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        濟(jì)南市地表水控制指標(biāo)動(dòng)態(tài)管理研究

        2019-10-21 09:16:57李錫銅曹升樂劉陽劉超
        人民黃河 2019年3期
        關(guān)鍵詞:蓄水量馬爾可夫資源量

        李錫銅 曹升樂 劉陽 劉超

        摘要:“三條紅線”是最嚴(yán)格水資源管理制度的核心,用水總量控制是“三條紅線”之首。用水總量控制指標(biāo)由地表水控制指標(biāo)和地下水控制指標(biāo)兩部分組成。為研究地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理方法,以國家分配的地表水用水總量控制指標(biāo)為基礎(chǔ),建立不同頻率年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系:利用馬爾可夫過程理論,推斷預(yù)報(bào)年的降水豐枯情況及年降水量,確定預(yù)報(bào)年的地表水控制指標(biāo):結(jié)合預(yù)報(bào)年年初地表水蓄水量,對(duì)預(yù)報(bào)年的地表水控制指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。以濟(jì)南市為例,給出了地表水控制指標(biāo)動(dòng)態(tài)管理過程,最終確定濟(jì)南市2017年地表水控制指標(biāo)為2.39億_3,原制定濟(jì)南市2017年地表水控制指標(biāo)為3.60億_3,兩者差異明顯。

        關(guān)鍵詞:用水總量:控制指標(biāo):地表水;濟(jì)南市

        中圖分類號(hào):TV213.4

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi:10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.016

        水是生命之源,是人類生活和社會(huì)發(fā)展中無法替代的資源,也是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的要素。隨著我國人口的增長與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)水資源的需求越來越大,水資源缺乏問題日益突出。為此,2011年中央一號(hào)文件明確提出實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度,制定用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”[1]。用水總量控制是“三條紅線”之首,用水總量控制指標(biāo)的合理確定是水資源可持續(xù)利用、區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本保障。

        在取用水總量控制方面,國外部分學(xué)者對(duì)河流最大允許取水量進(jìn)行了廣泛研究,如D.L.Blanc等[2]預(yù)測(cè)了撒哈拉沙漠南部地區(qū)未來的缺水量:L- Collet等[3]通過構(gòu)建水資源綜合模型,評(píng)估了地中海地區(qū)中尺度流域的最大可供水量?!叭龡l紅線”具有鮮明的中國特色,陳軍等[4]根據(jù)西雙版納地區(qū)的實(shí)際情況,構(gòu)建了西雙版納“三條紅線”控制指標(biāo)體系:陳方等[5]基于用水總量控制紅線,構(gòu)建了太湖流域用水總量控制指標(biāo)體系;劉淋淋等[6]通過對(duì)狹義、廣義及嚴(yán)格意義地表(地下)水資源可利用量的對(duì)比分析,提出了用水總量控制指標(biāo)的確定方法。目前,我國各流域水行政主管部門建立了比較完善的水資源管理體系。黃河流域水量調(diào)度及用水總量控制的工作開展較早,為用水控制指標(biāo)的制定提供了許多可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)[7]。

        目前,我國各地區(qū)未來一段時(shí)間的用水總量控制指標(biāo)均按國務(wù)院辦公廳2013年印發(fā)的《實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》規(guī)定再分配得到,為一固定值。筆者認(rèn)為該控制指標(biāo)(特別是地表水的控制指標(biāo))應(yīng)隨年降水量(地表水資源量)的豐枯而變化,同時(shí)受年初地表水蓄水量的影響?;诖?,本文對(duì)地表水控制指標(biāo)的確定方法進(jìn)行研究。

        1 地表水控制指標(biāo)的確定方法

        首先確定年降水量與地表水資源量的關(guān)系,根據(jù)分配的地表水控制指標(biāo),得到年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系:通過加權(quán)馬爾可夫模型預(yù)測(cè)年降水量,確定地表水控制指標(biāo):最后結(jié)合年初蓄水量對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

        1.1 年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系

        地表水資源量的多少取決于年降水量的大小,而地表水的控制指標(biāo)應(yīng)以地表水資源量為基礎(chǔ)??紤]到降水量年際差異,豐水年降水量大,對(duì)應(yīng)的地表水資源量多,則地表水控制指標(biāo)理論上應(yīng)大一些:枯水年降水量小,對(duì)應(yīng)的地表水資源量少,則地表水控制指標(biāo)理論上應(yīng)小一些。因此,首先分析年降水量與地表水動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)的關(guān)系。

        1.1.1 年降水量與地表水資源量關(guān)系確定

        利用年降水量序列,用適線法確定年降水量頻率曲線,進(jìn)而確定不同頻率的年降水量。據(jù)此建立年降水量與地表水資源量的關(guān)系方程,并推求不同頻率年降水量對(duì)應(yīng)的地表水資源量。

        1.1.2 年降水量與地表水控制指標(biāo)關(guān)系確定

        年降水頻率為50%即平水年時(shí)的降水量對(duì)應(yīng)國家規(guī)定的地表水控制指標(biāo)。年降水頻率小于50%(即豐水情況)時(shí),地表水控制指標(biāo)原則上由地表水資源可利用量確定,以年降水頻率5%(豐水年上限值)時(shí)對(duì)應(yīng)的地表水資源量的40%為地表水控制指標(biāo)的上限值:年降水頻率為5% - 50%時(shí),地表水控制指標(biāo)呈線性變化,起點(diǎn)為地表水的控制指標(biāo),終點(diǎn)為地表水控制指標(biāo)的上限值。年降水頻率大于50%(即枯水情況)時(shí),地表水控制指標(biāo)原則上由地表水可供水量確定。分別確定年降水頻率75%(偏枯年降水量)和95%(枯水年下限值)時(shí)的可供水量,即為年降水頻率為75%和95%時(shí)對(duì)應(yīng)的地表水控制指標(biāo)。年降水頻率為50% - 75%和75%- 95%時(shí),地表水控制指標(biāo)同樣呈線性變化。因此,降水頻率從95%到5%,年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系為3段分段函數(shù)。

        1.2 年降水量預(yù)測(cè)

        在制定用水控制指標(biāo)時(shí)需要對(duì)當(dāng)年的降水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。年降水量序列可以通過多元線性回歸[8]、灰色系統(tǒng)[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、馬爾可夫模型、模糊理論[11]等數(shù)值模擬方法來進(jìn)行預(yù)測(cè)。相對(duì)于其他預(yù)測(cè)方法,馬爾可夫模型是典型的定量預(yù)測(cè)方法,適用于中短期預(yù)測(cè),且預(yù)測(cè)結(jié)果精度較好[12],因此本文采用馬爾可夫模型來預(yù)測(cè)年降水量的豐枯情況。

        1.2.1 馬爾可夫模型介紹

        馬爾可夫模型是一種以概率論和隨機(jī)過程理論為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來分析客觀對(duì)象發(fā)展變化過程的一種方法[13]。它最重要的特點(diǎn)是“無后效性”,要確定將來的狀態(tài),只需知道現(xiàn)在的狀態(tài)即可。馬爾可夫模型的統(tǒng)計(jì)特性完全由它的初始分布和轉(zhuǎn)移概率確定[14]。對(duì)于離散型序列有:

        1.2.2 馬爾可夫模型預(yù)測(cè)年降水量的基本步驟

        (1)區(qū)間的劃分及豐枯狀態(tài)確定。用均值標(biāo)準(zhǔn)差法將降水序列分為枯水、偏枯、平水、偏豐和豐水5個(gè)狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)空間狀態(tài)1、2、3、4、5。

        (2)轉(zhuǎn)移矩陣的確定。按上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定降水序列中各年降水量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài),利用式(1)和式(2)對(duì)所得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,可得不同步長馬爾可夫模型的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

        (3)計(jì)算年降水序列的各階自相關(guān)系數(shù)“及各步長的權(quán)重wk。

        自相關(guān)系數(shù)rk計(jì)算公式為

        1.2.3 均值標(biāo)準(zhǔn)差法

        水文序列的豐枯區(qū)間劃分有很多種方法,如要素距平值法、均值標(biāo)準(zhǔn)差法、保證率法、集對(duì)分析法等。結(jié)合各方法優(yōu)缺點(diǎn)、適用性及研究區(qū)實(shí)際情況,本文采用均值標(biāo)準(zhǔn)差法。

        均值標(biāo)準(zhǔn)差法同時(shí)考慮了均值和方差的影響,其通用劃分標(biāo)準(zhǔn)為x+bs(x為水文序列均值、s為水文序列標(biāo)準(zhǔn)差、b為系數(shù))。

        運(yùn)用均值標(biāo)準(zhǔn)差法將豐枯狀態(tài)按照枯水、偏枯、平水、偏豐、豐水5級(jí)劃分,常見劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        1.3 地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

        根據(jù)預(yù)測(cè)的年降水量確定當(dāng)年地表水控制指標(biāo)后,需對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。地表水用水指標(biāo)的確定不僅要考慮年降水量的影響,而且應(yīng)反映年初蓄水量的多少,地表水蓄水量用水庫與湖泊的蓄水量來表示。

        分析年初地表水蓄水量長序列資料,確定年初地表水合理的蓄水量值(可采用地表水年初蓄水量的多年平均值)。當(dāng)年初的地表水蓄水量小于合理的蓄水量時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小當(dāng)年地表水指標(biāo):當(dāng)年初的地表水蓄水量大于合理的蓄水量時(shí),可適當(dāng)增加當(dāng)年地表水指標(biāo)。減?。ɑ蛟龃螅┑木唧w值應(yīng)以年初地表水蓄水量對(duì)應(yīng)的可利用量為基礎(chǔ)綜合確定,同時(shí)考慮蒸發(fā)和滲漏的影響。

        依據(jù)預(yù)測(cè)得到的年降水量推求地表水控制指標(biāo),并結(jié)合年初蓄水量對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整的方法稱為地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理方法。

        2 應(yīng)用實(shí)例

        以山東省濟(jì)南市為例,對(duì)2017年地表水控制指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理研究。濟(jì)南市水資源主要來自大氣降水和過境河流,由當(dāng)?shù)氐乇硭⒌叵滤涂退M成。濟(jì)南市水資源具有總量不足、年際變化大、年內(nèi)分配不均和地域分布不均等特點(diǎn)。濟(jì)南市為資源性缺水地區(qū),是全國重點(diǎn)缺水城市之一。濟(jì)南市多年平均降水量為645.6 mm,多年平均水資源量為15.70億m3,其中地表水資源量為7.94億m3。由山東省用水總量控制指標(biāo)確定的濟(jì)南市2017年地表水的控制指標(biāo)為3. 60億m3。

        2.1 濟(jì)南市年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系

        2.1.1 濟(jì)南市年降水量與地表水資源量的關(guān)系

        濟(jì)南市2000-2016年年降水量與地表水資源量的關(guān)系見圖1,用各種線形進(jìn)行分析、擬合,結(jié)果表明一次函數(shù)的擬合度最高。推求出的年降水量與地表水資源量的回歸方程為

        y= 0.028 5x - 10.622 (R2= 0.936 8)

        (6)

        利用濟(jì)南市1956-2016年降水量序列,確定降水量頻率曲線,適線結(jié)果見圖2。

        由圖2和式(6),可求得濟(jì)南市不同頻率的年降水量及其對(duì)應(yīng)的地表水資源量,結(jié)果見表2。

        2.1.2 濟(jì)南市年降水量與地表水動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)的關(guān)系

        根據(jù)相關(guān)資料,濟(jì)南市降水頻率75%和95%對(duì)應(yīng)的可供水量分別為2.39億m3和1.92億m3。鑒于年降水量與地表水資源量為線性關(guān)系,為方便計(jì)算,將地表水控制指標(biāo)的3段分段函數(shù)分別用線性表示。根據(jù)上述約束條件,可得到濟(jì)南市年降水量與地表水動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)關(guān)系(本文僅分析降水頻率為5% - 95%的情況),見圖3。

        由圖3可得到年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系:

        Yi= 0.004 lx+0.142 (402.2

        y2= 0.013 3x-4.918 (537.9

        y3= 0.009 3x-2.372 (639.2

        2.2 濟(jì)南市2017年降水量預(yù)測(cè)

        (1)區(qū)間劃分及豐枯狀態(tài)確定。對(duì)濟(jì)南市1956-2016年年降水量序列進(jìn)行分析計(jì)算,得到年降水量序列均值x= 645.64 mm,標(biāo)準(zhǔn)差s=153.64 mm。用均值標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行區(qū)間劃分,結(jié)果見表3。年降水量豐枯狀態(tài)劃分結(jié)果見表4。

        (2)轉(zhuǎn)移矩陣的確定。依據(jù)狀態(tài)序列,生成一步轉(zhuǎn)移概率矩陣:

        二至五步的轉(zhuǎn)移概率矩陣根據(jù)式(2)計(jì)算。

        (3)計(jì)算年降水序列的各階自相關(guān)系數(shù)rk及各步長的權(quán)重。應(yīng)用式(3)計(jì)算年降水量序列的各階自相關(guān)系數(shù)rk,應(yīng)用式(4)計(jì)算各步長權(quán)重。計(jì)算結(jié)果見表5。

        (4)預(yù)測(cè)概率的計(jì)算。以濟(jì)南市2012-2016年的年降水量為初始狀態(tài),結(jié)合其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,對(duì)2017年降水狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。將同一狀態(tài)的預(yù)測(cè)概率加權(quán)和作為降水量處于該狀態(tài)下的預(yù)測(cè)概率,計(jì)算結(jié)果見表6。

        (5)預(yù)測(cè)狀態(tài)及控制指標(biāo)的確定。由表6可知,max{pi}=0.282 6,此時(shí)i=l,即預(yù)測(cè)濟(jì)南市2017年為枯水年,對(duì)應(yīng)的年降水量為445. 87 mm(取濟(jì)南市1956-2016年降水序列中枯水年份降水量的平均值)。

        2.3 地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

        根據(jù)濟(jì)南市年降水量與地表水控制指標(biāo)的關(guān)系,可得出濟(jì)南市2017的年降水量445.87 mm對(duì)應(yīng)的地表水控制指標(biāo)為1.97億m3。對(duì)濟(jì)南市2001-2017年年初水庫與湖泊的蓄水量序列進(jìn)行計(jì)算,均值為0.90億m3:濟(jì)南市2017年年初水庫與湖泊的蓄水量為1.42億m3(考慮蒸發(fā)與滲漏的影響,系數(shù)為0.8),地表水控制指標(biāo)可增加0.42億m3。因此,最終確定濟(jì)南市2017年地表水控制指標(biāo)為2.39億m3,與根據(jù)山東省用水總量控制指標(biāo)確定的濟(jì)南市2017年地表水控制指標(biāo)為3.60億m3相比少了1.21億m3,說明年降水量以及年初水庫與湖泊的蓄水量對(duì)地表水控制指標(biāo)的影響較大,地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理研究有實(shí)際意義。

        3 結(jié)語

        (1)以國家分配的地表水用水總量控制指標(biāo)為基礎(chǔ),通過研究預(yù)報(bào)年的降水年型和地表水年初蓄水量對(duì)地表水控制指標(biāo)的影響,提出了地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理方法。并以濟(jì)南市為例,對(duì)其2017年地表水資源量的控制指標(biāo)提出了具體調(diào)整方案。通過調(diào)整后的地表水控制指標(biāo)與原分配指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比可以看出,兩者差異明顯,說明地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理研究有實(shí)際意義。

        (2)地表水控制指標(biāo)的動(dòng)態(tài)管理方法適用于我國北方大部分地區(qū),對(duì)于充分利用地表水資源、保障地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,對(duì)其他地區(qū)地表水總量控制指標(biāo)的制定具有借鑒意義。

        (3)地表水控制指標(biāo)的確定受多種因素的影響,目前這方面的研究成果不多。本文僅考慮了預(yù)報(bào)年的降水年型和年初地表水蓄水量,下一步需要對(duì)該方法進(jìn)行深入研究。

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