基于ET的水资源综合管理规划研究——以山西省介休市为例

　

(山西省水利水电科学研究院， 山西 太原　030002)

基于蒸发蒸腾量(ET)的水资源管理理念是在世行全球环境基金(GEF)海河流域水资源与水环境综合管理项目中首次提出的。基于ET的水资源规划是根据水资源供给情况来确定水资源的需求量[1]。在2001～2005年世行贷款节水灌溉项目准备阶段，提出以“真实节水”为手段，通过ET管理即采取工程[2-3]、农业和管理等综合节水措施，把节水灌溉项目区的耗水量控制在包括降水在内的水资源许可范围内, 使无效ET得以大幅降低，实现了水资源供耗平衡，达到项目区农业增产增收和水资源可持续利用的目标[4-7]。因此，在水资源日益匮乏的情况下，立足于水循环全过程，实施“真实节水”，深入开展以区域ET管理为核心的水资源需求管理，既是对水资源可持续利用的保障，也是对传统水资源管理必要的补充[8]。

随着城市化进程的迅速发展，供水量也随之增长，而耗水量却未得到相应控制，在区域水资源可利用量有限的情况下，为满足社会发展的需要，开始超采地下水，由此引发了一系列的生态环境问题。以往通过工程措施而产生的节水效果主要是减少了取用水量的工程节水，并未能真正解决水资源紧缺问题。因此，在资源型缺水地区提出贯彻执行资源型节水观念与措施，将先进的ET管理理念应用于水资源规划管理中[9-10]，对推进此类地区的水资源可持续利用具有重要意义。以山西省介休市为例，在其水资源日益短缺的情况下，提高水资源利用效率，采用以供定需的模式制定合理的节水措施，从而达到目标ET值，只有这样才能实现水资源的可持续开发利用，以及经济社会与资源、环境的协调发展。

1　研究区概况

介休市位于山西省中部，晋中盆地南端，汾河东岸。境内东南部山峦起伏，沟壑纵横，西北部地势平坦，土地肥沃。市辖10个乡镇，总面积744 km2。属大陆性气候，多年平均降水量497.9 mm，项目区内河流均属黄河流域汾河水系，主要有汾河、龙凤河、樊王河、兴地河等。汾河为最大河流，除兴地河常年有清水流量外，其余支流均属季节性河流。

煤矿是当地支柱产业，主要分布在西部的义棠、绵山及东部的张兰、连福4个乡镇。根据晋中市二次水资源评价，介休市多年(1980～2000年)平均水资源总量为9 720万m3，人均拥有水资源量为220 m3，是全国的 11.0%，全省的 55.4%，属于严重缺水地区。20世纪80年代中期以来，由于地下水的严重超采，导致洪山泉泉水断流，城关-宋古漏斗区向纵深发展加剧。

2　模型构建

2.1　模型选定

水文模型对流域水文过程及水资源状况的模拟都需要流域的实测水文、气象资料作为研究基础，确定水文模型数学方程的结构及其参数的取值范围。然而由于水文站点及气象站点布设对人力、财力、物力及技术的高要求，使得基础资料的获取难度增大。为了利用仅有的资料对介休市水资源状况进行模拟，该研究以分布式时变增益模型(DTVGM)为基础，改进了SWAT产流部分和水循环的参数化机制。主要是对流量参数水量平衡系数(WB)的率定，并用Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)和相关系数(R) 来评估模型在率定过程中的模拟结果。模型的率定就是寻求使模型的模拟值与对应实测值尽可能一致的参数。文中采用SWAT-CUP软件自带的SUFI-2模块进行参数的自动率定。

DTVGM的特点在于将集总式TVGM水文非线性系统模拟通过DEM平台，结合子流域水文模拟，推算分布式流域水循环模拟。该模型具有分布式水文概念性模拟的特征和水文系统分析适应能力强的优点，能够在水文资料信息不完全或者不确定性干扰条件下完成分布式水文模拟与分析，是水文非线性系统方法与分布式水文模拟的一种结合。DTVGM子流域产流模型如下

R(t)=Gs(t)X(t)+Gg(t)API(t)

(1)

DTVGM子流域汇流模型为

Qg2=Rg(1-KKG)U+Qg1KKG

(2)

式中，Gs为流域的产流系数(0≤G(t)≤1.0)；X(t)为实际降雨过程；API为流域土壤前期影响雨量；Qg为出流量；Rg为地表产流过程；KKG为确定线性水库参数；U为折算系数。

2.2　数据库

汾河流域汾河二坝-义棠之间流域改进后的SWAT模型构建采用的空间数据包括DEM、土地利用数据、土壤类型数据。选用的空间数据均采用Krasovsky椭球体，Albers等积圆锥投影，使其可以在同一坐标系下实现叠加分析和模拟计算。土地利用图和土壤类型图均转换为与数字高程模型(DEM)具有同样栅格大小的Grid格式。结合改进后的SWAT模型结构，仅需收齐雨量数据和水文站点的实测逐日流量数据，按照模型要求建立了各项数据库。

2.3　子流域划分

DEM是对地形地貌离散状况的数字表达，也是进行水系生成、子流域划分、水文过程模拟的基础。在Arcgis界面下选择40 000 hm2为临界集水面积，通过对DEM图的处理计算，将义棠以上流域划分为36个子流域，其中的两个子流域涵盖了整个介休市。

2.4　模型参数率定

模型参数的率定是使模型的模拟值与对应实测值尽可能一致，计算结果可比较真实地反映实际情况。考虑到SWAT模型结构的复杂性，土壤、土地利用、植被覆盖属性等参数主要结合SWAT模型自带的数据库中的参数值确定；输入各分区的水资源数据，并根据介休市的实际情况进行参数率定。而流量参数的优选采用自动和手动相结合的方法。

SWAT模型参数众多，总体可以分为两类。第一类可根据参数的物理意义直接标定，如土壤物理属性参数、土地利用、植被覆盖属性参数的取值主要结合SWAT模型自带的数据库中的参数值确定[11]。本文侧重于流域的径流模拟研究，因而第二类参数主要是流量参数的率定。考虑到SWAT模型结构的复杂性，本文采用自动优选和手动优选相结合的方法优选第二类参数。该研究针对产流参数采用3个目标函数进行多目标优化，分别是WB、NSE和R。采用SCE-UA智能算法并基于棠控制站1981～2003年月径流量多目标函数进行改进后SWAT模型的率定。

2个子流域内改进后的SWAT模型的产流参数依托DTVGM分布式时变增益模型的产流机制，以义棠站实测流量进行参数率定。采用智能优化算法，以义棠站(1981～2003年)月径流量为多目标函数，采用改进后SWAT模型的产汇流过程中的产流模型对参数、地下产流系数参数进行率定，区间流域率定出的参数即为子流域的产流参数，可直接用来进行介休市地表水资源状况的模拟。模拟结果为：NSE效率系数为0.863，R为 0.952，WB为1.01，所率定改进后的SWAT模型在汾河二坝-义棠区间流域的适用性良好。

2.5　SWAT模型模拟结果

选取义棠控制站1981～2003年、2004～2013年分别作为SWAT模型的率定期与检验期，依次为 0.863、0.659，模拟值和实测值的R各为 0.95、0.85。

汾河二坝-义棠之间流域整个模拟期(1981～2013年)的SWAT模型模拟的径流结果表明，NSE为 0.842，R为 0.931，因此，所构建的SWAT模型适用性良好。

3　水资源概况

3.1　水资源分区

根据介休市水文地质条件以及地下水补排关系，将其分为3个水资源区，分别是丘陵区隐伏岩溶水系统即城关-宋古地下水漏斗区、洪山泉岩溶水系统以及第四系孔隙水(兴地河岩溶水)系统区，见表1。

表1　介休市水资源分区

根据地下水分区系统，若将地表水利用量保持在2012年水平，地下水水资源量看作为可供水量，则根据水资源分区的需水量情况和现状条件，洪山泉岩溶水以及丘陵区隐伏岩溶水系统的地下水均存在一定的亏缺，说明这两个水资源分区内水资源量难以维持持续的用水需求。第四系孔隙水系统在平水年其水资源量可以满足该地区的用水需求，但是由于该区水资源主要依靠地下水系统进行丰、枯水年调节，水资源开发利用程度较低，具有一定的开发利用潜力。

3.2　水资源量

根据晋中市水资源公报，介休市2012年水资源总量为7 454万m3，其中地表水资源量2 521万m3，地下水资源量5 311万m3，重复计算量378万m3。另外，P=50%和P=75%水文年的水资源量见表2。

供水结构中，2012年水利工程供水量为9 055万m3。其中，地表供水2 410万m3，占总供水量的27%；地下水6 645万m3(90%来自于洪山泉区和漏斗区)，中水利用量150万m3。通过对不同行业用水、耗水、排水现状分析，可以看出，农业灌溉用水、耗水量最大，其次是煤矿与其他工业组成的工业用水量以及农村生活的耗水量(见表3)，因此要控制和减少总用水量以及降低耗水量，改进农业灌溉方式、煤矿用水工艺，增加工业和生活污水中水回用尤为重要。

表2　不同水文年水资源量　万m3

表3　各行业用水、耗水及排水现状　万m3

4　ET值的确定

现状ET和目标ET均采用水量平衡法和模型模拟法计算。

(1)水量平衡法。水量平衡方程：

ET=P+(Is+Ig)-(Ws+Wg)-(Os+Og)

(3)

式中，P为区域内年降水量，万m3；Is和Ig为地表水、地下水年入境流量，万m3；Ws和Wg为年内区域各种地表水和地下水储量的变化量，万m3；ET为年蒸发蒸腾量，万m3；Os和Og为地表水、地下水年出境流量，万m3。

(2)模型模拟法。基于ET的水资源管理研究中， 分为自然ET和社会ET。社会ET是指在水资源利用中损耗的水量，主要包括农业灌溉、生活、工业、城镇公共和生态5个部分。其中：自然ET由SWAT模型模拟计算；社会ET是结合各部门和行业经济社会用水情况求得不同水文年型下的ET值。

4.1　现状ET

现状ET指现状条件下实际发生的区域蒸散发的总和。

(1)水量平衡法。项目区流域面积为744 km2，无大型调蓄水利工程，地表水调蓄能力较小，所以Ws=0；地下水补给主要由降水和河川径流侧向补给，通过有限的地下水补排关系分析，Og-Os近似为零；Os-Is主要由降水径流构成，即为地表径流量；WG根据漏斗区演变和介休市水资源配置规划(2004年)报告及相关研究资料综合给出为704万m3/a。由于缺乏地下水开采和补给数据，P= 50%地下水储量负均衡值近似为704万m3/a。P=75%是采用多年平均负均衡值704万m3/a加上了农业灌溉增加的耗水量为2 136万m3， 值见表4。

表4　水量平衡法估算的ET值

表5　自然和社会分项ET值

表6　基于水量平衡法估算的目标ET值

(2)模型模拟法。经计算，2012年ET值为482 mm，与P=50%的ET值484 mm接近，其中有412 mm为自然环境所消耗，为不可控ET，作为规划水文年的本底值考虑；剩余的70 mm为社会ET，是通过农业灌溉、产品生产等增加的蒸腾蒸发和消耗的水量，约占实际总ET的14%，同样P=50%和P=75%的 值见表5。

水量平衡法和模型模拟法计算出的ET非常接近，因此，采用二者的平均值作为各水文年的实际ET。

4.2　目标ET

目标ET是指在一个特定发展阶段的流域或区域内，以其水资源条件为基础，以生态环境良性循环为约束，满足经济持续向好发展与和谐社会建设要求的可消耗水量。

(1)水量平衡法。主要从区域整体角度出发，依据水循环原理，推求目标ET。现状条件下项目区地下水仍然处于超采状况，地下水漏斗和洪山泉出流也将难以恢复，从逐步稳定和恢复项目区地下水位出发，提出了2020年和2030年2种水文年型的地下水均衡值。2020年优先考虑从第四系孔隙水水资源分区(兴地河区)向丘陵隐伏岩溶地下水系统(城关-宋古漏斗区)补水400万m3/a，计算出P为50%和75% 水文年的目标ET分别为 473.5 mm和417.4 mm；2030年在调水优先满足生活和工业用水的情况下，从外流域调水量为1000万m3，目标ET分别为 472.1 mm和 414.7 mm，地下水漏斗区和恢复洪山泉区到天然状态下约需18 a(见图6)。

(2)模型模拟法。项目区的自然ET是利用分布式水文模型计算，遥感监测模型校核。由于土地利用类型变化总体不大，计算出不同规划年的自然ET相同；在考虑项目区现状条件的基础上，结合其社会发展情况，分别计算出各行业规划年的社会ET值，见表7。

5　供需水预测

5.1　供水预测

以“节水优先，高效用水，适当调水(优先境内调水)”为总体思路。

境内调水预计通过世行贷款节水灌溉二期项目新建的兴地河橡胶坝工程每年可向丘陵隐伏岩溶水系统供水400万m3；外流域调水主要有东山供水和中部引黄工程，其中：东山调水工程可供水量为3 000万m3，中部引黄2020年供水量为1 346万m3，2030年达到1 840万m3。

5.2　需水预测

需水预测包括农业、工业、生活、城镇公共及生态需水5个部分，均采用定额法。其中各行业的需水量、耗水量见表8～11。

表7　不同水文年的目标ET值　mm

表8　规划年不同节水方案农业灌溉总需水量及耗水量　万m3

注：低、中、高节水方案为节水灌溉面积分别占总灌溉总面积的比例。

表9　规划年不同节水方案工业需水量和耗水量 　万m3

注：煤矿低、中、高节水代表节水工艺改造达到的比例；其他工业的低、高节水指耗水系数，2020年、2030年分别为0.2和0.18。

表10　规划年不同节水方案居民生活需水量及耗水量　万m3

注：高、低节水方案中城镇节水器具的可节约水量分别占总用水量的比例。

表12 推荐方案各乡镇需水量及社会ET值

表11　规划年城镇公共、生态需水量及耗水量　万m3

5.3　方案优选及分配

在供需水预测基础上，设置不同规划情景条件下的各行业节水方案，并对其进行方案组合，将农业高、中、低节水作为方案集的主要类别得到了36种水资源规划方案的初始集。通过方案优选，结合介政函[2015]54号文件要求，提出2020年和2030年P=50%、P=75%水文年的推荐方案，即农业中节水、工业和生活均为高节水，据此推荐方案各乡镇的需水量与ET进行分配，作为各乡镇需水总量分配和用水效率考核的依据，见表12。

为确保规划顺利实施，应建立健全各级水资源保护管理机构，制定基于ET管理的水权制度，强化水资源管理体系，实现需水总量(9 500万m3)和地下水净利用量(5 000万m3)及目标ET的控制目标，达到洪山泉区和漏斗区的地下水位在2020年不降低、2030年逐渐回升的目标。

6　结　语

(1)通过基于水量平衡的“自上而下”方法和基于各分项目标ET方法确定了介休市2020年和2030年的目标ET，并经过多次调整，提出了适合介休市实际的目标ET值，实现介休市用水总量和地下水净利用量及目标ET的控制目标，达到洪山泉区和漏斗区的地下水位在2020年不降低、2030年逐渐回升的目标；

(2)对介休市各乡镇的需水和耗水情况进行了进一步分析，给出了2020年和2030年各乡镇的需水量和耗水量，可为介休市水资源配置和基于遥感的耗水管理奠定基础。

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