水循环与水资源合理配置模型(SWAM)Ⅱ:应用

赵晶, 王涛, 毕彦杰, 韩宇平, 张广浩, 段晶晶, 高峰

(1.华北水利水电大学 水资源学院,河南 郑州 450046; 2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南 郑州 450046)

经济社会快速发展与取用水等活动改变了原有的水循环演变规律与过程,形成“自然-人工”复合水循环系统,两大循环系统相互交错,彼此关联,存在着此消彼长的紧密联系[1-2]。人类拦河建水库,从河道、水库等地表水体中抽取水量,导致河道径流量、水库蓄水量发生变化,改变了河湖水力联系,减弱了水平循环通量;同时,在取用水过程中产生了蒸发和渗漏损失,强化了垂向循环通量[3-4]。高强度的水资源开发利用,造成人工侧支水循环作用逐渐加强,引发了一系列水资源问题[5-6],影响了自然条件下的水循环变化规律。因此,水资源配置问题只有当充分考虑到人类活动干扰下的水循环变化规律时,才能科学地计算出可供水量,进而促进水资源可持续利用[7-8]。

本文采用已构建的水循环与水资源合理配置模型(Simulation Water-cycle and Allocation Model, SWAM)[9],以嫩江流域为例,开展基于水循环模拟的水资源多目标优化配置研究。针对“自然-人工”复合水循环系统特点,应用水循环模块开展水循环模拟,采用断面径流过程校验模型,选取纳什效率系数评价模型精度,绘制水循环转化关系图,并基于此,进行供水预测。设置现状水平年为2016年,规划水平年为2025年,开展2025年各行业需水预测。在多目标优化配置模块中设置3个目标,通过第2代非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),生成多个非劣解集,筛选出嫩江流域合理的水资源配置方案。

1 研究区概况

嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山,是全国七大水系之一的松花江的北源,在肇源县茂兴镇当权村三岔河与松花江南源汇合为松花江。嫩江干流全长1 370 km,流域总面积约29.2万km2,多年平均径流深97.4 mm,天然年径流量227亿m3。嫩江自北流向南,沿途众多支流汇入,水系发育,两岸河流呈不对称的扇形分布,右岸支流较多,左岸支流较少,流域的水系分布情况如图1所示。嫩江流域地处我国黑龙江省中西部,地理坐标为北纬44°26′～51°37′、东经119°15′～127°40′,包括内蒙古自治区的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市,黑龙江省的大兴安岭市、黑河市、嫩江县、绥化市、齐齐哈尔市、大庆市以及吉林省的白城市等[10]。流域内地势呈西北高、东南低分布,流域长度约为800 km,平均宽度约为340 km。嫩江上游属于山区,中游为山区向平原区的过渡地带,地势较上游的平坦,河槽也更开阔。嫩江到齐齐哈尔后逐渐进入平原区,直到三岔河口,形成松嫩平原的西半部分。

图1 嫩江流域水系分布

嫩江流域地处东亚季风区的北部边缘,属于温带半湿润大陆性季风气候,流域内降水和气温的年内和年际差异较大[11]。嫩江流域降水量为400～700 mm,且降水时空分布极不均匀,多集中在6～9月,其降水量占全年降水量的80%左右。

目前,嫩江流域共有大型水库14座,中型水库35座,小型水库225座,塘坝155座,蓄水工程总库容160.1亿m3,兴利库容103.6亿m3,设计供水能力89.2亿m3。其中,大型水库总库容143.0亿m3、兴利库容93.7亿m3,各大型蓄水工程的基本情况见表1。已有研究[12-13]表明,嫩江干支流的引、调、蓄水工程在一定程度上改变了嫩江的径流形成规律和演变特征。

表1 嫩江流域大型蓄水工程基本情况

嫩江流域是我国重要的重工业、石油、林业和粮食生产基地,哈尔滨、齐齐哈尔、长春等大中型城市是汽车、锅炉等重工业基地;大庆市是石油工业基地;长白山和大、小兴安岭是林业基地。嫩江流域素有“北国粮仓”之称,粮食作物以水稻、玉米、小麦为主。2016年,嫩江流域总人口为1 745万人,GDP为7 623亿元,总用水量为127.3亿m3。其中:地表水源供水量79.2亿m3,占总供水量的62.2%;地下水源供水量47.7亿m3,占比37.5%;其他水源供水量0.4亿m3,占比0.3%。2016年流域社会经济发展指标见表2,各地区的用水量见表3,用水指标见表4。

表2 2016年嫩江流域社会经济发展指标

表3 2016年嫩江流域用水量 亿m3

表4 2016年嫩江流域用水指标

由表4可知,近30多年来气候变化和频繁的人类活动(短时间、高强度的大规模农业种植,水资源开发与水利工程建设等)深刻改变着嫩江流域的水循环过程,导致嫩江流域产流量发生变化、水旱灾害频发、湖泊湿地萎缩等一系列水问题[14-15]。因此,嫩江流域水资源配置的前提是厘清气候变化与人类活动干扰下的水循环变化规律,只有解决了这个问题才能科学计算可供水量[16]。

2 模型构建

2.1 数据及其来源

SWAM模型构建所需要的基础资料包括:气象观测数据、DEM数据、实测径流数据、经济社会用水数据、水利工程基本信息、灌溉面积与种植结构等资料。

1)气象数据。本文所使用的气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/),包括嫩江流域及周边39个气象站1956—2016年的日降水量、日最高气温、日最低气温、相对湿度、日照时数、风速等。

2)DEM数据。采用网站(http://srtm.csi.cgiar.org/)提供的分辨率为90 m的网格数据提取河道长度、河网等信息。

3)实测径流数据。通过查阅流域水文年鉴,获取包括阿彦浅、加格达奇、江桥、两家子、同盟(二)、大赉共6个水文站2010—2016年的逐月径流数据。

4)经济社会用水数据。通过查阅2010—2016年黑河市、大兴安岭、齐齐哈尔市、绥化市、呼伦贝尔市、大庆市、松原市、白城市、兴安盟、通辽市的统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报、城市发展总体规划、水资源公报等资料,获得历年各行政区社会经济发展、生活、工业和农业灌溉用水等数据。

5)水利工程基本信息。其主要包括水库位置、死库容、总库容、水位库容曲线、汛限水位、正常蓄水位等数据及水库运行调度规则,引水渠道过水能力、机电井日提水能力等数据。

6)灌溉面积与种植结构。通过查阅黑河市、大兴安岭、齐齐哈尔市、绥化市、呼伦贝尔市、大庆市、松原市、白城市、兴安盟、通辽市的统计年鉴获取小麦、玉米、水稻、杂粮等粮食作物和经济作物的种植面积。

此外,还有播种、灌溉、施肥、收割等作物管理措施有关的时间、次数、单次(灌溉、施肥)实施量等基本信息。

2.2 嫩江流域SWAM模型构建

步骤1划分计算单元。基于DEM数据划分研究区水文计算单元,共获得43个水文计算单元,在此基础上,根据行政区划将水文计算单元细分为279个计算单元(图2),每个计算单元均具有子流域和行政区属性。

图2 嫩江流域计算单元(总)

步骤2概化水资源配置系统网络。根据嫩江流域实际供用水情况及水库、引调水工程、渠系(河道)等水利工程的空间分布情况,概化水资源配置系统网络图(图3),在此基础上明晰输配水方向。以水资源四级区套地市行政区确定水资源配置模型的基本计算单元,共计20个;选择大型和重要的中型水利工程作为水资源配置系统网络图绘制的基本工程节点,共计22个。

步骤3输入农业种植与管理信息。农业种植与管理信息包括:各行政区的作物类型、作物种植面积与灌溉面积、轮作制度与灌溉制度等。

步骤4输入配置规则信息。配置规则信息主要包括:水源供水对象、分区供水原则、水源供水优先级、用水户分水原则、供水水源类型与个数、行业用水优先级等信息。此外,需要输入的信息还有水库、渠道、机电井等水利工程基本信息,渠系水有效利用系数、田间水有效利用系数等用水效率信息,行业耗水率、污水处理率和再生水利用率等耗水、排水信息等。

步骤5输入拓扑关系。拓扑关系包括:水资源配置计算单元与水文模型计算单元的空间拓扑关系、计算单元与节点间的拓扑关系、计算单元与用水户间的拓扑关系、计算单元与水库间的拓扑关系、水库与用水户间的拓扑关系、不同水源与用水户间的拓扑关系等。以上拓扑关系都是通过关系数据来存储、管理并输入模型的。

步骤6输入其他数据。其他数据包括降水、气温、风速、日照时数、辐射和相对湿度等气象数据,及所有矢量与属性数据。

3 模型参数率定与验证

3.1 水循环模块参数取值

针对新安江模型的参数率定,赵人俊[17]提出了分层次的率定方法,指出每层次中待优化的参数不宜超过2个。经检验,参数WUM、WLM、C、IM、CI不是敏感参数;SM与EX有关,EX变化不大,一般可取1.5左右的定值;CG可根据枯季退水资料直接求得,可不参加优化。L与CS的大小取决于河网地貌;KG、KI两个参数是关联的,对于同一个流域,两者之和一般为常数,即KG+KI=0.7[18]。根据文献[17-19]中的参数优化步骤,率定模型的主要参数值,结果见表5。

表5 水循环模块主要参数取值

3.2 多目标配置模块参数取值

1)农业。为探究缺水状态下不同作物减产情况,以及同一作物不同生长阶段缺水情况对粮食总产量的影响,选取小麦、玉米、水稻3种主要作物,并将水稻的生育阶段划分为分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期4个时期,其相应的敏感指数分别为0.236 2、0.248 5、0.793 8、0.172 1;将小麦的生育阶段划分为4个时期,其相应的敏感指数分别为0.203 7、0.243 1、0.191 9、0.092 3[20];将玉米的生育阶段划分为苗期、拔节期、抽穗期、乳熟期4个时期,其相应的生育阶段敏感指数分别为0.113 5、0.307 1、0.564 0、0.272 7[21]。作物产量采用Jensen模型计算[22]。以水稻为例其产量计算公式为:

(1)

式中:Ya为水稻实际产量,kg/km2;Ym为水稻在充分供水条件下的最大产量,kg/km2;ETi为水稻第i个生育阶段的实际腾发量,mm;ETmi为水稻在充分供水条件下第i个生育阶段的腾发量,mm。

2)工业。选择双曲绝对风险厌恶函数(HARA)建立工业用水效益函数。函数中系数γ取0.5[23-25]。

3.3 模型校验

3.3.1 评价指标选取

模型模拟期为2010—2016年,其中2010—2014年为参数率定期,2015—2016年为模型验证期。结合SWAM模型的功能和特点,模型校验采用嫩江流域关键控制断面的径流过程。

3.3.2 性能指标选取

选取纳什效率系数Ens进行模拟适应性评价。Ens的允许取值范围为0～1,其值越接近1,说明模型的模拟效果越好。一般认为,当Ens>0.50时,模拟结果是令人满意的[26-27]。Ens的计算公式为:

(2)

3.3.3 模型校验步骤

首先,假定参数初值,驱动模型运行;其次,采用Ens指标评价2010—2016年的河道断面径流模拟效果;最后,对比分析模型率定期与验证期的模拟结果,调整相关参数,直至评价指标达到目标要求。

3.3.4 模型校验结果

模型输出的径流模拟值与实测径流值的对比结果见表6并如图4所示。由表6和图4可知:率定期(2010—2014年),6个水文站月径流模拟值与实测值的纳什效率系数均高于0.500,最小值为0.625,验证期纳什效率系均高于0.500,最小值为0.601;各水文站的月径流模拟值与实测值流量过程线拟合程度较好,模型的模拟精度达到了要求值。

表6 水文站的月径流模拟结果

图4 阿彦浅站与江桥站实测与模拟月径流过程对比

4 供需水预测

本文基准年设为2016年,规划水平年为2025年。考虑来水频率P=50%、P=90%两种情况。

4.1 供水预测

根据嫩江流域1957—2016年共60年降水量排频结果,P=50%对应的年份为2011年、P=90%对应的年份为1992年。模型输入2011年与1992年的降水量资料,基于水循环模块的计算结果,分别计算嫩江流域各配置单元的可供水量,结果见表7。由表7可知:P=50%来水频率下的可供水量为131.5亿m3,其中地表水供水量88.4亿m3、地下水供水量42.5亿m3、其他水源(再生水)供水量0.6亿m3;P=90%来水频率下的可供水量为138.9亿m3,其中地表水供水量82.9亿m3、地下水供水量55.1亿m3、其他水源(再生水)供水量0.9亿m3。

表7 规划水平年可供水量(P=50%) 亿m3

4.2 需水预测

根据呼伦贝尔市、齐齐哈尔市、黑河市、兴安盟、绥化市、通辽市、锡林郭勒盟、松原市、白城市、哈尔滨市与大庆市《国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标纲要》预测经济指标。GDP年均增长约3.5%～7.5%,各地市GDP增速见表8。2025年嫩江流域GDP 4 312亿元。2025年人口增速与城镇化率参考呼伦贝尔市、齐齐哈尔市、黑河市、兴安盟、绥化市、通辽市、锡林郭勒盟、松原市、白城市、哈尔滨市与大庆市的《城市发展总体规划》与《国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标纲要》,确定2025年嫩江流域城镇化率为61%,城镇人口为1 084万人,农村人口为686万人。2025年嫩江流域十四五社会经济发展预测结果见表8。

农业灌溉用水量为水循环模块中蒸发量减去降水量(若为正值,取为灌溉需水量;若为负值,取为零)。人均生活日用水量、万元工业增加值用水量、万元GDP用水量、亩均灌溉水利用系数、管网漏损率等用水指标参考历史变化速度与各地市《水利十四五发展规划》《黑龙江省用水定额标准》《内蒙古自治区行业用水定额》《吉林省用水定额地方标准》确定。

采用定额法计算嫩江流域各地市需水量,结果见表9。由表9可知:2025年嫩江流域(P=50%)需水量为134.3亿m3,其中农业、工业、生活与生态需水量分别为98.8亿、16.4亿、9.7亿、9.4亿m3。同样的,经计算可知,2025年嫩江流域(P=90%)需水量为154.6亿m3,其中农业、工业、生活与生态需水量占比分别为76.7%、10.6%、6.3%、6.4%。

表9 嫩江流域2025年需水量(P=50%) 亿m3

5 结果分析

5.1 水循环转化关系

流域水循环特征主要通过降雨、下渗及蒸散发等几个要素来体现。应用SWAM模型对嫩江流域水循环过程进行模拟,其转化关系如图5所示。由图5可知,P=50%来水频率下全流域总降水量为1 325.0亿m3,其中山区降水量为801.0亿m3,平原区降水量为524.0亿m3;流域总蒸散发量为886.0亿m3,其中山区的蒸发量为533.0亿m3,平原区的蒸发量为353.0亿m3;流域下渗量为141.2亿m3,其中山区的下渗量为53.8亿m3,平原区的下渗量为87.4亿m3;流域年末土壤水蓄变量为1.3亿m3,入境水量为135.0亿m3,出境水量为307.0亿m3;流域经济社会总取水量为131.5亿m3,基本集中在平原区,其地表水取水量为88.4亿m3,浅层地下水总取水量为42.5亿m3,再生水取水量为0.6亿m3。

图5 2025嫩江流域水循环转化关系图(P=50%)

P=90%来水频率下全流域总降水量为1 081.0亿m3,其中山区降水量为648.6亿m3,平原区降水量为432.4亿m3;流域总蒸散发量为953.3亿m3,其中山区的蒸发量为575.6亿m3,平原区的蒸发量为377.7亿m3;山区下渗量为15.2亿m3,平原区的下渗量为24.5亿m3;流域年末土壤水蓄变量为-4.2亿m3;平原区经济社会总取水量为138.9亿m3,地表水取水量为82.9亿m3,浅层地下水总取水量为55.1亿m3,再生取水量为0.9亿m3。

综上可知,嫩江流域主要补给水源是大气降水和地表径流,地下水主要补给水源是降雨、河道湖库渗漏等;流域主要水分支出项为蒸散发和社会经济取用水,占比分别为87.1%、12.9%。当发生干旱时,因降雨减少,引起土壤水蓄变量减少,流域径流量大幅度减少。干旱时因社会经济取用水增加,导致地下水开采量增加。

5.2 水资源配置结果分析

复杂水资源配置系统的影响因素众多,涉及天然水循环系统(天然来水的随机性与不确定性)、社会经济因素、用水水平、节水水平、城镇化、生态环境发展等,大量半结构化、非结构化问题都需要决策者进行判断和抉择,决策者偏好会影响水资源配置格局。因此,水资源配置问题实际上是各相关利益方博弈妥协的结果[28-29]。由于水资源配置的单目标优化(多目标转化成单目标再进行求解)仅能计算得到一个最优解,对应Pareto最优前沿面上的一个点[30-31],无法体现多个目标之间的博弈过程,故需进行多目标配置决策。多目标Pareto最优解可避免事先给定各个目标权重的主观性,提供更多决策信息与多个目标之间的博弈信息,为决策者的不同偏好提供选择方案。同时,当决策偏好发生变化时,也无须重新计算,在Pareto解集中重新选择即可,极大地减少了工作量。本文模型设置了3个目标:经济目标、社会目标与水量目标,并利用NSGA-II求解多目标模块的Pareto解,共得到73组非劣解,即73个非劣的水资源配置方案,具体见表10。由于多目标模型中一个目标值增大必然会引起其他目标值减小,若决策者倾向于经济效益最优,则根据该目标可选出24个非劣解(经济损失约1.5亿左右),在此基础上,若同时要求粮食减产最小,则最终得到的配置方案为方案42。该方案经济损失量为1.5亿元,粮食减产量为51.0万t。

表10 pareto非劣解集

方案42对应的水资源配置结果见表11。由表11可知:①嫩江流域P=50%来水频率下的总需水量为134.3亿m3,其中生活(不含生态用水)、工业、农业生态需水量分别为9.7亿、16.4亿、98.8亿、9.4亿m3。②总供水量为131.5亿m3,地表水供水量最高,为88.4亿m3,占总供水量的67.2%;其次为地下水供水量,为42.5亿m3,占总供水量的32.3%;其他水源(再生水)供水量最小,为0.6亿m3,仅占总供水量的0.5%。③嫩江流域P=50%来水频率下的总缺水量为2.8亿m3,缺水率为2.1%。④各地市中白城市的缺水量最大,为12 716.0 万m3,缺水率为4.8%;其次为兴安盟,缺水量为6 240.0 万m3,缺水率为6.6%。

表11 嫩江流域水资源配置方案表(P=50%)

按照前述步骤计算P=90%来水频率下的非劣解集,筛选出经济损失量最小、粮食减产量最小的配置方案。经计算,P=90%来水频率下嫩江流域总需水量为154.6亿m3,总供水量为138.9亿m3,缺水量为15.7亿 m3,缺水率为10.2%,经济损失量为9.1亿元,粮食减产量为261.4万t。因篇幅所限,相应的图表不再一一列出。

6 结论

1)本文基于嫩江流域的相关资料与模型参数值,通过对流域内关键控制断面径流过程的模拟验证了上篇所构建的SWAM模型。结果表明:①率定期(2010—2014年),6个水文站月径流模拟值与实测值的纳什效率系数均大于0.500,最小值为0.625,验证期(2015—2016年),6个水文站月径流模拟值与实测值的纳什效率系数均大于0.500,最小值为0.601,率定期与验证期流量月过程线的拟合程度较好。

2)规划水平年2025年嫩江流域的水循环转化关系为:在P=50%来水频率下,全流域的降水量为1 325.0亿m3,蒸散发量为886.0亿m3,下渗量为141.2亿m3,土壤水蓄变量为1.3亿m3,入境水量为135.0亿m3,出境水量为307.0亿m3;平原区经济社会总取水量为131.5亿m3,其中,地表水取水量88.4亿m3,浅层地下水总取水量42.5亿m3,再生水取水量0.6亿m3。P=90%来水频率下,全流域的降水量为1 081.0亿m3,蒸散发量为953.3亿m3,流域年末土壤水蓄变量为-4.2亿m3;平原区经济社会总取水量为138.9亿m3,地表水取水量为82.9亿m3,浅层地下水总取水量为55.1亿m3,再生水取水量为0.9亿m3。

3)通过经济目标、社会目标、水量目标间的博弈,共得到73组非劣解,以经济效益最优、粮食减产量最小为依据,筛选出P=50%来水频率下最合理的水资源配置方案为方案42,其对应的流域总需水量为134.3亿m3,总缺水量为2.8亿m3,缺水率为2.1%。该方案下生活(不含生态用水)、工业、农业、生态需水量分别为9.7亿、16.4亿、98.8亿、9.4亿m3。在各类供水水源中,地表水供水量最高(88.4亿m3),其次为地下水(42.5亿m3),其他水源(再生水)的最小(0.6亿m3),该方案下经济损失量为1.5亿元,粮食减产量为51.0万t。P=90%来水频率下嫩江流域总需水量为154.6亿m3,总供水量为138.9亿m3,缺水量为15.7亿m3,缺水率为10.2%,经济损失量为9.1亿元,粮食减产量为261.4万t。