气候变化等情况考虑其中，因此可以较为精确地预测出需水量的时空变化趋势。为验证该方法的可行性及便捷性，文章基于该方法对辽阳市的需水量变化趋势进行了分析，首先根据历史数据重构了辽阳市现状年的需水量，再利用该方法对不同情景下的未来需水量进行预测。

1 研究方法

1.1 研究区域与框架分区

研究区域为辽宁省辽阳市，为便于对该市的需水量进行分析，将研究区域分成5个框架分区，分区情况如图1所示。其中分区1主要包括灯塔市地区，分区2主要包括辽阳县西部地区，分区3主要包括辽阳市区，分区4主要包括弓长岭地区，而分区5则主要包括辽阳县东部地区。

图1 研究区域与框架分区

1.2 综合概念框架

文章所提出的综合概念框架法主要基于社会、经济、气象等影响因子，可模拟人口增长、城镇用水、农业发展、工业进程、环境变化等对需水量的影响。需水量主要包括农业需水量、城镇需水量、以及其它需水量3个方面。农业需水量的主要影响因素包括气象因子(如气温、降雨、风速等)，农作物特性(不同农作物的腾发量系数不同)，土壤条件(如土壤墒情及饱和含水率)。城镇需水量主要包括人口和水资源分配两项，其中人口包括本地居民，也包括外来的暂住居民；水资源分配主要包括生活日常用水、公园花园用水、娱乐用水等[3]。其它需水量主要包括工业需水量和能源需水量两项，其中工业包括所有与工业生产相关的需水量，而能源需水量主要指发电和供暖等与相关活动中的耗水量(以蒸发为主)。综合概念框架体系及其具体的分析流程图如图2所示。

图2 需水量分析的综合概念框架体系

1.3 主要参数处理技术

基于综合概念框架的辽阳市需水量变化趋势分析主要包含气象因子、蒸发腾发两、作物系数等10项主要参数，这些参数的基础数据来源以及时空分布处理技术如表1所示。

表1 需水量主要参数的处理技术

在表1所示技术中，Penman-Monteith方程的表达式为:

(1)

式中：ET0为参考作物腾发量,mm/d；Rn为冠层表面净辐射量，MJ/m2d；G为土壤热通量，MJ/m2d；Δ为饱和水汽压-温度关系曲线斜率,kPa/℃；γ为湿度计常数(干湿球常数),kPa/℃；T为2m高度处日平均气温,℃；u2为在地面以上2m高处的风速,m/s；es为空气饱和水汽压,kPa；ea为空气实际水汽压,kPa。

Kriging空间插值法的公式为：

(2)

式中：Wd′为空间估算值，Wdi为空间已知值，ai为权重系数。权重系数的取值方法主要是采用最小二乘法，即选取的权重系数值应使得已知点处的估算值与实际值之间的均方根差值最小，而均方根差值的计算公式为：

(3)

式中：RMSD为均方根差值；Fi为某一点的估算值；oi为某一点的已知值；N为验证点。

多元线性插值法主要是根据历史数据采用多元线性回归方程得到目标变量与自变已知量(如年份、位置)之间的关系方程，再根据其它自变量及回归方程来计算得到其它时间或位置处所对应的目标量。多元线性回归方程的表达式为：

yi=α0+α1xi1+α2xi2+…+αnxin+ei

(4)

式中：yi表示某个因变量；α为系数，xij表示第i个自变量值，而e表示多元线性回归分析中的误差。各变量单位不同，是多元线性回归分析中的一大难点，文章主要采用模糊逻辑法对各向量进行模糊化处理，从而使结果不受变量单位的影响。

图3 辽阳市各框架分区现状年需水量

2 分析结果

2.1 现状年需水量重构

选择2015年为现状年，并对辽阳市的现状年需水量情况进行重构分析，以确定该方法的合理性，重构结果如图3所示。图中5个框架分区各有代表其需水量的饼状图，而饼状图各包含3个部分，分别表示农业需水量、城镇需水量和其它需水量；其中中间数值为总体需水量；各分块和百分比表示不同类型需水量所占的比值[4-6]。

由图3所示结果可知，辽阳市需水量最多的为1号框架分区，其年需水量为43884万m3；该框架分区主要包括灯塔市地区，其中需水量以农业需水量为主，约为39934万m3，而城镇用水相对较少，为1317万m3。辽阳市需水量最少的为4号框架分区，其年需水量仅为2022万m3；该框架分区主要包括弓长岭区，因为该地区大部分面积属于自然保护区，因此农业需水量、城镇需水量和其它需水量都较少，分别约为344万m3、930万m3，和748万m3。在各框架分区中，农业需水量所占比例最高的为5号框架分区，该地区主要包括辽阳县东部地区，该地区以农业生产为主，因此农业需水所占比例达到95%；城镇需水量所占比例最高的为弓长岭地区，该地区农业和工业等活动较少且自然水量较为充沛，因此所需供给的主要是生活用水，其比例可达17%；其它需水量所占比例最高的为3号框架分区，该地区主要包括辽阳市区，工商业较为发达、且供电供暖设施较为完善，因此工业需水量与能源需水量所占比例之和达到51%。以上分析结果与实际情况基本一致，因此可以认为综合概念框架法在需水量预测中具有较强的适用性[7]。

2.2 需水量变化趋势预测

由于未来具有较多的不确定性，因此在进行需水量变化趋势预测时应考虑不同的情景。需水量的影响因素主要有3类，分别为自然变化(如丰水年、枯水年、河道变化)、人类活动(如人口增长、经济活动的加强等)、气候变化 (如大气变暖、风速减弱等)。这些影响因素的未来变化情况可以通过历史数据来进行投射，即通过历史数据得到各影响因素的变化趋势，再用该趋势来预测未来的变化情况。然而，这种预测(尤其是对于人类活动和大气变化的预测)具有较大的不确定下，例如经济发展相对过去可能有所减慢、例如大气变化可能因人类及时采取治理措施而有所减弱。为将这种不确定的影响降到最低，在预测中考虑4种不同的情景。情景1表示人类活动和气候都继续变化；情景2表示人类活动继续变化但气候不再变化；情景3表示人类活动不再变化而气候继续变化；情景4表示人类活动和气候都不再变化[8]。根据以上情景对辽阳市未来15a内的需水量变化趋势进行预测，结果如表2所示。

表2 不同情景下的辽阳市需水量变化趋势预测

由表2结果可知，除第4种情景外，在其它3中情况下，辽阳市需水量都将呈上升趋势。截止2030年，辽阳市需水量在情景1情况下升高幅度最大，为32930万m3，平均每年增幅达2421万m3；该上升趋势主要是受人类活动和气候变化的双重影响。辽阳市需水量在情景3情况下升高幅度为25529万m3，平均每年增幅约为1746万m3；该上升趋势主要是由气候变化导致。辽阳市需水量在情景2情况下升高幅度较小，为5765万m3，平均每年增幅约为554万m3；该上升幅度小于情景2，说明相对而言气候变化对辽阳市需水量的影响大于人类活动的变化。将以上情景进行平均可知，在平均考虑各情景发生可能性的情况下，辽阳市需水量在2030年将达到128843万m3，比现状年升高16022万m3，平均年增高量为1162万m3。由此可见，辽阳市在未来15年内的供水压力较大，一方面，该地区应尽可能采取节水灌溉、提高用水效率等方式来有效减少需水量，另一方面可以随时采用文章提出的方法对需水量的变化情况进行预测，从而更加高效地进行水资源优化配置。

3 结 语

文章提出基于综合概念框架的需水量预测方法，并以辽阳市为例对其现状年需水情况进行了重构，得到各框架分区的总体需水量及其分布情况，再采用相同的办法对该地区未来不同情境下的需水量变化趋势进行了预测。结果表明该方法在需水量预测中具有较强的适用性，重构结果表明在现状年1号框架分区(以灯塔市为主)需水量最大，而4号框架分区(以弓长岭区)需水量小，与实际情况基本一致。预测结果表明，在平均情景下，辽阳市需水量在2030年将达到128843万m3，比现状年升高16022万m3，平均年增高量为1162万m3。在以后的研究中，可以从两个方面对该方法的应用进行改进，一是可假设更多合理的情景，二是可以对不同情景的发生概率整合到该分析框架中。

[1]孙宁.大连市水资源合理配置与可持续利用分析[J].水利规划与设计,2016(08)：36-37.

[2]齐英.灌溉用水预测模型应用与分析[J].水利规划与设计,2016(03)：1-2.

[3]刘军.灌区供需水量预测及平衡研究[J].水利规划与设计，2015(12)：36-38.

[4]刘海娟.灌区水资源供需水量平衡分析[J].水利技术监督,2015，23(05)：64-66.

[5]张心怡，冯琳，赵琳.辽宁省水资源优化配置工程调度关键问题探讨[J].水利规划与设计,2016(01)：57-59.

[6]闫晓惠，陈新，张博威.模糊逻辑在水利工程环境评价中的应用探析[J].科技展望,2016(23),65.

[7]张洪义，沈丽丽.辽阳市水资源开发利用现状调查分析[J].吉林水利，2013(01)，60-62.

[8]曹永生.景泰县高效节水灌溉示范项目水资源平衡分析[J].水利规划与设计，2014(10)，30-32.

1007-7596(2016)12-0118-04

2016-11-26

侯铁铮(1974-)，男，辽宁辽阳人，工程师，从事水文水资源勘测、整编、论证、评价工作。

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