吉林西部河湖连通计划可行性论证——基于该地水资源的供需预测与分析

张忻，聂君宇，李佳薇

吉林西部河湖连通计划可行性论证——基于该地水资源的供需预测与分析

张忻，聂君宇，李佳薇

（吉林大学，吉林长春，130021）

吉林西部水资源短缺，供需矛盾突出，亟待采取有关措施予以缓解。基于该地社会经济、地形地貌和水文条件概况，借助VensimPLE和ArcGIS建立的数学、地理模型，预测了未来15年该地水资源供需情况，分析了河湖连通计划对该地人口分布的影响，表明了河湖连通计划实施的必要性。进而，借助Matlab建立的灰色预测模型，讨论了计划实施后的水资源供需情况。预测数据显示：计划的实施使得该地水资源供应量将于2027年首次超过需求量，且两者差值随着时间推移而增大，表明河湖连通计划是解决吉林西部水资源短缺问题的长远之策。

河湖连通；吉林西部；灰色预测；数学模型；水资源短缺

引言

吉林西部水资源短缺且分布不均，水资源问题一直备受人们关注，亟需寻求办法解决水资源矛盾。本文基于对吉林西部背景情况及水资源状况的分析，探究了河湖连通对吉林西部地区的必要性，同时分析了河湖连通的实施对吉林西部水资源供需情况的影响，从而确认河湖连通计划的可行性，能够较好地解决吉林西部水资源短缺问题。

1　吉林西部概况

1.1社会经济状况

按联合国提出的人口密度标准，在半干旱的农牧区人口密度不应大于20人/km2[1]。2014年，吉林西部人口238万，平均人口密度40人/km2，大大超出了联合国标准，给资源及环境带来了很大负担，对社会稳定和经济繁荣造成了负面影响。

1.2地形地貌状况

基于1990年的1∶100 000地形图，获得分辨率为30 m×30 m的DEM（数字高程模型）栅格数据，绘制出DEM栅格图，如图1所示。吉林西部地区处于松辽平原西北部，地势较为平坦，西北部分略高于东南部分，平均海拔110～180 m。该区风蚀地貌较明显，沙丘、沙垄为风力所至，主要形成于全新世和晚新世晚期[2]。

图1　吉林西部DEM栅格图

1.3水文条件

吉林西部水域面积仅为270 km2，地表水分布不均，闭流区域面积很大，地表径流量少。本区主要大的河流有松花江和嫩江，虽然河流的年径流量很大，但都属于难以利用的地表客水。然而地区水资源开发不均衡，一方面大量开采地下水（现状开发率已超过80%）；另一方面由于缺少引水工程，致使过境的洪水资源白白流失[3]。

2　河湖连通计划必要性论证

2.1水资源供需情况预测与分析

根据如图2所示的吉林西部水资源系统动力学模型，借助VensimPLE对2015～2030年共16年间的水资源供需情况等指标及发展趋势进行仿真模拟，得到如表1所示的结果。吉林西部主要行业需水量预测情况、水资源供需情况预测分别如图3和图4所示。

系统动力学是对信息反馈系统研究的一种分析，它强调了系统、联系、运动和发展的观点，从系统的内部结构及要素间的相互联系和反馈进行分析，易于解决社会系统中存在的反馈、时滞与非线性问题，是研究半定量、趋势性问题的有效工具[4]。通过系统动力学，可以动态地预测出吉林西部水资源的供需状况。

图2　系统动力学结构图

表1　2015～2030年吉林西部水资源供需情况预测

图3　吉林省西部主要行业需水量预测

图4　吉林西部水资源供需情况预测

根据表1及图3、图4，每十年作为一大分析阶段可知：到2020年，吉林西部人口增长较快，三个产业需水量均增大，其中工业发展较为迅速，涨幅最大，但是供水量小于需求量，水资源供需比仅为0.72；到2030年，农业需水量增长最快，工业和服务业需水量也呈逐渐上涨趋势，但是可供水量却变化不大，因此水资源供需比迅速下降至0.58。

对上述模拟结果进行分析，可以得到以下结论:

（1）从用水状况来看，农业用水占总量的一半，起主导作用。然而其投入产出比要远低于第二、第三产业，因此需要采取措施保证耕地充足的水资源供应。

（2）水资源的供需比对城市的发展影响较大。一般情况下，水资源可供量己远远不能满足社会、经济和环境的要求。因此，应采取可行性措施提高水资源的供应量，实现水资源供需平衡。

2.2水资源供需分布情况分析

从1975年吉林西部地形图中提取水系数据，从USGS遥感影像网站获取分辨率为30 m×30 m的1990年和2014年的TM遥感影像，从中提取吉林西部地表水系数据及水系分布，如图5所示。

图5　吉林西部1975年、1990年和2014年水系分布图

在ArcGIS 10.1中，为水系图层制作2 000 m、4 000 m、6 000 m、10 000 m的多环缓冲区，将其分别与居民点相交，进行景观格局分析，如图6所示。

图6　吉林西部1975年、1990年和2014年地表水系缓冲区内居民点分布图

从1975年水系缓冲区的分布图可以看出，吉林西部水系主要集中在北部区域，水系稀少，对居民点的分布没有明显影响，而在1990年和2014年中，超过60%的居民点与水系的距离在4 000 m以内，大于4 000 m时，随着离河流距离逐渐增加，农村居民点的斑块数、斑块面积和斑块密度也在不断的减少，平均斑块面积呈现上升态势，平均斑块指数表现出先减少后增加的趋势。这说明在1990年～2014年之间，随着人口的不断增加，越来越多的居民点的地理位置的选择位于距离水系小于4 000 m范围内，而吉林西部地表水系面积却不断减少，这将导致吉林西部居民地住宅分布为“空心区”，即研究区中部土地空闲，四周居民地密集，土地利用极为不合理。所以为满足人们对水量的需求，亟需寻求水资源转移举措。

3　河湖连通计划与预测

3.1河湖连通内容

河湖水系是由自然演进过程中形成的江、河、湖泊、沼泽、洼淀等水体以及经人工改造后形成的水库、闸堤、渠系和运河等水利工程共同组成的一个复杂体系；河湖连通则是在自然力和人力的双重作用下，人类有意识地改造河湖水系、实现水资源有效配置的行为[5]。

3.2河湖连通影响

河湖连通计划将对地区的经济社会可持续发展产生很重要的影响。河湖连通能够有效减轻洪水灾害，减少水资源过多地区因洪水泛滥而产生的损失。同时，对水资源缺乏地区，河湖连通能够增加水资源供给，不仅使庄稼能够的到充足的水量供应，保证粮食安全，而且使城市居民拥有足够的生活用水，从而提高系统整体的生态、社会、经济效益。

3.3计划提供水量

通过系统动力学对2016～2030年供需水量的模拟结果推测出河湖连通计划每年要求至少提供的水量如图7所示。

图7　河湖连通计划每年要求提供的水量

3.4灰色预测

3.4.1灰色预测法预测河湖连通供水量

通过2013～2015年吉林省西部河湖连通计划所提供的水量，运用MATLAB预测2016～2030年，即未来15年吉林省西部河湖连通的供水量发展趋势，如图8所示。

图8　河湖连通计划每年应该提供的水量

3.4.2结果分析

根据模拟河湖连通计划每年应该提供的水量与预测出实际能提供的水量（图9）进行分析：干预计划实际供水量和要求供水量均呈上涨趋势。干预计划实际供水量上升先慢后快，上升的幅度逐渐加大；而要求干预计划所提供水量上升趋势则是先加快后减慢。

2017～2026年，干预计划实际供水量低于要求干预计划所提供水量吉林西部地区仍会面临水资源短缺的问题；而2027～2030年，干预计划实际供水量将超过要求干预计划所提供水量，水资源的短缺问题得以解决。且通过预测河湖连通实际供水量的发展趋势可发现，若不考虑干预计划所带来的其他影响，在2030年之后，吉林西部将不会受到水资源短缺的影响。

图9　要求与实际水资源供求对比图

4　结论

吉林西部水资源供需矛盾突出，河湖连通能够较好地解决这一问题。将水资源局部转移，能够实现水资源富裕和不足地区之间的用水平衡。运用系统动力学模型得出计划要求所提供水量，并且运用灰色预测法对河湖连通实际供水量进行预测，表明河湖连通计划的实施将使吉林西部于2027年起扭转水资源供不应求的情况，是解决吉林西部水资源短缺问题的长远之策。

[1]赵凤琴. 吉林西部土地生态环境安全研究[D]. 长春: 吉林大学, 2005.

[2]阿依古丽. 吉林西部草地动态变化分析与生态系统服务功能价值评价[D]. 吉林: 吉林大学, 2009.

[3]宋继林. 建设吉林西部河湖连通工程增强地区水利支撑保障能力[J]. 水利规划与设计, 2014(4): 1-4.

[4]王银平.天津市水资源系统动力学模型的研究[D]. 天津: 天津大学,2007.

[5]唐传利.关于开展河湖连通研究有关问题的探讨[J]. 中国水利, 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

A

2095-8412 (2016) 05-917-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.024

张忻(1995-)，女，吉林大学地球科学学院土地资源管理专业本科生。

聂君宇(1995-)，女，吉林大学地球科学学院资源勘查工程专业本科生。

李佳薇(1994-)，女，吉林大学地球科学学院地理科学专业本科生。