基于水庫(kù)群調(diào)節(jié)的水資源承載力研究

文 聘

(四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 640000)

0 引 言

我國(guó)20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究氣候變化對(duì)水資源的影響，包括氣候變化對(duì)于流域內(nèi)水量平衡、城市供水需求、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水量的影響。截至2017年5月18日，深圳市累計(jì)登記的流動(dòng)人口為1 200.55萬(wàn)，加上常住人口246萬(wàn)，深圳總?cè)丝跒? 446.55萬(wàn)。深圳市是全國(guó)7個(gè)嚴(yán)重缺水城市之一，據(jù)了解，2016年，深圳市降水量2 721.33 mm，水資源總量30.40億m3，人均占有的水資源量只有全國(guó)平均水平的1/12，。目前深圳市90%的用水量靠境外引水，由深圳市水務(wù)局提供的一項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，與南方大城市人均綜合生活用水相比，全市人均用水量458.62L/d；城市居民人均生活用水量165.59 L/d，大大超過(guò)南方大城市人均綜合生活用水261 L/d的平均水平[1，2]。所以研究深圳市近期條件下的水資源供需關(guān)系具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水資源承載力概念綜述

水資源承載力(WRCC)是承載力概念與水資源領(lǐng)域的自然結(jié)合，水資源承載能力是指某一地區(qū)的水資源，在一定社會(huì)歷史和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，最大可承載(容納)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一完善的定義。就國(guó)外而言，美國(guó)的URS公司[3]對(duì)佛羅里達(dá)keys流域的承載力研究時(shí)曾涉及到承載力的定義。國(guó)內(nèi)水資源承載力已廣泛應(yīng)用于研究缺水地區(qū)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市及整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的水資源供需平衡分析，以下是我國(guó)一些學(xué)者對(duì)水資源承載力概念的分析理解：

張保成[4]等人對(duì)水資源承載力概念進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)整理，以徐有鵬、施雅風(fēng)、阮本青等人提出的概念使用的更為廣泛。

何梓霖等人提出[5]：水資源承載力是指某一區(qū)域在特定歷史階段的特定技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平條件下，以維護(hù)生態(tài)良性循環(huán)和持續(xù)發(fā)展為前提，當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)可支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)規(guī)模和具有一定生活水平的人口數(shù)。

段春青[6]等人提出：區(qū)域水資源承載力定義為“區(qū)域在一定經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科術(shù)發(fā)展水平條件下，以生態(tài)、環(huán)境健康發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展協(xié)調(diào)為前提，區(qū)域水資源系統(tǒng)能夠支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)?！?。

Daily G C.[7]提出社會(huì)經(jīng)濟(jì)質(zhì)量與可持續(xù)發(fā)展和地球承載力之間的關(guān)系。

張俊成等人[8]提出按照可持續(xù)發(fā)展的思路，在—定的區(qū)域內(nèi)，以一定的水資源開(kāi)發(fā)利用水平為基礎(chǔ)，以可預(yù)見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以維護(hù)生態(tài)、環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，在一定的時(shí)間考察序列內(nèi)(應(yīng)不少于10年)，以保證水資源對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口等方面的支撐為持續(xù)平衡增長(zhǎng)的前提下，水資源可以達(dá)到的最大支撐能力。

夏軍[9]等通過(guò)分析城市化對(duì)地區(qū)水循環(huán)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)與環(huán)境的影響，探討了城市化地區(qū)水資源承載力的內(nèi)涵和特性。

綜上所述，本文提出水資源承載力指某一地區(qū)的水資源(主水和客水)，考慮水庫(kù)調(diào)節(jié)，合理的調(diào)配水資源，使其承載工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生存以及生態(tài)環(huán)境等最大能力。

水資源承載力研究以流域、地區(qū)、城市研究為主要對(duì)象，本文以深圳市中西部為對(duì)象，并按照“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”原理建立模型，進(jìn)行綜合性研究。

2 基于“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”的水資源承載力模型的構(gòu)建

目前，關(guān)于水資源承載力這方面的研究方法很多，有模糊綜合評(píng)價(jià)方法、主成分分析法[10]、常規(guī)趨勢(shì)法、多目標(biāo)分析方法、物元模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、投影尋蹤評(píng)價(jià)模型等[11]。本文基于“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”的原理來(lái)研究深圳市水資源承載力問(wèn)題。

協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的原理是：盡可能提高水資源利用率，減少水資源損失，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)相統(tǒng)一發(fā)展模式。所以本文討論了用水功效系數(shù)的概念。用水功效系數(shù)反映一個(gè)地區(qū)或者用水部門對(duì)水資源的利用程度，也可以反應(yīng)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平。

“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”模型分為5個(gè)步驟：①確定水庫(kù)的庫(kù)容V，m3；②確定城市供水量W(g)，m3；③確定城市綜合需求量r，m3；④求解城市綜合用水功效系數(shù)U[5]；⑤求解城市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值G，元；⑥建立“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”模型。

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

(2)

(3)

水庫(kù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

Vm(t+1)=Vm(t)+W入庫(kù)(t)-W出庫(kù)(t)

(4)

W=W1+W2+…+Wn

(5)

3 深圳市中西部水資源承載力的估算與評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)基本概況

本文以深圳市中西部為研究對(duì)象，其中包括：寶安、南山、福田三大區(qū)，其面積分別為：79 km2、151 km2、733 km2，總面積963 km2。截止到2010年，深圳市福田區(qū)、寶安區(qū)、南山區(qū)總?cè)丝跀?shù)為718.33萬(wàn)[12]。深圳市中西部主要水源為自產(chǎn)水和境外引水，境外引水的比例約占特區(qū)內(nèi)淡水供水總量的90%。

3.2 本地來(lái)水

本地來(lái)水主要以深圳市石巖水文站[13]1970～2005年的降雨資料作為全區(qū)域的降雨；多年平均降雨量為1 615.57 mm；月平均值為133.10 mm，見(jiàn)表1。根據(jù)多年降雨資料，得到深圳市中西部各水庫(kù)的自產(chǎn)水量，見(jiàn)表2。

公明水庫(kù)自產(chǎn)水和蒸發(fā)滲漏損失基本上抵消了，并且公明水庫(kù)是個(gè)備用水庫(kù)，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的供水水廠，所以本地自產(chǎn)水和對(duì)應(yīng)水廠供水規(guī)模供水按0計(jì)算。

3.3 境外來(lái)水

境外引水近期主要是通過(guò)北線引水工程給深圳市中西部地區(qū)供水，在97%的供水保證率下，北線引水量為3.50億m3/年。遠(yuǎn)期則要加大北線引水并與西線引水工程結(jié)合供水。

表1 石巖水文站1970～2005年降雨量 mm

表2 本地多年平均來(lái)水量及2010年水廠供水規(guī)模 108m3

3.4 城市需水量

深圳市中西部城市各部門現(xiàn)狀(2010年)需水量之和，以各水庫(kù)對(duì)應(yīng)水廠的供水規(guī)模為準(zhǔn)，總和3.713億m3/年，見(jiàn)表2。按現(xiàn)狀的用水要求，通過(guò)“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”模型中(4)式和(5)式，對(duì)水庫(kù)群進(jìn)行長(zhǎng)系列聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度計(jì)算，是多年調(diào)節(jié)水庫(kù)蓄豐補(bǔ)枯，即水庫(kù)豐水年蓄多余不用的水，等到枯水年再向城市供水。得出水資源供、需平衡關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 深圳市中西部長(zhǎng)系列水資源供、需平衡計(jì)算結(jié)果 108m3

深圳市中西部1970～2005多年平均總可供水量約為3.713億m3，按2010年城市需水量3.713億m3，多年平均需水量3.713億m3?？梢钥闯瞿壳暗墓┧炕緷M足2010年的用水需求，結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值平均值與城市綜合用水平均值之比、確定出各區(qū)相應(yīng)供水量，通過(guò)式(2)計(jì)算出相應(yīng)的城市綜合用水功效系數(shù)，見(jiàn)表4。通過(guò)(3)式從而計(jì)算出深圳市水資源承載力，見(jiàn)表5。

U值是指地區(qū)生產(chǎn)總值/對(duì)應(yīng)的用水量，隨著U值的增大，城市越富裕，見(jiàn)表4。表5是對(duì)深圳市水資源承載力分析結(jié)果，在溫飽型條件下，寶安區(qū)、福田區(qū)、南山區(qū)基本屬于缺載狀態(tài)，在全面小康型條件下，福田區(qū)、南山區(qū)屬于弱度超載，寶安區(qū)屬于高度超載，超載值為127.86萬(wàn)人左右。在初步富裕型條件下，福田、南山基本屬于弱度超載，寶安區(qū)屬于高度超載，超載值達(dá)到了138萬(wàn)人左右。

表4 深圳市中西部各區(qū)用水功效系數(shù)(U值)

表5 深圳市水資源承載力[14，15] 經(jīng)濟(jì)—億元，人口—萬(wàn)人

4 結(jié)論與討論

本文建立的“協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”模型分析計(jì)算出深圳市中西部福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)溫飽型、全面小康型、初步富裕型的水資源承載力狀況。結(jié)果表明：在水平年，深圳市中西部水資源量最多只能滿足現(xiàn)狀(2010)年的初步富裕型用水要求，能夠達(dá)到供需平衡狀態(tài)，不缺水；同時(shí)各區(qū)的超載人數(shù)也在不斷的增多。在枯水年，深圳市中西部承載力人口肯定小于平水年承載力人口。因此為了保持深圳市中西部供水量的穩(wěn)定性，本文提出以下幾方面的建議：

(1)創(chuàng)建節(jié)水型城市，努力開(kāi)發(fā)利用新水源，大力發(fā)展節(jié)水技術(shù)，建立供水、中水回用和污水處理的良性運(yùn)行體系，提高水資源的利用率；

(2)建立完善水資源開(kāi)發(fā)利用的管理體系，達(dá)到水資源的可持續(xù)發(fā)展，為深圳市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提供持續(xù)、可靠的水資源保證；

(3)因?yàn)樯钲谑兄形鞑克粗饕恳詾榱朔乐股钲谑邪l(fā)生突發(fā)性事件，深圳市應(yīng)做好儲(chǔ)備水庫(kù)的應(yīng)急供水預(yù)案——公明水庫(kù)；

(4)要滿足遠(yuǎn)期(2020)需水要求：利用公明水庫(kù)的調(diào)節(jié)機(jī)制，配合其他3個(gè)水庫(kù)進(jìn)行混聯(lián)水庫(kù)群調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水資源合理有序利用。

(5)由于數(shù)據(jù)有限，本文沒(méi)有從水環(huán)境污染方面考慮水資源承載力問(wèn)題，所以在此方面有待提高。