侯鐵錚

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

基于綜合概念框架的遼陽(yáng)市需水量變化趨勢(shì)分析

侯鐵錚

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

為提高需水量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，提出基于綜合概念框架的需水量預(yù)測(cè)方法。該方法可綜合考慮氣象因子、作物騰發(fā)量、工業(yè)發(fā)展等因素對(duì)需水量的影響，并可對(duì)不同情景下的需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用該方法對(duì)遼陽(yáng)市的需水量現(xiàn)狀進(jìn)行了重構(gòu)，結(jié)果與實(shí)際情況幾乎一致，證明了該方法的可行性。采用該方法對(duì)遼陽(yáng)市未來(lái)15a內(nèi)的需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明遼陽(yáng)在未來(lái)的水資源配置壓力較大，因此應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)情況合理規(guī)劃應(yīng)對(duì)措施。

綜合概念框架；遼陽(yáng)市；需水量；變化趨勢(shì)

0 前 言

近幾十年我國(guó)的水資源管理策略主要傾向于供給側(cè)，這使得過(guò)采地下與地表水資源問(wèn)題嚴(yán)重，而水庫(kù)及渠道的大量建設(shè)也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響[1]。近幾年，我國(guó)水資源管理人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水資源可持續(xù)發(fā)展的重要性，因此逐漸將管理策略轉(zhuǎn)向需求側(cè)，從而進(jìn)行供需平衡分析并對(duì)水資源配置進(jìn)行優(yōu)化。但是，由于評(píng)價(jià)過(guò)程的復(fù)雜性，目前人們對(duì)需水量的了解還很不足。盡管我國(guó)大多地區(qū)的水資源管理人員已經(jīng)掌握其所在地區(qū)的取水量以及水資源分配的基本情況，但對(duì)于需水量的空間及時(shí)間變化情況還不甚了解。由于水資源管理逐漸轉(zhuǎn)向需求側(cè)，因此有必要提出較為可靠的需水量評(píng)價(jià)方法，該方法應(yīng)能夠考慮人類活動(dòng)以及氣候變化等需水量影響因素，并能夠?qū)π杷康目臻g及時(shí)間分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)[2]。文章的目的是提出分析需水量變化情況的綜合概念框架方法，該方法可將人類活動(dòng)及氣候變化等情況考慮其中，因此可以較為精確地預(yù)測(cè)出需水量的時(shí)空變化趨勢(shì)。為驗(yàn)證該方法的可行性及便捷性，文章基于該方法對(duì)遼陽(yáng)市的需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)重構(gòu)了遼陽(yáng)市現(xiàn)狀年的需水量，再利用該方法對(duì)不同情景下的未來(lái)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與框架分區(qū)

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省遼陽(yáng)市，為便于對(duì)該市的需水量進(jìn)行分析，將研究區(qū)域分成5個(gè)框架分區(qū)，分區(qū)情況如圖1所示。其中分區(qū)1主要包括燈塔市地區(qū)，分區(qū)2主要包括遼陽(yáng)縣西部地區(qū)，分區(qū)3主要包括遼陽(yáng)市區(qū)，分區(qū)4主要包括弓長(zhǎng)嶺地區(qū)，而分區(qū)5則主要包括遼陽(yáng)縣東部地區(qū)。

圖1 研究區(qū)域與框架分區(qū)

1.2 綜合概念框架

文章所提出的綜合概念框架法主要基于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、氣象等影響因子，可模擬人口增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)用水、農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)進(jìn)程、環(huán)境變化等對(duì)需水量的影響。需水量主要包括農(nóng)業(yè)需水量、城鎮(zhèn)需水量、以及其它需水量3個(gè)方面。農(nóng)業(yè)需水量的主要影響因素包括氣象因子(如氣溫、降雨、風(fēng)速等)，農(nóng)作物特性(不同農(nóng)作物的騰發(fā)量系數(shù)不同)，土壤條件(如土壤墑情及飽和含水率)。城鎮(zhèn)需水量主要包括人口和水資源分配兩項(xiàng)，其中人口包括本地居民，也包括外來(lái)的暫住居民；水資源分配主要包括生活日常用水、公園花園用水、娛樂(lè)用水等[3]。其它需水量主要包括工業(yè)需水量和能源需水量?jī)身?xiàng)，其中工業(yè)包括所有與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的需水量，而能源需水量主要指發(fā)電和供暖等與相關(guān)活動(dòng)中的耗水量(以蒸發(fā)為主)。綜合概念框架體系及其具體的分析流程圖如圖2所示。

圖2 需水量分析的綜合概念框架體系

1.3 主要參數(shù)處理技術(shù)

基于綜合概念框架的遼陽(yáng)市需水量變化趨勢(shì)分析主要包含氣象因子、蒸發(fā)騰發(fā)兩、作物系數(shù)等10項(xiàng)主要參數(shù)，這些參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源以及時(shí)空分布處理技術(shù)如表1所示。

表1 需水量主要參數(shù)的處理技術(shù)

在表1所示技術(shù)中，Penman-Monteith方程的表達(dá)式為:

(1)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)量,mm/d；Rn為冠層表面凈輻射量，MJ/m2d；G為土壤熱通量，MJ/m2d；Δ為飽和水汽壓-溫度關(guān)系曲線斜率,kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)(干濕球常數(shù)),kPa/℃；T為2m高度處日平均氣溫,℃；u2為在地面以上2m高處的風(fēng)速,m/s；es為空氣飽和水汽壓,kPa；ea為空氣實(shí)際水汽壓,kPa。

Kriging空間插值法的公式為：

(2)

式中：Wd′為空間估算值，Wdi為空間已知值，ai為權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)的取值方法主要是采用最小二乘法，即選取的權(quán)重系數(shù)值應(yīng)使得已知點(diǎn)處的估算值與實(shí)際值之間的均方根差值最小，而均方根差值的計(jì)算公式為：

(3)

式中：RMSD為均方根差值；Fi為某一點(diǎn)的估算值；oi為某一點(diǎn)的已知值；N為驗(yàn)證點(diǎn)。

多元線性插值法主要是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用多元線性回歸方程得到目標(biāo)變量與自變已知量(如年份、位置)之間的關(guān)系方程，再根據(jù)其它自變量及回歸方程來(lái)計(jì)算得到其它時(shí)間或位置處所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)量。多元線性回歸方程的表達(dá)式為：

yi=α0+α1xi1+α2xi2+…+αnxin+ei

(4)

式中：yi表示某個(gè)因變量；α為系數(shù)，xij表示第i個(gè)自變量值，而e表示多元線性回歸分析中的誤差。各變量單位不同，是多元線性回歸分析中的一大難點(diǎn)，文章主要采用模糊邏輯法對(duì)各向量進(jìn)行模糊化處理，從而使結(jié)果不受變量單位的影響。

圖3 遼陽(yáng)市各框架分區(qū)現(xiàn)狀年需水量

2 分析結(jié)果

2.1 現(xiàn)狀年需水量重構(gòu)

選擇2015年為現(xiàn)狀年，并對(duì)遼陽(yáng)市的現(xiàn)狀年需水量情況進(jìn)行重構(gòu)分析，以確定該方法的合理性，重構(gòu)結(jié)果如圖3所示。圖中5個(gè)框架分區(qū)各有代表其需水量的餅狀圖，而餅狀圖各包含3個(gè)部分，分別表示農(nóng)業(yè)需水量、城鎮(zhèn)需水量和其它需水量；其中中間數(shù)值為總體需水量；各分塊和百分比表示不同類型需水量所占的比值[4-6]。

由圖3所示結(jié)果可知，遼陽(yáng)市需水量最多的為1號(hào)框架分區(qū)，其年需水量為43884萬(wàn)m3；該框架分區(qū)主要包括燈塔市地區(qū)，其中需水量以農(nóng)業(yè)需水量為主，約為39934萬(wàn)m3，而城鎮(zhèn)用水相對(duì)較少，為1317萬(wàn)m3。遼陽(yáng)市需水量最少的為4號(hào)框架分區(qū)，其年需水量?jī)H為2022萬(wàn)m3；該框架分區(qū)主要包括弓長(zhǎng)嶺區(qū)，因?yàn)樵摰貐^(qū)大部分面積屬于自然保護(hù)區(qū)，因此農(nóng)業(yè)需水量、城鎮(zhèn)需水量和其它需水量都較少，分別約為344萬(wàn)m3、930萬(wàn)m3，和748萬(wàn)m3。在各框架分區(qū)中，農(nóng)業(yè)需水量所占比例最高的為5號(hào)框架分區(qū)，該地區(qū)主要包括遼陽(yáng)縣東部地區(qū)，該地區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，因此農(nóng)業(yè)需水所占比例達(dá)到95%；城鎮(zhèn)需水量所占比例最高的為弓長(zhǎng)嶺地區(qū)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)和工業(yè)等活動(dòng)較少且自然水量較為充沛，因此所需供給的主要是生活用水，其比例可達(dá)17%；其它需水量所占比例最高的為3號(hào)框架分區(qū)，該地區(qū)主要包括遼陽(yáng)市區(qū)，工商業(yè)較為發(fā)達(dá)、且供電供暖設(shè)施較為完善，因此工業(yè)需水量與能源需水量所占比例之和達(dá)到51%。以上分析結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，因此可以認(rèn)為綜合概念框架法在需水量預(yù)測(cè)中具有較強(qiáng)的適用性[7]。

2.2 需水量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由于未來(lái)具有較多的不確定性，因此在進(jìn)行需水量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)考慮不同的情景。需水量的影響因素主要有3類，分別為自然變化(如豐水年、枯水年、河道變化)、人類活動(dòng)(如人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加強(qiáng)等)、氣候變化 (如大氣變暖、風(fēng)速減弱等)。這些影響因素的未來(lái)變化情況可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行投射，即通過(guò)歷史數(shù)據(jù)得到各影響因素的變化趨勢(shì)，再用該趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的變化情況。然而，這種預(yù)測(cè)(尤其是對(duì)于人類活動(dòng)和大氣變化的預(yù)測(cè))具有較大的不確定下，例如經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)過(guò)去可能有所減慢、例如大氣變化可能因人類及時(shí)采取治理措施而有所減弱。為將這種不確定的影響降到最低，在預(yù)測(cè)中考慮4種不同的情景。情景1表示人類活動(dòng)和氣候都繼續(xù)變化；情景2表示人類活動(dòng)繼續(xù)變化但氣候不再變化；情景3表示人類活動(dòng)不再變化而氣候繼續(xù)變化；情景4表示人類活動(dòng)和氣候都不再變化[8]。根據(jù)以上情景對(duì)遼陽(yáng)市未來(lái)15a內(nèi)的需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同情景下的遼陽(yáng)市需水量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由表2結(jié)果可知，除第4種情景外，在其它3中情況下，遼陽(yáng)市需水量都將呈上升趨勢(shì)。截止2030年，遼陽(yáng)市需水量在情景1情況下升高幅度最大，為32930萬(wàn)m3，平均每年增幅達(dá)2421萬(wàn)m3；該上升趨勢(shì)主要是受人類活動(dòng)和氣候變化的雙重影響。遼陽(yáng)市需水量在情景3情況下升高幅度為25529萬(wàn)m3，平均每年增幅約為1746萬(wàn)m3；該上升趨勢(shì)主要是由氣候變化導(dǎo)致。遼陽(yáng)市需水量在情景2情況下升高幅度較小，為5765萬(wàn)m3，平均每年增幅約為554萬(wàn)m3；該上升幅度小于情景2，說(shuō)明相對(duì)而言氣候變化對(duì)遼陽(yáng)市需水量的影響大于人類活動(dòng)的變化。將以上情景進(jìn)行平均可知，在平均考慮各情景發(fā)生可能性的情況下，遼陽(yáng)市需水量在2030年將達(dá)到128843萬(wàn)m3，比現(xiàn)狀年升高16022萬(wàn)m3，平均年增高量為1162萬(wàn)m3。由此可見(jiàn)，遼陽(yáng)市在未來(lái)15年內(nèi)的供水壓力較大，一方面，該地區(qū)應(yīng)盡可能采取節(jié)水灌溉、提高用水效率等方式來(lái)有效減少需水量，另一方面可以隨時(shí)采用文章提出的方法對(duì)需水量的變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而更加高效地進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章提出基于綜合概念框架的需水量預(yù)測(cè)方法，并以遼陽(yáng)市為例對(duì)其現(xiàn)狀年需水情況進(jìn)行了重構(gòu)，得到各框架分區(qū)的總體需水量及其分布情況，再采用相同的辦法對(duì)該地區(qū)未來(lái)不同情境下的需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明該方法在需水量預(yù)測(cè)中具有較強(qiáng)的適用性，重構(gòu)結(jié)果表明在現(xiàn)狀年1號(hào)框架分區(qū)(以燈塔市為主)需水量最大，而4號(hào)框架分區(qū)(以弓長(zhǎng)嶺區(qū))需水量小，與實(shí)際情況基本一致。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在平均情景下，遼陽(yáng)市需水量在2030年將達(dá)到128843萬(wàn)m3，比現(xiàn)狀年升高16022萬(wàn)m3，平均年增高量為1162萬(wàn)m3。在以后的研究中，可以從兩個(gè)方面對(duì)該方法的應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)，一是可假設(shè)更多合理的情景，二是可以對(duì)不同情景的發(fā)生概率整合到該分析框架中。

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1007-7596(2016)12-0118-04

2016-11-26

侯鐵錚(1974-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，工程師，從事水文水資源勘測(cè)、整編、論證、評(píng)價(jià)工作。

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