基于綜合概念框架的遼陽市需水量變化趨勢分析

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

基于綜合概念框架的遼陽市需水量變化趨勢分析

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

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

綜合概念框架；遼陽市；需水量；變化趨勢

0 前 言

近幾十年我國的水資源管理策略主要傾向于供給側(cè)，這使得過采地下與地表水資源問題嚴(yán)重，而水庫及渠道的大量建設(shè)也對生態(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響[1]。近幾年，我國水資源管理人員已經(jīng)認(rèn)識到水資源可持續(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水資源配置進(jìn)行優(yōu)化。但是，由于評價過程的復(fù)雜性，目前人們對需水量的了解還很不足。盡管我國大多地區(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，但對于需水量的空間及時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價方法，該方法應(yīng)能夠考慮人類活動以及氣候變化等需水量影響因素，并能夠?qū)π杷康目臻g及時間分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測[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及氣候變化等情況考慮其中，因此可以較為精確地預(yù)測出需水量的時空變化趨勢。為驗證該方法的可行性及便捷性，文章基于該方法對遼陽市的需水量變化趨勢進(jìn)行了分析，首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)重構(gòu)了遼陽市現(xiàn)狀年的需水量，再利用該方法對不同情景下的未來需水量進(jìn)行預(yù)測。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與框架分區(qū)

研究區(qū)域為遼寧省遼陽市，為便于對該市的需水量進(jìn)行分析，將研究區(qū)域分成5個框架分區(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主要包括遼陽縣西部地區(qū)，分區(qū)3主要包括遼陽市區(qū)，分區(qū)4主要包括弓長嶺地區(qū)，而分區(qū)5則主要包括遼陽縣東部地區(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、經(jīng)濟(jì)、氣象等影響因子，可模擬人口增長、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，其中人口包括本地居民，也包括外來的暫住居民；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兩項，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市需水量變化趨勢分析主要包含氣象因子、蒸發(fā)騰發(fā)兩、作物系數(shù)等10項主要參數(shù)，這些參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源以及時空分布處理技術(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)使得已知點處的估算值與實際值之間的均方根差值最小，而均方根差值的計算公式為：

(3)

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

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計算得到其它時間或位置處所對應(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表示某個因變量；α為系數(shù)，xij表示第i個自變量值，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，文章主要采用模糊邏輯法對各向量進(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，并對遼陽市的現(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，遼陽市需水量最多的為1號框架分區(qū)，其年需水量為43884萬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m3，而城鎮(zhèn)用水相對較少，為1317萬m3。遼陽市需水量最少的為4號框架分區(qū)，其年需水量僅為2022萬m3；該框架分區(qū)主要包括弓長嶺區(qū)，因為該地區(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m3、930萬m3，和748萬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號框架分區(qū)，該地區(qū)主要包括遼陽縣東部地區(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嶺地區(qū)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)和工業(yè)等活動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號框架分區(qū)，該地區(qū)主要包括遼陽市區(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)測中具有較強(qiáng)的適用性[7]。

2.2 需水量變化趨勢預(yù)測

由于未來具有較多的不確定性，因此在進(jìn)行需水量變化趨勢預(yù)測時應(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(如人口增長、經(jīng)濟(jì)活動的加強(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變化情況可以通過歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行投射，即通過歷史數(shù)據(jù)得到各影響因素的變化趨勢，再用該趨勢來預(yù)測未來的變化情況。然而，這種預(yù)測(尤其是對于人類活動和大氣變化的預(yù)測)具有較大的不確定下，例如經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對過去可能有所減慢、例如大氣變化可能因人類及時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)測中考慮4種不同的情景。情景1表示人類活動和氣候都繼續(xù)變化；情景2表示人類活動繼續(xù)變化但氣候不再變化；情景3表示人類活動不再變化而氣候繼續(xù)變化；情景4表示人類活動和氣候都不再變化[8]。根據(jù)以上情景對遼陽市未來15a內(nèi)的需水量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表2所示。

表2 不同情景下的遼陽市需水量變化趨勢預(yù)測

由表2結(jié)果可知，除第4種情景外，在其它3中情況下，遼陽市需水量都將呈上升趨勢。截止2030年，遼陽市需水量在情景1情況下升高幅度最大，為32930萬m3，平均每年增幅達(dá)2421萬m3；該上升趨勢主要是受人類活動和氣候變化的雙重影響。遼陽市需水量在情景3情況下升高幅度為25529萬m3，平均每年增幅約為1746萬m3；該上升趨勢主要是由氣候變化導(dǎo)致。遼陽市需水量在情景2情況下升高幅度較小，為5765萬m3，平均每年增幅約為554萬m3；該上升幅度小于情景2，說明相對而言氣候變化對遼陽市需水量的影響大于人類活動的變化。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，遼陽市需水量在2030年將達(dá)到128843萬m3，比現(xiàn)狀年升高16022萬m3，平均年增高量為1162萬m3。由此可見，遼陽市在未來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有效減少需水量，另一方面可以隨時采用文章提出的方法對需水量的變化情況進(jìn)行預(yù)測，從而更加高效地進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。

3 結(jié) 語

文章提出基于綜合概念框架的需水量預(yù)測方法，并以遼陽市為例對其現(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該地區(qū)未來不同情境下的需水量變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明該方法在需水量預(yù)測中具有較強(qiáng)的適用性，重構(gòu)結(jié)果表明在現(xiàn)狀年1號框架分區(qū)(以燈塔市為主)需水量最大，而4號框架分區(qū)(以弓長嶺區(qū))需水量小，與實際情況基本一致。預(yù)測結(jié)果表明，在平均情景下，遼陽市需水量在2030年將達(dá)到128843萬m3，比現(xiàn)狀年升高16022萬m3，平均年增高量為1162萬m3。在以后的研究中，可以從兩個方面對該方法的應(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，遼寧遼陽人，工程師，從事水文水資源勘測、整編、論證、評價工作。

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