基于水库群调节的水资源承载力研究

文 聘

(四川省电力设计院，四川 成都 640000)

0 引 言

我国20世纪80年代开始研究气候变化对水资源的影响，包括气候变化对于流域内水量平衡、城市供水需求、农业灌溉和工业用水量的影响。截至2017年5月18日，深圳市累计登记的流动人口为1 200.55万，加上常住人口246万，深圳总人口为1 446.55万。深圳市是全国7个严重缺水城市之一，据了解，2016年，深圳市降水量2 721.33 mm，水资源总量30.40亿m3，人均占有的水资源量只有全国平均水平的1/12，。目前深圳市90%的用水量靠境外引水，由深圳市水务局提供的一项数据表明，与南方大城市人均综合生活用水相比，全市人均用水量458.62L/d；城市居民人均生活用水量165.59 L/d，大大超过南方大城市人均综合生活用水261 L/d的平均水平[1，2]。所以研究深圳市近期条件下的水资源供需关系具有十分重要的现实意义。

1 水资源承载力概念综述

水资源承载力(WRCC)是承载力概念与水资源领域的自然结合，水资源承载能力是指某一地区的水资源，在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载(容纳)的农业、工业、城市规模和人口的能力。目前国内外还没有统一完善的定义。就国外而言，美国的URS公司[3]对佛罗里达keys流域的承载力研究时曾涉及到承载力的定义。国内水资源承载力已广泛应用于研究缺水地区的工业、农业和城市及整个经济发展中的水资源供需平衡分析，以下是我国一些学者对水资源承载力概念的分析理解：

张保成[4]等人对水资源承载力概念进行了详细的总结整理，以徐有鹏、施雅风、阮本青等人提出的概念使用的更为广泛。

何梓霖等人提出[5]：水资源承载力是指某一区域在特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下，以维护生态良性循环和持续发展为前提，当地水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水平的人口数。

段春青[6]等人提出：区域水资源承载力定义为“区域在一定经济社会和科术发展水平条件下，以生态、环境健康发展和社会经济可持续发展协调为前提，区域水资源系统能够支撑社会经济可持续发展的合理规模”。

Daily G C.[7]提出社会经济质量与可持续发展和地球承载力之间的关系。

张俊成等人[8]提出按照可持续发展的思路，在—定的区域内，以一定的水资源开发利用水平为基础，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以维护生态、环境良性循环发展为条件，在一定的时间考察序列内(应不少于10年)，以保证水资源对社会、经济、人口等方面的支撑为持续平衡增长的前提下，水资源可以达到的最大支撑能力。

夏军[9]等通过分析城市化对地区水循环、社会经济和生态与环境的影响，探讨了城市化地区水资源承载力的内涵和特性。

综上所述，本文提出水资源承载力指某一地区的水资源(主水和客水)，考虑水库调节，合理的调配水资源，使其承载工农业生产、人类生存以及生态环境等最大能力。

水资源承载力研究以流域、地区、城市研究为主要对象，本文以深圳市中西部为对象，并按照“协调可持续发展”原理建立模型，进行综合性研究。

2 基于“协调可持续发展”的水资源承载力模型的构建

目前，关于水资源承载力这方面的研究方法很多，有模糊综合评价方法、主成分分析法[10]、常规趋势法、多目标分析方法、物元模型、系统动力学方法、投影寻踪评价模型等[11]。本文基于“协调可持续发展”的原理来研究深圳市水资源承载力问题。

协调可持续发展的原理是：尽可能提高水资源利用率，减少水资源损失，实现经济、社会、生态相统一发展模式。所以本文讨论了用水功效系数的概念。用水功效系数反映一个地区或者用水部门对水资源的利用程度，也可以反应该地区的经济水平。

“协调可持续发展”模型分为5个步骤：①确定水库的库容V，m3；②确定城市供水量W(g)，m3；③确定城市综合需求量r，m3；④求解城市综合用水功效系数U[5]；⑤求解城市国内生产总值G，元；⑥建立“协调可持续发展”模型。

目标函数：

(1)

(2)

(3)

水库状态转移方程：

Vm(t+1)=Vm(t)+W入库(t)-W出库(t)

(4)

W=W1+W2+…+Wn

(5)

3 深圳市中西部水资源承载力的估算与评价

3.1 研究区基本概况

本文以深圳市中西部为研究对象，其中包括：宝安、南山、福田三大区，其面积分别为：79 km2、151 km2、733 km2，总面积963 km2。截止到2010年，深圳市福田区、宝安区、南山区总人口数为718.33万[12]。深圳市中西部主要水源为自产水和境外引水，境外引水的比例约占特区内淡水供水总量的90%。

3.2 本地来水

本地来水主要以深圳市石岩水文站[13]1970～2005年的降雨资料作为全区域的降雨；多年平均降雨量为1 615.57 mm；月平均值为133.10 mm，见表1。根据多年降雨资料，得到深圳市中西部各水库的自产水量，见表2。

公明水库自产水和蒸发渗漏损失基本上抵消了，并且公明水库是个备用水库，没有对应的供水水厂，所以本地自产水和对应水厂供水规模供水按0计算。

3.3 境外来水

境外引水近期主要是通过北线引水工程给深圳市中西部地区供水，在97%的供水保证率下，北线引水量为3.50亿m3/年。远期则要加大北线引水并与西线引水工程结合供水。

表1 石岩水文站1970～2005年降雨量 mm

表2 本地多年平均来水量及2010年水厂供水规模 108m3

3.4 城市需水量

深圳市中西部城市各部门现状(2010年)需水量之和，以各水库对应水厂的供水规模为准，总和3.713亿m3/年，见表2。按现状的用水要求，通过“协调可持续发展”模型中(4)式和(5)式，对水库群进行长系列联合优化调度计算，是多年调节水库蓄丰补枯，即水库丰水年蓄多余不用的水，等到枯水年再向城市供水。得出水资源供、需平衡关系，结果见表3。

表3 深圳市中西部长系列水资源供、需平衡计算结果 108m3

深圳市中西部1970～2005多年平均总可供水量约为3.713亿m3，按2010年城市需水量3.713亿m3，多年平均需水量3.713亿m3。可以看出目前的供水量基本满足2010年的用水需求，结果见表3。

根据国内生产总值平均值与城市综合用水平均值之比、确定出各区相应供水量，通过式(2)计算出相应的城市综合用水功效系数，见表4。通过(3)式从而计算出深圳市水资源承载力，见表5。

U值是指地区生产总值/对应的用水量，随着U值的增大，城市越富裕，见表4。表5是对深圳市水资源承载力分析结果，在温饱型条件下，宝安区、福田区、南山区基本属于缺载状态，在全面小康型条件下，福田区、南山区属于弱度超载，宝安区属于高度超载，超载值为127.86万人左右。在初步富裕型条件下，福田、南山基本属于弱度超载，宝安区属于高度超载，超载值达到了138万人左右。

表4 深圳市中西部各区用水功效系数(U值)

表5 深圳市水资源承载力[14，15] 经济—亿元，人口—万人

4 结论与讨论

本文建立的“协调可持续发展”模型分析计算出深圳市中西部福田区、南山区、宝安区温饱型、全面小康型、初步富裕型的水资源承载力状况。结果表明：在水平年，深圳市中西部水资源量最多只能满足现状(2010)年的初步富裕型用水要求，能够达到供需平衡状态，不缺水；同时各区的超载人数也在不断的增多。在枯水年，深圳市中西部承载力人口肯定小于平水年承载力人口。因此为了保持深圳市中西部供水量的稳定性，本文提出以下几方面的建议：

(1)创建节水型城市，努力开发利用新水源，大力发展节水技术，建立供水、中水回用和污水处理的良性运行体系，提高水资源的利用率；

(2)建立完善水资源开发利用的管理体系，达到水资源的可持续发展，为深圳市经济发展和人民生活提供持续、可靠的水资源保证；

(3)因为深圳市中西部水源主要靠引水，所以为了防止深圳市发生突发性事件，深圳市应做好储备水库的应急供水预案——公明水库；

(4)要满足远期(2020)需水要求：利用公明水库的调节机制，配合其他3个水库进行混联水库群调度，实现水资源合理有序利用。

(5)由于数据有限，本文没有从水环境污染方面考虑水资源承载力问题，所以在此方面有待提高。