曹永強,李玲慧

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

水資源是人類生存和經(jīng)濟社會發(fā)展的物質基礎，是不可替代的重要自然資源[1]。中國是世界上嚴重缺水的國家之一，缺水狀況十分嚴重[2]。北京市是典型的資源型缺水城市，一直以來存在著水資源供不應求、對外來水源依賴性大等問題，這樣的局面對于城市建設及經(jīng)濟發(fā)展有著很大制約[3]。在多次臨時性調水工程的緩解下，近年來，北京市在城市供水的水源結構、供水系統(tǒng)網(wǎng)絡、需水格局等方面都發(fā)生了顯著變化[4-5]。為充分利用現(xiàn)有水資源，建立適應復雜水環(huán)境的區(qū)域水資源配置體系，保障北京市社會經(jīng)濟的發(fā)展，亟須對新形勢下北京市城市水源的配置進行研究。

水資源優(yōu)化配置一直以來是國內外的研究熱點，關于水資源優(yōu)化配置模型的開發(fā)和應用成果十分豐碩。Willis等[6]構建了地表水-地下水溝壑規(guī)劃模型。Andrew等[7]為適應規(guī)劃周期內的不確定性，采用隨機非線性規(guī)劃方法構建了多目標多周期水資源配置模型，并將該模型應用于澳大利亞昆士蘭州東南部。林春坤[8]在生態(tài)需水量的基礎上，初步開發(fā)了用于永定河的多水源配置綜合調控模型。邵玲玲等[9]基于分散優(yōu)化方法建立了流域水資源配置模型，并將配置結果與集中優(yōu)化配置結果進行對比，發(fā)現(xiàn)分散優(yōu)化配置模式更加符合漳河流域的管理目標。以上這些模型大多僅從自然水循環(huán)或社會水循環(huán)單方面進行水資源配置模擬，對于自然-社會二元水循環(huán)模式及其間的互饋機理的相關探討還有待深入。

許多學者針對北京市進行了水資源配置研究。例如，楊勇等[10]對北京市門頭溝區(qū)2020年及2035年供需水量進行預測，并利用二次平衡法進行水資源配置，結果表明2020年和2035年門頭溝區(qū)可供水量均能滿足需水要求。宋萬禎等[11]通過對2035年情景下北京市需水和可供水量的結構化分析，發(fā)現(xiàn)偏枯年份下北京將面臨9.7億m3的用水缺口。以往的研究為北京市水資源供需平衡及未來情景模擬方面提供了豐碩的成果，但同時結合區(qū)域水資源供需平衡及自然-社會二元水循環(huán)理論進行北京市水資源配置的相關研究較少，而水資源綜合模擬與調配一體化模型(water allocation and simulation model , WASS模型)恰好能彌補這一不足。該模型是由桑學鋒等[12]研發(fā)出的一種基于二元水循環(huán)理論和水資源配置理論的水資源動態(tài)模擬與配置模型。該模型將自然水循環(huán)與社會水循環(huán)過程有機結合，實現(xiàn)了水資源系統(tǒng)的動態(tài)反饋，有效彌補了以往模型的弊端[13]，適用于區(qū)域水資源的數(shù)量計算和組成分析，進而實現(xiàn)水資源均衡開發(fā)利用。此外，雖然WAS模型適用范圍較廣，但現(xiàn)階段國內的應用較少，尤其是針對北京市的研究比較稀缺。因此，本文在充分探討北京市水資源供需平衡情況的基礎上，選用WAS模型對北京市水資源進行動態(tài)模擬，深入分析區(qū)域自然-社會二元水循環(huán)模式及其互饋機理。研究成果不僅為模型的應用及北京市水資源優(yōu)化配置研究提供新的參考，也為區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和水聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原的西北部，處于東經(jīng)115°20′～117°30′，北緯39°28′～41°05′之間，屬溫帶大陸性季風氣候[14]。1980—2018年多年平均降水量538.1 mm，潛在蒸散發(fā)量792.7 mm。北京市供水水源包括地表水、地下水、再生水、南水北調和應急水源等[15]。多年平均地表水資源量11.6億m3，地下水資源量19.1億m3，外調水資源量12.6億m3。用水量主要包括生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水及生態(tài)用水[16]。多年平均生活用水量9.2億m3，工業(yè)用水量7.2億m3，農業(yè)用水量12.3億m3，生態(tài)用水量2.4億m3。北京市土地利用類型主要以林地為主，占研究區(qū)總面積的46%以上；其次為居工地，占比約16%；旱地、小麥玉米、草地、蔬菜占比依次靠后；最少是園地和水域。最后兩種土地利用類型未超過總面積的5%。

2 材料與方法

2.1 水資源供需量計算

a.需水量計算。本文按照以往研究成果，將水資源需求量分為實部與虛部，實部代表本區(qū)域的生活和生態(tài)用水，虛部為支撐生活生態(tài)的生產及服務用水，包括衣食住行各方面，具體計算方法參考文獻[17-18]。所需計算數(shù)據(jù)取自《北京市水資源公報》及《北京統(tǒng)計年鑒》，時間尺度為2007—2018年。其中，食品虛擬水中涉及的農產品相關虛擬水計算，采用Penman-Monteith公式計算[19]；動物產品相關的虛擬水計算以統(tǒng)一值為準[20](表1)。

表1 單位農產品和動物產品虛擬水 單位：m3/kg

b.供水量計算。本文將供水量按照藍水和綠水的定義進行分類研究。其中，藍水為降水過程中形成的地表水和地下水，綠水為降水過程中滲透到非飽和土壤層中作用于植物生長的水[21-23]。藍水供水量計算所需數(shù)據(jù)主要來源于2007—2018年《北京市水資源公報》，綠水供水量的計算參考文獻[24]中北京市直接降水利用量。

2.2 WAS模型所需數(shù)據(jù)及計算

a.氣象數(shù)據(jù)。降水及蒸發(fā)等相關氣象資料采用北京市內及鄰近的20個氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)，時間尺度為1980—2018年，采用泰森多邊形法[25-26]得到16個計算單元面降水量及面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。其中，日降水而無產流的情況參照文獻[10-11]，結合北京實際情況進行日有效降水分析處理：

Pdy=Pd0αdf

(1)

式中：Pdy為日有效降水量；Pd0為日實際降水量；αdf為不同日降水強度產水修正系數(shù)。根據(jù)區(qū)域降水資料和水文斷面流量對比分析，發(fā)現(xiàn)日降水10 mm以下基本不產流，降水與產流表現(xiàn)為指數(shù)關系，擬合公式為

b.經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)。經(jīng)濟社會用水資料取自海河水利網(wǎng)(http://www.hwcc.gov.cn)及《北京市水資源公報》《海河流域水資源公報》等資料，時間尺度為1980—2018年。

3 結果與分析

3.1 北京市水資源供需平衡分析

3.1.1北京市需水量變化趨勢

以2007—2018年北京市水資源供需結構為基礎，對其水資源供需關系進行核算，分析其進口與出口虛擬水的情況，各行業(yè)需水情況如表2所示?？傮w來看，2007—2018年北京市需水量實部整體呈逐年遞增趨勢，速率為1.330億m3/a，年均需水量實部為23.38億m3/a。具體來看，2007—2018年北京市衣著、食品、居住、交通虛擬水含量均呈逐年遞增的態(tài)勢，年均值依次為5.99億m3、84.39億m3、29.62億m3、43.57億m3。近年來，不斷提速的城市化使城市人口數(shù)量顯著增加，加之科技和社會的不斷進步，居民在衣食住行各類的消費結構逐漸由單一化趨向多樣化，使得城市各類虛擬水增長速度及水量均有所增加。

表2 2007—2018年北京市需水情況 單位：億m3

3.1.2北京市供水量變化趨勢

2007—2018年北京市藍水供水量年際變化如圖1所示，可見其以0.466億m3/a的速率顯著增長，年均藍水供水量為36.85億m3。目前，北京市水資源總量持續(xù)減少，水資源供需矛盾愈發(fā)劇烈，水資源承載能力有所降低。隨著人口增長和經(jīng)濟規(guī)模的擴大，生活用水量持續(xù)增長，我國開始實施南水北調工程，此后藍水供水量逐步增加，有效緩解了水資源短缺問題。2007—2018年北京市年均綠水供水量為15.90億m3。近年來，北京市降水量遠少于當?shù)厮Y源量，表明該地區(qū)對外水依賴性較強，其經(jīng)濟發(fā)展還有賴于附近地區(qū)的供水。

圖1 北京市藍水供水量

3.1.3北京市需水缺口變化趨勢

2007—2018年北京市水資源需求缺口變化情況如圖2所示，圖中需水缺口為負值表明實際供給小于需求，說明維持本地生存發(fā)展需要外地虛擬水的輸入。2007—2018年北京市需水缺口以18.394億m3/a的速率顯著增大，年均水資源缺口為165.20億m3。結合上文對供需水量的分析可知，盡管2007—2018年北京市供水量呈上升趨勢，但其增長速率遠小于需水量，這也反映出水資源開發(fā)管理模式一直以來無法滿足城市化建設和經(jīng)濟的發(fā)展。加之一開始其供水量就少于需水量，導致需水缺口越來越大，北京市水資源出現(xiàn)供不應求的嚴峻局面，對外地來水具有很大依賴性，需識別北京市強人類活動區(qū)水循環(huán)演變規(guī)律特征，優(yōu)化區(qū)域水資源配置模式。

圖2 北京市水資源需求缺口

3.2 WAS模型構建與模擬驗證

3.2.1模型構建

a.模型計算單元劃分。針對北京市河網(wǎng)水系、水利工程特點和區(qū)域單元行業(yè)用水等實際情況，基于WAS模型的原理與方法，構建北京市WAS模型，模型單元采用行政分區(qū)嵌套水資源三級區(qū)進行剖分，劃分出16個基本單元；同時選取北京市18座大中型水庫參與模型構建，水庫及計算單元空間分布如圖3所示；在計算單元基礎上疊加土壤類型、土地利用類型后，最終劃分出157個水文計算單元(表3)。

表3 北京市水庫分布及WAS模型計算單元劃分

圖3 北京市水庫分布及WAS模型計算單元劃分

b.模型參數(shù)調整。模型模擬期為1980—2010年，其中1980—1981年為模型預熱期，1982—1995年為模型參數(shù)率定期，1996—2010年為模型驗證期?？紤]北京市水資源循環(huán)變化和社會歷史取用水實際情況，在水資源配置部分采用規(guī)則的配置方法，以水源供水分配比例系數(shù)為主進行調配水量，模型調參的具體步驟為：①假定整個研究區(qū)水文參數(shù)的初始值，模型調參和驗證期水資源配置部分采用規(guī)則配置方法；②通過斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量、區(qū)域配置供用水總量等指標校驗方法，對率定期(1982—1995年)參數(shù)進行水文參數(shù)調參；③基于率定期調參結果，將參數(shù)帶入驗證期(1996—2010年)，并采用上述計算方法檢驗模型模擬效果，如果效果不理想，重復步驟②；④開展模型模擬與實測數(shù)據(jù)的對比和誤差分析，檢驗模擬效果。當率定期與驗證期模擬效果均滿足要求時，結束模型調參。通過以上調參方法對模型關鍵參數(shù)進行率定與驗證，得到模型關鍵參數(shù)閾值結果如表4所示。

表4 模型關鍵參數(shù)閾值

3.2.2模擬結果驗證

a.自然水循環(huán)模擬驗證。自然水循環(huán)校驗包括斷面流量過程、斷面特征頻率徑流總量，具體計算及驗證方法參考文獻[12-13]。密云水庫為北京市最大的水庫，其控制面積較大，基本可以反映北京市徑流情況，因此選擇密云水庫所在位置作為模型校驗斷面(圖3)。經(jīng)過模型參數(shù)迭代調整，模型模擬與實測過程比對見圖4，調參率定期和驗證期的性能指標見表5。采用相關系數(shù)R2、Nash效率系數(shù)作為 WAS模型河道斷面流量效果的性能指標，通常情況下，R2在0.8～1.0之間表現(xiàn)為極強相關；Nash系數(shù)在0～1之間變化，其值越大表示擬合效果得越好[11]。由表5可知模型精度較高。

圖4 密云水庫模擬徑流與實測徑流對比

表5 模型斷面流量率定驗證結果

以北京市密云水庫地表水資源量作為斷面徑流總量進行驗證，對1982—2010年多年平均和25%、50%、75%典型頻率年下的地表水資源量與模型模擬的地表水資源量計算相對誤差率，模擬效果如表6所示。其中多年平均誤差為7.0%；25%、50%和75%頻率年誤差率分別為4.8%、1.2%和0，模型模擬誤差總體來說較低，具有可信度。綜合斷面流量過程模擬結果，模型模擬結果精度較高，可以滿足水資源評價要求，進行下一步調參。

表6 斷面徑流模擬結果及誤差率

b.社會水循環(huán)模擬驗證?；谏鲜鏊哪Ｐ蛥?shù)率定結果，以2018年北京市各區(qū)需水量為基礎，進行現(xiàn)狀年水資源配置與調配模型參數(shù)模擬驗證。從區(qū)域供水結果(圖5)來看，2018年實際供水量39.3億m3，模擬供水總量38.7億m3，全市水資源配置總量誤差為1.4%。從各區(qū)供水總量來看，誤差最大為大興區(qū)8.4%，誤差最小的是密云區(qū)0.1%；除順義區(qū)、門頭溝區(qū)及大興區(qū)外，其余區(qū)模擬誤差率均低于5%。從各水源供水總量模擬對比結果(圖6(a))來看，再生水和地表水供水誤差相對較大，分別為5.4%和5.0%，外調水和地下水誤差均小于5.0%，其中外調水模擬效果最好，誤差率1.6%。從各行業(yè)供水(圖6(b))來看，生活、工業(yè)、農業(yè)等行業(yè)的配置結果與現(xiàn)狀各行業(yè)供水基本一致，平均誤差在4%以內；將各區(qū)、各水源、各行業(yè)的模擬配置水量結果和實際水量數(shù)據(jù)進行相關性分析，其相關系數(shù)均達到0.99，表明建立的模型較好，可以滿足水資源管理要求。

圖5 北京市各區(qū)供水總量模擬對比

圖6 北京市分水源、行業(yè)供水模擬對比

3.3 北京市自然-社會水循環(huán)轉化分析

為進一步厘清社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的轉化機理，在此基礎上作出北京市不同水循環(huán)下各計算單元產流分布(圖7)。分析可知，北京市地表水空間分布差異較大，整體上中部地區(qū)較低，東部地區(qū)高于西部地區(qū)。基于上下游匯流關系，可以得到在自然水循環(huán)下各計算單元出流量，可知北京市計算單元出流量在空間分布上相對均衡，且由于提水引水工程的實施使得出流量由東北部向西南部遞增。

圖7 北京市不同水循環(huán)下計算單元產流

通過WAS模型模擬得到自然-社會水循環(huán)下北京市計算單元出流量分布情況如圖7(c)所示，對比圖7(b)可以看出，自然-社會水循環(huán)下計算單元實際出流量大多出現(xiàn)了不同程度的下降。結合圖7及北京市自然水循環(huán)與自然-社會水循環(huán)具體水量(表7)分析可知，在考慮自然-社會水循環(huán)后，由于河北省內部社會取水排水，以及水庫的調蓄作用，導致北京入境水量相比僅考慮自然水循環(huán)條件下減少了25.5%，同時由于北京自身存在跨流域調水、社會取水排水及水庫調蓄，在本地產流基本不變的情況下，北京市出境水量減少了15.4%，其中社會排水占總出境水量的32.3%。這主要是社會取用水過程消耗了單元內部大量水，從而導致實際出流量降低，上游單元向下游單元的匯流量也有所減少。但在部分大中型水庫向多個單元供水的調節(jié)功能下，相應單元地表水出流量也有所均衡。

表7 自然水循環(huán)與自然-社會水循環(huán)水量對比 單位：億m3

通過分析研究結果發(fā)現(xiàn)，在供水水源結構復雜、供水用戶多、供水網(wǎng)絡環(huán)路復雜的環(huán)境下，北京市水資源目前存在供需不平衡、需水缺口大、地表水分布不均、外調水依賴性大等問題，水資源配置方案有待優(yōu)化[27]。根據(jù)城市未來水資源供需規(guī)劃要求，結合復雜供水網(wǎng)絡布局、外調水規(guī)劃，未來北京市應進一步推進節(jié)水與非常規(guī)水利用，充分利用地下水庫，加大應急水源，增強供水系統(tǒng)彈性，并根據(jù)新的城市布局完善管網(wǎng)系統(tǒng)，優(yōu)化供水系統(tǒng)調度。此外，北京市供水形勢嚴峻，需水缺口較大，相關部門要提前制定好各種來水水平下的供水保障方案，構建多途徑供水保障體系，保障北京市供水安全。

4 結 論

a.從水資源供需平衡方面來看，2007—2018年北京市需水量整體呈逐年遞增趨勢，年均需水量實部為23.38億m3，衣食住行年均虛擬水含量依次為5.99億m3、84.39億m3、29.62億m3和43.57億m3；藍水供水量為36.85億m3，綠水供水量為16.9億m3；需水缺口顯著增大，多年平均值為165.20億m3。

b.從WAS模型的構建與校驗來看，1982—2010多年平均及25%、50%和75%徑流總量特征頻率年模擬與實測誤差率分別為7.0%、4.8%、1.2%和0；2018年全市水資源配置總量誤差為1.4%；各區(qū)、各水源、各行業(yè)的模擬配置水量結果和實際水量數(shù)據(jù)相關系數(shù)均達0.99以上，模擬結果精度較高。

c.北京市地表產流空間分布差異較大，整體上中部地區(qū)較低，東部地區(qū)高于西部地區(qū)；自然水循環(huán)下出流量相對均衡，由東北部向西南部遞增；自然-社會水循環(huán)下實際出流量出現(xiàn)不同程度的下降。社會用水使入境水量減少了25.5%，出境水量減少了15.4%。